KR101642842B1 - 해수 농축 및 석출 시스템 - Google Patents

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KR101642842B1 KR1020150023294A KR20150023294A KR101642842B1 KR 101642842 B1 KR101642842 B1 KR 101642842B1 KR 1020150023294 A KR1020150023294 A KR 1020150023294A KR 20150023294 A KR20150023294 A KR 20150023294A KR 101642842 B1 KR101642842 B1 KR 101642842B1
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Abstract

본 발명은 열원으로 제1압축 스팀을 이용하여 해수를 증발시켜 제1증발 스팀과 제1농축 해수를 생성하는 제1증발기 ; 열원으로 상기 제1증발 스팀을 이용하여 상기 제1농축 해수를 증발시켜 제2증발 스팀과 제2농축 해수를 생성하는 제2증발기 ; 열원으로 상기 제2증발 스팀을 이용하여 상기 제2농축 해수를 증발시켜 제3증발 스팀과 제3농축 해수를 생성하는 제3증발기 ; 상기 제2증발 스팀을 압축하여 제1압축 스팀으로 변환하는 제1증기 압축기 ; 상기 제2증발 스팀을 압축하여 제2압축 스팀으로 변환하는 제2증기 압축기 ; 상기 제2압축 스팀을 열원으로 이용하여 상기 제3농축 해수로부터 스케일을 석출 및 분리하는 스케일 석출기 ; 상기 제1증발기에서 생성된 제1증발 스팀을 상기 제2증발기로 공급하는 제1증발 스팀 배관 ; 상기 제1증발기에서 생성된 제1농축 해수를 상기 제2증발기로 공급하는 제1농축 해수 배관 ; 상기 제2증발기에서 생성된 제2증발 스팀을 상기 제3증발기로 공급하는 제2증발 스팀 배관 ; 상기 제2증발기에서 생성된 제2농축 해수를 상기 제3증발기로 공급하는 제2농축 해수 배관 ; 상기 제3증발기에서 생성된 제3농축 해수를 상기 스케일 석출기로 공급하는 제3농축 해수 배관 ; 상기 제2증발기에서 생성된 제2증발 스팀을 상기 제1증기 압축기로 공급하는 제4증발 스팀 배관 ; 상기 제2증발기에서 생성된 제2증발 스팀을 상기 제2증기 압축기로 공급하는 제5증발 스팀 배관 ; 상기 제1증기 압축기에서 생성된 제1압축 스팀을 상기 제1증발기로 공급하는 제1압축 스팀 배관 ; 상기 제2증기 압축기에서 생성된 제2압축 스팀을 상기 스케일 석출기로 공급하는 제2압축 스팀 배관 ; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 해수 농축 및 석출 시스템에 관한 것이다.

Description

해수 농축 및 석출 시스템{SYSTEM FOR SEAWATER CONCENTRATING AND SCALE CRYSTALLIZING}
본 발명은 해수를 농축한 후 농축된 해수로부터 스케일을 석출 및 분리하는 새로운 시스템을 제공하고자 한다.
해수 담수화 기술을 통한 물 생산량은 지속적으로 성장하였으며, 미래에도 더욱 성장할 것으로 예측되고 있다.
그러나, 해수 담수화 처리는 그 농축수 처리에 상당한 어려움이 있다. 즉, 현재까지는 해수 담수화 처리장치의 규모가 작기 때문에 농축수의 해양 방류가 허용될 수 있었으나, 최근에는 처리장치의 규모가 커지기 때문에 대량으로 발생하는 농축수의 해양 방류시 해양환경의 오염원으로 발생하게 되는 문제점이 대두되었기 때문이다.
즉 해수의 농축수는 그 자체로 폐수의 성질을 가지게 된다.
한편, 부존자원(예; 희소금속)이 빈약한 우리나라는 안정적 국가발전을 위해 자원의 안정적 확보는 물론 그 가치를 향상시킬 수 있는 자원기술의 확보가 절대적으로 요구되고 있으며, 해수에는 다양한 유효자원이 용해되어 있다.
따라서 해수 또는 해수의 농축수로부터 유효자원을 분리해낼 수 있다면 이는 새로운 자원을 확보할 수 있을 뿐만 아니라 농축수를 처리할 수 있다는 일석이조의 효과를 가질 수 있다.
대한민국 공개특허 제10-2013-0121404호 "해수 미네랄 분리 및 농축 장치" (2013.11.6 공개) 대한민국 등록특허 제10-1338233호 "해수 담수화에 따른 농축수내 유용금속 회수장치 및 그 회수방법"(2013.12.2 등록) 대한민국 등록특허 제10-0670474호 "해수 중의 미네랄 농축방법 및 이를 이용하여 제조된 미네랄농축액과 그 용도" (2007. 1. 10 등록)
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 해수를 농축한 후 농축된 해수로부터 스케일을 석출 및 분리하는 새로운 시스템을 제공하고자 한다.
