대기 오염 제어 – 미립자 배출 제어

대기 오염 제어 – 미립자 배출 제어

철강 공장에는 고온에서 발생하는 여러 야금 공정이 있습니다. 또한 이러한 공정 중 상당수는 원료를 처리하며 그 중 일부는 벌금 형태입니다. 따라서 이러한 모든 공정은 대기 중으로 오염 가스와 입자상 물질을 방출하기 쉽습니다. 이것은 실제로 공장 주변의 공기 품질에 영향을 미칩니다. 공기의 질을 개선하고 보호하기 위해 다양한 오염 제어 장치가 배출 제어에 사용됩니다.

몇 년 전부터 오염 제어 장비는 오염 물질의 양이 매우 많거나 독성이 있는 공정에만 사용되었습니다. 이 장비는 또한 회복 가치가 있는 곳에서 더 일찍 사용되었습니다. 그러나 오늘날 환경규제가 강화되고 환경에 대한 사회의 관심이 높아짐에 따라 철강산업은 배출량을 최소화하기 위해 모든 분야에 장비를 설치하고 배출량을 조사해야 하는 필요성이 대두되고 있습니다. 가능한 수준. 배출 제어 장치는 기본적으로 (i) 미립자 배출 제어 장치와 (ii) 기체 배출 제어 장치의 두 가지 유형이 있습니다. 이 문서에서는 미립자 배출 제어 시스템에 대해 설명합니다.

지난 30년 동안 채택된 입자상 물질(PM) 규정은 총 부유 입자(TSP)를 구성하는 거친 모드 입자를 규제하는 것에서 PM10 및 PM2.5 크기 범위의 초미세 입자를 규제하는 것으로 점차 변경되었습니다. 이러한 변화는 주로 건강에 미치는 영향 연구 데이터에 따르면 작은 입자가 건강에 해로운 영향과 가장 밀접하게 관련되어 있음이 나타났기 때문에 발생했습니다.

미세먼지 배출 규제는 산업혁명 초기로 거슬러 올라간다. 1600년대에도 사람들은 입자상 물질 배출과 고체 침전, 직물 오염, 재료 부식 및 건물 변색과 같은 문제 사이의 관계를 볼 수 있었습니다. 기술과 대중의 인식이 확대됨에 따라 입자상 물질 배출이 특정 유형의 폐 질환 및 관련 질병에도 기여한다는 것이 분명해졌습니다.

1940년대 후반에 여러 유형의 입자상 물질 제어 시스템이 비교적 기초적인 설계에서 오늘날의 고효율 시스템과 유사한 형태로 발전했습니다. 예를 들어, 전기 집진기(ESP)는 산 미스트 제어를 위한 1장 관형 장치에서 1장 및 2장 판형 집진기로 발전했습니다. Venturi 스크러버는 미립자 물질 제어에도 사용되기 시작했습니다. 이러한 제어 시스템은 주로 먼지로 인한 불편과 문제를 최소화하기 위해 설치되었습니다.

미세먼지는 (i) 1차 미세먼지와 (ii) 2차 미세먼지로 나눌 수 있습니다. 1차 입자상 물질은 대기로 직접 방출되는 물질입니다. 이러한 배출은 1997년 이전의 모든 미립자 물질 제어 조치의 초점이었습니다. 1차 미립자 물질은 0.1마이크로미터 미만에서 100마이크로미터 초과의 입자로 구성될 수 있습니다. 그러나 대부분의 1차 입자상 물질은 거친 범주에 속합니다.

미세먼지와 초미세먼지를 대상으로 한 PM2.5 기준이 공포되면서 2차 미세먼지에 대한 관심이 높아지고 있다. 이것은 기체 전구체의 반응으로 인해 대기 중에 형성되는 입자상 물질입니다. 2차 형성 과정은 새로운 입자를 형성하거나 기존 입자에 미립자 물질을 추가하는 결과를 초래할 수 있습니다. 2차 입자상 물질 형성과 가장 일반적으로 관련된 가스에는 이산화황, 질소 산화물, 암모니아 및 휘발성 유기 화합물(VOC)이 있습니다. 이러한 기체 전구체의 대부분은 인위적 출처에서 방출됩니다. 그러나 생물학적 공급원은 또한 일부 질소 산화물, 암모니아 및 휘발성 유기 화합물에 기여합니다.

