Win Tech - 산업 분야 먼지배출을 1/10로 줄이는 집진 기술
Win Tech는 공공연구기관의 연구성과 확산을 위해 국가과학기술연구회(NST)와 공동으로 우수 공공기술을 선별하여 게재하고 있습니다.
▲ 박현설 책임연구원
한국에너지기술연구원 기후변화연구본부
미세먼지의 대부분은 석탄, 석유 등 화석연료의 연소과정에서 생성·배출되고 장거리 이동을 통해 주변의 다른 국가에도 영향을 미치기 때문에 근본적인 해결을 위해서는 현재의 에너지 믹스(Mix)에 있어 대전환이 필요하나, 이는 향후 최소한 수십 년의 시간이 소요될 것으로 예상된다.
따라서 단기간 내에 미세먼지 문제해결을 위한 가장 현실적인 방안은 각종 발생원으로부터 배출되는 미세먼지와 원인물질을 획기적으로 저감할 수 있는 기술의 전면적인 보급·확산하는 것이다.
먼지 배출업종이 밀집된 국내 산업단지는 조성된 지 20년 이상이 된 곳이 많으며, 현재 각 업체에서는 조성 당시에 비해 집진장치를 비롯한 환경 설비가 이미 포화된 상태이다.
최근 들어 환경 설비의 설치 공간 문제로 공장 건물 위에 집진기를 설치하는 사례가 증가하는 등 설치 공간 확보라는 현실적인 문제를 해결할 수 있는 집진장치에 대한 시장 요구가 높은 상황이다.
또한 미세먼지 배출을 줄일 수 있는 고성능 집진기가 시장에 진입하기 위해서는 성능뿐만 아니라 설치 공간 문제와 같은 수요업체의 현안을 해결하면서도 시설비 및 운전비 측면에서 충분한 경쟁력을 갖춘 기술이 필요하다.
한국에너지기술연구원에서는 산업 분야에 적용할 수 있는 고성능 저비용 집진 기술을 개발해 왔으며, 최근 기존 집진 기술에 대비하여 설치면적을 절반 이하로 줄이고 시설비용은 30% 절감하면서도 먼지배출 농도를 기존 대비 1/10 이하로 낮출 수 있는 복합재생방식 Long Bag Filter 기술의 개발을 완료하였다.
일반적으로 백필터 집진기는 긴 자루 모양의 백필터를 이용하여 가스 중에 포함된 먼지 입자를 제거하는 장치로서 안정적인 운전과 높은 집진효율, 그리고 상대적으로 낮은 시설비용을 장점으로 산업 전반에 걸쳐 폭넓게 적용되고 있다.
이번에 개발된 핵심 기술은 백필터 복합재생 기술로서 그간 적용이 어려웠던 길이 10m이상의 Long Bag Filter의 적용성과 운전 안정성을 확보하면서도 먼지 배출을 획기적으로 줄일 수 있는 기술이다.
백필터 집진장치가 점유하는 공간을 줄이기 위한 가장 손쉬운 방법은 적용하고자 하는 필터의 길이를 증가시키면 되나, 필터 길이가 증가할 경우 필터 재생이 어려워지고 이는 전체 집진기의 운전 안정성을 현저히 저하시키는 원인이 된다.
기존 집진기에 길이 3m 수준의 백필터가 주로 적용되어 왔던 이유도 여기에 있다.
산술적으로 필터의 길이가 3m에서 10m로 증가할 경우 집진기의 점유 공간을 50% 이하로 줄일 수 있기 때문에 산업현장의 공간 확보 문제 해결을 위해서는 길이 10m이상의 필터가 적용될 수 있는 Long Bag Filter 기술이 필요하다.
본 연구에서는 백필터 복합재생 기술을 개발하여 길이 15m 백필터를 적용한 경우에도 안정적인 운전 특성을 보임을 확인하였다.
또한 길이 10m인 필터를 적용했을 때 처리 가스 용량 규모가 300,000㎥/hr인 집진기가 차지하는 설치면적과 시설비용을 길이 3m 필터를 적용한 경우와 비교한 결과, 설치면적은 60% 감소하였고, 시설비용도 30% 절감할 수 있음이 확인되었다.
백필터 집진기에서는 먼지가 필터에 포집되어 쌓이게 되면 집진기의 공기저항이 증가하기 때문에 주기적으로 필터에 포집된 먼지를 털어내어 수거하고 필터를 재생시키는 과정이 필요한데, 백필터 집진기의 성능은 이러한 필터 재생 기술에 의해 좌우된다.
필터 재생이 원활히 이루어지지 않으면 필터가 막혀 집진기의 정상적인 운전이 어려워지며, 대기 중으로 배출되는 먼지의 대부분이 필터 재생 과정에서 발생하기 때문에 효과적인 필터 재생과 먼지 배출을 최소화할 수 있는 백필터 재생 기술이 필요하다.
