KR101948815B1 - 산업 공정의 지속가능한 냉각을 위한 방법 및 시스템 - Google Patents
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Abstract
산업 공정의 냉각을 위하여 처리된 물을 이용하는 수처리 방법 및 시스템이 개시된다. 물은 대형 컨테이너 또는 인공 라군에서 처리 및 저장되며, 높은 투명도 및 높은 미생물학적 품질을 갖는다. 본 발명의 시스템은 일반적으로 대형 컨테이너 또는 인공 라군과 같은 컨테이닝 수단, 조정 수단, 화학물질 적용 수단, 이동식 흡입 수단, 및 여과 수단을 포함한다. 조정 수단은 물 품질 파라미터를 특정된 한계 내에 조절하기 위하여 공정을 모니터링 및 제어한다. 대형 컨테이너 또는 인공 라군은 히트 싱크로 작용할 수 있어 산업 냉각 공정으로부터 폐열을 흡수함으로써, 이후에 다른 목적을 위하여 이용될 수 있는 열에너지 저장소를 지속가능한 방식으로 생성한다. 본 방법 및 시스템은 담수, 기수 및 해수를 포함하는 어떠한 형태의 물도 이용가능한 임의의 산업 냉각 시스템에 이용될 수 있다.
Description
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 미국을 제외한 모든 국가에 대하여 출원인으로 지정되는 미국 기업인 Crystal Lagoons Corporation LLC, 및 칠레 국민인 Fernando Fischmann T.의 이름으로 PCT 국제출원으로서 2011년 9월 12일에 출원되었으며, 참조로 본 명세서에 포함되는 2011년 3월 30일에 출원된 미국 가출원 제61/469,526호, 및 2011년 8월 1일에 출원된 미국 실용신안출원 제13/195,695호에 대한 우선권을 주장한다.
기술분야
본 발명은 산업 공정(industrial process)의 냉각을 위하여 처리된 물을 이용하는 수처리 방법 및 시스템에 관한다. 물은 대형 컨테이너 또는 인공 라군(lagoon)에서 처리되고 저장되며, 높은 투명도 및 높은 미생물학적 품질(microbiological quality)을 갖는다. 대형 컨테이너 또는 인공 라군은 히트 싱크(heat sink)로서 작용할 수 있어, 산업 냉각 공정으로부터 폐열을 흡수함으로써, 지속가능한 방식으로 열에너지 저장소를 생성하며, 이는 다른 목적을 위하여 나중에 사용될 수 있다. 본 방법 및 시스템은 담수, 기수(brackish water), 및 해수를 포함하는, 어떠한 형태의 물도 이용가능한 임의의 산업 냉각 시스템에 이용될 수 있다.
전세계적으로 산업은 그 수가 매우 크게 증가하였으며, 수년에 걸쳐 공정들을 향상시켰다. 이러한 산업의 다수는 적어도 일부의 공정에 있어서 냉각을 제공하는 시스템을 필요로 한다. 많은 냉각 시스템이 히트 싱크 또는 열전달 유체(heat transfer fluid)로서 물을 이용한다. 그러나, 물은 제한된 자원이다. 지하 대수층, 대양 및 지표수의 남용 및 오염이 발생되어, 적합한 물의 양, 및 자연적으로 이용가능한 물의 품질의 저하를 가져왔다. 따라서, 환경에 손상을 입히지 않고 이 자원을 효율적인 방식으로 이용하기 위하여, 지속가능하고 경제적인 방식으로 물을 이용하는 새로운 방법을 모색해야 할 필요가 있다.
현재의 산업 냉각 시스템은 자주 다량의 냉각수가 이용가능한 지역에 제한된다. 예를 들어, 냉각 시스템은 대양의 해안선을 따라, 또는 물 자원이 풍부하게 존재하는 강 및 대형 호수와 같은 다른 천연적인 수원 근처에 위치한다. 따라서, 물 기반 냉각 시스템과 관련된 중요한 단점은 특정한 지리학적 지역에 제한된다는 것이다. 예를 들어, 석탄을 이용하는 350 ㎿ 발전소에 있어서, 시간당 거의 45,000 ㎥의 물이 발전소에서 열교환기와 같은 냉각 목적을 위하여 필요할 수 있으며, 이는 단 1시간 동안 18개의 올림픽 수영장을 채우는 것과 동등하다.
또한, 냉각수에 의해 흡수된 폐열은 가열된 물을 천연 수원으로 다시 배출함으로써, 또는 수증기를 분위기 중으로 배출함으로써 환경으로 손실되는 것이 일반적이다. 매일 전세계에 걸쳐 낭비되는 되찾을 수 있는(Recoverable) 에너지는 전세계적으로 1일에 소비되는 전체 전기의 80%까지일 수 있다.
향상된 산업적 물 기반 냉각 시스템으로부터 혜택을 받을 수 있는 특정한 대표적인 환경은 하기를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다:
화력 발전소
인구 증가 및 기술 발전은 추가적인 에너지에 대한 거대한 요구에 이르렀다. 전세계적인 에너지의 큰 이용은 발전(electricity generation)에 집중된다. 전기에 대한 요구는 국가들의 현대화 및 그들의 경제 발전에 의해 정해지는 속도로 커진다. 예를 들어, 발전은 지난 10년간 거의 40% 증가하였다(도 1 참조). 이러한 요구는 전세계적으로 새로운 발전용 설비의 건설을 증가시켰다.
화력 발전소는 현재 작동되는 발전소의 지배적인 형태이다. 이러한 발전소는 연소를 발생시키는데 연료를 채용하며, 결국 발전 순환에서 터빈을 구동시키는 유체를 연소가열한다. 결국 터빈을 구동시키는 구동 유체를 생성하는 - 태양 에너지 또는 지열 에너지와 같은 - 재생가능한 자원을 이용하는 다수의 발전소도 있다. 다른 화력 발전소는 여전히 우라늄과 같은 핵연료를 이용한다. 그러나, 가능한 통계는, 2008년에 소비된 총에너지의 80% 내지 90%가 화력 발전소에서 화석 연료를 연소하는 것으로부터 유래되었음을 나타낸다. 가장 전형적으로, 이러한 형태의 발전소는 석탄, 오일, 또는 천연 가스를 이용한다. 부분적으로, 이러한 큰 퍼센티지의 전기 생산은 세계적으로 화석 연료의 높은 이용가능성에 기인한다. 1973년에, 세계 에너지 매트릭스는 78.4%의 화력 발전소 (원자력 발전소 포함)로 이루어졌으나, 2008년에 그 퍼센티지는 81.5%로 증가하였다. 이러한 발전소에 있어서, 그 작동 효율성을 향상시키고, 환경적 영향을 감소시키고자 하는 계속적인 요구가 존재한다.
시간이 경과하면서, 화력 발전소는 그 작동과 관련된 다양한 변화를 겪었다. 예를 들어, 연료의 배출 및 효율적인 이용과 관련되어 변화가 이루어졌다. 그러나, 이러한 발전소의 남아 있는 문제점은 물 냉각 시스템의 이용이다. 이러한 시스템은 특정한 지리학적 위치로 그 이용이 제한된다는 몇몇 단점을 갖는다. 부가적으로, 물의 이용 및 수반되는 물의 가열은 환경에 잠재적인 손상 충격을 발생하고, 에너지 비용을 상승시키며, 물의 과도한 이용에 이르고, 잔열을 낭비하며, 및/또는 높은 설치 및 작동 비용을 갖는다. 따라서, 에너지 및 전기에 대한 높아지는 요구에 맞추기 위하여 향상된 냉각 시스템이 필요하다.