2차 입자상 물질은 (i) 인위적 및 생물학적 소스에서 방출되는 응축된 증기로 형성된 2차 입자상 물질과 (ii) 기체 전구체의 대기 반응으로 인해 형성된 2차 입자상 물질로 더 세분화될 수 있습니다. VOC와 황산은 2차 입자상 물질을 형성하기 위해 응축될 수 있는 배출의 두 가지 일반적인 예입니다. 이러한 물질은 고정된 소스 가스 흐름에서 증기 형태로 인해 고효율 장치를 포함한 미립자 물질 제어 시스템을 통과합니다. 그러나 기상 물질은 일부 조건에서 잠재적으로 주변 공기에서 응축되어 주변 샘플링 시스템에서 측정한 입자를 형성할 수 있습니다. 응축성 미립자 물질의 상대적 중요성은 이제 막 평가되기 시작했습니다.

공정에서 형성되는 입자 크기의 범위는 존재하는 입자 형성 메커니즘의 유형에 크게 의존합니다. 평가되는 프로세스에서 이들 중 어느 것이 중요한지를 인식함으로써 단순히 일반적인 크기 범위를 추정하는 것이 가능합니다. 대기 오염원에서 가장 중요한 입자 형성 메커니즘에는 (i) 물리적 마모/기계적 분산, (ii) 연소 입자 연소, (iii) 균일 응축, (iv) 불균일 핵 생성 및 (v) 액적 증발이 포함됩니다.

물리적 마모는 두 표면이 서로 마찰할 때 발생합니다. 또한 연료 입자가 연소 공정의 고온로 영역에 주입될 때 대부분의 유기 화합물은 가스 흐름에서 기화 및 산화됩니다. 휘발성 물질이 떠나면서 연료 입자는 작아집니다. 연료 입자는 빠르게 연소되지 않는 물질(재)과 유기화합물로 구성된 숯으로만 빠르게 환원됩니다. 결국, 대부분의 숯도 연소되어 주로 불연성 물질을 남깁니다. 산화가 진행됨에 따라 100mm~1,000mm 입자로 시작된 연료 입자는 주로 1mm~10mm 범위에 있는 재와 숯 입자로 환원됩니다. 이러한 입자 형성 메커니즘을 연소 연료 연소라고 할 수 있습니다.

균질 핵형성 및 불균일 핵형성은 기상 물질을 입자상 물질 형태로 전환시키는 것을 포함한다. 균질 핵형성은 거의 전적으로 기상 물질로 구성된 새로운 입자의 형성입니다. 불균일 핵형성은 다른 메커니즘으로 인해 형성된 입자 표면에 물질이 축적되는 것입니다. 두 경우 모두, 증기 함유 가스 흐름은 핵 생성이 발생할 수 있는 온도로 냉각되어야 합니다.

일부 대기 오염 제어 시스템은 습식 세정기에서 재활용된 고체 함유 물을 사용하여 가스 흐름을 냉각합니다. 이 관행은 연료 연소와 매우 유사한 또 다른 입자 형성 메커니즘을 실수로 생성합니다. 물 흐름은 뜨거운 가스 흐름에 주입하는 동안 분무됩니다. 이 작은 방울이 증발하여 건조함에 따라 현탁 및 용해된 고체는 작은 입자로 방출됩니다. 이 메커니즘에 의해 생성된 입자 크기 범위는 광범위하게 연구되지 않았습니다. 그러나 0.1mm에서 2.0mm 크기의 입자를 생성할 수 있습니다.

대기 오염 제어 시스템은 가스 흐름에서 입자를 제거하기 위해 입자에 힘을 가합니다. 힘은 기본적으로 미립자 수집에 사용할 수 있는 '도구'입니다. 이러한 모든 수집 메커니즘의 힘은 입자 크기에 크게 의존합니다. 적용되는 힘은 (i) 중력 침전, (ii) 관성 충돌 및 차단, (iii) 입자 브라운 운동, (iv) 정전기 인력, (v) 열영동 및 (vi) 확산 영동입니다.

정전기력 또는 관성력과 같은 이러한 힘 중 하나 이상을 적용하면 입자가 수집될 수 있는 방향으로 입자가 가속됩니다. 입자가 가속되는 정도는 방정식 'F =Mp x Ap'로 표시됩니다. 여기서 F는 제곱초당 그램 센티미터 단위의 입자에 가해지는 힘, Mp는 그램 단위의 입자 질량, Ap는 입자의 가속도(cm/sq sec). 대기 오염 제어 장치는 가스 흐름의 입자에 가능한 최대 힘을 ​​가하도록 설계되었습니다. 입자(또는 입자의 덩어리)가 가속될수록 대기 오염 제어 장치가 더 효과적이고 경제적일 수 있습니다.

