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ISSN : 1225-0112(Print)
ISSN : 2288-4505(Online)

Applied Chemistry for Engineering Vol.30 No.6 pp.712-718
DOI : https://doi.org/10.14478/ace.2019.1076

Simultaneous Treatment of Tar and Particles Using Oil Scrubber and Bag Filter in Biomass Gasification

Joon Yub Kim^*,**

, Young Min Jo^**

, Sang Bum Kim^*,†

^*Korea Institute of Industrial Technology, Seobuk-gu, Cheonan-si, Chungcheongnam-do 31056, Republic of Korea
^**Department of Applied Environmental Science, Kyunghee University, Giheung-gu, Yongin-si, Gyeonggi-do 17104, Republic of Korea

Corresponding Author: Korea Institute of Industrial Technology, Seobuk-gu, Cheonan-si, Chungcheongnam-do 31056, Republic of Korea Tel: +82-41-589-8673 e-mail: sbkim@kitech.re.kr

Received September 25, 2019 ; Review October 16, 2019 ; Accepted November 3, 2019

Abstract

A combustible producer gas composed of H₂, CO and CH₄ could be obtained by the thermal-chemical conversion of biomass. However, a large amount of particulate matters including tar generated causes the mal-function of turbines and engines or the fouling of pipelines. In this study, a wet scrubber using the soybean oil and bag filter were installed, and the removal efficiency was investigated. Hydrate limestone and wood char base activated carbon were pre-coated on the filter medium to prevent clogging of open pores. The removal efficiencies by the bag filter were 86 and 80% for the hydrated limestone and activated carbon coating, respectively. Overall, the collection when using a series of oil scrubbers and bag filters were 88%, while 83% for the filter coating material.

Key Words : Biomass , Gasification , Particulate , Oil-scrubber , Pre-coating

오일 스크러버 및 집진장치를 통한 바이오매스 가스화 공정 발생 타르 및 입자 제거 연구

김 준엽^*,**

, 조 영민^**

, 김 상범^*,†

^*한국생산기술연구원
^**경희대학교 환경응용과학과

초록

가스화(gasification)는 바이오매스로부터 에너지를 얻을 수 있는 방법 중 하나로 열화학적 변환을 통해 수소, 일산화탄 소, 메탄 등으로 조성된 가연성 가스인 ‘producer gas’를 생산할 수 있다. 하지만 producer gas와 함께 타르(tar)를 비롯한 ash 등의 입자상 물질이 함께 생성돼, 발전 터빈이나 연소 엔진 등에 유입되어 고장을 일으키거나 배관 등에 축적되어 막힘 현상 등을 야기하므로 제거가 필요하다. 본 연구에서는 producer gas 중 타르 및 입자 제거를 위해 오일 스크러버 (oil scrubber)와 집진장치를 도입하였다. 흡수용매로써 타르를 효과적으로 제거가 가능한 대두유를 사용하였고, 스크 러버의 용매 온도에 따라 제거효율이 어떻게 변화하는지 실험을 통해 관찰하였다. 집진장치에는 타르로 인한 필터 눈 막힘 현상 등의 문제를 방지하기 위해 pre-coating 기술을 도입하였다. Pre-coating에 사용할 물질로써 분말 소석회와 목탄계 활성탄(wood char)을 사용하였으며, 타르(tar)를 비롯한 입자 평균 제거 효율은 소석회를 pre-coating 물질로 사 용 시 86%, 활성탄의 경우 80%로 나타났다. 스크러버와 집진장치를 동시에 사용한 경우에는 평균 제거효율이 소석회 는 88%, 활성탄의 경우 83%로 나타났다.

