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[스크랩] 제 1 편 보일러 및 기초 열역학 (Boiler And Basis Thermodynamics)
현팀장
2014. 2. 24. 20:03
제 1 편 보일러 및 기초 열역학 (Boiler And Basis Thermodynamics)
제 7 장 통풍 및 집진장치
Ⅰ. 통풍 (Draft)
보일러에서 연소에 필요한 공기를 공급하고 노내에서 연소 이후 발생된 연소가스를 보일러 전열면에 접촉시킨 다음 외부로 배출시켜 연료의 연속적인 연소를 행하게 한다. 이와 같이 연도 및 연돌 내에서 공기와 열가스의 연속적인 흐름을 통풍이라 하며 이 통풍을 일으키는 힘을 통풍력이라 한다.
1. 통풍의 방식
통풍에는 열가스와 외기와의 순수한 밀도차를 이용해서 연돌만으로 통풍을 하는 자연통풍과 송풍기를 이용하여 연소용 공기를 노내에 밀어넣거나 연소가스를 빨아내는 강제통풍 방식으로 대별한다.
2. 통풍의 종류
(1) 자연통풍 (Natural Draft)
연도에서 연소가스와 외부공기의 밀도차에 의해서 생기는 압력차를 이용하는 것으로 거의 사용되지 않는다.
㉮ 장점
① 동력이 필요없으며 설비가 간단하여 설비비용이 적게 든다.
② 매연 연소가스를 외기로 비산시켜 부근에 해를 미치는 일이 적다.
㉯ 단점
① 통풍력이 약하다.
② 대용량 열설비에는 사용이 부적당하다.
③ 연소실 내부가 대기압에 대하여 부압이 되어 차가운 공기가 침입하기 쉬우므로 열손실이 증가한다.
④ 통풍력은 연돌높이, 배기가스온도, 외기온도, 습도 등에 영향을 받는다.
㉠ 배기가스의 유속 : 3~4 m/s 정도
㉡ 통풍력 : 15~30 ㎜Aq
㉰ 통풍력이 증가되는 조건
① 연돌이 높을수록 증가한다.
② 배기가스의 온도가 높을수록 증가한다.
③ 연돌의 단면적이 클수록 증가한다.
④ 외기의 온도가 낮을수록 증가한다.
⑤ 공기의 습도가 낮을수록 증가한다.
⑥ 연도의 길이가 짧을수록, 굴곡수가 적을수록 증가한다.
(2) 강제통풍(인공통풍)
인위적인 장치에 의하여 통풍력을 얻는 방법으로서 그 종류로는 다음과 같다.
㉮ 압입통풍 (Forced Draft)
가압통풍이라고도 하는데 노앞에 설치된 송풍기에 의해 연소용 공기를 노안으로 압입하는 방식으로 노내의 압력이 대기압보다 높으므로 그 구조가 가스의 기밀을 유지할 수 있어야 하며 배기가스의 유속은 8 m/s 정도이다.
* 장점
① 노내가 정압이 유지되어 연소가 용이하다.
② 가압연소가 되므로 연소율이 높다.
③ 고부하 연소가 가능하다.
④ 300℃ 이상의 연소용 공기가 예열된다.
⑤ 통풍저항이 큰 보일러에 사용이 가능하다.
⑥ 송풍기의 고장이 적고 점검이나 보수가 용이하다.
⑦ 연소용 공기 조절이 용이하다.
* 단점
① 노내압이 높아 연소가스 누설이 쉽다.
② 연소실 및 연도의 기밀유지가 필요하다.
③ 통풍력이 높아 노내 손실이 발생한다.
④ 송풍기 가동으로 동력소비가 많다.
⑤ 자연통풍에 바하여 설비비가 많이 든다.
㉯ 흡인통풍 (Indused Draft)
유인통풍이라고도 하며 연소가스를 송풍기로 빨아들여 연도 끝에서 배출하도록 하는 방식으로 노내의 압력은 대기압보다 낮고 고온의 열가스가 송풍기에 접촉하는 경우가 많으므로 내열성, 내식성이 풍부한 재료를 사용하여 관리에 충분한 주의를 기울여야 한다. 배기가스 유속은 10m/s 정도이다.
* 장점
① 강한 통풍력이 형성된다.
② 노내가 항상 부압이 유지되므로 노내의 손상이 적다.
③ 연돌 높이에 관계없이 연소가스가 배출된다.
* 단점
① 배풍기의 동력소비가 많다.
② 노내가 부압이라서 외기 침입으로 열손실이 많다.
③ 연소용 공기가 예열되지 않는다.
④ 배풍기 고장시 점검 보수교환이 불편하다.
⑤ 배풍기의 수명이 짧다.
⑥ 연소가스 접촉으로 배풍기 손상이 초래된다.
⑦ 배기가스에 의한 침식방지를 위하여 내열성이나 내식성이 있는 재료가 필요하다.
㉰ 평형통풍 (Balanced Draft)
노 앞과 연돌 하부에 송풍기를 설치하여 대기압 이상의 공기를 압입송풍기로 노에 밀어 넣으나 노의 압력은 흡인 송풍기로 항상 대기압보다 약간 낮은 압력으로 유지시킨다. 또한 항상 안전한 연소를 할 수 있으나 설비비가 많이 든다. 압입통풍과 흡인 송풍기를 겸한 형식이며 배기가스의 유속은 10m/s이상이다.
* 장점
① 노내 압력을 자유로이 조절할 수 있다.
② 대용량이 요구되는 곳에 사용이 가능하다.
③ 강한 통풍력을 얻을 수 있다.
④ 연소실 구조가 복잡하여도 통풍이 양호하다.
⑤ 가스 누설이나 외기 침입이 없다.
* 단점
① 송풍기에 의한 동력이 많이 소요된다.
② 설비비와 유지비가 많이 든다.
③ 송풍기로부터 소음발생이 심하다.
④ 소규모의 경우 비경제적이다.
3. 통풍의 조절
보일러의 연소 제어시에는 연소에 가장 적합한 공기량을 송입하기 위해 풍량 및 통풍을 조절한다. 일반적으로 압입송풍기에 의한 풍량조절이나 흡입송풍기에 의한 연소실 내의 압력조절을 자동연소 제어장치로 행하고 있으나 가압연소식은 연소실 내의 압력조절을 하지 않는다.