상기의 과제를 해결하기 위하여, 열원으로 제1압축 스팀을 이용하여 해수를 증발시켜 제1증발 스팀과 제1농축 해수를 생성하는 제1증발기 ; 열원으로 상기 제1증발 스팀을 이용하여 상기 제1농축 해수를 증발시켜 제2증발 스팀과 제2농축 해수를 생성하는 제2증발기 ; 열원으로 상기 제2증발 스팀을 이용하여 상기 제2농축 해수를 증발시켜 제3증발 스팀과 제3농축 해수를 생성하는 제3증발기 ; 상기 제2증발 스팀을 압축하여 제1압축 스팀으로 변환하는 제1증기 압축기 ; 상기 제2증발 스팀을 압축하여 제2압축 스팀으로 변환하는 제2증기 압축기 ; 상기 제2압축 스팀을 열원으로 이용하여 상기 제3농축 해수로부터 스케일을 석출 및 분리하는 스케일 석출기 ; 상기 제1증발기에서 생성된 제1증발 스팀을 상기 제2증발기로 공급하는 제1증발 스팀 배관 ; 상기 제1증발기에서 생성된 제1농축 해수를 상기 제2증발기로 공급하는 제1농축 해수 배관 ; 상기 제2증발기에서 생성된 제2증발 스팀을 상기 제3증발기로 공급하는 제2증발 스팀 배관 ; 상기 제2증발기에서 생성된 제2농축 해수를 상기 제3증발기로 공급하는 제2농축 해수 배관 ; 상기 제3증발기에서 생성된 제3농축 해수를 상기 스케일 석출기로 공급하는 제3농축 해수 배관 ; 상기 제2증발기에서 생성된 제2증발 스팀을 상기 제1증기 압축기로 공급하는 제4증발 스팀 배관 ; 상기 제2증발기에서 생성된 제2증발 스팀을 상기 제2증기 압축기로 공급하는 제5증발 스팀 배관 ; 상기 제1증기 압축기에서 생성된 제1압축 스팀을 상기 제1증발기로 공급하는 제1압축 스팀 배관 ; 상기 제2증기 압축기에서 생성된 제2압축 스팀을 상기 스케일 석출기로 공급하는 제2압축 스팀 배관 ; 를 포함하여 이루어지며, 상기 스케일 석출기는, 수직하게 배치되는 케이싱과, 상기 케이싱의 상하방향 중간부에 배치되어 상기 제2압축 스팀 배관에 의하여 공급되는 제2압축 스팀을 공급받는 스팀 유입구와, 상기 케이싱의 내부 상부에 배치되어 상기 제3농축 해수 배관에 의하여 공급되는 제3농축 해수를 스프레이 분사하여 상기 제3농축 해수가 상기 제2압축 스팀에 의하여 가열되도록 하는 분사노즐과, 상기 케이싱의 하부에 마련되어 석출된 스케일을 배출하는 스케일 배출구와, 상기 케이싱의 상하방향 중간부에 배치되어 석출된 스케일이 제거된 처리수를 배출하는 처리수 배출구와, 상기 케이싱의 내부에서 상하방향으로 연장되는 격벽 형태이되 상단부가 상기 스팀 유입구의 하부와 상기 처리수 배출구의 상부 사이에서 상기 케이싱의 내주면에 결합되며 하단부가 상기 케이싱의 바닥면으로부터 상부로 이격되도록 배치되어 액체의 하향 흐름과 상기 하향 흐름 후의 상향 흐름을 유도하기 위하여 마련되는 유동 안내 부재를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
삭제
상기에 있어서, 상기 제1증기 압축기 및 상기 제2증기 압축기는 수봉식 수증기 압축기이며, 상기 제3증발 스팀은 응축 예열기에서 응축되어 증류수로 변환된 후 상기 수봉식 수증기 압축기의 보급수로 공급되는 것이 바람직하다.
상기에 있어서, 상기 수봉식 수증기 압축기는, 수증기를 흡입/압축하는 수증기 흡입실을 형성하는 원통형 관체와, 상기 원통형 관체 내부에서 회전날개차 축이 상기 원통형 관체의 축과 평행하게 이격되어 배치되는 회전날개차와, 상기 수증기 흡입실로 수증기가 흡입되도록 흡입 통로를 형성하는 흡입 수증기 통로와, 상기 흡입 수증기 통로와 상기 원통형 관체 사이에 배치되며 수증기 흡입구가 형성되는 격벽을 포함하여 이루어지되, 상기 수증기 흡입실에 보급수를 보급하기 위하여 상기 흡입 수증기 통로에 배치되는 보급수관을 배치하며, 상기 보급수관의 단부에는 상기 수증기 흡입실로 보급수를 고속 분사하는 보급수 발사구가 형성되는 것이 바람직하다.
삭제
상기와 같이 본 발명은, 해수를 농축한 후 농축된 해수로부터 스케일을 석출 및 분리하는 새로운 시스템을 제공하게 된다.
도 1은 본 발명에 의한 일 실시예의 계통도.