화력 발전소 및 다른 산업에 이용되는 현재의 냉각 시스템은: 일회 냉각 시스템(once through cooling systems), 습식 냉각탑(wet cooling towers), 및 냉각지(cooling ponds)이다.
일회
냉각 시스템
오늘날 이용되는 냉각 시스템의 주요한 형태의 하나는 "일회" 냉각 시스템이며, 이는 개방 사이클(open-cycle) 시스템을 나타낸다(즉, 물 재순환을 채용하지 않음). 이 형태의 시스템은 자연 근원으로부터 물을 수집하는 물 유입 구조, 및 물을 다시 자연 근원(예를 들어, 자주 대양 또는 바다)으로 되돌려보내는 배출 구조로 이루어진다. 수집된 냉각수는 산업 공정의 부분으로서 기능하는 열교환기를 통하여 순환된다. 열교환기에서, 물은 히트 싱크로 작용함으로써, 교환기를 통하여 흐르기 때문에 수온이 상승한다. 이후 가열된 물은 자연 근원으로 다시 배출된다. 미국에서만, 약 5,500개의 발전소가 일회 냉각 시스템을 이용한다. 이러한 발전소는 냉각 목적을 위하여 1일에 천팔백억 갤론을 넘는 물을 이용한다. 이 양은 예를 들어 1일에 호주에서 이용되는 관개수 보다 13배 더 많다. 일회 냉각 시스템은 해양생물의 흡입 및 죽음에 기인하는 환경적 손상; 회수된 가열된 물로부터의 열적 오염; 발전소 위치의 해안선(또는 대형 수원의 경계)으로의 제한; 나쁜 품질의 물; 및 잔열의 낭비를 포함하는 많은 단점을 갖는다.
일회 냉각 시스템은 상대적으로 낮은 비용으로 다량의 물을 이용하지만, 자주 해양 생태계에 대규모의 유해한 영향을 미치게 된다. 예를 들어, 이 시스템은 배출된 물에서 온도 상승을 일으킨다. 대양에서, 온도의 급격한 상승은 심각한 문제를 일으킬 수 있으며, 생물의 죽음에 이를 수 있다. 이는 해양 생태계, 및 어업 및 다른 경제적 활동과 같이 해안가에서 이루어지는 인간의 활동에 영향을 미친다. 일회 냉각 시스템은 물 주입구(inlet)에서 일어나는 흡입에 기인하여 해양생물의 죽음을 야기할 수 있다. 이들은 열교환기로 향하는 도관 내로 흡입되기 때문에, 이는 전세계적으로 매년 수백만의 어류, 유충 및 다른 수생 생물에 영향을 미칠 수 있다. 죽음은 필터 또는 스크린 때문에 (예를 들어, 필터/스크린과의 충돌, 또는 필터 또는 스크린에 의한 정체), 구동 펌프 때문에 (예를 들어, 고속으로 구조 내부를 지나는 것에 의하여, 및/또는 벽과의 충돌을 일으키는 흐름에 의하여), 첨가될 수 있는 화학물질에 의해, 열교환기에서 온도의 갑작스런 변화에 의해 발생할 수 있다. 일부 국가 및 주의 법률은 일회 냉각 시스템의 사용을 금지한다. 따라서, 시간이 지남에 따라 지속가능하고, 더 우수한 성능 및 효율성을 가능케 하는 새로운 방식의 냉각을 찾고자 하는 요구가 존재한다.
일회 냉각 시스템의 다른 주요한 한계는 제한된 위치이다. 전술한 바와 같이, 이러한 형태의 발전소는 다량의 물을 더 잘 획득하기 위하여 바다에 경계한 해안에, 또는 강을 따라 내륙에 위치하여야 하는 것이 전형적이다. 이러한 위치는 상당한 토지 이용 문제를 발생시킬 수 있다. 이에 의해, 이러한 산업은 획득되어야 하는 다량의 물, 및 그러한 장소에서의 열적 오염의 영향 때문에 제한된다. 이 때문에, 발전소는 더 높은 비용 및 사회의 거주자에 의한 잠재적인 거부에 이르는, 위치와 관련된 다양한 문제를 갖는다.
일회 냉각 시스템의 다른 문제는 냉각에 이용된 물의 나쁜 품질이다. 일회 냉각 시스템은 전형적으로 해수를 사용하는데, 이는 큰 유기물 함량을 갖는다. 이는 냉각 공정의 열 전달 시스템에 유해하게 영향을 미친다. 예를 들어, 파이프에 부착하거나 파이프를 막는 생물 또는 죽은 유기체에 의해 열전달이 감소된다. 생물 오손(Biofouling)이 발생되고, 파이프의 내부면에 부착하기 시작하여, 열전달을 감소시키고, 이에 따라 더 큰 비효율성을 발생시킨다. 또한, 새로운 환경 표준은 단위 연료당 생성되는 에너지 양을 최대화하기 위하여 발전소가 고효율로 작동하도록 권고한다(일부는 요구한다). 하나의 연구는 열교환기에서의 오염이 산업화된 국가에서 약 0.25%의 국내총생산 (GDP) 수준의 재정 손실을 발생시키는 것으로 추정한다.
일회 냉각 시스템의 다른 제약은 물 중의 열에너지를 사용하지 않고 흡수된 모든 열이 자연적인 수원으로 다시 배출된다는 것이다. 일부 경우, 낭비되는 열에너지가 총 생성된 열의 3분의 2에 달할 수 있으며, 발전소에서 생성된 전기에너지의 양은 총 생성된 열의 단지 3분의 1이다. 이 낭비되는 가치있는 에너지를 다른 유용한 목적을 위하여 사용하는 것이 유리할 것이다.
습식 냉각탑
현재 이용되는 다른 냉각 시스템은 습식 냉각탑이다. 이 시스템은 증발 굴뚝(evaporation chimneys) 내부의 공기에 의한 열 교환을 통하여 물을 냉각한다. 굴뚝은 바닥에 찬 물 저장소를 가지며, 이는 발전소의 컨덴서(냉각 장치)를 통하여 순환되는 펌프에 의해 발전소에 공급됨으로써 발전소 작동 유체의 열을 물로 전달한다. 고온의 유출수가 탑의 상부에 도달하는 때에, 열 전달을 위한 접촉 면적을 최대화하기 위하여 미세한 분출로 하강하기 시작한다. 몇몇 발전소는 물과의 반대-흐름 접촉을 이루도록 공기를 위로 순환시키기 위하여, 탑의 상부 또는 하부에 팬을 갖는다. 물이 떨어질 때, 물은 냉각되고 증발을 통하여 열을 손실한다. 물이 증발할 때, 용해된 염이 물 탱크로 다시 떨어져 그 농도가 높아진다. 따라서, 일정량의 물이 가끔 퍼지(purge)되어야 하며, 저장소는 담수가 공급되어야 한다. 습식 냉각탑은 물의 높은 회수율(withdrawal rates) 및 증발, 높은 비용, 도시 미학 또는 경관의 악화, 및 획득된 잔열의 손실을 포함하는 그 작동과 관련된 다양한 문제를 갖는다.
습식 냉각탑의 큰 문제는 높은 물 이용률이다. 미국전력연구소(Electric Power Research Institute, "EPRI")에 따르면, 석탄으로 작동되는 스팀 구동 발전소에 있어서, 물 회수율은 약 2,082 리터/㎿h이며, 증발에 의한 물 손비는 약 1,817 리터/㎿h이다. 또한, 습식 냉각탑은 높은 증발율에 의하여 야기되는 큰 물 소비에 기인하여 잦은 보충을 필요로 한다. 모든 증발된 물은 교체되어야 하며, 탱크 내의 미네랄 농도의 증가 때문에 가끔 일정량의 물이 퍼지되어햐 하고, 이 도한 보충되어야 한다. 일반적으로, 습식 냉각탑은 담수로 작동되어, 작동 비용이 더 높아진다.