(1) 통풍의 조절방법(송풍기 사용)
① 댐퍼 조절에 의한 방법
㉠ 댐퍼의 여닫음에 의해 조절하는 방법으로 가장 많이 사용된다.
㉡ 댐퍼의 저항을 이용해서 풍량을 조절한다.
㉢ 운전효율이 나쁘고 불필요한 동력이 소비되는 결점이 있다.
② 송풍기의 회전수에 의한 방법
㉠ 저부하 제어식에 적당하다.
㉡ 장치면적이 많이 소요되며 제작비가 많이 든다.
③ 흡인 섹션베인의 여닫음에 의한 방법
㉠ 제작 비용이 적게 든다.
㉡ 가동시 효율이 가장 좋다.
㉢ 풍량 제어가 적합하다.
(2) 노내의 압력조절
연도에 설치된 댐퍼로 조절한다.
(3) 연소용 공기량의 조절
공기의 댐퍼로 조절한다.
(4) 통풍력의 측정위치
굴곡이 없는 연도에서 측정하며 통풍력은 너무 크거나 작은 차이가 없이 적정수준이 가장 좋다.
4. 통풍장치 (Draft Equipment)
적정한 통풍력을 유지하기 위하여 사용되는 전반적인 장치로서 송풍기, 덕트, 댐퍼, 연도, 연돌, 통풍계 등이 있다.
(1) 통풍력을 유지하기 위한 통풍장치
① 송풍기 (송풍기와 배풍기)
② 덕트 (Duct)
③ 댐퍼
④ 연도
⑤ 연돌 (Stack)
⑥ 통풍압력계
(2) 송풍기의 종류
① 원심식 송풍기
㉠ 다익형(多翼形, 실로코형, 전곡형) : 다수의 날개를 가진 송풍기로 풍압은 비교적 낮고(15~200㎜Aq), 풍량은 5,000㎥/min 이다.
* 장점
ⓐ 소형이며 경량이다.
ⓑ 풍량이 많다.
ⓒ 효율이 높다.
* 단점
ⓐ 효율이 40~50%로 낮다.
ⓑ 전력 소비가 많다.
ⓒ 구조상 고온, 고압, 고속에는 부적합하다.
㉡ 플레이트형 : 중앙에 방사형으로 날개를 6~12개 정도 부착한 송풍기로서 풍압은 50~200㎜Aq 이하이다.
* 장점
ⓐ 구조가 간단하다.
ⓑ 효율이 50~60% 정도이다.
ⓒ 플레이트를 용이하게 교체할 수 있다.
ⓓ 중량이 커서 대용량에 적합하다.
* 단점
ⓐ 대형이며 중량이 많이 나간다.
ⓑ 설비비가 많이 든다.
㉢ 터보형 (후곡형) : 임펠려의 주판과 측판 사이에 8~24개의 뒷방향 임펠러를 설치한 송풍기로서 효율은 55~75%로 높은 편이며 풍압은 15~500㎜Aq 정도이다.
* 장점
ⓐ 압입용으로 적합하다.
ⓑ 다른 송풍기에 비해 동력소비가 적다.
ⓒ 고온이나 고압의 대용량에 적합하다.
ⓓ 구조가 견고하다.
ⓔ 효율이 높다.
* 단점
ⓐ 형상이 커서 설치장소가 넓어야 한다.
ⓑ 가격이 비싸다.
② 축류식 송풍기
프로펠러형 송풍기라고 하며 고속운전에 적합하며 고압력을 필요로 하는 경우에 사용되며 주로 배기용, 환기용으로 많이 사용된다.
㉠ 프로펠러형(배기, 환기용)
* 장점
ⓐ 구조가 간단하고 고속운전에 적합하다.
ⓑ 많은 풍량이 요구되는 곳에 적당하다.
ⓒ 환기용이나 배기용에 적합하다.
ⓓ 효율이 50~70%로 높다.
ⓔ 흡인용으로 적당하다.
* 단점
ⓐ 소음발생이 심하다.
ⓑ 풍압이 낮다.
ⓒ 흡입송풍기로 사용시 마모 및 소손에 유의하여야 한다.
㉡ 디스크형(배기, 환기용)
(3) 송풍기의 성능
원심력을 이용한 송풍기는 그 회전수가 증가함에 따라서 풍량, 풍압, 동력 및 마력이 다음과 같이 변화한다.
① 풍량은 송풍기 회전수와 정비례한다.
② 풍압은 송풍기 회전수의 제곱에 비례한다.
③ 풍마력은 송풍기 회전수의 세제곱에 비례한다.
즉, 이미 설치된 송풍기 회전수가 N₁(rpm)이었는데 이것을 N₂(rpm)으로 변환시켰다면 다음의 관계가 성립한다.
여기에서 Q₁, H₁, HP₁은 회전수가 변화하기 전의 풍량, 풍압, 풍마력이며 송풍기의 소요동력 계산은 다음과 같이 구한다.
(4) 공기 덕트 (Air Duct)
덕트란 공기, 가스 등을 보내는 통로로서 각형 및 원형 등이 있고, 덕트공사는 아연도금 철판, 알루미늄판, 스테인레스판, 염화비닐판 등이 사용되며 이 중에서 아연도금 철판이 가장 많이 사용된다. 덕트는 내부 풍속에 따라서 15m/sec 이하의 것을 저속덕트라 하고, 그 이상을 고속덕트라 한다. 또한 송풍량에 의하여 덕트를 설치할 때는 송풍량에 10% 정도를 가산하여 덕트 용적을 결정한다.
㉮ 공기유속에 따른 분류
① 저속덕트 : 덕트 내의 풍속이 15m/s 이하
② 고속덕트 : 덕트 내의 풍속이 15m/s 이상
㉯ 덕트의 송풍량 계산
Q [㎥/min] = 단면적 [㎡] * 공기의 유속 [m/sec] * 60 [sec/min]
(5) 댐퍼 (Damper)
댐퍼는 기체가 흐르는 통로 내에 설치하는 것으로 유량을 조절하거나 방향을 바꾸기 위해 사용하는 것이다.
㉮ 댐퍼의 설치목적
① 통풍력을 조절하여 연소효율을 좋게 한다.
② 가스의 흐름을 차단한다.
③ 주연도와 부연도가 있을 경우 가스의 흐름을 전환한다.
