KR101626532B1 - 석회석을 이용한 해수의 처리장치 및 처리방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 석회석을 이용한 해수의 처리장치 및 처리방법에 관한 것으로서, 발전소의 배가스에 포함된 황산화물을 해수로 탈황처리하는 해수의 처리장치로서, 해수와 석회석을 반응시키는 반응부와, 해수와 석회석을 교반하는 교반부와, 반응부에서 반응된 해수와 황산화물을 반응시켜 탈황하는 흡수부와, 탈황해수와 석회석을 반응시켜 탈황해수의 pH를 조정하고 탈황해수로부터 석회석을 분리하여 재사용하도록 침전시키는 침전부와, 탈황해수에 포함된 이산화탄소를 탈기하는 산화부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 따라서 본 발명은 발전소에서 배출되는 배가스에 포함된 황산화물의 해수탈황 공정시 반응부에서 해수의 알칼리도를 석회석에 의해 증가시켜 공급함으로써, 해수탈황시 해수 투입량을 저감하고 탈황 처리시간도 단축시킬 수 있는 동시에 탈황해수의 pH 조정에 대한 약품사용량을 절감하여 해수탈황 공정의 경제성을 향상시킬 수 있는 효과를 제공한다.

Description

석회석을 이용한 해수의 처리장치 및 처리방법{Apparatus for treating seawater using limestone and method thereof}
본 발명은 석회석을 이용한 해수의 처리장치 및 처리방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 발전소에서 배출되는 배가스에 포함된 황산화물을 해수로 탈황하는 탈황공정에서 해수를 처리하는 석회석을 이용한 해수의 처리장치 및 처리방법에 관한 것이다.
주로 활용하고 있는 배연탈황설비의 경우에는 흡수제로 석회석 이용하여, 부산물로 석고를 제조하는 습식 석회석-석고법을 적용하고 있다. 하지만, 설비의 노후화, 설비의 고장, 부적절한 운전 등과 같은 기계적인 문제와, 매스밸런스(Mass balance) 상의 문제, pH 설정점(set point)의 문제, 석회석 이용률 등의 프로세스(Process)적인 문제 등이 지속적으로 나타남으로써 경제적이고 운영적인 문제가 발생한다.
위와 같이 종래의 탈황 설비의 운영비용의 단점을 보완하기 위해서 적용하는 기술이 해수탈황 공정이다. 하지만, 해수탈황 공정 역시 유동적인 해수의 알칼리도를 맞추기 위해서 추가적인 약품 비용이 소모되는 문제가 있다.
해수탈황 공정의 경우, 탈황해수의 pH를 복원하기 위하여 NaOH, Ca(OH)2 등의 화학약품 투입 공정을 일반적으로 운영하고 있다. 하지만 약품의 투입 비용이 크게 발생하며, 향후 이와 같은 화학약품의 수급이 원활하지 않을 경우 탈황해수의 pH 복원이 용이하지 않으며, 환경 법적 규제치를 달성하지 못할 경우 발전설비의 운영에 어려움이 발생할 문제점이 있다.
또한, 현재 주로 활용되는 배연탈황장치는 크게 흡수제의 수분량에 따라 크게 건식법, 습식법으로 나누며, 흡수제의 재생여부에 따라 다시 재생법과 비재생법으로 분류할 수 있다.
습식법은 물 또는 알칼리성용액의 흡수제를 이용해 기상의 SO2 를 흡수하여 알칼리성분과 반응, 생성된 슬러지를 탈수처리 및 폐기하거나 석고와 같이 시장성 있는 부산물을 생산하는 방법으로, 90% 이상의 높은 제거효율을 가진다.
현재 국내에서 주로 활용하고 있는 배연탈황설비의 경우에는 흡수제로 석회석 이용, 부산물로 석고를 제조하는 습식 석회석-석고법을 채택하고 있다. 하지만 설비의 노후화, 설비의 고장, 부적절한 운전 등과 같은 기계적인 문제와 물질수지 상의 문제, pH 조절의 문제, 석회석 이용률 등의 공정 문제 등이 지속적으로 나타남으로써 경제적, 운영적인 문제가 발생한다.