습식 냉각탑의 다른 주요한 문제는 높은 설치, 작동, 및 유지 비용이다. 예를 들어, 2,245 ㎿의 발전소에서, 자본 비용은 6억 달러로 오를 수 있다.
또한, 습식 냉각탑은 도시 미학 및 경관의 악화를 일으킨다. 이는 탑의 구조와 탑으로부터 주변으로 배출되는 스팀 때문이다. 스팀은 경관 조망을 방해하고, 습한 인도, 도로 및 다른 인접한 표면을 야기할 수 있다. 습식 냉각탑의 또 다른 한계는 실질적으로 모든 잔열을 수증기로서 주변으로 배출하므로, 잔류 에너지를 이용하지 못한다는 것이다. 따라서, 공정의 전체적인 에너지 효율은 감소된다.
냉각지
산업 공정에 이용되는 현재의 많은 냉각 시스템은 냉각지를 채용한다. 냉각지는 냉각수가 추출되는 연못에 담긴 다량의 물로 이루어지는 것이 일반적이다. 발전소에서 열교환 공정을 거친 후에, 물(온도가 더 높은)이 연못으로 다시 배출된다. 연못의 면적은 전형적으로 발전소의 용량 및 효율에 따라 달라진다. 이러한 형태의 연못은 석탄, 다른 화석 연료, 복합 사이클(combined cycle) , 및 원자력 발전을 이용하는 미국내 화력 발전소의 거의 15%에 의해 이용된다. 냉각지의 주요 단점은 구현을 위하여 요구되는 큰 물리적 면적 및 연못 내에 담긴 물의 나쁜 품질이다.
냉각지 구현을 위한 큰 면적의 필요성은 유지되어야 하는 낮은 온도 - 일반적으로 22℃보다 낮음 - 에 기초한다. 이는, 물의 온도가 상승하기 시작하면 연못의 물에서 냉각 시스템 및 연못 자체에 문제를 일으키는 조류 및 다른 유기체의 성장 및 증식이 더욱 쉬워지기 때문이다. 낮은 온도를 유지하기 위하여, 냉각지는 2,500 헥타르 이하의 매우 큰 면적을 갖는다. 토지 이용이 점점더 부족해지는 것을 고려하면, 이 방법은 실행가능성이 더 적어지고 있다.
냉각지의 다른 제한은 연못에 있는 물의 나쁜 품질이다. 일부 발전소에서, 연못으로부터의 냉각수는 여과 및 기계를 손상시키는 화합물의 제거와 같은 추가적인 처리를 거쳐야 한다. 나쁜 품질은 미생물, 미생물, 조류, 및 퇴적물 입자의 증식 때문이다. 이 연못에서의 물 품질은 이러한 연못을 레크리에이션 목적(recreational purposes)에 이용되기에 매력적이지 않은 것으로 만들며, 연못을 이용하는 사람에게 건강 위험을 일으킬 수 있다.
또한, 냉각지의 물 온도는 25~30℃ 이상으로 상승하는 것이 가능하지 않으므로, 가열된 물은 다른 목적에 이용될 수 없어, 가치있는 열 에너지를 낭비한다.
주조 산업
주조(foundry) 및 캐스트(cast)와 같은 다른 산업은 냉각수 시스템을 이용한다. 주조 산업은 특히 다른 제품을 생산하기 위하여 금속이 용융되는 광업에 있어서 높은 중요성을 갖는다. 캐스트 공정에서, 극도로 높은 온도에서 가스가 생성되며, 이는 후속적인 배출 또는 이용을 위하여 냉각되어야만 한다. 현재, 대부분의 주조 산업은 재활용에 의해, 또는 일회 냉각 시스템에 의해 물 냉각 시스템을 이용한다.
많은 산업의 냉각 필요성 및 현존하는 냉각 시스템의 단점에 근거하여, 저비용으로 작동되고, 해양 생태계에 대한 열적 오염 및 관련된 열적 손상을 방지하고, 더 적은 물을 이용하며, 지리학적 위치에 있어서 유연성을 가질 수 있고, 및/또는 유용한 공정을 위한 냉각 공정(예를 들어, 열교환기)에 의해 생성된 열에너지를 이용하는 향상된 냉각 시스템에 대한 요구가 존재한다.
종래기술
미국특허 제4,254,818호는 일반적으로 20-35중량%의 농도를 갖는 수성 브라인(brine)의 이용을 통하여 산업적으로 작동하는 냉각 시스템에서 부식을 방지하는 것을 기재한다. 브라인은 20 내지 35중량%이어야 하는 바람직한 브라인 농도를 유지하기 위하여, 작동을 위한 열교환기와 냉각지 사이의 폐쇄 순환로에서 순환된다. 이 냉각 방법은 물 또는 수성 염용액에 의한 부식에 저항성인 금속 또는 합금 냉각 시스템을 필요로 하며, 또한 20 내지 35중량%의 농도를 갖는 수성 염용액을 담고 있는 냉각 탱크, 및 상기 탱크와, 브라인이 순환하는 냉각 시스템 사이의 폐쇄 순환로를 필요로 한다. 브라인의 바람직한 농도를 유지하기 위하여, 이 방법은 손실을 교체하고 염 농도를 유지하도록 물의 보충을 고려한다. 또한, 산업적으로 작동하는 냉각으로부터의 유출수로부터 칼슘 카보네이트 및 칼슘 설페이트의 침전을 위한 보조 용기 또는 탱크를 이용하는 것, 및 염을 회수하는 것과 함께 이러한 염들이 없는 물을 냉각지로 전달하는 것의 선택사항이 존재한다.
미국특허 제4,254,818호는 20-35중량% 범위의 일정한 염 농도를 갖는 물의 이용을 필요로 하므로, 이용될 수 있는 물의 형태가 제한적이다. 또한, 이 특허는 산화제 및 응집제(flocculants)나 응고제(coagulants)의 이용을 개시하지 않으며, 또한 이 특허는 부유하는 고체, 조류, 박테리아, 금속, 및 유기물의 제거도 개시하지 않는다. 또한, 이 특허는 경제적인 여과 시스템을 제공하지 않는다. 대신에, 이 특허는 칼슘 카보네이트 및 칼슘 설페이트를 침전시키기 위한 목적의 보조 탱크 이용을 개시하며, 이에 의하여 설치 및 유지 비용이 더 높아진다.
본 요약은 하기 상세한 설명에서 상세하게 설명되는 개념의 선택을 단순한 형태로 도입하기 위하여 제공되는 것이다. 본 요약은 청구하고 있는 요지의 요구되는, 또는 본질적인 특성을 확인하고자 의도되는 것이 아니다. 본 요약은 청구하고 있는 요지의 범위를 제한하기 위하여 이용되고자 의도되는 것이 아니다. 본 발명은 다양한 산업 및 냉각 시스템에 채용될 수 있다. 본 출원이 본 발명의 원칙이 채용될 수 있는 특정 환경을 나타내고 있으나, 이러한 환경은 대표적인 것이며, 제한적인 것이 아니다.
