고도 경제성장과 산업발달에 따른 공업화로 업종이 다양해짐에 따라 다량으로 배출되는 대기오염 물질은 대기환경을 악화 시키고, 인체의 건강, 생활환경 그리고 자연생태계에 심각한 악영향을 미치고 있다. 특히 대기 중에 배출되는 입자상 오염물질이 심각한 사회문제로 대두되고 있어 2015년부터 초미세먼지(PM 2.5)의 환경기준을 신설하였으며, 2018년 3월부터 초미세먼지의 환경기준을 연간 평균치는 15㎍/m3 이하로 24시간 평균치는 35㎍/m3 이하로 강화하여 시행하고 있다. 이에 투자 비용이 적고 입자상 물질의 전 범위에 걸쳐서 집진효율이 높을 뿐만 아니라, 작업공정에 관계없이 분진 포집성능이 안정적이고, 대형화 및 운전이 용이하다는 장점이 있는 충격기류식 여과집진장치를 산업체에서 주로 사용되고 있다.
충격기류식 여과집진장치는 방지시설 설계 및 시공 업체의 경험에 의존하여 여과집진장치를 설치하여 이에 따른 탈진 성능저하, 여과포의 수명 단축 등의 문제가 발생되고 있으며, 이는 여과속도, 입구농도를 비롯한 설계인자를 산업현장의 복잡한 공정 및 운전에서는 이론적인 해석이 어렵기 때문이다.
Coke 분진을 이용한 충격기류식 여과집진장치의 여과속도, 탈진압력, 탈진간격, 입구농도 등 다양한 운전조건에 따른 압력손실 예측과 벤츄리 설치 유·무에 따른 압력손실 예측에 대한 연구는 진행된 바 없다.
따라서 본 연구는 대수-선형 다중회귀모형과 선형-선형 다중회귀모형을 통해 여과 속도, 탈진압력, 탈진간격, 입구농도 등의 운전조건에서 벤츄리 설치가 압력손실에 미치는 영향을 예측하여 충격기류식 여과집진장치의 효율적인 운전조건과 경제적인 설계 기초자료로 활용하고자 하였다.
여과면적 6 m2인 파이로트형 충격기류식 여과집진장치를 이용하여 제철소 coke분진으로 여과속도, 입구농도, 탈진압력, 탈진간격 및 벤츄리 설치 유·무의 조건에 따라 여과포 압력손실을 측정하였으며, 실험용 분진은 P제철소 coke공장의 여과집진장치에서 포집된 평균입경은 57.33 ㎛이고, 진비중이 1.78인 것을 사용하였다. 실험에 사용된 여과포는 실제 산업현장에서 가장 널리 사용되고 있는 폴리에스테르 여과포로서 크기는 Ø140×850ℓ, 16개를 사용하였다.
여과포 압력손실(△P)의 변화에 기여하는 여과속도(Vf), 입구농도(Ci), 탈진압력(Pp), 탈진간격(Pi), 벤츄리 설치 유·무 등에 따른 영향력을 파악하기 위해 SAS 9.4(SAS Institute, USA) 프로그램으로 통상적인 최소자승 추정법(Ordinary Least Square ; OLS)인 대수-선형의 다중 회귀모형함수와 선형-선형의 다중 회귀모형함수를 이용하여 벤츄리가 압력손실에 미치는 영향을 예측한 결과는 아래와 같다.
가. 대수-선형 다중회귀모형 예측 결과
추정한 결정계수(R2)가 0.8975로 높았으며 파라메타 추정치 부호가 이론과 부합하며 1%이내에서 통계적으로 유의하게 나타남으로써 각각의 요인들이 압력손실변화에 영향을 미치는 결과를 신뢰 할 수 있어서 대수-선형 다중회귀모형으로 압력손실을 예측하였다.
압력손실 변화 요인별 영향은 여과속도가 1% 증가 시 압력손실은 2.30% 증가하여 변화 요인 중 압력손실변화에 가장 크게 기여 하는 것을 알 수 있었다. 탈진압력은 1% 증가 시 1.01% 감소하는 것으로 나타났다. 이는 여과속도 다음으로 압력손실 변화에 기여하는 인자임을 알 수 있었고 여과속도 변화와 대비하여 약 44% 기여함을 알 수 있었다. 입구농도는 1% 증가 시 압력손실은 0.39% 증가하는 것으로 나타났다. 이는 입구농도가 압력손실변화에 어느 정도 기여는 하고 있지만 여과속도의 변화에 따른 압력손실변화와 비교하였을 때 17% 수준인 것으로 나타났다. 탈진간격은 1% 상승 시 0.36% 증가로 여러 요인 중 가장 낮은 영향을 갖는 것을 알 수 있었으며 여과속도 변화 대비 15.7% 영향을 미치는 것으로 나타났다. 압력손실의 변화에 미치는 순서는 여과속도(Vf) > 탈진압력(Pp) > 입구농도(Ci) > 탈진간격(Pi) 임을 알 수 있었다.
