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KR101603223B1 - 하전 초미세 액적 발생장치 및 그를 이용한 전기 집진기 - Google Patents

하전 초미세 액적 발생장치 및 그를 이용한 전기 집진기 Download PDF

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KR101603223B1
KR101603223B1 KR1020140153679A KR20140153679A KR101603223B1 KR 101603223 B1 KR101603223 B1 KR 101603223B1 KR 1020140153679 A KR1020140153679 A KR 1020140153679A KR 20140153679 A KR20140153679 A KR 20140153679A KR 101603223 B1 KR101603223 B1 KR 101603223B1
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Abstract

하전 초미세 액적 발생장치 및 그를 이용한 전기 집진기에 관한 것으로, 미리 설정된 고압 조건을 형성하는 고압 형성부, 제거하고자 하는 분진이 포함된 유체를 공급하는 유체 공급부, 고압 조건에서 물이나 액상 반응제를 정전분무(electrospray)하여 하전 초미세 액적을 발생하는 분사부 및 상기 하전 초미세 액적을 이용해서 분진을 이온화시키는 반응부를 포함하는 구성을 마련하여, 고압 조건에서 물이나 액상반응제를 정전분무하여 액적의 크기를 감소시키고 액적의 개수를 증가시켜 하전 초미세 액적을 발생할 수 있다는 효과가 얻어진다.

Description

하전 초미세 액적 발생장치 및 그를 이용한 전기 집진기{CHARGED ULTRAFINE DROPLET GENERATION APPARATUS AND ELECTROSTATIC PRECIPITATOR USING THE SAME}
본 발명은 하전 초미세 액적 발생장치 및 그를 이용한 전기 집진기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고압조건에서 초미세 액적의 크기를 감소시키고 액적의 수를 증가시켜 분진 포집 효율을 향상시키는 하전 초미세 액적 발생장치 및 그를 이용한 전기 집진기에 관한 것이다.
일반적으로, 분진을 포집하는 기술은 싸이클론(cyclone) 집진장치, 세정 집진장치, 전기 집진장치, 여과포 집진장치로 구분된다.
그 중에서 세정집진장치는 액적을 분사하여 분진과 충돌시켜 분진을 포집하는 방법이고, 전기 집진기는 제거하고자 하는 분진을 이온이 존재하는 코로나 방전영역을 통과시켜 전하를 갖게 한 후에 전기장을 인가하여 분진을 포집하는 방법이다.
특히, 전기 집진법은 공기 정화나 공기 오염 제어를 위해 기상으로부터 부유성의 작은 입자 물질을 제거하는데 가장 널리 쓰이는 방법이다.
싸이클론 집진장치나 여과포 집진장치와 비교할 때, 전기 집진기는 작은 압력 저하(low pressure drop) 및 고포집 효율의 장점을 가지고, 상대적으로 동작에 필요한 전력 소모가 적다.
전기 집진기의 작은 압력 저하로 인해, 처리를 필요로 하는 기상의 유량이 체적적으로 많을 때, 이 장치는 더욱 유리한 것이 된다.
전기 집진은 파워 플랜트로부터 비산재(fly ash) 제거, 제련소, 제철소 및 시멘트 공장으로부터의 입자성 물질의 방출 제어 및 일반적인 빌딩 배기의 공기 정화 목적 등 거대 장치 산업에 광범위하게 사용되어 왔다.
전형적인 전기 집진기는 작은 시스템에서는 분당 수백 입방 피트의 유량에서부터 거대 산업 장치에서는 분당 수백만 입방 피트의 유량에까지 동작할 수 있다.
전기 집진기 기술은 하기의 특허문헌 1 및 특허문헌 2 등 다수에 개시되어 있다.
그러나 전기 집진기는 초미세입자에 대한 포집효율이 낮아 이를 보완할 수 있는 방법론에 대한 연구가 진행되고 있다.
그 중에서 하나는 세정 집진장치와 전기 집진기를 접목시키는 것이다.
세정집진장치는 확산에 의한 포집 효과를 높일 수 있는 장점을 가짐에 따라, 전기 집진기와 접목되면 훨씬 높은 분진 제거 효과를 얻을 수 있다.
