KR100690256B1 - 발전소 온배수로부터 차아염소산소다를 제조하는 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발전소 또는 플랜트로부터 배출되는 해수온배수로부터 차아염소산소다를 제조하는 방법과 제조장치에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 차아염소산소다 제조 방법은 a) 발전소 또는 플랜트로부터 배출되는 해수 온배수를 전기투석 또는 진공증발로부터 선택되는 하나 이상을 이용하여 농축염수를 제조하고, 제조된 농축염수를 염수저장탱크에 저장하는 단계; b) 상기 농축염수염수저장탱크로부터 유입되는 농축염수를 격막 전해조에서 전기분해하여 가성소다와 염소를 제조하는 단계; c) 상기 격막 전해조로부터 배출되는 가성소다와 염소를 스크러버에서 반응시켜 차아염소산소다로 전환하는 단계; 를 특징으로 한다.

차아염소산소다, 전기분해, 온배수, 해수, 염소, 가성소다

Description

발전소 온배수로부터 차아염소산소다를 제조하는 방법 및 장치{Process and apparatus for preparing hypochlorite using warm sea water drained from power plant}

도 1은 본 발명에 의한 해수 온배수를 이용한 차아염소산소다 제조장치의 구성도이고,

도 2와 도3은 본 발명에 따른 해수 온배수를 이용한 차아염소산소다 제조장치의 일 실시예이다.

<도면 중 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10: 해수온배수 11: 해수 온배수 배출수

20: 해수온배수 농축기 21a, 21b: 전기투석 유닛

22: 진공증발유닛 30: 농축염수저장탱크

31: 농축염수완충탱크 40: 격막 전해조

41: 전원공급장치 50: 스크러버

60: 부산농축염수 61: 나노여과막

100: 차아염소산소다용액 200: 증류수

본 발명은 발전소 또는 플랜트로부터 배출되는 해수온배수로부터 차아염소산소다를 제조하는 방법과 제조장치에 관한 것이다.

석탄 또는 석유, 천연가스 등을 태운 열을 이용하는 화력발전소나 우라늄의 핵분열시 발생하는 열을 이용하는 원자력발전소는 증기발생기에서 물을 증기로 만들고, 그 증기의 힘으로 수력발전소의 수차와 같은 역할을 하는 터빈을 돌려 전기를 생산하며, 터빈을 돌린 증기는 복수기에서 냉각, 물로 만들어져 증기발생기로 보내지며, 이때 증기를 물로 다시 만드는 과정에서 냉각수를 사용하게 된다. 그러나 우리나라의 경우 소요되는 냉각수를 충분히 공급해 줄 만한 담수시설이 없기 때문에 대부분의 대규모 발전시설은 해수를 냉각수로 사용하기 위하여 다량의 냉각수 확보측면에서 임해지역에 건설될 수밖에 없는 여건이며, 이는 발전소의 냉각수 뿐만 아니라 대규모 플랜트시설 역시 이와 유사한 상황으로 임해지역에 건설될 수밖에 없다.

임해지역의 발전소의 취수구를 통하여 들어온 다량의 해수냉각수는 단지 복수기 배관을 통과하면서 냉각작용을 한 후, 온도만 자연해수보다 높은 상태로 그대로 해역에 방류되는데, 이러한 방류수를 해수온배수라 하며, 이러한 해수온배수는 원자력발전소 뿐만 아니라 모든 화력발전소나 일반 산업시설에서도 다량 배출되고 있는 상황이며, 배출되는 해수온배수가 갖는 열에너지로 인한 주변 지역의 열오염 등으로 인한 민원 야기를 고려하여 취수되는 해수냉각수의 7 내지 15℃ 정도 높은 온도로 유지되고 있는 상황이며, 최근 배출되는 해수온배수가 갖고 있는 열에너지를 이용하여 양식사업을 시도하는 등 다양한 열재활용 방안이 강구되고 있다.

