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한국공기청정협회 고성능 집진필터 소개
작성자 관리자              등록일 2020-04-13 09:53:02

산업용 집진필터 기술동향

 

(1) 저자소개

  • 성명 : 서 명 조
  • 업체명/부 서 : 마이크로원, 환경사업부
  • 직위 : 이 사
  • 근 무 처 : 충청남도 천안시 서북구 연곡길 368
  1. mail : seomj@micro-one.kr

 

(2) 제 목

국문 : 산업용 집진필터 기술동향

 

 

1. 서 론

현재 대부분의 사람은 도시에 살고 있으며 그 숫자는 앞으로 계속 증가할 것이다. 이는 자동차, 공장, 발전소가 더 많아진다는 것을 의미한다. 도시는 산업의 중심지이지만 그 결과로 발생하는 오염은 우리의 폐를 채우고 우릴 아프게 한다. 한 가지 주요 원인은 입자상 물질인데, 우리가 화석 연료를 태울 때 방출되거나 건설 작업과 농업 중에 생기는 미세 먼지, 그을음, 연기를 가리킨다. 우리가 이를 흡입 하면 천식을 일으킬 수 있고 또한 우리의 혈류로 들어가 뇌졸중을 일으키며 심지어 죽음에 이르게 할 수도 있다. 연간 3백만 명 이상이 실외공기 오염으로 죽는다고 추정하며, 각 국가들은 도시가 성장함에 따라 위와 같은 문제를 해결하기 위해 창의적이고, 때로는 비용이 많이 드는 해결책들에 자금을 지원한다. 런던은 공기상의 미세먼지가 도로에 스며들도록 도시 거리에 접착제를 뿌리는데 백만 파운드(15)이상을 사용했으며, 네덜란드에서는 스모그 프리 타워라는 거대 공기청정기들을 산업 디자이너들이 개발하여 거리에 배치했다. 대기오염 수준이 가장 심각한 중국은 2014년부터 미세먼지 퇴치를 위해 17000억위안(290)를 투입하기로 했으며, 핵심 사업으로 2020년까지 500만대의 전기차량 보급계획을 발표했다. 우리가 사는 도시의 생활 공기를 청정시키기 위해, 그 효과 대비 높은 비용에도 불구하고 이러한 진보적인 기술들에 각 도시는 주저 없이 자금을 투자한다. 이처럼 청정한 공기는 모두의 염원이며 미세먼지 저감은 당면해 있는 전 세계적인 문제이다.

미세먼지라는 화두가 본격적으로 회자되는 최근보다 훨씬 이전부터 세계보건기구(WHO)는 미세먼지의 유해성을 인지하고 1987년부터 미세먼지(PM10,PM2.5)에 대한 대기질 가이드라인을 제시해 왔다. 2013년에는 WHO 산하의 국제암연구소에서는 미세먼지를 사람에게 발암이 확인된 1군 발암물질로도 지정했다. 배출되어버린 공기 중 미세먼지를 정화하는 것보다 쉽고 효울적인 방법인 최초 배출지에서의 배출량을 저감하는 것이다. 따라서 WHO의 대기질 가이드라인은 선진국들의 모든 산업현장의 대기오염물질 배출 농도의 기준이 되었으며, 각 산업의 생산현장들은 FGT(Flue Gas Treatment)라는 연소가스처리설비들을 공정에 추가하였다. 그 중 집진 장치들이 미세먼지 저감에 가장 직접적으로 기여하며, 대표적인 설비로는 전기집진장치(ESP)와 여과집진장치 중 백하우스(Bag House)가 있다. 1990년부터 2000년대 초반까지는 압력 손실, 집진전력, 그리고 편리한 유지보수 때문에 전기집지기가 많이 사용되었다. 하지만 초미세먼지 여과가 어려운 전기집진기의 한계 때문에, 최근에는 섬유로 만들어진 필터백(Filter Bag)을 사용하는 백하우스가 점점 늘어나는 추세이다. 화재에 취약, 큰 부피, 까다로운 유지관리와 같은 몇몇 단점들에도 불구하고 백하우스는 전기집진기보다 미세먼지에 대한 높은 여과 효율로 명실상부 최고의 집진설비로 자리매김해 왔다. 그리고 거기서 한발 더 나아가, 단순히 화학섬유를 필터의 형태로 가공해 심층여과방식으로 미세먼지를 여과하는 기존의 필터에서, 새로운 형태로 여과면적을 늘리거나, 필터의 표면에 ePTFE Membrane 혹은 촉매를 담지하여 중금속을 제거하는 등 새로운 기능을 탑재한 고성능의 필터의 개발 및 사용으로 백하우스 시장은 움직이고 있다. 바야흐로 고성능 산업용 필터의 새로운 시대가 왔다고 볼 수 있다.

