분진제어를 위한 선택사양

문제의 개요

 

자연 활석과 붕사의 혼합물은 노천 채광으로 얻을 수 있으며, 이 광석은 탑재함의 지붕이 없는 트럭으로 공장까지 운반된다. 공장에서는 대형 분쇄기에 의해 약 10~15cm 이하로 분쇄된다. 그다음 롤러 분말기로 유입되어 더욱 잘게 부순다. 이 공정이 끝나면 채로 걸러져서 1cm 미만의 것은 건조 저장되고, 큰 혼합물은 분말기로 재순환된다.

 

채로 거르는 과정을 거친 혼합물을 저장소로 운반되고 다시 대형 건조로 보내져, 8% 습도에서 0.2% 습도로 건조된다. 습윤 고형물의 건조기 투입 속도는 50,000kg/hr이다. 건조로에서는 투입 고형물 1000kg 당 6.0 liter의 저유황 기름 연료를 사용한다.

 

건조된 혼합물은 공기접촉 냉각장치를 통과한 후 선적되기 전까지 저장된다. 건조로에서 배출되는 가스의 온도는 550도 이고, 오염된 가스는 대기로 배출되기 전에 적절한 제어장치에 의해 처리된다.

 

입자상 오염물질의 배출을 제어하기 위한 각종 방안들이 있다. 이러한 모든 방안들은 생성물을 회수할 수 있는 싸이클론 전처리장 치를 반드시 포함하고 있다. 싸이클론을 거친 후, 배출가스는 여과집진기, 전기집진기 또는 습식 세정기를 통과한다.

 

각 최종 방지장치는 고효율로 설계할 수 있다. 그러나 처음 두 개 장치와 세 번째 장치의 주요 차이점은 습식 세정기 사용 시에는 반드시 처리해야 할 슬러지가 생성된다는 점이다. 이와 같은 슬러지의 처리에는 많은 비용과 어려움이 따른다.

 

또한, 배출가스가 소량의 SO2를 함유할 때 세정기는 심각한 부식현상을 겪는다. SO2가 제거된다면, 세정기는 SO2와 입자를 동시에 제거할 수 있는 좋은 선택이 될 것이다. 마지막으로 건식 집진 방법을 이용하면 재생 가치가 있는 폐기물을 재사용할 수 있다. 이러한 이유로 폐기물이 재생되기를 원한다면 습식 세정기를 선택하지 않는 것이 좋다. 실제로 설계자는 예비설계 및 비용 추정 시, 장치 선택에 대해 충분한 조사를 한 후 결정하여야 한다.

 

* 장치의 주요 항목

 

각 장치의 설계를 시작하기 전에 제시된 각 장치항목을 간단히 살펴보자. 전처리용 싸이클론은 입격이 큰 분진을 제거하는데 유용한 장치이며, 특힌 높은 처리효율이 요구되지 않을 때 사용된다. 싸이클론은 처리 가스가 고온일 경우 및 부식성, 침식 성이 클 경우 사용할 수 있다. 총괄 집진효율은 크기, 분진의 특성, 가스의 성질 및 필요 동력과 관련이 있다. 옾은 효율은 높은 동력을 필요로 하므로 압력손실이 낮아지면 효율은 떨어지고, 효율이 낮아지면 최종 제어장치에 걸리는 분진 부하량은 증가하게 된다.

 

배출가스 냉각장치는 최종 제어장치의 선택 시 필요하다. 왜냐하면 섬유 여과포는 고온에서는 견딜 수 없다. 또한, 전기집진기는 저온일수록 소형화될 수 있고, 비용도 절감되며 손쉽게 작동한다. 그러므료, 냉각기는 FCD 앞부분에 설치되어야 한다. 냉각기를 싸이클론 앞에 설치하는 이유는 온도가 낮아질수록 공기의 부피 속도와 점도가 감소하기 때문이다. 따라서 집진효율이 감소되지 않는 상태에서 싸이클론의 압력손실을 감소시킬 수 있다. 또한, 가스를 미리 냉각시키면 작은 덕트를 사용할 수 있다.

 

배출가스 냉각장치의 정확한 배치는 명확하게 결정할 수 없다. 싸이클론 이전의 냉각장치는 싸이클론 이후에 있는 것보다 빠르게 먼지가 쌓일 것이다. 따라서 더욱 자주 청소해야 한다. 최종 설계를 결정할 때, 증가된 유지보수 비용은 감소 도니 싸이클론의 운영비용과 소형 덕트로 인하여 감소된 자본비용으로 상쇄되어야 한다.