한편 냉각수로 사용되는 해수에는 어패류 및 미생물 등이 다량 함유되어 있고, 부유물 등이 존재하기 때문에 발전소 등의 내부 냉각배관을 막히게 하거나 오염시키는 원인으로 작용하기 때문에 취수되는 해수는 여러 단계의 처리과정을 거쳐 소금성분 등 용해성 무기물을 제외한 대부분의 물질들을 제거하게 되기 때문에 발전소 등의 냉각라인을 통과하여 배출되는 해수온배수는 정제된 상태를 유지하게 되므로, 앞서 언급한 바와 같이 많은 양의 열에너지를 갖고 있는 정제된 것임에도 불구하고 대부분의 해수온배수는 바다에 그대로 배출되고 있어 자원의 낭비와 주변지역의 열오염 민원을 야기시키고 있다.

한편 발전소 나 대규모 플랜트에서는 터빈을 돌린 증기를 냉각시키는 냉각수 이외에도 터빈을 돌리는 증기원은 해수로부터 탈염과정을 거친 담수(순수)를 사용하는 것이 일반적인데, 탈염과정은 증발법이나 전기투석, 이온교환수지법 등의 대규모 담수화 시설을 이용하여 이루어지며, 상기 탈염과정에서는 농축된 염수가 다량 배출되고 있는 상황이며, 특히 탈염과정이 여러번의 정제과정 후에 이루어지는 것이기 때문에 탈염과정에서 배출되는 농축된 염수 역시 소금 등 염성분 이외에는 상당부분 이물질이 제거된 상태임에도 불구하고 그대로 해양으로 배출되고 있는 상황이다.

한편, 최근 병원성 미생물에 오염되지 않고 위생적인 취수를 중요성이 대두 되고 있고, 산화제로서 차아염소산소다로 대표되는 차염소산염의 수요가 음용수분야(가정, 단체급식소, 간이정수시설), 식품산업, 방류수살균, 냉각탑, 중수살균, 양축농가, 보건위생, 폐수처리 등의 다양한 산업분야에 널리 적용되고 있으며, 그 수요도 점점 증가하고 있는 실정이다

차아염소산소다는 소금물을 전기분해하여 얻는 것인바, 해수를 농축한 농축된 소금물을 사용하는 것이 일반적이다. 그러나, 해수는 3 내지4%정도의 저농도이기때문에 전기분해에 적절한 농도인 15 내지 20% 농도로 농축하는 과정에서 많은 에너지가 소모되고, 특히 겨울의 경우 해수의 온도가 낮아 상대적으로 더 많은 비용이 들어가게 될 수밖에 없고, 또한 농축 전에 부유물, 미생물, 어폐류 등의 전처리 시설을 갖추어야 하는 문제점을 있다.

또한 통상의 전기분해식 차아염소산소다 제조장치는 양전극과 음전극을 다른 재질을 사용하므로 음극에 해수속의 포함된 칼슘이나 마그네슘 산화물이 음극에 염으로 석출되고 이로 인해 전류의 흐름이 방해되고 분해효율이 저하되게 되며, 전기에너지도 많이 필요로 하게 되는 문제점이 있다. 또한, 이러한 염들을 제거하기 위해 전해셀을 산으로 전극표면에 석출된 염화물들을 세척하거나 순간적으로 높은 전기를 공급하여 전극표면의 염을 제거하는 방법을 사용하는 등 번거로운 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 주변 해역에 버려지는 발전소 또는 플랜트의 정제되고 비교적 고온의 해수온배수를 활용하여 해수온배수로부터 차아염소산소다를 경제적으로 제조하는 방법과 이를 위한 제조장치를 제공하는 것이며, 본 발명의 또 다른 목적은 해수의 담수화 과정에서 부산되는 농축염수를 보조적으로 활용하여 해수온배수의 농도를 적절히 조절하여 안정된 운전이 가능한 차아염소산소다 제조장치를 제공하는 것에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 발전소 또는 플랜트로부터 배출되는 해수온배수로부터 차아염소산소다를 제조하는 방법과 제조장치에 관한 것이다.

