미세먼지, 질소산화물 동시제거용 중ㆍ고온 여과구조체 기술개발 주관기관 : 창명산업 참여기업 : 비노텍(주)

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1 미세먼지, 질소산화물 동시제거용 중ㆍ고온 여과구조체 기술개발 주관기관 : 창명산업 참여기업 : 비노텍(주)
산업에너지기술개발사업 (최종평가) 미세먼지, 질소산화물 동시제거용 중ㆍ고온 여과구조체 기술개발 주관기관 : 창명산업 참여기업 : 비노텍(주) 위탁기관 : 한국생산기술연구원 안녕하십니까? 2세부 창명산업 대표 이승제입니다. 산업에너지기술개발사업 최종평가로 ‘미세먼지, 질소산화물 동시제거용 중,고온용 여과구조체 기술개발 ‘ 에 대해 발표하겠습니다.

2 발표순서 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ 기술개발 개요 기술개발 배경 기술개발 결과 기술개발 성과 발표순서는 기술개발 개요 및 배경과
기술개발결과를 5개 부분으로 요약발표하고, 끝으로 기술개발 성과 순으로 말씀 드리겠습니다.

3 연구개발의 개요 1단계 2단계 단계 구분 1 단계 2 단계 1차년도 2차년도 1차년도 2차년도 3차년도 세부과제명
중•고온 배가스 처리용 여과체 소재기술 개발 미세먼지, 질소산화물 동시제거용 중•고온 여과구조체 기술개발 세부주관기관 한국생산기술연구원 창 명 산 업 세부주관책임자 김 상 범 이 승 제 단계별개발기간 ~ (3년 3개월) ~ (2년) 1단계 2단계 1차년도 2차년도 1차년도 2차년도 3차년도 중유연소보일러 분진의 특성분석 거품코팅을 적용한 표면층이 형성된 무기질 섬유상 여과체개발 50,000CMH 규모 중유 연소 보일러 실증 적용 여과체 제조기술 개발 50,000CMH 규모 중유용 실증 융합 시스템 적용 여과체 성능평가 및 보완 기술 확보 상용화 규모 중유 /석탄 화력발전소 확대 적용 여과체 소재기술 연구 일체형 여과 탈질 구조체 설계 일체형 여과 탈질 구조체 개발 3,000CMH 규모 석탄보일러 실증 융합시스템 적용 여과체 성능평가 연구개발의 개요입니다. 총 5개년 2단계사업으로 1단계는 주관인 한국생산기술연구원과, 참여기업인 창명산업이 “중,고온 배가스 처리용 여과체 소재기술 개발” 을 진행하여 거품코팅을 이용한 표면층이 형성된 무기질 섬유상 여과체를 개발하였으며, 50000CMH 규모의 중유용 실증시스템에 적용을 하였습니다. 2단계는 창명산업의 주관으로 “미세먼지, 질소산화물 동시제거용 중,고온 여과구조체 기술개발”을 수행하였습니다. 3

4 연구개발의 배경 1단계 2단계 4 중•고온용, 고내구성 무기질 섬유상 여과체 개발 고효율의 표면층 형성된 여과체 개발
탈황제 투입 총량규제의 시행 및 배출농도기준의 강화로 고효율의 여과집진시스템이 필요  NOx처리를 위한 SCR은 고온에서 유효하여, 집진장치의 전단에 설치하여야 하나, 배가스에 의한 피독으로 촉매의 성능저하 방지 300 ℃ 영역에서 고온의 배가스를 처리 할 수 있는 필터 필요 표면층 형성 여과체 <Surface filtration> Filtrate Particle 배가스 Cake 층 형성 여과체 <Surface filtration> 미반응 SO2 탈황제 Particle Filtrate Compact한 다기능 일체형 융합 시스템 개발 PM, NOx 동시제거용 일체형 여과 탈질구조체 개발 2단계 1단계 나열형융합시스템의 설치부지 및 설치비용 절감 단위설비의 일체화 Compact한 일체형 여과 탈질시스템 필요 석탄연료 환경문제 해결 1, 2, 3세부 일체형 융합시스템 탈황/ 탈황제 제거 , 분진 제거 / NOx 제거, 수은 제거 연구개발배경입니다. 1단계는 NOx처리를 위한 SCR은 고온에서 유효하여 집진설비 전단에 설치하여야 하나, 배가스에 의한 피독으로 촉매의 성능저하를 방지하기 위하여, 300도 영역에서 고온의 배가스를 처리할 수 있는 고효율의 표면층이 형성된 여과체 개발이 필요하였습니다. 2단계는 설치부지 및 비용을 절감하기 위하여 compact 한 일체형 여과 탈질시스템이 필요하여 PM, Nox 동시제거용 일체형 여과탈질 구조체를 개발하였습니다. 4