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1. 서 론

1980년 산업 혁명 이후 화석연료에 대한 소비가 늘어남과 동시에 이산화탄소 배출량이 증가하였고, 그 결과 세계 평균기온이 상승하였 다. IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change)에서는 세계평균 기온 상승에 대한 영향을 발표하면서 그 위험성을 경고하였으며[1], 이 에 대하여 국제사회는 교토 의정서 체결을 시작으로 온실가스 배출을 줄이기 위한 노력을 진행해왔다[2]. 이러한 노력의 일환으로 온실가스 배출의 주요 원인인 화석연료의 사용을 줄이기 위해 대체 에너지 연 구가 진행되어 왔는데, 바이오매스(biomass)가 그 대표적인 예이다[3].

바이오매스는 동⋅식물을 비롯한 유기생명체의 총칭이며 넓게는 조류(algae), 유기성 폐기물인 분뇨, 하수 슬러지, 음식 폐기물도 포함 하므로 손쉽게 얻을 수 있다[4]. 또한 바이오매스는 이산화탄소를 흡 수하는 광합성을 통해 성장하고, 연소 시 흡수한 이산화탄소를 다시 배출시키는 탄소 중립적 특성(carbon neutral)이 있으므로[5] 이산화탄 소 배출량에 영향을 주지 않는 에너지원 중 하나이다. 하지만 화석연 료에 비해 수분함량이 많고 낮은 에너지 밀도를 가지고 있어 기존의 화석연료를 사용하는 발전 시스템에 그대로 적용하기 힘들다. 따라서 가스화와 같은 열화학적 변환을 통해 에너지 밀도를 높이는 공정이 필요하며, 식 (1)과 같이 바이오매스가 약 500~900 ℃에서 공기와 반 응하여 수소, 일산화탄소, 메탄 등으로 구성된 ‘producer gas’를 생성 한다[6-8].

\begin{array}{l} Biomass \vec{Δ 500 \sim 900 ° C} H_{2} {+CO+CO}_{2} {+H}_{2} {O+N}_{2} + \\ {CH}_{4} {+C}_{2}^{¢} s+ (others) \end{array}

(1)

가스화로 생성된 producer gas는 열 및 전기 생산, 연료전지의 연료, 액체연료 합성 등에 사용된다. 하지만 가스화 과정에서 타르(tar)를 비 롯하여 ash, char 등의 입자상 물질이 생성되며, 이러한 불순물의 존재 는 배관에 축적되어 막힘 현상을 일으키거나, 발전용 터빈을 손상시 키는 문제를 야기하므로, 제거가 필요하다[7,9].

타르는 다양한 탄화수소의 복합체이며 점성이 있는 물질로써, 바이 오매스를 구성하는 셀룰로오스, 리그닌 등의 분해로부터 발생되는데, 대부분 리그닌 성분의 분해로 생성된다[10]. 선행연구자들은 타르에 대해 흡수, 흡착, 여과의 방법 등으로 제거를 시도하였으며, 그 중에서 흡수의 방법은 스크러버를 통한 흡수제거, 여과의 방법으로는 필터를 통한 제거방법이 있다[5,9,11]. 흡수를 통한 타르 제거의 경우, 일반적 으로 세정액으로써 물을 많이 사용하였으나, 타르는 비극성 물질이므 로 흡수율이 낮아 제거효율이 낮게 나타나므로, 같은 비극성 물질인 oily material을 세정액으로써 사용하는 연구가 진행되었고[5,12], 필터 를 통한 타르제거의 경우 고온의 영역에서 촉매연소에 의한 타르의 분해가 진행될 수 있도록 세라믹 필터를 사용한 연구가 진행되었다 [13,14]. 하지만 세라믹 필터의 경우, 기계적 강도가 낮고, 소요비용이 높다는 단점이 있다[9,15]. 이에 대하여 세라믹 필터와 같이 입자에 대 한 제거효율이 높고 중⋅고온영역에서 사용 가능한 섬유재질 필터를 사용해 타르를 비롯한 입자를 제거하는 시도도 있었으나 필터 표면에 서 응축된 타르로 인해 필터의 여과성능을 저하시키거나 필터 눈 막 힘 현상이 발생하는 등의 문제가 발생하였다고 했다[9,16]. 이러한 문 제에 대하여 Eberhard 등[17]이 제안한 pre-coating 기술을 적용해 producer gas 중의 타르 및 입자를 제거하는 연구를 진행하였다. Pre-coating 기술은 여과 개시 전 pre-coat 물질을 주입해 필터 표면에 mm 단 위의 얇은 층을 형성하여 필터 표면을 보호하면서 여과효율을 상승시 켜주는 기술이다[17-19].

