KR100273500B1 - Method and apparatus for removing silica from borated water using reverse osmosis system - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 원자력 발전소의 사용후 핵연료 저장조(SFP:Spent Fuel Pool) 및 핵연료 교체용 붕산 저장 탱크(RWST:Refueling Water Storage Tank) 등 1차 계통수측의 붕산수 중에 불순물로 존재하는 실리카를 보다 효율적으로 제거하는 방법 및 그 장치에 관한 것이다.The present invention more efficiently removes silica that is present as an impurity in boric acid water in the primary system water side, such as spent fuel storage tank (SFP) and nuclear fuel replacement boric acid storage tank (RWST). And a device thereof.
일반적으로, 가압경수로형 원자력발전소에서는 붕산(Boric Acid)을 원자로의 출력조절을 위한 중성자 흡수체로 사용하며, 사용된 붕산수는 붕산 회수 탱크에 임시 저장되고, 증발기를 사용하여 농축(7000ppm)한 후 붕산저장탱크에 회수하고, 회수된 붕산을 재사용하게 된다. 따라서 보충 수 공급, 핵연료 교체작업중에 유입되는 불순물(실리카)이 농축될 우려가 있으며, 이를 방지하기 위해서 보충수를 공급한 후 이온교환수지로 수질을 정화하고 있다.In general, in a pressurized water reactor type nuclear power plant, boric acid is used as a neutron absorber for controlling the output of a reactor, and boric acid used is temporarily stored in a boric acid recovery tank, and concentrated (7000 ppm) using an evaporator. Recovered to the storage tank, the recovered boric acid is reused. Therefore, impurities (silica) introduced during replenishment water supply and nuclear fuel replacement work may be concentrated. To prevent this, the replenishment water is supplied and the water quality is purified by ion exchange resin.
그러나, 붕산으로 포화운전되는 이온교환수지에서 붕산보다 이온선택도가 낮은 실리카는 제거되지 않으며, 이 실리카는 고온, 고압 운전 조건에서 양이온 불순물과 결합하여 핵연료 피복재에 열전달을 방해하는 규석(Zeolite)층을 형성함으로써 국부가열에 의한 핵연료 손상을 일으킬 수 있다. 따라서, 효율적인 실리카 제거기술이 요구된다.However, silicas with lower ionic selectivity than boric acid are not removed from boron acid-saturated ion exchange resins, and these silica layers combine with cationic impurities at high temperature and high pressure operating conditions to impede heat transfer to the fuel cladding. Formation of can lead to nuclear fuel damage by local heating. Therefore, there is a need for an efficient silica removal technique.
종래의 원자력발전소에서는 운전년수 경과에 따라 1차 계통수(원자로 냉각재)의 붕산수중에 실리카 농도가 증가하게 되고, 이 실리카를 없애기 위해서 피드 앤 브리드(Feed & Breed) 방식으로 새로운 붕산수를 공급하여 기존의 실리카가 함유된 붕산수를 희석하는 방법을 사용하였다.In conventional nuclear power plants, silica concentration increases in the borated water of the primary system water (reactor coolant) as the number of years of operation increases, and in order to remove the silica, new boric acid water is supplied by the feed & breeding method. A method of diluting boric acid water containing was used.
그러나, 이러한 종래의 실리카 제거 방법은 다량의 방사성 폐수가 발생하고, 붕산 보충이 필요하다는 단점이 있었다.However, this conventional silica removal method has a disadvantage in that a large amount of radioactive wastewater is generated and boric acid replenishment is required.
