KR101781521B1

KR101781521B1 - 고온 연수화를 이용한 피처리수 증발농축 장치 및 이를 이용한 증발농축 방법

Info

Publication number: KR101781521B1
Application number: KR1020170080539A
Authority: KR
Inventors: 김상문; 이건명; 강위관
Original assignee: 두산중공업 주식회사
Priority date: 2017-06-26
Filing date: 2017-06-26
Publication date: 2017-10-23
Also published as: KR20170077860A

Abstract

본 발명은 경도유발물질이 포함된 피처리수를 증발농축하는 기술에 관한 것으로서, 구체적으로는 피처리수가 제1 증발기, 고온 연수화 장치 및 제2 증발기를 순차적으로 거쳐 증발농축됨으로써 고온 연수화에 의한 효과적인 경도유발물질의 제거가 이루어져 스케일 형성이 방지되는 동시에, 고온 연수화 장치의 작동 온도를 만족시키기 위한 별도의 열원이 필요 없어 운용 비용이 절감되는 증발농축 장치 및 증발농축 방법에 관한 것이다.

Description

고온 연수화를 이용한 피처리수 증발농축 장치 및 이를 이용한 증발농축 방법{An apparatus for evaporative concentration of treating water using hot lime softening and a method for evaporative concentration of treating water using thereof}

폐수 무방류 시스템(Zero Liquid Discharge, ZLD)이란 폐수를 처리하여 피처리수 또는 생산수를 재이용하고 피처리수를 제외한 소량의 슬러지를 외부로 방출하는 공정으로서, 최근에 이러한 폐수 무방류 시스템에 대한 기업 및 학계의 관심이 높아지고 있다.

이는 공업 용수 공급가의 점진적인 인상과 방류수 총량 규제에 의한 배출 부과금 증가에 따른 생산 원가의 상승, 그리고 폐수 방류량의 1/3 이상 재활용 의무 법제화 예정, 환경오염문제를 근원적으로 차단해야 한다는 가치 판단 등의 이유에서 오는 결과라 할 수 있으며 최근에는 특정 폐수의 무방류 처리가 아닌 전량 무방류 처리를 도입하려는 움직임도 있다.

해외의 경우 ZLD는 이미 오래 전부터 도입되어져 왔으며 일본의 경우 약 100 여 개소가 현재 운영중에 있는데, 일본에서의 ZLD는 주로 고부가가치의 반도체 공장에 설치되어 있으며 고품질의 용수를 다량 필요로 하거나, 설치 지역이 국정 공원 등 특정 오염물질 배출 제한지역에 해당함에 따라 고가의 설치 운영비가 소요되는 ZLD 시스템을 도입하여 운영하고 있다.

특히, 일본 오이타현에 위치하여 복사기 카트리지를 생산 제품으로 하는 Canon사의 경우, 오이타현이 총량 규제지역에 편입되어 인근 수협에서 어족 자원 보호를 위해 폐수 배출 금지를 요청하였고, 이에 따라 ZLD를 도입하게 되었으며, 반도체 제조 공장인 UMC Japan은 공장 위치가 공정 공원으로 해당되어 ZLD를 도입하였다.

한편, 미국의 경우에는 이러한 ZLD 시스템 설비가 수천 개소가 설치 운영되고 있는 것으로 추정되는데, 미국에서의 ZLD는 각 주별로 방류수 수질 기준이 설정될 때 엄격한 방류수 수질 기준이 적용되는 지역이나, 사막 등 용수 사정이 좋지 않은 지역에 위치한 공장들에 주로 도입되어 왔다.

특히, 캘리포니아 주의 모하비 사막 한가운데 위치한 화력발전소인 La Paloma Plant는 위치한 지역이 대규모 농업지역으로서 방류수 수질 기준이 매우 엄격할 뿐만 아니라, 모하비 사막 인근 지역의 용수 공급 사정이 매우 안 좋고 용수 가격이 높아 ZLD 시스템을 도입하게 되었으며, 회수된 물을 발전소 터빈 가동을 위한 보일러 보급수로 재이용하고 있다.

반도체 공장인 Intel사의 경우에도 마찬가지로 배출 허용 기준이 엄격하고 애리조나 지역의 특성상 공업 용수가 부족한 이유로 ZLD를 도입하게 되었다.

이러한 ZLD는 크게 역삼투막을 이용한 분리 공정인 RO(Reverse Osmosis) ZLD와 가열을 통한 증발농축 및 상 변화 방식의 분리 공정인 Thermal ZLD로 구분된다.

이 중에서 Thermal ZLD는 19세기 식품 산업에서 활용되던 증발 농축 기술에서 그 원리를 찾을 수 있는데, 상술한 바와 같이 강화된 환경 규제와 수자원의 재이용 요구가 상승되면서 현대의 다양한 산업 분야에 적용되고 있는 공정이며, 이러한 Thermal ZLD 공정은 가열에 의한 상 변화를 이용하는 공정으로서 특히 난분해성 폐수에 가장 효과적이다.

