KR101690065B1 - 증발농축시스템의 오염물질 제거장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 증발농축기로부터 오염가스가 배출되는 배관에 직접 오염물질 제거장치를 설치하여 시스템의 내부에서 오염물질을 완전히 처리할 수 있도록 해줄 뿐만 아니라, 기존에 처리하지 못하였던 액적으로 혼입된 중금속, 고비점유기물 등도 효과적으로 처리할 수 있는 오염물질 제거장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 증발농축시스템의 오염물질 제거장치는, 증발농축기(100), 응축기(500)를 포함하는 폐수처리를 위한 증발농축시스템에 있어서 상기 증발농축기(100)로부터 배출되는 오염물질이 함유된 증발증기가 상기 응축기(500)로 배출되는 배관 상에 설치되는 오염물질 제거장치(300)로서, 일단에 상기 증발농축기(100)로부터 상기 오염물질이 함유된 증발증기가 유입되는 증발증기 유입구(302)와 타단에 여과된 가스가 배출되는 여과가스 배출구(312)가 마련된 동체(301)와, 상기 증발증기 유입구(302) 상에 설치되고 외부로부터 공급된 순환액이 분무되는 스프레이 노즐(314)과, 상기 증발증기 유입구(302)와 연통되고 일부가 직경이 좁아지도록 형성된 벤츄리 관(303)과, 상기 벤츄리 관(303)을 통과하면서 상기 순환액과 증발증기가 균일하게 혼합되고, 이 혼합가스 중에 함유된 상기 오염물질이 원심력에 의해 분리되면서 상기 여과가스를 배출하는 사이클론 분리기(306)와, 상기 사이클론 분리기(306)에 의해 분리된 상기 오염물질이 함유된 순환액이 배출되는 순환액 배출구(309)를 포함한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 증발농축시스템의 오염물질 제거장치는, 증발농축기(100), 응축기(500)를 포함하는 폐수처리를 위한 증발농축시스템에 있어서 상기 증발농축기(100)로부터 배출되는 오염물질이 함유된 증발증기가 상기 응축기(500)로 배출되는 배관 상에 설치되는 오염물질 제거장치(300)로서, 일단에 상기 증발농축기(100)로부터 상기 오염물질이 함유된 증발증기가 유입되는 증발증기 유입구(302)와 타단에 여과된 가스가 배출되는 여과가스 배출구(312)가 마련된 동체(301)와, 상기 증발증기 유입구(302) 상에 설치되고 외부로부터 공급된 순환액이 분무되는 스프레이 노즐(314)과, 상기 증발증기 유입구(302)와 연통되고 일부가 직경이 좁아지도록 형성된 벤츄리 관(303)과, 상기 벤츄리 관(303)을 통과하면서 상기 순환액과 증발증기가 균일하게 혼합되고, 이 혼합가스 중에 함유된 상기 오염물질이 원심력에 의해 분리되면서 상기 여과가스를 배출하는 사이클론 분리기(306)와, 상기 사이클론 분리기(306)에 의해 분리된 상기 오염물질이 함유된 순환액이 배출되는 순환액 배출구(309)를 포함한다.
Description
본 발명은 증발농축시스템의 오염물질 제거장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 일반적인 증발농축시스템에 있어서 증발농축기로부터 증발증기가 배출되는 경로 상에 직접 설치된 오염물질 제거장치에 관한 것이다.
폐수처리공법 중의 증발농축공법은 일반적으로 폐수를 밀폐된 용기에 유입한 후 스팀이나, 고온의 가스, 열매체 등으로부터 열을 전달받아 증발시킨 다음, 증발된 증기를 응축기로 유도하여 냉각, 응축한 후, 응축수를 고도처리하여 하여 방류 또는 재이용하는 공법이다.
일반적으로 보일러 스팀이나 고온의 폐가스등을 사용하는 폐수증발농축장치의 형식에는 강제순환형, 자연순환형, 박막필름형, 액상교반형등이 있다.
강제순환형은 증발농축기와 열교환기를 별도로 구성하여 증발기 내부에 저장된 폐수를 순환펌프를 이용하여 열교환기에 순환시키는 형식으로써, 열교환기에 스팀이나 고온의 폐가스 등을 공급하여 순환되는 폐수를 간접가열함으로써 증발기 내에서 폐수가 증발하게 되며, 폐수로부터 증발된 증기는 응축기에 유도되어 응축처리하게 방법이다.
자연순환형은 증발농축기와 열교환기를 별도로 구성하되 폐수의 순환을 펌프의 동력을 이용하지 않고 열의 대류현상을 이용한 순환방법으로써, 열교환기에서 가열된 폐수는 대류현상에 의해 상부로 이동하여 증발한 후, 다시 하부로 이동, 반복순환하며 증발농축하는 방법이다.
박막필름형은 수직으로 설치된 열교환기의 전열관 상부에 순환폐수를 고르게 분배하여 중력에 의해 얇은 막 형태로 하강하면서 튜브 외측에서 공급되는 스팀이나 고온의 폐가스와 열교환하여 증발된 다음, 응축기에서 응축처리하는 방법이다.
액상교반형은 스팀재킷나 히팅코일이 구성된 밀폐된 용기 내에 폐수를 유입, 교반기에 의한 강제교반을 실시하면서 스팀재킷이나 히팅코일에 열을 공급하여 폐수를 증발시킨 다음 응축기로 유도, 응축처리하는 방법이다.