본 연구에서는 섬유재질 필터를 이용하여 타르를 비롯한 입자상물 질을 제거하였으며, 필터 장치로 유입되는 타르의 양을 조절하기 위 해 집진장치 전단에 스크러버를 도입하고, 그 유무에 따른 집진장치 에서의 타르 및 입자에 대한 제거효율 변화를 알아보고자 하였다. 스 크러버에 사용되는 흡수용매로써 타르에 대한 흡수 효율이 좋은 대두 유를 사용하였고[20], 집진장치에는 pre-coating 기술을 도입하여 producer gas 중 존재하는 타르로 인해 발생되는 필터 눈 막힘 현상 등을 방지하고자 하였다. Pre-coat 물질로는 점착성을 가진 입자 제거에 대 하여 99% 이상의 제거효율을 보인 소석회[19]와 함께 타르를 비롯한 유기물질 흡착능력이 있는 활성탄을 선정하여[16,20], producer gas 중 tar 및 입자가 필터 표면에 형성된 pre-coating 층에서 제거가 될 수 있 도록 하였다.

2. 실 험

2.1. 가스화 장치

2.1.1. 가스화 반응기

반응기 내부에 유입되는 공기에 의해 유동하는 층 물질(bed material) 의 존재로 반응기 내부 온도가 고르게 분포되고, 유지되며 연료가 투입되었을 때 효율적으로 반응이 진행되는 특성을 가지는 기포 유동 층 반응기(bubbling fluidized bed)를 이용하였으며[21] 크기는 직경 10 cm, 높이 100 cm이다. Figure 1에 보이는 것처럼 반응기 상단에 설치 된 screw feeder가 연료를 공급한다.

2.1.2. 층 물질(Bed material)

유동화가 잘 이루어질 수 있도록 geldart particle classification B 그 룹에 속하는 입자를 선정하였으며[22], 평균입도 301 μm, 겉보기 밀도 (bulk density) 1,290 kg/m³, 입자 밀도(apparent density)가 2,580 kg/m³ 인 규사를 사용하였다.

2.1.3. 바이오매스

가스화에 사용된 연료로서 (주)세종 산림조합에서 시판중인 직경 5 mm의 목재펠릿을 적용하였으며, 길이 10~20 mm 크기로 분쇄한 후 사용하였다. 물성 분석을 위해 공업분석(proximate-analysis), 원소분석 (ultimate analysis)을 진행하였고, 각각 ELTRA (TGA-Thermostep, GmbH, Germany)와 EA112/FLASH2000 (Flash-Smart EA, Thermo Fisher, USA)으로 분석하였다. 분석 결과는 Table 1과 같다.

2.2. 스크러버 장치

SUS 재질로 직경 15 cm, 높이 30 cm의 흡수병(impinger) 형태로 제 작하였으며, 이중관 형태의 구조로써 내부에는 흡수 용매를 채우고, 외 부에는 냉매가 흐르도록 하여 일정 온도를 유지하였다. 스크러버 장 치에 사용되는 흡수용매로서는 타르와 같이 비극성이면서 흡수율이 좋은 대두유(soybean oil)를 사용하였으며, 이에 대한 정보를 Table 2 에 나타내었다.