㉯ 댐퍼의 종류
① 승강식 댐퍼 : 중대형 보일러용
② 회전식 댐퍼 : 소형 보일러용
㉰ 형상에 의한 댐퍼의 분류
① 버터플라이 댐퍼 : 소형덕트 및 흡입구에 사용한다.
② 다익 댐퍼 : 대형덕트에 사용한다.
③ 스플리트 댐퍼 : 덕트의 분기지점에 사용하며 풍량조절용이다.
㉱ 댐퍼의 조작시 주의사항
① 댐퍼를 열 때는 출구부터 연다.
② 닫을 때에는 입구부터 닫는다.
㉲ 댐퍼 조작순서
절탄기 급수 유동 확인 → 주연도 출구댐퍼를 연다 →주연도 입구댐퍼를 연다 →부연도 입구댐퍼를 닫는다 →부연도 출구댐퍼를 닫는다
(6) 연도 (煙道, Smoke Way)
연도란 배기가스를 연소실에서 굴뚝(연돌)까지 운반하여 주는 일종의 덕트이며 주연도와 부연도가 있다.
㉮ 부연도 (바이패스 연도)
주연도 내에 폐열 회수장치가 내장되어 있을 때 버너 연소 초기에 상태가 나쁜 배기가스를 보내면 내장된 장치에 그을음이 부착되기 쉬우므로 배기가스 상태가 양호해질 때까지 부연도로 배기가스를 배출한다.
㉯ 연돌 (煙突, Smoke Stack)
① 연돌의 설치목적
㉠ 배기가스의 배출을 신속히 한다.
㉡ 역풍을 일부 막아준다.
㉢ 유효한 통풍량을 얻기 위하여 설치한다(자연통풍).
㉣ 매연에 의한 대기오염(강제통풍, 자연통풍) 방지를 위해 설치한다.
② 연돌의 유효높이를 높게 하는 방법
㉠ 배기가스 온도를 높게 한다.
㉡ 연돌 상부 단면적을 좁게 한다.
㉢ 배기가스 유량을 증가시킨다.
㉣ 배기가스 유속을 빠르게 한다.
㉤ 연돌의 높이는 주위건물의 2.5배 이상이면 이상적이다.
※ 이론 통풍력 계산
※ 실제 통풍력 계산(손실수두를 뺀 값)
실제 통풍력 = 이론 통풍력 * 0.8
③ 연돌 상부면적
④ 굴뚝 정상부 구경의 결정
⑤ 배기가스의 평균온도 계산
⑥ 굴뚝의 상부 면적 계산 (압력보정)
⑦ 연돌의 높이와 직경의 비율
5. 매연
매연이란 탄화수소물질(검댕)이 분해 연소하는 과정에서 미연의 탄소입자가 모여 응집한 것을 말하며, 매진이란 연료속의 회분, 생성물질 등이고 이것이 합쳐서 배기가스와 함께 연돌로 배출되는 대기오염의 인자를 총칭하여 매연이라 한다.
(1) 매연의 종류
① 황화물 : 아황산가스(SO₂), 무수황산(SO₃) 등의 황산화물(SOx)
② 질화물 : 일산화질소(NO), 이산화질소(NO₂) 등의 질소산화물(NOx)
③ 일산화탄소(CO) 및 그을음과 분진
(2) 매연농도 측정장치
매연 측정장치에는 빛의 투과율 측정에 의한 링겔만 농도표, 광학적 농도계, 로버트 농도표, 매연포집 중량계 등이 있으며 농도 측정은 절대량(중량농도)을 측정하는 방법과 상대량(상대농도)을 측정하는 방법이 있으며 다음과 같다.
① 함진가스 주위의 매연(매진)을 분리하여 농도를 구하는 방법
② 일정한 규격의 농도표와 비교해서 매연의 농도를 구하는 방법
③ 함진가스에 빛을 투과하여 투과율로부터 매연의 농도를 구하는 방법
㉮ 매연측정시 주의사항
① 매연농도 측정시 태양을 정면으로 받지 않는다.
② 연돌 출구 배경에서 건물이나 산, 숲, 나무 등의 장애물을 피한다.
③ 개인차가 있으므로 여러 사람이 반복 측정한다.
④ 10초의 간격으로 몇 회 반복 실시한다.
㉯ 매연농도 측정의 종류
① 링겔만 농도표 (링겔만 비교표)
링겔만 농도표는 가로 세로 10㎜ 의 크기에 검은색 선으로 표시되어 있다.
㉠ 매연농도표는 No.0 ~ No.5 까지이며 농도 1도가 매연농도율 20%이다.
㉡ 매연농도 측정방법
ⓐ 관측자와 연돌과의 거리 : 30~39m 떨어진 거리
ⓑ 관측자와 링겔만 농도표와의 거리 : 전방 16m
ⓒ 연기의 농도 측정거리 : 연돌상부에서 30~45m사이
㉢ 매연의 농도계산
매연농도율 = 20[%] * 연기의 농도치 / 측정시간(분)
㉣ 보일러 운전 중 연기색
ⓐ 엷은 회색 : 공기의 공급 적정 (화염은 오렌지색, 온도는 1,000℃ 정도)
ⓑ 흑색 또는 암흑색 : 공기의 공급 부족 (화염은 암적색, 온도는 600~700℃)
ⓒ 백색 또는 무색 : 공기의 과잉공급 (화염은 회백색, 온도는 1,500℃)
㉤ 보일러운전 중 매연농도 한계치
링겔만 농도표는 보일러 운전 중 매연농도가 2도 이하(매연율 40% 이하)로 항상 유지되어야 한다.
→ No.1 : 가장 양호한 연소, No.2 이하 : 합격
② 광전관식 매연 농도계 (빛의 투과율 측정에 의한 매연 농도계)
연도나 매연 속에 복사광선을 통과시켜 광도변화에 따른(빛의 투과율 이용) 매연농도를 지시 기록한다.
③ 매연포집 중량계 (매진량 자동연속 측정장치)
배기가스를 여과종이에 통과시켜 여과지에 부착된 매연의 정도를 이용하여 측정한다.
④ 로버트 농도표
Ⅱ. 집진장치 (Dust Collector)
배기가스 중에 대기오염의 원인이 되는 매연, 분진, 기타 유해 물질을 대기 중으로 배출되기 전에 제거하기 위한 장치를 말한다. 즉 카본, 검댕, 비산회(Fly Ash) 등을 제거하기 위하여 설치하며 공해 방지 설비로 많이 설치되고 있다.