5 1단계 개발 여과체 성능평가 - 실증실험(KTL측정)
탈황제 공급설비 열교환기 SCR HI-FILTER 시스템 융합시스템 배열 및 시스템 전경 Outlet sampling point Stack Inlet sampling point TMS Room Control Room 암모니아 저장탱크 삼정펄프(주) 중유연소 융합시스템 중 Hi-filter 시스템 내부에 본 과제를 통해 개발된 PTFE/Glass 여과백 192개 설치 후 성능평가 (2008년 8월) 여과체 규격 : 156Φ X 4m 1단계 실증 싸이트로 삼정펄프㈜에 설치된 융합시스템의 배열 및 시스템 전경입니다. 2단계에 지속적인 관리와 보완을 수행하였습니다. 실증결과 항목 단위 Hi-filter Inlet Stack 제거효율 (%) 온도 ℃ 299 86 - 먼지 mg/Sm3 12.194 99.41 5

6 1-1. 개발여과체 실증 및 모니터링 - (삼정펄프㈜)
1단계 중유 연소 보일러의 융합시스템 실증실험 설비 2단계 초기 실증 융합 설비 가동을 일시적으로 중단. HI-FILTER 내부에 습기 로 인한 수분 다량 발생 (2009년 3월) HI-FILTER 내부의 습기 제거 후 필터 내부를 점검 한 결과 부식이 심하게 발생하여 전량 교체 하기로 함. (2009년 6월) HI-FILTER 내부에 개발 필터를 신규 제작하여 전량 교체 작업 실시. 전기 극판과 필터의 간격 유지를 위한 고정. (2009년 7월) 실증 융합 설비 재 시운전 시운전 실시후 집진기 하부에서 필터 점검 실시. (2009년 8월) HI-FILTER 집진기 상부 cap 개방 후 상판의 분진 리크 유무 육안 검사 실시. (2009년 8월) HI-FILTER 상판 일부에 분진 적체 현상 확인. 형광 테스트로 손상 필터 확인 결정. (2009년 12월) 덕트라인에 형광 물질 투여 후 필터 점검. 直立이 안되어 극판 에 쓸림현상으로 필터 손상. (3개 교체) (2010년 3월) 첫번째 결과로 개발여과체 실증 및 모니터링 입니다. 초기의 문제점들을 보완하여 현재 정상가동 중에 있습니다. 6

7 1-2. 개발여과체 실증 및 모니터링 - (비노텍㈜)
개발 여과체에 대한 다양한 산업체 적용 현장검증 및 신뢰성 확보 설치 전 인장강도 결과(N/2.5cm) 경사 1910 위사 2845 3개월 후 인장강도 결과(N/2.5cm) 경사 2069 위사 2312 6개월 후 인장강도 결과(N/2.5cm) 경사 1955 위사 2350 두번째 결과로 비노텍㈜의 소각보일러 설비에 개발필터를 장착하여 실증실험을 진행해온 결과입니다. 상용 멤브레인 필터와 개발필터의 차압변화에 대한 그래프로 빨간색이 개발필터이고, 검은색이 상용 멤브레인 필터입니다. 현재는 저희 개발필터로 전량 교체되어 여과체 수명 테스트를 18개월째 진행하고 있습니다. 실증결과 항목 단위 여과집진기 Stack 제거효율 (%) 온도 ℃ 175 165 - 먼지 mg/Sm3 3320 5.4 99.83 7