2.3. 집진장치

2.3.1. 필터 재질

사전 실험을 통해 pre-coat 물질을 충분히 여과시켜주면서 부착되는 양이 많고, 필터에 걸리는 차압이 낮게 나타난 필터 재질로서 PPS (poly phenylene sulfide)를 사용하였으며, 필터는 (주)창명산업으로부터 직 경 10 cm, 높이 20 cm인 백 형태로 제작하여 사용하였다.

2.3.2. Pre-coat 물질

Pre-coating 진행 시 사용할 코팅 물질로서 분말 소석회, 목질계 분 말 활성탄(wood-char)을 사용하였고, 여과 개시 전 screw feeder를 통 해 일정량을 균일한 투입 속도로 주입하였으며, 집진장치 전단에 공 기를 주입하면서 pre-coat 물질이 장치 내로 유입되어 필터 표면에 입 자층이 형성되도록 하였다. Pre-coat 물질별 물리적 특성을 Table 3에 정리하였다.

2.3.3. Fly ash

당진 화력발전소의 fly ash를 사용하였으며, 성분 분석정보를 Table 4에 나타내었다.

2.4. 실험 방법

가스화 생성가스 중 타르 및 입자제거 실험에 앞서 소석회, 활성탄 (wood char) 분말을 pre-coat 물질로 선정하여 필터 표면에 코팅을 진 행한 뒤 1 m/min의 여과속도로 공기를 유입시키면서 screw feeder를 통해 fly ash를 분당 5 g 속도로 투입하고 grimm dust monitor (Dust spectrometer ver1.108, Grimm, Germany)로 백 필터 전 후단 입자개수 를 비교하여 제거효율을 측정하였다. 실험이 진행되는 동안 10 s 간격 으로 차압변화를 기록하였으며, 차압이 100 mmH₂O에 도달하게 되면 5 bar, 1~2 ms 간격으로 pulse-jet 탈진을 진행하고 난 뒤, pre-coat 물 질 투입으로 재 코팅을 진행하였다. 적절한 코팅 두께를 선정하기 위 해 필터에 걸리는 차압이 40, 60, 80 mmH₂O가 될 때까지 pre-coat 물 질 투입으로 코팅을 진행한 후 코팅 전후 필터 무게 차이를 통해 부착 량을 측정하고, pre-coat 물질의 밀도, 공극률을 기반으로 식 (2)를 통 해 코팅 두께를 계산하였으며, 각 두께별로 fly ash 제거효율과 코팅 후 여과 진행시간, 잔류차압변화를 비교하였다. 이렇게 선정된 코팅 두께로 pre-coating을 진행하였으며 producer gas 중 타르 및 입자 제 거 실험에 적용하였다.

L = \frac{W_{p}}{A \times ρ_{p}}

(2)

‘L’은 coating 두께(mm)를 나타내며, ‘W_p’는 필터 표면에 부착된 pre-coat 물질의 양(g), ‘A’는 여과면적(m²), ‘ρ’는 pre-coat 물질의 밀도 (kg/m³)를 나타낸다[19].

가스화는 수소의 수율이 높게 나타난 ER (equivalence ratio, 공연 비) 범위인 0.25로 진행하였으며[23], 온도는 840~850 ℃, 압력은 100 mmH₂O 이하가 되도록 유지하였다. 가스화 반응으로 생성된 producer gas는 사이클론과 열 교환기를 지나 집진장치로 유입되는데, 이때 열 교환기까지 연결된 배관과 사이클론은 타르의 응집을 막기 위해 300 ℃로 유지하였고[24], 열교환기로부터 집진장치까지의 배관은 70~90 ℃로 유지하였다. Figure 1의 ‘1’ 경로로 producer gas를 집진장치로 유 입시키기 전 필터에 pre-coating을 진행하여 코팅 여부에 따른 타르 및 입자제거 효율 변화를 비교하였고, 제거효율 및 차압변화 측정은 fly ash 제거 실험과 동일하게 진행하는 한편, 차압변화가 일정하게 유지 될 때 pulse-jet 탈진을 진행하였다. 이후 Figure 1의 ‘2’ 경로와 같이 집진장치 전단에 스크러버를 도입하여 타르 및 입자 제거효율의 변화 를 관찰하였다. 스크러버의 경우 용매 온도를 상온과 저온으로 각각 유지하였을 때 타르 및 입자 제거효율 변화를 관찰하기 위해 용매 온 도를 0과 20 ℃를 유지시키며 실험을 진행하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1. Pre-coating 후 필터여과 성능

