KR20010099073A

KR20010099073A - 금속필터를 이용한 대기오염성분 분해 및 분진 제거를위한 공기 정화장치 및 정화방법

Info

Publication number: KR20010099073A
Application number: KR1020010051381A
Authority: KR
Inventors: 이덕의; 이근후; 박만호; 홍성창
Original assignee: 석창환; 화이버 텍 (주)
Priority date: 2001-08-24
Filing date: 2001-08-24
Publication date: 2001-11-09

Abstract

본 발명은 금속필터를 이용한 대기오염성분 분해 및 분진 제거를 위한 공기 정화장치 및 정화방법에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 전기통전에 의해 자체발열하는 금속필터를 이용하여 대기오염성분을 분해 및 제거하고 동시에 분진을 여과시킬 수 있는 공기 정화장치 및 정화방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 공기 정화장치는 전기통전에 의해 자체발열된 금속필터에 오염된 공기를 통과시킴으로써 오염성분을 화학적으로 분해하여 제거할 수 있고 동시에 금속필터 자체가 분진 등을 직접 여과하는 2중의 효과를 얻을 수 있고, 소각로 배가스처리, 자동차 배가스의 정화, 산업용 VOC 배출가스의 정화 등에 다양하게 적용될 수 있다.

Description

금속필터를 이용한 대기오염성분 분해 및 분진 제거를 위한 공기 정화장치 및 정화방법 {Air purifying apparatus for decomposition of air pollutant and removal of dust and method for purifying air using metal fiber filter}

본 발명은 금속필터를 이용한 대기 오염성분의 분해 및 분진 제거를 위한 공기 정화장치 및 정화방법에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 전기통전에 의해 자체발열하는 금속필터를 이용하여 대기오염성분을 분해 및 제거하고 동시에 분진을 여과하여 제거할 수 있는 공기 정화장치 및 정화방법에 관한 것이다.

근래에는 쓰레기 소각장, 화력발전소 및 산업용 보일러 등의 사용이 크게 증대되고 있는 상황에서, 이들로부터 발생하는 다이옥신, 불완전 연소 연료성분 및 수트(soot)를 포함하는 분진(dust)이 큰 환경문제로 대두되고 있다.

일반적으로 유해물질을 분해하기 위한 필터는 필터의 표면에 고가의 촉매를 코팅시켜 촉매 표면에 유해물질이 흡착-산화-탈착되는 과정을 통해 유해물질을 분해하여 왔다. 그러나, 이 경우 촉매의 특성에 따라 흡착 및 탈착력이 결정되므로 촉매에 따라 그 성능에 있어서 많은 차이가 나는 단점이 있다.

다른 공기 정화의 방법으로는 금속필터를 이용한 방법을 들 수 있다. 예를 들어 일본국 특개평 7-731호에는 자동차 배가스로부터 카본 미립자를 제거하기 위해 미립자 제거트랩을 설치하는데 있어서, 내열성 금속으로 만든 발포구조 다공체의 기공내에 섬유의 평균직경이 5∼40㎛인 금속섬유 또는 내열성 세라믹 섬유를 분산상태에서 충전하여 충전밀도가 5∼20%인 금속 다공체를 제조하였고, 이 금속 다공체를 이용하여 미립자를 효과적으로 포집할 수 있는 배가스 정화용 필터가 기재되어 있다. 또한 일본국 특개평 7-50522호에는 미립자 크랩용 금속필터에 있어서, 금속필터가 Ni, Cr, Al 및 Fe 등을 포함하는 금속 조성을 갖는 단일층 또는 다수층으로 된 부직포이며, 평균직경이 5∼40㎛이고, 충전밀도가 5∼25%인 것이 기재되어 있다. 상기 특허들은 금속필터를 이용하여 오염공기내의 미립자를 포집하는 것을 그 특징으로 하고 있으며, 자체발열의 성능을 이용한 유해성분의 화학적인 분해 및 제거효과는 어디에서도 찾아볼 수 없다.

