The characteristics of PM (particulate matter) and gaseous mercury removal by a hybrid particulate collector were studied. For this purpose, a hybrid particulate collector was built, and the characteristics of PM and gaseous mercury removal according to the combination of collection mechanisms in this particulate collector were investigated experimentally and theoretically.
In the hybrid particulate collector, an electrostatic precipitation part and a fabric filtration part are built up into a single system. In the filtration system, PM is electrostatically charged and initially collected to collecting plates and then remaining PM, which is not collected to the collecting plates, is collected to a fabric filter.
Sorbent injection method was applied as an adsorption system for mercury removal. In the adsorption system, sorbents are injected into the duct in front of the hybrid particulate collector to remove preferentially mercury and then PM such as dust and sorbents are removed in the rear filtration system.
This study of the characteristics of PM and gaseous mercury removal in a hybrid particulate collector found that the increase of pressure drop slowed down and the cleaning interval increased in the hybrid particulate collector compared to the conventional particulate collector. The reason for this is that most particles that came through the inlet are removed at the electrostatic precipitation part, and the particles detached from the filter by pulse-jet cleaning are not re-entrained but collected on the collecting plate near the filter, and a porous cake is formed on the filter surface by the charging effect. Furthermore, due to this reason, more than 99.99% of particle collection efficiency can be achieved, and especially the collection efficiency of fine particles can be improved.
When activated carbons were injected to the front of the hybrid particulate collector for gaseous mercury removal, the hybrid particulate collector extended the residence time of activated carbons and played the role of an additional adsorption reactor. After some time, the amount of inflowing and discharged activated carbons became equal, and the quantities of mercury removal by sorbent in the entire system became almost constant regardless of the amount of injected activated carbon. This implies that with the application of particulate collector a high level of mercury removal efficiency can be attained even with a small amount of activated carbons after a certain operation time.
By analyzing the correlations between filter cleaning and the variation of gaseous mercury concentration, it was concluded that unlike the existing estimations, the mercury removal by activated carbon injection into the particulate collector was effected mainly by activated carbons that were spread inside the particulate collector rather than the activated carbon collected on the filter surface.
In case of flue gas, mercury concentration at the outlet of the hybrid particulate collector was not so much related to the application of high voltage to the electrostatic precipitation part. However, in case of air, mercury concentration decreased at the outlet of the particulate collector by the application of high voltage to the electrostatic precipitation part. The reason for this is that the ozone generated by corona discharge due to the high voltage applied to the electrostatic precipitation part oxidized mercury. So, it can be expected that gaseous mercury will decrease additionally if air is used instead of flue gas for the hybrid particulate collector.
This effect of mercury removal by the application of high voltage is an additional effect from the use of hybrid particulate collector in gaseous mercury removal process which cannot be obtained from the conventional particulate collector.
Experimental and theoretical analyses in this study revealed that although $SO_2$ in the flue gas has no big influence on gaseous mercury removal, NO gas changes to $NO_2$ gas and reacts with and oxidizes gaseous mercury. This result can explain the effect of NO gas on the oxidation of mercury.
The findings from this study can be used for further design of combined air pollution control devices which are expected to be used widely with the reinforced regulations against air pollutants.
조합형 집진장치 내에서 입자상 오염물질과 가스상 수은의 제거 특성에 대한 연구가 수행되었다. 이를 위해 조합형 집진장치를 제작하고, 이 장치 내에서 입자 포집기작 조합에 따른 입자상 오염물질과 가스상 수은의 제거 특성을 이론적 및 실험적으로 고찰하였다.
조합형 집진장치는 전기집진부와 여과집진부가 단일 시스템으로 조합된 장치이다. 조합형 집진장치에서 입자는 먼저 정전기적으로 하전되어 집진극에 포집되고, 여기서 포집되지 않은 나머지 입자는 집진필터에 포집된다. 가스상 수은의 제거를 위해서는 흡착제 분사 방법이 적용되었다. 흡착제는 조합형 집진장치 전단의 덕트 내로 분사되므로 가스상 수은이 먼저 제거된 후 나머지 먼지와 흡착제 등이 여과시스템에 의해 제거된다.
조합형 집진장치에서의 입자상 물질 및 가스상 수은 제거를 위한 연구 결과 조합형 집진장치를 적용함으로써 기존 여과집진장치에 비해 집진필터의 압력손실 상승이 둔화되고 탈진 간격이 연장되었다. 그 이유는 집진장치로 유입된 대부분의 입자가 전기집진부에 의해 제거되었고, 탈진조작에 의해 집진필터에서 떨어진 입자들이 집진필터로 재부착되지 않고 집진필터 부근의 집진극으로 포집되었으며, 하전 효과에 의해 입자들이 집진필터 표면에 다공성 입자층을 형성하였기 때문이다. 이로 인해 입자의 포집효율은 99.99% 이상인 것으로 나타났으며, 특히 미세입자의 포집효율을 높일 수 있었다.
가스상 수은 제거를 위해 조합형 집진장치 전단에 활성탄을 분사할 경우 조합형 집진장치가 활성탄의 체류시간을 연장시키고 일종의 흡착반응기 역할을 하였다. 일정 시간이 경과하면서 조합형 집진장치로 유입되는 활성탄의 양과 포집되어 제거되는 활성탄의 양이 균형을 이루게 되면 주입시키는 활성탄의 양을 변화시키더라도 흡착되는 수은의 양은 거의 일정한 수준을 유지함을 알 수 있었다. 이것은 조합형 집진장치를 적용하게 되면 일정시간 경과 후에는 적은 양의 활성탄 주입만으로도 높은 수은 제거효율을 달성할 수 있다는 의미이다.
집진필터의 탈진에 따른 가스상 수은의 농도 변화를 고찰해 보면 기존에 알려진 바와는 다르게 수은의 제거는 집진필터 표면에 포집된 활성탄에 의한 것이 아니라 대부분 집진장치 내부의 다른 곳에 존재하는 활성탄에 의한 것임을 알 수 있었다.
연소 배가스 조건에서 조합형 집진장치 후단에서의 수은 농도는 전기집진부에 가해지는 고전압에 크게 영향받지 않았다. 그러나 공기 조건에서는 전기집진부에 고전압을 인가함에 따라 수은의 농도가 감소하였다. 그 이유는 전기집진부에의 고전압 인가에 따른 코로나 방전에 의해 생성된 오존이 수은을 산화시키기 때문이었다. 따라서 공기를 사용하는 조건에서는 조합형 집진장치를 사용함으로 인해 추가의 수은 저감효과를 기대할 수 있음을 알 수 있었다. 이러한 추가적인 수은 저감 효과는 기존의 여과집진장치에서는 나타나지 않는 효과이다.
이론 및 실험에 의한 분석 결과 배가스 중의 $SO_2$ 가스는 수은 산화에 큰 영향을 못미치지만 NO가스로부터 만들어진 $NO_2$ 가스는 가스상 수은을 산화시키는 특성이 있는 것으로 나타났다.
이상의 연구 결과들은 최근 강화되는 대기오염물질 규제에 따라 적용이 필요해진 융합형 대기오염 저감장치의 설계에 적용될 수 있을 것이다.
