전기집진기 혹은 정전기집진기 (ElectroStatic Precipitator; ESP)는 산업용 가스 중의 입자 물질을 고전압 정전기 전하를 가하여 집진판쪽으로 끌어당기고 갇히게 하여 제거하며, 미세먼지 가스가 통과할 때 전극은 먼지와 입자(보통 음전하)에 충전한 다음, 전기력을 사용하여 반대 전하를 띤 접지된 집진판으로 이동시킨다. 전기 집진기는 건식과 습식으로 구분하며, 각종 연도가스로부터 미세먼지를 제거하여 대기로 배출하므로서 공기 오염물질을 저감하는데 기여하는 설비이다.
Flue gas가 ESP내로 들어가 고압 직류 전원을 이용해 Transformer-Rectifier (TR)은 incoming power를 고압 DC로 conversion후, 음극 wire mesh나 rod에서 코로나 방전 (typically 20,000~60,000 volts)을 발생시켜 배기 가스 중의 먼지 분진을 하전(전기 입힘)시킨 후, 쿨롱의 힘에 의해 양극의 집진판에 부착하여 제거한다. 즉, 한 쪽은 음극, 다른 한쪽은 양극이 되어 이로 인한 강력한 voltage gradient가 만들어져 그 사이에서 flue gas 중 먼지 입자를 이온화하여 positive plate로 이동하게 된다.
분진의 전기저항이 너무 낮으면 재비산이 일어날 수 있고, 반대로 너무 높으면 역코로나 현상이 발생하여 효율이 저하될 수 있으므로, 분진의 저항치 관리가 중요하다.
Rapping system은 주기적으로 집진판에 진동을 주어 아래에 있는 호퍼로 입자들이 중력에 의해 떨어지게 한다. 장점으로는 미세입자 (0.01마이크론 기준 98% 혹은 0.1마이크론 기준 99%)까지 제거하며, 차압이 낮고 가스 처리량이 크며, 전체 가스가 아닌 입자에만 에너지를 가하기 때문에 에너지 효율적이다. 단점으로는 space가 크게 요구되며 SO2와 같은 가스 오염원 제거는 어렵다.
주로 fly ash 제거 목적의 석탄화력 발전소에 많이 사용되며 시멘트, 철강, 화학회사에서도 많이 사용된다. 결국 각종 stack으로부터 배출되는 고온의 연도가스로부터 대기오염 물질인 분진 입자들을 filtering하여 제거함으로서 공기 오염을 줄일 수 있다.
양극판과 음극 rod는 수직으로 설치되며 각각 교차하게 배열되고 음극 rod는 고압 DC source의 음극 terminal에 연결이 되어 있으며, 양극판은 접지된 DC source의 양극 terminal에 연결되어 있다.
Flue gas가 ESP내로 들어가면 가스내 먼지 입자는 두 전극 사이에서 가스내의 자유 전자와 충돌을 하고, 이 자유전자가 결국 먼지 입자에 부착되어 음전하를 띠게 된다. 그래서 음전하의 먼지 입자는 집진판이라고 불리는 양전극판의 정전기력로 인해 이동하여 deposit 된다.
전기집진기에는 1단형과 2단형이 있는데 1단형은 방전부와 집진부를 일체형 (코트렐 방식)으로 되어 있으며, 2단형은 방전부와 집진부가 별도로 되어있고 산업용으로 주로 사용된다.
집진극에 쌓인 분진은 해머링(진동)을 이용하여 제거 (건식)할 수 있고, 혹은 water spray로 세척(습식)하여 제거할 수 있다. 즉, 건식 집진기는 산업용 보일러, 발전소, 시멘트 공장 등 건조한 분진 처리에 사용되며, 습식 집진기는 가스흡수탑 후단 등 미세 액적이나 점착성 분진 제거에 사용되고, 백연 현상을 방지할 수 있다.
설계적 측면
대량의 flue gas를 처리하기 위한 전기집진기는 높은 유속에서도 미세먼지를 고효율로 제거하며 비록 여과집진기보다 효율은 낮지만 0.6~2.4 m/s의 높은 유속에서도 95% 이상의 집진 효율을 갖는 전기집진기가 매우 효과적이다.
전기집진기의 하전부에서는 방전극에 음의 고전압을 인가하여 유입되는 배기가스를 이온화시키고 음이온이 다량으로 존재하는 영역을 만들어줌으로써 유입되는 먼지가 음이온과 충돌하여 하전이 되도록 한다. 집진부에서는 이렇게 하전된 먼지가 방전극과 집진극 사이의 전기장에 의하여 제거되게 된다.