본 발명의 원칙에 따른 방법 및 시스템은 일반적으로 수영장의 물 품질과 비슷한 고품질 냉각수에 의한 저비용의 산업 공정(industrial process)을 제공한다. 일부 실시형태에서, 산업 공정에 공급하는데 이용되는 물을 저장하기 위한 대형 컨테이너를 포함하는 조정된(coordinated) 냉각 방법 및 시스템이 서술되며, 여기에서 물은 처음에 컨디셔닝되어(conditioned) 고품질로 유지된 후, 재순환되어, 시간에 따라 지속가능한 냉각 시스템을 이룬다. 또한, 산업 공정에 의해 가열된 물은 선택적으로 거주지 난방, 온수 생산, 열적 담수화, 및 온실 난방과 같은 다른 목적을 위하여 뿐만 아니라 다양한 다른 산업적 및 주거 목적을 위하여 이용될 수 있다. 열적 담수화(thermal desalination)에서, 탈염되어야 하는 물은 증류 공정을 지나기 전에 가열되어야 할 필요가 있다. 따라서, 컨테이너로부터 가열된 물은 열적 담수화 공정에서 가열 목적으로 이용될 수 있다.
또한, 물 또는 고온의 다른 유체를 이용하는 산업은 수증기 또는 스팀을 생성하기 위하여, 또는 열 교환을 통하여 다른 유체의 온도를 높이기 위하여 이 "예비-가열된(pre-heated)" 물을 채용할 수 있으며, 이에 의해 에너지 및 비용 효율성을 높일 수 있다.
발전소에서 이용되는 냉각 시스템의 경우, 본 발명은 저비용, 환경친화성, 및 시간에 따른 지속가능성과 같은, 현존 시스템에 비하여 몇몇 이점을 갖는 조정된 냉각 방법(coordinated cooling method)을 제공한다. 본 발명은 다른 시스템에 비하여 물을 덜 이용함으로써 산업이 이전에는 상상하지 못하였던 장소에 위치하는 것을 가능케 한다. 또한, 라군이 냉각 공정으로부터의 열을 흡수하므로, 많은 산업적 및 레크리에이션 목적에 이용될 수 있는 큰 온화한(temperate) 라군(예를 들어, 열에너지 저장소)이 생성될 수 있다. 예를 들어, 모든 화력 발전소가 냉각 목적을 위하여 본 발명을 이용하면, 이는 그렇지 않으면 낭비되었을 열에너지의 이용을 가능케 하여, CO2 방출이 세계적으로 50%까지 감소될 수 있다.
현재의 일회 냉각 기술과 달리, 본 발명은 폐쇄 순환로(closed circuit)에서 작동하는 조절된 라군(tempered lagoon)을 포함하는, 경제적이며 지속가능하며 환경친화적 방식의 조정된 냉각 방법 및 시스템을 제공한다. 본 방법 및 시스템은 바다로의 고온에서의 물 배출과 관련된 열적 오염의 유해한 영향 및 해양생물에 대한 영향을 방지한다. 궁극적으로, 본 발명은 종래 장치의 흡입 시스템 및 산업적 냉각 시스템을 통한 통과에 기인하여 발생할 수 있는 수생 유기체의 높은 사망률을 방지하는데 도움이 될 것이다. 또한, 본 발명은 발전소를 다양한 지리학적 위치에 위치시키도록 할 것이다. 일부 경우, 에너지 절약을 위하여 발전소 재배치가 가능해질 수 있다(예를 들어, 에너지가 이용되는 곳 가까이, 또는 생성과 소비 사이에 큰 거리를 갖지 않는 요구 중심(demand centers) 가까이 발전소가 위치할 수 있으므로).
또한, 본 발명은 저비용으로 매우 높은 품질의 물(예를 들어 수영장 물과 비슷한)의 이용을 통하여 열교환기의 효율성을 높일 수 있다. 예를 들어, 평균적으로 해수는 수평으로 2미터의 투명도(transparency)를 갖는 반면, 본 발명의 물은 40미터까지의 수평 투명도를 갖는다. 또한, 해수는 다량의 박테리아를 함유하고 있으나,본 발명의 물은 처리 후에, 크게 감소된 양의 유기물을 함유하며, 바람직하게는 유기물이 거의 없거나 없다. 이와 같이, 본 발명으로부터의 물은 생물 오손을 최소화하고, 열전달을 감소시키는 파이프 내의 바람직하지 않은 퇴적물의 형성을 방지한다. 본 발명의 냉각수는 최소로 교체되면서 재순환되고, 본 발명에 있어서 물의 교체는 주로 라군으로부터의 증발에 의해 필요해진다.
마지막으로, 본 발명은 산업 공정에 의해 버려지는 잔류 열에너지의 이용을 가능케 한다. 예를 들어, 냉각 라군으로 되돌아온 물의 높아진 온도는 거주지 난방, 온수 생산, 열적 담수화, 또는 다른 산업적 및 거주 용도와 같은 다른 목적을 위하여 이용될 수 있다.
습식 냉각탑과 비교하여, 본 발명은 냉각탑에 비해 약 20% 적은 물을 보충하고, 주위로 약 20% 적은 물을 증발시키는(현재 추정 및 주위 온도 및 습도에 기초함) 시스템에 적용되는 조정된 냉각 방법을 제공한다. 따라서, 본 발명은 환경 및 자연 자원을 위하여 더 좋다. 본 명세서에 서술된 대형 라군은 또한 비용 감소 측면에서 습식 냉각탑의 건설 및 작동에 대하여 50% 이하로 추정된 절약 금액을 달성하는 혜택을 가져온다. 또한, 본 발명은 레크리에이션을 위하여, 및 관광객 명소로서 이용될 수 있는 라군을 만들 수 있다. 예를 들어, 일년 내내 레크리에이션을 위하여 이용될 수 있는, 매우 큰, 온화한 라군이 만들어질 수 있다. 그리고, 전술한 바와 같이, 라군에서의 잔열은 다른 산업 및 주거 목적으로 이용될 수 있다. 레크리에이션 또는 산업 목적을 갖는 라군은, 동시에 몇몇 인공 냉각 라군을 가능케 하기 위하여 상이한 구성으로 조직될 수 있다. 그러한 라군은 연속적으로, 동시에, 및 하나의 라군을 다른 라군과 결합함으로써 구성될 수 있다.
또한, 본 발명은 냉각지에 대하여 몇몇 이점을 갖는 방법 및 시스템을 제공한다. 우선, 여기서 처리된 물은 30℃ 만큼 높은, 또는 50℃ 만큼 높은 온도에 도달할 수 있으며, 통상적인 수영장 물과 비슷한 우수한 품질을 여전히 유지한다. 따라서, 본 명세서에 개시된 라군의 노출된 표면적은 전통적인 냉각지의 노출된 표면적보다 적어도 3 내지 10배 더 작을 수 있다. 또한, 물이 더 높은 온도, 예를 들어 40℃로 유지되면, 추가적인 면적 감소가 이루어질 수 있어, 본 명세서에 개시된 라군은 더욱더 이롭게 된다. 컨테이너 또는 인공 라군의 필수 표면적의 감소에 의하여, 산업 발전소는 이전에는 불가능하였던 지역에 건설되고 작동될 수 있다. 또한, 본 발명에 의해 제공되는 물의 품질은 많은 인공 호수의 현재 품질을 훨씬 초과하며, 약 20℃ 내지 약 50℃의 범위, 또는 그 이상에 속할 수 있는 온도에서 높은 투명도를 갖는 물이다.
일반적으로, 본 발명은 건설된 인공 라군 또는 다른 인공 대형 수역(예를 들어, 컨테이너)으로부터 높은 순도 및 투명도를 갖는 물을 제공하는 방법 및 시스템을 개시한다. 이 물은 다양한 산업 공정을 냉각시키기 위한 열전달 유체로 이용될 수 있다. 본 발명의 실시형태는 경제적이고 지속가능한 방식의, 산업 공정의 냉각있어서 다량의 물의 용도에 관한 것이다. 물을 공급하는 컨테이너 또는 인공 라군은 히트 싱크로 작용하여, 순환 냉각수로의 열 전달을 통하여 산업 공정으로부터의 폐열을 흡수할 수 있다.