대한민국 등록특허 제특1996-0010381호 (1996년 07월 31일) 대한민국 등록특허 제10-0701239호 (2007년 03월 29일)
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위해 안출한 것으로서, 해수탈황시 해수 투입량을 저감하고 탈황 처리시간도 단축시킬 수 있는 동시에 탈황해수의 pH 조정에 대한 약품사용량을 절감하여 해수탈황 공정의 경제성을 향상시킬 수 있는 석회석을 이용한 해수의 처리장치 및 처리방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 탈황해수의 pH 복원을 용이하게 하는 동시에 탈황해수의 처리시간을 단축시키고 해양으로 배출되는 탈황해수의 오염을 저감시킬 수 있는 석회석을 이용한 해수의 처리장치 및 처리방법을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 해수를 석회석과 반응시켜 흡수부와 침전부에 투입하고 해수원수를 저장하여 탈황해수의 pH 조정에 이용할 수 있는 석회석을 이용한 해수의 처리장치 및 처리방법을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 석회석과 해수 사이의 반응을 최적화하는 동시에 석회석과 해수 사이의 반응성을 향상시킬 수 있는 석회석을 이용한 해수의 처리장치 및 처리방법을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 탈황해수의 pH 복원 및 탈황해수에 포함된 오염물질의 제거를 용이하게 할 수 있는 석회석을 이용한 해수의 처리장치 및 처리방법을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 탈황해수와 석회석 사이의 반응을 최적화하는 동시에 탈황해수의 pH 복원성을 향상시킬 수 있는 석회석을 이용한 해수의 처리장치 및 처리방법을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 탈황해수에 포함된 오염물질을 제거하여 탈황해수의 오염도를 저감시키는 동시에 석회석을 재사용하여 신규로 투입되는 석회석을 감소시켜 석회석의 투입비용을 절감할 수 있는 석회석을 이용한 해수의 처리장치 및 처리방법을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 발전소의 배가스에 포함된 황산화물을 해수로 탈황처리하는 해수의 처리장치로서, 해수와 석회석을 반응시키는 반응부(10); 상기 반응부(10)의 내부에 설치되어 해수와 석회석 사이의 반응성을 향상시키도록 교반하는 교반부(20); 상기 반응부(10)의 하류에 연결되어, 상기 반응된 해수와 황산화물을 반응시켜 탈황하는 흡수부(30); 상기 흡수부(30)의 하류에 연결되어, 탈황해수에 석회석을 반응시켜 탈황해수의 pH를 조정하고, 탈황해수로부터 석회석을 분리하여 재사용하도록 침전시키는 침전부(40); 및 상기 침전부(40)의 하류에 연결되어, 탈황해수에 포함된 이산화탄소를 탈기하는 산화부(50);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 침전부(40)의 하류에 연결되어, 상기 탈황해수와 해수의 반응후 탈황해수의 pH를 조정하도록 약품을 투입하는 약품투입부(60);를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 반응부(10)는, 해수에 석회석을 반응시켜 상기 흡수부(30)와 상기 침전부(40)로 배출하는 반응조; 및 해수를 저장하여 상기 산화부(50)로 배출하는 저장조;를 포함한다.
본 발명의 상기 반응부(10)는, 석회석과 해수를 1:2000 내지 1:500의 비율로 혼합하여 반응시킨다. 본 발명의 상기 흡수부(30)는, 해수와 황산화물을 반응시켜 탈황하도록 하부에 저류조가 형성된 흡수탑으로 이루어져 있다.
본 발명의 상기 침전부(40)는, 탈황해수와 석회석을 반응시켜 탈황해수의 pH를 조정하는 해수복원조; 및 상기 해수복원조의 하류에 연결되어, 탈황해수로부터 석회석을 분리하여 상기 해수복원조에서 재사용하도록 침전시키는 침전조;를 포함한다.
본 발명의 상기 해수복원조는, 석회석과 탈황해수를 1:2000 내지 1:1000의 비율로 혼합하여 1분 내지 30분 동안 반응시켜 탈황해수의 pH를 조정한다.
본 발명의 상기 침전조는, 침전조 상부의 부유물질을 분리해서 외부로 배출하고, 침전조 하부의 석회석을 분리해서 분리된 석회석의 40∼60%를 상기 해수복원조에 재투입하고, 침전조의 상등액을 상기 산화부(50)로 배출한다.
또한, 본 발명은 상기 기재된 해수의 처리장치를 사용하는 석회석을 이용한 해수의 처리방법으로서, 해수와 석회석을 교반하는 단계; 해수에 석회석을 반응시키는 단계; 상기 반응된 해수와 황산화물을 반응시켜 탈황하는 단계; 상기 탈황에 사용된 탈황해수와 석회석을 반응시키는 단계; 상기 반응된 탈황해수로부터 석회석을 분리하여 재사용하도록 침전시키는 단계; 및 상기 탈황해수에 포함된 이산화탄소를 탈기하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 침전시키는 단계 후에, 탈황해수의 pH를 조정하도록 상기 침전분리된 탈황해수에 해수원수를 투입하여 희석하거나, 약품을 투입하거나, 해수원수를 투입하여 희석한 후 약품을 투입하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 해수와 석회석을 반응시키는 단계는, 석회석과 해수를 1:2000 내지 1:500의 비율로 혼합하여 반응시킨다. 본 발명의 상기 탈황해수와 석회석를 반응시키는 단계는, 석회석과 탈황해수를 1:2000 내지 1:1000의 비율로 혼합하여 1분 내지 30분 동안 반응시켜 탈황해수의 pH를 조정한다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 발전소에서 배출되는 배가스에 포함된 황산화물의 해수탈황 공정시 반응부에서 해수의 알칼리도를 석회석에 의해 증가시켜 공급함으로써, 해수탈황시 해수 투입량을 저감하고 탈황 처리시간도 단축시킬 수 있는 동시에 탈황해수의 pH 조정에 대한 약품사용량을 절감하여 해수탈황 공정의 경제성을 향상시킬 수 있는 효과를 제공한다.
또한, 침전부의 하류에 약품투입부를 연결 설치함으로써, 탈황해수의 pH 복원을 용이하게 하는 동시에 탈황해수의 처리시간을 단축시키고 해양으로 배출되는 탈황해수의 오염을 저감시킬 수 있게 된다.
또한, 반응부에 반응조와 저장조를 구비함으로써, 해수를 석회석과 반응시켜 흡수부와 침전부에 투입하고 해수원수를 저장하여 탈황해수의 pH 조정에 이용할 수 있게 된다.