이 중에서 가장 흔히 사용되는 강제순환식 3단 진공증발농축법을 구현하는 폐수처리 시스템을 도 1을 참조로 간략하게 설명한다.
먼저, 처리하고자 하는 폐수 원수가 원수 저장조(10)로부터 원수이송펌프(11)에 의해 제1 단인 제1 증발농축기(20)의 내부 액면계에 의해 감지될 때까지 충진된다. 제1 증발농축기(20)의 액면계에 폐수가 충진되면 제1 순환펌프(21)가 가동되어 폐수가 제1 열교환기(30)를 거쳐서 제1 증발농축기(20)로 순환된다. 이때, 제1 농축액 이송펌프(22)가 가동되어 제2 단인 제2 증발농축기(40)에도 내부의 액면계가 감지될 때까지 폐수가 충진된다. 이와 동시에 제2 순환펌프(41)가 가동되어 폐수는 제2 열교환기(50)를 거쳐서 제2 증발농축기(40)로 순환된다. 마찬가지로 제2 농축액 이송펌프(42)가 가동되어 마지막 제3 단인 제3 증발농축기(60)의 액면계까지 폐수가 충진된다. 이 때, 폐수의 고농축을 위하여 마지막 3단은 강제순환식이 아니라 교반형 농축기를 사용할 수 있다. 필요한 경우에 상기 폐수 원액에는 화학적 세정 작용을 위한 세정수가 혼합 공급될 수 있다.
각 단의 액면계까지 폐수가 충진되면 상기 제3 증발농축기(60)의 전열관으로 스팀이 공급된다. 공급된 스팀에 의해 제3 증발농축기(60)에 충진된 폐수가 증발하여 제2 열교환기(50)에 유도되어, 제2 열교환기(50)를 순환하는 폐수를 가열하게 되고, 동시에 폐수로부터 증발된 증기는 전량 응축하게 된다. 제2 열교환기(50)에서 가열된 순환폐수는 제2 증발농축기(40)에 유입되어 일부는 증발되고, 증발되지 않은 폐수는 제2 열교환기(50)를 순환하면서 가열 및 증발을 반복한다. 제2 증발농축기(40)에서 폐수로부터 증발된 증기는 제1 열교환기(30)에 유도되어 제1 증발농축기(20)의 순환폐수에 의해 응축되고, 가열된 순환폐수 중 일부는 제1 증발농축기(20)에서 증발된 후 냉각탑(80)으로부터 냉각수가 공급되는 진공응축기(90)의 하부의 응축수 탱크로 모아진 다음 응축수 이송펌프(92)에 의해 응축수 저장조로 이송된다.
상기와 같이 각 단을 거치면서 폐수 원액 중의 수분이 증발됨에 따라 폐수 원액 중의 증발 잔유물은 점점 농축되어 원하는 농도까지 농축되면, 제3 농축액 이송펌프(61)에 의해 농축액 저장조(70)로 이송되어 별도로 처리되거나, 건조기로 이송하여 더욱 농축한 다음, 최종 슬러지 형태로 배출된다.
여기에서 증발효율을 높이고, 폐열의 회수를 용이하게 하기 위하여 진공펌프(91)를 이용하여 각 용기 내부에 약 100 ~ 300torr의 진공이 순차적으로 형성되게 한다. 이는 폐수의 끓는점을 낮춤으로써 저온에서의 증발을 가능하게 할 뿐만 아니라 큰 잠열을 가진 저온의 증기를 회수, 재활용할 수 있도록 하기 위함이다.
상기와 같은 폐수의 증발농축과정에서 다양한 오염물질이 물과 함께 증발하거나 버블이나 액적(미스트) 형태로 혼입된다. 즉, 용액의 끓는점을 이용하여 폐수 중의 오염물질을 분리하는 증발농축장치의 특성상 끓는점이 물보다 같거나 낮은 휘발성 오염물질, 물과 함께 공비물을 형성하여 증발되는 공비물질, 끓는점은 높지만 폐수의 증발과정에서 버블이나 액적(미스트) 형태로 혼입되는 소량의 중금속이나 각종 고비점유기물 등이 그것이다.
이러한 오염물질들은 증발된 순수 증기와 함께 응축기를 통하여 처리수에 혼입되므로 결과적으로 처리수의 수질을 크게 악화시키게 된다.
증발응축 처리수의 수질에 있어서 COD(화학적 산소요구량)를 제외하고 가장 문제가 되는 것은 고농도의 암모니아, 버블이나 액적으로 혼입된 중금속과 고비점유기물 등이다. 암모니아는 끓는점이 매우 낯아 물과 함께 증발되어 처리수의 T-N(총질소) 농도를 높일 뿐 아니라, 강한 악취를 유발하고, 각종 중금속과 고비점유기물 등은 처리수의 수질을 악화시켜 후단의 고도처리공정의 효율에 나쁜 영향을 미치게 된다.