최근에는 점차 고갈되어가는 재래형 원유(conventional oil)의 대체 자원으로서 오일샌드(oil sand)를 회수하는 방법에 관심이 집중되고 있는데, 특히 그 중 하나인 스팀주입중력배수공법(Steam Assisted Gravity Drainage, SAGD)을 사용할 경우 위와 같은 ZLD를 이용한 수처리가 매우 중요한 과정이라고 할 수 있다.

이는 회수된 오일샌드를 정제하는 과정에서 분리된 수분에는 실리카(Silica) 등의 오염물질이 포함되어 있어 이를 처리없이 방류할 경우 환경문제를 초래하기 때문인 한편, 오일샌드에서 분리된 수분을 정화하여 오일샌드가 매장되어 있는 유정(oil well)에 주입하는 스팀으로서 재사용하는 것이 매우 효율적이기 때문이다.

이렇게 오일샌드를 정제하는 과정에서 발생한 수분인 피처리수(또는 생산수)는 통상적으로 증발에 의해 농축되는 과정을 거쳐 슬러지와 분리되는데, 이때 피처리수 내에 존재하는 실리카, 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg) 등의 경도유발물질(hardness)이 증발농축 과정에서 석출되어 증발기를 비롯한 전체적인 ZLD 설비에 스케일(scale)을 유발할 수 있어 이를 제어하는 기술이 주목받고 있다.

도 1은 SAGD 설비 등에서 발생하는 피처리수를 증발농축할 때 경도유발물질의 석출을 억제하는 종래의 시스템을 도식적으로 나타낸 것이다.

피처리수 유입부(31)로부터 증발기(34)로 유입된 피처리수는 증발농축 과정을 거쳐 증기 및 슬러지로 분리되어 각각의 배출부(35, 36)로 이동된다.

이때, 증발기(34)로 유입되기 전의 피처리수는 pH조절물질 탱크(32)로부터 주입된 수산화나트륨(NaOH) 등의 염기성 물질에 의해 pH가 높아지는데, 도 2의 그래프에 나타난 바와 같이 실리카의 물에 대한 용해도는 pH에 비례하기 때문에 피처리수가 증발기(34)에서 증발농축되는 동안 실리카의 석출이 억제될 수 있다.

종래 기술의 또 다른 실시형태로서 피처리수가 증발기(34)로 유입되기 전에 연수화(lime softening) 장치(33)를 통해 연수화 과정을 거치도록 할 수 있는데, 상기 연수화 장치(33)에서는 칼슘, 마그네슘 등의 경도유발물질이 석회(Lime) 등의 물질과 반응하여 침전 및 분리됨으로써 피처리수의 연수화가 이루어진다.

구체적으로, 하기 화학식 1과 같이 칼슘의 탄산수소염(Carbonate, HCO₃)은 석회(Lime, Ca(OH)₂ 또는 CaO)와 반응하여 불용성인 탄산칼슘(CaCO₃)으로 전환됨으로써 분리될 수 있다.

*[화학식 1]

Ca(HCO₃)₂ + Ca(OH)₂ → 2CaCO₃↓+ 2H₂O

또한, 하기 화학식 2와 같이 칼슘의 비탄산염(황산칼슘, 염화칼슘 등)은 소다회(Soda ash, Na₂CO₃)와 반응하여 탄산칼슘으로 전환됨으로써 제거될 수 있다.

[화학식 2]

CaSO₄ + Na₂CO₃ → CaCO₃↓+ Na₂SO₄

CaCl₂ + Na₂CO₃ → CaCO₃↓+ 2NaCl

한편, 하기 화학식 3과 같이 마그네슘의 탄산염 또는 비탄산염(황산마그네슘, 염화마그네슘 등)은 석회와 반응하여 불용성인 수산화마그네슘(Mg(OH)₂)로 전환됨으로써 분리될 수 있다.

[화학식 3]

Mg(HCO₃)₂ + Ca(OH)₂ → CaCO₃↓+ MgCO₃ + 2H₂O

MgCO₃ + Ca(OH)₂ → CaCO₃↓+ Mg(OH)₂↓

MgCl₂ + Ca(OH)₂ → Mg(OH)₂↓+ CaCl₂

MgSO₄ + Ca(OH)₂ → Mg(OH)₂↓+ CaSO₄

실리카의 경우, 위와 같은 연수화 과정에 의해 침전되는 마그네슘 이온의 표면에 달라붙거나 칼슘-마그네슘 실리케이트를 형성함으로써 분리 및 제거될 수 있다.

이러한 연수화 시스템은 작동 온도에 따라 저온 연수화 장치(Cold Lime Softener, CLS), 중온 연수화 장치(Warm Lime Softener, WLS) 및 고온 연수화 장치(Hot Lime softener, HLS)로 구분될 수 있는데, 표 1에 나타난 바와 같이 연수화를 거친 피처리수에 잔류하는 경도유발물질의 농도로 지표되는 경도유발물질 제거 능력은 저온 연수화 장치에서 고온 연수화 장치로 갈수록 향상되지만, 그만큼 작동 온도도 높아야 하기 때문에 별도의 열원이 필요하다는 단점도 존재하였다.