일 실시형태에서, 산업 공정에 높은 미생물학적 품질(microbiological quality)의 냉각수를 공급하는 방법은 하기를 포함한다:
a. 수원으로부터 유입수(inlet water)를 수집하는 단계;
b. 이동식 흡입 수단(mobile suction means)에 의해 청소될 수 있는 하부를 갖는 컨테이너 내에 유입수를 저장하는 단계;
c. 7일의 기간 내에:
ⅰ. 35℃ 이하의 컨테이너 수온에 있어서, 컨테이너 물에 소독제를 첨가함으로써 컨테이너 수온 각 1℃에 대하여 1시간의 최소 시간 동안 500 ㎷를 넘는 컨테이너 물의 ORP를 유지하고;
ⅱ. 35℃보다 크고 70℃보다 낮은 컨테이너 수온에 있어서, 컨테이너 물에 소독제를 첨가함으로써 최소 시간 동안 500 ㎷를 넘는 컨테이너 물의 ORP를 유지하되, 상기 최소 시간은 하기 식에 의해 계산됨:
[35 시간] - [수온(℃) - 35] = 최소 시간; 또는
ⅲ. 70℃ 이상의 컨테이너 수온에 있어서, 컨테이너 물에 소독제를 첨가함으로써, 1시간의 최소 시간 동안 500 ㎷를 넘는 컨테이너 물의 ORP를 유지하는 단계;
d. 조정 수단(coordination means)을 통하여 하기 공정을 활성화하는 단계:
ⅰ. 컨테이너 물의 철 및 망간 농도가 1.5 ppm을 넘는 것을 방지하기 위하여 컨테이너 물에 산화제를 적용하는 공정;
ⅱ. 컨테이너 물의 탁도(turbididty)가 7 NTU를 넘는 것을 방지하기 위하여 응고제(coagulant) 및/또는 응집제(flocculant)를 컨테이너 물에 적용하는 공정;
ⅲ. 침전된 물질의 두께가 평균 100 ㎜를 넘는 것을 방지하기 위하여 이동식 흡입 수단에 의해 컨테이너 물을 흡입하는 공정;
ⅳ. 이동식 흡입 수단에 의해 흡입된 컨테이너 물을 여과하는 공정; 및
ⅴ. 여과된 물을 컨테이너에 되돌리는 공정; 및
e. 산업 공정에 들어가는 냉각수와 산업 공정으로부터 나오는 냉각수의 온도 차이가 적어도 3℃가 되도록 하는 흐름 속도로, 컨테이너로부터 높은 미생물학적 품질의 냉각수를 산업 공정에 공급하는 단계.
일 실시형태에서, 냉각수를 산업 공정에 공급하는 본 발명의 시스템은 하기를 포함한다:
- 침전된 입자를 수용하기 위한 하부를 포함하는, 냉각수를 저장하는 컨테이너;
- 컨테이너에 대한 유입수의 공급 라인(feeding line);
- 소정의 한계 내에 냉각수의 파라미터를 조절하기 위하여 필요한 공정을 적시에 활성화하는 조정 수단(coordination means);
- 조정 수단에 의해 작동되는 화학물질 적용 수단(chemical application means);
- 컨테이너의 하부를 따라 이동하고, 침전된 입자를 포함하는 냉각수를 흡입하는 이동식 흡입 수단(mobile suction means);
- 컨테이너의 하부를 따라 이동식 흡입 수단을 이동시키는 추진 수단(propelling means);
- 침전된 입자를 함유하는 냉각수를 여과하는 여과 수단(filtration means);
- 이동식 흡입 수단과 여과 수단 사이에 결합된 수집 라인(collecting line)
- 여과 수단으로부터 컨테이너로의 회수 라인(return line);
- 컨테이너로부터 산업 공정으로의 열교환기 유입 라인(heat exchanger inlet line); 및
- 산업 공정으로부터 컨테이너로의 환수 라인(return water line).
이 시스템에서, 컨테이너의 하부는 일반적으로 막, 지질막(geo-membranes), 토목섬유 막(geotextile membranes), 플라스틱 라이너(plastic liners), 콘크리트, 또는 코팅된 콘크리트(coated concrete), 또는 그 조합을 포함한다. 조정 수단은 정보를 수용하고, 그 정보를 처리하고, 화학물질 적용 수단, 이동식 흡입 수단 및 여과 수단과 같은 다른 공정을 활성화할 수 있다. 화학물질 적용 수단은 일반적으로, 인젝터(injectors), 스프링클러(sprinklers), 수동 적용(manual application), 중량에 의한 디스펜서(dispensers by weight), 파이프, 또는 그 조합을 포함한다. 추진 수단은 이동식 흡입 수단을 구동시키고, 전형적으로 레일 시스템(rail system), 케이블 시스템(cable system), 자가-추진 시스템(self-propelled system), 수동 추진 시스템(manually propelled system), 로봇 시스템(robotic system), 멀리서 가이드되는 시스템(system guided from a distance), 엔진을 구비한 보트(boat with an engine), 엔진을 구비한 부동 장치(floating device with an engine), 또는 그 조합을 포함한다. 여과 수단은 자주 카트리지 필터(cartridge filters), 샌드 필터(sand filters), 마이크로필터(micro-filters), 울트라필터(ultra-filters), 나노필터(nano-filters), 또는 그 조합을 포함하며, 플렉서블 호스(flexible hose), 리지드 호스(flexible hose), 파이프, 또는 그 조합을 포함하는 수집 라인에 의해 이동식 흡입 수단에 연결되는 것이 일반적이다.
본 발명은 열적 오염 및 그러한 열적 오염으로부터 야기된 환경에 대한 부정적인 영향을 포함하는, 산업 냉각 공정으로부터 발생하는 다양한 환경 문제를 다룬다. 본 명세서에 개시된 새로운 기술의 발명자인 Mr. Fernando Fischmann는 전세계에 걸쳐 급속하게 채용되고 있는 수처리 기술에서 많은 새로운 발전을 이루었다. 단시간 내에, 레크리에이션용 크리스탈 라군(recreational crystalline lagoons)에 관한 본 발명자의 기술은 전세계에 걸쳐 180개가 넘는 프로젝트에 포함되었다. 본 발명자 및 수처리 기술에 있어서 그의 발전은 http://press.crystal-lagoons.com/에서 보여질 수 있는 바와 같이, 2,000개가 넘는 기사의 주제가 되었다. 본 발명자는 또한 수처리 기술에 있어서 이러한 진보와 관련된 혁신 및 기업가 정신에 대하여 중요한 국제적인 상을 수여하였으며, CNN, BBC, FUJI, 및 Bloomberg's Businessweek를 포함하는 주요 매체에 의한 인터뷰의 주인공이 되었다.
전술한 요약 및 후술하는 상세한 설명은 모두 예를 제공하는 것이며, 설명을 위한 것이다. 따라서, 전술한 요약 및 후술하는 상세한 설명은 제한적인 것으로 여겨져서는 안된다. 또한, 본 명세서에 설명된 것에 더하여 특징 또는 변형도 제공될 수 있다. 예를 들어, 어떤 실시형태는 상세한 설명에 기재된 다양한 특징의 컴비네이션 또는 서브컴비네이션에 관한 것일 수 있다.
본 개시에 포함되고 본 개시의 일부를 구성하는 첨부된 도면은 본 발명의 다양한 실시형태를 설명한다. 도면에서:
도 1은 1993년부터 2008년까지, TWh로 표현된, 전세계적인 발전량 증가를 설명하는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태의 열교환 시스템을 설명하는 공정 흐름 계통도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에서 열전달 유체로서, 라군과 같은 물 함유 구조로부터 물을 이용을 설명하는 공정 흐름 계통도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에서 라군과 같은 물 함유 구조의 상면도를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시형태에서 라군과 같은 물 함유 구조의 가능한 레크리에이션 및 산업적 용도를 설명하는 개략도이다.