한편, 미국의 서머(Summer) 원전에서는 중공사형 막을 이용하여 2단으로 실리카 제거를 시도하였으며, 사용된 막은 동일한 막으로서 10 인치(inch) 막과 4 인치(inch) 막 2개를 사용하였다. 그러나, 이와 같이 1단과 2단의 역삼투막 용량이 정해져 있게 되면, 1단의 10 인치(inch)막에서 최적의 운전조건 즉, 회수율과 운전압력 그리고 공급유량이 결정되어 2단에서의 운전조건은 여기에 따라 달라지기 때문에 2단에서는 회수율과 압력을 원하는대로 맞추기 힘들어진다. 또, 회수율과 압력의 미세한 변화가 실리카 제거율과 붕소 회수율에 크게 영향을 가져오기 때문에, 결국 실리카 제거율의 정확한 조정이 되지 않는다는 단점이 있다.On the other hand, in the US (Summer) nuclear power plant was used to remove the silica in two stages using a hollow fiber membrane, the same membrane used was a 10-inch (inch) film and two 4 inch (inch) film. However, when the reverse osmosis membrane capacity of the first stage and the second stage is determined in this way, the optimum operating conditions, that is, the recovery rate, the operating pressure, and the supply flow rate are determined at the
또한, 최적운전조건에서 폐기되는 배제수의 양이 정해져 있고, 폐기될 배제수의 실리카 농도도 정해져 있기 때문에, 이를 낮추기 위해서는 이 배제수를 재처리해야 하는데 여기에는 별도의 큰 탱크, 예를들면, 24시간 작업을 위해서 140 톤(ton) 이상 규모의 탱크가 필요하게 되고, 최대 작업량이 1시간에 6톤을 넘기가 어렵다. 그러므로, 운전조건에 따라 효율적인 대응이 어렵고 일률적인 처리만 가능해지며, 처리비용이 증가되는 문제점이 있다.In addition, since the amount of exclusion water to be disposed of under optimum operating conditions and the silica concentration of the exclusion water to be discarded are determined, to reduce this, the exclusion water must be reprocessed. Tanks of more than 140 tons are needed for 24 hours of operation, and the maximum workload is difficult to exceed 6 tons per hour. Therefore, it is difficult to efficiently cope with the operating conditions and only uniform processing is possible, and there is a problem in that the processing cost is increased.
따라서, 본 발명에서는 상기와 같은 단점을 보완하기 위해 붕산 및 실리카가 선택적으로 투과되는 역삼투막을 이용하여 붕산은 회수하고 실리카는 농축시켜 분리해 냄으로써 방사성 폐수량과 붕산 사용량을 저감시키는 붕산수중의 실리카 제거방법 및 그 장치를 제공하고자 한다.Therefore, in the present invention, boric acid is recovered using a reverse osmosis membrane through which boric acid and silica are selectively permeated to recover the above disadvantages, and silica is concentrated and separated to reduce the amount of radioactive waste and the amount of boric acid used in the removal of silica in boric acid. And an apparatus thereof.
본 발명에서 제공하는 실리카 제거 장치는, 붕산수의 투과특성(95∼98%)이 좋은 역삼투막을 다수개씩 병렬로 연결한 제1단 및 제2단 역삼투막과, 실리카 제거율이 좋은 역삼투막 다수개를 병렬 연결한 제3단 역삼투막으로 구성하고, 각단은 15개에서 적게는 4개까지의 역삼투막을 병렬로 연결하며, 각 역삼투막들은 개폐밸브가 설치되어 각각 선택적으로 개폐할 수 있게 하여 각 단의 역삼투막 갯수를 조절하고, 붕산수 탱크로부터 실리카가 포함된 붕산수를 공급받아 제1단, 제2단, 제3단을 선택적으로 통과시켜 투과된 붕산수는 재활용을 할 수 있도록 재활용 붕산수 탱크로 보내고, 걸러진 실리카를 포함하여 투과되지 못한 나머지 붕산수는 폐기시키기 위해 배출시키도록 구성함에 특징이 있다.The silica removal device provided in the present invention is connected in parallel with a plurality of reverse osmosis membranes having good silica removal rate and first and second stage reverse osmosis membranes connected in parallel with a plurality of reverse osmosis membranes having good permeation characteristics (95-98%) of boric acid water in parallel. It consists of one third stage reverse osmosis membrane, and each stage connects up to 15 reverse osmosis membranes in parallel, and each reverse osmosis membrane is provided with an opening / closing valve to selectively open and close each one to control the number of reverse osmosis membranes of each stage. The borated water, which is supplied with silica from the borated water tank, is selectively passed through the first stage, the second stage, and the third stage, and the borated water that is permeated is sent to a recycled boric acid tank for recycling, and the filtered silica is permeated. The remaining boric acid water is characterized in that it is configured to be discharged for disposal.