연수화 장치의 종류	작동 온도(℃)	경도유발물질의 잔류 농도(mg/L)
CLS	15 ~ 60	80 ~ 110
WLS	60 ~ 85	30 ~ 50
HLS	90 ~ 110	15 ~ 25

도 1에 나타난 종래의 증발농축 시스템에서는 연수화 장치(33)로 유입되는 피처리수를 추가적인 열원을 투입하여 예열하는데 한계가 있기 때문에 상기 연수화 장치(33)로서 저온 내지 중온 연수화 장치를 사용하였는데, 이러한 저온 및 중온 연수화 장치는 고온 연수화 장치를 사용할 때보다 제거되는 경도유발물질의 양이 적어 상술한 바와 같은 pH조절 시스템 등과 함께 사용해야 경도유발물질의 석출에 의한 스케일 형성을 효과적으로 억제할 수 있다는 문제점이 있었다.

경도유발물질이 포함된 피처리수를 증발농축하는 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해, 피처리수 내에 존재하는 경도유발물질을 제거하기 위한 연수화 장치로서 고온 연수화 장치를 사용하여 경도유발물질의 제거 능력을 향상시킴으로써 별도의 pH 조절 시스템 없이도 스케일의 형성을 효과적으로 억제할 수 있으면서도, 피처리수가 제1 증발기를 거치는 과정을 선행하도록 함으로써 고온 연수화 장치의 작동 온도 조건을 충족시키기 위한 추가적인 별도의 열원이 필요하지 않은 피처리수의 증발농축 장치 및 증발농축 방법을 제공하고자 한다.

상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 본 발명은 경도유발물질(hardness)이 포함된 피처리수를 증발농축하는 장치를 제공하며 구체적으로는, 피처리수가 유입되어 고온의 증기와의 열교환에 의해 증발농축됨으로써 1차 농축수가 형성되는 제1 증발기(evaporator)(1), 상기 1차 농축수의 전부 또는 일부가 유입되며 상기 1차 농축수에 포함된 경도유발물질이 석회(Lime)와 반응하여 침전분리됨으로써 제거되는 고온 연수화 장치(hot lime softener)(2) 상기 고온 연수화 장치(2)를 통과한 1차 농축수의 전부 또는 일부가 유입되어 고온의 증기와의 열교환에 의해 추가적으로 증발농축됨으로써 2차 농축수가 형성되는 제2 증발기(3) 및 상기 2차 농축수가 유입되어 증기와 농축액으로 분리되고, 분리된 농축액은 농축수 배출부(23)로 배출되는 강제순환식 증발기(18);를 포함하는 고온 연수화를 이용한 피처리수 증발농축 장치를 제공한다.

이때, 상기 고온 연수화 장치(2)로 유입되는 1차 농축수의 온도는 90 ~ 110 ℃일 수 있으며, 상기 제1 증발기(1)의 농축비(concentration factor)가 5 ~ 10의 값을 갖도록 할 수도 있다.

또한, 본 발명의 피처리수 증발농축 장치는 상기 1차 농축수 및/또는 2차 농축수의 전부 또는 일부가 각각 상기 제1 증발기(1) 또는 제2 증발기(3)로 다시 유입됨으로써 재농축될 수 있는 재순환 라인(4, 5)을 더 포함할 수도 있다.

한편, 상기 제1 증발기(1) 및/또는 제2 증발기(3)는 내부에 복수의 증발튜브(8)를 포함하며 유입되는 피처리수가 상기 증발튜브(8)의 내벽을 타고 강하 경막을 이루어 흐르면서 상기 증발튜브(8)의 외벽 측으로 공급되는 고온의 증기와의 열교환에 의해 증발되는 강하 경막(Vertical Tube Falling Film, VTFF) 증발기일 수 있다.

또한, 상기 제1 증발기(1) 및/또는 제2 증발기(3)는 내부에서 감압 증발(reduced pressure evaporation)이 이루어지는 감압 증발기일 수 있다.

본 발명의 증발농축 장치는 상기 제1 증발기(1) 및/또는 제2 증발기(3)의 하부에 농축수와 함께 2상(two phase)으로 존재하는 증기가 유입되어 증기에 잔류하는 수분을 분리제거하는 기액분리장치(9)를 더 포함할 수 있는데, 이때 상기 제1 증발기(1) 및/또는 제2 증발기(3)에 공급되는 고온의 증기의 열교환을 통해 형성되는 응축수가 상기 기액분리장치(9)로 유입되는 증기에 분사되어 상기 증기에 포함된 경도유발물질이 분리제거되는 것이 바람직하다.

본 발명은 상기 기액분리장치(9)에서 경도유발물질 및 수분이 분리제거된 증기를 압축하여 상기 제1 증발기(1) 및/또는 제2 증발기(3)로 공급하는 압축기(10)를 더 포함할 수도 있다.

한편, 상기 기액분리장치(9)는 상기 응축수가 상기 기액분리장치(9) 내주면의 접선 방향으로 분사됨으로써 상기 기액분리장치(9)의 내주면을 따라 선회류를 이루며 회전하는 사이클론 타입의 기액분리장치(9)인 것이 바람직하다.

본 발명의 증발농축 장치는 또한, 상기 제1 증발기(1) 및/또는 제2 증발기(3)에 공급되는 고온의 증기의 열교환을 통해 형성되는 응축수와 상기 제1 증발기(1)로 유입되는 피처리수가 열교환되는 열교환기(11)를 더 포함할 수 있다.