한편, 도 1은 세정집진기와 전기 집진장치를 조합한 시스템의 집진효율을 예시한 그래프이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 상기 시스템의 집진 효율은 확산, 정전기력, 관성력, 중력 및 직접 차단(interception)과 같은 요소에 의해 결정될 수 있다.
대한민국 특허 공개번호 제10-2001-0038576호(2001년 5월 15일 공개) 대한민국 특허 공개번호 제10-2001-0101080호(2001년 11월 14일 공개)
그러나 세정집진장치와 전기 집진기를 접목한 시스템에서도 도 1에 도시된 바와 같이, 입자 크기가 약 100nm 내지 300nm의 범위에서 집진 효율이 저하되는 데드존(dead zone)이 발생하는 문제점이 있었다.
따라서 입자 크기에 따른 데드존을 제거하여 집진 효율을 향상시킬 수 있는 전기 집진기 기술의 개발이 필요한 실정이다.
본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 분진 포집시 입자 크기에 따른 데드존을 제거할 수 있는 하전 초미세 액적 발생장치 및 그를 이용한 전기 집진기를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 고압 조건에서 발생하는 액적의 크기를 감소시키고 액적의 개수를 증가시켜 집진 효율을 향상시킬 수 있는 하전 초미세 액적 발생장치 및 그를 이용한 전기 집진기를 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 하전 초미세 액적 발생장치는 미리 설정된 고압 조건을 형성하는 고압 형성부, 제거하고자 하는 분진이 포함된 유체를 공급하는 유체 공급부, 고압 조건에서 물이나 액상 반응제를 정전분무(electrospray)하여 하전 초미세 액적을 발생하는 분사부 및 상기 하전 초미세 액적을 이용해서 분진을 이온화시키는 반응부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 분사부는 상기 고압 형성부에 마련된 고압챔버에 설치되는 분사노즐 및 상기 분사노즐에 대응되는 위치에 설치되고 고전압 전원을 인가받아 코로나 방전 영역을 형성하는 방전체를 포함하여, 물이나 액상 반응제를 상기 고압챔버 내부에 정전분무하는 것을 특징으로 한다.
상기 분사부는 상기 반응부로 마련된 반응챔버의 상부에 설치되는 분사노즐 및 상기 분사노즐의 하부에 설치되고 고전압 전원을 인가받아 코로나 방전 영역을 형성하는 방전체를 포함하여, 물이나 액상 반응제를 상기 반응챔버 내부에 정전분무하는 것을 특징으로 한다.
상기 하전 초미세 액적의 크기는 대기압 상태에서 발생하는 액적의 크기보다 작고, 상기 하전 초미세 액적의 개수는 대기압 상태에서 발생하는 액적의 개수보다 증가하는 것을 특징으로 한다.
상기 고압 조건은 1 내지 10bar의 압력 상태인 것을 특징으로 한다.
또한 상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 하전 초미세 액적 발생장치를 이용한 전기 집진기는 상기 하전 초미세 액적 발생장치와 고전압 전원을 인가받아 반응부에서 이온화된 분진을 포집하는 집진부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 하전 초미세 액적 발생장치에 의하면, 고압 조건에서 물이나 액상반응제를 정전분무하여 액적의 크기를 감소시키고 액적의 개수를 증가시켜 다량의 하전 초미세 액적을 발생할 수 있다는 효과가 얻어진다.
그리고 본 발명에 의하면, 고압챔버 내부를 고압 조건으로 유지함에 따라, 분사노즐에 고전압 전원의 전압레벨을 높여 인가할 수 있으므로, 전기장 값이 커져 더 미세한 액적을 발생할 수 있다는 효과가 얻어진다.
이에 따라, 본 발명에 의하면, 집진판에 포집되는 분진의 양을 증가시켜 액적 크기에 따라 집진 효율이 저하되는 데드존을 제거함으로써, 분진 포집 효율을 향상시킬 수 있다는 효과가 얻어진다.