집진 성능에 영향을 주는 인자로는 먼지의 전기비저항, 가스온도, 가스의 수분함량, 황 함량, 가스유속, 먼지 직경, 먼지 농도, 먼지 성상 등이다.
먼지의 전기 비저항이 너무 낮으면 집진판에 부착된 먼지가 재빨리 전하를 방출함으로써 부착력을 잃어 재비산이 일어나며, 너무 높게 되면 먼지층이 발광하여 방전전류가 크게 증가되는 역전리가 발생하게 되는데 먼지층에서 발생된 양(+)코로나 때문에 공간에 부유하고 있는 먼지의 음전하가 중화되어 집진율은 크게 저하된다. 역전리 현상을 방지하기 위하여 먼지층의 저항을 임계값 이하로 낮추어야 하는데, 물, NH4OH, 트리에틸아민, SO3, 각종염화물, 유분(oil)등의 물질이 사용된다.
먼지의 전기비저항이 낮을 때의 조절 방법으로는 암모니아를 처리가스내에 분사하거나, 전기비저항이 낮은 미연탄소분을 원심력집진기 등으로 전처리하여 제거하거나, 집진극에 Baffle을 설치하고 온도와 습도를 낮게 유지한다.
반면, 먼지의 전기비저항이 높을 때의 조절 방법으로는 처리가스의 수분함량이나 온도조절을 통해서 조절하거나 (고온집진:350℃이상, 저온집진:130℃이하, 습도 증가 시킴) 석탄연소의 경우, 고유황탄 또는 중유의 혼합연소를 하며, 처리가스 내에 10~20ppm의 SO3, TEA(Triethyl Amine)를 주입하거나 전극의 청결을 유지(탈리강도를 높게, 탈리주기를 빠르게 함)한다.
처리가스 온도가 약 150℃~160℃이하이거나 250℃ 이상에서 전기 비저항이 감소되어 집진효율이 증가하며, 가스의 수분함량이 증가할수록 전기비저항이 낮아져 집진효율은 증가하지만 저온 부식의 위험이 있으므로 주의해야 한다.
연료의 황성분 함량이 클수록 전기 비저항이 감소되어 집진효율이 증가하며, 처리가스량이 증가하면 가스 유속이 증가하고 입자의 재비산으로 집진효율이 감소한다. 반면 처리가스량이 급속히 감소하면 입자분포의 불균일로 집진효율이 또한 감소한다. 넓은 공간을 가스가 균일하게 흐르게 하여 집진효율을 향상시킬 수 있다.
먼지 직경이 작으면 이동속도가 느려져 집진효율이 감소하고 또한 비표면적이 넓어 대전량이 증가하고 부착된 먼지제거(탈진)가 어렵게 된다. 먼지 농도가 높으면 방전전류가 억제되고 전압의 저하를 일으켜 집진효율이 감소하며, 먼지의 알칼리 금속성분은 전기비저항을 감소시키고 먼지의 SiO2, Al2O3, 알칼리 토금속(CaO, MgO) 성분은 전기비저항을 증가시킨다.
집진효율 증가를 위해 처리가스 흐름과 먼지농도에 따라 집진기를 전기적 특성(가해야 할 전압)에 따라 몇 개의 단위 집진실로 구획(sectionalization)한다.
입구쪽에 가까울수록 처리가스내의 먼지농도가 높아져 코로나 전류가 상대적으로 감소하기 때문에 입구에서는 제거해야 할 먼지의 대전이 어려워 대전이 충분하도록 이 부위의 전압을 올려 주어야 한다.
집진장치의 출구는 처리가스의 먼지농도가 점차적으로 적어지므로 비교적 자유롭게 많은 코로나 전류가 흐르게 되며, 입구쪽에 비해 출구쪽이 불꽃 방전 횟수가 많아지면서 이로 인한 순간적 전계손실이 발생되어 먼지 대전에 장애가 심해진다. 한편, 입경이 작은 먼지는 출구측에서 포집되는데 이들 먼지가 고비저항 일 때는 출구측의 전압을 고전압으로 해야만 이들을 집진할 수 있다.
집진기의 성능을 위해 전지집진기를 제작할 때는 가스의 흐름 분포, 먼지의 특성, 먼지 농도 등을 고려하여 몇 개의 단위 집진실로 구획되어야 한다.
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