KR101179780B1 - 용수에 함유된 입자상 철분 제거 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 캐니스터 외부에 고정된 고자력 특성이 있는 네오디뮴 영구자석 어셈블리, 캐니스터 내부에 설치되어 용수중 입자상 철분을 제거하기 위한 다공성 매트릭스, 영구자석 어셈블리를 이동시키기 위해 유압을 이용하여 매트릭스 세척 및 철분 제거 공정을 재개함으로써 폐기물 발생이 없고 용수를 용이하게 정화할 수 있는 용수에 함유된 입자상 철분 제거장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.
Description
본 발명은 용수에 함유된 입자상 철분 제거장치 및 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 네오디뮴 영구자석과 유압 기술을 이용하여 용수에 함유된 입자상 철분을 제거하고, 일정기간 사용 후 매트릭스를 세척하여 재이용함으로써 에너지 낭비를 방지하고, 여과 필터 등의 폐기물 발생량을 최소화할 수 있는 연속 사용이 가능한 입자상 철분 제거 장치 및 방법에 관한 것이다.
발전소 보일러 용수와 증기는 고온?고압에서 고 유속으로 재순환되기 때문에 발전설비의 부식과 장해 발생을 방지하기 위하여 수질관리 기준을 엄격하게 설정하여 관리하고 있다.
그러나 보일러 및 계통배관의 대부분이 철(Iron)로 구성되어 있기 때문에 아무리 고 순도의 용수를 보급수로 사용하고 부식방지를 위해 전휘발성 수처리법(All Volatile Treatment), 산소주입 수 처리법(Oxygenated Treatment) 등 보일러 수질관리를 최적으로 하더라도 용수 중 입자상 철분을 완벽하게 제거할 수 없다.
입자상 철분의 발생원인은 고유속의 용수 흐름으로 인해 보일러 및 급수 배관, 펌프 등 금속표면에서 철분이 물리적으로 탈락되거나 마모되어 나타나는 현상이다.
사용한 배관재질의 내식성, 보일러계통 수질관리 방법, 온도?압력 등 운전조건 영향으로 입자상 철분 농도가 증가되기도 하고 또는 낮게 유지되기도 한다. 계통수의 입자상 철분이 보일러튜브에 부착되면 부식(점식, 부착물 하부 부식) 발생과 열전달 효율을 저하시키고 튜브 과열로 파열사고의 원인이 될 수 있다.
증기터빈 블레이드에 부착되면 부식과 진동과 같은 터빈 장해를 유발하기도 한다. 보일러 튜브 손상, 터빈 장해 등의 장해 현상들이 결과적으로 기동 지연과 불시정지 원인으로 작용하여 발전소 가동율을 저하시키고 발전 효율을 감소시키게 된다.
기존에는 용수 중에 함유된 철분 농도가 수질관리 기준치보다 높으면 정상 수질에 도달할 때까지 연속적으로 외부로 배출하여 폐수로 버렸다. 하지만, 고온의 용수를 버리게 되면 에너지 낭비의 원인이 되고, 고 순수의 다량 소비로 순수생산 비용 증가로 인해 발전 원가가 상승하는 요인으로 작용하는 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 캐니스터 외부에 고정된 고자력 특성이 있는 네오디뮴 영구자석 어셈블리, 캐니스터 내부에 설치되어 용수 중 입자상 철분을 제거하기 위한 다공성 매트릭스, 영구자석 어셈블리를 이동시키기 위해 유압을 이용함으로써 폐기물 발생이 없고 용수를 용이하게 정화할 수 있는 용수에 함유된 입자상 철분 제거장치 및 방법을 제공하는 데 본 발명의 목적이 있다.