또한, 반응부에서 석회석과 해수의 혼합비를 소정범위로 한정하고 석회석의 입경의 소정범위로 한정하여 반응시킴으로써, 석회석과 해수 사이의 반응을 최적화하는 동시에 석회석과 해수 사이의 반응성을 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 침전부에 해수복원조와 침전조를 순차적으로 연결하여 설치함으로써, 탈황해수의 pH 복원 및 탈황해수에 포함된 오염물질의 제거를 용이하게 할 수 있게 된다.
또한, 해수복원조에서 탈황해수과 석회석의 혼합비를 소정범위로 한정하고 반응시간을 한정하여 반응시킴으로써, 탈황해수와 석회석 사이의 반응을 최적화하는 동시에 탈황해수의 pH 복원성을 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 침전조에서 탈황해수의 부유물질을 제거하고 석회석을 침전시켜 회수함으로써, 탈황해수에 포함된 오염물질을 제거하여 탈황해수의 오염도를 저감시키는 동시에 석회석을 재사용하여 신규로 투입되는 석회석을 감소시켜 석회석의 투입비용을 절감할 수 있는 효과를 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 석회석을 이용한 해수의 처리장치를 나타내는 구성도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 석회석을 이용한 해수의 처리방법을 나타내는 흐름도.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 석회석을 이용한 해수의 처리장치를 더욱 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 석회석을 이용한 해수의 처리장치를 나타내는 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 석회석을 이용한 해수의 처리방법을 나타내는 흐름도이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 본 실시예에 의한 석회석을 이용한 해수의 처리장치는, 반응부(10), 교반부(20), 흡수부(30), 침전부(40) 및 산화부(50)를 포함하여 이루어져 있다.
반응부(10)는, 해수와 석회석을 반응시키는 반응조로서, 석회석과 해수를 반응시켜 해수의 알칼리도를 증가시키게 되며, 해수유입관(11), 저장조(14), 석회석 유입관(15), 석회석탱크(16) 및 반응조(17)로 이루어져 있다.
이러한 석회석은, 탄산칼슘(CaCO3)를 주성분으로 하는 수성암의 일종으로, 품질의 규격을 용도에 따라 다르지만 CaO가 45 %가 이상인 것을 사용하며, 불순물로는 이산화규소, 알루미나, 마그네시아 등을 함유한다. 또한, 석회석은 입경이 작을수록 반응이 빠르기 때문에 가급적 미세한 것이 좋으나, 공정의 적용성을 위하여 200㎛ 이하 입경의 석회석을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 해수와 석회석의 반응성이 우수한 경우에는 200㎛ 보다 큰 입경의 석회석을 사용하는 것도 가능함은 물론이다.
해수유입관(11)은, 해양으로부터 해수원수를 유입시키는 배관부재로서, 해수유입관(11)의 하류에는 반응조(17)로 분기하여 펌핑하는 제1 워터펌프(12)와, 저장조(14)로 분기하여 펌핑하는 제2 워터펌프(13)가 설치되어 있다.
저장조(14)는, 제2 워터펌프(13)의 하류에 연결되어 해수를 저장하는 저장수단으로서, 저장조(14)에 저장된 해수는 흡수부(30)로 배출되거나 산화부(50)로 배출된다.
석회석 유입관(15)은, 외부의 석회석 공급수단으로부터 석회석이 유입되는 배관부재로서, 석회석 유입관(15)의 하류에는 석회석을 일시적으로 저장하는 석회석탱크(16)가 설치되어 있다.
반응조(17)는, 제1 워터펌프(12)의 하류에 연결되고 석회석탱크(16)의 하류에 연결된 반응수단으로서, 해수와 석회석을 반응시켜 해수의 알칼리도를 증가시키게 된다.
반응조(17)에서는 석회석과 해수를 1:2000 내지 1:500의 비율로 혼합하여 반응시키는 것이 바람직하다. 그 이유는 석회석과 해수의 혼합비가 1:2000 보다 낮으면 해수의 알칼리도의 상승효과 미미하고, 1:500 보다 높으면 해수의 알칼리도의 상승이 용이하나 해수에 석회석의 함량이 증가되어 해수의 유동성이 저하되기 때문이다.
또한, 반응조(17)의 하류에는 공급펌프가 설치되어, 석회석과 반응한 해수를 흡수부(30)로 배출시키는 동시에 해수의 배출량을 적절하게 조절할 수 있게 되는 것도 가능함은 물론이다.
교반부(20)는, 반응부(10)의 반응조(17)의 내부에 설치된 교반기로 이루어져, 해수와 석회석을 일정속도로 교반하여 해수와 석회석 사이의 반응성을 향상시키게 된다.
흡수부(30)는, 반응부(10)의 하류에 연결되어, 석회석과 반응한 해수와, 발전소에서 배출되는 배가스에 포함된 황산화물을 반응시켜 탈황하는 탈황수단으로서, 흡수탑(31), 배가스 유입구(32), 교반기(33) 및 열교환기(34)로 이루어져 있다.
흡수탑(31)은, 석회석과 반응한 해수와, 발전소의 배가스에 포함된 황산화물을 반응시켜 탈황하도록 하부에 저류조가 형성되어 있고, 상부에 해수를 분사하는 분사관이 설치되어 있다.
배가스 유입구(32)는, 흡수탑(31)의 하부에 설치된 유입수단으로서, 발전소에서 배출되는 배가스가 유입되어 흡수탑(31)의 상부에 설치된 배가스 유출구를 통해서 상방으로 배출된다.