1. 집진장치의 종류
(1) 건식 집진장치
① 중력식 집진장치 (중력침강식, 다단침강식)
② 관성력식 집진장치 (충돌식, 반전식)
③ 원심력식 집진장치 (사이클론형, 멀티사이클론형, 블로우다운형)
(2) 습식 집진장치
① 저유수식 : 전류형 스크레버식, 로터리 스크레버식, 피보디 스크레버식
② 가압수식 : 벤튜리 스크레버식, 충진탑(세정탑), 분무탑, 포종탑, 사이클로 스크레버식, 제트 스크레버식
③ 회전식 : 임펄스 스크레버식, 타이젠 와셔식
(3) 전기식 집진장치 (코트렐 집진장치)
① 건식 집진기
② 습식 집진기
(4) 기타 집진장치
① 여과식 집진장치 : 표면여과법, 내면여과법
② 음파 집진장치
2. 집진장치 선정시 고려사항
① 처리해야 할 물질의 크기 및 성분조성
② 사용연료의 종류
③ 연료의 연소방법
④ 배기가스의 량, 온도, 습도 등
⑤ 배기가스 중 SOx 농도
3. 집진장치의 특징
(1) 건식
㉮ 중량식 집진기
분진을 함유하고 있는 연소가스를 공기실 내로 유도하여 함진(含塵)가스 내 매진의 자체중력에 의해 자연 침강시키는 방법으로 청정가스와 분리시켜 매연을 포집한다.
* 특징
① 취급이 용이하고 설비비가 싸다.
② 구조가 간단하고 압력손실이 100㎜Aq로 적다.
③ 다단형 침강식은 20㎛ 정도에 적용된다.
④ 함진량이 많은 배기가스의 1차 집진기로 많이 사용된다.
⑤ 일반적으로 50㎛ 이상의 미립자분진을 제거한다.
㉯ 관성력식 집진기
매연이 함유된 함진 배기가스의 방향을 바꿀 때 급격한 기류의 관성력을 이용하여 분진을 처리함에 따라 충돌식과 반전식이 있다.
* 특징
① 구조가 간단하다.
② 배기가스의 유속이 2~3m/s이다.
③ 압력손실은 50㎜Aq 이하이다.
④ 다단침강형은 20㎛ 이상의 분진을 포함한다.
⑤ 집진효율이 낮다.
㉰ 원심력식 집진기
분진을 포함하고 있는 함진 가스를 선회시켜 입자의 원심력을 이용하여 분리시키는 방법이다. 사이클론식과 멀티사이클론식이 있다.
① 사이클론(Cyclone)식 집진기
* 집진효율의 향상 조건
㉠ 입구의 속도가 클수록
㉡ 본체의 길이가 길수록
㉢ 입자의 지름 및 밀도가 클수록
㉣ 동반되는 분진량이 많을수록
㉤ 내벽이 미끄러울수록
㉥ 직경비가 클수록
* 특징
㉠ 압력손실이 100~200㎜Aq정도이다.
㉡ 함진가스의 충돌로 집진기가 마모된다.
㉢ 사이클론 전체 압력손실은 입구 헤드의 4배 정도이다.
㉣ 집진입자의 범위는 10~20㎛ 정도이다.
㉤ 집진기 입구의 배기가스 유속은 10~20m/s 정도이다.
② 멀티사이클론(MultiCyclone)식 집진기
* 특징
㉠ 집진효율이 70~95%로 좋다.
㉡ 사이클론이 병렬로 되어 있어 처리량이 많다(2개 이상 설치).
㉢ 5㎛까지 집진한다.
㉱ 여과집진기 (백필터식, Bag Filter)
집진율 향상조건 : 여과속도를 빠르게 하고, 여과망의 재질과 유리섬유에 실리콘 처리를 한다.
함진가스를 여과지에 통과시켜 포집하는 방식으로 표면여과방식과 내면여과방식이 있다. 대표적인 것은 Bag Filter용으로 거꾸로 매달고 밑에서 가스를 내부로 보낸다.
* 특징
㉠ 100℃ 이상의 고온가스 처리에 부적당하다.
㉡ 배기가스 손실압력은 30~50㎜Aq 이다.
㉢ 일정시간 사용 후 여과재의 교환이 필요하다.
㉣ 집진입자의 크기는 1~4㎛ 정도이다.
㉤ 장기간 사용하면 여과재가 막힐 수 있다.
㉥ 함진농도가 높아도 처리가 가능하다.
㉦ 집진효율이 99%로 매우 좋다.
㉧ 배기가스의 유속이 0.3~10m/s이다.
㉨ 설비비가 많이 든다.
(2) 습식
세정식은 물이나 유체를 유적이나 액막으로 하여 함진가스를 관성력 등에 의해 부착시켜 분리하는 방법으로 유수식, 가압수식, 회전식이 있다.
㉮ 유수식
장치 내 물이나 액체를 항상 일정량 보유한 상태에서 함진가스를 고속으로 통과시켜 액 중에 부딪칠 때 매연이 처리되는 방식으로 전류형, 로터형이 있다.
㉯ 가압수식
가압한 물을 분사시켜 충돌 또는 확산에 의해 포집하는 것으로 벤튜리 스크레버, 제트 스크레버, 사이클론 스크레버, 세정탑(충진탑) 등이 있다.
* 종류
① 벤튜리 스크레버식
㉠ 압력손실이 크다.
㉡ 분진제거능력이 좋다.
㉢ 입자가 0.1~1㎛ 정도이다.
② 사이클론 스크레버식
분무시 원심력을 이용하여 액방울을 함진가스에 유입시켜 분리시킨다.
③ 세정탑 (충진탑)
탑 내부에 모래, 코크스 입자, 유리섬유 등을 넣고 함진가스를 통과시켜 포집하는 형식이다. 입자(0.5~3㎛) 농도가 낮은 가스를 고도로 정화하고자 할 때 사용한다.
(3) 전기식 집진기 (코트렐 : Cotrel)
판상이나 관상의 집진극(+)과 침상방전극(-) 사이에 고전압을 걸면 양극 사이에 코로나(Corona) 방전이 일어나게 되고, 그 사이에 분진이나 미스트를 함유한 가스를 1~3m/s 속도로 통과시키면 가스분자의 충돌, 이온화가 왕성하게 되면서 이온이 발생하고, 상대극끼리 작용하여 흡착되는 사이에 분진이 대전되어 집진극의 양극에 이끌려 포집되는 방식으로 미립자(0.5㎛이하) 집진이 가능하다.