3.1.1. 필터 후단 fly ash 입자개수 변화

Figure 2는 fly ash를 집진장치로 투입하며 필터 후단에서의 입자 개수를 측정한 결과이며, pre-coating은 차압 60 mmH₂O에 도달할 때 까지 진행하였다. Pre-coating이 진행되지 않은 경우(●), 0.5~2 μm 입 자가 대부분 필터를 통과하는 것으로 나타났으나, pre-coating 진행 후 필터를 통과하는 입자크기 범위가 1 μm보다 작은 입자크기로 줄어들 었다. 이러한 결과는 필터 표면에 생성된 pre-coating 층이 필터를 투 과하는 입자로부터 보호 역할 및 새로운 필터의 기능을 함으로써 기 존 PPS 필터에서 제거하지 못하고 투과되던 입자까지도 코팅 층에서 제거가 가능하게 되고, 결과적으로는 필터를 통과하는 입자 수가 감 소한 것으로 사료된다[19,25]. Pre-coat 물질별로는 소석회 코팅을 사 용한 경우(■)에서 필터를 통과하는 입자 수가 더 적게 나타났으며, 이는 소석회 코팅이 활성탄 코팅(▲)에 비해 더 좋은 여과 성능을 보 여줌을 알 수 있다.

3.1.2. Pre-coat 물질별 여과 진행시간, 잔류차압변화

총 10회의 여과 cycle 동안 여과 개시부터 탈진까지 걸린 시간을 측 정하여 Figure 3에 나타내었다. 실험결과 6번째 여과 개시 이전까지는 pre-coat 물질을 통한 coating으로 여과가 일부 진행되었기 때문에 순 수하게 fly ash만을 제거하는 여과시간이 pre-coating을 적용하지 않은 경우가 더 길게 나타나는 경향이 있었다. 그러나 6번째 이후부터 pre-coating을 적용한 경우(●, ▲)가 더 긴 시간 동안 여과 진행이 가 능한 것으로 나타났다. 결국 Schiller 등[26]의 실험결과와 유사하게 여과 개시부터 최고 차압까지 소요되는 시간(이하 여과 진행시간)이 여과 cycle별로 거의 일정하게 유지되었다. 이는 앞서 언급한 바와 같 이 pre-coating 층이 필터 보호층 및 새로운 필터역할을 하였기 때문인 것으로 사료되며, pre-coat 물질별로는 필터 보호효과가 좋게 나타났 던 소석회를 코팅재로 사용했을 때(▲) 더 긴 시간동안 효과적인 여과 진행이 가능한 것으로 나타났다.

잔류차압의 경우 일반적인 필터에 대하여 Figure 4의 pre-coating을 진행하지 않은 경우(●)와 같이 필터를 통과한 일부 입자가 필터 내부 에 잔존하여 pulse-jet 탈진으로도 완전히 탈진되지 않는 경우가 발생 하는데, 이러한 입자의 축적으로 인해 여과 cycle이 반복됨에 따라 잔 류 차압이 점차적으로 증가하는 경향을 보였으나 pre-coating 적용 후 (■, ▲) 코팅층으로 인해 pulse jet 탈진 후에도 필터 내에 잔류하는 입자량을 줄여줌으로써 잔류차압변화가 적게 나타났다[19,27].