교반기(33)는, 흡수탑(31)의 하부에 형성된 저류조에 설치된 교반수단으로서, 발전소의 배가스에 포함된 황산화물과 반응하여 탈황처리된 탈황해수를 교반하게 된다.
열교환기(34)는, 배가스 유입구(32)의 상류에 설치된 배가스 배관과 배가스 유출구의 하류에 설치된 배가스 배관이 서로 통과하도록 설치된 가스히터로서, 배가스의 폐열을 이용하여 가스를 히팅하게 된다.
침전부(40)는, 흡수부(30)의 하류에 연결되어, 탈황해수와 석회석을 반응시켜 탈황해수의 pH를 조정하고, 탈황해수와 석회석을 분리하여 일부를 재사용하도록 침전시키는 분리수단으로서, 해수복원조(41), 침전조(42), 석회석 투입기(43)로 이루어져 있다.
해수복원조(41)는, 탈황해수와 석회석 또는 반응부(10)에서 석회석과 반응한 해수를 반응시켜 탈황해수의 pH를 조정하는 해수의 pH 복원수단으로서, 해수복원조(41)의 일방에는 탈황해수의 유입량이나 탈황해수의 pH에 근거해서 석회석을 소정량 투입하는 석회석 투입기(43)가 설치되어 있다.
또한, 해수복원조(41)의 하부에는 탈황해수와 석회석 사이의 반응성을 향상시키도록 외부의 에어공급수단으로부터 에어를 투입하는 분배관이 설치되어 있는 것도 가능함은 물론이다.
이러한 해수복원조(41)에서는 석회석과 탈황해수를 1:2000 내지 1:1000의 비율로 혼합하여 1분 내지 30분 동안 반응시켜 탈황해수의 pH를 3.5 이상으로 조정하는 것이 바람직하다.
그 이유는 석회석과 탈황해수의 혼합비가 1:2000 보다 낮으면 탈황해수의 pH 조정시간이 과다하게 소요되고, 1:1000 보다 높으면 탈황해수의 pH 조정시간은 단축되지만 탈황해수의 유입량을 줄여야 하므로 탈황해수의 유동성이 저하되기 때문이다.
또한, 석회석과 탈황해수의 혼합 반응시간이 1분 보다 짧으면 탈황해수의 pH의 상승효과가 미미하고, 30분 보다 길면 탈황해수의 pH의 상승이 용이하나 탈황해수의 유동이 지체되어 탈황해수의 유동성이 저하되기 때문이다.
특히, 석회석과 탈황해수 사이의 반응성이 낮은 경우 또는 탈황해수의 pH가 낮은 경우에는, 석회석과 탈황해수의 혼합비를 1:1000 보다 높이거나 석회석과 탈황해수의 혼합 반응시간을 30분 보다 길게하는 것도 가능하지만 상기 혼합비와 반응시간을 유지하도록 제어하는 것이 바람직하다.
침전조(42)는, 해수복원조(41)의 하류에 연결되어, 탈황해수로부터 석회석을 분리하여 일부를 재사용하도록 침전시키는 침전수단으로서, 침전조(42)의 상부의 부유물질을 외부로 배출하고, 하부에 설치된 체인플레이트를 이용하여 침전조(42)의 하부의 석회석을 진공필터(44)를 통해 분리해서 분리된 석회석의 40∼60%를 해수복원조(41)로 반송시켜 재사용하게 되고 나머지의 탈황해수를 침전조(42)로 복귀시켜 재침전하게 되고, 침전조(42)의 상등액인 탈황해수를 산화부(50)로 배출하게 된다.
이때 침전조(42)에서 분리된 석회석의 50%를 해수복원조(41)로 반송시켜 탈황해수의 pH 조정에 재사용하거나, 반응부(10)로 반송시켜 해수와의 반응에 재사용함으로써, 신규로 투입되는 석회석의 사용량을 감소시켜 석회석의 투입비용을 절감할 수 있게 되는 것이 바람직하다.
산화부(50)는, 침전부(40)의 하류에 연결되어 외부의 공기투입에 의해 탈황해수에 포함된 이산화탄소(CO2)를 탈기하는 산화수단으로서, 탈기조(51), 공기투입관(52), 블로워(53), 분배관(54), 배수관(55)으로 이루어져 있다.
또한, 이러한 산화부(50)는, 반응부(10)의 저장조(14)의 하류에도 연결되어, 탈황해수와 저장조(14)의 해수원수를 혼합하여 탈황해수를 해수원수로 희석하므로, 탈황해수의 pH를 해수원수와의 희석에 의해 조정하는 것도 가능함은 물론이다.
탈기조(51)는, 침전부(40)의 하류에 연결되어 탈황해수에 포함된 이산화탄소(CO2)를 탈기하는 탈기수단으로서, 탈기조(51)의 하부에는 외부의 공기투입관(52)으로부터 블로워(53)를 통해서 송풍되어 탈기조(51)의 내부 바닥에 공기가 투입되도록 분배관(54)이 설치되어 있고, 탈기조(51)의 하류에는 탈기조(51)의 내부에서 외부의 공기에 의해 탈기된 탈황해수가 해양으로 배출되도록 배수관(55)이 연결되어 있다.
따라서 산화부(50)에서는, 탈황해수를 해수원수와 혼합하여 희석해서 탈황해수의 pH를 조정하는 동시에 외부로부터 공기를 탈기조(51)에 투입하여 탈황해수를 탈기한 후 해양으로 배출하게 된다.