직물 필터 및 전기 집진기와 같은 고효율 미립자 제어 시스템에서 미립자 물질을 수집하는 데에는 세 가지 기본 단계가 있습니다. 이것은 (i) 수직 표면에 있는 입자의 초기 포획, (ii) 호퍼로 고체의 중력 침전, 및 (iii) 호퍼에서 고형물의 제거입니다. 입자 수집 메커니즘은 처음 두 단계, 즉 들어오는 입자의 초기 포획과 수집된 고체의 중력 침전의 효율성을 제어합니다. 입자 크기 분포는 이러한 각 단계에서 중요합니다.

모든 미립자 배출 제어 장비는 적용된 힘을 포함하는 메커니즘에 의해 미립자 물질을 수집합니다. 다양한 미립자 장비는 침전 챔버, 사이클론, 백 필터 및 전기 집진기입니다. 이 장비의 먼지 제거 메커니즘과 적용된 힘은 그림 1에 나와 있습니다.

그림 1 먼지 제거 메커니즘

침강실

침전 챔버는 미립자 배출을 제어하는 ​​데 사용된 최초의 장치 중 하나였습니다. 그러나 오늘날에는 입자를 모으는 효과가 매우 낮아 거의 사용되지 않습니다. 침전실의 포집력은 중력입니다. 가스 흐름에서 충분히 느리게 움직이는 큰 입자는 중력에 의해 극복될 수 있고 침전 챔버에 수집됩니다.

장치는 입구, 챔버, 출구 및 집진 호퍼가 있는 긴 수평 상자로 구성됩니다. 입자가 실린 가스 흐름의 속도는 챔버에서 감소합니다. 가스 흐름의 모든 입자는 중력의 영향을 받습니다. 챔버의 감소된 가스 속도에서 더 큰 입자(40마이크로미터 이상)는 극복되어 호퍼로 떨어집니다. 그것은 주로 매우 큰 입자를 제거하기 위해 다른 미립자 배출 제어 장치의 프리 클리너로 사용됩니다. 그림 2는 간단한 중력 침전 챔버 설계를 보여줍니다.

그림 2 간단한 중력 침전 챔버 설계

사이클론

사이클론은 일반적으로 가스 흐름에서 비교적 큰 입자를 제거하는 데 사용되는 간단한 기계 장치입니다. 전기집진기 또는 백 필터와 같은 보다 정교한 대기 오염 제어 장비의 프리클리너로 사용됩니다. 사이클론은 침전실보다 더 효율적입니다.

기계 장치는 수집을 위해 입자의 관성을 사용합니다. 미립자가 포함된 가스 스트림은 사이클론 방식으로 강제로 회전합니다. 입자의 질량으로 인해 입자가 소용돌이의 바깥쪽으로 이동합니다. 대부분의 대구경 입자는 사이클론 튜브 아래의 호퍼로 들어가는 동안 가스 흐름이 회전하고 튜브를 빠져 나옵니다.

사이클론에는 (i) 대구경 사이클론과 (ii) 소구경 다중 사이클론의 두 가지 주요 유형이 있습니다. 대구경 사이클론은 일반적으로 직경이 300mm에서 2m입니다. 작은 직경의 다중 사이클론은 일반적으로 직경이 80mm에서 300mm 사이입니다.

가스 흐름은 접선 방향으로 사이클론에 들어가고 사이클론 본체에 ​​회전하는 가스의 약한 소용돌이를 생성합니다. 큰 직경의 입자는 사이클론 본체 벽을 향해 이동한 다음 사이클론의 호퍼에 침전됩니다. 정화된 가스는 회전하여 사이클론을 빠져 나옵니다. 대구경 사이클론은 1.5mm에서 150mm 이상의 직경 범위의 입자를 수집하는 데 사용됩니다.

사이클론에서 입자 수집에 사용되는 수집력은 원심력과 중력입니다. 사이클론의 모양이나 곡률로 인해 가스 흐름이 나선형으로 회전합니다. 더 큰 입자는 운동량으로 인해 벽 외부로 이동합니다. 입자는 그곳에서 운동 에너지를 잃고 가스 흐름에서 분리됩니다. 이 입자는 중력에 의해 극복되고 수집되어 아래로 떨어집니다. 사이클론의 입구는 유입 가스의 흐름 패턴을 직선 흐름에서 원형 패턴으로 변경하여 소용돌이를 형성하도록 설계되었습니다.

다중 사이클론의 경우 축 방향 사이클론이 병렬로 사용됩니다. 축 방향 사이클론에서 가스는 상단에서 들어가고 중앙 튜브에 부착된 베인에 의해 소용돌이 패턴으로 유도됩니다. 다중 사이클론에서 더러운 가스는 모든 개별 사이클론을 통해 균일하게 들어갑니다. 그림 3은 사이클론 장치를 제공합니다.