3.1.3. 코팅 두께에 따른 여과성능 변화

적절한 코팅 두께를 선정하기 위한 실험을 진행하였으며, 필터 표면 부착량이 활성탄에 비해 많았던 소석회를 pre-coat 물질로 사용하였 다. 40, 60, 80 mmH₂O에서 나타난 코팅 두께는 각각 평균 0.5, 0.7, 0.9 mm로 계산되었으며, Figure 5(a)에는 각 코팅 두께별, 여과 cycle 별 여과 개시부터 탈진 시까지 소요된 시간을 표시하였다. Fly ash 입 자 제거효율에 있어서는 모든 두께에 대하여 0.3~10 μm 입자크기에 대해 90% 이상으로 나타났으며, 코팅 두께가 증가함에 따라 최고차압 까지 도달하는 시간이 감소하였으나, 여과 cycle이 지속됨에 따라서는 0.7 mm 이상으로 코팅을 진행하였을 때(▲, ◆), 일정한 여과시간을 유지하는 경향을 보였다. 두께가 0.5 mm (●)인 경우는 형성된 입자층 이 얇아 필터보호층 역할을 충분히 해주지 못하기 때문에[19] Figure 5(b)에 나타난 잔류차압변화처럼 두께 0.7, 0.9 mm에 비해 잔류차압 변화가 크게 나타났다. 0.9 mm의 경우(◆)에는 필터보호역할은 하지 만 fly ash 입자 여과 개시 때 80 mmH₂O의 높은 차압을 나타내고 있 으므로 실험용 코팅 두께로 선정하기에 부적절하다고 판단하였다. 따 라서 본 실험에 사용할 코팅 두께를 0.7 mm로 선정하였다.

3.2. 가스화 생성가스 중 타르 및 입자 제거

3.2.1. Tar 및 입자 제거효율

가스화 생성가스 중 타르 및 입자 제거를 위해 집진장치, 스크러버 를 사용하였으며, 집진장치에 pre-coating 적용 전(Figure 6, × 기호)에 는 타르로 인해 필터표면에 눈 막힘 현상 등이 발생하였고, 집진장치 로 유입되는 입자크기가 대부분 2 μm 이하였기 때문에 필터를 대부 분 통과하여 타르 및 입자 제거효율이 약 50% 정도로 낮게 나타났다 [16]. 그러나 pre-coating에 의해 필터 표면에 생성된 입자층이 타르입 자로부터 필터를 보호함에 따라 평균 제거효율이 소석회 코팅에서 86%, 활성탄 코팅에서 80%로 나타났다.

집진장치 전단에 스크러버 도입 후(Figure 6; ■, ▲)에는 집진장치 에서의 타르 및 입자 제거효율과 여과 진행시간이 증가하였는데, 스 크러버에 사용된 용매인 대두유가 구성 성분으로써 유기산을 함유하 고 있으며, 타르와 같은 비극성을 띄고 있기 때문에[28] 가스화 과정 에서 생성된 producer gas 중의 타르가 스크러버에서 흡수 제거됨으로 써 집진장치로 유입되는 타르의 양이 저감되었기 때문인 것으로 사료 된다. 여과 진행시간의 경우, 소석회 코팅[Figure 6(a)]에서 집진장치 만 사용하였을 때인 4 min에서 6 min으로 증가하였고, 활성탄 코팅 [Figure 6(b)]에서는 1 min 30 s에서 2 min 30 s로 증가하여 스크러버 를 사용하지 않은 경우(●)보다 여과 진행시간이 더 길게 나타났다. 용매 온도에 따라서는 온도를 0 ℃로 유지한 경우(▲)에서 가장 긴 시 간 여과가 지속될 수 있었는데, 0 ℃인 경우 타르의 응축량이 상온에 비해 많아졌으며 흡수 용매의 점도 또한 증가하여 타르흡수를 통한 제거량이 증가하였기 때문인 것으로 사료된다[11,29].