일반적으로 고농도로 유입된 증발응축수 중의 암모니아를 제거하여 고도처리시설로 유입하기 위하여 응축수의 pH를 11∼12로 조정하여 암모니아를 탈기하는 암모니아 스트리퍼를 설치운영하거나, 증발농축장치의 유입폐수를 산성으로 조정함으로써 산성조건에서 암모니아가 증발되지 않고 암모늄염의 형태로 농축되도록 하는 방법 등이 있으나, 전자의 경우는 암모니아 처리효율을 높이기 위해 높은 pH조정과 높은 온도조정, 다량의 공기가 소요되므로 운전비가 다소 증가될 뿐만 아니라, 버블이나 액적으로 혼입된 중금속이나 고비점유기물류에 대해서는 처리가 되지 않는 단점이 있으며, 후자의 경우에는 낮은 pH의 산성으로 운전함으로써 증발농축장치의 부식이 가속화될 우려가 있으며 전자와 마찬가지로 액적으로 혼입된 중금속이나 고비점유기물 등에 대해서는 처리가 되지 않는 문제점이 있었다.
특히, 상기와 같은 액적 등으로 유입되는 오염물질을 차단하기 위해 증발농축기의 상부에 데미스터(Demister)를 설치하여 순수 증기는 통과하고 액적의 유출은 차단하는 방법이 주로 사용되었다. 이는 데미스터의 특성상 가는 강선을 여러 겹으로 겹쳐서 제작된 형태이므로 고농도의 액적에 의한 막힘 현상으로 액적의 차단효율이 점점 떨어질 뿐만 아니라, 폐수로부터 증발된 부식성 가스나 버블 등에 의해 쉽게 부식되고, 잦은 청소가 필요하여 설비 가동율이 저하되는 단점이 있었다.
본 발명은 상기한 종래의 증발농축 시스템이 가지던 오염물질 처리에 대한 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 증발농축기로부터 오염가스가 배출되는 배관에 직접 오염물질 제거장치를 설치하여 시스템의 내부에서 오염물질을 완전히 처리할 수 있도록 해줄 뿐만 아니라, 기존에 액적을 차단하기 위해 설치한 데미스터를 제거하여 막힘 현상에 의한 효율 저하 등의 단점을 없애고, 액적으로 혼입된 중금속, 고비점유기물과 암모니아 등도 효과적으로 제거할 수 있도록 해주는 오염물질 제거장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 증발농축시스템의 오염물질 제거장치는, 증발농축기, 응축기를 포함하는 폐수처리를 위한 증발농축시스템에 있어서 상기 증발농축기로부터 배출되는 오염물질이 함유된 증발증기가 상기 응축기로 배출되는 배관 상에 설치되는 오염물질 제거장치로서, 일단에 상기 증발농축기로부터 상기 오염물질이 함유된 증발증기가 유입되는 증발증기 유입구와 타단에 여과된 가스가 배출되는 여과가스 배출구가 마련된 동체와, 상기 증발증기 유입구 상에 설치되고 외부로부터 공급된 순환액이 분무되는 스프레이 노즐과, 상기 증발증기 유입구와 연통되고 일부가 직경이 좁아지도록 형성된 벤츄리 관과, 상기 벤츄리 관을 통과하면서 상기 순환액과 증발증기가 균일하게 혼합되고, 이 혼합가스 중에 함유된 상기 오염물질이 원심력에 의해 분리되면서 상기 여과가스를 배출하는 사이클론 분리기와, 상기 사이클론 분리기에 의해 분리된 상기 오염물질이 함유된 순환액이 배출되는 순환액 배출구를 포함한다.
또한, 상기 벤츄리 관은 상기 동체의 중앙부에 형성되고, 상기 사이클론 분리기는 상기 벤츄리 관의 주위에 둘 이상이 일정한 간격으로 배치되며, 상기 벤츄리 관의 후단에는 상기 혼합가스를 상기 하나 또는 둘 이상의 사이클론 분리기로 분배하는 혼합가스 분배실이 형성될 수 있다.
또한, 상기 둘 이상의 사이클론 분리기는 상기 벤츄리 관의 주위에 방사형으로 배치되며, 상기 혼합가스 분배실에는 상기 벤츄리 관으로부터 각각의 상기 사이클론 분리기로 독립된 유로를 형성하도록 혼합가스 분배판이 설치될 수 있다.
또한, 상기 사이클론 분리기는 상기 혼합가스가 유입되는 곳에 원심력을 발생시키는 나선형의 혼합가스 유도깃이 설치될 수 있다.
또한, 상기 사이클론 분리기 내에는 그 중앙에 상기 여과가스가 상승 배출될 수 있도록 사이클론 배출관이 형성되고, 상기 사이클론 배출관은 상기 여과가스 배출구와 연통될 수 있다.
또한, 상기 사이클론 분리기의 하부에는 상기 분리된 오염물질이 함유된 순환액이 하부로 유도되는 사이클론 호퍼가 설치되고, 상기 사이클론 호퍼로부터 배출된 오염물질이 함유된 순환액은 상기 순환액 배출구를 통해 상기 동체의 외부로 배출될 수 있다.
또한, 상기 순환액 배출구를 통해 배출된 상기 오염물질이 함유된 순환액은 순환액 배출라인을 따라 이송되어 순환탱크에 저장되고, 상기 순환탱크에 저장된 순환액은 순환액 순환라인을 따라 상기 스프레이 노즐로 공급될 수 있다.
또한, 상기 순환탱크에는 상기 순환액의 pH를 1 ~ 6으로 조절하기 위하여 산성의 약품이 순환 공급되도록 약품 저장탱크가 연결 설치될 수 있다.
