KR20070095405A - 분리되기 어려운 파티클을 정전기적으로 하전하여 분리하는방법 및 장치 - Google Patents

분리되기 어려운 파티클을 정전기적으로 하전하여 분리하는방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 대상은, 산업 폐기 가스로부터 파티클을 분리하기 위한 정전 필터 방법 및 정전 필터에 관한 것으로서, 이온화 영역내의 최적의 전기적 하전 및 이온화가 하나의 고전압원을 가지는 고전압 영역 및 그 불변의 덕트 내에서 수행되어, 이어지는 분리 영역에서의 파티클의 분리가 최소의 에너지 주입으로 충분한 전계 세기에서 이루어질 수 있도록 한다.

Description

분리되기 어려운 파티클을 정전기적으로 하전하여 분리하는 방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR ELECTROSTATICALLY CHARGING AND SEPARATING PARTICLES THAT ARE DIFFICULT TO SEPARATE}
본 발명의 주목적은 독립항 1 및 5의 전제부와 같이, 가스 유체로부터 분리되기 어려운 파티클을 정전기적으로 하전하여 분리하는 장치 및 방법이다. 다시 말하면, 정전 필터에 관한 것으로서, 특히 산업 폐기물 가스를 여과하기 적합한 정전 필터 방법 또는 정전 필터에 관한 것이다.
소위 코트렐 원리(Cottrell principle)에 따라 작동하며 정전 분리 장치로 일컬어질 수 있는, 산업 폐기물 가스의 먼지 분리용 정전 필터의 경우, 분리되는 파티클들은 하전 및 이송되는 것과 동시에, 경우에 따라서는, 특별히 형성된 집진 전극 상에서 침적되는 일이 전기장에서 동시에 일어나고, 이 파티클들은, 충분히 축적(accumulation)되거나 응집(agglomeration)된 후에, 기계진동(건식 먼지 제거) 또는 린싱(습식 먼지 제거) 중 어느 하나에 의해 집진 전극으로부터 제거된다. 필요에 따라, 전술한 전기장 몇몇은 원하는 총 분리 생산량을 구현하기 위하여 직렬 또는 병렬로도 전환된다.
어떤 파티클들은 분리하기가 어려운데, 그 이유는 이들의 전기적 성질, 즉, 이 파티클들의 화학적 및 물리적 성질로 인해 집진 전극 상의 절연층을 유발하는 성질 때문일 수 있다.
추가적인 요소로, 고 전류 밀도에서의 전기 난류 (electric flow turbulence) 또는 소위 전기 바람(electric wind)으로 인해, 그레인 범위 <10㎛에 해당하는 파티클들은 하전 및 분리 전극 사이 영역에서 가스 이온화되므로, 집진전극 상에 증착(deposit)하기가 어렵다. 이는 물리적으로 유효한 하전 메커니즘, 즉, 소위 서지(surge) 또는 전계장 하전(field charging) 및 확산 하전(diffusion charging)의 결과로서, 파티클 조각 분리 성능에서 대체로 현저한 최소값이 발생한다고 알려진다. 전기 바람으로 인한 전기 난류의 문제를 약화시키기 위하여, 소위 2 단계 정전 필터가 개발되었는데, 이 필터에서는, 파티클의 하전 및 분리가 연속적으로 전환되는 분리된 전기장에서 일어난다. 문제점은 상기 단계들의 공간분리가 필요하고 서로 다른 전기적 고전압을 공급해야 한다는 점이다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 음극 코로나 시스템(negative corona system)으로 작동하는, 산업 폐기 가스 먼지 제거용 정전기적 작동 분리기가 알려져 있다. 이 방법은 특히 하나의 고전압 영역에 대해 오직 하나의 고전압원을 이용하는 정전기적 하전 및 분리에 의해, 분리하기 어려운 파티클들을 가스 유체로부터 제거하는 것으로 알려져 있다. 소위 코트렐 정전 필터와는 반대로, 이 파티클들은 고전압 영역 내에서 동시에는 아니지만 연속적으로 이온화되고, 그럼으로써 분리된 다.
