KR101040678B1 - 농축운전을 통한 개방 순환형 냉각수계의 부식도 저감방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 개방 순환형 냉각수계의 부식도를 저감하기 위한 방법으로서, 일정 수위를 유지하도록 보충수의 공급이 이루어지는 냉각탑의 냉각수 저장조를 구비하되 부식도를 저감하기 위하여 인산염계 방식제를 공급하는 개방 순환형 냉각수계의 운전에 있어서, 상기 냉각수 저장조 내의 냉각수 농축도가 일정 관리치 이하인 경우 일정 관리치가 될 때까지 냉각수를 계속 순환시켜 농축운전을 하게 함으로써 냉각수에 포함된 Ca 이온 성분이 방식제의 PO₄ 성분과 반응하여 금속표면에 방식피막을 형성시키고, 만약 상기 농축도가 일정 관리치를 초과하는 경우 일정 관리치가 유지되도록 저장조 내부의 냉각수를 배출하고 배출수에 포함된 방식제의 양만큼 방식제를 보충하는 것을 특징으로 한다.

인산염계 방식제, 전기전도도, 농축도, 농축운전

Description

농축운전을 통한 개방 순환형 냉각수계의 부식도 저감방법{A METHOD FOR REDUCING CORROSION RATE BY INCREASING CIRCULATION IN COOLING WATER SYSTEM}

도 1은 본 발명에 의하여 냉각수의 부식도 저감을 위한 시스템의 개략적인 구성도.

도 2는 방식제 투입농도와 농축도 변화에 따른 부식도 변화를 비교한 그래프.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

1 : 냉각탑 2 : 냉각수 저장조

3 : 플로트 밸브 4 : 순환펌프

5 : 냉각 대상 6 : 부식도 측정 모듈

7 : 방식제 공급펌프 8 : 방식제 저장조

9 : 배출 밸브 10, 11 : 전기전도도 측정장치

12 : 제어부

본 발명은 공업용수의 냉각수계에 있어서 부식도를 저감하기 위한 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 개방 순환형 냉각수계를 구성하는 냉각수 저장조 내 냉각수의 농축도가 일정 관리치를 유지하도록 농축운전을 하여, 냉각수에 포함된 성분과 방식제에 포함된 성분의 반응을 통한 방식피막이 금속 표면에 형성시킴으로써 부식도를 저감하기 위한 농축운전을 통한 개방 순환형 냉각수계의 부식도 저감방법에 관한 것이다.

일반적으로 공장에서는 다량의 공업용수를 냉각수용으로 사용하고 있는데, 공업용수는 한번 사용하고 버리는 일과식 냉각방식이 아니라 순환해서 다시 냉각하는 순환식 냉각 방식을 채택하고 있다.

순환식 냉각 방식에 의한 경우 냉각탑에서 증발되는 증발수는 순수한 물이기 때문에 냉각 계통내의 물은 운전이 계속되면 자연 농축되며, 이와 같이 냉각수의 농축도가 증가하면 물 속에 용존 이온농도가 증가하여 부식도가 증가하게 되므로 배출수량을 증가시켜 관리기준치 이하로 수질을 관리하게 된다.

구체적으로 설명하면, 냉각수 계에는 많은 이온들이 농축되어 있기 때문에 이러한 냉각과정에서 냉각수 관리를 소홀히 하면 금속 표면에 부식(Corrosion)이 발생하거나, 스케일(Scale) 또는 슬라임(Slime) 등이 부착되어 냉각수 설비계통에 많은 장애를 유발한다. 그 중 가장 빈번히 발생하는 것이 부식에 의한 장애인데, 부식이란 금속 특히 탄소강이 물과 접촉함으로써 양극에서는 철의 용해반응(Fe → Fe²⁺ + 2e^-)이 일어나고, 음극에서는 물의 산소환원반응(O₂ + 2H₂ O + 4e^- → 4OH^-)이 일어나 금속표면이 부식된다. 따라서 이와 같은 부식도를 감소시키기 위해서 배출수량을 증가시키는 방법을 사용하여 왔다.

한편, 위와 같이 발생되는 설비의 부식을 방지하기 위한 다른 방법으로서, 냉각수 내의 pH를 제어하거나 Cl 이온을 제거하는 등 수질을 개선하는 방법이 있으나 비용이 많이 소요되는 관계로 주로 냉각수 중에 방식제를 투입하여 설비부식을 방지하는 방식을 채택하고 있다.

상기 방식제로는 방식효율과 가격적인 면을 고려하여 인산염 계통 방식제가 가장 널리 사용되는 것으로 조사되고 있으며, 냉각 설비를 운전 중에 부식도가 상승하면 보통 방식제의 투입량을 증가시켜 관리한다. 그러나 방식제의 투입양만 증가시키는 조작만으로는, 방식제의 추가적 비용만큼의 방식효과가 없는 단점이 있었다.