또한, 상기 순환액 순환라인에는 상기 오염물질을 여과 제거하기 위한 카트리지 필터가 설치될 수 있다.
또한, 상기 여과가스 배출구로부터 배출되는 여과가스는 열교환기를 통과할 수 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 증발농축시스템의 오염물질 제거장치에 따르면, 폐수처리를 위한 증발농축시스템에 있어서 증발농축기로부터 배출되는 오염물질이 함유된 증발증기가 응축되기 이전에 상기 오염물질을 효과적으로 분리 제거할 수 있게 됨으로써, 열교환기나 응축기의 전열관의 오염을 방지하여 열교환 효율을 높일 수 있다.
또한, 종래의 액적분리용으로 증발농축기의 상부에 설치되었던 데미스터를 제거함으로써 잦은 막힘과 데미스터의 부식 등으로 관리가 어려웠던 폐단을 해결하였다.
또한, 데미스터로는 차단이 어려웠던 거품이나 고비점유기물 등도 증발증기 중에 순환액을 직접 분무함으로써 증기세정효과에 의한 오염물질 포집과 더불어 사이클론의 원리를 이용하여 순환액에 포집된 오염물질을 효과적으로 분리 제거할 수 있게 됨으로써, 증발농축시스템의 오염물질 제거 효율을 극대화할 수 있다.
또한, pH가 낮게 조정된 산성의 순환액을 스프레이 노즐을 통해 분무하고, 이 분무된 순환액과 증발증기가 벤츄리 관을 통과하면서 균일하게 혼합되도록 해줌으로써, 증발농축과정에서 폐수로부터 불필요하게 증발된 기체상의 암모니아를 순환액에 효과적으로 흡수 및 반응시켜 제거할 수 있다. 그 결과, 암모니아가 응축수에 혼입되는 것을 방지하여 처리수의 수질을 향상시킬 수 있다.
또한, BPR(끓는점 오름)이 높은 다양한 종류의 폐수로부터 증발된 과열증기에 순환액을 분무함으로써 증기의 과열도를 낮추어 포화증기를 열교환기로 유입시킴으로써 열교환 효율을 개선할 수 있다.
또한, BPR(끓는점 오름)이 높은 다양한 종류의 폐수로부터 증발된 과열증기에 순환액이 분무됨으로써 증기의 과열도를 낮추어주는 효과가 있어, 포화증기가 열교환기로 유입되게 함으로써 열교환 효율을 개선할 수 있다.
도 1은 종래의 증발농축시스템을 나타낸 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 증발농축시스템을 나타낸 구성도.
도 3은 상기 도 2에서 오염물질 제거장치 부분을 나타낸 구성도.
도 4는 본 발명에 따른 오염물질 제거장치를 나타낸 단면도.
도 5는 본 발명에 따른 오염물질 제거장치를 나타낸 평면도.
도 6은 본 발명에 따른 오염물질 제거장치의 작동상태도.
도 2는 본 발명에 따른 증발농축시스템을 나타낸 구성도.
도 3은 상기 도 2에서 오염물질 제거장치 부분을 나타낸 구성도.
도 4는 본 발명에 따른 오염물질 제거장치를 나타낸 단면도.
도 5는 본 발명에 따른 오염물질 제거장치를 나타낸 평면도.
도 6은 본 발명에 따른 오염물질 제거장치의 작동상태도.
이하에서 첨부된 도면을 참조로 본 발명에 따른 증발농축시스템의 오염물질 제거장치를 보다 상세히 설명한다.
그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 참고로, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 2는 본 발명에 따른 폐수 처리를 위한 증발농축시스템을 나타낸 것이고, 도 3은 이 중에서 오염물질 제거장치의 순환 시스템을 나타낸 것이다.
먼저, 폐수 원액은 제1 증발농축기(100)로 공급되어 제1 열교환기(200)로 순환하고, 이 제1 열교환기(200)에는 제2 증발농축기(110)에서 증발된 증기가 공급되므로 순환액이 간접 가열되어 오염물질이 함유된 증발증기가 배출된다. 폐수 원액 중에 수분이 증발됨에 따라 폐수 원액 중 증발잔유물이 점점 농축된다. 본 실시예에서는 3개의 증발농축기(100,110,120)를 통과하는 것으로 도시되어 있으나, 증발농축기의 갯수는 폐수처리 시스템의 규모, 처리용량 등에 따라 달라질 수 있다. 제3 증발농축기(120)에서 소정의 농도까지 농축된 최종 농축액은 농축액 저장탱크로 이송되어 별도로 처리된다.
각각의 증발농축기(100,110,120)에서 증발농축되는 과정에서 오염물질이 함유된 증발증기가 상부로 배출된다. 이 증발증기에 함유된 오염물질에는 고농도의 암모니아, 버블이나 액적으로 혼입된 중금속과 고비점유기물 등이 있음은 상기한 바와 같다. 이 오염물질이 함유된 증발증기는 종래에는 도 1을 참조로 설명한 바와 같이 각각의 열교환기(210,220)와 진공응축기(500)에서 응축 배출되고, 불응축 가스는 진공발생장치를 통해 최종적으로 스크러버와 같은 집진장치로 이송되어 별도로 여과 처리되어 왔다.