더욱이, 이 방법 및 이들 장치에 있어서, 분리 영역보다 이온화 영역에서 더 큰 기하학적 덕트 거리(geometrical duct distance)로 인하여, 이온화 영역의 전계 강도(field strength)는 분리 영역의 전계 강도보다 낮다. 이와 같이 하여, 전기 난류의 손실을 실질적으로 피하도록 운영되어 왔다. 그러므로, 공지의 필터에서, 이온화 영역을 위한 덕트 폭이 분리 영역의 덕트 폭보다 더 넓은 배열이 제공되었는데, 그 이유는, 비교적 작은 하전 또는 이온화 영역에서는, 매우 높으면서도, 필요한 특이 전류 (necessary specific current flow)가 예상되고, 이로 인해 상대적으로 초기에 발생하는 방전개시 활성(sparkover activity)을 유발하여 전력을 제한할 수 있기 때문이다. 그러므로, 이는, 공지된 필터 내에서, 이온화 영역은 적어도 두 개, 흔하게는 세 개 이상의 분리 영역과 연관되어 있음을 의미한다. 충분히 높은 전계 강도의 존재는 분리 영역 내에서 덕트 폭을 줄임으로써 보장될 수 있다.
유사하게 작동하는 에어 필터는 당 업계에 공지되어 있고, 심지어 호흡용 공기 정화용으로, 특히 가정, 레스토랑, 강당에서 사용된다. 에어 필터와 산업용 필터는 서로 비교될 수 없는데, 이는 에어필터가 본원과 관련된 대형 산업 정전 필터에 비교하여 완전히 다른 전제조건을 만족해야 하기 때문이다. 이 때문에, 그것들은 산업 가스를 정화하는 데는 사용될 수 없다. 덕트 폭이 200 내지 500㎚인 것은 예를 들어, 산업 폐기 가스용 정전 필터로 통상적으로 사용된다. 그 결과, 일반적으로 산업 정전 필터에서는, 배기 가스의 조성 및 그들의 연소 가스 온도와 조 합되어, 2 내지 4㎸/㎝ 범위의 전계 강도 및 0.2 내지 1.2㎃/㎡ 범위의 특이 전류(specific current)가 사용된다.
또한, 에어 필터로서, 양극 코로나 시스템과 두 개의 고 전압으로 작동하는 것이 공지되어 있다. 이 에어 필터들은 이온화 및 분리를 위한 두 개의 출력부를 가지는 정류기를 포함한다. 공지된 에어 필터의 전계 강도는 이온화 영역과 분리 영역 내에서 같지만, 서로 다른 전압 전위(voltage potential)에서 제공된다. 양 영역은 서로가 전기적으로 절연되도록 구성되어 구비되어야 한다. 더욱이, 상기 공지 필터에서는, 이온화 영역에 양극 방전 전극(positive discharge electrode)이 제공되는데, 이 전극은 적당한(moderate) 이온화를 생산한다.
본 발명은, 산업 기기의 에너지 효율에 대한 요구가 높아지는 것을 배경으로 하며, 상술한 정전 필터 및 정전 필터 방법의 단점을 방지하고, 산업 폐기 가스의 필터링에 있어서, 에너지 소비를 감소하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적은 청구항 1에 따른 방법 및 청구항 5에 따른 장치에 의해 달성된다. 이 방법 및 장치의 바람직한 추가 개량내용은 종속항에 기술된다.
그러므로, 본 발명에 따른 분리장치 및 본 발명의 따른 분리 방법은, 음극 코로나 시스템으로 작동하고, 이 시스템에서는, 오직 하나의 고전압원을 이용하여 각각의 고전압 영역에서 파티클들의 충분한 하전이 수행된다. 그러므로, 반대로 분극된 집진 전극에서는 최저의 추가 에너지 주입만으로도 하전된 파티클들의 이송 및 분리가 일어나며, 음극 코로나 시스템을 갖는 기존의 필터로부터 알려진 각각의 덕트는 그대로 변함없이 유지된다.