① 특징
㉠ 설비비가 많이 들며 고전압 장치 및 정전설비가 필요하다.
㉡ 압력손실이 10㎜Aq 이하로 적다.
㉢ 집진효율이 90~99.5%로 가장 높다.
㉣ 대용량 설비라 설비비가 가장 많이 든다.
㉤ 운전비가 적고 신뢰성이 높다.
② 집진입자의 크기 : 0.05~20㎛ 정도의 미립자
③ 사용전압 : 30,000~100,000 V 정도이다.
④ 집진기의 분류 : 습식, 건식
⑤ 전기식의 대표적인 집진기 종류는 코트렐 집진기이다.
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Ⅰ. 통풍 (Draft)
보일러에서 연소에 필요한 공기를 공급하고 노내에서 연소 이후 발생된 연소가스를 보일러 전열면에 접촉시킨 다음 외부로 배출시켜 연료의 연속적인 연소를 행하게 한다. 이와 같이 연도 및 연돌 내에서 공기와 열가스의 연속적인 흐름을 통풍이라 하며 이 통풍을 일으키는 힘을 통풍력이라 한다.
1. 통풍의 방식
통풍에는 열가스와 외기와의 순수한 밀도차를 이용해서 연돌만으로 통풍을 하는 자연통풍과 송풍기를 이용하여 연소용 공기를 노내에 밀어넣거나 연소가스를 빨아내는 강제통풍 방식으로 대별한다.
2. 통풍의 종류
(1) 자연통풍 (Natural Draft)
연도에서 연소가스와 외부공기의 밀도차에 의해서 생기는 압력차를 이용하는 것으로 거의 사용되지 않는다.
㉮ 장점
① 동력이 필요없으며 설비가 간단하여 설비비용이 적게 든다.
② 매연 연소가스를 외기로 비산시켜 부근에 해를 미치는 일이 적다.
㉯ 단점
① 통풍력이 약하다.
② 대용량 열설비에는 사용이 부적당하다.
③ 연소실 내부가 대기압에 대하여 부압이 되어 차가운 공기가 침입하기 쉬우므로 열손실이 증가한다.
④ 통풍력은 연돌높이, 배기가스온도, 외기온도, 습도 등에 영향을 받는다.
㉠ 배기가스의 유속 : 3~4 m/s 정도
㉡ 통풍력 : 15~30 ㎜Aq
① 연돌이 높을수록 증가한다.
② 배기가스의 온도가 높을수록 증가한다.
③ 연돌의 단면적이 클수록 증가한다.
④ 외기의 온도가 낮을수록 증가한다.
⑤ 공기의 습도가 낮을수록 증가한다.
⑥ 연도의 길이가 짧을수록, 굴곡수가 적을수록 증가한다.
(2) 강제통풍(인공통풍)
인위적인 장치에 의하여 통풍력을 얻는 방법으로서 그 종류로는 다음과 같다.
㉮ 압입통풍 (Forced Draft)
가압통풍이라고도 하는데 노앞에 설치된 송풍기에 의해 연소용 공기를 노안으로 압입하는 방식으로 노내의 압력이 대기압보다 높으므로 그 구조가 가스의 기밀을 유지할 수 있어야 하며 배기가스의 유속은 8 m/s 정도이다.
* 장점
① 노내가 정압이 유지되어 연소가 용이하다.
② 가압연소가 되므로 연소율이 높다.
③ 고부하 연소가 가능하다.
④ 300℃ 이상의 연소용 공기가 예열된다.
⑤ 통풍저항이 큰 보일러에 사용이 가능하다.
⑥ 송풍기의 고장이 적고 점검이나 보수가 용이하다.
⑦ 연소용 공기 조절이 용이하다.
* 단점
① 노내압이 높아 연소가스 누설이 쉽다.
② 연소실 및 연도의 기밀유지가 필요하다.
③ 통풍력이 높아 노내 손실이 발생한다.
④ 송풍기 가동으로 동력소비가 많다.
⑤ 자연통풍에 바하여 설비비가 많이 든다.
유인통풍이라고도 하며 연소가스를 송풍기로 빨아들여 연도 끝에서 배출하도록 하는 방식으로 노내의 압력은 대기압보다 낮고 고온의 열가스가 송풍기에 접촉하는 경우가 많으므로 내열성, 내식성이 풍부한 재료를 사용하여 관리에 충분한 주의를 기울여야 한다. 배기가스 유속은 10m/s 정도이다.
* 장점
① 강한 통풍력이 형성된다.
② 노내가 항상 부압이 유지되므로 노내의 손상이 적다.
③ 연돌 높이에 관계없이 연소가스가 배출된다.
* 단점
① 배풍기의 동력소비가 많다.
② 노내가 부압이라서 외기 침입으로 열손실이 많다.
③ 연소용 공기가 예열되지 않는다.
④ 배풍기 고장시 점검 보수교환이 불편하다.
⑤ 배풍기의 수명이 짧다.
⑥ 연소가스 접촉으로 배풍기 손상이 초래된다.
⑦ 배기가스에 의한 침식방지를 위하여 내열성이나 내식성이 있는 재료가 필요하다.
노 앞과 연돌 하부에 송풍기를 설치하여 대기압 이상의 공기를 압입송풍기로 노에 밀어 넣으나 노의 압력은 흡인 송풍기로 항상 대기압보다 약간 낮은 압력으로 유지시킨다. 또한 항상 안전한 연소를 할 수 있으나 설비비가 많이 든다. 압입통풍과 흡인 송풍기를 겸한 형식이며 배기가스의 유속은 10m/s이상이다.
* 장점
① 노내 압력을 자유로이 조절할 수 있다.
② 대용량이 요구되는 곳에 사용이 가능하다.
③ 강한 통풍력을 얻을 수 있다.
④ 연소실 구조가 복잡하여도 통풍이 양호하다.
⑤ 가스 누설이나 외기 침입이 없다.
* 단점
① 송풍기에 의한 동력이 많이 소요된다.
② 설비비와 유지비가 많이 든다.
③ 송풍기로부터 소음발생이 심하다.
④ 소규모의 경우 비경제적이다.