본 발명은 다른 실시예에 따라 경도유발물질(hardness)이 포함된 피처리수를 증발농축하는 방법을 제공하며 구체적으로는, (a) 피처리수가 제1 증발기(evaporator)(1)로 유입되어 고온의 증기와의 열교환에 의해 증발농축됨으로써 1차 농축수가 형성되는 단계, (b) 상기 1차 농축수의 전부 또는 일부가 고온 연수화 장치(hot lime softener)(2)로 유입되며 상기 1차 농축수에 포함된 경도유발물질이 석회(lime)와 반응하여 침전분리됨으로써 제거되는 단계, (c) 경도유발물질이 제거된 1차 농축수의 전부 또는 일부가 제2 증발기(3)로 유입되어 고온의 증기와의 열교환에 의해 추가적으로 증발농축됨으로써 2차 농축수가 형성되는 단계, 및 (d) 상기 2차 농축수가 강제순환식 증발기(18)로 유입되어 증기와 농축액으로 분리되고, 분리된 농축액은 농축수 배출부(23)로 배출되는 결정화(Crystalization) 단계를 포함하는 고온 연수화를 이용한 피처리수 증발농축 방법을 제공한다.

이때, 상기 고온 연수화 장치(2)로 유입되는 1차 농축수의 온도는 90 ~ 110 ℃일 수 있으며, 상기 제1 증발기(1)가 5 ~ 10 값의 농축비(concentration factor)를 갖도록 운전되도록 할 수 있다.

한편, (a) 단계 및/또는 (c) 단계는 상기 1차 농축수 또는 2차 농축수의 전부 또는 일부가 각각 상기 제1 증발기(1) 또는 제2 증발기(3)로 다시 유입되어 순환함으로써 재농축되는 과정을 포함하는 단계일 수 있다.

또한, (a) 단계 및/또는 (c) 단계의 증발농축은 감압 증발(reduced pressure evaporation)에 의해 이루어지도록 할 수 있다.

본 발명의 증발농축 방법은 (a) 단계 및/또는 (c) 단계를 거쳐 농축수와 함께 2상(two phase)으로 존재하는 증기가 기액분리장치(9)로 유입되어 증기에 잔류하는 수분이 분리제거되는 단계를 더 포함할 수 있는데, 이때 상기 제1 증발기(1) 및/또는 제2 증발기(3)에 공급되는 고온의 증기의 열교환을 통해 형성되는 응축수가 상기 기액분리장치(9)로 유입되는 증기에 분사되어 상기 증기에 포함된 경도유발물질이 분리제거되도록 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 증발농축 방법은 또한, (a) 단계 이전에 상기 제1 증발기(1) 및/또는 제2 증발기(3)에 공급되는 고온의 증기의 열교환을 통해 형성되는 응축수와 상기 제1 증발기(1)로 유입되는 피처리수가 열교환되는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 피처리수가 제1 증발기, 고온 연수화 장치 및 제2 증발기를 순차적으로 거쳐 증발농축됨으로써 고온 연수화에 의한 효과적인 경도유발물질의 제거가 이루어져 스케일 형성이 방지되는 동시에, 고온 연수화 장치의 작동 온도를 만족시키기 위한 별도의 열원이 필요 없어 운용 비용을 절감할 수 있다.

또한, 피처리수가 제1 증발기를 거쳐 증발농축되면서 유량이 감소하므로 고온 연수화 장치의 용량 및 석회 투입량을 저감할 수 있고, 제2 증발기의 경우 고온 연수화를 거쳐 경도유발물질이 거의 제거된 농축수가 유입되므로 상대적으로 저급 소재를 적용할 수 있어 설비 원가를 절감할 수 있다는 장점이 있다.

도 1은 피처리수를 증발농축할 때 경도유발물질의 석출을 억제하는 종래의 시스템을 도식적으로 나타낸 것이다.
도 2의 물에 대한 실리카의 용해도와 pH의 관계를 그래프로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고온 연수화를 이용한 피처리수 증발농축 장치를 도식적으로 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따라 재순환 라인(4, 5)을 더 포함하는 고온 연수화를 이용한 피처리수 증발농축 장치를 도식적으로 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 제1 증발기(1) 및/또는 제2 증발기(3)로서 사용될 수 있는 강하 경막 증발기의 구조를 일 실시예에 따라 도식적으로 나타낸 것이다.

이하 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.

본 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 “상부” 또는 "하부"에 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.

본 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

각 단계들에 있어 식별부호는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 실시될 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 실시될 수도 있고 실질적으로 동시에 실시될 수도 있으며 반대의 순서대로 실시될 수도 있다.

각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

또한, 본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다.

어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고온 연수화를 이용한 피처리수 증발농축 장치를 도식적으로 나타낸 것이다.