한편, 냉각수 계에서의 부식도 저감을 위한 종래의 기술로서, "순환식 냉각시스템에서 냉각수 처리방법(국내 특허출원 공개번호 10-2002-0016146)", "냉각수 시스템의 탄소강 부식 방지제와 그의 투입방법(국내 특허출원 공개번호 10-2002-0066275)", "다기능성 수처리제 조성물 및 이를 이용한 수처리방법(국내 특허출원 공개번호 10-2002-0011541)", "스케일 및 부식억제제(국내 특허출원 공개번호 10-2001-0081033)" 등이 있지만, 이러한 예들은 주로 방식제 그 약품 자체의 방식효과에 관한 것이거나, 다른 화학 약품 등을 투입하여 부식을 억제하는 방법에 관한 것으로서 방식제 투입에 따른 비용의 상승 문제와, 배출수에 포함된 유해한 고농도의 방식제 성분으로 인한 수질 오염의 문제가 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로, 냉각수계의 농축도를 조절하여 계통내의 Ca-경도가 일정한 범위가 되게 운전함으로써 설비의 금속 표면에 방식피막 형성으로 인한 방식효과를 향상시키고, 방식제의 과다 사용을 방지함과 동시에 농축운전에 따른 폐수배출량과 보충수 사용량을 저감할 수 있는 농축운전을 통한 개방 순환형 냉각수계의 부식도 저감방법을 제공함을 그 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 농축운전을 통한 개방 순환형 냉각수계의 부식도 저감방법은, 일정 수위를 유지하도록 보충수의 공급이 이루어지는 냉각탑의 냉각수 저장조를 구비하되 부식도를 저감하기 위하여 인산염계 방식제를 공급하는 개방 순환형 냉각수계의 운전에 있어서,

상기 냉각수 저장조 내의 냉각수 농축도가 일정 관리치 이하인 경우 일정 관리치가 될 때까지 냉각수를 계속 순환시켜 농축운전을 하게 함으로써 냉각수에 포함된 Ca 이온 성분이 방식제의 PO₄ 성분과 반응하여 금속표면에 방식피막을 형성시키고, 만약 상기 농축도가 일정 관리치를 초과하는 경우 일정 관리치가 유지되도록 저장조 내부의 냉각수를 배출하고 배출수에 포함된 방식제의 양만큼 방식제를 보충하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 농축도는 냉각수 저장조 내의 냉각수의 전기전도도와 보충수의 전기전도도 측정값을 비교함으로써 구하는 것이 바람직하며, 농축도의 관리치는 5배 내지 10배인 것이 바람직하다.

본 발명은 냉각수 중에 인산염계 방식제가 있을 경우 방식제의 양이 일정하더라도 농축도가 증가하면 부식도가 오히려 감소한다는 사실을 실험적으로 확인하였으며, 이러한 이유를 화학적으로 분석한 결과 인산염계 방식제의 PO₄ 성분과 냉각수의 Ca 이온 성분이 반응하여 Ca₃(PO₄)₂ 피막을 형성하여 금속표면에 방식피막(Calcium phosphate{Ca₃(PO₄)₂, CaHPO₄, Ca(H₂PO ₄)₂}) 피막을 형성하게 됨으로써 부식도가 감소한다는 사실을 확인하였다. 따라서 이러한 방식피막을 형성하기 위해서는 냉각수계 내의 물 속에 일정농도 이상의 Ca-경도가 필요하므로 냉각수가 일정 농축도 이상이 되도록 농축운전하는 것이 바람직함을 확인하였다.

이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 의하여 냉각수의 부식도 저감을 위한 시스템의 개략적인 구성도이며, 본 발명을 수행하는 전체 시스템의 기본 구성을 살펴보면, 냉각탑(1)의 냉각수 저장조(2)에는 냉각수가 일정 수위를 유지하도록 플로트 밸브(3)가 설치 되어 보충수의 공급이 이루어지며 냉각수의 수질을 일정 관리치로 유지하기 위한 배출밸브(9)가 설치된다. 그리고 냉각수 저장조(2)의 냉각수는 순환펌프(4)에 순환되면서 냉각 대상(5)을 냉각시킨 후 다시 냉각탑(1)으로 유입되어 냉각된다.

이때 냉각수의 부식도를 저감하기 위한 수단으로서, 방식제 저장조(8)에 저장된 방식제는 방식제 공급펌프(7)에 의하여 냉각수 저장조(2)로 공급되며, 냉각수의 부식도를 주기적으로 측정하기 위한 부식도 측정 모듈(6)이 냉각 대상(5)과 냉각탑(1) 사이에 설치된다.