또한, 도 1에 나타낸 바와 같이 본 실시예의 석회석을 이용한 해수의 처리장치는, 침전부(40)의 하류에 연결되어 탈황해수와 석회석의 반응후 탈황해수의 pH를 조정하도록 약품을 투입하는 약품투입부(60)를 더 포함하여 이루어지는 것도 가능함은 물론이다.
약품투입부(60)는, 침전부(40)의 하류에 연결되되 산화부(50)의 상류에 연결되어, 침전부(40)에서 탈황해수와 석회석과의 반응 후 탈황해수의 pH를 조정하도록 약품을 투입하는 약품투입수단으로서, 약품공급관(61), 약품저장조(62), 투입펌프(63)로 이루어져 있다.
약품저장조(62)는, 탈황해수의 pH를 정밀하게 조정하도록 수산화나트륨(NaOH) 등의 소정량의 약품을 투입하기 위해 약품을 저장하는 저장수단으로서, 약품저장조(62)의 상류에는 외부로부터 약품을 공급하기 위한 약품공급관(61)이 연결되어 있고, 약품저장조(62)의 하류에는 탈황해수의 pH에 따라 약품의 투입량을 조절하도록 투입펌프(63)가 설치되어 있다.
따라서 이러한 약품투입부(60)는, 침전부(40)에서 탈황해수와 석회석과의 반응 후 탈황해수가 적정한 pH로 복원되지 않은 경우, 또는 산화부(50)에서 탈황해수와 해수원수를 희석 반응시켜 탈황해수가 적정한 pH로 복원되지 않은 경우에, 탈황해수의 pH를 증가시키기 위해 수산화나트륨(NaOH) 등의 약품을 투입하게 된다.
즉, 침전부(40)에서 탈황해수와 석회석과의 반응 후 탈황해수가 적정한 pH로 복원된 경우, 또는 산화부(50)에서 탈황해수와 해수원수를 희석 반응시켜 탈황해수가 적정한 pH로 복원된 경우에는 약품투입부(60)에 의한 약품투입 없이 탈황해수를 해양으로 배출하는 것도 가능함은 물론이다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 석회석을 이용한 해수의 처리방법을 더욱 상세히 설명한다.
도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이 본 실시예의 해수의 처리장치를 사용하는 석회석을 이용한 해수의 처리방법은, 해수와 석회석 교반단계(S10), 해수와 석회석 반응단계(S20), 탈황단계(S30), 탈황해수와 석회석 반응단계(S40), 침전단계(S50) 및 탈기단계(S70)를 포함하여 이루어져 있다.
해수와 석회석 교반단계(S10)는, 해수와 석회석을 교반기에 의해 일정속도로 교반하는 단계로서, 해수와 석회석 반응단계(S20)에서 해수와 석회석 사이의 반응성을 향상시키도록 해수와 석회석을 교반기에 의해 교반시키게 된다.
해수와 석회석 반응단계(S20)는, 해수와 석회석을 반응시키는 단계로서, 외부로부터 공급되는 입경이 200㎛ 이하인 석회석과 해수를 반응시켜 해수의 알칼리도를 증가시키게 된다. 또한, 해수와 석회석의 반응성이 우수한 경우에는 200㎛ 보다 큰 입경의 석회석을 사용하는 것도 가능함은 물론이다.
이러한 해수와 석회석 반응단계(S20)에서는 석회석과 해수를 1:2000 내지 1:500의 비율로 혼합하여 반응시키는 것이 바람직하다. 그 이유는 석회석과 해수의 혼합비가 1:2000 보다 낮으면 해수의 알칼리도의 상승효과 미미하고, 1:500 보다 높으면 해수의 알칼리도의 상승이 용이하나 해수에 석회석의 함량이 증가되어 해수의 유동성이 저하되기 때문이다.
탈황단계(S30)는, 해수와 석회석 반응단계(S20)에서 알칼리도가 증가된 해수와, 발전소에서 배출되는 배가스에 포함된 황산화물을 반응시켜 황산화물을 탈황하는 단계로서, 해수와 황산화물을 반응시켜 탈황하도록 하부에 저류조가 형성된 흡수탑에서 해수와 황산화물을 반응시키게 된다.
또한, 흡수탑에서 배가스와 해수는 다음과 같은 반응식 1의 화학작용에 의하여 반응한다.
[반응식 1]
SO2 + HCO3 - → HSO3- + CO2
SO2 + H2O → HSO3 - + H+
HSO3 - + ½O2 → SO4 2- + H+
위와 같은 반응에 따라 HSO3 -는 부분적으로 산화되어 SO4 2-로 전환되며, 흡수액으로 사용되는 해수 내의 수소이온이 증가하기 때문에, pH 3 이하로 감소하게 된다.
또한, 탈황단계(S30)에서는, 해수와 황산화물을 반응시켜 탈황한 후 흡수탑의 내부에서 집진하거나 외부에 별도로 설치된 집진기에 의해 집진하는 것이 바람직하다.
탈황해수와 석회석 반응단계(S40)는, 탈황단계(S30)에서 배출된 탈황해수와, 석회석이나 반응단계(S20)에서 알칼리도가 증가된 해수를 반응시켜 탈황해수의 pH를 1차로 조정하는 1차 복원단계로서, 탈황해수와 석회석이나 알칼리도가 증가된 해수를 반응시켜 탈황해수의 pH를 증가시키게 된다.