본 발명의 고온 연수화를 이용한 피처리수 증발농축 장치는 경도유발물질(hardness)이 포함된 피처리수를 증발농축하는 장치에 대한 것으로서, 도 3에 나타난 바와 같이 피처리수가 유입되어 고온의 증기와의 열교환에 의해 증발농축됨으로써 1차 농축수가 형성되는 제1 증발기(evaporator)(1), 상기 1차 농축수의 전부 또는 일부가 유입되며 상기 1차 농축수에 포함된 경도유발물질이 석회(lime)와 반응하여 침전분리됨으로써 제거되는 고온 연수화 장치(hot lime softener)(2) 및 상기 고온 연수화 장치(2)를 통과한 1차 농축수의 전부 또는 일부가 유입되어 고온의 증기와의 열교환에 의해 추가적으로 증발농축됨으로써 2차 농축수가 형성되는 제2 증발기(3)를 포함할 수 있다.

SAGD 등의 설비에서 발생한 피처리수는 피처리수 유입부(21)로부터 제1 증발기(1)로 유입되는데, 상기 제1 증발기(1)로 유입되기 전에 열교환기(11) 등의 가열 장치를 통과함으로써 증발농축을 위한 예열 과정을 거칠 수 있다.

제1 증발기(1)로 유입된 피처리수는 상기 제1 증발기(1) 내에서 고온의 증기와 직·간접적으로 접촉하며 열교환되어 증발농축됨으로써 1차 농축수로 전환되고, 상기 1차 농축수는 액체 저조(sump reservoir)라고도 불리는 제1 증발기(1)의 하부에 모여 증발된 증기와 함께 2상(two phase)으로 존재하게 된다.

위와 같은 제1 증발기(1)로서 강하 경막(Vertical Tube Falling Film, VTFF) 증발기가 사용될 수 있는데, 이러한 강하 경막 증발기는 내부에 복수의 증발튜브(8)를 포함하며 증발기로 유입되는 피처리수가 상기 증발튜브(8)의 내벽을 타고 강하 경막을 이루어 흐르면서 상기 증발튜브(8)의 외벽 측으로 공급되는 고온의 증기와의 열교환에 의해 증발되는 것이 특징이다.

도 5는 강하 경막 증발기의 일 실시예를 나타난 것으로서, 강하 경막 증발기는 구체적으로 원통형의 하우징(40) 상부에 플레이트 형태의 유동균일장치(42)가 수평으로 설치되고 피처리수 유입구(41)는 유동균일장치(42) 보다 높게 설치되며, 유입되는 피처리수는 유동균일장치(42) 상부의 상류 공간(S1)에 공급되도록 구성될 수 있다.

하우징(40) 내부에는 다수의 증발튜브(8)가 밀집되어 설치되어 있으며, 증발튜브(8)는 그 상단이 유동균일장치(42)를 관통하여 설치되는데, 상류 공간(S1)과 증발튜브(8)의 내부 공간이 서로 소통되도록 설치된다. 이로써 상류 공간(S1)으로 공급된 피처리수가 증발튜브(8)의 내벽을 타고 흘러내리게 된다. 강하 경막을 이루며 증발튜브(8)의 내벽을 타고 하방으로 흐르는 피처리수는 하우징(40) 중간부의 열교환 공간(S2)으로 투입되는 수증기와 증발튜브(8) 벽을 사이에 두고 열교환에 의해 가열되면서 피처리수 내에 함유된 수분이 증발하게 된다.

이러한 강하 경막 증발기는 장치 내의 압력 손실 없이 비점 상승을 억제할 수 있으며, 가열 유체와의 온도차가 작아도 열전달 속도가 매우 높아 수증기 등의 가열체와 접촉시간을 최소화할 수 있고, 또한 1 ~ 2 mm 정도로 유지되는 액체 경막에서의 온도 구배가 매우 작아 열에 민감한 액체의 온도 상승을 최소화할 수 있다는 장점이 있다.

또한, 상기 제1 증발기(1)는 내부에서 감압 증발(reduced pressure evaporation)이 이루어짐으로써 피처리수의 증발농축 과정이 수행되는 감압 증발기일 수 있으며 바람직하게는 내부 압력이 약 10^-2 mmHg 이하인 진공 상태에서 증발농축이 이루어지도록 할 수 있다.

한편, 제1 증발기(1)로 유입되는 피처리수는 경도유발물질에 대한 별도의 전처리 과정을 거치지 않기 때문에 상기 제1 증발기(1)에서는 경도유발물질이 석출되지 않을 정도로만 피처리수를 농축하는 것이 중요하다.

따라서, 상기 고온 연수화 장치(2)로 유입되는 1차 농축수 내 경도유발물질의 농도를 상기 제1 증발기(1)로 유입되는 피처리수 내 경도유발물질의 농도로 나눈 농축비(concentration factor)가 일정 범위 내의 값을 갖도록 피처리수를 농축하여 실리카(Silica) 등의 경도유발물질이 석출되는 것을 방지할 수 있는데, 바람직한 농축비로서 5 ~ 10의 값을 갖도록 할 수 있다.

이때 제1 증발기(1)의 농축비란 제1 증발기(1)로 유입되는 피처리수의 농도에 대한 제1 증발기(1)에서 배출되는 농축액 농도의 비 또는, 제1 증발기(1)에서 배출되는 농축액 유량에 대한 제1 증발기(1)로 유입되는 농축액 유량의 비를 의미한다.