이에 본 발명자들은 오염성분이 고온을 통과할 경우 열적으로 쉽게 분해되는 특성에 착안하여 전기통전에 의해 자체발열하는 특성을 갖는 금속섬유를 이용하여 오염된 공기의 오염성분을 화학적으로 분해하여 제거하고 동시에 금속필터 자체가 분진 등을 직접 여과하는 2중의 효과를 얻을 수 있는 방법을 연구하였으며, 본 발명은 이에 기초하여 완성되었다.

따라서 본 발명의 목적은 자체발열된 금속필터를 내장하여 대기오염성분을 통과시킬 때 오염성분을 화학적으로 분해하여 제거하고 동시에 분진 등을 직접 여과하는 2중의 효과를 가지면서, 오염성분의 양과 종류에 따라 금속필터의 발열정도를 제어할 수 있는 공기 정화장치를 제공하는데 있다.

또한 본 발명의 다른 목적은 상기 장치를 이용하여 공기를 정화하는 방법을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 공기 정화장치는, 전기통전에 의해 자체발열하는 금속섬유로 제조된 한 장 이상의 금속필터; 상기 금속필터의 양단에 설치된 통전부재; 금속필터의 발열을 감지하는 온도감지기; 및 정화하고자 하는 성분의 양과 종류에 따라 금속필터의 발열량을 제어할 수 있는 온도제어기로 이루어진다.

다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 공기 정화방법은, 전기통전에 의해 자체발열하는 금속섬유로 제조된 한 장 이상의 금속필터를 준비하는 단계; 상기 금속필터의 양단에 설치된 통전부재에 전기를 걸어 상기 금속필터를 발열시키는 단계; 및 상기 발열된 금속필터에 오염된 공기를 통과시키는 단계를 포함하며, 금속필터에 연결된 온도감지기를 통해 금속필터의 발열온도를 감지하고, 전력공급원에 연결된 온도제어기를 이용하여 정화하고자 하는 성분의 양과 종류에 따라 금속필터의 발열량을 제어하는 것으로 이루어진다.

도 1은 본 발명에 따른 공기 정화장치의 개략적도이다.

도 2는 금속필터에 유체를 통과시킬 때 발생하는 압력변화를 도시한 그래프이다.

도 3은 본 발명에 따른 금속필터에 일정유속으로 통과하는 공기의 온도변화에 따라 발생하는 압력변화를 도시한 그래프이다.

도 4는 본 발명에 따른 일예의 금속필터 발열시 필터표면의 온도를 측정한 온도분포 사진이다.

도 5는 본 발명에 따른 다른 일예의 금속필터 발열시 필터표면의 온도를 측정한 온도분포 사진이다.

도 6은 본 발명에 따른 주름형태의 금속필터 발열시 필터표면의 온도를 측정한 온도분포 사진이다.

* 도면부호의 간단한 설명 *

10: 공기정화장치, 20: 금속필터

30: 통전부재, 40: 전력공급원

50: 온도감지기, 60: 온도제어기

이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참고하여 좀 더 구체적으로 설명한다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 공기 정화장치는 전기통전에 의해 자체발열하는 금속섬유로 제조된 한 장 이상의 금속필터, 상기 금속필터의 양단에 설치된 통전부재, 금속필터의 발열을 감지하는 온도감지기, 및 정화하고자 하는 성분의 양과 종류에 따라 금속필터의 발열량을 제어할 수 있는 온도제어기를 포함한다.

상기 자체발열 금속필터를 이용하는 원리는 대기오염성분이 고온을 통과될 경우 열적으로 쉽게 분해되는 특성을 이용한다. 예를 들어, 소각로의 소각과정에서 완전히 제거되지 않고 발생하는 PCB, 염화 벤젠류 등과 같은 다이옥신류 전구물질및 다이옥신류 등은 640∼740℃ 온도로 통과시켜 줄 경우 열적으로 쉽게 분해된다. 그러나, 종래의 필터들은 고분자, 종이 등으로 제작되어 있기 때문에 200℃ 이상의 고온 여과에는 부적합하였지만, 본 발명에 따른 발열 금속필터는 필터자체가 전기통전에 의해 고온으로 발열하기 때문에 유해물질이 금속필터를 거치면서 산화 및 여과가 동시에 되는 장점이 있다.