본 발명은 제1단 단독, 제1단 및 제2단, 제1단 및 제3단, 제1단과 제2단 및 제3단, 제3단 단독으로 필요에 따라 유로를 선택적으로 조절할 수 있게하여 붕산수를 투과시켜 재활용하고 투과되지 못한 실리카는 폐기 시키도록 함으로써, 각 원자력 발전소의 상황변화에 따라 최적의 운전 조건을 얻어 방사성 폐기물 발생량을 최소화 하고 붕산의 사용량을 현저히 줄일수 있다.According to the present invention, the first stage alone, the first stage and the second stage, the first stage and the third stage, the first stage, the second stage and the third stage, and the third stage alone can selectively adjust the flow path as necessary. By permeating boric acid water to recycle and discarding silica that has not been permeated, it is possible to minimize the amount of radioactive waste and significantly reduce the amount of boric acid by obtaining the optimal operating conditions according to the change of the situation of each nuclear power plant.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 실리카 제거 장치의 구성도.1 is a block diagram of a silica removal apparatus according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명에 따른 실리카 제거 장치의 동작 흐름도.2 is an operation flowchart of a silica removal apparatus according to the present invention.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 실리카 제거 장치에 대한 평면도이고, 도 2는 본 발명에 따른 실리카 제거 장치의 동작 흐름도이다.1 is a plan view of a silica removal apparatus according to an embodiment of the present invention, Figure 2 is an operation flowchart of the silica removal apparatus according to the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실리카 제거 장치는 붕소의 투과특성이 우수한 역삼투막 15개를 병렬로 연결하여, 붕산수 탱크(500)로 부터 실리카가 포함된 붕산수를 투과시켜, 투과된 붕산수를 재활용하기 위해 붕산수 탱크로 보내는 제 1 단의 역삼투막(100)과, 붕산수의 투과특성이 우수한 역삼투막 4개를 병렬로 연결하여 상기 제 1 단의 역삼투막(100)에서 투과되지 못한 붕산수를 다시 한번 투과시켜 투과된 붕산수는 재활용하기 위해 붕산수 탱크로 보내고, 투과되지 못한 붕산수는 폐기시키기 위해 배출시키는 제 2 단의 역삼투막(200)과, 실리카의 제거율이 높은 역삼투막 4개를 병렬로 연결하여 상기 제 1 단의 역삼투막(100)에서 투과되지 못한 붕산수를 투과시켜 실리카를 걸러내고, 실리카가 제거된 붕산수는 재활용하기 위해 붕산수 탱크로 보내고, 투과되지 못한 실리카 및 붕산수는 폐기시키도록 배출하는 제 3 단의 역삼투막(300)으로 구성된다. 여기서 역삼투막은, 역삼투막을 이용한 필터로서, 본원의 설명에서 편의상 역삼투막이라 칭한다.Referring to Figure 1, the silica removal apparatus of the present invention by connecting 15 reverse osmosis membranes having excellent permeation characteristics of boron in parallel, permeate boric acid containing silica from the
여기서, 상기 붕산수 탱크(500)와 상기 제 1 단의 역삼투막(100) 사이에는 서로간의 압력차를 조절하기 위한 가압 펌프(400)가 있으며, 상기 제 1 단의 역삼투막(100)과 제 2 단의 역삼투막(200)은 붕산수 투과특성이 우수한 중국전력의 변형된 셀룰로우스 트리아세테이트(Modified Cellulose Triacetate)막인 KH-8-ROS1를 사용하였고, 상기 제 3 단의 역삼투막(300)은 보다 높은 실리카 농축도를 얻기 위한 필름텍(Filmtec) 사의 BW 30-8040 막을 사용하였다.Here, between the
그리고, 상기 2 종류의 역삼투막들은 각각 개별 밸브를 포함하여 선택적으로 개폐할 수 있도록 하여 폐수 발생량, 회수율등의 운전 인자를 운전자가 원하는 대로 설정할 수 있도록 하였다.In addition, the two types of reverse osmosis membranes can be selectively opened and closed, including individual valves, so that driving factors such as wastewater generation rate and recovery rate can be set as desired by the driver.