도 2는 흡입 수증기 통로 내에 보급수관을 설치한 수봉식 수증기 압축기의 개요를 나타낸 단면도.
도 3은 흡입 수증기 통로 내에 보급수관을 설치한 수봉식 수증기 압축기의 개요를 나타낸 도 2의 A-A 화살표에 따른 단면도.
도 4는 보급수관으로부터 보급수가 수봉식 수증기 압축기의 수증기 흡입실내를 흐르는 모습을 나타낸 도 2의 부분확대도.
도 5는 본 발명의 개념을 표현한 블록도.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 부여하였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명에 의한 일 실시예의 계통도이다.
본 실시예는 크게 제1,2,3증발기(110, 120, 130)와, 제1,2증기 압축기(60-1, 60-2)와 스케일 석출기(200) 등을 포함하여 이루어진다.
먼저 해수가 제1증발기(110)로 유입되는 배관을 설명한다.
제1해수 배관(401)을 통하여 유입되는 해수는 예열용 열교환기(310)에서 1차로 승온된 후 제2해수 배관(402)을 통하여 응축 예열기(320)에서 2차로 승온된 후 제3해수 배관(403)을 통하여 제1증발기(110)로 유입된다.
예열용 열교환기(310) 및 응축 예열기(320)는 열교환기의 일종이며, 열교환의 대상이 되는 유체에 대하여는 후술한다.
제1증발기(110)는 열원으로 제1압축 스팀을 이용하여 해수를 증발시켜 제1증발 스팀과 제1농축 해수를 생성하게 된다.
즉 제1압축 스팀과 해수와의 열교환에 의하여 해수의 일부가 증발되어 제1증발 스팀을 생성하며, 아울러 증발되고 남은 해수는 제1농축 해수가 된다.
본 실시예에서 제1증발기(110)의 제1농축 해수의 온도는 전기히터(110a)의 on/off에 의하여 83℃로 조절된다. 전기히터(110a)는 주로 제1증발기(110)의 초기 가동시 이용된다.
아울러 제1증발기(110)의 열원으로 이용되는 제1압축 스팀의 온도는 88℃이며, 제1압축 스팀과의 전열에 의하여 증발된 제1증발 스팀의 온도는 81℃이다.
제1증발기(110)에서 생성된 제1증발 스팀은 제1증발 스팀 배관(411)을 통하여 제2증발기(120)로 공급되어 제2증발기(120)의 열원으로 이용된다.
또한 제1증발기(110)에서 생성된 제1농축 해수는 제1농축 해수 배관(421)을 통하여 제2증발기(120)로 공급되어 제2증발기(120)에서 다시 농축된다.
제2증발기(120)는 열원으로 제1증발 스팀을 이용하여 제1농축 해수를 증발시켜 제2증발 스팀과 제2농축 해수를 생성하게 된다.
즉 제1증발 스팀과 제1농축 해수와의 열교환에 의하여 제1농축 해수의 일부가 증발되어 제2증발 스팀을 생성하며, 아울러 증발되고 남은 해수는 제2농축 해수가 된다.
본 실시예에서 제2증발기(120)의 제2농축 해수의 온도는 75.6℃로 조절되며, 제2증발기(120)의 열원으로 이용되는 제1증발 스팀의 온도는 81℃이며, 제1증발 스팀과의 전열에 의하여 증발된 제2증발 스팀의 온도는 71.6℃이다.
제2증발기(120)에서 생성된 제2증발 스팀은 제2증발 스팀 배관(412)을 통하여 제3증발기(130)로 공급되어 제3증발기(130)의 열원으로 이용된다.
또한 제2증발기(120)에서 생성된 제2농축 해수는 제2농축 해수 배관(422)을 통하여 제3증발기(130)로 공급되어 제3증발기(130)에서 다시 농축된다.
제3증발기(130)는 열원으로 제2증발 스팀을 이용하여 제2농축 해수를 증발시켜 제3증발 스팀과 제3농축 해수를 생성하게 된다.
즉 제2증발 스팀과 제2농축 해수와의 열교환에 의하여 제2농축 해수의 일부가 증발되어 제3증발 스팀을 생성하며, 아울러 증발되고 남은 해수는 제3농축 해수가 된다.
본 실시예에서 제3증발기(130)의 제3농축 해수의 온도는 68.5℃로 조절되며, 제3증발기(130)의 열원으로 이용되는 제2증발 스팀의 온도는 71.6℃이며, 제2증발 스팀과의 전열에 의하여 증발된 제3증발 스팀의 온도는 64℃이다.
제3증발기(130)에서 생성된 제3농축 해수는 제3농축 해수 배관(423)을 통하여 배출되며, 제3증발 스팀은 제3증발 스팀 배관(413)을 통하여 배출된다.
아울러 제3농축 해수 배관(423)에는 농축수 펌프(423a)가 마련되어 있다.
한편 제2증발기(120)에서 생성된 제2증발 스팀의 일부는 제4증발 스팀 배관(414)을 통하여 제1증기 압축기(60-1)로 공급되어 압축되어 제1압축 스팀으로 변환된다.