본 발명에 따라 고온으로 발연된 금속필터를 통과하여 다이옥신이 분해되는 과정을 살펴보면,

DCB(g) + S → DCB(a) --- (1)

DCB(a) + O(a) → CO(a) + C₅(a) --- (2)

또는 DCB(a) + O₂(g) → CO(a) + C₅(a)

→ C₅(a) + 3O₂(g) → 5CO(a) +H₂O(g) +2HCl --- (3)

→ CO(a) +1/2O₂→CO₂(g) --- (4)

또는 CO₂(g) or CO ↔CO(g) + S

여기서, DCB는 다이옥신을, S는 필터 표면, g는 기체를, a는 필터 표면에 흡착상태를 의미한다.

상기 다이옥신 분해 과정에서 (1)은 다이옥신이 필터 표면에 흡착된 상태를 나타내며, (2)는 흡착된 다이옥신이 산화되는 과정을 나타내고, (3)은 다이옥신에서 분해되어 나온 C₅가 산화 분해되는 과정을 나타내며, (4)는 (3)의 과정에서 형성된 일산화 또는 이산화탄소 가스가 필터 표면에서 탈착되는 과정을 나타낸다.

이와 같이 본 발명에서 사용가능한 자체발열하는 금속필터는 5∼50㎛의 평균직경을 갖는 금속섬유를 이용하여 부직포 또는 직조 형태로 제조되며 30∼80%의 기공률을 갖고, Fe 65∼80중량%, Cr 16∼25중량%, Al 3∼10중량% 및 La, Ti, Nb, Y, Ta 및 Zr로 이루어진 군으로부터 선택되는 성분 0.05∼3중량%의 조성을 갖는다.

또한, 본 발명에 따른 금속필터 제품의 형태는 박판형태 또는 주름판 형태 모두 다 가능하다. 금속필터의 형태가 주름판 형태인 경우에는 오염공기와 접할 수 있는 표면적을 높일 수 있는 장점이 있다.

도 1에는 본 발명에 따른 공기 정화장치(10)의 개략도가 도시되어 있다. 도 1을 참조하여 설명하면, 본 발명에 따른 공기 정화장치(10)는 금속필터(20), 통전부재(30), 전력공급원(40), 온도감지기(50) 및 온도제어기(60)를 포함하며, 통전부재(30)에 의해 발열된 금속필터(20)를 오염된 공기가 화살표 방향으로 통과하게 된다. 공기 정화장치의 내부에 내장되어 있는 금속필터(20)는 처리하여야 하는 오염성분의 양과 종류에 따라 한 장 또는 그 이상으로 구성된다.

또한 금속필터의 평면도가 도 1에 함께 도시되어 있으며, 그 평면의 형태는 부직포의 형태를 이루고 있는 것을 예시하고 있으나, 직조된 형태도 가능하다.

상기 금속필터는 5∼50㎛의 평균직경을 갖는 금속섬유를 이용하여 부직포 또는 직조 형태로 제조하는데, 이 때 금속필터의 기공률은 30∼80%이다. 상기 기공률은 대기오염성분의 분진의 양 및 크기에 따라 다양하게 조절된다. 예를 들어, 분진의 양이 많을 경우에는 기공률을 작게 하고 금속섬유의 직경과 필터의 두께를 두껍게 선택할 수 있다. 또한, 오염성분의 양이 많을 경우에는 기공률을 낮추어서 압력손실이 좀 더 높아지더라도 분진을 효과적으로 제어할 수 있도록 할 수 있다. 한편, 이들 금속섬유를 이용한 필터는 한국등록특허 제178643호에 기재된 방법에 따라 제조될 수 있다.