높은 전기 난류와 가스 흐름의 방향으로 횡단하는 전기 바람을 갖는 극이온화 영역에는, 실질적으로 고요하고 사실상 층상의 영역이 실질적으로 어떠한 전기 난류도 없이 뒤따르는데, 여기서, 분리되기 어려운 하전된 파티클의 분리가 고 효율적이고 방해받지 않고 일어날 수 있다.
가능한 한 완전하게 발생하는 파티클들의 효율적인 하전은, 상기 이온화 영역에 고전압이 인가됐을 때 수행되는데, 이 영역은, 그 일부에서, 파티클들의 분리 및 이송에 충분한 최저 전류에서, 이어지는 분리 영역에 전계 강도를 발생시킨다. 분리 영역에서 낮게 규정된 전류는 이미 분리된 파티클들의 반복되는 소용돌이(swirling)(재비산: re-entrainment)를 실질적으로 방지하기 위하여, 양극 집진 전극으로의 전하 운반체의 특정한 추적 유도(follow-up guidance)가 구현될 수 있도록 한다.
이것은 원칙적으로 정전 필터의 다음과 같은 방식의 상이한 구현예, 즉, 변하지 않는 덕트 거리를 갖는 고전압 영역의 각각의 덕트 내에서, 공동의 고전압원 상에서, 고전류-집약 또는 전류-억제 전극 형태로, 극히 상이한 코로나 방전 거리가 이온화 영역 및 분리 영역에 사용되고, 여기서, 이온화 영역에서는 최대한 더 큰 기하학적 코로나 방전 거리가, 분리 영역에서는 최대한 더 낮은 기하학적 코로나 방전 거리가 설정되게 하는 것을 원칙으로 하는 구현예에서 실현될 수 있다.
이 때, 개별 덕트들의 덕트 폭은 일정하게 유지할 수 있으므로, 각각의 이온화 영역은 오직 하나의 분리 영역에만 관련된다. 게다가, 방전 개시(sparkover) 작동은 시작하지 않거나 전력이 대체적으로 줄지 않는 늦은 시간에만 시작된다.
단일 파티클 하전이 불충분하다고 판명되면, 정전기장 내에 이온화 및 분리를 위한 여러 개의 구획이 연속적으로 추가로 설치될 수 있다.
본 발명의 여러 개의 실시예들은 도면에서 개략적으로 나타낸 도안 및 도표를 참조하여 하기에서 더 상세하게 설명할 것이다.
도 1은 정전 필터에서의 파티클 분리 거동을 나타내고;
도 2는 본 발명에 따른 방법의 이온화 영역 및 분리 영역용 음극 형상의 대표적인 전기적 특성 성능의 예를 나타내고;
도 3은 본 발명에 따른 분리 장치의 각각의 분리 덕트의 제 1 실시예의 설치 계획도를 나타내고;
도 4는 본 발명에 따른 분리 장치의 각각의 분리 덕트의 제 2 실시예의 설치 계획도를 나타내고;
도 5는 두 개의 분리 덕트와 하나의 이온화 영역을 갖는 본 발명에 따른 정전 필터의 제 1 실시예를 나타내고;
도 6은 세 개의 분리 덕트와 두 개의 이온화 영역을 갖는 본 발명에 따른 정전 필터의 제 2 실시예를 나타내고;
도 7은 이온화 영역에서 냉각된 집진 전극을 갖는 두 개의 분리 전극을 갖는 본 발명을 따른 정전 필터의 제 3 실시예를 나타낸다.