이상과 같은 구성은 종래의 개방 순환식 냉각수계의 기본 시스템과 동일하다. 다만, 본 발명은 냉각수 저장조(2)에 저장된 냉각수의 전기전도도 측정장치(C2 ; 11)와, 보충수의 전기전도도 측정장치(C1 ; 10)를 설치하여, 이들 측정장치(10, 11)로부터 측정된 전기전도도로부터 냉각수 저장조(2) 내부의 냉각수의 농축도를 측정한 다음 미리 설정된 농축도의 관리치에 따라 배출 밸브(9)의 개폐를 실시간 또는 일정 주기로 제어하는 제어부(12)를 포함하여 구성됨에 그 특징이 있다.

이와 같은 시스템을 이용한 본 발명의 부식도 저감방법은, 방식제를 사용함으로써 냉각수의 부식도를 감소시킨다는 점에서는 종래와 동일하나 방식제 사용량을 일정하게 유지하면서 냉각수의 농축도를 조절함으로써 부식도를 저감한다는 점에서 차이가 있다.

구체적으로 설명하면, 냉각수의 농축도가 일정 관리치 이내인 경우 냉각수의 배출 없이 계속 농축운전을 함으로써 냉각 대상(5)이 되는 설비의 금속표면에 상술한 바와 같은 방식피막을 형성시킨다. 반면, 냉각수의 농축도가 일정 관리치를 초 과하는 경우 농축도가 일정 관리치가 될 때까지 배출 밸브(9)를 개방하게 되며, 배출된 냉각수의 양만큼 플로트 밸브(3)를 통해 보충수가 냉각수 저장조(2)로 공급된다. 이때 배출된 냉각수에 포함된 방식제의 양만큼 방식제 공급펌프(7)에 의하여 방식제가 저장조(2)로 공급된다.

상기 농축도는 냉각수 저장조(2)의 전기전도도 측정장치(C2 ; 11)와, 보충수의 전기전도도 측정장치(C1 ; 10)에 의하여 측정되는 전기전도도의 비와 거의 동일하므로, 농축도는 전기전도도 측정장치(10,11)로부터 얻어지는 값에 의하여 결정되며, 제어부(12)에서는 이와 같이 얻어지는 농축도에 따라 배출 밸브(9)를 제어하게 된다.

이때, 상기 농축도는 5배 내지 10배로 하는 것이 바람직하다. 만약 농축도가 5배 미만인 경우 방식제의 양이 적으면 부식도가 증가하여 냉각 대상(5)이 되는 설비의 부식을 초래하게 됨에 따라 부식 방지를 위해서는 부득이 방식제를 많이 투입하여야 하며, 농축도가 10배를 초과하는 경우 방식제의 양에 관계없이 스케일 발생이 증가하게 된다.

이하에서는 상기와 같이 구성된 본 발명의 구체적인 실시예를 실험예를 통하여 설명한다.

먼저, 현장 설비에서 냉각수의 농축도를 변화시키면서 운전하면서 냉각수의 부식도를 측정하기는 실제로 곤란하므로 원수를 채취하여 임의의 농축수를 조제(이하, '조제 냉각수'라 함)하였으며, 각 농축도에 따른 냉각수의 수질은 하기의 표 1 와 같다. 이때 농축도는 냉각수에 포함된 Ca 이온 농도와 보충수에 포함된 Ca 이온 농도의 비를 농축도라 한다.

농축도 변화에 따른 원수 및 조제 냉각수의 수질

농축도		원수	3배	5배	7배
수질 항목	pH(25℃)	7.2	7.3	7.2	7.3
	전기전도도(㎲/cm)	100.1	299.4	510.2	700.2
	Ca-경도(mg/L)	17.7	52.3	88.8	129.1
	Cl-이온(mg/L)	11.9	35.5	60.3	82.7
	탁도	1.0	3.1	5.0	7.0

상기 표 1로부터 냉각수의 농축도를 나타내는 원수와 조제 냉각수의 Ca-경도의 비는 전기전도도의 비와 거의 동일함을 알 수 있으며, 이로부터 냉각수의 농축도를 측정함에 있어 측정이 힘든 Ca-경도보다는 측정이 보다 간편한 전기전도도를 측정함으로써 구할 수 있음을 알 수 있다.