또한 본 발명에 따른 공기 정화장치는 금속필터의 온도를 감지할 수 있는 온도감지기(50) 및 정화하고자 하는 성분의 양과 종류에 따라 금속필터의 발열량을 제어할 수 있는 온도제어기(60)를 포함한다. 상기 온도제어기(60)는 통전되는 전기량 및 교류 또는 직류의 전류를 이용하여 금속필터의 발열량을 조절할 수 있다. 예를 들어, 분해하고자 하는 성분이 알콜일 경우, 발열된 금속필터의 온도를 300℃ 정도로 조정하여 주고, 또한, 벤젠의 경우에는 400∼500℃로 조정하여 분해하고자 하는 성분에 따라 발열량을 조절할 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 금속필터의 크기에 따라 800℃ 및 1000℃의 온도를 얻기 위한 볼트와 암페어를 하기 표 1에 예시하였고, 하기 표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 금속필터의 크기가 커짐에 따라 소요전력이 선형적으로 비례함을 알 수 있다.

	150×60mm	150×120mm	300×60mm	300×120mm
	A	V	A	V	A	V	A	V
800℃	60	3	110	3	60	7	110	6
1,000℃	80	5	160	5	90	10	170	10

더욱 부가적으로, 본 발명에 따른 금속필터 이면에는 오염성분을 분해할 수 있는 촉매를 코팅하여 적용할 수도 있다. 본 발명에 따른 금속필터에 부가적으로촉매를 사용할 경우에는, 고온분해에 의해 제거되지 못한 성분을 2차적으로 한번 더 분해시켜 줌으로써 공기 정화효과를 한층 증대시킬 수 있다.

이와 같이, 본 발명에 따른 공기 정화장치는 소각과정에서 함께 발생되는 분진을 고온에서 완전연소시키고 제거할 수 있기 때문에, 분진에 흡착 배출되는 다이옥신류 및 전구체를 동시에 제거할 수 있으며, 이러한 시스템은 화력발전소를 비롯한 각종 산업용 보일러에서 발생하는 불완전 연소 연료성분 및 수트와 같은 분진을 완전 연소시킬 수 있는 수단으로도 이용될 수 있다. 또한 금속섬유 소결체의 특징인 높은 기공도로 인해 기존 유해물질 분해 촉매에 비해 반응 표면적이 약 500배 이상 향상되는 장점도 갖는다.

또한 디젤 자동차 등에서 배출되는 배가스의 주 오염원은 응집된 카본에 미연 연료가 함유된 물질로서, 연소에 의해 카본 또는 일산화탄소 기체를 이산화탄소로 산화시켜 정화할 수 있으며, 이 과정에도 역시 적용할 수 있다.

또 다른 응용분야로는 저온으로 배출되어 촉매처리장치에 적용하기 어려운 산업용 VOC 배출가스의 촉매 산화온도인 150∼400℃까지 배가스를 예열하는 장치로서, 발열 금속필터를 이용한 장치를 사용할 수 있다. 이 과정에서 상기 금속필터는 단위면적 당 열 매체율이 높은 형태이므로, 배가스의 온도를 효과적으로 상승시키기 위한 전처리 장치로 사용될 수 있으며 동시에 배가스 내의 미세 분진을 제거할 수 있어 촉매의 분진에 의한 효율저하를 억제할 수 있는 부가적인 효과도 얻을 수 있다.

이하, 실시예를 통해 본 발명을 좀 더 구체적으로 살펴보지만, 이에 본 발명의 범주가 한정되는 것은 아니다.

실시예

150×60mm 크기의 Fe/Cr/Al의 합금으로 제조된 금속필터(Cr: 20.46중량%, Al: 5.77중량%, Fe: 잔량)의 양단에 설치된 통전부재에 60A×3V의 교류전력을 공급하여 800℃까지 금속필터를 발열시키고, 이 금속필터에 주요 오염성분이 유기화합물로 농도가 300ppm(메탄 환산농도)인 배가스를 7.5m/s의 유속으로 통과시켰다. 상온의 공기가 금속필터를 통과하면서 금속필터의 온도는 350℃까지 떨어졌으며 발열 금속필터를 통과한 후 오염성분의 농도는 15ppm이하로 오염성분의 95%가 분해되어 제거된 것으로 나타났다.