본 발명의 용수에 함유된 입자상 철분 제거 장치는, 자성을 갖는 철강재질의 다공성 매트릭스가 장착되고 일정 높이에 고정된 원통형 캐니스터; 상기 캐니스터 주위에 배치되고 유압 실린더에 고정되어 직선 이동이 가능한 영구자석 어셈블리; 상기 캐니스터 내부에 충전되고 자성을 갖는 철강재질로 만들어진 다공성 매트릭스; 철분을 함유한 용수 공급용 배관 및 처리수 배출용 배관과 밸브들로 구성하되, 상기 영구자석 어셈블리는 상기 매트릭스에 고 자력선을 발생시키기 위한 네오디뮴 영구자석이 상하 2단으로 구성되어 있고, 외부로 손실 없이 자력선을 통과시키기 위하여 상하 2단의 네오디뮴 영구자석 외면에 철심이 접촉되어 있는 것을 특징으로하고, 상기 매트릭스의 상부와 하부에는 자력선을 균등하게 통과시켜주며, 그 재질은 자성을 갖는 철강재질로 이루어진 다공성 폴이 형성된 것을 특징으로 한다.
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또한, 본 발명의 원통형 캐니스터는 자성을 갖지 않는 철강 재질로 제작하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 다공성 매트릭스는 금속라스, 금속환, 울 형상 중의 어느 하나 또는 2가지 이상을 조합한 것을 특징으로 한다.
또한, 매트릭스의 세척시기를 판단하기 위해 매트릭스의 상부와 하부 사이에 차압 측정기를 부과하며, 세척시기 도달시 매트릭스를 세척하기 위해 세척수 공급배관, 용수 차단 밸브, 세척수 통수 및 차단 밸브를 부가한 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 증기발생 계통수 중 입자상 철분 제거 방법은, 자성을 갖는 철강 재질의 다공성 매트릭스를 일정 높이로 갖는 원통형 캐니스터 내부에 충전하는 단계; 유압실린더에 의해 캐니스터 외면에 고정된 상하 2단의 영구자석 어셈블리에 의해 상기 매트릭스에 자력선을 공급하는 단계; 영구자석 어셈블리 상하 2단에 철심을 접촉시켜 자력선 손실 없도록 하는 단계, 입자상 철분을 함유한 용수가 자화된 매트릭스에 통과하는 단계, 용수에 함유된 입자상 철분이 자화된 매트릭스에서 제거되는 단계, 일정기간 사용 후 매트릭스 상부와 하부 사이의 차압을 측정하는 단계, 차압이 일정 기준치에 도달되어 용수 공급 밸브를 차단하고 영구자석 어셈블리를 유압에 의해 매트릭스가 없는 부위로 영구자석 어셈블리를 이동시키는 단계, 세척수 공급 배관의 밸브를 개방하고 매트릭스에 세척수를 공급하는 단계, 일정 세척시간 경과 후 세척수 공급밸브를 차단하는 단계, 영구자석어셈블리를 유압으로 매트릭스 주변의 원래 위치로 이동시키는 단계, 용수 공급밸브를 개방하여 입자상 철분을 함유한 용수를 공급하여 입자상 철분 제거 공정을 재개하는 것을 특징으로 하고 있다.
본 발명은 영구자석과 유압기술을 이용하여 용수에 함유된 입자상 철분을 제거하는 장치 및 방법에 관한 것으로, 이 방법을 이용할 경우, 기존 방법의 여과 필터 폐기물 발생 등의 문제없이, 반영구적으로 용수에 함유된 철분 제거 공정에 사용할 수 있고, 고온의 증기발생설비 배출수를 줄여 에너지 낭비와 순수생산 비용을 줄이고, 폐 여과필터 발생을 원천적으로 방지함으로써 발전설비의 효율적 운영을 기대할 수 있다.
특히, 용수 중에 존재하는 입자상 철분을 완전히 제거하여 재이용함으로써 보일러 튜브의 스케일 부착과 튜브 과열로 인한 파열 사고를 예방할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 용수에 함유된 입자상 철분 제거장치(정화시)의 측면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 용수에 함유된 입자상 철분 제거장치(세척시)의 측면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 원통형 영구자것 어셈블리의 일부 구성품인 영구자석 및 철심 고정대의 사시도이다.