3. 통풍의 조절
보일러의 연소 제어시에는 연소에 가장 적합한 공기량을 송입하기 위해 풍량 및 통풍을 조절한다. 일반적으로 압입송풍기에 의한 풍량조절이나 흡입송풍기에 의한 연소실 내의 압력조절을 자동연소 제어장치로 행하고 있으나 가압연소식은 연소실 내의 압력조절을 하지 않는다.
(1) 통풍의 조절방법(송풍기 사용)
① 댐퍼 조절에 의한 방법
㉠ 댐퍼의 여닫음에 의해 조절하는 방법으로 가장 많이 사용된다.
㉡ 댐퍼의 저항을 이용해서 풍량을 조절한다.
㉢ 운전효율이 나쁘고 불필요한 동력이 소비되는 결점이 있다.
② 송풍기의 회전수에 의한 방법
㉠ 저부하 제어식에 적당하다.
㉡ 장치면적이 많이 소요되며 제작비가 많이 든다.
③ 흡인 섹션베인의 여닫음에 의한 방법
㉠ 제작 비용이 적게 든다.
㉡ 가동시 효율이 가장 좋다.
㉢ 풍량 제어가 적합하다.
(2) 노내의 압력조절
연도에 설치된 댐퍼로 조절한다.
(3) 연소용 공기량의 조절
공기의 댐퍼로 조절한다.
(4) 통풍력의 측정위치
굴곡이 없는 연도에서 측정하며 통풍력은 너무 크거나 작은 차이가 없이 적정수준이 가장 좋다.
4. 통풍장치 (Draft Equipment)
적정한 통풍력을 유지하기 위하여 사용되는 전반적인 장치로서 송풍기, 덕트, 댐퍼, 연도, 연돌, 통풍계 등이 있다.
(1) 통풍력을 유지하기 위한 통풍장치
① 송풍기 (송풍기와 배풍기)
② 덕트 (Duct)
③ 댐퍼
④ 연도
⑤ 연돌 (Stack)
⑥ 통풍압력계
(2) 송풍기의 종류
㉠ 다익형(多翼形, 실로코형, 전곡형) : 다수의 날개를 가진 송풍기로 풍압은 비교적 낮고(15~200㎜Aq), 풍량은 5,000㎥/min 이다.
ⓐ 소형이며 경량이다.
ⓑ 풍량이 많다.
ⓒ 효율이 높다.
* 단점
ⓐ 효율이 40~50%로 낮다.
ⓑ 전력 소비가 많다.
ⓒ 구조상 고온, 고압, 고속에는 부적합하다.
㉡ 플레이트형 : 중앙에 방사형으로 날개를 6~12개 정도 부착한 송풍기로서 풍압은 50~200㎜Aq 이하이다.
ⓐ 구조가 간단하다.
ⓑ 효율이 50~60% 정도이다.
ⓒ 플레이트를 용이하게 교체할 수 있다.
ⓓ 중량이 커서 대용량에 적합하다.
* 단점
ⓐ 대형이며 중량이 많이 나간다.
ⓑ 설비비가 많이 든다.
㉢ 터보형 (후곡형) : 임펠려의 주판과 측판 사이에 8~24개의 뒷방향 임펠러를 설치한 송풍기로서 효율은 55~75%로 높은 편이며 풍압은 15~500㎜Aq 정도이다.
ⓐ 압입용으로 적합하다.
ⓑ 다른 송풍기에 비해 동력소비가 적다.
ⓒ 고온이나 고압의 대용량에 적합하다.
ⓓ 구조가 견고하다.
ⓔ 효율이 높다.
* 단점
ⓐ 형상이 커서 설치장소가 넓어야 한다.
ⓑ 가격이 비싸다.
② 축류식 송풍기
프로펠러형 송풍기라고 하며 고속운전에 적합하며 고압력을 필요로 하는 경우에 사용되며 주로 배기용, 환기용으로 많이 사용된다.
* 장점
ⓐ 구조가 간단하고 고속운전에 적합하다.
ⓑ 많은 풍량이 요구되는 곳에 적당하다.
ⓒ 환기용이나 배기용에 적합하다.
ⓓ 효율이 50~70%로 높다.
ⓔ 흡인용으로 적당하다.
* 단점
ⓐ 소음발생이 심하다.
ⓑ 풍압이 낮다.
ⓒ 흡입송풍기로 사용시 마모 및 소손에 유의하여야 한다.
㉡ 디스크형(배기, 환기용)
(3) 송풍기의 성능
원심력을 이용한 송풍기는 그 회전수가 증가함에 따라서 풍량, 풍압, 동력 및 마력이 다음과 같이 변화한다.
① 풍량은 송풍기 회전수와 정비례한다.
② 풍압은 송풍기 회전수의 제곱에 비례한다.
③ 풍마력은 송풍기 회전수의 세제곱에 비례한다.
즉, 이미 설치된 송풍기 회전수가 N₁(rpm)이었는데 이것을 N₂(rpm)으로 변환시켰다면 다음의 관계가 성립한다.
덕트란 공기, 가스 등을 보내는 통로로서 각형 및 원형 등이 있고, 덕트공사는 아연도금 철판, 알루미늄판, 스테인레스판, 염화비닐판 등이 사용되며 이 중에서 아연도금 철판이 가장 많이 사용된다. 덕트는 내부 풍속에 따라서 15m/sec 이하의 것을 저속덕트라 하고, 그 이상을 고속덕트라 한다. 또한 송풍량에 의하여 덕트를 설치할 때는 송풍량에 10% 정도를 가산하여 덕트 용적을 결정한다.
㉮ 공기유속에 따른 분류
① 저속덕트 : 덕트 내의 풍속이 15m/s 이하
② 고속덕트 : 덕트 내의 풍속이 15m/s 이상
㉯ 덕트의 송풍량 계산
Q [㎥/min] = 단면적 [㎡] * 공기의 유속 [m/sec] * 60 [sec/min]
(5) 댐퍼 (Damper)
댐퍼는 기체가 흐르는 통로 내에 설치하는 것으로 유량을 조절하거나 방향을 바꾸기 위해 사용하는 것이다.
① 통풍력을 조절하여 연소효율을 좋게 한다.
② 가스의 흐름을 차단한다.
③ 주연도와 부연도가 있을 경우 가스의 흐름을 전환한다.
㉯ 댐퍼의 종류
① 승강식 댐퍼 : 중대형 보일러용
② 회전식 댐퍼 : 소형 보일러용
① 버터플라이 댐퍼 : 소형덕트 및 흡입구에 사용한다.