또한 제2증발기(120)에서 생성된 제2증발 스팀의 또다른 일부는 제5증발 스팀 배관(415)을 통하여 제2증기 압축기(60-2)로 공급되어 압축되어 제2압축 스팀으로 변환된다.
제1증기 압축기(60-1)는 제1압축 스팀 배관(431)을 통하여 제1압축 스팀을 제1증발기(110)에 공급하며, 상술한 바와 같이 제1압축 스팀은 제1증발기(110)에서 증발을 위한 열원으로 이용된다.
한편 제2증기 압축기(60-2)는 제2압축 스팀 배관(432)을 통하여 제2압축 스팀을 스케일 석출기(200)에 공급하며, 제2압축 스팀은 스케일 석출기(200)에서 스케일 석출을 위한 열원으로 이용된다.
한편 제2증기 압축기(60-2)에서 생성된 제2압축 스팀의 일부는 보조 압축 스팀 배관(433)을 통하여 제1압축 스팀 배관(431)으로 공급되어 제1증발기(110)의 열원으로 이용될 수 있도록 되어 있다.
다음으로 스케일 석출기(200)에 대하여 설명한다.
스케일 석출기(200)는 제2압축 스팀을 열원으로 이용하여 제3농축 해수로부터 스케일을 석출 및 분리하게 된다.
해수는 이미 고도로 농축되어 있는 상태이므로 가열에 의하여 쉽게 스케일이 석출되며, 석출된 스케일은 별도로 분리 배출되어 유효자원으로 이용될 수 있다.
스케일 석출기(200)는 크게 케이싱(210)과 유동 안내 부재(220) 및 분사노즐(230)로 이루어진다.
케이싱(210)은 수직하게 배치되며, 유동 안내 부재(220)는 케이싱(210)의 내부에 마련된다.
유동 안내 부재(220)는 액체의 하향 흐름과 상기 하향 흐름 후의 상향 흐름을 유도하기 위하여 마련되는 것이다.
케이싱(210)의 상하방향 중간부에 스팀 유입구(211)가 형성되며, 스팀 유입구(211)로 제2압축 스팀 배관(432)에 의하여 공급되는 제2압축 스팀이 케이싱(210) 내부로 유도된다.
케이싱(210)의 내부 상부에 분사노즐(230)이 마련된다.
분사노즐(230)은 제3농축 해수 배관(423)에 의하여 공급되는 제3농축 해수를 스프레이 분사하게 된다.
이와 같이 분사노즐(230)에 의하여 스프레이 분사되는 제3농축 해수는 제2압축 스팀에 의하여 가열되며, 이 가열에 의하여 스케일이 석출된다.
한편 스케일이 석출된 제3농축 해수는 하향 흐름을 형성하면서 유동 안내 부재(220)를 따라 유동한 후 케이싱(210)의 하부에서 상향 흐름으로 변환된다.
이때 제3농축 해수에서 석출된 스케일은 케이싱(210)의 하부에 모이게 된다.
이와 같이 모인 스케일을 배출하기 위하여 케이싱(210)의 하부에 스케일 배출구(212)가 형성된다.
한편 케이싱(210)의 상하방향 중간부에 처리수 배출구(213)가 형성된다. 처리수 배출구(213)는 액체의 상향 흐름이 형성된 부위에 배치된다.처리수 배출구(213)에서는 제3농축 해수에서 석출된 스케일이 제거된 처리수가 배출된다.
즉 유동 안내 부재(220)는 케이싱(210)의 내부에서 액체의 유동을 안내하기 위하여 상하방향으로 연장되는 격벽 형태(본 실시예의 경우 깔때기 형태의 상부관과 직관 형태의 하부관이 연결된 형태의 격벽 구조임.)로서, 상단부가 스팀 유입구(211)의 하부와 처리수 배출구(213)의 상부 사이에서 케이싱(210)의 내주면에 결합되며 하단부가 케이싱(210)의 바닥면으로부터 상부로 이격되도록 배치된다. 따라서 스케일이 석출된 제3농축 해수는 하향 흐름(상단부에서 하단부를 향하여)을 형성하면서 유동 안내 부재(220)를 따라 유동한 후 유동 안내 부재(220)의 하단부에서 상향 흐름(하단부에서 처리수 배출구(213)를 향하여)으로 변환되어 처리수 배출구(213)를 통하여 배출될 수 있다.
처리수 배출구(213)에서 배출되는 처리수는 처리수 배관(441)을 통하여 제1증발기(110)로 공급되어 해수와 함께 다시 증발 처리된다.
한편 제3증발기(130)에서 생성된 제3증발 스팀은 제3증발 스팀 배관(413)을 통하여 응축 예열기(320)로 공급되어, 응축 예열기(320)에서 해수와 열교환되어 증류수로 응축된다.
응축 예열기(320)에는 제3증발 스팀이 진공 상태에서 해수와 열교환될 수 있도록 진공 펌프(330)가 연결되어 있다.