본 발명은 이와 같이 증발농축기에서 배출된 오염물질이 함유된 증발증기가 응축되기 이전에 기체상에서 상기 오염물질을 분리 제거할 수 있도록 한 것이다. 이를 위해 상기 제1 증발농축기(100)로부터 배출되는 오염물질이 함유된 증발증기가 상기 진공응축기(500)로 배출되는 배관 상에 본 발명에 따른 제1 오염물질 제거장치(300)가 설치된다. 이 오염물질 제거장치의 구체적인 기술구성 및 작용에 대해서는 도 3 내지 도 6을 참조로 상세히 후술하기로 한다.
상기한 바와 같이, 제1 증발농축기(100)로부터 제1 열교환기(200)로 순환하면서 폐수 원액은 증발농축되고, 이 과정에서 발생한 증발증기는 상기 제1 오염물질 제거장치(300)로 배출되어 진공응축기(500)로 이송, 냉각수에 의해 응축되며, 1차 농축된 폐수 농축액은 농축액 이송라인을 따라 제2 증발농축기(110)로 이송된다. 상기 1차 농축된 폐수 농축액은 제2 증발농축기(100)로부터 제2 열교환기(210)로 순환하면서 더욱 농축되고, 이 과정에서 발생한 증발증기는 제2 오염물질 제거장치(320)를 통과하면서 오염물질이 제거된 다음, 제1 열교환기(200)로 이송되어 순환액에 의해 응축된다. 상기 2차 농축된 폐수 농축액은 농축액 이송라인을 따라 제3 증발농축기(120)로 이송되어 공급되는 고온의 스팀에 의해 간접 가열됨으로써 오염물질이 함유된 증발증기를 발생시키고, 이 증발증기는 제3 오염물질 제거장치(340)로 배출된다.
이 때, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 제1 열교환기(200)에 공급되는 열전달매체는 상기 제2 오염물질 제거장치(320)로부터 배출되는 고온의 여과가스가 되고, 상기 제2 열교환기(210)에 공급되는 열전달매체는 상기 제3 오염물질 제거장치(340)로부터 배출되는 고온의 여과가스가 된다. 이와 같이 본 발명에 따르면, 증발농축기로부터 배출되는 증발증기가 오염물질 제거장치를 통과하는 동안에 오염물질이 완전히 분리 제거되고, 오염물질이 제거된 고온의 여과가스는 열교환기의 열전달매체로서의 효율을 증가시켜 주기 때문에 더욱 효율적인 폐수처리 시스템을 구축할 수 있다.
상기 제1 내지 제3 오염물질 제거장치(300,320,340)는 순환 공급되는 산성의 순환액이 상기 오염물질이 함유된 증발증기와 혼합, 흡수 및 반응되도록 함으로써 증발증기에 함유된 암모니아, 중금속 및 고비점유기물 등과 같은 오염물질을 분리 제거한다. 상기 오염물질이 함유된 순환액은 배출라인(316,326,346)을 통해 순환탱크(400)로 회수된 후, 카트리지 필터(430)를 통해 상기 오염물질이 여과시킨 다음 순환라인(350)을 통해 제1 내지 제3 오염물질 제거장치(300,320,340)로 재공급된다. 순환액의 온도는 열손실이 없다면 시간이 지나면서 증발증기의 잠열과 현열을 전달받아 서서히 증발증기의 온도까지 올라가게 된다. 따라서, 증발증기의 잠열을 교환할 수 있는 조건이 유지되도록 순환액의 온도를 적절히 조절할 필요가 있다. 이를 위해, 순환탱크(400)에서 순환액의 온도를 조절하기 위한 온도조절부(도면부호 명기)가 설치될 수 있다.
암모니아를 제거하기 위해서는 산성의 순환액이 사용되는데, 암모니아와의 반응 과정에서 산이 소모되어 pH가 상승하게 된다. 따라서, 상기 순환탱크(400)에는 상기 순환액의 pH를 1 ~ 6으로 조절하기 위하여 산성의 약품이 순환 공급되도록 약품 저장탱크(410)가 연결 설치된다. 암모늄이온과 반응하는 황산, 인산, 염산, 초산, 질산 등 여러 가지 종류의 산이 사용될 수 있으나, 부식의 문제, 화학 반응성, 경제성 등을 고려하여 적합한 산을 적용한다.
일례로서, 황산을 사용하는 경우 암모니아는 다음과 같은 2가지 반응을 통해 황산암모늄으로 반응하여 제거될 수 있다.
NH3 + H20 -> NH4 + + OH- (1)
2NH4 + + H2SO4 -> (NH4)2SO4 + 2H+ (2)
이 때, 상기 순환액은 pH 1 ~ 6으로 조절되는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 암모니아는 산성 용액 내에서 상기 반응식 (1)이 일어나, 암모늄이온으로 변화하여 암모니아가 기체상으로 증발되지 못하게 때문이다. 상기 순환액이 pH 1 미만이 되면 강한 산성으로 장치가 부식되고 약품비가 높아질 우려가 있으며, pH 6을 초과하면 중성에 가까워서 상기 반응식 (1)에 의한 암모늄이온 생성이 충분히 일어나지 아니한다.
다음으로, 본 발명의 가장 중요할 기술적 특징인 상기 오염물질 제거장치의 기술구성 및 작용에 대하여 도 4 내지 도 6을 참조로 상세히 후술하기로 한다.
도 4는 본 발명에 따른 오염물질 제거장치의 구성을 나타낸 단면도이고, 도 5는 그 평면도이다.