제1 증발기(1)에서 증발농축된 1차 농축수의 전부 또는 일부는 고온 연수화 장치(2)로 유입되어 연수화 과정을 거치는데, 상기 1차 농축수는 제1 증발기(1)에서 고온의 증기와 열교환되어 증발농축되는 과정에서 높은 온도로 가열되기 때문에 추가적인 별도의 열원 없이도 상술한 고온 연수화 장치(2)의 작동 온도를 만족시킬 수 있으며, 이때 상기 고온 연수화 장치(2)로 유입되는 1차 농축수의 온도는 90 ~ 110 ℃ 범위의 값을 갖도록 하는 것이 바람직하다.

고온 연수화 장치(2)에서는 1차 농축수에 포함된 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg) 등의 경도유발물질이 석회(Lime)와 반응하여 응집됨으로써 분리 및 제거되며 실리카 또한 응집되는 마그네슘 이온의 표면에 달라붙거나 불용성의 칼슘-마그네슘 실리케이트를 형성함으로써 제거되는데, 상기 고온 연수화 장치(2)는 구체적으로 경도유발물질과 석회의 응집반응이 일어나는 반응기(reactor), 응집된 입자가 물리·화학적으로 성장하는 응집기(precipitator) 및 성장한 입자가 침강하여 분리됨으로써 연수화된 물이 얻어지는 정화기(clarifier)로 구성될 수 있다.

본 명세서 전체에서 석회라는 용어는 상술한 바와 같이 칼슘 또는 마그네슘의 다양한 염의 응집반응을 유도할 수 있는 석회(Lime, CaO), 소석회(Hydrated Lime, Ca(OH)₂), 소다회(Soda ash, Na₂CO₃) 등을 모두 포함하는 개념으로 사용될 수 있다.

고온 연수화 장치(2)에서 연수화 과정을 거쳐 경도유발물질이 제거된 1차 농축수는 제2 증발기(3)로 유입되어 고온의 증기와의 열교환에 의해 추가적인 증발농축 과정을 거쳐 2차 농축수로 전환되는데, 이때 증발농축되는 1차 농축수는 고온 연수화 과정을 거치면서 경도유발물질이 제거되었기 때문에 스케일 형성의 위험성이 없어 포화 상태까지 농축될 수 있다.

이러한 제2 증발기(3)는 제1 증발기(1)처럼 내부에 증발튜브(8)를 포함하는 강하 경막 증발기일 수 있으며, 감압 증발이 이루어지는 감압 증발기일 수도 있다.

제2 증발기(3)에서 농축되어 형성되는 2차 농축수는 농축수 배출부(23)로 배출되기 전에 강제순환식 증발기(18)를 통해 결정화(Crystalization)되는 과정을 추가적으로 거칠 수 있는데, 이러한 강제순환식 증발기(18)는 2차 농축수를 열 매체를 통해 가열하는 열교환기와 가열된 2차 농축수를 챔버 내에 분사하여 증발시켜 증기와 농축액으로 분리하는 기액분리장치로 구성되며, 기액분리장치로부터 배출되는 농축액은 펌프를 통해 열교환기로 재순환되는 특징을 갖는다.

한편, 본 발명은 도 3에 나타난 것처럼 제1 증발기(1) 및/또는 제2 증발기(3)의 하부에 농축수와 물과 함께 2상(two phase)으로 존재하는 증기가 유입되어 증기에 잔류하는 수분을 분리제거하는 기액분리장치(9)를 더 포함할 수 있다.

즉, 제1 증발기(1)의 하부 또는 액체 저조에 1차 농축수와 함께 2상으로 존재하는 증기에 포함된 수분 및 실리카 등의 경도유발물질을 제거하기 위해 상기 증기가 기액분리장치(9)로 유입되는데, 이때 상기 제1 증발기(1) 및/또는 제2 증발기(3)에 공급되는 고온의 증기의 열교환을 통해 형성되는 응축수가 상기 기액분리장치(9)로 유입되는 증기에 분사되어 수분과 함께 경도유발물질을 세정함으로써 상기 증기에 포함된 경도유발물질이 분리제거될 수 있다.

이때, 기액분리장치(9)는 상기 응축수가 기액분리장치(9) 내주면의 접선 방향으로 분사됨으로써 상기 내주면을 따라 선회류를 이루며 회전하는 사이클론 타입의 기액분리장치(9)인 것이 바람직하다.

상기 사이클론 타입의 기액분리장치(9)는 구체적으로, 상부의 증기 배출구를 통해 증기가 배출되고 하부의 농축액 배출구를 통해 농축된 응축수가 배출되도록 내부 공간이 마련된 챔버, 응축수가 상기 챔버의 내주면을 따라 선회류를 이루어 회전하도록 상기 챔버 내주면의 접선 방향으로 상기 챔버의 측면에 연결되어 유입되는 응축수를 분사하는 유입부(12) 및 챔버 내부의 상부에 상기 챔버의 내부 공간을 분할하도록 형성되어 증기 내에 함유된 액적(mist)을 제거하는 데미스터(demister)(16)를 포함할 수 있다.

이렇게 기액분리장치(9)를 거쳐 실리카 등의 경도유발물질 및 수분이 제거된 증기는 압축기(10)로 유입되어 압축된 후 제1 증발기(1)로 공급됨으로써 피처리수의 증발농축을 위한 열원으로 사용된다.