 

2. 본론

2.1 국내 오염 현황 및 대기 오염 배출 기준.

한국의 초미세먼지(PM2.5)오염도가 경제협력개발기구(OECD) 국가 중에서 두 번째로 높은 것으로 조사됐다. 세계 대기오염 조사기관인 에어비주얼(Air Visual)이 분석한 ‘2018 세계 공기질 보고서에 따르면, 18년도 한국의 초미세먼지 농도는 24(마이크로그램=100만분의 1g)으로 조사대상 73개국 중에서 27번째로 높았다. 유럽 내에서도 미세먼지 농도가 높은 세르비아, 폴란드, 터키 등보다도 오염이 심했다. 특히, OECD 회원국 중에서는 칠레(26)에 이어 두 번째로 초미세먼지 종도가 높은 국가로 꼽혔다. 우리나라 미세먼지 관련 환경기준은 미세먼지의 경우 24시간 평균치 기준 100/, 초미세먼지의 경우 50/를 기준으로 하고 있으며 연간 평균치의 경우 미세먼지가 50/, 초미세먼지가 25/를 넘지 못하도록 하고 있다. 이는 WHO의 미세먼지 농도 허용기준의 절반가량 되는 수치이며, 초미세먼지의 경우 WHO 연간 평균치 10/으로 권고하고 있으며 이는 우리나라의 2.5배 엄격한 허용 기준이다. 이렇듯 미국과 EU같은 선진국 배출기준과 비교했을 때 국내의 배출기준은 향후 더욱 더 엄격해질 것으로 예상된다. 특히, 이번 정부 대통령 공식 업무지시 3호가 미세먼지 문제 해결을 천명했던 만큼, 국내 각 산업현장의 미세먼지 배출 시설들의 효율 및 성능 개선이 앞으로 요구되며 일부 현장에서는 이미 활발히 변화되고 있다.

 

2.2 집진설비의 종류 (전기집진기, 여과집진기)

2.2.1 전기집진기(Electrostatic Precipitator)

그림 1의 전기집진기는 직류고전압에 의해 코로나를 발생시켜 가스중의 임자를 대전시켜서 이 대전된 입자를 전장 내에서 정전기력에 의해 가스와 분리하는 전기 집진방식을 이용한 분진제거 설비이다. 하지만 분진의 크기가 작아지면 작아질수록 전기전도율이 낮아지기 때문에 초미세먼지(PM2.5)여과에 대한 한계가 존재한다.


그림 1. 전기집진기(Electrostatic Precipitator)
 

2.2.2 여과집진기 (Bag Filter System, 혹은 Bag House)

배출가스에 포함되는 유해입자와 각 종 입자상의 물질을 배출가스의 조건에 따라 다양한 재질의 Filter Bag과 최적의 탈진기술을 적용하여 설계된다. 비철금속산업, 시멘트산업 및 발전소 배기가스의 분진제거를 비롯하여 소각산업, 화학 산업, 목재 산업 등 다양한 산업 분야에 적용된다. 그림 2의 여과집진기는 분진이 함유된 배출가스를 나란히 설치된 여러 개의 필터백에 통과시키면서 분진이 필터백에 포집되 는 방법으로 분진을 여과한다. 필터백은 넓은 분진입도 범위에 걸쳐 집진효율이 크다는 장점이 있으며, 그 재질과 집진 방법을 여러 가지로 선택 가능해 설계의 융통성을 높일 수 있다. 단일 설비로서도 부피기준 처리용량을 폭넓게 변화시킬 수 있다. 또한, 압력손실이 크지 않아 동력소요량이 적으며, 각종 분체를 다룰 수 있기 때문에 분진 오염의 방지용으로도 사용될 수 있고 본체 제품 생산 시설로도 사용될 수 있다. 물론 화재에 취약하다거나, 다른 집진장치보다 큰 면적이 필요하다는 것, 탈진작업을 포함한 유지보수가 조금 까다롭다는 단점도 있지만, 강화되는 초미세먼지(PM2.5) 배출농도를 준수할 수 있는 가장 현실적이고 효율적인 대기방지설비는 현재로서는 필터백을 사용한 여과집진기 뿐이다.