도 1은 정전 필터 내의 파티클 분리 거동을 나타낸다. 소위 서지 또는 전계장 하전 및 확산 하전이라고 불리는, 물리적 유효 하전 매카니즘의 결과로서, 파티클 조각 분리 성능이 어느 정도로는 최소값이 표시되어 있다. 이는 모든 예시된 커브에서 명확하게 보여질 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 목적을 구현하기 위하여, 문제의 음극 형상의 특성이 어느 정도로 서로 상이할 필요가 있는지를 나타내었다. 도표의 왼쪽 부분의 특성은 이온화 영역용 고전류 드로잉 전극 형상(A, B 및 C형)과 대응되었고, 반면에 도표의 오른쪽 부분에서 나타낸 특성은 분리 영역용 저전류 전극 형상(D, E 및 F 형)과 대응되었다.
도 3은 이온화와 분리의 작업 구획을 갖는 단일 분리 덕트의 개요를 나타낸다. 인접하는 유사 덕트는 나타내지 않았다. 고전압 시스템(2)은 고전압 전력원(1)에 연결되고, 이 시스템에는 전류-집약 방전 전극(6)과 전압-집약 또는 낮은-전류 음극(7)이 제공된다. 방전 전극(6)은 참조 번호(12)에 접지된 집진 전극(6)에 의해 형성된 이온화 영역(4)에 위치한다. 또한, 음극(7)은 집진 전극(3)에 의해 형성된 분리 영역(5)에 위치한다. 전체 고전압 영역은 참조 번호(11)로 표시된다. 또한, 이온화 영역으로 알려진 영역에서, 파티클의 충분한 하전이 구현되고, 이 파 티클들은 난류(turbulence)가 매우 감소되고 및 전기 바람이 사실상 사라진 그 다음의 분리 영역(5)에서 최적으로 분리된다.
고전압 영역에서 단일 파티클이 최적 분리되기에 불충분하게 하전되어 있을 때, 분리 영역(5a)을 가지는 추가의 이온화 영역(4a)이 이온화 영역(4) 및 분리 영역(5)의 하류에 제공될 수 있다.
도 5는 소위 수평면이라 불리는, 수평으로 배열된 정전 필터의 개략도이다. 여러 열의 집진 전극(3)이, 접지(12)을 갖는 필터 하우징(8) 내에 제공되고, 상기 전극은 여러 개의 분리 덕트(separation ducts)(13)를 구성하는데, 덕트는 일부에, 전류-집약 방전 전극(6)을 갖는 이온화 영역(4) 및 낮은 전류 음극(7)을 갖는 분리 영역(4)을 포함한다. 여기서 나타낸 실시예는 두 개의 분리 덕트(13)를 포함한다. 다음의 분리 덕트(13)는 파선으로 표시한 것처럼, 연결될 수 있다.
도 6은 세 개의 예시된 분리 덕트(13) 내에 배열된 두 개의 이온화 영역(4, 4a)과 두 개의 분리 영역(5, 5a)을 갖는, 본 발명의 따른 정전기 필터의 추가의 실시예를 나타낸다.
도 7은 이온화 영역(4)을 가지는 제 3 실시예를 나타내고, 여기서, 참조번호(12)에 접지된 집진 전극이 냉각제(9)에 의해 유입되는 할로우 바디(hollow body)(냉각 챔버: 10)로서 배치된다. 이 냉각은 이온화 영역(4) 내에서, 극한(extreme) 전기 저항으로 인해, 분리된 파티클이 역 코로나로 알려진 재-이온화되는 것을 방지하도록 돕는다.
본 발명의 특성은 주된 도면에서 명확하게 나타나고, 즉, 오직 하나의 고 전압 공급원(1)를 갖는 균일한 개별 덕트(13)을 갖는 하나의 고전압 영역(11) 내에서, 이온화 영역(4,4a)에서는 최적의 전기 하전 또는 이온화가 수행되고, 분리 영역(5,5a)에서는 충분한 전계 강도에서 연속적으로 파티클이 분리될 수 있도록 한다.
본 발명은, 산업 기기의 에너지 효율에 대한 요구가 높아지는 것을 배경으로 하여, 상술한 정전 필터 및 정전 필터 방법의 단점을 방지하고, 산업 폐기 가스의 필터링에 있어서, 에너지 소비를 감소하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적은 청구항 1에 따른 방법 및 청구항 5에 따른 장치에 의해 달성된다. 이 방법 및 장치의 바람직한 추가 개량내용은 종속항에 기술된다.