도 1은 1993년부터 2008년까지, TWh로 표현된, 전세계적인 발전량 증가를 설명하는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태의 열교환 시스템을 설명하는 공정 흐름 계통도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에서 열전달 유체로서, 라군과 같은 물 함유 구조로부터 물을 이용을 설명하는 공정 흐름 계통도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에서 라군과 같은 물 함유 구조의 상면도를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시형태에서 라군과 같은 물 함유 구조의 가능한 레크리에이션 및 산업적 용도를 설명하는 개략도이다.
하기 상세한 설명은 첨부된 도면을 참조로 한다. 본 발명의 실시형태들이 기재되지만, 변형, 적응 및 다른 실시가 가능하다. 예를 들어, 치환, 부가 또는 변형이 도면에 설명된 구성요소에 대하여 이루어질 수 있으며, 본 명세서에 기재된 방법은 개시된 방법에 대한 치환, 순서 바꿈 또는 단계 부가에 의하여 변형될 수 있다. 따라서, 하기 상세한 설명은 본 발명의 범위를 제한하는 것이 아니다. 시스템 및 방법이 다양한 장치 또는 단계를 "포함하는" 것으로 기재되는 경우, 다르게 언급되지 않으면, 시스템 및 방법은 다양한 장치 또는 단계로 "본질적으로 이루어지는" 또는 "이루어지는"일 수 있다. 또한, 용어 "a", "an" 및 "the" 등은 다르게 언급되지 않으면 복수의 대안, 예를 들어 적어도 하나를 포함하는 것으로 의도된다. 예를 들어, 다르게 특정되지 않으면, "소독제", "유입 라인", "이동식 흡입 수단" 등은 하나의, 또는 일 이상의 소독제, 유입 라인, 이동식 흡입 수단 등을 포함하는 것을 의미한다.
정의
본 개시를 고려하여 하기 용어 또는 문구는 하기 서술된 의미를 갖는 것으로 이해되어야 한다.
용어 "컨테이너" 또는 "컨테이닝 수단" 또는 "물 함유 구조"는 인공 라군, 인공 호수, 인공 연못, 수영장(pools) 등을 포함하는 임의의 인공 수역(body of water)를 서술하기 위하여 본 명세서에서 총칭적으로 이용된다
용어 "조정 수단"은 정보를 수용하고, 이를 처리하고, 이에 따라 결정하는 자동화 시스템을 서술하기 위하여 본 명세서에서 총칭적으로 이용된다. 본 발명의 바람직한 실시형태에서, 이는 사람에 의해 행해질 수 있으며, 다른 실시형태에서 센서에 연결된 컴퓨터에 의해 행해질 수 있다.
용어 "화학물질 적용 수단"은 화학물질을 예를 들어 컨테이너 또는 라군에 있는 물에 첨가 또는 적용할 수 있는 임의의 시스템을 서술하기 위하여 본 명세서에서 총칭적으로 이용된다.
용어 "이동식 흡입 수단"은 컨테이닝 수단의 하부면을 가로질러 이동하고 침전된 물질 또는 입자를 흡입할 수 있는 임의의 흡입 장치를 서술하기 위하여 본 명세서에서 총칭적으로 이용된다.
용어 "추진 수단"은 다른 장치를 밀거나 또는 당김으로써 움직임을 제공하는 임의의 추진 장치를 서술하기 위하여 본 명세서에서 총칭적으로 이용된다.
용어 "여과 수단"은 필터, 스트레이너(strainer), 및/또는 세퍼레이터 등을 포함하는 시스템을 포함하는 임의의 여과 시스템을 서술하기 위하여 본 명세서에서 총칭적으로 이용된다.
본 명세서에 이용된 바와 같이, 물의 일반적인 형태 및 그의 개별적인 총용존 고형물 (TDS) 농도 (㎎/L)는 TDS≤1,500의 담수; 1,500<TDS≤10,000의 기수(brackish); 및 TDS > 10,000의 해수이다.
본 명세서에 이용된 바와 같이, 용어 "높은 미생물학적 물 품질(microbiological water quality)"은 바람직하게는 200 CFU(콜로니 형성 단위(colony forming units))/㎖보다 작은, 더욱 바람직하게는 100 CFU/㎖보다 작은, 가장 바람직하게는 50 CFU/㎖보다 작은 호기성 박테리아 계수(aerobic bacteria count)를 포함한다.
본 명세서에 이용된 바와 같이, 용어 "높은 투명도(clarity)"는 바람직하게는 12 네펠로미터 탁도 단위(Nephelometer Turbidity Units, "NTU)보다 작은, 더욱 바람직하게는 10 NTU보다 작은, 가장 바람직하게는 7 NTU보다 작은 탁도 수준을 포함한다.
본 명세서에 이용된 바와 같이, 여과된 수량에 해당하는 용어 "작은 부분(small fraction)"은 전통적으로 구성된 수영장 물 여과 시스템에서 여과되는 흐름보다 200배까지 더 작은 흐름을 의미한다.
본 명세서에 이용된 바와 같이, "전통적인 수영장 물 여과 시스템" 또는 "통상적인 수영장 물 여과 시스템" 또는 "통상적으로 수영장 여과 시스템"은 전형적으로는 집중형 여과 단위에 의해, 1일에 1 내지 6번 처리되어야 하는 전체 수량을 여과하는 여과 시스템을 포함한다.
본
발명을 실시하기
위한 유형
전술한 바와 같이, 산업 냉각 시스템은 많은 산업에서의 응결 또는 냉각 공정을 위한 열교환기에 고품질의 다량의 물을 저비용으로 공급하는 것을 필요로 하는 것이 전형적이다. 일반적으로, 물은 공기보다 약 4배 더 큰 열용량을 가져 더 우수한 열전달 효율을 나타내므로 물이 열교환기에 이용된다. 열교환 공정에서, 냉각수는 초기 온도로 열교환기에 들어가며, 열을 흡수하여 예를 들어 적어도 3℃, 또는 3℃ 내지 20℃, 또는 약 10℃, 냉각수의 온도를 상승시킨다. 이어서, 높은 온도의 냉각수는 열교환기를 떠나 배출되어, 라군으로 다시 재순환되거나, 일부 다른 다운스트림 공정(downstream process)에 채용된다. 예를 들어, 인공 라군은, 물이 수원(water source)으로 배출되기 전에, 산업 냉각 공정으로부터 나가는 물의 온도를 감소시키는데 이용될 수 있다.
또한, 냉각수 품질에 따라, 열교환기의 열전달이 더 높은 또는 더 낮은 효율성을 가져 발전소의 작동 및 유지 비용에 영향을 미치기 때문에, 냉각수 품질은 매우 중요하다. 오늘날 이용되는 냉각수의 품질은 바다, 강, 호수 등으로부터인, 물이 추출되는 수원에 매우 크게 의존한다.
본 발명은 수영장의 물 품질과 비슷한, 높은 미생물학적 품질의 냉각수를 매우 낮은 비용으로, 산업 공정에 공급하는 방법 및 시스템에 관한 것이다. 냉각수를 재순환시킴으로써, 지속가능한 공정이 이루어질 수 있으며, 동시에 다량의 물이 가열되므로 거주지 난방, 온수 생산, 열적 담수화, 온실 난방과 같은 다른 용도뿐 아니라 다른 산업용 및 주거용 용도를 위하여 열에너지 저장소를 생성할 수 있다.