그 후, 상기 표 1과 같은 조제 냉각수 1L에 인산염계 방식제를 각각 60mg, 80mg, 100mg을 투입하여 부식도 측정 모듈을 이용하여 부식도를 실험하였고, 하기의 표 2(부식도는 볼딕체로 표시되었으며, 단위는 MDD임)와 같은 결과를 얻을 수 있었으며, 그 결과를 도 2의 그래프로서 나타내었다. 이때 부식도는 측정 시편의 무게를 단 후 냉각수 중에 삽입하여 일정한 시간 이후에 채취하여 산으로 세척한 후 무게를 측정하여 감량된 무게를 환산하여 MDD(시편 단위면적당 하루에 감량된 무게) 단위로 측정하였다.

방식제 투입농도 및 농축도에 따른 부식도 변화

방식제 농도(mg/L)		60	80	100
농축도	3배	5.76	3.27	2.61
	5배	1.25	0.99	0.83
	7배	0.65	0.54	0.58

위 실험결과에서 알 수 있듯이, 농축도 3배의 경우 방식제를 60mg 투입할 때 부식도는 5.76MDD이고 방식제를 80mg 투입할 때의 부식도는 3.27MDD, 그리고 방식제를 100mg 투입했을 때의 부식도는 2.61MDD로서 방식제 투입량이 증가하면 부식도는 감소하는 것으로 나타났다.

한편, 방식제의 양을 60mg으로 동일하게 한 상태에서 농축도를 3배에서 5배로 증가시켰을 경우, 부식도는 5.76MDD에서 1.25MDD로 감소되었으며, 이는 농축도가 3배인 상태에서 방식제 60mg을 80mg 또는 100mg으로 증가시킨 경우보다 부식도가 현저하게 낮아짐을 알 수 있다.

도 2를 참조하여 보다 구체적으로 살펴보면, 냉각수의 농축도가 3배인 경우 방식제의 농도를 점차 증가시키게 되면 최초에는 부식도가 크게 낮아지나 일정 농도 이상에서는 부식도의 변화가 거의 없게 된다.

그러나, 냉각수의 농축도가 5배 또는 7배인 경우 방식제의 농도를 점차 증가시키더라도 부식도의 변화는 거의 없음을 확인할 수 있다.

따라서 인산염계 방식제를 사용하는 냉각수계에 있어서는, 방식제의 투입농도를 증가시키는 것보다 농축도를 올리는 것이 부식도를 낮추는데 훨씬 효과적이라는 것을 알 수 있다. 이는 앞서 살펴본 바와 같이 냉각수에 포함된 Ca 이온과 방식 제에 포함된 PO₄의 반응에 의한 방식피막이 형성되기 때문이다.

다만, 냉각수의 농축도가 10배를 초과하는 경우 CaCO₃, CaSO₄ 등의 스케일이 발생되므로 냉각의 농축도 관리치는 5배 내지 10배의 범위 정하는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 형태에 관해 설명하였으나, 이는 단지 예시적인 것이며 본 발명의 기술적 사상의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 농축운전을 통한 개방 순환형 냉각수계의 부식도 저감방법을 사용하면, 인산염 계통의 방식제를 사용하는 냉각수계에 있어서 방식제의 양을 일정하게 유지하면서 냉각수의 농축도를 일정 관리치로 유지하도록 배출 밸브만을 제어함으로써 보충수, 배출수 및 방식제의 사용량을 최소화함으로써 전체 설비의 유지비용을 감소시킴은 물론, 오염물질 배출의 최소화를 통한 환경보호에 이바지할 수 있는 효과가 있게 된다.

Claims (3)

1. 일정 수위를 유지하도록 보충수의 공급이 이루어지는 냉각탑의 냉각수 저장조를 구비하되 부식도를 저감하기 위하여 인산염계 방식제를 공급하는 개방 순환형 냉각수계의 운전에 있어서,

   상기 냉각수 저장조 내의 냉각수 농축도가 일정 관리치 이하인 경우 일정 관리치가 될 때까지 냉각수를 계속 순환시켜 농축운전을 하게 함으로써 냉각수에 포함된 Ca 이온 성분이 방식제의 PO₄ 성분과 반응하여 금속표면에 방식피막을 형성시키고,

   만약 상기 농축도가 일정 관리치를 초과하는 경우 일정 관리치가 유지되도록 저장조 내부의 냉각수를 배출하고, 배출된 냉각수의 양만큼 보충수를 공급하며, 배출수에 포함된 방식제의 양만큼 방식제를 보충하는 것을 특징으로 하는 농축운전을 통한 개방 순환형 냉각수계의 부식도 저감방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 농축도는 냉각수 저장조 내의 냉각수의 전기전도도와 보충수의 전기전도도의 측정값을 비교함으로써 구해지는 것을 특징으로 하는 농축운전을 통한 개방 순환형 냉각수계의 부식도 저감방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 농축도의 관리치는 5배 내지 10배인 것을 특징으로 하는 개방 순환형 냉각수계의 부식도 저감방법.

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