그림 2. 여과집진기 (Bag Filter System, 혹은 Bag House)


2.3 필터백의 특성

산업용 여과집진장치에서 필터백은 대부분 보통 직물의 여포를 사용하기 때문에 한글로는 여과포로도 불린다. 그림 3에 필터백의 여과 방법은 함진 가스를 필터백으로 통과시켜 입자를 포집 및 분리하는 장치인 심층여과 혹은 내면여과 및 표면의 멤브레인, 또는 초기 부착된 입자층을 여과층으로 하여 입자를 포집하는 표면여과방식으로 구분된다. 필터백은 가장 보편화된 튜브형(tube type)부터 봉투형(envelope type), 콘형(cone type), 최근에 나온 주름형(cartridge type)까지 다양한 형태가 있다. 하지만 시장의 80%이상이 투브형 형태의 필터백을 사용하고 있으며, 가장 안전하고 성능이 보증된 필터의 형태이기도 하다. 투브형 백은 한쪽 끝은 막혀있고 다른 쪽 끝은 열려 있는 형태이다. 일반적으로 가스가 집진기 하부로 들어가며, 집진기내 설치된 필터백들을 통과하여 분진들을 여과하고, 분진 여과가 완료된 가스들이 집진기 상부에서 빠져나가는 형태를 취하고 있다.


 그림 3. 필터백 (FILTER BAG)

 

다양한 형태의 백하우스의 설치 방법이 있으나, 필터의 분진제거 방식에 따라 크게 진동식(shaking) 탈진 및 충격류제트식(pulse jet) 탈진, 역류제트식(reverse jet) 탈진, 역기류식(reverse airflow) 탈진 등 네 가지로 구분할 수 있다. 이중 충격류제트식(pulse jet) 탈진 방법이 가장 많이 사용되는 방법이다. 충격류제트식(pulse jet)탈진 백하우스는 산업용 여과집진기 시장의 약 50%를 차지하고 있으며, 처리가스가 필터백 외부에서 내부로 투과되기 때문에 먼지는 필터백 외벽에 포집되고, 각 필터백 내부에는 철물 지지대(cage 혹은 retainer)가 있어 필터백의 붕괴를 방지한다. 필터백에 포집된 입자는 퇴적층이 두터워져 압력 손실이 증가할 경우 팬(fan)이 본래의 용량을 발휘할 수 없으므로 보통 백하우스의 전후단의 차압이 150mmAq이상일 때 탈진시켜야 한다. 필터백은 하부가 막혀있고 자루의 상부는 청정고기 조절장치에 연결되어 있으며, 필터백의 먼지는 0.03~0.10초 정도의 짧은 시간 내에 90-100psi의 높은 충격 분출압으로 제거된다. 오염된 가스를 여과집진기에 연속적으로 통과시키면서 일부 필터백을 청소할 수 있기 때문에, 단위 집진실이 없고 여분의 필터백이 필요 없어 비용을 저감할 수 있다. 오염된 처리가스에 노출된 이동 부분이 없는 점이 충격분출 방식의 가장 큰 장점이다. 또한 모전여과재를 기존의 탈진방법보다 2~4배의 높은 공기/여과재 비율(air-to-cloth ratio)에서 사용할 수 있으며, 여과속도가 빨라질수록 필요 여과 면적이 감소하고, 자본비용 또한 감소한다.

 

2.4 필터백 재질의 종류

산업용 필터로 사용되는 섬유의 재질들은 표 1과 같다.

1. 산업용 필터 섬유의 재질

 

재질

용도

사용온도

최고

사용온도

내산성

내알카리성

POLYESTER(PE)

제철공장, 목재소등

130

130

FAIR

FAIR

POLYPROPYLENE

화학설비 등

80

80

EXCELLENT

EXCELLENT

ACRYLIC

시멘트,보일러

120

130

GOOD

FAIR

ARAMID(NOMEX)

아스콘,비철금속용해로

200

230

FAIR

GOOD

PPS (RYTON)

소각로, 용해로

180

200

EXCELLENT

EXCELLENT

GLASS FIBER

소각로, 보일러, 시멘트 등

240

260

VERY GOOD

FAIR

PTFE(TEFLON)

소각로, 보일로, 시멘트 등

260

290

EXCELLENT

EXCELLENT

 

Glass Fiber(유리섬유)만 직포이며 나머지 모든 재질은 부직포이다. 위 일곱 가지의 필터백 재질은 다양한 산업현장에서 광범위하게 사용되고 있으며, 이것들 중 고온을 견디고 내화학성이 뛰어난 PTFE(TEFLON)을 최고의 산업용 필터백 재질로 여기고 있다.

