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화력발전 PM2.5 초미세먼지, 나노 집진필터로 잡는다
에프티이앤이, 나노 집진필터 실증시험 진행
공정 안정화·공정가동률↑… 연간 생산량 증가
2017년 12월 11일 (월) 17:48:43 이재용 기자 ljy@epj.co.kr
   
 
  ▲ 미세먼지가 인체에 미치는 영향.  
 

[일렉트릭파워 이재용 기자] 미세먼지는 PM(Particulate Matter) 즉, 입자상 물질로 2013년 WHO에서 ‘1군 발암물질’로 선언된 유해물질이다. 미세먼지는 석면과 함께 생태계 또는 인간의 건강에 미치는 영향이 가장 큰 물질 중 하나라는 것을 WHO는 경고하고 있는 것이다.

국내에서는 PM10(지름이 10μm 이하인 먼지)를 미세먼지, PM2.5(지름이 2.5μm 이하인 먼지)를 초미세먼지라 부른다.

PM2.5 먼지의 크기는 사람의 머리카락 굵기의 약 1/25 정도에 해당하는 아주 작은 크기다.

현재 전세계적으로 미세먼지 배출규제가 강화되고 있다. 과거에는 미세먼지의 총량규제 즉 1m3의 부피속에 들어있는 먼지의 총량(무게) 한도를 제한해 사업체 굴뚝에서의 배출농도가 통제돼 왔다.

하지만 배출농도가 규제치 이하로 되더라도, 배출되는 먼지속에서 유해물질인 미세먼지(PM10, PM2.5, PM1)가 그대로 존재하므로 입자의 크기제한도 함께 만족되도록 규제가 바뀌고 있다.

미세먼지 발생원과 해결책
우리들의 코와 입을 통해서 들어오는 미세먼지는 가정에서 요리·조리 등에도 발생되며 창문을 열었을 때 들어올 수 있는 오염된 대기(자동차 배기가스, 꽃가루, 황사 그리고 공장, 건설현장, 석탄화력발전소, 시멘트플랜트, 제철소 등에서 배출된 미세먼지)가 사회적 논란의 대상이 되고 있다.

정연철 에프티이앤이 나노사업본부 필터사업실장은 “미세먼지 중 특히 초미세먼지를 잡아내기 위해선 PM2.5가 통과할 수 없도록 꼼꼼하고 촘촘한 그물망을 만들되 그 구멍의 크기가 2.5μm이하인 지극히 미세한 구멍이 형성되도록 필터를 제조해야 한다”고 설명했다.

즉 공기는 통과하지만 크기가 2.5μm 이하인 초미세먼지는 통과하지 못하는 구멍(Pore)의 크기가 직경 2.5μm보다 휠씬 작은 필터를 제작하면 간단히 해결할 수 있다는 얘기다.

이를 위한 노력이 전세계적으로 이뤄져오면서 현재까지는 e⁻PTFE 멤브레인 집진필터가 최상위 제품으로 인정받아 왔으나 에프티이앤이에서 개발한 나노집진필터는 성능과 수명이 보다 월등해 공인시험기관 및 여러 산업현장에서 기능이 입증되고 있다.

미세먼지 잡는 집진필터의 종류
기존 전통적인 집진기(Dust Collector)에 사용되는 소재인 부직포 집진필터는 부직포 자체로는 미세한 그물망을 구성할 수 없는 현실로 어떠한 재질의 원료나 제조공법을 사용하더라도 기술적인 한계가 있는 상태다. 즉 부직포만으로는 PM2.5 제거가 불가능하다는 얘기다.

e⁻PTFE 멤브레인 집진필터는 원재료가 PTFE(불소계 폴리머의 일종)이며 Gore, Donaldson 등에서 연신(Extension) 공법을 이용해 미세한 그물망 형태의 멤브레인을 제조, 이것을 부직포 표면에 열융착으로 접착시킨 제품이다.

국내에서도 개발된 제품이 있지만, 선진국 제품대비 품질수준에 큰 차이가 있는 것으로 평가되고 있는 실정이다.

한편 에프티이앤이는 불소계 폴리머를 포함한 다양한 원료를 사용해 전기방사 공법으로 미세한 그물망 형태의 나노 섬유를 제조한다. 이때 만들어지는 나노섬유는 직경이 100nm~150nm 정도로 매우 균일하고 연속적으로 무한대의 길이로 이어지는 끊어짐이 없는 하나의 파이버(섬유)로 변형되는 특성을 갖는다.