8 2-1. 폭 1600m/m 여과체 제조 기술 상용화 - 기술개요
코팅여지 수급의 문제점 개선 (국산화, 수입의 다양화), 다양한 제품의 여지를 이용한 제조기술 보완 발포기술 개선을 위한 실험, 다양한 제품군 개발 (공기투과도 다양화) Foam Coating process Thermal treatment Coating on glass fiber Foam generator Coating solutions 폭 1600미리 이상의 여과체 제조기술 상용화 첫번째 결과입니다. 다양한 여지를 이용한 제조기술을 보완하는 실험을 진행했습니다. 왼쪽은 회사의 제조라인이고, 오른쪽 그림은 폼코팅 공정도입니다. 8

9 2-2. 폭 1600m/m 여과체 제조 기술 상용화 – (물성분석)
표면 분석-SEM 단면 분석-SEM 기공분포도 분석-PMI 열 안정성 분석-TGA 20 100 200 앞의 공정에 의해 제조된 여과체의 물성 분석 결과입니다. 표면은 미세 기공이 형성되어있는 3차원의 다공질로 이루어져 있으며, 열 안정성은 기존 상용 여과체와 비교하여 매우 높았습니다. 300 표면층손상 400 표면층손상 표면층손상 필터의 표면이 평균 17㎛의 기공으로 이루어진 3차원의 다공질로 이루어져 있음을 확인할 수 있었음. PTFE는 온도에 매우 민감한 물성을 가지고 있으며, 또한 물에 대한 저항성이 높아 거품코팅 처리를 했을 때 필터표면에 소수성을 부여할 수 있다는 특징이 있음. PTFE/Glass 거품코팅 필터는 300℃ 이상의 고온영역까지 사용이 가능한 표면특성을 보유함. 9

10 2-3. 폭 1600m/m 여과체 제조 기술 상용화 – (탈진실험)
Filter Surface type Filtration mechanism Permeability (cm3/cm2/sec) Initial ΔP (mmH2O) Residual ΔP De-dusting Frequency(8hr) PTFE/Glass filter (this work) PTFE Foam coat Surface  filtration 4.2 3.2 20-25 8 A-membrane PTFE laminate 1.5 17 37 10 B- membrane 2 12 35 A-Teflon nonwoven Non-woven type Depth  15 20 13 B-Teflon nonwoven 3 9 개발필터의 필터 성능평가를 상용필터와 비교실험을 진행하였습니다. 동일 조건하에 8시간동안 연속 실험을 실시하여 차압변화 및 탈진주기, 잔여차압 변화 등을 비교한 결과 상용필터보다 우수하였습니다. 탈진은 차압이100mmH2O [upper limit] 에 도달했을 때 실시 탈진 후 압력은 20-25mmH2O [lower limit] 로 유지됨 탈진주기 및 탈진 후 압력이 안정적임 상용 고온용 멤브레인과의 여과능력 비교를 위해 백필터 시스템을 이용하여 동일한 조건에서 8시간 동안 연속여과실험을 실시함 탈진주기 역시 상용 필터보다 우수한 수준에서 형성됨 10

11 ε 2-4. 폭 1600m/m 여과체 제조 기술 상용화 –(탈진율 실험) Δ - P X 100 = d Hi Lo Li
time Δ P Li m d : pressure drop across clean filter medium : pressure drop by dust clogging in flow path f Hi ε d = Δ P Hi - Lo Li X 100 Efficiency eq. 탈진율 실험은 원통형 여과필터와, 절곡형 필터 3종류를 탈진실험을 통해 확인 하였습니다. 모두 80% 이상의 탈진효율을 보였습니다. 11

12 2-5. 폭 1600m/m 여과체 제조 기술 상용화 –(성적서결과 FITI)
정량적 연구개발 목표 평가 항목 단위 개발목표치 중 량 g/m2 750 g/m2 이하 공 기 투과율 cm3/cm2/sec 8 이상 적 용 온 도 ℃ 310 개발필터를 FITI시험연구원에 의뢰하여 얻은 성적서 결과입니다. 중량 750 이하, 공기투과도 8이상, 적용온도 310도 입니다. 12