 

2.4.1. PTFE

그림 4와 같이 PTFE (Polytetrafluorethylene) 는 폴리테트라 플루오로에틸렌 이라고 불리는 불소수지로 1938년 미국의 듀폰사(Dupont)의 한 과학자 Roy J. Plunkett가 발견한 것이다. 우리에게는 테프론(Teflon) 이라는 상품명으로 더 알려진 물질이며, 제품의 화학적 안정성을 인정받아 조리도구부터 산업용, 의료용 장비까지 널리 애용되고 있다. PTFE가 화학적으로 안정하다는 의미는 PTFE가 다른 화학물질과 반응하여 쉽게 다른 물질로 변환되지 않는다는 것을 의미한다. 50년대부터 본격적으로 산업용 여과재로 사용되었으며 높은 온도와 화학적 안정성 때문에 최고의 여과재로 평가받고 있다. PTFE290˚C의 온도까지 사용이 가능하고 내화학성과 내열성을 겸비한 최상의 여과재이며, 갈색 및 백색의 PTFE 여과재가 보편적으로 사용되고 있다. 최근에는 집진효율 및 경제적 저비용을 감안하여 Teflon으로 통칭되던 갈색의 PTFE 여과재보다는 백색의 PTFE여과재가 보편적으로 사용되고 있다. 발전소, 화공, 카본블랙, 산업폐기물 소각장, 기타 소각, 연소 공정 등 광범위한 분야에서 현재 적용되고 있다. 기존에 NAFTA에서 추출하는 방식에서 희토류의 종류인 형석에서 추출해내는 방법이 개발되면서, 가격이 많이 저렴해져서 많은 현장에서 필터백의 재질을 PTFE로 변경하고 있는 추세이며 앞으로도 이러한 추세는 이어질 것으로 전망된다.


 그림 4. PTFE

 

2.4.2 ePTFE Membrane

그림 5의 멤브레인 필터는 0.2mm 두께의 매우 얇은 막과 미세 구멍(Pore)들로 구성되어 있으며, 50% 정도의 다공성을 지닌 폴리머 재질(PTFE)로 만들어 진다. 표어직경과 같은 크기의 입자를 99.9%이상까지 여과할 수 있어 초 순수 기체 및 액체의 생산에 유용하게 사용되며, 표면에 불규칙한 포어들이 존재하지만 큰 크기의 포어라고 해서 단면을 통과하는 것이 아니고, 크고 작은 꼬불꼬불한 포어들이 서로 연결돼 구성되어 있다. 가스의 조건에 따라 위에서 언급된 필터백 재질들 중 한 가지 재질이 정해지면, 그 재질 표면위에 ePTFE Membrane을 복합화 하여 필터백을 제작 한다. 이럴 경우, 필터백 표면에 있는 ePTFE Membrane1이하의 분진들을 99% 이상 표면여과 처리한다. ePTFE Membrane이야 말로 현존하는 가장 직접적이고 경제적인 초미세먼지 저감 장치이다. ePTFE Membrane은 미국의 Gore사에서 개발했다. 우리가 아웃도어에서 흔히 접하는 “Goretex”가 바로 이 ePTFE membrane이다. 미국의 Gore, 벨기에의 Donaldson, 그리고 일본의 Nitto Denko까지, 전 세계적으로 세계 기업들이 독식해오던 시장에서, 국내에서는 마이크로원에서는 2011년 중소기업청의 창업성장기술개발사업을 통해서 PTFE membrane 복합화 필터 개발 및 상용화에 성공하였으며, 국내의 많은 산업용 필터백을 국산 ePTFE Membrane 제품으로 대체해 왔다.


 그림 5. ePTFE Membrane

 


 그림 6. ePTFE Membrane 표면 SEM

 

2.5 새로운 기술들, 국내 기술동향

이제는 ePTFE Membrane을 표면에 복합화 하여 표면여과장치로 초미세먼지를 여과하는 기능에서 새로운 기술들을 접목한 필터백에 대한 연구 및 개발이 이루어지고 있다.

2.5.1 Gore사의 촉매 필터.

Gore사는 필터백의 선구자답게 그림 7과 같이 여과포 내에 촉매를 탐지하여 분진뿐만 아니라 다이옥신과 NOx(질소산화물)등을 여과하는 필터백 개발에 성공하였다. 이는 필터백의 기술의 획기적인 진보이며, 이로 인해 기존의 다이옥신 및 NOx 제거 설비들(SCR, SNCR)을 따로 설치하지 않아도 되는 공간적, 비용적 이점이 발생하게 된다. 국내에서도 이와 같은 개발노력들은 계속되고 있다.