본 발명에 따른 해수온배수로부터 차아염소산소다를 제조하는 방법은 a) 발전소 또는 플랜트로부터 배출되는 해수 온배수를 전기투석 또는 진공증발로부터 선택되는 하나 이상을 이용하여 농축염수를 제조하고, 제조된 농축염수를 염수저장탱크에 저장하는 단계; b) 상기 농축염수염수저장탱크로부터 유입되는 농축염수를 격막 전해조에서 전기분해하여 가성소다와 염소를 제조하는 단계; c) 상기 격막 전해조로부터 배출되는 가성소다와 염소를 스크러버에서 반응시켜 차아염소산소다로 전환하는 단계; 를 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 해수온배수로부터 차아염소산소다를 제조하기위한 장치는 전기투석유닛 또는 진공증발유닛으로부터 선택되는 하나 이상으로 구비되며 발 전소 또는 플랜트로부터 배출되는 해수 온배수를 농축하여 농축염수를 제조하는 해수온배수 농축기; 상기 농축염수저장탱크로부터 농축염수를 공급받아 전기분해하여 가성소다와 염소를 제조하는 격막 전해조; 상기 격막 전해조로부터 유입되는 가성소다와 염소를 반응시켜 차아염소산소다로 전환하는 스크러버; 로 구성되는 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명을 상세히 설명하나, 하기의 설명이 본 발명을 한정하는 것이 아니다.

도 1은 본 발명에 의한 해수 온배수를 이용한 차아염소산소다 제조장치의 구성도이고, 도 2와 도3은 본 발명에 따른 해수 온배수를 이용한 차아염소산소다 제조장치의 일 실시예이다.

본 발명에서 사용하는 발전소 또는 플랜트로부터 배출되는 해수온배수의 공급부(취수부)는 상기 발전소 또는 플랜트의 냉각부와 직접 연결되도록 하여 가능한 열에너지의 손실을 적게 하는 것이 바람직하다. 본 발명에서 사용되는 해수온배수는 미생물, 어패류 및 부유물 등이 모두 제거된 것이며, 해수온배수의 온도는 20 내지 50℃의 것을 사용하나, 상기발전소 또는 플랜트의 냉각부의 구조를 개량하여 일부의 해수온배수의 배출온도를 높이는 것이 가능한 경우에는 상기의 온도 이상의 것도 사용할 수 있다.

공급되는 해수온배수(10)는 소금의 농도가 3 내지 4%정도로서 상기 공급되는 해수온배수(10)는 전기분해에 적절한 농도인 15 내지 20% 농도의 농축염수를 제조 하기 위하여 농축공정을 거치게 된다. 농축공정은 전기투석 또는 진공증발의 방법으로부터 선택된 하나 이상이 채용되며, 특히 유입되는 해수온배수의 온도에 따라 1개 이상을 선택 및 조합하여 농축염수를 제조할 수 있도록 전기투석 유닛(21a, 21b)은 복수로 구비되고, 상기 전기 투석유닛(21a, 21b)의 전단 또는 후단에 진공증발유닛(22)이 구비되는 것이 바람직하다.

농축된 염수는 농축염수저장탱크(30)에 저장되며, 상기 농축염수저장탱크로부터 유입되는 농축염수는 소듐이온(Na⁺)와 염소이온(Cl^-)으로 해리되어 격막 전해조(40)에서 전기분해되어 음극(cathode)에서 가성소다(NaOH)와 수소(H₂)가 생성되며, 양극(anode)에서 염소(Cl₂)와 발생하게 되고, 생성된 음극실의 가성소다는 상기 격막 전해조와 연결된 스크러버(50)의 상단으로 공급되고, 양극실의 염소는 상기 스크러버(50)의 하단으로 공급되며, 공급된 가성소다와 염소가 반응하여 차아염소산소다(NaClO)과 염산이 생성된다.