13 3-1. 고표면적 여과체 제조 기술 제조기술 기본 개요 일반적인 중ㆍ고온용 고효율/저에너지 소모형 원통형 여과체
고표면적 여과백 설계 및 제조기술 확보 기존 여과백 대비 3배 이상의 표면적 확보를 통한 특화된 제품군 개발 에너지소모량 감소 효율향상 차압감소 내구성 향상 고효율/저에너지 소모형 중ㆍ고온용 절곡형 여과체 일반적인 중ㆍ고온용 원통형 여과체 세번째 결과로 고표면적 여과체 제조 기술입니다. 기존의 원통형 여과체를 표면적이 넓은 절곡형 여과체의 특화된 제품을 개발하였습니다. 13

14 Gas out Dust Feeder Pressure sensor Pulse-Jet timer Compressor
3-2. 고표면적 여과체 제조 기술 절곡형 필터의 형상에 따른 절곡 최적화 - 절곡형 필터의 형상 및 개념도 - Data logger Pulse-Jet timer Pressure sensor Compressor Dust Feeder Gas out Fly-ash 7h 100 mmH2O 4 kgf/cm2 3 m/min 5.7 g/m3 Test Dust Inlet Conc. Test time De-dusting press. Pulse-jet press. Face velocity - 절곡형 필터 성능테스트 - 탈진에 영향을 주는 다양한 인자 중 Pleat Pitch, Pleat Length, Pleat Angle 이 가장 큰 영향을 끼침 절곡필터의 다양한 설계인자를 변수로 절곡형 필터를 제작하여 절곡형상을 최적화함 두번째로 절곡형 필터의 형상에 따른 절곡최적화입니다. 탈진에 영향을 주는 인자 중 각도와 산높이를 변수로 하여 절곡형 필터를 제작하여 절곡형상을 최적화하였습니다. 14

15 4-1. 일체형 여과탈질 구조체 제조기술 최적 설계를 위한 준비 실험 결과 – KIMM (PRE-PILOT)
절곡형 여과탈질 구조체 원통형 여과탈질 구조체 절곡형에 대비하여 면적은 작다. (Φ400 x 2400L =3.01㎡) 탈질구조체 내경(Φ200)을 확보 한 최소 규격은 Φ214 원통형 필터+탈질촉매의 차압은 200mmH2O 원통형 필터 단독차압은 30mmH2O 일체형 여과탈질 구조체 전체 차압이 높음 절곡형 필터의 여과 면적은 매우 크다. (Φ400 x Φ200 x 25 x 92산 x 2400L =11.04㎡) 탈질구조체 내경(Φ200)을 확보 한 최소 규격은 Φ400 절곡형 필터+탈질촉매의 차압은 200mmH2O 절곡형 필터 단독차압은 5mmH2O 일체형 여과탈질 구조체 전체 차압이 높음 2세부 여과필터와 3세부 탈질촉매가 결합하는 일체형 여과탈질 구조체에는 원통형 필터로 제작 하는 것이 필터의 외경을 줄일 수 있고, 필요수량비율 여과필터(27ea)1 : 1촉매(28ea)의 균형 절곡형 필터 최소 외경 Ø400일때 탈질촉매 최대외경 Ø (외경비율 3.6 : 1) 절곡형 필터 수량과 탈질촉매 수량의 불균형 (필요수량비율 여과필터(9ea)1 : 3촉매(28ea)) 네번째 일체형 여과탈질구조체 제조기술 개발로써 일체형 실증사이트의 최적설계를 위한 준비실험결과입니다. 절곡형필터로 제작할 경우, 여과면적을 확보할 수 있는 장점이 있으나, 여과필터와 탈질촉매의 수량이 불균형으로 여과필터와 탈질촉매가 1:1의 비율로 균형이 가능한 원통형으로 설계하였습니다. 15

16 PTFE/Glass Foam Coated
4-2. 일체형 여과탈질 구조체 제조기술 실증site 최종 설계내역 SPECIFICATION FILTER TYPE 필터 CAGE FILTER CLOTH 원통형 스냅링 타입 PTFE/Glass Foam Coated SUS 선 에어 펄스 -젯 필터탈진방식 Φ214 x 2500L 상부 후렌지 sus 4” 4Kgf/cm2 ~ 5Kgf/cm2 필터탈진압력 코로케이트 탈질 촉매 촉매 TYPE Φ114 x 2018L (후렌지포함) 실증 싸이트에 적용 할 일체형 여과 탈질 구조체의 설계 내역입니다. 여과필터는 하부상판 타공판에 결합 하는 타입으로 규격은 Ø214에 길이는 2.5m이고, 수량은 32개입니다. 탈질촉매는 상부상판에 후렌지 결합 타입으로 sus 4인치 파이프 내부에 코로케이트형 탈질촉매를 장착하였으며, 길이는 2m이고, 수량은 여과필터와 동일한 32개입니다. 16