상기 제1 오염물질 제거장치(300)는 기본적으로 제1 증발농축기(100), 응축기(500)를 포함하는 폐수처리를 위한 증발농축시스템에 있어서, 상기 제1 증발농축기(100)로부터 배출되는 오염물질이 함유된 증발증기가 상기 응축기(500)로 배출되는 배관 상에 설치되어 상기 오염물질이 함유된 증발증기가 폐수처리 시스템 외부로, 보다 상세하게는 상기 응축기(500)로 배출되지 않도록 해준다. 이에 의해, 본 발명의 오염물질 제거장치가 구비된 증발농축을 이용한 폐수처리 시스템은 근본적으로 처리수의 수질을 향상시키는 장점이 있다.
상기한 제1 오염물질 제거장치(300) 일단에 상기 제1 증발농축기(100)로부터 상기 오염물질이 함유된 증발증기가 유입되는 증발증기 유입구(302)와 타단에 여과된 가스가 배출되는 여과가스 배출구(312)가 마련된 동체(301)와, 상기 증발증기 유입구(302) 상에 설치되고 외부로부터 공급된 순환액이 분무되는 스프레이 노즐(314)과, 상기 증발증기 유입구(302)와 연통되고 일부가 직경이 좁아지도록 형성된 벤츄리 관(303)과, 상기 벤츄리 관(303)을 통과하면서 상기 순환액과 증발증기가 균일하게 혼합되고, 이 혼합가스 중에 함유된 상기 오염물질이 원심력에 의해 분리되면서 상기 여과가스를 배출하는 사이클론 분리기(306)와, 상기 사이클론 분리기(306)에 의해 분리된 상기 오염물질이 함유된 순환액이 배출되는 순환액 배출구(309)를 포함하여 구성된다.
증발증기 중에 함유된 오염물질 중에서 암모니아는 증발증기와 혼합되도록 분무되는 산성의 순환액에 의해 흡수 및 반응하여 분리되고, 분무된 순환액과 함께 액적 중의 중금속이나 고비점유기물은 상기 사이클론 분리기(306)에 의해 원심 분리된다.
상기 벤츄리 관(303)은 상기 동체(301)의 중앙에 위치하며, 상부로 연장되도록 형성된다. 이 벤츄리 관(303)은 중앙에 직경이 좁아지다가 다시 확장되는 구간이 존재한다. 상기 스프레이 노즐(314)을 통해 고속으로 분무된 순환액이 상기 벤츄리 관(303)의 직경이 좁은 구간을 통과하면서 유속이 더욱 증가하게 되고 그 결과 주위에 있는 오염가스가 유속이 증가된 순환액 속으로 급속이 빨려들어가면서 균일하게 혼합된다. 그 결과 오염물질이 원활하게 순환액에 흡수되어 제거된다.
순환액과 증발증기가 균일하게 혼합되어 만들어진 혼합가스는 직경이 확장되는 부분을 통과하면서 팽창된다. 그 결과 유속이 감소하면서 오염가스와의 혼합 정도가 더욱 증가하게 된다.
한편, 상기 사이클론 분리기(306)는 상기 벤츄리 관(303)의 주위에 둘 이상이 일정한 간격으로 배치되며, 상기 벤츄리 관(303)의 후단에는 상기 혼합가스를 상기 하나 또는 둘 이상의 사이클론 분리기(306)로 분배하는 혼합가스 분배실(304)이 형성된다. 이에 의해, 상기 혼합가스는 상기 벤츄리 관(303)을 완전히 통과한 후에 그 위에 형성된 혼합가스 분배실(304)로 유입되어 후속하는 복수개의 사이클론 분리기(306)로 균일하게 공급된다.
바람직하게는, 도 5에 도시된 바와 같이, 10개의 사이클론 분리기(306)는 상기 벤츄리 관(303)의 주위에 방사형으로 배치되며, 상기 혼합가스 분배실(304)에는 상기 벤츄리 관(303)으로부터 각각의 상기 사이클론 분리기(306)로 독립된 유로를 형성하도록 혼합가스 분배판(305)이 설치된다. 이 혼합가스 분배판(305)은 벤츄리 관(303)으로 배출되는 혼합가스가 방사형으로 배치된 10개의 사이클론 분리기(306) 각각에 균일하게 공급될 수 있도록 해준다.
또한, 상기 사이클론 분리기(306)는 상기 혼합가스가 유입되는 곳에 원심력을 발생시키는 나선형의 혼합가스 유도깃(307)이 설치될 수 있다. 혼합가스가 상기 혼합가스 유도깃(307)을 통과하는 과정에서 강력한 나선형의 흐름이 발생되고, 이에 의해 사이클론 분리기(306) 내부에서 원심 분리가 일어난다. 이 과정에서 상대적으로 무거운 액적 상태의 중금속이나 고비점유기물 등은 바깥쪽으로 원심 분리되고 사이클론 분리기(306)의 내면을 따라 하부로 떨어지게 된다. 또한, 사이클론의 강력한 원심 분리 작용에 의해 다시 기체와 액체로 분리되며, 오염물질이 분리 제거된 기체상의 여과가스는 상승 배출된다.