이렇게 만들어진 에프티이앤이의 나노섬유는 다양한 종류의 부직포에 코팅돼 초미세먼지 PM2.5가 통과할 수 없는 고품질의 집진필터로 제조된다.

정연철 에프티이앤이 나노사업본부 필터 사업실장은 “에프티이앤이는 나노섬유를 대량 생산하는 기술을 보유한 세계 유일의 업체”라고 소개하며 “지난해는 세계 최고 품질의 초미세먼지 제거용 나노 집진필터 개발에 성공한데 이어 한국생산기술연구원의 테스트결과를 기초로 해 최근 이 제품을 화력발전소의 백필터 집진기에 장착해 실증시험을 실시했다”고 설명했다.

화력발전소 초미세먼지 대응, 나노 집진필터 실증
에프티이앤이는 올해 바이오 화력발전소 한곳에서 e⁻PTFE 멤브레인 집진필터와 나노 집진필터의 성능을 비교하는 실증시험을 진행했다.

   
 
  ▲ 탈진성능 비교.  
 

이 발전소는 우드칩으로부터 발생되는 직경이 매우 작고 가벼우면서 침상의 형상을 가진 먼지를 잡기 위해 처음에는 전통적인 방식의 부직포 집진필터를 사용했으나 먼지가 부직포에 박혀 누적되면서 탈리(필터에서 떨어짐)가 되지 않아 장착 후 1~2개월만에 필터를 교체해야 했다.

이후 국내에서 개발된 e⁻PTFE 멤브레인 집진필터로 교체됐고, 그 결과 3개월 정도는 사용할 수 있었으나 운영 효율성을 감안하면 너무 짧은 교체주기였다.

   
 
  ▲ 대상 백필터 집진기의 사양(왼쪽)과 실증시험(전) 집진필터 설치 모습(오른쪽).  
 

정연철 상무는 “교체주기를 연장하고자 했던 발전소의 요구와 성능확인을 하고자 했던 에프티이앤이의 의도가 잘 부합돼 실증테스트가 이뤄졌으며, e⁻PTFE멤브레인 집진필터와 에프티이앤이의 나노 집진필터의 성능비교 실증시험이 이뤄졌다”고 시험에 대한 의의를 설명했다.

나노필터 vs e⁻PTFE 운전차압 비교
화력발전소에서의 e⁻PTFE 집진필터와 나노 집진필터의 성능 실증시험은 72일간의 운전차압 값을 비교하며 진행했다.

   
 
  ▲ 실증시험 기간 동안 집진필터 전후의 운전차압 변화 경향.  
 

e⁻PTFE 집진필터의 경우 가동 42일~52일 사이에 Leak가 발생되는 비정상 현상이 발생됨으로써 집진기 후단으로 배출되는 먼지의 농도가 증가되고 필터차압이 덩달아 떨어지는 현상이 발생됐다.

따라서 이후의 데이터는 평가에서 제외됐고 52일까지의 측정값을 비교 평가했다.

정연철 상무는 “e⁻PTFE 집진필터가 장착된 집진기의 경우 운전차압이 56.3mmAq에서 90mmAq까지 꾸준히 상승한 데 반해 나노 집진필터가 장착된 집진기의 경우에는 초기 운전차압이 25.9mmAq에서 최종 34.8mmAq까지 완만한 상승을 보였다”고 설명했다.

   
 
  ▲ 먼지배출농도 측정 결과.  
 

탈진성능(Air Pulsing으로 인해 필터에 박혀있던 먼지가 필터로부터 떨어져 나가는 정도를 나타내는 성능)은 운전차압으로 알 수 있으며, 운전차압이 높을수록 집진필터에 포집된 먼지가 잘 털리지 않는다는 의미다.

정연철 상무는 “에프티이앤이 나노 집진필터는 운전차압이 실증실험 초기에는 e⁻PTFE 집진필터보다 30.4mmAq 즉, 46%나 낮았고, 52일 후에는 55.7mmAq 즉 무려 61%가 낮게 관찰돼 에프티이앤이 나노 집진필터가 e⁻PTFE 집진필터 대비 평균 50% 이하의 운전차압을 보이면서 탈진성능이 2배 이상임이 증명됐다”고 강조했다.

나노필터, 먼지 배출농도 현격히 줄어
에프티이앤이는 나노필터와 e⁻PTFE필터의 실증시험 기간 중 총 10회 측정된 먼지 배출 농도값을 기록 비교해봤다.

e⁻PTFE 집진필터의 경우에는 가동 42~52일 사이에 Leak가 발생되는 비정상 현상이 발생됨으로써 배출되는 먼지의 농도가 8회차 측정시부터 급격히 상승됐다(먼지 배출농도 측정도표에서 8회, 8/9일 이후 참조).