② 다익 댐퍼 : 대형덕트에 사용한다.
③ 스플리트 댐퍼 : 덕트의 분기지점에 사용하며 풍량조절용이다.
① 댐퍼를 열 때는 출구부터 연다.
② 닫을 때에는 입구부터 닫는다.
㉲ 댐퍼 조작순서
절탄기 급수 유동 확인 → 주연도 출구댐퍼를 연다 →주연도 입구댐퍼를 연다 →부연도 입구댐퍼를 닫는다 →부연도 출구댐퍼를 닫는다
(6) 연도 (煙道, Smoke Way)
연도란 배기가스를 연소실에서 굴뚝(연돌)까지 운반하여 주는 일종의 덕트이며 주연도와 부연도가 있다.
㉮ 부연도 (바이패스 연도)
주연도 내에 폐열 회수장치가 내장되어 있을 때 버너 연소 초기에 상태가 나쁜 배기가스를 보내면 내장된 장치에 그을음이 부착되기 쉬우므로 배기가스 상태가 양호해질 때까지 부연도로 배기가스를 배출한다.
㉯ 연돌 (煙突, Smoke Stack)
① 연돌의 설치목적
㉠ 배기가스의 배출을 신속히 한다.
㉡ 역풍을 일부 막아준다.
㉢ 유효한 통풍량을 얻기 위하여 설치한다(자연통풍).
㉣ 매연에 의한 대기오염(강제통풍, 자연통풍) 방지를 위해 설치한다.
② 연돌의 유효높이를 높게 하는 방법
㉠ 배기가스 온도를 높게 한다.
㉡ 연돌 상부 단면적을 좁게 한다.
㉢ 배기가스 유량을 증가시킨다.
㉣ 배기가스 유속을 빠르게 한다.
㉤ 연돌의 높이는 주위건물의 2.5배 이상이면 이상적이다.
※ 이론 통풍력 계산
실제 통풍력 = 이론 통풍력 * 0.8
③ 연돌 상부면적
⑤ 배기가스의 평균온도 계산
5. 매연
매연이란 탄화수소물질(검댕)이 분해 연소하는 과정에서 미연의 탄소입자가 모여 응집한 것을 말하며, 매진이란 연료속의 회분, 생성물질 등이고 이것이 합쳐서 배기가스와 함께 연돌로 배출되는 대기오염의 인자를 총칭하여 매연이라 한다.
(1) 매연의 종류
① 황화물 : 아황산가스(SO₂), 무수황산(SO₃) 등의 황산화물(SOx)
② 질화물 : 일산화질소(NO), 이산화질소(NO₂) 등의 질소산화물(NOx)
③ 일산화탄소(CO) 및 그을음과 분진
매연 측정장치에는 빛의 투과율 측정에 의한 링겔만 농도표, 광학적 농도계, 로버트 농도표, 매연포집 중량계 등이 있으며 농도 측정은 절대량(중량농도)을 측정하는 방법과 상대량(상대농도)을 측정하는 방법이 있으며 다음과 같다.
① 함진가스 주위의 매연(매진)을 분리하여 농도를 구하는 방법
② 일정한 규격의 농도표와 비교해서 매연의 농도를 구하는 방법
③ 함진가스에 빛을 투과하여 투과율로부터 매연의 농도를 구하는 방법
㉮ 매연측정시 주의사항
① 매연농도 측정시 태양을 정면으로 받지 않는다.
② 연돌 출구 배경에서 건물이나 산, 숲, 나무 등의 장애물을 피한다.
③ 개인차가 있으므로 여러 사람이 반복 측정한다.
④ 10초의 간격으로 몇 회 반복 실시한다.
㉯ 매연농도 측정의 종류
① 링겔만 농도표 (링겔만 비교표)
링겔만 농도표는 가로 세로 10㎜ 의 크기에 검은색 선으로 표시되어 있다.
㉡ 매연농도 측정방법
ⓐ 관측자와 연돌과의 거리 : 30~39m 떨어진 거리
ⓑ 관측자와 링겔만 농도표와의 거리 : 전방 16m
ⓒ 연기의 농도 측정거리 : 연돌상부에서 30~45m사이
매연농도율 = 20[%] * 연기의 농도치 / 측정시간(분)
㉣ 보일러 운전 중 연기색
ⓐ 엷은 회색 : 공기의 공급 적정 (화염은 오렌지색, 온도는 1,000℃ 정도)
ⓑ 흑색 또는 암흑색 : 공기의 공급 부족 (화염은 암적색, 온도는 600~700℃)
ⓒ 백색 또는 무색 : 공기의 과잉공급 (화염은 회백색, 온도는 1,500℃)
㉤ 보일러운전 중 매연농도 한계치
링겔만 농도표는 보일러 운전 중 매연농도가 2도 이하(매연율 40% 이하)로 항상 유지되어야 한다.
→ No.1 : 가장 양호한 연소, No.2 이하 : 합격
② 광전관식 매연 농도계 (빛의 투과율 측정에 의한 매연 농도계)
연도나 매연 속에 복사광선을 통과시켜 광도변화에 따른(빛의 투과율 이용) 매연농도를 지시 기록한다.
배기가스를 여과종이에 통과시켜 여과지에 부착된 매연의 정도를 이용하여 측정한다.
④ 로버트 농도표
Ⅱ. 집진장치 (Dust Collector)
배기가스 중에 대기오염의 원인이 되는 매연, 분진, 기타 유해 물질을 대기 중으로 배출되기 전에 제거하기 위한 장치를 말한다. 즉 카본, 검댕, 비산회(Fly Ash) 등을 제거하기 위하여 설치하며 공해 방지 설비로 많이 설치되고 있다.