상기와 같이 구성된 본 발명의 실리카 제거 장치는 상기 각 역삼투막들의 각 밸브들을 조절하여, 붕산수 중의 실리카 농도가 1ppm 정도로 낮은 경우, 상기 붕산수를 상기 제 1 단의 역삼투막(100)에 투과시킨 후, 투과된 붕산수는 재활용하고, 투과되지 않은 붕산수는 바로 폐기시키도록한다.The silica removal apparatus of the present invention configured as described above controls each of the valves of the reverse osmosis membranes, and when the concentration of silica in boric acid water is low as about 1 ppm, the boric acid water is permeated through the
또, 붕산수 중의 실리카 농도가 1-5 ppm이고, 붕소 회수율을 높이고자 하는 경우, 상기 붕산수를 상기 제 1 단의 역삼투막(100)에 투과시킨 후, 투과된 붕산수는 재활용하고, 투과되지 않은 붕산수는 상기 제 2 단의 역삼투막(200)에 다시 한번 투과시켜 투과된 붕산수는 상기 제 1 단의 역삼투막(100)을 투과한 붕산수와 함께 재활용하고, 투과되지 않은 붕산수는 폐기시키도록 한다.When the concentration of silica in boric acid water is 1-5 ppm and the boron recovery rate is to be increased, the boric acid water is permeated through the
또한, 붕산수 중의 실리카 농도가 1-5 ppm이고, 실리카 제거율을 높이고자 하는 경우는 상기 붕산수를 상기 제 1 단의 역삼투막(100)에 투과시킨 후, 투과된 붕산수는 재활용하고, 투과되지 않은 붕산수는 상기 제 3 단의 역삼투막(300)에 다시 한번 투과시킴으로써 실리카를 제거하여 투과된 붕산수는 재활용하고, 투과되지 않은 붕산수는 폐기시키도록 상기 각 역삼투막들의 밸브를 조절한다.In addition, when the silica concentration in boric acid water is 1-5 ppm, and the silica removal rate is to be increased, the boric acid water is permeated through the
또, 최종 폐수 처리시 실리카 제거율을 98% 이상으로 높이고자 하는 경우는 상기 붕산수를 상기 제 3 단의 역삼투막(300)에 투과시켜 투과되지 않은 붕산수는 모두 폐기시키고, 투과된 붕산수 만을 재활용하도록 상기 각 역삼투막들의 밸브를 조절한다.In addition, in the case of increasing the silica removal rate to 98% or more during the final wastewater treatment, the boric acid water is permeated through the
이와 같이 상기 제 1 단, 2 단, 3 단의 역삼투막(100, 200, 300) 들을 원하는 공정에 따라 통과하는 동안 상기 붕산수 내의 실리카 농도가 낮아지고, 실리카 농도가 발전소의 기준치 이하로 낮아진 투과수는 회수하여 재이용하고, 실리카가 농축된 배제수는 배출함으로써 붕산 보충량 및 방사성 폐기물 발생량을 최소화한다.As described above, while passing through the first, second and third stage
상기의 과정을 좀더 상세히 설명하면, 상기 실리카 제거 장치를 수온 25℃ 실리카 농도 1ppm정도의 조건에서 1시간에 18톤 정도의 처리용량을 가지고, 붕소회수율 90%이상에서 운전할 때 75%정도의 실리카를 배제시키는 것이 가능하다. 또한, 폐수의 양을 최소로 하기 위해서 3단의 막을 사용하여 고도의 농축 운전을 할 경우는, 농축되는 배출수를 재순환시키기 위한 20톤 용량의 예비 탱크를 가지고 있으므로, 1시간에 4톤 정도의 처리로 실리카를 처리전의 10배 또는 60ppm 이상 농축하는 것이 가능하다. 그리고, 이로 인한 막의 오염(fouling) 등은 발생되지 않는다.In more detail, the silica removal device has a treatment capacity of about 18 tons per hour at a water temperature of 25 ° C. and a silica concentration of about 1 ppm, and operates about 75% of silica when operating at 90% or more of boron recovery. It is possible to exclude. In addition, in the case of highly concentrated operation using a three-stage membrane in order to minimize the amount of waste water, a toner having a capacity of 20 tons for recycling the concentrated effluent is provided. It is possible to concentrate