응축 예열기(320)에서 응축된 증류수는 증류수 펌프(340)에 의하여 가압되어 일부는 제1보충수 공급 배관(451)으로 공급되며, 일부는 증류수 배출 배관(452)으로 공급된다.
증류수 배출 배관(452)으로 배출되는 증류수는 다시 예열용 열교환기(310)를 지나면서 해수와 열교환하며, 예열용 열교환기(310)를 거치면서 더욱 온도가 낮아진 증류수의 일부는 제2보충수 공급 배관(453)을 통하여 제1보충수 공급 배관(451)으로 공급된다.
제1보충수 공급 배관(451)으로 공급되는 증류수는 제1,2증기 압축기의 보급수로 공급된다.
한편 제1증발기(110)에서 열원으로 이용된 제1압축 스팀은 제1증발기(110)에서 응축된 후 제1응축수 배관(461)을 통하여 제2증발기(120)로 이송된다.
제2증발기(120)에서 열원으로 이용된 제1증발 스팀은 제2증발기(120)에서 응축된 후 제2응축수 배관(462)을 통하여 제3증발기(130)로 이송된다.
제3증발기(130)에서 열원으로 이용된 제2증발 스팀은 제3증발기(130)에서 응축된 후 제3응축수 배관(463)을 통하여 응축 예열기(320)로 공급된 후, 응축 예열기(320)에서 응축된 제3증발 스팀과 함께 처리된다.
다음으로 본 실시예의 제1,2증기 압축기에 대하여 설명한다.
본 실시예에서 제1,2증기 압축기(60-1, 60-2)는 수봉식 증기 압축기이다.
< 수봉식 증기 압축기의 종래 기술에 대한 설명 >
회전날개차를 가지며 공간 용적 변화를 이용하여 압축성 유체를 흡입/압축하는 수봉식 진공압축기는 고장이 적고, 정숙한 운전이 가능하며, 또한 가격 등이 저렴하여 경제성이 높기 때문에 널리 사용되고 있으며, 공기를 압축성 유체로서 대기중에 배출하는 수봉식 진공압축기는 '수봉식 진공펌프'로서 잘 알려져 있다(이하, '수봉식 진공 압축기'라고 한다).
이 수봉식 진공압축기에서는 흡입하는 기체와 수봉에 사용하는 물은 서로 다른 통로를 통해 공급되고 있다.
이 수봉식 진공압축기로 수증기를 압축하려고 하면, 압축기 내의 물 환류 온도는 압축한 수증기 온도와 동일한 고온이 되며, 이대로는 수증기 흡입실의 온도는 흡입할 수증기 온도보다 높아지기 때문에, 수봉식 진공압축기로 수증기를 흡입/압축하여 히트펌프로서 사용하는 것은 무리로 여겨져 왔다.
기체를 압축하는 다른 방법으로서는 고속 회전의 원심력에 의해 압축하는 터보 블로워, 금속 부품으로 구성하는 공간 용적의 변화를 이용하여 압축하는 루트 블로워, 스크류 블로워 등이 사용되어 오고 있는데, 이들은 모두 회전이 고속이며, 또한 넓은 면적의 기계적으로 구동되는 금속접촉부가 필요하기 때문에 고장이 많고, 제작이 복잡하고 매우 정밀한 기계 가공이 필요하기 때문에 제작비가 고가가 되는 난점이 있었다.
한편, 지구환경오염 방지대책에서 불필요한 폐액의 처리가 중요시되어, 이 때문에 간편하고 저렴하게 용액을 농축할 수 있는 장치가 요구되고 있으며, 또한, 수자원을 얻는 수단으로서, 해수로부터 저렴하게 담수를 얻는 증발장치가 세계적으로 요망되고 있다
그러나, 종래로부터 증발농축장치에는 증기 이젝터/히트펌프가 사용되어 오고 있는데, 이 방식에서는 이젝터/히트펌프를 구동하기 위해 별도로 증기를 보일러 등으로부터 공급할 필요가 있어, 에너지 효율이 높다고는 할 수 없기 때문에, 열 에너지 효율이 좋은 압축기로서 수봉식 수증기 압축기가 요구되고 있다.
< 본 실시예의 수봉식 수증기 압축기 >
이러한 문제점을 해결하기 위하여 본 실시예의 수봉식 수증기 압축기가 제시된다.
도 2는 흡입 수증기 통로 내에 보급수관을 설치한 수봉식 수증기 압축기의 개요를 나타낸 단면도이며, 도 3은 흡입 수증기 통로 내에 보급수관을 설치한 수봉식 수증기 압축기의 개요를 나타낸 도 2의 A-A 화살표에 따른 단면도이며, 도 4는 보급수관으로부터 보급수가 수봉식 수증기 압축기의 수증기 흡입실내를 흐르는 모습을 나타낸 도 2의 부분확대도이다.