1. 집진장치의 종류
(1) 건식 집진장치
① 중력식 집진장치 (중력침강식, 다단침강식)
② 관성력식 집진장치 (충돌식, 반전식)
③ 원심력식 집진장치 (사이클론형, 멀티사이클론형, 블로우다운형)
(2) 습식 집진장치
① 저유수식 : 전류형 스크레버식, 로터리 스크레버식, 피보디 스크레버식
② 가압수식 : 벤튜리 스크레버식, 충진탑(세정탑), 분무탑, 포종탑, 사이클로 스크레버식, 제트 스크레버식
③ 회전식 : 임펄스 스크레버식, 타이젠 와셔식
(3) 전기식 집진장치 (코트렐 집진장치)
① 건식 집진기
② 습식 집진기
(4) 기타 집진장치
① 여과식 집진장치 : 표면여과법, 내면여과법
② 음파 집진장치
2. 집진장치 선정시 고려사항
① 처리해야 할 물질의 크기 및 성분조성
② 사용연료의 종류
③ 연료의 연소방법
④ 배기가스의 량, 온도, 습도 등
⑤ 배기가스 중 SOx 농도
3. 집진장치의 특징
(1) 건식
㉮ 중량식 집진기
분진을 함유하고 있는 연소가스를 공기실 내로 유도하여 함진(含塵)가스 내 매진의 자체중력에 의해 자연 침강시키는 방법으로 청정가스와 분리시켜 매연을 포집한다.
* 특징
① 취급이 용이하고 설비비가 싸다.
② 구조가 간단하고 압력손실이 100㎜Aq로 적다.
③ 다단형 침강식은 20㎛ 정도에 적용된다.
④ 함진량이 많은 배기가스의 1차 집진기로 많이 사용된다.
⑤ 일반적으로 50㎛ 이상의 미립자분진을 제거한다.
매연이 함유된 함진 배기가스의 방향을 바꿀 때 급격한 기류의 관성력을 이용하여 분진을 처리함에 따라 충돌식과 반전식이 있다.
① 구조가 간단하다.
② 배기가스의 유속이 2~3m/s이다.
③ 압력손실은 50㎜Aq 이하이다.
④ 다단침강형은 20㎛ 이상의 분진을 포함한다.
⑤ 집진효율이 낮다.
㉰ 원심력식 집진기
분진을 포함하고 있는 함진 가스를 선회시켜 입자의 원심력을 이용하여 분리시키는 방법이다. 사이클론식과 멀티사이클론식이 있다.
① 사이클론(Cyclone)식 집진기
㉠ 입구의 속도가 클수록
㉡ 본체의 길이가 길수록
㉢ 입자의 지름 및 밀도가 클수록
㉣ 동반되는 분진량이 많을수록
㉤ 내벽이 미끄러울수록
㉥ 직경비가 클수록
* 특징
㉠ 압력손실이 100~200㎜Aq정도이다.
㉡ 함진가스의 충돌로 집진기가 마모된다.
㉢ 사이클론 전체 압력손실은 입구 헤드의 4배 정도이다.
㉣ 집진입자의 범위는 10~20㎛ 정도이다.
㉤ 집진기 입구의 배기가스 유속은 10~20m/s 정도이다.
② 멀티사이클론(MultiCyclone)식 집진기
* 특징
㉠ 집진효율이 70~95%로 좋다.
㉡ 사이클론이 병렬로 되어 있어 처리량이 많다(2개 이상 설치).
㉢ 5㎛까지 집진한다.
집진율 향상조건 : 여과속도를 빠르게 하고, 여과망의 재질과 유리섬유에 실리콘 처리를 한다.
함진가스를 여과지에 통과시켜 포집하는 방식으로 표면여과방식과 내면여과방식이 있다. 대표적인 것은 Bag Filter용으로 거꾸로 매달고 밑에서 가스를 내부로 보낸다.
* 특징
㉠ 100℃ 이상의 고온가스 처리에 부적당하다.
㉡ 배기가스 손실압력은 30~50㎜Aq 이다.
㉢ 일정시간 사용 후 여과재의 교환이 필요하다.
㉣ 집진입자의 크기는 1~4㎛ 정도이다.
㉤ 장기간 사용하면 여과재가 막힐 수 있다.
㉥ 함진농도가 높아도 처리가 가능하다.
㉦ 집진효율이 99%로 매우 좋다.
㉧ 배기가스의 유속이 0.3~10m/s이다.
㉨ 설비비가 많이 든다.
세정식은 물이나 유체를 유적이나 액막으로 하여 함진가스를 관성력 등에 의해 부착시켜 분리하는 방법으로 유수식, 가압수식, 회전식이 있다.
㉮ 유수식
장치 내 물이나 액체를 항상 일정량 보유한 상태에서 함진가스를 고속으로 통과시켜 액 중에 부딪칠 때 매연이 처리되는 방식으로 전류형, 로터형이 있다.
가압한 물을 분사시켜 충돌 또는 확산에 의해 포집하는 것으로 벤튜리 스크레버, 제트 스크레버, 사이클론 스크레버, 세정탑(충진탑) 등이 있다.
① 벤튜리 스크레버식
㉠ 압력손실이 크다.
㉡ 분진제거능력이 좋다.
㉢ 입자가 0.1~1㎛ 정도이다.
② 사이클론 스크레버식
분무시 원심력을 이용하여 액방울을 함진가스에 유입시켜 분리시킨다.
③ 세정탑 (충진탑)
탑 내부에 모래, 코크스 입자, 유리섬유 등을 넣고 함진가스를 통과시켜 포집하는 형식이다. 입자(0.5~3㎛) 농도가 낮은 가스를 고도로 정화하고자 할 때 사용한다.
(3) 전기식 집진기 (코트렐 : Cotrel)
판상이나 관상의 집진극(+)과 침상방전극(-) 사이에 고전압을 걸면 양극 사이에 코로나(Corona) 방전이 일어나게 되고, 그 사이에 분진이나 미스트를 함유한 가스를 1~3m/s 속도로 통과시키면 가스분자의 충돌, 이온화가 왕성하게 되면서 이온이 발생하고, 상대극끼리 작용하여 흡착되는 사이에 분진이 대전되어 집진극의 양극에 이끌려 포집되는 방식으로 미립자(0.5㎛이하) 집진이 가능하다.
① 특징
㉠ 설비비가 많이 들며 고전압 장치 및 정전설비가 필요하다.
㉡ 압력손실이 10㎜Aq 이하로 적다.
㉢ 집진효율이 90~99.5%로 가장 높다.
㉣ 대용량 설비라 설비비가 가장 많이 든다.
㉤ 운전비가 적고 신뢰성이 높다.
② 집진입자의 크기 : 0.05~20㎛ 정도의 미립자
③ 사용전압 : 30,000~100,000 V 정도이다.
④ 집진기의 분류 : 습식, 건식
⑤ 전기식의 대표적인 집진기 종류는 코트렐 집진기이다.
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출처 : 학성산의 행복찾기
글쓴이 : 학성산 원글보기
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