도 1은 종래기술에 따른 세정집집장치와 전기집진기의 집진 효율을 예시한 그래프,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 하전 초미세 액적 발생장치 및 그를 이용한 전기 집진기의 블록 구성도,
도 3은 도 2에 도시된 전기 집진기의 구성도,
도 4는 고압챔버 내부의 압력과 액적의 크기 및 개수 사이의 관계를 보인 그래프,
도 5는 본 발명의 바람직한 실시 예로 고압챔버 압력에 따른 노즐에서의 액적분사 형태를 가시적으로 나타낸 사진,
도 6은 본 발명의 바람직한 실시 예로 고압챔버의 압력에 따른 분사액적의 크기(대기압에서의 액적크기와 비교) 변화 그래프,
도 7은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 하전 초미세 액적 발생장치 및 그를 이용한 전기 집진기의 작동방법을 단계별로 설명하는 공정도.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 하전 초미세 액적 발생장치 및 그를 이용한 전기 집진기를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 발명은 전기 집진기의 집진효율을 향상시키기 위해, 전기 집진기 전단에 고압 조건에서 액적을 분사하는 세정집진장치(scrubber)를 마련하고, 전기 집진기를 이용해서 액적에 의해 포집된 분진을 포집하도록 구성된다.
즉, 본 발명은 일반적인 세정집진장치에서 발생하는 데드존에 해당하는 100 내지 300㎚ 범위의 분진을 제거하기 위해, 세정집진장치와 전기 집진기를 조합하여 고압 조건에서 액적을 분사하고 보다 높은 전기장을 형성해서 하전 초미세 액적의 수를 증가시켜 발생한다.
이에 따라, 본 발명은 하전 초미세 액적 사이의 충돌을 방지하여 집진효율을 향상시킨다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 하전 초미세 액적 발생장치 및 그를 이용한 전기 집진기의 블록 구성도이고, 도 3은 도 2에 도시된 전기 집진기의 구성도이다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 하전 초미세 액적 발생장치는 도 2에 도시된 바와 같이, 미리 설정된 고압 조건을 형성하는 고압 형성부(10), 제거하고자 하는 분진이 포함된 유체를 공급하는 유체 공급부(20), 물이나 액상 반응제를 정전분무(electrospray)하는 분사부(30) 및 고압 조건에서 정전분무된 물이나 액상 반응제를 이용해서 분진을 이온화시키는 반응부(40)를 포함한다.
이에 따라, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 하전 초미세 액적 발생장치를 이용한 전기 집진기는 상기 하전 초미세 액적 발생장치와 고전압 전원을 인가받아 반응부(40)에서 이온화된 분진을 포집하는 집진부(50)를 포함한다.
도 3을 참조하여 하전 초미세 액적 발생장치 및 그를 이용한 전기 집진기의 구성을 상세하게 설명한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 반응부(40)는 분진 포집 작업이 수행되는 반응챔버(41)를 포함할 수 있다.
반응챔버(41)는 유체 공급부(20)로부터 분진이 포함된 유체를 공급받고, 아래에서 설명할 고압 형성부(10)의 고압챔버(11)에서 발생한 하전 초미세 액적을 공급받는다.
반응챔버(41)의 일측에는 분진이 포집되어 정화된 유체를 배출하는 배출관(42)이 연결될 수 있다.
상기 유체는 자동차의 배기가스나 분진발생장치의 배출가스와 같이, 다양한 장치에서 배출되는 가스일 수 있다.
그리고 반응챔버(41)의 하부에는 집진부(50)에서 포집된 분진을 저장하는 저장탱크(43)가 마련될 수 있다.
고압 형성부(10)는 고압 상태에서 하전 초미세 액적이 발생하는 고압챔버(11), 고압챔버(11) 내부에 액적을 운반하는 가스를 주입하는 주입관(12) 및 고압챔버(11) 내부에서 발생하는 하전 초미세 액적을 반응챔버(41)로 공급하는 공급관(13)을 포함할 수 있다.
본 실시 예에서 고압 형성부(10)는 가스를 고압으로 주입해서 고압챔버(11) 내부를 약 1 내지 10bar의 고압 조건으로 유지할 수 있다.
한편, 본 실시 예에서는 가스를 고압으로 주입해서 고압챔버(11) 내부를 고압 조건으로 유지하는 것으로 설명하였지만, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
즉, 본 발명은 고압챔버(11) 내부에 진공을 형성하고 물이나 액상 반응제를 고압으로 정전분무하여 고압 조건을 유지하거나, 고압챔버(11) 내부의 온도를 상승시켜 고압 조건을 유지하도록 변경될 수도 있다.