용매온도에 따른 여과 진행시간은 소석회 코팅의 경우에서 상온일 때 약 5 min간 진행이 가능하였으나 0 ℃일 때 6 min으로 증가하였다. 반면에, 활성탄 코팅의 경우, 상온일 때 약 2 min, 0 ℃일 때 2 min 30 s로 나타났으며, 평균 효율은 소석회 코팅이 상온에서 87%, 0 ℃일 때 88%, 활성탄은 상온에서 82%, 0 ℃일 때 83%로 집진장치만 사용한 결 과와 유사하게 소석회 코팅이 더 좋은 성능을 보였다. 이는 앞서 3.1.3 에서 언급한 것처럼 pre-coat 물질 중에 소석회가 활성탄에 비해 필터 표면 부착량이 더 많아서 활성탄 코팅에 비해 두꺼운 코팅층이 형성 되었고, 그 결과 필터표면의 코팅층에서 활성탄 코팅에 비해 더 많은 타르 및 입자를 제거가 가능하였기 때문인 것으로 사료된다.

3.2.2. 차압변화 및 잔류차압

타르 및 입자를 제거하면서 나타난 차압변화 양상은 Figure 7에 나 타난 것과 같이 3가지 단계로 나누어 볼 수 있으며, 코팅층에서 타르 를 흡수하면서 점진적으로 차압이 증가하는 단계, 흡수된 타르로 인 해 코팅 입자간 응집이 발생하면서 그 구조층이 변화하면서 순간적으 로 차압이 증가하는 단계, 마지막으로는 입자층 구조 변화가 끝나고 차압이 일정하게 유지되는 단계로 구분할 수 있다[30]. 차압변화를 통 해 Figure 6과 같이 여과가 진행됨에 따라 제거효율이 감소되는 이유 를 추측해 볼 수 있는데, 차압변화가 급격히 일어나는 두 번째 단계에 들어설 때에 입자층에 흡수된 타르에 의해 변형된 입자 층 구조가 필 터보호역할을 하지 못해 제거효율이 감소되거나 입자층에 흡수된 타 르가 필터를 통과하는 공기흐름에 다시 유입(re-entrainment)되는 현상 을 이유로 들 수 있다[31]. 재유입 되는 현상의 경우 액상입자는 고상 입자와 다르게 입자간 인력이 약해 필터에서 한번 여과된 이후에도 유동성이 있어 유입되는 공기의 흐름에 쉽게 유입될 가능성이 있다. 두 번째 차압변화 단계 이후로는 입자층을 통과하거나 필터 후단으로 다시 유입되는 입자 양이 일정해지면서 차압변화도 일정하게 유지된 다. 이때 여과 효율의 경우 Zhang 등[30]의 실험에서는 여과효율이 감 소하였다가 초기 여과효율로 다시 회복하는 경향을 보였으나 본 실험 에서는 발견되지 않았는데, Gac 등[31]이 언급한 바와 같이 타르로 인 하여 입자층의 구조가 변하였기 때문인 것으로 사료된다. 차압이 유 지되는 구간에서는 입자층에서 흡수된 타르에 의해 필터가 오염되고, 탈진 후에도 필터표면에 남아있는 pre-coat 물질로 인해 잔류차압이 상 승하여 다음 여과 진행에 영향을 주므로, 안정적으로 연속 운전을 하 기 위해서는 압력이 일정하게 유지되는 시점에서 pulse jet 탈진을 진 행하였다.

스크러버 도입 후(Figure 7; ■, ●) 시간에 따른 차압변화가 적게 나타났으며, 용매가 저온일 때 가장 느리게 차압이 변화하였다. 소석 회 코팅의 경우 타르 및 입자 제거가 스크러버 사용이 없을 때 약 4 min간 진행 가능했던 반면에, 스크러버 도입 후 약 5 min 30 s로, 활 성탄의 경우 집진장치만 사용한 경우 1 min 30 s에서 스크러버 도입 후 약 2 min 30 s로 증가하였다(스크러버 용매 온도 0 ℃ 기준).