이를 위해, 상기 사이클론 분리기(306) 내에는 그 중앙에 상기 여과가스가 상승 배출될 수 있도록 사이클론 배출관(310)이 형성되고, 상기 사이클론 배출관(310)은 상부 케이싱(311)을 매개로 상기 여과가스 배출구(312)와 연통된다.
또한, 상기 사이클론 분리기(306)의 하부에는 상기 분리된 오염물질이 함유된 순환액이 하부로 유도되는 사이클론 호퍼(308)가 설치되고, 상기 사이클론 호퍼(308)로부터 배출된 오염물질이 함유된 순환액은 상기 순환액 배출구(309)를 통해 상기 동체(301)의 외부로 배출된다.
상기 순환액 배출구(309)를 통해 배출된 순환액은 순환탱크(400) 및 순환액 순환라인(350)을 통해 재순환되고, 상기 순환액 순환라인(350) 상에 설치된 카트리지 필터(430)를 통해 순환액에 함유된 암모니아, 중금속, 고비점유기물 등이 분리 제거된다는 점은 도 3을 참조로 상기한 바와 같다.
이상과 같이 구성된 본 발명에 따른 오염물질 제거장치의 작동원리를 도 6을 참조로 상세히 설명한다.
먼저, 증발농축기로부터 액적 상태의 암모니아, 중금속, 고비점 유기물 등이 함유된 고온의 증발증기가 증발증기 유입구(302)를 통해 동체(301) 내부로 유입된다. 이 때, 상기 증발증기 유입구(302) 상에 설치된 순환액 유입구(313) 및 스프레이 노즐(314)을 통해 산성의 순환액이 동체(301) 내부로 분무된다. 본 발명에 따르면, 끓는점 오름이 높은 다양한 폐수로부터 증발된 과열증기에 순환액을 분무하여 증기의 과열도를 낮춘 다음 포화증기를 열교환기에 유입시킴으로써 열교환 효율을 개선하는 효과도 얻을 수 있다.
상기 오염물질이 함유된 증발증기와 분무된 순환액은 벤츄리 관(303)을 통과하는 동안에 균일하게 혼합된다. 이는 유체가 직경이 작은 곳을 통과하는 동안에 속도가 빨라지고 압력이 낮아지는 벤츄리 원리를 이용한 것이다. 균일하게 혼합된 혼합가스는 상부에 형성된 혼합가스 분배실(304)을 통해 사이클론 분리기(306)로 공급된다. 이 때, 상기 혼합가스 분배실(304) 내에는 복수개의 사이클론 분리기(306)마다 독립적인 유로를 형성해주는 혼합가스 분배판(305)이 설치되어 상기 혼합가스 더욱 균일하게 사이클론 분리기(306)로 유입될 수 있도록 해준다.
사이클론 분리기(306)에 유입된 혼합가스는 그 선단에 형성된 나선형의 혼합가스 유도깃(307)을 통과하면서 나선형의 가스 흐름을 만들고 이에 의해 원심분리가 일어난다. 이 원심분리 과정에서 상대적으로 무거운 중금속액적, 고비점유기물액적 등의 오염물질이 바깥쪽으로 분리되어 사이클론 분리기(306)의 하부로 떨어져 수집된다. 사이클론 분리기(306)의 하부에 형성된 깔대기 모양의 사이클론 호퍼(308)의 하부에 분리 저장된 오염물질은 순환액 내에 포집된 상태로 순환액 배출구(309)를 통해 최종 배출된다. 사이클론 호퍼(308)의 하부에 저장되는 오염물질이 함유된 순환액의 액면 높이는 투시경(315)을 통해 실시간으로 확인 가능하다.
한편, 상기 원심 분리에 의해 오염물질이 분리 제거된 여과가스는 상기 사이클론 분리기(306)의 중앙에 형성된 사이클론 배출관(310)을 통해 상승하여 상부 케이싱(311), 여과가스 배출구(312)를 통해 최종 배출된다. 이 배출된 여과가스는 응축기(500)로 유입되어 최종 처리될 수 있고, 열 교환기의 열전달매체로 사용될 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 오염물질 제거장치에 따르면, 산성의 순환액에 의한 암모니아 분리 제거, 사이클론 분리기에 의한 액적의 중금속, 고비점유기물 등의 분리 제거를 통해 증발농축 폐수처리 시스템 내에서 오염물질을 모두 제거할 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적인 특징들이 변경되지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것으로 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100,110,120: 증발농축기 200,210: 열교환기
300,320,340: 오염물질 제거장치 301: 동체
302: 증발증기 유입구 303: 벤츄리 관
304: 혼합증기 분배실 305: 혼합가스 분배판
306: 사이클론 분리기 307: 혼합가스 유도깃
308: 사이클론 호퍼 309: 순환액 배출구
310: 사이클론 배출관 311: 상부 케이싱
312: 여과가스 배출구 313: 순환액 유입구
314: 스프레이 노즐 315: 투시경
350: 순환액 순환라인 400: 순환탱크
410: 약품 저장탱크 420: 순환펌프
430: 카트리지 필터 500: 응축기
300,320,340: 오염물질 제거장치 301: 동체
302: 증발증기 유입구 303: 벤츄리 관
304: 혼합증기 분배실 305: 혼합가스 분배판
306: 사이클론 분리기 307: 혼합가스 유도깃
308: 사이클론 호퍼 309: 순환액 배출구
310: 사이클론 배출관 311: 상부 케이싱
312: 여과가스 배출구 313: 순환액 유입구
314: 스프레이 노즐 315: 투시경
350: 순환액 순환라인 400: 순환탱크
410: 약품 저장탱크 420: 순환펌프
430: 카트리지 필터 500: 응축기
Claims (10)