그림 3 사이클론 장치

백 필터

백 필터는 나일론이나 양모와 같은 필터 재료를 사용하여 먼지가 많은 가스에서 입자를 제거합니다. 입자는 직물 재료에 남아 있습니다. 깨끗한 가스가 재료를 통과하는 동안. 수집된 입자는 기계적 흔들림 또는 공기 분사를 사용하는 청소 메커니즘에 의해 직물 필터에서 제거됩니다. 제거된 입자는 수집 호퍼에 저장됩니다. 백 필터에 사용되는 다양한 섬유 재료와 그 특성은 표 1에 나와 있습니다.

탭 1 가방에 사용되는 일반적인 직물
광섬유	최대 온도		내산성	알칼리 내성	굴곡 마모 저항
	지속적	급증
	섭씨 도	섭씨 도
면	82	107	나쁨	매우 좋음	매우 좋음
폴리프로필렌	88	93	우수에서 우수	매우 좋음	훌륭함
나일론	93-107	121	나쁨에서 공정함	우수에서 우수	훌륭함
올론	116	127	우수에서 우수	보통에서 선으로	좋음
다크론	135	163	좋음	좋음	매우 좋음
노멕스	204	218	나쁨에서 좋음	우수에서 우수	훌륭함
테플론	204-232	250	불소에 약한 것을 제외하고는 우수	3불화물, 염소 및 용융 알칼리 금속에 약한 것을 제외하고 우수	보통에서 선으로
유리 섬유	260	288	공정에서 선으로	보통에서 선으로	공정

백 필터에서 충돌, 직접 차단 및 확산이라는 세 가지 별도의 힘이 가스 및 그 수집에서 입자 제거를 담당합니다. 충돌은 입자가 너무 커서 가스 흐름을 따라갈 수 없고 백 필터의 섬유에 부딪히거나 충돌하여 가스 흐름에서 분리될 때 발생합니다. 직접 충돌의 경우 입자는 입자 중심과 섬유 사이의 거리가 입자 반경보다 작기 때문에 충돌이 발생할 때까지 섬유 주위의 가스 흐름을 따릅니다. 매우 작은 입자가 기체 부피 전체에 걸쳐 브라운 운동을 하기 때문에 확산이 발생합니다. 매우 작은 입자는 가스 흐름에서 분자의 충돌에 의해 영향을 받습니다. 이 무작위로 움직이는 입자는 가스를 통해 확산되어 섬유에 영향을 미치고 수집됩니다.

백 필터에는 일반적으로 백 필터에 수직으로 매달려 있는 많은 수의 원통형 섬유 백이 있습니다. 먼지 층이 충분한 두께까지 쌓이면 백이 청소되어 먼지 입자가 수집 호퍼로 떨어집니다. 가방은 여러 가지 방법으로 청소할 수 있습니다. 가장 일반적인 세 ​​가지 방법은 진탕, 역 공기 청소 및 펄스 제트입니다. 기계적 흔들림에서 백은 퇴적 된 먼지를 제거하기 위해 구동 시스템에 의해 부드럽게 흔들립니다. 역 공기 청소 메커니즘에서 백 필터 구획은 낮은 압력의 공기 흐름으로 역세척됩니다. 먼지는 가방이 접히는 것만으로 제거됩니다. 펄스 제트 세척 메커니즘은 가장 널리 사용되는 메커니즘입니다. 그것은 가방에서 먼지를 제거하기 위해 고압의 공기 분사를 사용합니다. 먼지 케이크는 백 튜브의 상단에 주입된 압축 공기의 폭발에 의해 백에서 제거됩니다. 고압 공기의 분사는 필터를 통한 공기의 정상적인 흐름을 멈춥니다. 공기는 충격파로 발전하여 충격파가 백 튜브를 따라 이동함에 따라 백이 구부러지거나 확장됩니다. 케이크가 구부러지면서 케이크가 부서지고 침전된 입자가 백에서 떨어집니다. 충격파는 약 0.5초 만에 튜브를 따라 내려갔다가 다시 올라옵니다. 압축 공기의 분사는 백의 길이를 이동하고 먼지 케이크를 부수거나 깨뜨릴 수 있을 만큼 충분히 강해야 합니다.

백 필터 백에는 수명이 있으며 수명이 다하면 교체해야 합니다. 세 가지 조건이 가방의 수명에 악영향을 미칩니다. 마모, 고온 및 화학 공격입니다.