벤츄리 설치 유·무에 따른 압력손실변화는 벤츄리가 설치된 경우 38.8mmH2O, 벤츄리가 미설치된 경우는 47.6mmH2O로 벤츄리 설치유무에 따라 8.8mmH2O의 압력손실 차이를 나타내었다. 이는 벤츄리를 설치할 경우 약 18.5%의 효율을 향상 시킬 수 있을 것으로 예측되었다.
초층이 형성된 운전 초기 여과포 압력손실이 80mmH2O 전후임을 감안하면 제철소 coke 분진 처리의 여과속도는 벤츄리가 설치된 경우는 최대 1.98m/min까지, 벤츄리가 미설치된 경우는 최대 1.84m/min이하로 설계하여야 할 것으로 예측되었다. 입구농도는 벤츄리가 설치된 경우는 4.65g/m3이하 벤츄리가 미설치된 경우는 3.79g/m3이하에서 압력손실 변화에 큰 영향을 미치지 않을 것으로 나타났다.
입구농도(Ci)는 배출시설의 조업여건과 공정에 따라 변화되므로 오염물질 발생량에 대한 사전저감 대책이 필요할 것으로 판단된다.
그리고 탈진압력과 탈진간격은 벤츄리 설치 유·무에 따라 18.6% 전후의 압력손실 저감효과를 얻을 수 있을 것으로 예측되었다. 높은 탈진압력과 빠른 탈진간격은 여과포 수명을 단축시킬 수 있으므로 분진의 물리·화학적 성질과 현장 여건에 맞게 설정되어야 할 것으로 사료된다.

나. 선형-선형 다중회귀모형 추정 결과
모형의 적합성을 나타내는 결정계수(R2)가 0.8504로 적절하게 유도되었으며, 벤츄리의 설치 유·무에 따른 압력손실의 영향이 10.9로 높게 나타나 벤츄리의 설치 유·무에 따른 압력손실의 변화를 확실하게 예측할 수 있었다.
압력손실 변화 요인별 영향 예측 결과 여과속도가 1%증가 시 압력손실은 2.1528%증가하여 여러 설계인자 중 압력손실변화에 가장 크게 기여 하는 것을 알 수 있었다. 입구농도는 1%증가 시 압력손실은 0.364%만큼 증가하고, 탈진간격은 1%증가 시 0.336%만큼 증가하는 것을 알 수 있었다. 반면에 탈진압력은 1%증가 시 1.081%만큼 감소하는 경향을 보여 여과속도 변화에 이어 두 번째로 큰 영향 인자임을 확인하였다.
입구농도와 탈진간격의 압력손실변화는 여과속도의 압력손실변화의 영향과 비교해 보았을 때 각각 약 16.96%와 15.6%의 영향을 미치는 것을 알 수 있었다.
벤츄리 설치가 압력손실변화에 미치는 영향은 벤츄리가 설치된 경우 42.7mmH2O, 벤츄리가 미설치된 경우는 53.6mmH2O로 벤츄리 설치 유무에 따라 10.9mmH2O의 압력손실 차이를 나타내었는데, 이는 벤츄리를 설치 할 경우 약 20.3%의 효율을 향상 시킬 수 있는 것으로 사료된다. 또한 대수-선형 다중회귀 모형으로 추정한 벤츄리 설치 유·무에 따른 압력손실과 거의 유사한 결과값을 얻을 수 있었고, 대수-선형 다중회귀 모형으로 추정한 압력손실의 변화에 기여하는 순서인 여과속도(Vf) > 탈진압력(Pp) > 입구농도(Ci) > 탈진간격(Pi) 순서로 같음을 알 수 있었다.
여과속도는 벤츄리가 설치된 경우는 최대 2.1m/min까지, 벤츄리가 미설치된 경우는 1.89m/min이하로 설계하여야 할 것으로 판단되고, 입구농도는 벤츄리가 설치된 경우는 5.18g/m3이하 벤츄리가 미설치된 경우는 4.15g/m3이하에서 압력손실 변화에 큰 영향을 미치지 않고 안정적으로 처리가 가능 할 것으로 판단된다.
그리고 탈진압력과 탈진간격은 벤츄리 설치 유·무에 따라 각각 25.4%, 17.7%의 압력손실 저감효과를 얻을 수 있을 것으로 예측되었다.

대수-선형 다중회귀분석모형 추정 결과와 선형-선형 다중회귀분석모형 추정결과를 종합해보면 압력손실 최소화를 위해서 벤츄리를 설치 할 경우 18.5~20.3% 효율 향상이 기대되며, 압력손실에 기여하는 순서는 여과속도(Vf) > 탈진압력(Pp) > 입구농도(Ci) > 탈진간격(Pi)임을 알 수 있었다.
본 연구는 제철소 coke 분진으로 실험한 데이터를 바탕으로 여러 설계인자 변화에 대한 압력손실변화를 예측하였음으로, 향후 여러 조건에서의 실험데이터를 통한 분석 및 예측이 필요하고 각각의 운전조건에 따른 적정 설계인자를 설정하여 압력손실 최소화를 위한 연구가 진행되어야 할 것으로 사료된다.