- 증발농축기(100), 응축기(500)를 포함하는 폐수처리를 위한 증발농축시스템에 있어서 상기 증발농축기(100)로부터 배출되는 오염물질이 함유된 증발증기가 상기 응축기(500)로 배출되는 배관 상에 설치되는 오염물질 제거장치(300)로서,
일단에 상기 증발농축기(100)로부터 상기 오염물질이 함유된 증발증기가 유입되는 증발증기 유입구(302)와 타단에 여과된 가스가 배출되는 여과가스 배출구(312)가 마련된 동체(301)와, 상기 증발증기 유입구(302) 상에 설치되고 외부로부터 공급된 순환액이 분무되는 스프레이 노즐(314)과, 상기 증발증기 유입구(302)와 연통되고 일부가 직경이 좁아지도록 형성된 벤츄리 관(303)과, 상기 벤츄리 관(303)을 통과하면서 상기 순환액과 증발증기가 균일하게 혼합되고, 이 혼합가스 중에 함유된 상기 오염물질이 원심력에 의해 분리되면서 상기 여과가스를 배출하는 사이클론 분리기(306)와, 상기 사이클론 분리기(306)에 의해 분리된 상기 오염물질이 함유된 순환액이 배출되는 순환액 배출구(309)를 포함하며,
상기 벤츄리 관(303)은 상기 동체(301)의 중앙부에 형성되고, 상기 사이클론 분리기(306)는 상기 벤츄리 관(303)의 주위에 둘 이상이 일정한 간격으로 배치되며, 상기 벤츄리 관(303)의 후단에는 상기 혼합가스를 상기 하나 또는 둘 이상의 사이클론 분리기(306)로 분배하는 혼합가스 분배실(304)이 형성된 것을 특징으로 하는 증발농축시스템의 오염물질 제거장치. - 삭제
- 청구항 1에 있어서,
상기 둘 이상의 사이클론 분리기(306)는 상기 벤츄리 관(303)의 주위에 방사형으로 배치되며, 상기 혼합가스 분배실(304)에는 상기 벤츄리 관(303)으로부터 각각의 상기 사이클론 분리기(306)로 독립된 유로를 형성하도록 혼합가스 분배판(305)이 설치된 것을 특징으로 하는 증발농축시스템의 오염물질 제거장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 사이클론 분리기(306)는 상기 혼합가스가 유입되는 곳에 원심력을 발생시키는 나선형의 혼합가스 유도깃(307)이 설치된 것을 특징으로 하는 증발농축시스템의 오염물질 제거장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 사이클론 분리기(306) 내에는 그 중앙에 상기 여과가스가 상승 배출될 수 있도록 사이클론 배출관(310)이 형성되고, 상기 사이클론 배출관(310)은 상기 여과가스 배출구(312)와 연통된 것을 특징으로 하는 증발농축시스템의 오염물질 제거장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 사이클론 분리기(306)의 하부에는 상기 분리된 오염물질이 함유된 순환액이 하부로 유도되는 사이클론 호퍼(308)가 설치되고, 상기 사이클론 호퍼(308)로부터 배출된 오염물질이 함유된 순환액은 상기 순환액 배출구(309)를 통해 상기 동체(301)의 외부로 배출되는 것을 특징으로 하는 증발농축시스템의 오염물질 제거장치. - 청구항 1 또는 청구항 6에 있어서,
상기 순환액 배출구(309)를 통해 배출된 상기 오염물질이 함유된 순환액은 순환액 배출라인(316)을 따라 이송되어 순환탱크(400)에 저장되고, 상기 순환탱크(400)에 저장된 순환액은 순환액 순환라인(350)을 따라 상기 스프레이 노즐(314)로 공급되는 것을 특징으로 하는 증발농축시스템의 오염물질 제거장치. - 청구항 7에 있어서,
상기 순환탱크(400)에는 상기 순환액의 pH를 1 ~ 6으로 조절하기 위하여 산성의 약품이 순환 공급되도록 약품 저장탱크(410)가 연결 설치된 것을 특징으로 하는 증발농축시스템의 오염물질 제거장치. - 청구항 7에 있어서,
상기 순환액 순환라인(350)에는 상기 오염물질을 여과 제거하기 위한 카트리지 필터(430)가 설치된 것을 특징으로 하는 증발농축시스템의 오염물질 제거장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 여과가스 배출구(312)로부터 배출되는 여과가스는 열교환기(200)를 통과하는 것을 특징으로 하는 증발농축시스템의 오염물질 제거장치.
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| KR1020150189595A KR101690065B1 (ko) | 2015-12-30 | 2015-12-30 | 증발농축시스템의 오염물질 제거장치 |
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| KR20220033705A (ko) | 2020-09-10 | 2022-03-17 | 한국에너지기술연구원 | 저온 고속 농축기 |
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| JPH1162554A (ja) * | 1997-08-07 | 1999-03-05 | Toyota Motor Corp | 内燃機関の排気浄化装置 |
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2015
- 2015-12-30 KR KR1020150189595A patent/KR101690065B1/ko active IP Right Grant
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