격막 전해조는 다양한 형태가 공지되어 있으며, 음극실과 양극실을 분리하는 격막은 기공이 있는 세라믹, 폴리머 재질의 다공성막, 이온교환막 등을 사용할 수 있으며, 상기 격막 전해조는 다수가 상용화 되어 있으므로 당 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 적절히 선택하여 본 발명에서 채용하는 것이 가능하다.

한편 농축염수 제조시 경제성을 유지하고, 또한 계절에 따른 해수온배수의 온도변화로 인한 농축효율 및 농축염수의 농도 변화 등에 적절히 대처할 수 있도록 하기 위하여 발전소 나 대규모 플랜트에서는 터빈을 돌린 증기를 냉각시키는 냉각수 이외에도 터빈을 돌리는 증기원으로서 사용하기위한 담수화 과정에서 부산되는 농축된 염수를 해수온배수로부터 농축되는 농축염수와 혼합되도록 하는 것도 바람직하다.

본 발명에 따른 해수온배수로부터 차아염소산소다를 제조하는 장치는 전기투석유닛 또는 진공증발유닛으로부터 선택되는 하나 이상으로 구비되며 발전소 또는 플랜트로부터 배출되는 해수온배수(10)를 농축하여 농축염수를 제조하는 해수온배수농축기(20); 상기 해수온배수농축기(20)로부터 제조된 농축염수를 저장하는 농축염수저장탱크(30); 상기 농축염수저장탱크(30)로부터 농축염수를 공급받아 전기분해하여 가성소다와 염소를 제조하는 격막 전해조(40); 상기 격막 전해조(40)로부터 유입되는 가성소다와 염소를 반응시켜 차아염소산소다로 전환하는 스크러버(50); 로 구성된다.

계절적으로 해수온배수의 온도변화가 존재하므로 계절에 따라 전기투석유닛과 진공증발유닛을 적절히 조합하여 운전할 수 있도록 상기 해수온배수농축기(20)는 전기투석 유닛(21a, 21b)는 직렬 또는 병렬로 복수로 구비되며, 상기 전기투석 유닛(21a, 21b)의 전단 또는 후단에 진공증발유닛(22)이 구비되고, 상기 유닛들은 개별적으로 농축염수저장탱크에 연결되도록 하는 것이 바람직하다.

또한 발전소 나 대규모 플랜트에서는 터빈을 돌린 증기를 냉각시키는 냉각수 이외에도 터빈을 돌리는 증기원으로서 사용하기위한 담수화 과정에서 부산되는 농축된 부산농축염수(60)를 해수온배수로부터 농축되는 농축염수와 혼합되도록 하기 위하여 해수온배수농축기(20)와 농축염수저장탱크(30) 사이에 농축염수의 농도를 조절하는 농축염수완충탱크(31)를 구비하고, 부산농축염수(60)가 상기 농축염수저장탱크(30)와 농축염수완충탱크(31)에 선택적으로 공급되도록 상기 농축염수저장탱크(30)와 농축염수완충탱크(31) 모두에 연결되는 부산농축염수 공급관을 구비하는 것도 본 발명의 범위 내이다.

또한 상기 부산농축염수 공급관에는 부산농축염수 내에 존재하는 2가 양이온인 칼슘이나 마그네슘 산화물이 음극에 염으로 석출되고 이로 인해 전류의 흐름이 방해되고 분해효율이 저하되게 되는 것을 방지하기 위하여 부산농축염수 내에 존재하는 2가 양이온을 제거하는 나노여과막(61)이 구비될 수 있다.

나노여과막은 역삼투막을 채용하여 사용되며, 통상 사용되는 역삼투막은 보다 저압의 운전압력(해수기준 5 내지 20kgf/cm²범위)으로 운전되는 역삼투막이 바람직하다.

상술한 바와 같이 본 발명은 주변 해역에 버려지는 발전소 또는 플랜트의 정제되고 비교적 고온의 해수온배수를 활용하여 해수온배수로부터 차아염소산소다를 경제적으로 제조할 수 있는 효과가 있으며, 또한 해수의 담수화 과정에서 부산되는 농축염수를 보조적으로 활용하여 해수온배수의 농도를 적절히 조절하여 안정된 운전이 가능하다는 점과 해수의 전처리 시설이 없어 제조장치가 컴팩트하다는 장점이 있다.