제2 증발기(3) 내의 증발농축 과정에서 발생하는 증기 또한 상술한 바와 같은 기액분리장치(9) 및 압축기(10)를 거쳐 다시 제2 증발기(3)로 유입됨으로써 열원으로 사용될 수 있는데, 이때 한 대의 기액분리장치(9) 및 압축기(10)를 사용하여 제1 및 2 증발기(1, 3)에서 발생한 증기를 함께 처리하는 것이 바람직하나 이에 한정되는 것은 아니다.

한편, 제1 증발기(1) 또는 제2 증발기(3)에 공급되는 고온의 증기의 열교환을 통해 형성되는 응축수는 응축수 배출부(22)로 배출되기 전에 상기 제1 증발기(1)로 유입되는 피처리수와 열교환기(11)에서 열교환될 수 있는데, 이로써 피처리수는 제1 증발기(1)로 유입되기 전에 예열되는 효과가 있으며 응축수는 외부로 배출되기 전에 온도가 감소함으로써 폐열에 의한 환경오염 문제를 완화하는 효과가 있다.

또한, 상기 응축수의 전부 또는 일부는 상술한 바와 같이 기액분리장치(9)로 분사되어 증기 내의 경도유발물질을 제거하는데 사용됨으로써 재활용될 수 있다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따라 재순환 라인(4, 5)을 더 포함하는 고온 연수화를 이용한 피처리수 증발농축 장치를 도식적으로 나타낸 것이다.

본 발명의 고온 연수화를 이용한 피처리수 증발농축 장치는 도 4에 나타난 바와 같이, 1차 농축수의 전부 또는 일부가 제1 증발기(1)로 다시 유입됨으로써 재농축될 수 있는 재순환 라인(4)을 더 포함할 수 있으며, 마찬가지로 2차 농축수가 제2 증발기(1)로 다시 유입될 수 있는 재순환 라인(5)도 포함할 수 있다.

위와 같은 재순환 라인(4, 5)을 통해 1차 농축수가 실리카 등의 경도유발물질이 석출되지 않을 정도의 농축비로 증발농축되는 과정과 2차 농축수가 포화 수준으로 증발농축되는 과정이 효율적으로 이루어질 수 있다.

본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 설명에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능하며, 그와 같은 변형은 본 발명의 보호 범위 내에 있게 된다.

1: 제1 증발기
2: 고온 연수화 장치
3: 제2 증발기
4, 5: 재순환 라인
8: 증발튜브
9: 기액분리장치
10: 압축기
11: 열교환기
12: 유입부
16: 데미스터
17: 펌프
18: 강제순환식 증발기
21: 피처리수 유입부
22: 응축수 배출부
23: 농축수 배출부
31: 피처리수 유입부
32: pH조절물질 탱크
33: 연수화 장치
34: 증발기
35: 증기 배출부
36: 슬러지 배출부
40: 하우징
41: 피처리수 유입구
42: 유동균일장치
S1: 상류 공간
S2: 열교환 공간
S3: 액체 저조