정 상무는 e⁻PTFE 집진필터가 장착된 집진기의 경우에는 평균 배출농도는 1.88mg/m3, 에프티이앤이 나노 집진필터가 장착된 집진기의 경우에는 평균 배출농도는 0.78mg/m3로 나노 집진필터의 먼지 배출농도가 e⁻PTFE 집진필터의 먼지 배출농도 대비 평균 42%에 불과하다는 것이 증명됐다고 설명했다.

   
 
  ▲ 실증시험(후)멤브레인 전면부 확대사진(위)과 실증시험(후) 멤브레인 후면 PET층 확대사진(아래).  
 

정연철 상무는 “SEM 사진으로도 알 수 있듯이 에프티이앤이 나노 집진필터의 경우에는 나노 멤브레인이 파손된 흔적없이 미세먼지를 완벽히 차단하고 있었으며, 따라서 나노 멤브레인 후면을 받치고 있는 PET층이 먼지로 오염되지 않았고 초기 상태와 비슷한 깨끗한 모습을 보이고 있다”고 설명하며 “이는 실증기간 72일이 지나고서도 여전히 에프티이앤이 나노 집진필터는 신품과 같은 필터상태를 유지하고 있다는 사실을 보여준다”고 말했다.

이어 에프티이앤이 나노 집진필터의 수명이 언제까지인지는 이번 실증시험에서는 밝혀지지 않은 점이라고 설명했다.

나노 집진필터 개선효과
실증시험을 통해 다양한 산업분야에서 사용되고 있는 기존 필터들이 에프티이앤이 나노 집진필터로 교체될 경우에는 ▲탈진성능 증가 ▲운영비 절감 ▲전력비 절감 ▲대기오염물질 배출량 감소 ▲생산량 증가의 개선효과가 예상된다.

먼저 집진필터에 포집돼 있던 먼지가 Air Pulsing으로 인해 필터로부터 쉽게 떨어져 나가므로 기존 집진필터 대비 최소 2배 이상의 탈진성능이 보장된다.

정연철 상무는 “기존 집진필터의 경우 매년 수차례 기존 필터를 빼내고 새로운 필터로 교체해 끼워야 하지만 나노 집진필터의 경우에는 최소 6개월 이상의 성능보장이 예상된다. 때문에 필터 구매 총비용, 폐 필터 처리비용, 필터 교체 인건비 모두가 대폭 절감돼 연간 50% 이상의 운영비 절감효과가 기대된다”고 설명했다.

   
 
  ▲ 실증시험에 사용된 멤브레인 집진필터의 물성.  
 

또 집진기의 운전차압이 감소되면 ID Fan에서의 부하가 줄어들기 때문에 집진환경이 동일하게 유지될 경우 ID Fan을 구동하는 모터의 소비전력 또한 감소된다. 이것은 즉시 에너지절감 즉 전력비 감소로 나타나 연간 전력비만큼 이익이 실현된다. 절감되는 연간 전력비용은 기존 전력비용의 50% 정도로 기대된다.

정연철 상무는 “이번 실증시험 데이터에 근거해 연간 가동시간이 감안된 대기오염물질 감소량을 예측한 결과, 기존 필터의 경우는 연간 배출량이 156.9kg인 반면 에프티이앤이 나노 집진필터의 경우엔 연간 배출량은 65.7kg으로 91.2kg이 감소됐다”며 “집진기 성능이 안정을 찾게 되면 해당 공정이 안정화되고 공정가동률이 상승되면서 연간 생산량이 증가되는 이익이 실현된다”고 말했다.

미세먼지 인체 유해성에 대한 사회적 이슈 해결방안 및 산업현장에서 배출되는 미세먼지 크기 제한을 규제하는 세계적 추세에 대해 빠른 대응이 필요한 때다.

국내에서 널리 운영되고 있는 대기오염방지시설인 백필터 집진기에 에프티이앤이 나노 집진필터가 장착되면 대부분의 초미세먼지가 제거될 뿐만 아니라 해당 프로세스의 공정가동률 상승, 생산효율 상승, 설비 다운타임 감소, 메인터넌스 비용절감 등이 즉시 실현될 수 있고, 궁극적으로는 해당 산업플랜트의 연간 제품생산량이 늘어나게 되는 경영상의 추가 이익이 창출된다고 정연철 상무는 강조했다.

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