Claims (9)

1. a) 발전소 또는 플랜트로부터 배출되는 해수온배수를 전기투석 또는 진공증발로부터 선택되는 어느 하나를 이용하거나 전기투석 및 진공증발 모두를 이용하여 농축염수를 제조하고, 제조된 농축염수를 농축염수염수저장탱크에 저장하는 단계;

   b) 상기 농축염수염수저장탱크로부터 유입되는 농축염수를 격막 전해조에서 전기분해하여 가성소다와 염소를 제조하는 단계;

   c) 상기 격막 전해조로부터 배출되는 가성소다와 염소를 스크러버에서 반응시켜 차아염소산소다로 전환하는 단계;

   를 특징으로 하는 해수온배수로부터 차아염소산소다를 제조하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 해수온배수의 온도는 20 내지 50℃인 것을 특징으로 하는 해수온배수로부터 차아염소산소다를 제조하는 방법.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 염수저장탱크에 저장되는 농축염수의 염화나트륨의 농도는 15 내지 20%인 것을 특징으로 하는 해수온배수로부터 차아염소산소다를 제조하는 방법.
4. 제 2 항에 있어서,

   전기투석 유닛이 직렬 또는 병렬로 복수개 구비되며, 상기 전기 투석유닛의 전단 또는 후단에 진공증발유닛이 구비되어, 유입되는 해수온배수의 온도에 따라 상기 복수의 전기 투석 유닛을 이용하여 농축염수를 제조하는 것을 특징으로 하는 해수온배수로부터 차아염소산소다를 제조하는 방법.
5. 제 4 항에 있어서,

   발전소 또는 플랜트의 담수화 공정에서 부산되는 농축염수를 상기 해수온배수로부터 제조되는 농축염수와 혼합하는 것을 특징으로 하는 해수온배수로부터 차아염소산소다를 제조하는 방법.
6. 전기투석유닛 또는 진공증발유닛으로부터 선택되는 어느 하나로 구비되거나 전기투석유닛 및 진공증발유닛으로 구비되며 발전소 또는 플랜트로부터 배출되는 해수온배수를 농축하여 농축염수를 제조하는 해수온배수 농축기;

   상기 해수온배수 농축기로부터 제조된 농축염수를 저장하는 농축염수저장탱크;

   상기 농축염수저장탱크로부터 농축염수를 공급받아 전기분해하여 가성소다와 염소를 제조하는 격막 전해조;

   상기 격막 전해조로부터 유입되는 가성소다와 염소를 반응시켜 차아염소산소다로 전환하는 스크러버;

   로 구성되는 것을 특징으로 하는 해수온배수로부터 차아염소산소다를 제조하는 장치.
7. 제 6 항에 있어서,

   해수 온배수 농축기는 전기투석 유닛이 직렬 또는 병렬로 복수개 구비되며, 상기 전기투석 유닛의 전단 또는 후단에 진공증발유닛이 구비되며, 상기 유닛들은 개별적으로 농축염수저장탱크에 연결되는 것을 특징으로 하는 해수온배수로부터 차아염소산소다를 제조하는 장치.
8. 제 7 항에 있어서,

   해수온배수 농축기와 농축염수저장탱크 사이에 농축염수의 농도를 조절하는 농축염수완충탱크가 구비되며, 발전소 또는 플랜트의 담수화 공정에서 부산되는 부산농축염수가 상기 농축염수저장탱크와 농축염수완충탱크에 선택적으로 공급되도록 부산농축염수 공급관을 구비하는 것을 특징으로 하는 해수온배수로부터 차아염소산소다를 제조하는 장치.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 부산농축염수 공급관에는 부산농축염수 내에 존재하는 2가 양이온을 제거하는 나노여과막이 구비되는 것을 특징으로 하는 해수온배수로부터 차아염소산소다를 제조하는 장치.

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