본 발명은 운전자의 판단에 따라 상기 제 1 단의 역삼투막(100) 처리 후 다시 제 2 단의 역삼투막(200) 처리를 하거나 제 3 단의 역삼투막(300) 처리를 할 수 있으며, 상기 제 1 단의 역삼투막(100) 및 제 3 단의 역삼투막(300)만의 단독 운전도 상황에 따라 가능할 수 있게 하였는데, 이것은 처리하고자 하는 계통수 중에 있는 실리카의 농도에 따라 신축적으로 운용하여야만 최적의 결과를 얻을 수 있고 처리시간 역시 단축할 수 있기 때문이다.According to the present disclosure, after the
계통수의 순도가 지나치게 좋거나 수온이 상승할 경우, 처리하고자 하는 투과측 유량이 증가하게 되는데, 이것은 공급수의 압력 감소로 이어지고, 압력을 올리기 위해 1단 배제수쪽의 밸브를 잠그면 1단의 회수율이 변하여 붕소와 실리카의 투과조성이 바뀌게 된다. 이 때, 심할 경우에는 실리카 투과율의 변화가 50%이상 되기도 하며, 2단 역시 같은 현상이 나오게 된다. 본 발명에서는 이와 같은 현상을 해소하기 위해 모듈의 수를 신축적으로 변경하여 최적의 운전 조건 즉, 적정압력, 적정유량, 적정 회수율을 어떤 경우에도 원하는 대로 얻을 수 있게 하였으며, 이동식으로 제작되어 한 발전소의 처리후 다른 발전소로 이동하여 운전이 가능하다.If the purity of the system water is too good or the water temperature rises, the permeate flow rate to be treated increases, which leads to a decrease in the pressure of the feed water, and when the valve on the first stage discharge water is closed to raise the pressure, the recovery rate of the first stage is increased. The permeation composition of boron and silica is changed. At this time, in severe cases, the change in silica transmittance may be 50% or more, and the second stage may have the same phenomenon. In the present invention, in order to solve such a phenomenon, the number of modules can be flexibly changed to obtain the optimum operating conditions, that is, the proper pressure, the proper flow rate, and the proper recovery rate, in any case. After treatment, it can move to another power station and operate.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 실리카 제거 장치의 동작 흐름은 다음과 같다. 먼저, 붕산수 탱크(10)로 부터 붕소 2000ppm, 실리카 1ppm인 붕산수 15톤이 인입되면, 상기 붕산수는 15개의 KH-8-ROS1막(20)을 통과한 후, 붕소 농도가 1700ppm이고, 실리카 농도가 0.2ppm인 11.3톤의 붕산수는 다시 회수용 붕산수 탱크(70)로 회수되고, 붕소 농도가 2400ppm이고, 실리카 농도가 3ppm인 3.7톤의 붕산수는 다시 4개의 KH-8-ROS1막(40)으로 보내질 것인지 4개의 BW 30-8040막(50)으로 보내질 것인지를 결정한다(30). 상기 결정(30)에서 KH-8-ROS1막(40)을 통과한 붕산수는 상기 실리카를 배제한 후, 상기 회수용 붕산수 탱크(70)로 회수(60)되거나, 상기 결정(30)에서 BW 30-8040 막(50)으로 보내진 붕산수와 함께 상기 BW 30- 8040 막(50)을 통과한 후 실리카를 농축하여 배출(70)된다.2, the operation flow of the silica removal apparatus according to the present invention is as follows. First, when 15 tons of boric acid with boron 2000ppm and silica 1ppm is introduced from the