다량의 처리된 물은 대형 컨테이너 또는 인공 라군으로부터 공급될 수 있다. 컨테이너 또는 라군의 표면적은 일부 실시형태에서 산업 공정에서 소실되어야 할 필요가 있는 에너지 양에 의해 정의될 수 있다. 전형적으로, 표면적은 산업 공정에 의해 요구되는 냉각 ㎿ 당 약 50 ㎡ 내지 30,000 ㎡의 범위일 수 있다. 일부 실시형태에서, 표면적은 산업 공정에서 요구되는 냉각 ㎿ 당 약 50 ㎡ 내지 약 20,000 ㎡, 약 50 ㎡ 내지 약 10,000 ㎡, 또는 약 50 ㎡ 내지 약 5,000 ㎡의 범위일 수 있다. 컨테이너 또는 라군은 레크리에이션 또는 산업 목적을 위하여 이용될 수 있으며, 동시에 몇몇 인공 냉각 라군 또는 컨테이너를 이용하도록 하기 위하여 상이한 구성으로 조직될 수 있다. 그러한 라군 또는 컨테이너는 연속적으로(in series), 동시에(in parallel), 및 다른 하나의 라군 또는 컨테이너를 다른 것과 결합함으로써 구성될 수 있다.
본 명세서에 개시된 실시형태와 부합하여, 본 방법 및 시스템은 저비용으로 다량의 물을 처리할 수 있다. 일반적으로, 이는 물의 전체량을 여과하지 않고, 전통적인 수영장 물 여과 방법보다 200배까지 더 작은 부피에 상응하는, 작은 부분만을 여과하여, 물을 정화하고 부유하는 고체를 제거하는 것을 수반한다. 이러한 방법 및 시스템에 의해 생성된 처리된 물은 산업적 열교환 공정에 대한 유입수와 같은, 산업적 목적을 위한 냉각수로서 이용될 수 있다.
도 2는 열교환 시스템에 관한 본 발명의 일 실시형태를 설명한다. 도 2의 시스템은 단순화된 화력 발전 공정 (9)에 대하여 나타내어진다. 그러나, 도 2의 일?K거인 열교환 개념은 물질 또는 장치의 냉각이 요구될 수 있는 임의의 산업 공정에 대하여 적용될 수 있다. 도 2에서, 증기는 일 이상의 터빈 (5)을 통과한 후, 증기가 응결되는 열교환기 (3)로 흐른다. 가열된 증기 (7)는 열이 흡수되는 열교환기로 들어가고, 물질은 응축물 (8)로 존재한다. 응축물 (8)은 펌핑 시스템 (6)을 통과할 수 있으며, 여기에서 보일러 (4)에 의해 다시 증기로 변환되어, 터빈 (5)을 통과하게 된다. 열교환기 (3)에서, 열을 흡수한 유체는 유입 냉각수 (1)일 수 있으며, 이는 소정의 온도에서 들어가며, 열교환기를 통과하여, 증기 (7)로부터 열을 흡수한 후 더 높은 온도에서 나온다 (2).
본 발명의 시스템은 일반적으로 컨테이닝 수단, 조정 수단, 화학물질 적용 수단, 이동식 흡입 수단, 및 여과 수단을 포함한다. 도 3은 컨테이너 또는 인공 라군으로부터 물이 산업 공정에서 열전달 유체로 이용되는 본 발명의 시스템의 일 실시형태를 설명한다. 이 시스템은 컨테이너 또는 인공 라군 (12)에 대한 유입수 라인 (11)을 포함할 수 있다. 컨테이너 또는 인공 라군의 크기는 특히 제한되지는 않으나, 많은 실시형태에서, 컨테이너 또는 라군은 적어도 10,000 m3, 또는 대신에, 적어도 50,000 m3의 부피를 가질 수 있다. 컨테이너 또는 라군은 100만 ㎥, 5천만 ㎥, 5억 ㎥, 또는 이상의 부피를 가질 수 있는 것으로 생각된다. 컨테이너 또는 인공 라군 (12)은 물로부터 물로부터 침전된 박테리아, 조류, 부유하는 고체, 금속, 및 물로부터 침전되는 다른 입자와 같은 침전된 물질을 수용할 수 있는 하부 (13)를 가질 수 있다. 또한, 물 품질 파라미터 (14)를 그 개별적인 한계 내에 조절하기 위하여 공정을 모니터링하고 제어하는 제어 장치 또는 수단 (10)이 있다. 이러한 공정은 화학물질 적용 수단 (18)의 활성화 (16) 및 이동식 흡입 수단 (22)의 활성화 (17)를 포함할 수 있다. 이동식 흡입 수단 (22)은 라군의 하부를 따라 이동하고, 물 품질에 영향을 미칠 수 있는 본 명세서에 개시된 임의의 공정에 의해 생성된 침전된 입자를 함유하는 물을 흡입한다. 또한, 이동식 흡입 수단이 라군의 하부를 가로지를 수 있도록 이동식 흡입 수단에 움직임을 제공하는 추진 수단 (23)이 있다. 흡입된 물은, 침전된 입자를 함유하는 물을 여과하여 물 부피의 전체량을 여과할 필요 없는(예를 들어, 전형적인 수영장에 대한 여과 시스템과 동일한 시간 동안 라군의 물을 작은 부분만을 여과) 여과 수단 (20)으로 보내질 수 있다. 흡입된 물은 흡입 수단에 연결된 수집 라인 (19)에 의해 여과 수단에 보내질 수 있다. 또한, 여과된 물을 되돌리기 위하여 여과 수단으로부터 라군으로의 회수 라인 (21)이 있다. 냉각수 주입 라인 (1)은 냉각수를 라군으로부터 열교환기와 같은 산업 공정 (9)에 제공하며, 회수 라인 (2)은 산업 냉각 공정으로부터 나오는 높은 온도를 갖는 물을 라군으로 다시 공급한다. 일부 실시형태에서, 산업 냉각 공정으로부터 라군으로 다시 가는 이 물은 컨테이너 또는 라군의 물에 10 ppm을 넘는 철을 첨가하지 않는다. 조정 수단 (10)은 산업 공정 (9)에 대하여 처리된 냉각수의 흐름을 변화시킬 수 있다. 산업 공정 (9)은 물 품질의 소정의 한계를 수립하기 위하여 정보 (15)를 조정 수단 (10)에 보낼 수 있다.
유입수 라인 (11)은 본 발명의 방법 및 시스템에 따라 처리되는 처리된 물, 담수, 기수 또는 해수를 포함할 수 있다. 이 방법 및 시스템은, 제어된 파라미터 (예를 들어, 물 품질 파라미터)를 작동자에 의해 특정된 또는 소정의 한계 내에 조절하기 위하여 필요한 공정을 적시에 활성화시키는 조정 수단 (10)을 포함할 수 있다. 실시형태에서, 산업 공정 (9)은 물 품질의 소정의 한계를 수립하기 위하여 정보 (15)를 조정 수단 (10)에 보낼 수 있다. 물 온도에 의존하는 알고리즘의 이용에 의해 시스템의 요구에 따라 화학물질이 적용되므로, 본 발명은 전통적인 수영장 수처리 시스템보다 훨씬 더 적은 양의 화학물질을 이용하여, 높은 작동 비용을 일으키는, 물에서 화학물질의 상시 농도(permanent concentration)를 유지할 필요가 없다. 따라서, 통상적인 수영장 수처리에 비하여 100배까지 화학물질의 양의 상당한 감소가 가능하여, 작동 비용을 크게 줄일 수 있다.
