In experimental and most industrial-scale tests, it has been reported that the effective migration rate increases with plate-spacing, so called wider plate-spacing effect. There are various hypotheses for explaining the wider plate-spacing effect. It is possible to classify the hypotheses as follows. One is the higher electrical field strength in the proximity of collection plate due to the space charge, the other is the back-diffusion of particles near the plate due to the turbulent mixing. It is very difficult to predict the performance of the electrostatic precipitator reliably by using theoretical formulation based upon a simple flow. The particle flow field is related to the turbulent flow field and the electrical field. Moreover, there is a strong interaction between the space charge and the electrical field. The charged particle may interact with the electrical field and similarly the motion of the particles may modify the electrical field. Therefore, calculation of both the space charge and the electrical field is needed to analyze the collection process in the electrostatic precipitator. Although it is accepted that the electrical field, turbulence and particle back-diffusion near the collection plate decisively affect the collection behavior, the quantification of this influence is, even today, scarcely possible. In the present work, simple models for the prediction of the collection efficiency of the electrostatic precipitator are developed to investigate the effects of particulate space charge in a quantitative aspect on the basis of the various theoretical relationships.
In the first part, a simplified model taking into account of the effect of the electrical disturbance and particle size distribution are proposed through the moment method. The particle size distribution is assumed to be in a log-normal function. It is not successful so far to elucidate the so-called "non-Deutschian phenomenon", which is generally observed for an electrostatic precipitator on widening plate spacing and/or raising the average gas flow velocity. In present model, it is shown that the calculated effective migration rates increase with the increase in the plate spacing and average gas velocity. The effective migration rate seems to be a function of the electrical field disturbance near the plate as well as the particle size distribution.
In the second part, the sectional model is developed taking into account of ionic space charge and bimodal size distribution. The ionic space charge is slightly dependent on the particulate space charge and has less influence on the effective migration rate. The fraction of small size particles in bimodal distribution may increase the effective migration rate in small specific collecting area and lower average electrical field. It is because the space charge of small size particles induce higher electrical field near the plate in a long time.
In the third part, a simplified convection/diffusion model for polydisperse particles is developed through a moment method considering turbulent mixing and particulate space charge. In case of relatively low space charge density, the turbulent mixing has significant influence on the effective migration rate in some range of specific collecting area. For the larger space charge, however, the effective migration rate is rather insensitive to the turbulent mixing.
In the last part, a model describing the space charge of ions and particulate is developed for the wire-plate type electrostatic precipitators considering the electrical interaction and turbulent diffusivity of particulate. To solve nonlinear equations in the model, both charge simulation method and finite difference method are used. The results by using this model are in good correlation with previous experimental data for pure ionic charge. For small size particles, the turbulent flow interaction has influence on the collection efficiency through the particle diffusion near the plate. Higher inlet particulate space charge give strong suppression of corona due to the inhibition of ion's flow from wire to plate. It reduces the average corona current and the collection efficiency in the electrostatic precipitator.
기체정화장치에 대한 수십년간의 실험 및 운전자료들은 분진입자들의 미세화, 고농도, 고온 및 종종 부식성을 띠는 다량의 폐가스를 처리하는데 복잡한 문제가 존재함을 보여주었다. 기체정화시스템은 신뢰도가 높고 항구적으로 고성능을 보여주어야하며 다양한 산업공정에 영향을 받지 말아야 한다. 서브마이크론 입자의 고효율집진은 특히 중요한데, 미세분진일수록 폐가스로부터 분리하기가 매우 힘들기 때문에 문제는 더욱 심각하다.
기체로부터 미세입자들을 효율적으로 제거하는 기체정화장치로는 전기집진기, 여과장치, 고에너지 스크러버 등이 있고 이들중 전기집진기는 처리할 기체의 양과 분진처리능력에서 가장 큰 응용범위를 갖고 있다. 또한 분리메커니즘상분리력을 전기력으로하여 직접적으로 입자 자체에 힘을 미치기 때문에 기체흐름을 이용하는 여타 장치에 비하여 분리효율이 높다.
