KR100937452B1 - 담수화 설비의 배출가스량 산출방법 - Google Patents

담수화 설비의 배출가스량 산출방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 담수화 설비의 배출가스량 산출방법에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 증발기의 내부 압력을 유지할 수 있도록 담수화 과정에서 발생하는 각종 가스의 배출량을 정확히 산출하기 위한 담수화 설비의 배출가스량 산출방법에 관한 것이다.
본 발명은 담수화 설비에서 배출되는 배출가스량을 산출하는 방법으로서, 담수화 설비에서 배출가스가 생성되는 각 배출지점에 대한 용적(Volume)을 산출하는 용적산출단계; 상기 산출된 용적을 이용하여 상기 각 배출지점에서의 누출공기의 양을 산출하는 누출공기량산출단계; 상기 각 배출지점에서 응축되지 않고 누출되는 누출증기량의 예상량을 설정하는 누출증기량설정단계; 상기 각 배출지점에서 발생하는 이산화탄소의 양을 산출하는 이산화탄소량산출단계; 및 상기 각 배출지점에서 산출된 상기 누출공기의 양과, 상기 이산화탄소의 양과, 설정된 상기 누출증기량의 예상량을 종류별로 합산하여 배출가스량을 산출하는 합산단계를 포함한다.
담수화, 가스배출, 증기, 이산화탄소, 공기

Description

담수화 설비의 배출가스량 산출방법{Calculation method of gas emission for desalination apparatus}
본 발명은 담수화 설비의 배출가스량 산출방법에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 증발기의 내부 압력을 유지할 수 있도록 담수화 과정에서 발생하는 각종 가스의 배출량을 정확히 산출하기 위한 담수화 설비의 배출가스량 산출방법에 관한 것이다.
일반적으로 담수화 설비는 해수 및 오수 등을 생활용수나 공업용수로 사용할 수 있는 담수를 생산하는 설비로서, 통산 다단 증발법(Multi Stage Flash : MSF)과 다중효용 증발법(Multiple Effect Distillation : MED)이 주로 사용되고, 이외에도 막여과법으로써 압력을 이용하는 역삼투압법(Reverse Osmosis :RO)과 상기의 방법을 둘 이상 혼합한 하이브리드 타입 등이 있다.
이러한 담수화 설비 중 대표적인 기술의 하나인 다단 증발법의 원리를 살펴보면 다음과 같다.
다단 증발법에 의한 담수화 설비는 도 1에 도시된 바와 같이 여러 개의 스테이지(111)로 이루어지고 열회복구간과 열차단구간으로 나누어진 증발기가 구비되 고, 상기 스테이지는 응축기(Condeser, 112)와 기수분리기(Demister, 113) 및 증발실(Flashing chamber, 114)로 구성되어 있다.
또한, 증발기(110)의 일측에는 증발기를 순환하며 예열된 순환농염수(Recycled Brine)를 저압 스팀 공급관(120a)을 통하여 공급된 저압 스팀의 열에너지를 이용하여 운전온도로 가열하는 농염수 가열기(120)가 구비되고, 증발기(110)의 타측에는 증발기의 마지막 스테이지로 유입되는 공급수(Make-up)에 포함된 이산화탄소 및 산소를 제거하는 탈기기(Deaerator, 130)가 구비된다.
그리고, 농염수 가열기(120) 내부의 응축수를 발전설비로 보내어 재사용할 수 있도록 응축수 회수펌프(140)가 농염수 가열기(120)에 연결되고, 순환농염수가 증발기의 내부를 순환할 수 있도록 농염수 순환펌프(Brine Recirculation Pump, 150)가 구비되며, 증발기에 의해서 응축된 기수분리기(113) 내부의 담수를 후처리 공정으로 보내는 담수펌프(160)와 증발기의 마지막 스테이지에 도달한 농염수를 배출시키는 농염수 배출펌프(170)가 구비된다.
이와 함께 증발기(110)에 응축되지 않은 이산화탄소 및 공기와 같은 비응축성 가스를 제거하기 위한 수단으로 진공시스템(180)이 구비되는 것으로서, 상기 진공시스템(180)은 중압 스팀 공급관(181)을 통해 공급된 중압 스팀(Middle Pressure Steam)을 내부의 노즐로 분출시켜 압력을 급격히 떨어뜨리는 제1이젝터(182) 및 제2이젝터(183)가 구비되고, 이 압력 차이로 증발기로부터 흡입된 비응축성 가스를 농염수 유입관을 통해 유입되 차가운 농염수와 열교환시켜 응축시키는 프리콘덴서(Precondensor, 184)와 인터콘덴서(Intercondensor, 185) 및 에이티엠콘덴서(ATM condensor, 186)가 구비되며, 에이티엠콘덴서(186) 내부의 응축수는 농염수 배출관(187)을 통하여 외부로 배출되고, 에이티엠콘덴서(186) 내부의 비응축성 가스는 가스 배출관(188)을 통하여 대기상으로 배출하도록 구성되어 있다.