도 4은 본 발명에 따른 철분 제거장치를 이용하여 유량변화에 따른 입자상 철분의 제거율(%)에 관한 시험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따른 철분 제거장치를 이용하여 시간경과에 따른 입자상 철분제거농도(ppb)에 관한 시험결과를 나타낸 그래프이다.
도 6는 본 발명에 따른 철분 제거장치를 이용하여 매트릭스 세척시 역새중의 입자상 철분에 의한 탁도변화(NTU) 시험결과를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명에 따른 용수에 함유된 입자상 철분 제거장치(세척시)의 측면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 원통형 영구자것 어셈블리의 일부 구성품인 영구자석 및 철심 고정대의 사시도이다.
도 4은 본 발명에 따른 철분 제거장치를 이용하여 유량변화에 따른 입자상 철분의 제거율(%)에 관한 시험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따른 철분 제거장치를 이용하여 시간경과에 따른 입자상 철분제거농도(ppb)에 관한 시험결과를 나타낸 그래프이다.
도 6는 본 발명에 따른 철분 제거장치를 이용하여 매트릭스 세척시 역새중의 입자상 철분에 의한 탁도변화(NTU) 시험결과를 나타낸 그래프이다.
이하 본 발명을 첨부한 도면에 의거하여 더욱 상세히 설명하기로 한다.
첨부 도면 중 도 1은 본 발명에 따른 용수에 함유된 입자상 철분 제거 장치(정화시)(10)의 측면도를 나타낸 것이고, 도 2는 본 발명에 따른 용수 중에 함유된 입자상 철분 제거 장치(세척시)(10)의 측면도를 나타낸 것이다. 도 1과 2에 의하면, 본 발명에 따른 장치는 크게 분류해서 원통형의 캐니스터(11), 캐니스터(11) 외부에 고정된 고자력 특성이 있는 영구자석 어셈블리(12), 캐니스터(11) 내부에 설치되어 용수 중 입자상 철분을 제거하기 위한 자성을 갖는 철강 재질로 제작된 다공성 매트릭스(13), 상기 영구자석 어셈블리를 이동시키기 위한 유압실린더(14)로 구성되어 있다.
즉, 영구자석 어셈블리(12)는 도 3에 확대하여 나타낸 바와 같이, 전체적으로 자성을 갖지 않는 철강 재질, 예를 들면 플라스틱과 같은 재질로 만들어져 있고, 중앙에 오각 기둥형으로 형성된 상?하 영구자석 설치부(111)와 그 주위에 삼각 기둥형으로 형성되어 있되 외곽부분은 라운드 형상으로 세로방향으로 세워져 있는 철심 고정부(112)가 일정한 간격으로 조립되어 있는 전체적으로 원통형 구조를 이루고 있고, 영구자석 설치부(111)의 상부와 하부에 네오디뮴 영구자석(17)이 조립되어지고, 철심 고정부(112) 사이에는 상하 2단의 영구자석(17)과 접하면서 자력선의 통로를 형성하게 되는 철심(18)이 조립되어지게 된다.
본 발명 장치의 원통형 캐니스터(11)는 고정 실린더(15)에 의해서 일정한 높이에서 고정되어 있으며, 그의 내부에는 용수 흐름이 가능한 자성을 갖는 철강 재질의 다공성 매트릭스(13)가 충전되어 있고, 그의 상부와 하부에는 자력선을 균등하게 통과시켜 주기 위하여 자성을 갖는 재질로 만들어진 다공성 폴(16)이 부가적으로 설치되어 있다.
상기 다공성 매트릭스(13)는 금속라스, 금속환, 울 형상 중의 어느 하나 또는 2가지 이상을 조합하여서 제작할 수 있다.