탈진 후 잔류 차압변화 또한 Figure 8에서 확인할 수 있듯이 보호효 과가 뛰어났던 소석회 코팅의 경우가 가장 적은 변화를 보였으며, 스 크러버에 투입되는 용매 온도가 낮을수록 잔류차압변화도 적게 나타 났다. 이는 앞서 언급한 바와 같이 용매를 저온으로 유지했을 때 스크 러버에서 타르의 흡수량이 많아졌기 때문인 것으로 사료된다.

Figures 6과 7을 놓고 보았을 때 스크러버 용매 온도에 따라 제거효 율, 차압변화, 잔류차압변화에 차이가 있었으나 상온으로 용매를 유지 시킨 경우 평균 제거효율이 87%, 여과 진행이 가능한 시간이 약 4 min 30 s로 나타남으로써 0 ℃로 유지시켰을 때와 크게 차이가 없었 으며, Figure 8에 나타난 여과 cycle별 잔류 차압변화에 있어서도 거의 비슷한 변화를 보였기 때문에 용매를 0 ℃로 냉각 및 유지시키는 동 력비를 고려한다면 상온에서 스크러버를 운전시키는 것이 경제적일 것으로 사료된다.

4. 결 론

PPS 필터에 소석회, 활성탄의 두 가지 pre-coat 물질을 사용하여 pre-coating을 진행 후 fly ash 입자 제거 실험을 진행한 결과 pre-coat 물질로 생성시킨 입자층이 새로운 여과 및 보호기능을 함으로써 기존 PPS 필터를 통과하는 입자 수가 감소하였으며, 필터를 통과하는 입자 크기 또한 0.5~2 μm 범위에서 1 μm 이하로 줄었다. Pre-coat 물질별 로는 소석회를 사용하였을 때 활성탄보다 적은 입자수가 통과되므로 소석회 코팅이 더 좋은 것으로 나타났으며, 여과 cycle별 잔류 차압변 화 또한 소석회를 사용한 경우가 적었다. 가스화 생성가스 중 타르 및 입자 제거실험에서도 fly ash 입자 제거실험과 동일하게 소석회를 pre-coat 물질로 사용했을 때 높은 제거효율을 보였고 더 긴 시간 타르 및 입자 제거 진행이 가능하였기에 가스화 공정에서도 소석회 코팅을 적용하는 것이 유리한 선택인 것으로 판단되며, 또한 집진장치 전단 에 대두유를 용매로 사용하는 스크러버를 사용한다면 더 긴 시간 안 정적인 집진이 가능할 것으로 사료된다. 스크러버에 사용되는 용매의 경우 온도가 낮을수록 타르 입자 평균 제거효율이 양호하였으나 경제 성을 고려한다면 상온에서 진행하는 것이 보다 더 적절한 선택인 것 으로 판단된다.

감 사

본 논문은 한국생산기술연구원 연구과제(No. Kitech JA-19-0009)로 수행되었습니다.

Figures

Figure 1.Schematic diagram of experimental set-up.

Figure 2.The number of penetrated particles, before and after pre-coating.

Figure 3.Filtration time change according to pre-coat materials for 10 cycles.

Figure 4.Residual pressure drop change depending on filtration cycle.

Figure 5.Filtration time change (a) and residual pressure drop change (b) for 10 filtration cycles (coated with Ca(OH)₂).

Figure 6.Removal efficiency with filtration time for (a) Ca(OH)₂ coating and (b) wood char coating.

Figure 7.Pressure drop with filtration time for bag filter (a) Ca(OH)₂ coating and (b) wood char coating.

Figure 8.Residual pressure drop with filtration time for (a) Ca(OH)₂ coating and (b) wood char coating.

Tables

Table 1.Proximate and Ultimate Analysis of Wood Pellet

Table 2.Specification of Scrubbing Medium

Table 3.Specification of Pre-coat Materials

Table 4.Component of Fly Ash

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