또한, 본 실시 예에서는 고압챔버와 반응챔버를 분리해서 각각 마련하는 것으로 설명하였지만, 본 발명은 고압챔버와 반응챔버를 일체로 형성하고, 반응챔버 내부에 고압 조건을 형성해서 하전 초미세 액적을 발생하도록 변경될 수도 있다.
분사부(30)는 고압챔버(11)의 상부에 설치되는 적어도 하나 이상의 분사노즐(31)과 분사노즐(32)의 하부에 설치되는 방전체(32)를 포함할 수 있다.
분사노즐(31)은 물이나 액상 반응제를 고압챔버(11) 내부로 분사하고, 방전체(32)는 고전압 전원을 인가받아 코로나 방전 영역을 형성함에 따라, 분사부(30)는 분사노즐(31)에서 분사된 물이나 액상 반응제가 코로나 방전 영역을 통과하는 과정에서 이온화시켜 하전 초미세 액적을 생성할 수 있다.
본 실시 예에서 분사노즐(31)의 일단은 기저전위라인(GND)에 연결되어 접지될 수 있다.
방전체(32)는 도 3에 도시된 바와 같이 링 형상으로 형성되고, 분사노즐(31)의 개수에 대응되는 개수로 마련될 수 있다.
집진부(50)는 방전체(32)와 동일한 극성, 예컨대 (+) 극성의 고전압 전원을 인가받아 전기장을 형성하는 방전극(51)과 기저전위라인에 연결되어 이온화된 분진을 포집하는 집진판(52)을 포함할 수 있다.
이와 같이 구성되는 하전 초미세 액적 발생장치는 고압 조건에서 물이나 액상반응제를 정전분무하여 하전 초미세 액적을 발생함에 따라, 액적의 크기를 최소화하고 액적의 개수를 증가시켜 분진 포집 효율을 향상시킨다.
도 4는 고압챔버 내부의 압력과 액적의 크기 및 개수 사이의 관계를 보인 그래프이다.
고압챔버(11) 내부의 압력을 높여 고압 조건을 형성하면, 도 4에 도시된 바와 같이, 액적의 크기는 선형적으로 감소될 수 있다.
반면, 액적의 개수는 분사되는 물이나 액상 반응제의 양이 일정한 경우, 액적의 체적이 액적 반지름의 세제곱에 비례함에 따라, 기하급수적으로 증가하게 된다.
또한, 도 5는 본 발명의 바람직한 실시 예로 고압챔버의 압력에 따른 노즐에서의 액적분사 형태를 초고속카메라로 촬영한 사진이고, 도 6은 본 발명의 바람직한 실시 예로 고압챔버의 압력에 따른 분사액적의 크기를 측정하여 대기압조건에서의 액적크기와 비교한 실험결과 그래프이다.
상기 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 고압챔버의 압력이 증가함에 따라 노즐에서의 분사형태가 달라짐을 확인할 수 있다. 또한 분무된 액적의 크기를 대기압 조건에서 분무된 액적의 크기와 비교하였을 때 압력이 2기압(대기압보다 1기압 높음)일 때 액적의 크기가 약 70%줄어든 것을 확인할 수 있었다. 이를 개수농도로 계산하면, 하전 미세액적의 수가 약 40배 증가하였음을 의미한다.
이와 같이, 본 발명은 고압 조건에서 하전 초미세 액적을 발생함에 따라, 액적의 사이즈를 감소시키고, 액적의 개수를 증가시켜 액적의 이동거리가 감소되는 것을 보상할 뿐만 아니라, 액적 사이의 충돌을 방지해서 집진판에 포집되는 분진의 양을 증가시켜 분진 포집 효율을 향상시킬 수 있다.
다음, 도 7를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 하전 초미세 액적 발생장치 및 그를 이용한 전기 집진기의 작동방법을 상세하게 설명한다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 하전 초미세 액적 발생장치 및 그를 이용한 전기 집진기의 작동방법을 단계별로 설명하는 공정도이다.