이번에 개발된 기술은 외부의 청정 공기를 여과시의 공기흐름과 반대 방향으로 필터에 유입시킨 상태에서 압축공기를 순간적으로 분사하는 복합재생방식의 필터 재생기술로서, 기존 기술에 비해 필터에 쌓인 먼지를 보다 쉽게 털어낼 수 있기 때문에 필터 재생 효율을 큰 폭으로 향상시켜 집진장치의 안정적인 운전이 가능하며, 동시에 필터 재생시 필터를 통과하려는 먼지 입자를 보다 효과적으로 차단하기 때문에 먼지 배출농도를 저감할 수 있는 것이 특징이다.
이러한 복합재생방식 Long Bag Filter 기술은 6,000㎥/hr 규모의 파일럿 실험설비에서 성능 검증 실험을 진행하였으며, 산업현장에 곧바로 적용할 수 있도록 다양한 시험조건에서 성능 평가를 수행하였다.
성능평가에는 길이가 각각 10, 12, 15m인 백필터가 적용되었으며, 여과속도는 일반적으로 적용되는 범위인 1.0~2.0m/min를, 그리고 실험용 먼지는 유입농도를 20g/㎥로 하여 석탄발전소의 비산재를 사용하였다.
성능 평가는 동일한 운전조건에서 기존 기술인 충격기류재생 기술과 본 연구개발 기술인 복합재생 기술의 적용에 따라 백필터의 재생 특성에 있어서의 변화를 비교함으로써 집진기의 운전 안정성을 비교 평가하였으며, 동시에 동일한 실험 상황에서 배출되는 먼지농도를 실시간 측정 모니터링하는 방식으로 먼지 배출특성을 평가하였다.
10m 필터를 적용한 성능 평가 결과에서는 복합재생기술 적용시 기존 기술에 비해 필터 재생 효율이 증가하였으며 재생주기가 기존 대비 2배 이상 증가함을 확인할 수 있었다.
필터 재생 효율과 재생주기는 집진기의 운전안정성을 나타내기 때문에 이러한 평가결과는 복합재생 기술이 10m Long Bag Filter의 운전안정성을 향상시키는 데 매우 효과적인 수단임을 보여주는 것이다.
복합재생 기술의 더욱 놀라운 장점은 먼지 배출특성에서 확인할 수 있는데 기존 기술과 비교하여 복합재생 기술 적용시 배출되는 먼지 농도가 큰 폭으로 저감된다는 것이 성능 평가 결과에서 명확히 드러나고 있다.
필터 재생시 배출되는 최대 먼지 농도를 비교해보면 복합재생 기술을 적용한 경우 먼지 농도가 기존 대비 1/10 수준임을 알 수 있다.
연구결과의 객관성을 확보하기 위해 복합재생방식 Long Bag Filter 집진장치의 장시간 운전조건에서의 특성 변화와 이때의 먼지 배출농도를 외부 공인시험 기관에 의뢰하여 측정 분석하였다.
장시간 운전 실험에는 길이 15m 필터를 적용하였으며 여과속도를 1.5m/min으로 유지한 상태에서 50시간 연속 운전하였다.
장시간 운전 결과, 필터 재생주기는 예상한 바와 같이 매우 안정적인 형태를 보였으며, 배출 먼지 농도 또한 일정한 값을 유지하는 것으로 확인되었다.
한국산업기술원에 의뢰하여 배출 먼지 농도를 측정한 결과 총 먼지 농도가 0.356 mg/S㎥로 확인되었는데, 이 수치는 현재 국내에서 가장 엄격한 배출허용기준이 적용되고 있는 석탄화력발전소인 영흥화력 3~6호기의 허용기준(5.0 mg/S㎥)의 1/10 이하 수준에 불과한 것이다.
이번에 한국에너지기술연구원에서 개발된 복합재생기술 적용 Long Bag Filter 기술은 높은 집진 성능과 저렴한 시설비용, 그리고 현장 적용성 측면에서 기존의 기술을 한 단계 성장시킨 혁신적인 기술로, 국내 환경기술의 수준을 세계 최고 수준으로 올려놓았다고 평가할 수 있다.
본 기술은 현재 국내 중소기업에 기술이전되어 본격적인 상용화를 앞두고 있으며, 뛰어난 성능과 가격 경쟁력을 바탕으로 앞으로 국내외 시장에 빠르게 확산될 것으로 기대하고 있다.
또한 향후 국내 미세먼지 문제 해결을 위한 핵심적인 기술적 수단으로 역할을 할 것으로 기대되며, 기술성과 경제성을 모두 갖춘최적 방지 기술로서 향후 국내 환경정책 수립과 추진에도 기여할 수 있을 것으로 예상된다.