한편, 상기 원통형의 캐니스터(11)의 외면에는 앞에서 언급한 바와 같이 영구자석 어셈블리(12)가 원주형으로 배치되어 있되 네오디뮴 영구자석(17)이 상하 2단(1단에 3개 내지 50개의 영구자석으로 구성)으로 분리 설치되고, 유압실린더(13)에 의해 상하 방향으로 직선 운동을 할 수 있도록 구성되어 있다. 상기 영구자석 어셈블리(12)는 캐니스터(11) 내부에 충전되어 있는 다공성 매트릭스(13)에 고 자력선을 공급하는 역할을 하게 된다.
여기서, 상기 2단의 영구자석의 설치 간격은 50mm 내지 300mm 정도로 설정하는 것이 바람직하다. 만일 영구자석 어셈블리가 상기 범위를 벗어날 경우에는 매트릭스의 자기밀도가 낮아지게 되어 바람직하지 못하다.
그리고 상기 영구자석 어셈블리(12)의 상하 2단의 네오디뮴 영구자석(17) 외면에는 손실없이 자력선을 통과시킬 수 있도록 철심(Yoke)(18)이 설치되어 있다. 여기서 철심의 두께는 10mm 내지 70mm 정도로 설정하는 것이 바람직하다. 만일 철심이 없을 경우에는 자력선의 손실이 발생하게 되고, 철심이 너무 얇으면 매트릭스의 자기 밀도가 낮아지게 되어 바람직하지 못하다.
본 발명에 의하면, 용수 공급배관(19)과 용수 배출배관(20)의 사이에 차압 측정기(도면에 도시하지는 않음)를 설치하여 용수의 통과 압력을 측정하여 상기 다공성 매트릭스(13)의 상부와 하부 사이에서의 세척시기를 판단하게 된다.
본 발명에 의하면, 상기 차압 측정기에 의해 세척시기 도달시 매트릭스를 세척하기 위하여 세척수 공급배관(21), 용수 차단 밸브, 세척수 통수 및 차단 밸브를 부가적으로 설치할 수 있다. 도 1에서 부호 19는 정상적인 철분 제거 공정시에는 용수의 공급배관으로 사용하고 매트릭스를 세척할 때에는 세척수의 배출배관으로 사용한다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 증기발생 계통수 중 입자상 철분 제거장치를 이용한 용수에 함유된 입자상 철분을 제거방법은 다음과 같다.
본 발명에 의하면, 먼저, 도 1에서와 같이 자성을 갖는 철강 재질의 다공성 매트릭스(13)를 일정 높이를 갖는 캐니스터(11) 내부에 충전하고, 유압실린더(13)에 의해 캐니스터(11) 외면에 고정된 상하 2단의 영구자석 어셈블리(12)에 의해 상기 매트릭스(13)에 자력선을 공급한다.
다음에 영구자석 어셈블리(12) 상하 2단에 철심(18)을 접촉하여 외부에서 자력선 손실 없도록 하고, 입자상 철분을 함유한 용수를 공급배관(19)을 통해서 자화된 매트릭스(13)에 통과시키면, 용수에 함유된 입자상 철분은 자화된 매트릭스(13)에 의해서 제거되고 용수는 정화된다.
이와 같이 일정기간 동안 용수에 함유된 철분을 제거하면서 정화하는 과정을 반복하면, 매트릭스(13)의 효율이 떨어지게 되므로 매트릭스(13)를 세척할 필요가 있다. 이를 위해서 매트릭스(13) 상부와 하부 사이의 차압을 차압 측정기를 이용해서 측정하고, 차압이 일정 세척 기준치에 도달되면 용수 공급 밸브(도면에 도시하지 않음)를 차단하고 도 2에서와 같이 영구자석 어셈블리(12)를 유압 실린더(14)를 이용해서 매트릭스(13)가 없는 부위로 하향 이동시켜서 매트릭스의 자력을 없앤다.
다음에 세척수 공급 배관(21)의 밸브를 개방하여 매트릭스(13)에 세척수를 공급하여 일정시간 동안 세척한 후에 세척수 공급밸브(도면에 도시하지 않음)를 차단하고, 영구자석 어셈블리(12)를 유압 실린더(14)를 이용해서 다시 매트릭스(13) 주변의 원래 위치로 이동시킨다. 그리고 세척수 공급 배관(21)의 밸브를 차단하고 용수 공급배관(19)의 밸브를 개방하여 입자상 철분을 함유한 용수를 다시 공급배관(19)을 통해서 캐니스터 내부로 공급하여 입자상 철분 제거 공정을 재개한다.