Claims (9)

  1. 고전압 영역에 대하여 오직 하나의 고전압 공급원에 의해, 정전기적 하전(charging) 및 분리에 의하여, 분리하기 어려운 파티클들이 가스 유체로부터 제거되고, 상기 파티클들은 상기 고전압 영역 내에서 연속적으로 이온화 및 분리되며, 오직 하나의 출력부를 가지는 하나의 고전압 공급원에 연결된 연결 음극에 의해, 분리 영역뿐 아니라 이온화 영역에서도 상기 파티클들이 이온화 및 분리되는, 산업 폐기 가스로부터 먼지를 분리하는 방법에 있어서,
    상기 고전압 영역은 균일한 덕트 폭을 가지는, 하나 혹은 복수개의 개별 덕트를 포함하고, 여기서, 상기 파티클들은 연속적으로 이온화 및 분리되고, 이온화 및 분리 영역을 위한 음극의 형태(geometry)를 적절히 선택함으로써, 분리 영역에서보다 이온화 영역에서, 실질적으로 더 높은 전류가 발생되는 것을 특징으로 하는,
    산업 폐기 가스로부터 먼지를 분리하는 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 파티클들은, 직렬 연결 방식으로(in the manner of a series connection), 상기 고전압 영역의 개별 덕트 내에서, 두 번 또는 여러 번 연속적으로 이온화 및 분리되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 청구항 1 또는 2의 어느 한 항에 있어서,
    상기한, 세정되는 유체의 파티클들은, 음(negative)의 고전압을 인가함으로써, 상기 개별 덕트 내에서, 상기 분리 영역과 비교하여 적어도 10배의 전류를 가지는 상기 이온화 영역 내에서 하전되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이온화 영역의 접지된 전극은 냉각된 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항을 따른 방법을 수행하기 위한 것으로서, 이온화 영역 및 하류(downstream)의 분리 영역을 각각 포함하는 개별 덕트를 갖는 고전압 영역을 포함하는, 산업 폐기 가스로부터의 먼지 분리용 전기적 작동 필터에 있어서,
    상기 필터는 하나 또는 여러 개의 고전압 영역을 포함하고,
    상기 영역 각각에는 고전압 공급원이 제공되고,
    상기 이온화 영역(4) 및 상기 분리 영역(5) 양자 각각에는, 단 하나의 출력부를 가지는 하나의 고전압 공급원에, 합류되는 식으로(in a joined manner) 연 결되는 상이한 음극(6,7)이 제공되는 것을 특징으로 하는,
    산업 폐기 가스로부터의 먼지분리용 전기적 작동 필터.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 음극은, 이온화 영역(4)과 분리 영역(5)에서, 적당한 기하하적 배열(geometrical arrangement)에 의해, 분리 영역(5)과 비교하여 적어도 열 배의 코로나 방전 전류가 이온화 영역(4)에서 생성되는 방식으로, 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 청구항 5 또는 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이온화 영역(4) 및 분리 영역(5)을 위한, 음으로 분극된 전극(6,7)의 형태(geometry)에는 서로 상이한 구성(configuration)이 제공되고,
    상기 이온화 영역(4)에는 고전류 집약 코로나 방전 전극 형상(6) (high-current-intensive corona discharge electrode form)이 사용되고,
    상기 분리 영역에는 실질적으로 낮은 전류 또는 전압-집약 음극 형상 (7)이 사용되는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 청구항 5 내지 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    여러 개의 이온화 영역(4, 4a) 및 분리 영역(5, 5a)은, 상기 개별 덕트 내의 고전압 영역에서, 유체 흐름 방향으로, 순차적으로 뒤이어(behind one another) 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 청구항 5 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이온화 영역(4)의 집진 전극(9)에는 냉각 챔버(10)가 제공되는 것을 특징으로 하는 장치.
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