이와 같이 구성된 다단 증발법에 의한 담수화 설비는 농염수 순환펌프(150)에 의해 각각의 열회복 구간의 응축기(112) 내부를 흘러 농염수 가열기(120)에 유입되어 스팀 공급관(181)으로부터 공급된 저압 스팀(Low Pressure Steam)의 응축열을 이용하여 가열된다.
또한, 이 가열된 순환 농염수는 순차적으로 낮은 압력으로 유지되고 있는 스테이지(111)의 증발실(114)로 유입되고, 이 유입된 순환 농염수는 증발실 주변의 낮은 압력으로 인하여 맹렬한 증발(Flashing)이 유도되는 것으로서, 이러한 증발현상은 유입된 순환 농염수가 그 스테이지의 압력에 해당하는 끓는 점까지 냉각되는 동안 계속되고, 다음 스테이지로 유입되어 상기한 바와 같은 과정을 반복하게 되며 점점 농도가 증가하게 된다.
최종 스테이지에 이르러 전체 순환 농염수의 농도를 조정하기 위하여 일부는 농염수 배출펌프(Brine Blowdown Pump, 170)를 통해 배출되고, 각 증발실(114) 내부에 생성된 증기는 기수분리기(113)를 지나 포함되어 있을 수 있는 염의 알갱이들이 제거되며, 응축기(112)의 튜브 내부를 흐르는 순환 농염수와 열교환을 이룬 뒤 담수로 응축되어 담수펌프(Distillate Pump,160)를 통하여 후처리공정으로 이송하게 되는 것이다.
그런데 앞서 살펴본 바와 같은 담수화 설비에서는 효율적인 담수 생산을 위 해 증발기의 내부 압력 유지가 중요한 요인이 될 수 있으며, 이러한 증발기의 내부 압력 유지를 위해 제1이젝터(182) 및 제2이젝터(183)를 포함하는 진공시스템(180)과 같은 가스 배출수단으로 담수화 과정에서 필연적으로 생성되는 가스를 외부로 배출하여야 한다.
나아가, 담수화 과정에서 생성된 가스의 규모에 알맞은 효율적인 가스의 배출이 이루어져야 하는데, 이를 위해서 담수화 과정에서 생성된 가스의 규모, 즉 배출가스량의 산출이 요구된다.
본 발명은 상술한 요구에 부응하기 위한 것으로, 담수화 설비에서 발생하는 배출가스의 양을 정확히 산출할 수 있는 담수화 설비의 배출가스량 산출방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
위와 같은 과제를 달성하기 위한 본 발명은 담수화 설비에서 배출되는 배출가스량을 산출하는 방법으로서, 담수화 설비에서 배출가스가 생성되는 각 배출지점에 대한 용적(Volume)을 산출하는 용적산출단계; 상기 산출된 용적을 이용하여 상기 각 배출지점에서의 누출공기의 양을 산출하는 누출공기량산출단계; 상기 각 배출지점에서 응축되지 않고 누출되는 누출증기량의 예상량을 설정하는 누출증기량설정단계; 상기 각 배출지점에서 발생하는 이산화탄소의 양을 산출하는 이산화탄소량산출단계; 및 상기 각 배출지점에서 산출된 상기 누출공기의 양과, 상기 이산화탄소의 양과, 설정된 상기 누출증기량의 예상량을 종류별로 합산하여 배출가스량을 산출하는 합산단계를 포함한다.
여기서, 상기 배출지점은 증발기, 탈기기 및 가열기인 것이 바람직하다.
나아가, 상기 용적산출단계는, 상기 각 배출지점에서 농염수가 차지하는 부피를 감산하여 각 배출지점에 대한 용적을 산출하는 것이 더욱 바람직하다.
또한, 상기 누출공기량산출단계는, 다음의 식을 이용하여 각 배출지점에서의 누출공기의 양을 산출하는 것일 수 있다.
Figure 112007092232010-pat00001
여기서, △P 는 단위 시간당 압력변화량, V는 배출지점의 용적, Rair는 가스상수, T는 공기의 평균온도이다.
또한, 상기 이산화탄소량 산출단계는, 다음의 식을 이용하여 각 배출지점에서 발생하는 이산화탄소의 양을 산출하는 것일 수 있다.