이와 같이 네오디뮴 영구자석과 유압 기술을 이용하여 용수에 함유된 입자상 철분을 제거하고 일정기간 사용 후에 다공성 매트릭스를 세척하여 재이용하는 방법을 반복함으로써 에너지 낭비를 방지하고 폐기물 발생량을 최소화할 수 있다.
이와 같은 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
실시예
발전소 현장에서 보일러 급수에 함유되어 있는 입자상 철분의 제거 성능 평가를 위한 파일럿 시험을 수행하였다. 실험조건은 아래와 같으며 입자상 철분제거 성능은 본 발명의 장치에 유입된 철분 농도와 처리 후 철분 농도를 측정하여 연산하였다. 또한 매트릭스에 철분이 누적되었을 때 유압으로 영구자석 어셈블리를 매트릭스가 없는 부위로 이동시킨 후 매트릭스 세척을 수행하였다. 시간 경과에 따른 매트릭스 세척 효과는 세척수의 탁도를 측정하여 확인하였다.
1. 시험조건
- 파일럿 입자상 철분 제거 장치의 설계 유량 : 3 ㎥/hr
- 설치 장소 : 화력발전소 COP (Condensate Pump) 후단
- 철분 분석 : LIBD (Laser Induced Breakdown Detection) 방식으로 처리 전?후의 입자상 철분 농도 측정
- 탁도 측정 : 세척 효율 평가를 위하여 NTU 탁도계로 탁도 측정
2. 시험결과
가. 입자상 철분 제거율
본 발명의 장치를 이용하여 용수 유량 변화에 따른 입자상 철분 제거 성능을 측정하였다. 도 3은 입자상 철분 제거율에 대한 시험결과를 나타낸 것으로써, 처리 유량을 20, 30, 40, 50, 60 L/min으로 증가시킴에 따라 성능은 조금은 감소하나, 어느 경우나 98% 이상의 입자상 철분을 제거해 주는 우수한 성능을 보여 주었다.
나. 시간 경과에 따른 제거율
도 4는 시간 경과에 따른 입자상 철분 제거 성능 변화를 나타낸 것이다. 본 발명의 장치 가동 후 30분 정도면 제거율이 97% 수준으로 증가하여 일정하게 유지되었다. 운전 초기에 철분 농도가 높게 관찰된 것은 배관 내에 존재하는 입자상 철분이 세척되어 처리수에 유입되어 높은 것으로 판단된다.
다. 매트릭스 세척 효율
현장 적용 시험 기간중 차압 증가현상은 관찰되지 않았으며, 5시간 운전 후 매트릭스 세척 시 역세수중의 입자상 철분에 의한 탁도 변화에 대한 관찰 결과를 도 6에 나타내었다. 세척 시작 후 4분 정도면 매트릭스의 세척이 완료되는 것으로 확인되었다.
이상의 실험결과에서 설명하고 입증하듯이, 본 발명에 의한 용수중 입자상 철분 제거장치 및 방법에 의하면, 용수에 함유되어 있는 입자상 철분을 98%이상 제거가 가능하고, 일정 기간 사용 후 유압을 이용하여 영구자석 어셈블리를 매트릭스가 없는 위치로 이동한 상태에서 매트릭스를 세척함으로써 짧은 시간에 매트릭스 세척이 이루어 졌음을 확인할 수 있었다.