종래의 수봉식 진공압축기의 주된 구조는 도 2에 나타낸 바와 같이, 가로원통형 관체 내에 회전날개차(63)를 가지며 이 가로원통형 관체의 축(61)과 날개차축(62)을 동일방향으로 하여 양축 위치가 다른 배치로 한 것이다.
즉 원통형 관체는 수증기를 흡입/압축하는 수증기 흡입실(63C)을 형성하며, 원통형 관체 내에 회전날개차(63)가 마련된다. 또한 회전날개차(63)는 그 회전날개차 축(62)이 원통형 관체의 축과 평행하게 이격되어 배치된다.
수봉식 수증기 압축기(60)는 상기 종래의 수봉식 진공압축기의 주된 구조를 이용하면서, 압축성 유체를 수증기로 하고, 회전날개차(63)의 회전 원심력으로 상기 관체 내에 물 환류(65)를 형성하며, 한편 이 물 환류(65)와 회전날개차(63)로 구성하는 공간으로 수증기를 수증기 흡입구(66)로부터 흡입하고, 회전날개차의 회전으로 생기는 공간 용적의 변화를 이용하여 흡입한 수증기를 압축하며, 압축하여 고온이 된 수증기를 수증기 토출구(67)를 통해 토출 증기 통로(67A)로 배출한다.
즉 수증기 흡입실(63C)로 수증기가 흡입되도록 흡입 통로를 형성하는 흡입 수증기 통로(68)가 형성되며, 흡입 수증기 통로(68)와 원통형 관체 사이에 격벽(본 실시예의 경우 도 2의 좌벽(63B)이 해당함.)이 형성되며, 격벽(63B)에는 수증기 흡입구(66)가 형성된다.
종래의 수봉식 진공압축기의 흡입 수증기 통로(68)는 단순히 수증기 흡입실(63C)로 압축성 유체를 흡입시키는 개구를 갖는 것일 뿐이다.
그러나 본 실시예에서는 도 2 및 도 3에 나타낸 바와 같이, 흡입 수증기 통로(68) 내에 보급수관(64A)을 설치하며, 보급수관(64A) 끝에 형성된 직경이 작은 구멍의 보급수 발사구(64)로부터 저온의 보급수를 수증기 흡입실(63C)로 분사한다.
이 때, 회전날개차(63)의 회전속도는 3~4m/sec이기 때문에, 이를 고려하여, 수증기 흡입실(63C)의 축방향 깊숙한 곳에까지 도달하도록, 보급수 발사구(64)로부터 고속 분사한다.
고속 분사된 보급수는 수증기 흡입실(63C)에 들어가, 수증기 흡입실(63C)을 구성하는 회전날개차(63)와 우벽(63A) 및 좌벽(63B)의 온도를 낮추고, 또한 도 3에 나타낸 바와 같이 보급수는 원심력 작용으로 물 환류(65)의 회전 내면을 꽉 누르는 저온 보급수 덮개(69)로 기능하여 물 환류(65)의 증발을 억제하는 효과를 발휘하여, 수증기 흡입실(63C)내 온도를 흡입 수증기 온도보다 낮출 수 있다.
도 2 및 도 3에 나타낸 수증기 흡입구로는 큰 개구홀이 사용되어 있는데, 종래의 수봉식 진공압축기와 마찬가지의 원형 홀/타원형 홀 등을 사용할 수도 있다.
또한, 보급수를 분출시키는 기구에는 통상의 가압기구(예, 펌프, 노즐 등)가 적절히 사용된다(상세 생략).
< 본 실시예의 수봉식 수증기 압축기의 효과 >
종래의 수봉식 진공압축기에서는 수봉에 사용하는 보급수는 고온의 물 환류에 보급수를 보급하여 단순히 혼합하는 것 일뿐이어서, 수증기 흡입실의 온도를 낮추기 위해서는 아무래도 다량의 보급수를 첨가할 필요가 있었기 때문에, 압축효율이 나쁘고, 수증기의 흡입효율 저하를 초래하였다.
또한, 저온의 보급수는 압축기로 압축된 수증기를 소비하여, 수증기 압축기의 토출구에서는 압축수증기와 같은 온도가 되어 토출되기 때문에, 다량의 보급수는 커다란 열손실을 동반하였다.
이에, 본 발명의 실시예에서는 종래의 수봉식 진공압축기의 흡입 수증기 통로 내에 보급수관을 설치하고, 보급수를 회전날개차의 회전속도를 고려하여 고속으로 수증기 흡입실로 분사시키기로 하였다. 이로써, 고속으로 분사된 보급수는 수증기 흡입실을 구성하는 회전날개차와 좌벽/우벽의 온도를 낮춤과 아울러, 보급수는 원심력 작용으로 고온 물 환류의 회전 내면을 덮어 물 환류의 증발을 억제하게 된다. 따라서, 소량의 보급수로 수증기 흡입실 온도를 내리고 수증기의 흡입효율을 올리는 것이 가능하게 되며, 보급수의 소량화로 인하여 열손실을 감소시킬 뿐만 아니라 열 효율의 향상을 달성할 수 있다.