먼저, 고압 형성부(10)는 주입관(12)을 통해 고압챔버(11) 내부에 액적을 운반하기 위한 가스를 주입해서 미리 설정된 고압 조건, 예컨대 약 1 내지 10bar의 고압 상태를 형성한다(S10).
그리고 분사부(30)의 방전체(32)는 고전압 전원을 인가받아 코로나 방전 영역을 형성하고, 분사노즐(31)은 물 또는 액상반응제를 분사해서 정전분무한다(S12).
이에 따라, 고압챔버(11) 내부에서는 하전 초미세 액적이 발생한다(S14).
상세하게 설명하면, 분사노즐(31)로부터 물이나 액상 반응제가 고압 조건으로 유지되는 고압챔버(11) 내부에 형성된 코로나 방전 영역에 정전분무됨에 따라, 액적의 크기는 대기압 상태에서 발생하는 액적의 크기에 비해 작아지고, 액적의 개수는 대기압 상태에서 발생하는 액적의 개수에 비해 증가하게 된다.
그리고 고압챔버(11) 내부에 분사된 액적은 코로나 방전 영역을 통과하는 과정에서 초미세화 및 이온화되어 하전 초미세 액적으로 발생하고, 공급관(13)을 통해 반응챔버(41)로 공급된다.
유체 공급부(20)로부터 분진이 포함된 유체가 반응챔버(41) 내부로 공급되면, 집진부(50)의 방전극(51)은 고전압 전원을 인가받아 전기장을 형성하고, 하전 초미세 액적에 포집된 분진은 집진판(52)에 전기 집진된다(S16).
이에 따라, 집진판(52)에 집진된 분진은 반응챔버(41) 하부에 마련된 저장탱크(43)에 저장되고, 정화된 가스는 배출관(42)을 통해 외부로 배출된다.
상기한 바와 같은 과정을 통하여, 본 발명은 액적의 크기를 감소시키고 액적의 개수를 증가시킴에 따라, 집진판에 포집되는 분진의 양을 증가시켜 분진 포집 효율을 향상시킬 수 있다.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
본 발명은 액적의 크기를 감소시키고 액적의 개수를 증가시켜 하전 초미세 액적을 발생해서 집진판에 포집되는 분진의 양을 증가시켜 분진 포집 효율을 향상시키는 하전 초미세 액적 발생장치 기술에 적용된다.
10: 고압 형성부 11: 고압챔버
12: 주입관 13: 공급관
20: 유체 공급부 30: 분사부
31: 분사노즐 32: 방전체
40: 반응부 41: 반응챔버
42: 배출관 43: 저장탱크
50: 집진부 51: 방전극
52: 집진판

Claims (5)

1 내지 10bar의 압력으로 조절된 고압챔버(11); 물이나 액상 반응제가 주입되는 상기 고압챔버(11) 내부에 구비된 분사노즐(31); 상기 분사노즐(31)로부터 분사되어 생성되는 상기 물이나 액상 반응제의 초미세 액적에 하전을 부여하는 고전압 전원을 인가 받아 코로나 방전 영역을 형성하는 상기 분사노즐(31) 주연부를 감싸는 방전체(32); 및 상기 고압챔버(11)의 압력을 조절하고 상기 액적을 운반하기 위한 가스를 주입하는 상기 고압챔버(11) 일측에 구비된 주입관(12)을 포함하는 것을 특징으로 하는 하전 초미세 액적 발생장치.
삭제
제1항에 있어서,
상기 하전 초미세 액적의 크기는 대기압 상태에서 발생하는 액적의 크기보다 작고,
상기 하전 초미세 액적의 개수는 대기압 상태에서 발생하는 액적의 개수보다 증가하는 것을 특징으로 하는 하전 초미세 액적 발생장치.
삭제
제1항 또는 제3항 중 어느 한 항으로 이루어진 하전 초미세 액적 발생장치와
고전압 전원을 인가받아 반응부에서 이온화된 분진을 포집하는 집진부를 포함하는 것을 특징으로 하는 하전 초미세 액적 발생장치를 이용한 전기 집진기.
KR1020140153679A 2013-11-08 2014-11-06 하전 초미세 액적 발생장치 및 그를 이용한 전기 집진기 KR101603223B1 (ko)

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