Figure 112007092232010-pat00002
여기서, f는 온도에 따른 분해인자, Mco2는 CO2의 몰질량, Fmake - up은 원수(Make-up) 공급량, [HCO3]make - up은 원수에 포함된 HCO3의 농도이다.
본 발명에 따르면, 담수화 설비에서 발생하는 배출가스의 양을 정확히 산출하는 것이 가능해 지므로, 각 담수화 설비의 규모에 적합한 최적의 진공시스템을 설계할 수 있다.
즉, 담수화 설비를 설계하는 데 있어서, 증발기의 크기를 포함한 여러 인자에 따라 변화되는 가스의 생성량을 예측하고 이를 반영한 진공시스템을 제공하여 어떤 담수화 설비라도 증발기의 압력을 최적조건으로 유지시킬 수 있도록 함으로써, 무조건적인 대형 진공시스템을 탑재하는 경우보다 설비시공의 원가가 절감되 며, 전체 담수 생산량이 증대되는 것은 물론 인정적인 구동을 이룰 수 있도록 한다.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하에서는 도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 담수화 설비의 배출가스량 산출방법 및 이를 위한 담수화 설비의 배출가스량 산출장치를 설명하기로 한다. 설명에서 있어서, 도 1과 동일한 참조부호는 동일한 기능을 수행하는 동일한 구성을 지칭한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 담수화 설비의 배출가스량 산출방법의 흐름도이며, 도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 담수화 설비의 배출가스량 산출장치(300)의 구성도이다.
도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 담수화 설비의 배출가스량 산출방법에서는, 먼저, 담수화 설비에서 배출가스가 생성되는 각 배출지점에 대한 용적(Volume)을 산출한다(S200).
이때, 앞서 말한 배출지점은 일반적으로 배출가스가 생성되는 증발기(110), 가열기(120) 및 탈기기(130)의 세 구성을 지칭한다.
또한, 상기 'S200'단계에서는, 각 배출지점(110, 120, 130)에서 농염수가 차지하는 부피를 감산하여 각 배출지점에 대한 용적을 산출하는 것이 바람직하다.
위와 같은 일련의 산출과정은 배출가스량 산출장치(300)의 제어부(310)를 통해 이루어지며, 배출지점인 위의 세 구성(110, 120, 130)에 대한 전체용적의 정보가 제어부(310)에 미리 저장되고, 제어부(310)가 유량감지부(450)를 통해 각 배출지점(110, 120, 130)으로 유입된 농염수의 부피를 측정한 후 각 배출지점(110, 120, 130)에서 농염수가 차지하는 부피를 감산하여 각 배출지점에 대한 용적을 산출할 수도 있고, 다른 방법으로는 농염수의 부피에 관한 정보를 사용자입력부(420)를 통해 입력받아 이를 배출지점인 위의 세 구성(110, 120, 130)에 대한 전체용적에서 감산하여 산출될 수도 있다.
다음으로, 상기 'S200'단계에서 산출된 용적을 이용하여 상기 각 배출지점에서의 누출공기의 양을 산출하게 되는데(S210), 이는 다음과 같은 수학식1을 통해 이루어진다.
Figure 112007092232010-pat00003
여기서, △P 는 단위 시간당 압력변화량, V는 배출지점(증발기, 가열기 및 탈기기)의 용적, Rair는 가스상수, T는 공기의 평균온도이다.
△P는 배출지점의 진공파괴(Vacuum decay) 실험으로부터 측정되는데 이는 배출지점을 진공 상태로 두면서 시간이 지남에 따른 압력의 상승을 측정하며 배출지점의 제작 상태를 검사하는 실험으로, 여기서 △P값은 배출지점 안으로 공기가 새어 들어오면서 변화하는 단위 시간당 압력 증가분을 뜻한다.
좀 더 자세히 설명하면, 압력감지부(430)와 온도감지부(440)를 통해 감지된 압력변화(△P)에 대한 정보와 평균 온도(T)에 관한 정보 및 상기 'S200'단계에서 산출된 배출지점의 용적(V)에 관한 정보를 통해 누출되는 공기의 양(Airin -L)을 산출하는 것이다.
그 다음, 각 배출지점에서 응축되지 않고 누출되는 누출증기량의 예상량을 설정하게 되는데(S220), 이렇게 설정되는 예상량은 전체 담수화 설비에서 생성되는 증기의 일정 비율로 그 값이 조절되어 대입될 수 있다.
나아가, 설정되는 예상량은 설비의 구동 결과에 따라 유출되는 증기의 양을 계산한 뒤 평균적인 유출량을 적용하는 것이 바람직하며, 이러한 설정은 사용자입력부(420)를 통해 이루어질 수도 있고, 제어부(410)가 구동 결과에 대한 정보를 누 적 저장한 후 스스로 평균을 산출하여 적용하는 것도 가능하다.