실시예의 하나로서, 단독으로 또한 상온(20℃)의 보급수를 공급하여 본 발명의 수봉식 수증기 압축기를 운전하면, 고진공도(3~4kPa abs)의 고진공도 상태를 만들 수 있다. 이 고진공도는 종래의 진공펌프로서의 수봉식 진공압축기 단독으로는 달성될 수 없었던 진공도이며, 이 때문에, 이대로의 상태에서는 효율이 높지 않은 가스 이젝터와 수봉식 진공압축기의 조합 시스템에 의해 그 진공도를 달성하였던 것이다.
본 발명의 수봉식 수증기 압축기는 다른 수증기 압축기, 예를 들면 원심 터보 블로워에 비해, 압축량이 적은 반면 압축률이 크다.
이와 같은 결점을 갖는 용량이 작은 수봉식 수증기 압축기에서도, 다중효용증발기와의 조합으로 이 결점을 보완함으로써, 처리능력이 큰 증발농축장치를 공급할 수 있게 되었다.
예를 들면, 75℃의 수증기를 흡입하여 대기압 상태에서 100℃까지 압축할 수 있기 때문에, 이 온도차 범위 25℃ 내에서 다중효용증발장치를 작동시킬 수 있으며, 1효용당 3℃의 작동을 하면 8중 효용증발기의 작동이 가능하게 되었다.
또한, 수봉식 수증기 압축기는 저속회전방식이기 때문에 수명이 길며, 운전은 조용하며, 저가이기 때문에 한층 더 염가의 증기압축장치의 증기압축기로서 공급할 수 있게 되었다.
또한, 수봉식 수증기 압축기를 이용하여, 수증기를 흡입/압축하고, 압축 수증기로부터 가열열원을 얻을 수 있게 하였기 때문에, 콤팩트하고 취급이 용이한 가열열원을 얻는 수봉식 수증기 압축기로서의 제공이 가능하게 되어, 따로 열원을 필요로 하는 경우일지라도 부가하는 가열원(예, 전기히터)은 소량이면 족하며, 별도로 수증기를 보일러 등으로부터 공급할 필요성을 현저하게 경감시켰다.
< 본 발명의 개념 >
이하에서는 도 5의 개념도를 참고하여 본 발명의 기본적 개념을 상세히 설명한다.
증발부(10)에 해수가 공급되며, 증발부(10)에서는 압축 스팀을 열원으로 이용하여 해수를 증발시켜 증발 스팀과 농축 해수를 생성한다.
증기 압축부(20)에서는 증발부(10)에서 생성된 증발 스팀을 공급받아 이를 압축하여 압축 스팀을 생성하게 된다.
증기 압축부(20)에서 생성된 압축 스팀의 일부는 증발부(10)에서 해수를 증발시키는 열원으로 이용된다.
아울러 증기 압축부(20)에서 생성된 압축 스팀의 일부는 스케일 석출부(30)에서 농축 해수로부터 스케일을 석출하기 위한 열원으로 이용된다.
스케일 석출부(30)는 증기 압축부(20)로부터 압축 스팀을 공급받으며, 아울러 증발부(10)로부터 농축 해수를 공급받는다.
스케일 석출부(30)는 농축 해수를 압축 스팀에 의하여 가열하여 농축 해수로부터 스케일을 석출시킨 후 분리하며, 스케일이 석출된 농축 해수는 처리수로서 스케일 석출부(30)에서 배출된다.