이러한 탈황해수와 석회석 반응단계(S40)에서는 석회석과 탈황해수를 1:2000 내지 1:1000의 비율로 혼합하여 1분 내지 30분 동안 반응시켜 탈황해수의 pH를 3.5 이상으로 조정하는 것이 바람직하다.
그 이유는 석회석과 탈황해수의 혼합비가 1:2000 보다 낮으면 탈황해수의 pH 조정시간이 과다하게 소요되고, 1:1000 보다 높으면 탈황해수의 pH 조정시간은 단축되지만 탈황해수의 유입량을 줄여야 하므로 탈황해수의 유동성이 저하되기 때문이다.
또한, 석회석과 해수의 혼합 반응시간이 1분 보다 짧으면 탈황해수의 pH의 상승효과가 미미하고, 30분 보다 길면 탈황해수의 pH의 상승이 용이하나 탈황해수의 유동이 지체되어 탈황해수의 유동성이 저하되기 때문이다.
특히, 석회석과 탈황해수 사이의 반응성이 낮은 경우 또는 탈황해수의 pH가 낮은 경우에는, 석회석과 탈황해수의 혼합비를 1:1000 보다 높이거나 석회석과 탈황해수의 혼합 반응시간을 30분 보다 길게하는 것도 가능하지만 상기 혼합비와 반응시간을 유지하도록 제어하는 것이 바람직하다.
침전단계(S50)는, 탈황해수와 석회석 반응단계(S40)에서 해수와 반응된 탈황해수로부터 석회석을 분리하여 재사용하도록 침전조(42)에서 침전시키는 단계로서, 침전조 상부의 부유물질을 분리해서 외부로 배출하고, 침전조 하부의 석회석을 분리해서 해수복원조로 반송하여 재사용하고, 침전조의 상등액인 탈황해수를 후공정인 탈기단계(S70)로 배출하게 된다.
탈기단계(S70)는, 침전단계(S50)에서 분리된 탈황해수에 포함된 이산화탄소를 탈기조(51)에서 탈기하는 단계로서, 외부로부터 공기를 탈기조(51)에 투입하여 탈황해수를 탈기한 후 해양으로 배출하게 된다.
또한, 해수복원반응에는 탈기조(51)에서 해수원수를 투입하여 희석하거나 NaOH 등의 약품을 주입하여 pH 복원 반응이 진행된다. 탈기조(51)에서는 냉각수로 사용된 해수원수에 포함되어 있는 HCO3 - 등의 알칼리도 물질이 반응하는 작용이 진행된다. 흡수탑에서 SO2 제거 반응에 사용된 탈황해수의 pH가 낮아져 있기 때문에 탈황해수의 pH 복원을 위한 중화반응이 반응식 2와 같이 진행된다.
[반응식 2]
HCO3 - + H+ → CO2 + H2O
이때 COD(Chemical Oxygen Demand)는 HSO3 -의 산화에 의해 감소되며, DO(Dissolved Oxygen)는 탈기조(51)에 공급되는 공기(Oxidation Air)에 의해 반응식 3과 같이 회복된다.
[반응식 3]
HSO3 - + ½O2 → SO4 2- + H+ (Oxidation)
산화부(50)를 통해 공급되는 공기에 의해 용해되어 있는 CO2는 가스상으로 전환되어 대기 중으로 배출되고, 탈황해수의 수중에 용해되어 있는 CO2가 제거되기 때문에 탈황해수의 pH는 반응식 4와 같이 상승하게 된다.
[반응식 4]
CO3 2- + 2H+ → CO2↑+ H2O
HCO3 - + H+ → CO2↑+ H2O
탈기조(51)에는 SO4 2-가 완전하게 용해되기 때문에 폐기물이 발생하지 않는다. 특히 SO4 2-는 일반 해수원수에도 자연적으로 포함되어 있는 물질이기 때문에, 본 실시예의 해수의 처리방법은 환경친화적인 공정이라 할 수 있다.
또한, 본 실시예의 석회석을 이용한 해수의 처리방법은, 침전단계(S50)와 탈기단계(S70) 사이에 탈황해수의 pH를 2차로 조정하도록 침전분리된 탈황해수에 해수원수를 투입하여 희석하거나, 약품을 투입하거나, 해수원수를 투입하여 희석한 후 약품을 투입하는 단계(S60)를 더 포함하는 것도 가능함은 물론이다.
약품투입단계(S60)는, 탈황해수와 석회석 반응단계(S40)에서 탈황해수와 석회석의 반응후, 약품이나 해수원수를 투입하여 탈황해수의 pH를 2차로 조정하는 2차 복원단계로서, 탈황해수와 석회석 반응단계(S40)에서 적정한 탈황해수의 pH가 되지 않았을 경우에 탈황해수의 pH를 증가시켜 조정하기 위해 수산화나트륨(NaOH) 등의 약품을 투입하거나 해수원수를 투입하게 된다.
또한, 약품투입단계(S60)는, 탈황해수와 석회석 반응단계(S40)에서 탈황해수와 석회석의 반응후, 해수원수를 먼저 투입하여 탈황해수의 pH를 조정하고, 다음으로 약품을 투입하여 탈황해수의 pH를 조정하는 것도 가능함은 물론이다.