그리고 나서, 각 배출지점에서 발생하는 이산화탄소의 양을 산출하게 되는데(S230), 여기서 이용되는 수학식은 아래와 같다.
Figure 112007092232010-pat00004
여기서, f는 온도에 따른 분해인자(Decomposition factor)로, 실험을 통해 측정되며, Mco2는 CO2의 몰질량, Fmake - up은 원수(make-up) 공급량, [HCO3]make - up은 원수에 포함된 HCO3의 농도이다.
배출지점 내에서 발생하는 이산화탄소는 해수 내에 존재하는 HCO3 (Bicaronate ion)이 열을 받아 열분해(Thermal decomposition)되는 과정에서 배출된다. 따라서 배출지점 내에서 발생하는 이산화탄소의 양은 배출지점으로 공급되는 공급수(Make-up)의 양과 공급수에 녹아있는 HCO3의 농도, 그리고 HCO3가 열분해되는 정도 그리고 몰단위를 질량단위로 바꾸기 위한 CO2의 몰질량의 곱으로 표현될 수 있다.
이때, 원수의 유량과 HCO3의 농도는 유량감지부(450)와 농도감지부(460)를 통해 측정할 수 있으며, 분해인자 값과 CO2의 몰질량은 사용자입력부(420)를 통해 입력받을 수 있다.
마지막으로, 상기 'S310'단계와 상기 'S330'단계에서 각각 산출된 누출공기의 양(Airin -L)과, 이산화탄소의 양(Released CO2)과, 상기 '320'단계에서 설정된 상기 누출증기량의 예상량을 종류별로 합산하여 배출가스량을 산출한다(S240).
이러한 합산은 'S330'단계가 수행된 후 제어부(410)에 의해 곧바로 이루어지는 것이 바람직하다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
예를 들어, 위에서는 MSF방식의 설비를 예로 들어 설명하였으나, 본 발명은 MED방식의 설비에도 얼마든지 적용이 가능하다.
도 1은 종래의 MSF방식에 따른 담수화 설비의 개요도,
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 담수화 설비의 배출가스량 산출 방법의 흐름도,
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 담수화 설비의 배출가스량 산출 장치의 구성도이다.

Claims (5)

  1. 담수화 설비에서 배출되는 배출가스량을 산출하는 방법에 있어서,
    담수화 설비에서 배출가스가 생성되는 각 배출지점에 대한 용적(Volume)을 산출하는 용적산출단계;
    상기 산출된 용적을 이용하여 상기 각 배출지점에서의 누출공기의 양을 산출하는 누출공기량산출단계;
    상기 각 배출지점에서 응축되지 않고 누출되는 누출증기량의 예상량을 설정하는 누출증기량설정단계;
    상기 각 배출지점에서 발생하는 이산화탄소의 양을 산출하는 이산화탄소량산출단계; 및
    상기 각 배출지점에서 산출된 상기 누출공기의 양과, 상기 이산화탄소의 양과, 설정된 상기 누출증기량의 예상량을 종류별로 합산하여 배출가스량을 산출하는 합산단계를 포함하는 담수화 설비의 배출가스량 산출방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 배출지점은
    증발기, 탈기기 및 가열기인 것을 특징으로 하는 담수화 설비의 배출가스량 산출방법.
  3. 제 1항 또는 제2항에 있어서, 상기 용적산출단계는,
    상기 각 배출지점에서 농염수가 차지하는 부피를 감산하여 각 배출지점에 대한 용적을 산출하는 것을 특징으로 하는 담수화 설비의 배출가스량 산출 방법.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 누출공기량산출단계는,
    다음의 식을 이용하여 각 배출지점에서의 누출공기의 양을 산출하는 것을 특징으로 하는 담수화 설비의 배출가스량 산출 방법.
    Figure 112009047130176-pat00005
    여기서, △P 는 단위 시간당 압력변화량, V는 배출지점의 용적, Rair는 가스상수, T는 공기의 평균온도이다.
  5. 제2항에 있어서, 상기 이산화탄소량 산출단계는,
    다음의 식을 이용하여 각 배출지점에서 발생하는 이산화탄소의 양을 산출하는 것을 특징으로 하는 담수화 설비의 배출가스량 산출 방법.
    Figure 112009047130176-pat00006
    여기서, f는 온도에 따른 분해인자(Decomposition factor), Mco2는 CO2의 몰질량, Fmake-up은 원수(make-up) 공급량, [HCO3]make-up은 원수에 포함된 HCO3의 농도이다.
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