최적 집진시스템을 설계하기 위하여 많은 효율 예측 프로그램들이 개발되어왔다. 하지만 아직까지 이들 프로그램들은 운용에 필요한 기초자료들을 상당부분 실험에 의해 얻거나 추정하여야 하고, 집진공정 현상에 대한 근본적인 접근은 미미한 실정이다. 전기집진기의 효과적인 운용을 위해서는 실제적인 집진공정에 대한 근본적인 이해를 바탕으로 각 설계변수간의 영향을 이해하는 것이 중요하다.
집진효율의 예측은 전기장 분포와 관련이 있다. 전기집진기내에서 공간하전 밀도(space charge density) 및 전위 분포를 기술하기 위해서는 상당한 노력과 정보를 필요로 한다. 이는 공간하전 밀도와 전위 분포는 상호 밀접하게 연관되어 있어, 공간하전 밀도가 전기장 분포에 영향을 미치며, 또한 설정된 전기장의 영향은 이온들의 움직임에 영향을 주어 공간하전 분포를 변화시키기 때문이다. 따라서 이러한 복잡한 상호관련으로 인하여 전기집진기의 성능해석은 주로 수치해석적인 방법이 적용되어지고 있다. 본 연구에서는 전기집진기의 집진효율을 예측하기 위하여 이론적인 접근을 통한 여러 단순 모델들을 설정하였고, 이를 토대로 공간하전과 전기장 분포가 집진효율에 어떠한 영향을 미치는가에 대하여 알아보았다.
첫번째 모델에서는 전기장 분포의 변화와 분진의 입자크기분포가 집진효율에 미치는 영향을 모멘트법을 사용하여 알아보았다. 입자크기분포 함수는 log-normal이라 가정하였다. 많은 전기집진기의 성능 실험에서 관찰되고 있는 집진판간극(plate-spacing)이나 처리유속의 변화에 따른 유효이동속도(effective migration rate)의 증가라는 non-Deutschian 현상은 아직까지 적절하게 설명할 수 있는 모델이 없었다. 현재의 모델에서는 집진판간극의 변화나 처리유속의 변화에 따른 유효이동속도(effective migration rate)의 변화를 정량적으로 기술하였고 유효이동속도는 처리 분진의 크기분포 뿐만 아니라 집진면 근처의 전기장 변화와 관련된다고 생각한다.
두번째 모델에서는 sectional 모델을 통하여 이온의 공간하전 밀도와 bimodal 크기분포를 가지는 분진의 영향을 살펴보았다. 이온의 공간하전 밀도는 분진의 공간하전 밀도에 의해 영향을 받지만 그다지 큰 변화를 보여주진 않고, 유효이동속도에 미치는 영향은 작은 것으로 보인다. Bimodal 분포의 경우, 집진공정의 초반기에는 어느 정도의 미세분진의 존재가 유효이동속도를 증가시킨다. 이것은 전기집진기내의 잔존분진(residual dust)에 의한 전기장의 변화에 기인하는 것으로 생각한다.
세번째로서, 다분산 분진입자에 대한 대류/확산 모델을 설정하고 모멘트법을 사용하여 turbulent mixing과 분진의 공간하전 밀도의 영향을 살펴보았다. 비교적 공간하전 밀도가 작은 경우에 turbulent mixing의 정도는 유효이동속도의 변화에 중요한 영향을 미치지만, 공간하전 밀도가 커감에 따라 이러한 영향은 감소하는 것으로 보인다.
네번째 모델로서, wire-plate형 전기집진기에서 이온 및 분진의 공간하전의 영향을 살펴보았다. 여기서 비선형 편미방식을 해석하기 위하여 charge simulation method와 finite different method를 혼용하여 반복하여 계산하였다. 분진이 존재하지 않을 경우의 이온의 하전 밀도에 의한 전기적 특성 변화를 기존의 실험치와 비교하였고 본 모델과 잘 부합함을 보였다. 분진입자의 크기가 작을 경우, 난류흐름에 의한 diffusion force의 영향력이 커져 집진면 근처의 분진들을 확산시켜 결과적으로 집진효율을 낮추는 경향을 보였다. 또한 초기 분진의 공간하전 밀도가 클수록, 방전극에서 집진면으로의 이온의 흐름을 방해하여 코로나 전류의 흐름을 방해하며 집진효율을 떨어뜨린다.