[실시예]
통상적으로 400 MW 발전소 기준으로 해수 사용량은 약 50,000 ㎥-해수/hr가사용되어 진다. 탈황해수의 복원에는 일반적으로 약 25,000 ㎥-해수/hr의 탈황해수와 약 25,000 ㎥-해수/hr의 해수원수의 반응이 진행된다. 이들의 비율을 적용하여 탈황해수 200 mL과 해수 원수 205 mL을 이용하여 탈황해수의 pH 복원 효율을 평가하였다.
그 결과, 석회석을 이용하여 탈황해수의 pH를 복원한 탈황해수의 pH가 3.5를 달성할 경우에, 해수원수와의 희석공정을 통하여 방류되는 탈황해수의 pH를 6 이상으로 복원하는 것이 가능하였다.
또한, 50 rpm의 교반 조건에서 석회석 0.01g과 탈황해수 200 mL의 반응에 따른 탈황해수의 pH 복원을 평가하였다. 이 경우에 탈황해수의 pH 조건을 달리하여 탈황해수의 pH 복원 정도를 평가하였다.
이와 같이, 석회석 0.01 g과 탈황해수 200 mL을 반응시킨 결과, 초기 탈황해수의 pH 2.5 조건에서는 탈황해수의 pH 복원이 적절하게 진행되지 않는 것으로 나타났으며, 초기 탈황해수의 pH 3 이상의 조건에서 탈황해수의 pH 복원이 반응시간이 경과됨에 따라 진행되었다.
또한, 50 rpm의 교반 조건에서 석회석 0.1 g과 탈황해수 200 mL의 반응에 따른 탈황해수의 pH 복원을 평가하였다. 이 경우에도 초기 탈황해수의 pH 조건을 달리하여 탈황해수의 pH 복원 정도를 평가하였다.
그 결과, 초기 탈황해수의 pH에 따라 반응시간에 따른 탈황해수의 pH 복원효율이 달라지는 것을 확인하였다. 탈황해수의 pH 2.5 조건에서 반응시간이 약 30 분 경과되었을 때 탈황해수의 pH 복원이 3.5를 달성하는 것으로 평가되었다.
이와 같이, 탈황해수와 석회석을 하나의 복원조에서 1차적으로 반응시킨 후, 탈황해수와 해수원수를 희석하는 2차 반응은 다른 복원조에서 진행시킨다. 두 개의 복원조를 이용한 실험을 수행하였다.
1차 반응의 경우 탈황해수와 증대물질이 반응하는 단계이며, 2차 반응의 경우 1차 반응된 탈황해수와 해수원수의 희석 반응이 진행되는 단계이다. 1차 복원조에 투입되는 탈황해수는 분당 약 0.33 L/min이 투입된다.
그리고 매 3 분마다 석회석을 0.5 g 투입하였다. 탈황해수와 석회석을 초기 3분동안 반응시킨 후, 2차 복원조로 분당 약 0.33 L/min의 유량이 이송된다. 그 다음 0.33 L/min으로 유입되는 1차 반응된 탈황해수와 함께 해수원수가 동일한 유량으로 투입되어 2차 반응을 진행시켰다.
1차 복원조와 2차 복원조 각각에 pH 측정기(Meter)를 설치하여 30 초 단위로 동시에 탈황해수의 pH를 측정하였다. 1차 복원조의 측정 데이터가 30초 이후부터 측정된 것은 pH 측정기(Meter)의 위치까지 2차 복원조가 채워지는데 시간이 필요하기 때문이다.
본 실험에서는 연속적으로 4 회 이상의 해수복원이 진행되는 시간동안 연속측정을 진행하였다. 그 결과 안정적으로 pH 6 이상의 해수로 복원하여 방류하기 위한 조건을 살펴보면, 1 L의 탈황해수에 석회석 0.65 g 이상이 3 분 마다 투입되어야 하며, 분당 약 0.7 L의 공기가 투입되었다. 또한 1 L의 해수원수가 혼합되어야 하는 것으로 나타났다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 발전소에서 배출되는 배가스에 포함된 황산화물의 해수탈황 공정시 반응부에서 해수의 알칼리도를 석회석에 의해 증가시켜 공급함으로써, 해수탈황시 해수 투입량을 저감하고 탈황 처리시간도 단축시킬 수 있는 동시에 탈황해수의 pH 조정에 대한 약품사용량을 절감하여 해수탈황 공정의 경제성을 향상시킬 수 있는 효과를 제공한다.
또한, 침전부의 하류에 약품투입부를 연결 설치함으로써, 탈황해수의 pH 복원을 용이하게 하는 동시에 탈황해수의 처리시간을 단축시키고 해양으로 배출되는 탈황해수의 오염을 저감시킬 수 있게 된다.
또한, 반응부에 반응조와 저장조를 구비함으로써, 해수를 석회석과 반응시켜 흡수부와 침전부에 투입하고 해수원수를 저장하여 탈황해수의 pH 조정에 이용할 수 있게 된다.
또한, 반응부에서 석회석과 해수의 혼합비를 소정범위로 한정하고 석회석의 입경의 소정범위로 한정하여 반응시킴으로써, 석회석과 해수 사이의 반응을 최적화하는 동시에 석회석과 해수 사이의 반응성을 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 침전부에 해수복원조와 침전조를 순차적으로 연결하여 설치함으로써, 탈황해수의 pH 복원 및 탈황해수에 포함된 오염물질의 제거를 용이하게 할 수 있게 된다.