Claims

경도유발물질(hardness)이 포함된 피처리수를 증발농축하는 장치에 있어서,
피처리수가 유입되어 고온의 증기와의 열교환에 의해 증발농축됨으로써 1차 농축수가 형성되는 제1 증발기(evaporator)(1);
상기 1차 농축수의 전부 또는 일부가 유입되며 상기 1차 농축수에 포함된 경도유발물질이 석회(Lime)와 반응하여 침전분리됨으로써 제거되는 고온 연수화 장치(hot lime softener)(2);
상기 고온 연수화 장치(2)를 통과한 1차 농축수의 전부 또는 일부가 유입되어 고온의 증기와의 열교환에 의해 추가적으로 증발농축됨으로써 2차 농축수가 형성되는 제2 증발기(3); 및
상기 2차 농축수가 유입되어 증기와 농축액으로 분리되고, 분리된 농축액은 농축수 배출부(23)로 배출되는 강제순환식 증발기(18);
를 포함하는 고온 연수화를 이용한 피처리수 증발농축 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 고온 연수화 장치(2)로 유입되는 1차 농축수의 온도는 90 ~ 110 ℃인 것을 특징으로 하는 고온 연수화를 이용한 피처리수 증발농축 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 증발기(1)의 농축비(concentration factor)가 5 ~ 10의 값을 갖는 것을 특징으로 하는 고온 연수화를 이용한 피처리수 증발농축 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 1차 농축수 및/또는 2차 농축수의 전부 또는 일부가 각각 상기 제1 증발기(1) 또는 제2 증발기(3)로 다시 유입됨으로써 재농축될 수 있는 재순환 라인(4, 5)을 더 포함하는 고온 연수화를 이용한 피처리수 증발농축 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 증발기(1) 및/또는 제2 증발기(3)는,
내부에 복수의 증발튜브(8)를 포함하며 유입되는 피처리수가 상기 증발튜브(8)의 내벽을 타고 강하 경막을 이루어 흐르면서 상기 증발튜브(8)의 외벽 측으로 공급되는 고온의 증기와의 열교환에 의해 증발되는 강하 경막(Vertical Tube Falling Film, VTFF) 증발기인 것을 특징으로 하는 고온 연수화를 이용한 피처리수 증발농축 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 증발기(1) 및/또는 제2 증발기(3)는 내부에서 감압 증발(reduced pressure evaporation)이 이루어지는 감압 증발기인 것을 특징으로 하는 고온 연수화를 이용한 피처리수 증발농축 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 증발기(1) 및/또는 제2 증발기(3)의 하부에 농축수와 함께 2상(two phase)으로 존재하는 증기가 유입되어 증기에 잔류하는 수분을 분리제거하는 기액분리장치(9)를 더 포함하며,
상기 제1 증발기(1) 및/또는 제2 증발기(3)에 공급되는 고온의 증기의 열교환을 통해 형성되는 응축수가 상기 기액분리장치(9)로 유입되는 증기에 분사되어 상기 증기에 포함된 경도유발물질이 분리제거되는 것을 특징으로 하는 고온 연수화를 이용한 피처리수 증발농축 장치.
청구항 7에 있어서,
상기 기액분리장치(9)에서 경도유발물질 및 수분이 분리제거된 증기를 압축하여 상기 제1 증발기(1) 및/또는 제2 증발기(3)로 공급하는 압축기(10)를 더 포함하는 고온 연수화를 이용한 피처리수 증발농축 장치.
청구항 7에 있어서,
상기 기액분리장치(9)는,
상기 응축수가 상기 기액분리장치(9) 내주면의 접선 방향으로 분사됨으로써 상기 기액분리장치(9)의 내주면을 따라 선회류를 이루며 회전하는 사이클론 타입의 기액분리장치(9)인 것을 특징으로 하는 고온 연수화를 이용한 피처리수 증발농축 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 증발기(1) 및/또는 제2 증발기(3)에 공급되는 고온의 증기의 열교환을 통해 형성되는 응축수와 상기 제1 증발기(1)로 유입되는 피처리수가 열교환되는 열교환기(11)를 더 포함하는 고온 연수화를 이용한 피처리수 증발농축 장치.
경도유발물질(hardness)이 포함된 피처리수를 증발농축하는 방법에 있어서,
(a) 피처리수가 제1 증발기(evaporator)(1)로 유입되어 고온의 증기와의 열교환에 의해 증발농축됨으로써 1차 농축수가 형성되는 단계;
(b) 상기 1차 농축수의 전부 또는 일부가 고온 연수화 장치(hot lime softener)(2)로 유입되며 상기 1차 농축수에 포함된 경도유발물질이 석회(lime)와 반응하여 침전분리됨으로써 제거되는 단계;
(c) 경도유발물질이 제거된 1차 농축수의 전부 또는 일부가 제2 증발기(3)로 유입되어 고온의 증기와의 열교환에 의해 추가적으로 증발농축됨으로써 2차 농축수가 형성되는 단계; 및
(d) 상기 2차 농축수가 강제순환식 증발기(18)로 유입되어 증기와 농축액으로 분리되고, 분리된 농축액은 농축수 배출부(23)로 배출되는 결정화(Crystalization) 단계;
를 포함하는 고온 연수화를 이용한 피처리수 증발농축 방법.
청구항 11에 있어서,
상기 고온 연수화 장치(2)로 유입되는 1차 농축수의 온도는 90 ~ 110 ℃인 것을 특징으로 하는 고온 연수화를 이용한 피처리수 증발농축 방법.
청구항 11에 있어서,
상기 제1 증발기(1)가 5 ~ 10 값의 농축비(concentration factor)를 갖도록 운전되는 것을 특징으로 하는 고온 연수화를 이용한 피처리수 증발농축 방법.
청구항 11에 있어서,
(a) 단계 및/또는 (c) 단계는,
상기 1차 농축수 및/또는 2차 농축수의 전부 또는 일부가 각각 상기 제1 증발기(1) 및/또는 제2 증발기(3)로 다시 유입되어 순환함으로써 재농축되는 과정을 포함하는 단계인 것을 특징으로 하는 고온 연수화를 이용한 피처리수 증발농축 방법.
청구항 11에 있어서,
(a) 단계 및/또는 (c) 단계의 증발농축은 감압 증발(reduced pressure evaporation)에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 고온 연수화를 이용한 피처리수 증발농축 방법.
청구항 11에 있어서,
(a) 단계 및/또는 (c) 단계를 거쳐 농축수와 함께 2상(two phase)으로 존재하는 증기가 기액분리장치(9)로 유입되어 증기에 잔류하는 수분이 분리제거되는 단계;를 더 포함하며,
상기 제1 증발기(1) 및/또는 제2 증발기(3)에 공급되는 고온의 증기의 열교환을 통해 형성되는 응축수가 상기 기액분리장치(9)로 유입되는 증기에 분사되어 상기 증기에 포함된 경도유발물질이 분리제거되는 것을 특징으로 하는 고온 연수화를 이용한 피처리수 증발농축 방법.
청구항 11에 있어서,
(a) 단계 이전에,
상기 제1 증발기(1) 및/또는 제2 증발기(3)에 공급되는 고온의 증기의 열교환을 통해 형성되는 응축수와 상기 제1 증발기(1)로 유입되는 피처리수가 열교환되는 단계를 더 포함하는 고온 연수화를 이용한 피처리수 증발농축 방법.