10 ---- 철분 제거장치
11 ---- 캐니스터
12 ---- 영구자석 어셈블리
13 ---- 다공성 매트릭스
14 ---- 유압실린더
15 ---- 고정 지지대
16 ---- 다공성 폴
17 ---- 네오디뮴 영구자석
18 ---- 철심
19 ---- 용수 공급배관/세척수 배출배관
20 ---- 용수 배출배관
21 ---- 세척수 공급배관
11 ---- 캐니스터
12 ---- 영구자석 어셈블리
13 ---- 다공성 매트릭스
14 ---- 유압실린더
15 ---- 고정 지지대
16 ---- 다공성 폴
17 ---- 네오디뮴 영구자석
18 ---- 철심
19 ---- 용수 공급배관/세척수 배출배관
20 ---- 용수 배출배관
21 ---- 세척수 공급배관
Claims (8)
- 자성을 갖는 철강재질의 다공성 매트릭스가 장착되고 일정 높이에 고정된 원통형 캐니스터; 상기 캐니스터 주위에 배치되고 유압 실린더에 고정되어 직선 이동이 가능한 영구자석 어셈블리; 상기 캐니스터 내부에 충전되고 자성을 갖는 철강재질로 만들어진 다공성 매트릭스; 철분을 함유한 용수 공급용 배관 및 처리수 배출용 배관과 밸브들로 구성하되,
상기 영구자석 어셈블리는 상기 매트릭스에 고 자력선을 발생시키기 위한 네오디뮴 영구자석이 상하 2단으로 구성되어 있고, 외부로 손실 없이 자력선을 통과시키기 위하여 상하 2단의 네오디뮴 영구자석 외면에 철심이 접촉되어 있는 것을 특징으로하고,
상기 매트릭스의 상부와 하부에는 자력선을 균등하게 통과시켜주며, 그 재질은 자성을 갖는 철강재질로 이루어진 다공성 폴이 형성된 것을 특징으로 하는 용수에 함유된 입자상 철분 제거 장치. - 삭제
- 삭제
- 청구항 1에 있어서,
상기 원통형 캐니스터는 자성을 갖지 않는 철강 재질로 제작된 것을 특징으로 하는 용수에 함유된 입자상 철분 제거 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 다공성 매트릭스는 자성을 갖는 철강 재질로써 금속라스, 금속환, 울 형상 중의 어느 하나 또는 2가지 이상을 조합한 것을 특징으로 하는 용수에 함유된 입자상 철분 제거 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 매트릭스의 세척시기를 판단하기 위해 매트릭스의 상부와 하부 사이에 차압 측정기가 추가되어 있는 것을 특징으로 하는 용수에 함유된 입자상 철분 제거 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 매트릭스를 세척하기 위해 세척수 공급배관, 세척수 통수 및 차단 밸브를 부가한 것을 특징으로 하는 용수에 함유된 입자상 철분 제거 장치. - 자성을 갖는 철강 재질의 다공성 매트릭스를 캐니스터 내부에 충전하는 단계; 유압실린더에 의해 캐니스터 외면에 고정된 상하 2단의 영구자석 어셈블리에 의해 상기 매트릭스에 자력선을 공급하는 단계; 영구자석 어셈블리 상하 2단에 철심을 접촉하여 자력선 손실 없도록 하는 단계; 입자상 철분을 함유한 용수가 자화된 매트릭스에 통과되는 단계, 용수에 함유된 입자상 철분이 자화된 매트릭스에서 제거되는 단계, 일정기간 사용 후 매트릭스 상부와 하부 사이의 차압을 측정하는 단계, 차압이 일정 세척 기준치에 도달되어 용수 공급 밸브를 차단하고 영구자석 어셈블리를 유압에 의해 매트릭스가 없는 부위로 영구자석 어셈블리를 이동시키는 단계, 세척수 공급 배관의 밸브를 개방하고 매트릭스에 세척수를 공급하는 단계, 일정 세척시간 경과 후 세척수 공급밸브를 차단하는 단계, 영구자석어셈블리를 유압으로 매트릭스 주변의 원래 위치로 이동시키는 단계, 용수 공급밸브를 개방하여 입자상 철분을 함유한 용수를 공급하여 입자상 철분 제거 공정을 재개하는 것을 특징으로 하는 용수에 함유된 입자상 철분 제거 방법.
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