또한, 해수복원조에서 탈황해수과 석회석의 혼합비를 소정범위로 한정하고 반응시간을 한정하여 반응시킴으로써, 탈황해수와 석회석 사이의 반응을 최적화하는 동시에 탈황해수의 pH 복원성을 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 침전조에서 탈황해수의 부유물질을 제거하고 석회석을 침전시켜 회수함으로써, 탈황해수에 포함된 오염물질을 제거하여 탈황해수의 오염도를 저감시키는 동시에 석회석을 재사용하여 신규로 투입되는 석회석을 감소시켜 석회석의 투입비용을 절감할 수 있는 효과를 제공한다.
이상 설명한 본 발명은 그 기술적 사상 또는 주요한 특징으로부터 벗어남이 없이 다른 여러 가지 형태로 실시될 수 있다. 따라서 상기 실시예는 모든 점에서 단순한 예시에 지나지 않으며 한정적으로 해석되어서는 안 된다.
10: 반응부 20: 교반부
30: 흡수부 40: 침전부
50: 산화부 60: 약품투입부

Claims (12)

  1. 발전소의 배가스에 포함된 황산화물을 해수로 탈황처리하는 해수의 처리장치로서,
    해수와 석회석을 반응시키는 반응부(10);
    상기 반응부(10)의 내부에 설치되어 해수와 석회석 사이의 반응성을 향상시키도록 교반하는 교반부(20);
    상기 반응부(10)의 하류에 연결되어, 상기 반응된 해수와 황산화물을 반응시켜 탈황하는 흡수부(30);
    상기 흡수부(30)의 하류에 연결되어, 탈황해수에 석회석을 반응시켜 탈황해수의 pH를 조정하고, 탈황해수로부터 석회석을 분리하여 재사용하도록 침전시키는 침전부(40); 및
    상기 침전부(40)의 하류에 연결되어, 탈황해수에 포함된 이산화탄소를 탈기하는 산화부(50);를 포함하고,
    상기 침전부(40)는,
    탈황해수와 석회석을 반응시켜 탈황해수의 pH를 조정하는 해수복원조; 및
    상기 해수복원조의 하류에 연결되어, 탈황해수로부터 석회석을 분리하여 상기 해수복원조에서 재사용하도록 침전시키는 침전조;를 포함하는 것을 특징으로 하는 석회석을 이용한 해수의 처리장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 침전부(40)의 하류에 연결되어, 상기 탈황해수와 해수의 반응후 탈황해수의 pH를 조정하도록 약품을 투입하는 약품투입부(60);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 석회석을 이용한 해수의 처리장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응부(10)는,
    해수에 석회석을 반응시켜 상기 흡수부(30)와 상기 침전부(40)로 배출하는 반응조; 및
    해수를 저장하여 상기 산화부(50)로 배출하는 저장조;를 포함하는 것을 특징으로 하는 석회석을 이용한 해수의 처리장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응부(10)는, 석회석과 해수를 1:2000 내지 1:500의 비율로 혼합하여 반응시키는 것을 특징으로 하는 석회석을 이용한 해수의 처리장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 흡수부(30)는, 해수와 황산화물을 반응시켜 탈황하도록 하부에 저류조가 형성된 흡수탑으로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 석회석을 이용한 해수의 처리장치.
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 해수복원조는, 석회석과 탈황해수를 1:2000 내지 1:1000의 비율로 혼합하여 1분 내지 30분 동안 반응시켜 탈황해수의 pH를 조정하는 것을 특징으로 하는 석회석을 이용한 해수의 처리장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 침전조는, 침전조 상부의 부유물질을 분리해서 외부로 배출하고, 침전조 하부의 석회석을 분리해서 분리된 석회석의 40∼60%를 상기 해수복원조에 재투입하고, 침전조의 상등액을 상기 산화부(50)로 배출하는 것을 특징으로 하는 석회석을 이용한 해수의 처리장치.
  9. 제 1 항에 기재된 해수의 처리장치를 사용하는 석회석을 이용한 해수의 처리방법으로서,
    해수와 석회석을 교반하는 단계;
    해수에 석회석을 반응시키는 단계;
    상기 반응된 해수와 황산화물을 반응시켜 탈황하는 단계;
    상기 탈황에 사용된 탈황해수와 석회석을 반응시키는 단계;
    상기 반응된 탈황해수로부터 석회석을 분리하여 재사용하도록 침전시키는 단계; 및
    상기 탈황해수에 포함된 이산화탄소를 탈기하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 석회석을 이용한 해수의 처리방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 침전시키는 단계 후에, 탈황해수의 pH를 조정하도록 상기 침전분리된 탈황해수에 해수원수를 투입하여 희석하거나, 약품을 투입하거나, 해수원수를 투입하여 희석한 후 약품을 투입하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 석회석을 이용한 해수의 처리방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 해수와 석회석을 반응시키는 단계는, 석회석과 해수를 1:2000 내지 1:500의 비율로 혼합하여 반응시키는 것을 특징으로 하는 석회석을 이용한 해수의 처리방법.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 탈황해수와 석회석를 반응시키는 단계는, 석회석과 탈황해수를 1:2000 내지 1:1000의 비율로 혼합하여 1분 내지 30분 동안 반응시켜 탈황해수의 pH를 조정하는 것을 특징으로 하는 석회석을 이용한 해수의 처리방법.
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