마이크로원은 2016년 한국에너지기술평가원의 청정화력 핵심기술 사업을 통해 그림 8과 같이 중금속(수은)을 흡착하여 제거 할 수 있는 흡착제를 적용한 PTFE Membrane 필터 개발을 를 개발하였다. 해당 과제에서 초미세먼지와 중금속(수은)을 배가스 배출량 대비 70%이상 동시에 제거할 수 있는 필터를 개발하고, 상용시설을 운영하는 민간 화력발전소에 적용하여 약 3개월간 실증 TEST를 진행하였다. 실증기간 중 공인분석기관을 통하여 현장측정으로 필터가 적용된 집진기의 전단과 후단의 배출가스 중 중금속(수은)의 농도를 비교한 결과 수은 제거 효율은 92.94%를 나타내었다. 이는 흡착제의 양이 증가할수록 중금속(수은) 제거 효율이 높아지기 때문에 다량의 흡착제를 얼마나 안정적으로 필터에 코팅할 수 있는지가 기술력의 관건이라고 볼 수 있다. 또한 마이크로원은 Gore와 마찬가지로 DioxinNOx를 제거하는 촉매형 필터 개발에 매진하고 있으며, 정부의 환경규제에도 대응이 가능하고 성능 검증을 통해 세계시장에서도 경쟁할 수 있는 제품 개발로 환경산업 발전에 이바지하고 있다.


 그림 7. Gore 촉매 필터

 


 그림 8. 마이크로원 중금속 제거 필터

 

2.5.2 세라믹 필터

대기방지시설업에서 초미세먼지부터 다이옥신, NOx, SOx와 같은 가스들 여과 다음의 화두는 단연 에너지효율이다. 위에서 언급되었던 필터백의 사용온도가 최대 300°C가 되지 못하는 이유로, 많은 현장에서 Heat Exchanger를 통해 가스의 온도를 낮추거나 낮췄던 온도를 화학반응을 위해 다시 올리는 공정이 추가되어 있다. 이는 상당한 에너지loss이며 많은 비용까지 부담하게 된다. 이러한 문제를 해결하고자 개발된 제품이 세라믹 필터(Ceramic Filter)이다. 세라믹 필터는 보통 400°C에서 사용되며 최대 1000°C까지 견딜 수 있는 필터이다. (세라믹 장점) 국내에는 세라믹 필터를 개발하여 산업용 집진필터로 성공시킨 사례가 아직까지 없으며, 해외 기업의 대리점 형식으로 세라믹 필터가 유통되고 있다. 마이크로원도 독일의 Rath사의 세라믹 필터의 대리점으로서 유리 용해로, 시멘트, 제철소와 같은 다양한 사업장에 세라믹 필터를  공급하고 있다.

 

3. 결론

1980년대 후반, WHO가 국제 대기질 가이드라인을 공표한 후, 선진국들의 모든 기업들은 각 제조현장에서 미세먼지 배출농도 기준을 준수하고자 많은 노력들을 해왔다. 그리고 그런 노력의 중심에 여과집진기, 필터백이 있었다. 특히 튜브형+ePTFE Membrane 필터백은 미세먼지 여과에서는 가장 안정적이고 효율적인 여과장치로 인정받아 왔다. 하지만 이러한 노력에도 불구하고, 더욱 더 많은 도시들이 개발됨에 따라 미세먼지는 전 세계적인 문제가 되었고, 배출 규정도 문제의 심각성에 맞춰 더욱 더 엄격해 지고 있다. 더 이상 전기집진기로는 초미세먼지 배출규정을 준수할 수 없게 되었고, 아직 검증되지 않은 새로운 형태의 집진 설비들을 접목시기에는 시기적으로 적절치 못하다. 이러한 상황에서 지난 40여 년 동안 초미세먼지 여과관련 그 효율성과 성능을 입증한 필터백에, 엄격해지는 규제 치에 걸맞은 새로운 기능을 더하는 고성능 필터백이야말로 새로운 여과집진기 기술을 선도해나갈 트렌드 기술이다.

 

*참고문헌

1. 국내외 미세먼지 관련 산업분석 보고서 (저자 비피기술 거래, 비피제이기술거래) P73-74

2. 미세먼지에 대한 산업 분야별 대응 전략과 연관 시장의 향후 전망 (저자 IRS글로벌) P25-28, 45, 170

3. 미세먼지 개념 및 국내외 오염도 현황과 저감정책 동향 (좋은정보사) p37, 291-293, 309-311