또한, 오염공기를 유속을 달리하여 본 발명의 금속필터(실시예)를 통과시켰을 때 통과전후의 압력변화를 측정하여 도 2에 표시하였으며, 이와 동일하게 종래의 백(bag) 필터(비교예)를 통과시킨 경우의 압력변화도 측정하여 비교하였다. 또한 상기 장치에 일정한 유속(7.5m/s)으로 통과하는 공기의 온도를 변화시켜 이에 따른 압력변화를 측정하여 도 3에 도시하였다.

도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 금속필터는 종래의 백 필터에 비해 공기의 유속에 따라 상당히 적은 압력차를 나타내었다.

또한, 도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 박판 형태의 금속필터에 통전하여 발열시킨 상태에서 필터의 표면온도를 측정한 온도분포 사진이고, 도 6은 본 발명에 따른 주름판 형태의 금속필터에 통전하여 발열시킨 상태에서 필터의 표면온도를 측정한 온도분포 사진이다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.

상기 실시예를 통해 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 공기 정화장치는 전기통전에 의해 자체발열된 금속필터에 오염된 공기를 투과시킴으로써 오염성분을 화학적으로 분해하여 제거할 수 있고 동시에 금속필터 자체가 분진 등을 직접 여과하는 2중의 효과를 얻을 수 있고, 자동차 배가스의 정화, 산업용 VOC 배출가스의 정화 등 다양하게 적용될 수 있다.

Claims

전기통전에 의해 자체발열하는 금속섬유로 제조된 한 장 이상의 금속필터;

상기 금속필터의 양단에 설치된 통전부재;

금속필터의 발열을 감지하는 온도감지기; 및

정화하고자 하는 성분의 양과 종류에 따라 금속필터의 발열량을 제어할 수 있는 온도제어기;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 대기오염성분 분해 및 분진 제거를 위한 공기 정화장치.
제1항에 있어서, 상기 금속필터는 5∼50㎛의 평균직경을 갖는 금속섬유를 이용하여 부직포 또는 직조 형태로 제조되며 30∼80%의 기공률을 갖는 것을 특징으로 하는 공기 정화장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 금속섬유의 조성은 Fe 65∼80중량%, Cr 16∼25중량%, Al 3∼10중량% 및 La, Ti, Nb, Y, Ta 및 Zr로 이루어진 군으로부터 선택되는 성분 0.05∼3중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 정화장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 금속필터는 박판형태 또는 주름판 형태인 것을 특징으로 하는 공기 정화장치.
제1항에 있어서, 상기 온도제어기는 금속필터에 통전되는 전기량 및 교류 또는 직류의 전류를 이용하여 금속필터의 발열량을 조절하는 것을 특징으로 하는 공기 정화장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 금속필터의 이면에 유해 오염성분을 분해할 수 있는 촉매가 더욱 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 공기 정화장치.
전기통전에 의해 자체발열하는 금속섬유로 제조된 한 장 이상의 금속필터를 준비하는 단계;

상기 금속필터의 양단에 설치된 통전부재에 전기를 걸어 상기 금속필터를 발열시키는 단계; 및

상기 발열된 금속필터에 오염된 공기를 통과시키는 단계를 포함하며,

금속필터에 연결된 온도감지기를 통해 금속필터의 발열온도를 감지하고, 전력공급원에 연결된 온도제어기를 이용하여 정화하고자 하는 성분의 양과 종류에 따라 금속필터의 발열량을 제어하는 것을 특징으로 하는 대기오염성분 및 분진을 제거하기 위한 공기 정화방법.
제7항에 있어서, 상기 금속필터는 박판 형태 또는 주름판 형태인 것을 특징으로 하는 방법.
제7항에 있어서, 상기 온도제어기는 금속필터에 통전되는 전기량 및 교류 또는 직류의 전류를 이용하여 금속필터의 발열량을 조절하는 것을 특징으로 하는 방법.
제7항에 있어서, 상기 금속필터의 이면에 유해 오염성분을 분해할 수 있는 촉매를 더욱 부착하여 금속필터와 촉매를 이용한 2중 유해성분 처리를 실시하는 것을 특징으로 하는 방법.