17 4-3. 일체형 여과탈질 구조체 제조기술 ■ 일체형 여과탈질 구조체의 설치 순서 ■ 1. 전기 집진판 및 융합설비 하부상판
2. 하부상판에 PTFE/Glass 거품코팅 필터 삽입 3. 여과 필터 내부에 고온용 cage 삽입 4. 탈진용 여과 Pulsing line 설치 5. 상부상판 설치 1세부에서 제작한 집진설비 내부전경 중 하부상판에 2세부여과필터를 장착할 타공판이 있고 하부상판에 개발여과필터를 스넵링 타입으로 장착하며, 개발여과필터 내부에 CAGE를 결합해 주고 촉매가 통과할 수 있는 도너츠형태의 탈진용 펄싱 라인이 설치된 후 촉매가 거치될 상부상판을 결합 상부상판 촉매타공판을 통해 도너츠형 펄싱라인 가운데를 통과한 촉매는 여과필터 내부에 설치됩니다. 상부상판에서 볼트를 이용하여 촉매상부를 고정합니다. 분진여과 및 촉매에서 탈질공정이 동시에 실시되는 일체형 여과탈질구조체가 설치되는 공정입니다.. 6. 상부상판 통과하여 필터 내 탈질촉매 삽입 7. 여과 및 탈질공정 동시 실시 17

18 5-1. 3,000CMH 석탄보일러 실증실험 기본 개요 보일러 일체형 융합 시스템 열회수시스템 제 1 세부과제 제 2 세부과제
PM : 25,000 mg/m3 SOx : 400 ppm NOx : 300 ppm Hg : 75 mg/m3 PM : 25 /mgm3이하(99.9%) SOx : 40 ppm 이하(90%) NOx : 50 ppm 이하 Hg : 환경기준치 이하 300℃ 230℃ 80℃ 제 1 세부과제 제 2 세부과제 제 3 세부과제 제 4 세부과제 실증싸이트인 한국생산기술연구원의 3,000CMH 석탄보일러 실증입니다. 각 세부별 역할 중 저희 2세부는 여과백과 탈질구조체를 일체화 하여 설치 하고, 입자상 물질을 99.9% 처리하는 것입니다. 다기능 고도처리 중고온여과체 개발 고활성 탈질기술 열회수 기술 ▣ 고표면적 여과체 개발 -입자상물질 제거율>99.9% ▣ 고활성 탈질구조체 개발 - NOx : 50 ppm 이하 ▣ 일체형 융합시스템 제작 - 입자상물질 제거율>99.9% - 황산화물 제거율 >90% ▣ 내식성, 고효율 열교환기 개발 ▣ 상용 흡착제를 이용한 수은 제거기술 - Hg : 환경기준치 이하 ▣ 열회수율 10% 향상 ▣ 여과백과 탈질구조체 일체화 기술 18

19 5-2. 3,000CMH 석탄보일러 실증실험 석탄보일러 일체형 융합 시스템 전경 및 내부 구조 19
설치완료 한 일체형 융합 시스템의 전경 및 내부 구조입니다. 빨간색부분이 개발된 여과필터가 장착된 부분이고, 파란색부분은 탈질촉매가 설치되는 부분입니다. 오른쪽 사진은 하부에서 본 여과필터 사진입니다. 19