상기에 있어서, 증발부(10)는 도 1의 제1,2,3증발기(110, 120, 130)이 대응될 수 있으며, 증기 압축부(20)는 도 1의 제1,2증기 압축기(60-1, 60-2)가 대응될 수 있으며, 스케일 석출부(30)는 도 1의 스케일 석출기(200)가 대응될 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것일 뿐 한정적이 아닌 것으로 이해되어야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
60-1 : 제1증기 압축기 60-2 : 제2증기 압축기
110 : 제1증발기 120 : 제2증발기
130 : 제3증발기
200 : 스케일 석출기 210 : 케이싱
211 : 스팀 유입구 212 : 스케일 배출구
213 : 처리수 배출구 220 : 유동 안내 부재
230 : 분사노즐
310 : 예열용 열교환기
320 : 응축 예열기
330 : 진공 펌프
340 : 증류수 펌프
350 : 농축액 펌프
401 : 제1해수 배관 402 : 제2해수 배관
403 : 제3해수 배관
411 : 제1증발 스팀 배관 412 : 제2증발 스팀 배관
413 : 제3증발 스팀 배관 414 : 제4증발 스팀 배관
415 : 제5증발 스팀 배관
421 : 제1농축 해수 배관 422 : 제2농축 해수 배관
423 : 제3농축 해수 배관
431 : 제1압축 스팀 배관 432 : 제2압축 스팀 배관
433 : 보조 압축 스팀 배관
441 : 처리수 배관
451 : 제1보충수 공급 배관 452 : 증류수 배출 배관
453 : 제2보충수 공급 배관

Claims (5)

  1. 열원으로 제1압축 스팀을 이용하여 해수를 증발시켜 제1증발 스팀과 제1농축 해수를 생성하는 제1증발기 ;
    열원으로 상기 제1증발 스팀을 이용하여 상기 제1농축 해수를 증발시켜 제2증발 스팀과 제2농축 해수를 생성하는 제2증발기 ;
    열원으로 상기 제2증발 스팀을 이용하여 상기 제2농축 해수를 증발시켜 제3증발 스팀과 제3농축 해수를 생성하는 제3증발기 ;
    상기 제2증발 스팀을 압축하여 제1압축 스팀으로 변환하는 제1증기 압축기 ;
    상기 제2증발 스팀을 압축하여 제2압축 스팀으로 변환하는 제2증기 압축기 ;
    상기 제2압축 스팀을 열원으로 이용하여 상기 제3농축 해수로부터 스케일을 석출 및 분리하는 스케일 석출기 ;
    상기 제1증발기에서 생성된 제1증발 스팀을 상기 제2증발기로 공급하는 제1증발 스팀 배관 ;
    상기 제1증발기에서 생성된 제1농축 해수를 상기 제2증발기로 공급하는 제1농축 해수 배관 ;
    상기 제2증발기에서 생성된 제2증발 스팀을 상기 제3증발기로 공급하는 제2증발 스팀 배관 ;
    상기 제2증발기에서 생성된 제2농축 해수를 상기 제3증발기로 공급하는 제2농축 해수 배관 ;
    상기 제3증발기에서 생성된 제3농축 해수를 상기 스케일 석출기로 공급하는 제3농축 해수 배관 ;
    상기 제2증발기에서 생성된 제2증발 스팀을 상기 제1증기 압축기로 공급하는 제4증발 스팀 배관 ;
    상기 제2증발기에서 생성된 제2증발 스팀을 상기 제2증기 압축기로 공급하는 제5증발 스팀 배관 ;
    상기 제1증기 압축기에서 생성된 제1압축 스팀을 상기 제1증발기로 공급하는 제1압축 스팀 배관 ;
    상기 제2증기 압축기에서 생성된 제2압축 스팀을 상기 스케일 석출기로 공급하는 제2압축 스팀 배관 ;
    를 포함하여 이루어지며,
    상기 스케일 석출기는, 수직하게 배치되는 케이싱과, 상기 케이싱의 상하방향 중간부에 배치되어 상기 제2압축 스팀 배관에 의하여 공급되는 제2압축 스팀을 공급받는 스팀 유입구와, 상기 케이싱의 내부 상부에 배치되어 상기 제3농축 해수 배관에 의하여 공급되는 제3농축 해수를 스프레이 분사하여 상기 제3농축 해수가 상기 제2압축 스팀에 의하여 가열되도록 하는 분사노즐과, 상기 케이싱의 하부에 마련되어 석출된 스케일을 배출하는 스케일 배출구와, 상기 케이싱의 상하방향 중간부에 배치되어 석출된 스케일이 제거된 처리수를 배출하는 처리수 배출구와, 상기 케이싱의 내부에서 상하방향으로 연장되는 격벽 형태이되 상단부가 상기 스팀 유입구의 하부와 상기 처리수 배출구의 상부 사이에서 상기 케이싱의 내주면에 결합되며 하단부가 상기 케이싱의 바닥면으로부터 상부로 이격되도록 배치되어 액체의 하향 흐름과 상기 하향 흐름 후의 상향 흐름을 유도하기 위하여 마련되는 유동 안내 부재를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 해수 농축 및 석출 시스템.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1증기 압축기 및 상기 제2증기 압축기는 수봉식 수증기 압축기이며, 상기 제3증발 스팀은 응축 예열기에서 응축되어 증류수로 변환된 후 상기 수봉식 수증기 압축기의 보급수로 공급되는 것을 특징으로 하는 해수 농축 및 석출 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 수봉식 수증기 압축기는, 수증기를 흡입/압축하는 수증기 흡입실을 형성하는 원통형 관체와, 상기 원통형 관체 내부에서 회전날개차 축이 상기 원통형 관체의 축과 평행하게 이격되어 배치되는 회전날개차와, 상기 수증기 흡입실로 수증기가 흡입되도록 흡입 통로를 형성하는 흡입 수증기 통로와, 상기 흡입 수증기 통로와 상기 원통형 관체 사이에 배치되며 수증기 흡입구가 형성되는 격벽을 포함하여 이루어지되, 상기 수증기 흡입실에 보급수를 보급하기 위하여 상기 흡입 수증기 통로에 배치되는 보급수관을 배치하며, 상기 보급수관의 단부에는 상기 수증기 흡입실로 보급수를 고속 분사하는 보급수 발사구가 형성되는 것을 특징으로 하는 해수 농축 및 석출 시스템.
  5. 삭제
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