이 때, 최종 폐수 처리시 실리카 제거율을 98% 이상으로 높이고자 하는 경우는 도면에 나타나 있지 않으며, 이 경우는 상기 붕산수 탱크(10)에서 바로 BW 30-8040 막(50)으로 보내지고 이를 투과한 붕산수는 다시 붕산수 탱크로 회수(60)되고, 투과하지 못안 경우는 폐기(70)된다.In this case, the case of increasing the silica removal rate to 98% or more during the final wastewater treatment is not shown in the drawing, in which case it is sent directly from the
이 자료는 실제 원자력 발전소에서 운전하기 전 예비시험에 의한 자료의 한 예로써 각 단에서 막의 수나 온도 등의 변수에 의해 얻어진 이와같은 자료들을 이용해 실제 상황에서 손쉽게 최적의 조건을 찾는데 이용할 수 있다.This data is an example of preliminary tests before actual operation in a nuclear power plant. Using these data obtained by variables such as the number of membranes and the temperature at each stage, it can be easily used to find the optimal conditions in actual situations.
다음에 붕산수 내에 존재하는 실리카의 제거를 위한 실시예가 나타나 있다.Next, an example is shown for the removal of silica present in boric acid water.
다음의 실시예는 붕산수 내에 실리카가 존재할 경우 폐수 발생량을 최소화 하기 위해, 1단과 2단의 막을 사용하여 175톤의, 실리카가 함유된 붕산수에서 19.5톤의 폐액을 분리 하였으며, 다시 3단의 막을 사용해 배출수를 재순환 시키는 방법으로 운전하여 최종 폐액을 6.8톤으로 줄였다.In the following example, in order to minimize wastewater generation when silica is present in boric acid water, 19.5 tons of waste liquid was separated from 175 tons of silica-containing boric acid water using 1st and 2nd stage membranes, and then again using 3rd stage membranes. The wastewater was recycled to reduce the final waste to 6.8 tonnes.
[표 1] 붕산수 내에 존재하는 실리카의 제거를 보인 실시예Table 1 Example showing removal of silica present in boric acid water
표 1을 참조하면, 서머(Summer) 원전의 운전예와 본 발명의 1단→2단 처리의 경우 실리카의 배제율에는 차이가 거의 없게 나타나고 있으나 붕산의 회수율이 본 발명의 경우 평균 6% 정도 높게 나타나고 있으며, 처리시간 역시 53% 수준이고 특히 최종 폐기물량이 서머 원전의 경우에 비해 39%에 불과함을 알 수 있다.Referring to Table 1, there is little difference in the exclusion rate of silica in the operation example of the summer nuclear power plant and the first-stage → two-stage treatment of the present invention, but the recovery rate of boric acid is about 6% higher in the case of the present invention. In addition, the treatment time is 53%, and the final waste volume is only 39% compared to that of the summer nuclear power plant.
따라서, 상기와 같은 본 발명은 각 원자력 발전소의 상황변화에 따라 최적의 운전 조건을 얻어 방사성 폐기물 발생량을 최소화 하고 붕산의 사용량을 현저히 줄일 수 있어 이에 따른 비용 절감 효과가 있다.Therefore, the present invention as described above can obtain the optimal operating conditions according to the change of the situation of each nuclear power plant to minimize the amount of radioactive waste generated and significantly reduce the amount of boric acid, thereby reducing the cost.
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