20 5-3. 2단계 개발 여과탈질구조체 성능평가 - (KTL측정)
저희 세부의 입자상 물질 제거효율은 99.98%로 측정되었습니다. 20

21 6. 정량적 최종 연구개발 목표 및 결과 ㎤/㎠/sec 평가항목 (주요성능spec) 단위 개발 목표치 달성치 비 고 미세입자상
비 고 미세입자상 제거효율 % 99.90% 99.98% 한국산업기술시험원 측정결과 탈진 효율 80% >80% 탈진율 테스트결과 적용 온도 ℃ 310℃ 327℃ 여과체 수명 개월 40개월 18개월 진행 중 현재 상용현장 실증실험 진행 중 공기 투과율 ㎤/㎠/sec 8 ㎤/㎠/sec 14.3 ㎤/㎠/sec FITI시험연구원 성적서 결과 마지막으로 정량적 연구개발 목표 및 결과입니다. 미세입자상 제거효율은 99.98% 달성 하였고, 탈진효율 결과는 원통형 및 절곡형 모두 80% 이상 이였습니다. 적용온도는 입구온도 327도였으며, 여과체 수명은 현재 비노텍㈜ 상용현장에서 18개월째 진행 중입니다. 공기투과율은 8 이상 확보하였습니다. 21

22 7. 연구개발 성과 [1] - 지식재산권 22 번호 종류 발명의 명칭 출원일 출원번호/ 등록일 국명 등록번호 1 특허
발명의 명칭 출원일 출원번호/ 등록일 국명 등록번호 1 특허 거품 코팅을 이용한 중•고온용 여과체 제조 방법 및 이방법에 의해 제조된 여과체 2006 2007 대한민국 2 거품코팅을 이용한 중•고온 배가스 처리용 여과체의 제조방법 및 이에 의해 제조된 여과체 3 2009 4 PCT/KR2007/ 006978 PCT 국외 PCT 심사완료 5 2008 12/306,212 미국 심사중 6 일본 7 EU 8 중국 9 WO 인도네시아 10 일체형 집진, 탈황, 탈질, 및 폐열 회수 시스템 2010 마지막으로 그 동안 개발사업과정 중 획득한 특허로 국내특허 출원하여 심사 중 1건, 등록 3건, 국제특허 심사 중 5건의 특허 성과를 거두었습니다. 22

23 7. 연구개발 성과 [2] –논문 게재 및 학술발표 23 년도 구분 논문명 학술발표 / 논문등재
2008 학술 발표 Fabrication of Bag Filter Media for High Temperature Use American Association for Aerosol Research 2009 접촉각 측정에 의한 중•고온용 백필터의 표면특성 평가 한국대기환경학회 절곡형 필터의 절곡형태가 탈진특성에 미치는 영향 한국폐기물학회 Preparation and characterization of porous composite filter medium from PTFE foam coating ISWA/APESB 2009 WORLD CONGERSS Fabrication and Characterization of Bag Filter Media Using Novel Foam Coating Technology 6th Asian Aerosol Conference 2010 PTFE/Glass 복합필터의 표면특성 및 여과특성 연구 한국공업화학회 PTFE/Glass composite filter의 표면자유에너지 산정 Surface property investigation of PTFE/Glass composite filter by contact angle measurement International Aerosol Conference 여과집진기에서 집진시와 탈진시의 입경별 제거효율변화 PTFE/Glass 거품코팅 필터의 탈진효과에 대한 절곡구조 최적화 연구 여과집진기 운전시 집진 및 탈진 공정에 따른 여과효율 변화 논문 등재 A&WMA 2011 Evaluation of the surface properties of PTFE foam coating filter media using XPS and contact angle measurements Applied Surface Science 연구성과로 논문게재 및 학술발표 성과입니다. 총 20여건의 학술발표와 2건의 해외논문 등재의 성과를 거두었습니다. 위탁기관에서 열심히 연구한 결과라고 생각합니다. 또, 저희 회사에서도 사업화를 위해 활발한 영업활동을 진행하고 있으며, 개발필터가 관급설비에 납품이 되었으며, 일반업체에서도 납품이 되고 있으며, 부가적으로 파생상품이 매출을 발생시키고 있습니다. 해외에는 중국에 소량 수출이 이루어 졌으며, 현재 중국에서 테스트가 진행되고 있고, 해외 바이어와 상담 중입니다. 또한, 폼코팅기술을 이용한 기능성 후가공에서도 매월 매출을 올리고 있어 다양하게 사업화가 이루어지고 있어 앞으로 회사 발전에 많은 도움이 될 것으로 사료됩니다. 23

24 감사합니다.