 

FCD로는 여과집진기나 전기집진기를 사용한다. 각 장치의 설계는 FCD에 유입되는 가스에서 입경 분포와 부하량과 같은 부수적 자료에 의존한다. FCD에 유입되는 가스는 싸이클론 집진기에 유입되는 가스와는 다르다. 후반부에 상세한 논의가 계속될 것이다.

 

유도 송풍기는 처리 가스를 제어장치 안으로 유입시키며, 또한 굴뚝을 통해 배출시키는 역할을 한다. 송풍기 날개의 부식방지와 유지비용 절감을 위해, 송풍기는 설비 장치의 청정한 끝부분에 위치하여야 한다.

 

굴뚝은 배출가스의 안전처리를 위해 반드시 필요하다. 이 문제에서는 FCD의 효율이 높고 SO2 농도가 낮기 때문에, 굴뚝에 대한 정밀설계는 중요하지 않다. 굴뚝 설계는 연기의 상승과 확산 모델링과 관련이 있다. 유사설비에서 사용되는 굴뚝의 높이와 직경을 편의상 사용한다.

 

덕트 설계는 때때로 계획 종반으로 미루어져 연기되곤 한다. 그러나 덕트 설계를 미리 하면 많은 비용을 절감할 수 있다. 덕트 설계에 있어서, 예상되는 처리 가스 양에 대한 덕트의 크기와 길이를 최적화 및 최소화 함으로써 총비용을 줄일 수 있다. 다음에서 각 장치 설계에 대해 상세히 설명할 것이다.

 

* 냉각장치

 

냉각기는 배출가스의 온도를 낮추는 장치이다. 가스의 온도를 너무 낮춘다면 최종 제어장치에서 가스의 응축을 초래할 수 있다. SO2 또는 SO3를 함유한 가스는 응축된 상태에서 큰 피해를 준다. so3가 존재하지 않는다고 할지라도, 분진층에 습기가 제공되고 FCD의 막힘 현상이 발생한다. SO3를 함유한 공기의 이슬점은 상대습도와 처리 가스 중 SO3 농도의 함수이며 다음 수식과 같이 표현할 수 있다.

 

실제로 이슬점은 분리되었기 때문에, 두 번째 과제에서 계산된 값과는 차이가 있을 것이다. 만약 350도로 배출가스를 냉각시킨다고 가정하면, 설비 내 어느 곳에서도 이슬점은 나타나지 않을 것이다.

 

냉각기에 대한 두 가지 실질적 선택 방안은 열교환기, 물 주입식 직접 접촉 열교환기가 있다. 열교환기를 사용하면, 건조기로 유입되는 공기를 예열할 때 배출가스의 엔탈피를 이용할 수 있어 연료비용을 절약할 수 있다. 혹은, 간단히 도관 속에 물을 흐르게 하여 배출가스의 열을 흡수할 수도 있다. 첫 번째 선택은 큰 표면적을 요구하는데, 그 이유는 공기 열교환식이 공기 열교 환방식보다 효율이 낮기 때문이다. 그러므로, 장치의 크기는 커지고 많은 비용이 들게 되지만 연료비는 절약할 수 있다. 열 교환기에 내재된 중요한 문제점 중 하나는 배출가스 중 먼지로 인해 도관이 막히는 현상이다. 만약 가스를 냉각시키기 위해 물을 직접 주입한다면 상대습도는 증가하게 된다.

 

만약 열 회수 계획을 세운다면, 연료소모량은 감소되고 총괄 물질 지수는 변화할 것이다. 배출가스의 총열량은 감소될 것이며 따라서 반복 과정이 필요하다. 그러나 이 문제에서 공기량의 대부분을 차지하는 보조공 기량은 변화하지 않을 것이다. 왜냐하면, 이 공기량은 고형물 건조에 요구되기 때문이다. 또한 클렁커 냉각기는 최소 냉각 공기량을 요구한다. 그러므로, 원래의 물질수지 관계를 반복 수행하여 조사할 필요는 없다.

 

* 싸이클론

 

일반적으로 완전히 개방된 설계 문제에서는 총괄 집진효율의 목표를 달성하면서 동시에 설비비용을 최소 하기 위해서, 최종 제어장치, 유도 송풍기 및 기타 장치 등의 설계와 함께 싸이클론의 설계를 통합시켜야 한다. 이 작업에는 싸이클론의 크기, 압력손실, 효율 등의 변화를 포함하여, 총설 비비용에 미치는 영향도 포함된다. 이 문제에서 최대 압력손실이 총괄효율이 약 60~70% 일 때 최적이라고 가정하라. 실규모 실험을 기초로 건조기에서 배출되는 분진 입자의 정보는 같았다.