백 필터 설계에서 중요한 변수 중 하나는 공기 대 천 비율입니다. 공기 대 천 비율이 매우 높으면 과도한 압력 강하, 수집 효율성 감소, 가방이 먼지로 단단히 굳어지고 가방이 급속하게 열화됩니다. 그림 4는 펄스 제트 백 하우스 필터를 보여줍니다.

그림 4 펄스 제트 백 하우스 필터

전기 집진기

전기 집진기는 0.1마이크로미터에서 10마이크로미터 크기 범위의 직경을 가진 입자를 수집하는 데 사용됩니다. 그것은 균일하지 않은 고전압 필드를 사용하여 필드를 통해 이동하는 입자에 큰 전하를 적용합니다. 대전된 입자는 반대 대전된 수집 표면으로 이동하여 축적됩니다. 수집 효율이 높으며 때로는 99%를 초과하기도 합니다. ESP는 175°C ~ 700°C의 온도 범위에서 대량의 배기 가스를 처리할 수 있습니다.

전기 집진기에는 세 가지 주요 스타일이 있습니다. 즉 (i) 음으로 하전된 건식 집진기, (ii) 음으로 하전된 습식 벽 집진기, (ii) 양으로 하전된 2단계 집진기입니다. 음전하를 띤 건식 집진기는 대규모 응용 분야에서 가장 자주 사용되는 유형입니다. 젖은 벽 집진기(습식 집진기라고도 함)는 미스트 및/또는 적당히 끈적한 고체 물질을 수집하는 데 자주 사용됩니다. 양전하를 띤 2단계 집진기는 미스트 제거에만 사용됩니다. 그림 5는 전기집진기와 그 개념을 보여준다.

그림 5 전기집진기

ESP와 관련된 입자 수집 메커니즘은 정전기력입니다. 연도 가스에 부유하는 먼지 입자는 ESP를 통과할 때 충전됩니다. 고전압, 맥동, 직류가 작은 직경의 방전 전극과 수집 전극으로 구성된 전극 시스템에 적용됩니다. 방전 전극은 일반적으로 음으로 대전됩니다. 수집 전극은 일반적으로 접지되어 있습니다. 인가된 전압은 방전 전극 주위에 빛나는 파란색 글로우로 볼 수 있는 코로나 방전이 생성될 때까지 증가합니다. 코로나는 가스 분자를 이온화시킵니다. 생성된 음이온 가스 이온은 접지된 수집 전극으로 이동합니다. 음의 가스 이온은 연도 가스 흐름에 부유하는 입자에 충격을 가하여 음전하를 부여합니다. 음으로 대전된 입자는 수집 전극으로 이동하여 수집됩니다.

ESP에는 6가지 필수 요소가 있습니다. 이들은 (i) 방전 전극, (ii) 수집 전극, (iii) 전기 시스템, (iv) 래퍼, (v) 호퍼 및 (vi) 쉘입니다. 방전 전극은 일반적으로 직경이 작은 금속 와이어입니다. 이 전극은 먼지 입자를 충전하는 가스를 이온화하고 강한 전기장을 생성하는 데 사용됩니다. 수집 전극은 방전 전극과 반대 전하를 갖는 평판 또는 튜브입니다. 이 전극은 대전 입자를 수집합니다. 전기 시스템은 방전 전극과 수집 전극 사이의 전기장의 강도를 제어하는 ​​데 사용되는 고전압 부품으로 구성됩니다. 랩퍼는 포집된 먼지를 제거하기 위해 전극에 진동이나 충격을 가합니다. 랩퍼는 수집 전극과 방전 전극에 쌓인 먼지를 제거합니다. 호퍼는 ESP 하단에 있으며 랩핑 과정에서 제거된 먼지를 수집하고 임시로 저장하는 데 사용됩니다. 쉘은 전극을 둘러싸고 전체 ESP를 지원합니다.

먼지 입자의 저항은 ESP의 포집 효율에 큰 영향을 미칩니다. 비저항은 전류의 흐름에 대한 포집된 먼지층의 저항을 나타냅니다. 저항률이 높은 입자는 일반 저항률을 가진 입자보다 수집하기가 더 어렵습니다. ESP로 유입되는 연도 가스의 온도와 수분 함량을 조정하여 높은 저항을 줄일 수 있습니다. 그러나 온도와 습도를 조정하는 동안 연도 가스 온도가 이슬점보다 높아야 합니다. 그렇지 않으면 플레이트가 부식됩니다.

ESP 설계에서 중요한 매개변수 중 하나는 ESP로 유입되는 가스 유량에 대한 포집 표면적의 비율로 정의되는 특정 포집 면적입니다. 주어진 연도 가스 유량에 대해 표면적을 증가시키면 일반적으로 집진기의 수집 효율이 증가합니다.