라군으로 되돌아온 물은 낮은 온도를 달성하기 위하여 느리게 순환하기 시작하여, 전체량의 물과 혼합된다. 열은 전도, 대류 및/또는 증발에 의해 환경과의 열교환에 의해 손실될 수 있다. 라군으로부터 산업 공정으로의 물의 적어도 하나의 추출 포인트(extraction point)(1), 및 산업 공정으로부터 라군으로의 더 높은 온도를 갖는 물의 적어도 하나의 회수 포인트(return point)(2)가 있으며, 이들은 추출 포인트에서의 물의 온도가 회수 포인트에서의 물의 온도에 의해 영향받지 않도록 떨어져서 위치할 수 있다. 또한, 회수 포인트에서의 물의 온도 및/또는 라군 물의 온도가 더 높은 경우 라군 면적/부피 감소가 실현될 수 있다.
조정 수단에 의해 수용된 정보 정보는 육안 검사, 경험적 방법, 경험에 근거한 알고리즘, 전자 검출기에 의하여, 또는 그 조합에 의해 얻어질 수 있다. 조정 수단은 정보를 수용하고, 그 정보를 처리하고, 다른 공정을 활성화시킬 수 있는 일 이상의 사람, 전자 장치, 임의의 수단을 포함할 수 있으며, 이는 이러한 조합을 포함할 수 있다. 제어 수단의 하나의 예는 퍼스널 컴퓨터와 같은 컴퓨터 장치이다. 조정 수단은 또한 물 품질 파라미터에 관한 정보를 수용하는데 이용되는 센서를 포함할 수 있다.
화학물질 적용 수단은 조정 수단에 의해 작동되어, 화학물질을 물에 적용 또는 분배한다. 화학물질 적용 수단은 인젝터(injectors), 스프링클러(sprinklers), 수동 적용(manual application), 중량에 의한 디스펜서(dispensers by weight), 파이프, 및 그 조합을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
컨테이너의 하부 또는 라군은 비다공성 물질을 포함하거나, 또는 비다공성 물질로 덮이는 것이 일반적이다. 비다공성 물질은 막, 지질막(geo-membranes), 토목섬유 막(geotextile membranes), 플라스틱 라이너(plastic liners), 콘크리트, 코팅된 콘크리트, 또는 그 조합일 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시형태에서, 컨테이너의 하부 또는 인공 라군은 플라스틱 라이너를 포함할 수 있다.
이동식 흡입 수단은 컨테이너 또는 라군의 하부를 따라 이동하여, 본 명세서에 개시된 임의의 공정에 의해 생성된 침전된 입자 및 물질을 함유하는 물을 흡입한다. 추진 수단은 이동식 흡입 수단에 결합되어, 이동식 흡입 수단이 컨테이너 또는 라군의 하부를 가로질러 이동할 수 있도록 한다. 추진 수단은 레일 시스템, 케이블 시스템, 자가-추진 시스템, 수동 추진 시스템, 로봇 시스템, 멀리서 가이드되는 시스템, 엔진을 구비한 보트 또는 엔진을 구비한 부동 장치, 또는 그 조합과 같은 시스템을 이용함으로써 이동식 흡입 수단을 구동시킨다. 본 발명의 바람직한 실시형태에서, 추진 수단은 엔진을 구비한 보트이다.
이동식 흡입 수단에 의해 흡입된 물은 여과 수단으로 보내질 수 있다. 여과 수단은 이동식 흡입 수단에 의해 흡입된 물의 흐름을 수용하고, 침전된 입자 및 물질을 함유하는 흡입된 물을 여과하므로, 물의 전체량을 여과할 필요가 없다(예를 들어, 작은 부분만을 여과함). 여과 수단은 카트리지 필터, 샌드 필터, 마이크로필터, 나노필터, 울트라필터, 및 그 조합을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 흡입된 물은 이동식 흡입 수단에 연결된 수집 라인에 의해 여과 수단으로 보내질 수 있다. 수집 라인은 플렉서블 호스, 리지드 호스, 임의의 재료로 된 파이프, 및 그 조합으로부터 선택될 수 있다. 본 시스템은 여과된 물을 되돌리기 위하여 여과 수단으로부터 컨테이너 또는 라군으로의 라인을 포함할 수 있다.
도 4는 본 발명의 시스템의 상면도를 나타낸다. 컨테이너 또는 인공 라군 (12)은 증발 또는 다른 물 손실(예를 들어, 퍼지 또는 침투)에 기인하여 컨테이너 또는 라군을 다시 채우기 위한 유입 공급 파이프 시스템(inlet feeding pipe system)(11)을 포함할 수 있다. 이 시스템은 또한 화학물질을 물에 적용 또는 분배하기 위하여 컨테이너 또는 인공 라군 주위를 따라 배열된 인젝터 (24)를 포함한다. 스키머(skimmer)(25) 또한 표면 오일 및 입자를 제거하기 위하여 이용될 수 있다.
일 실시형태에서, 산업 공정에 높은 미생물학적 품질의 냉각수를 제공하는 시스템은 하기 구성요소를 포함한다:
- 침전된 입자를 수용하기 위한 하부를 포함하는, 냉각수를 저장하는 컨테이너;
- 컨테이너에 대한 유입수의 공급 라인;
- 냉각수의 파라미터를 소정의 한계 내에 조절하기 위하여 필요한 공정을 적시에 활성화하는 조정 수단;
- 조정 수단에 의해 작동되는 화학물질 적용 수단;
- 컨테이너의 하부를 따라 이동하고, 침전된 입자를 포함하는 냉각수를 흡입하는 이동식 흡입 수단;
- 컨테이너의 하부를 따라 이동식 흡입 수단을 이동시키는 추진 수단;
- 침전된 입자를 함유하는 냉각수를 여과하는 여과 수단;
- 이동식 흡입 수단과 여과 수단 사이에 결합된 수집 라인;
- 여과 수단으로부터 컨테이너로의 회수 라인;
- 컨테이너로부터 산업 공정으로의 열교환기 유입 라인; 및
- 산업 공정으로부터 컨테이너로의 환수 라인.
이동식 흡입 수단이 컨테이너의 하부로부터 모든 침전된 입자를 흡입할 수 있으므로, 이 동일한 시스템은 화학물질 첨가에 의해 침전되기 쉬운 화합물 또는 물질의 제거를 가능케 한다.
본 발명이 전통적인 수영장 수처리 시스템보다 더 적은 화학물질을 이용하고 더 적은 에너지를 소비한다는 사실에 기인하여, 수처리를 위한 본 발명의 방법은 전통적인 수영장 수처리 시스템에 비하여 저비용으로 수행될 수 있다. 일 측면에서, 본 발명의 방법은 수온에 따라 일정 기간 동안 적어도 500 ㎷의 ORP(산화환원 전위)를 유지시키는 알고리즘을 적용하기 때문에, 매우 적은 화학물질을 사용하여, 물의 실제 요구에 따라 높은 미생물학적 품질을 갖는 물을 유지시킨다. 본 방법은 시스템으로부터 수용된 정보에 근거하여, 제어된 파라미터를 그 한계 내에서 조절하기 위하여 물에 화학물질을 적용하는 시기를 결정하는 조정 수단을 포함하는 본 명세서에 개시된 시스템에 의해 수행된다. 조정 수단이 이용되기 때문에, 화학물질은 필요한 경우에만 적용되어, 물에서 화학물질의 상시 농도를 유지할 필요가 없다. 따라서, 전통적인 수영장 수처리 시스템보다 100배까지 더 작은, 화학물질 양의 상당한 감소가 있어, 작동 및 유지 비용을 감소시킨다.
다른 측면에서, 본 발명의 방법 및 시스템 필터는 동일한 시간 동안 훨씬 더 큰 양의 물을 여과하는 통상적인 수처리 여과 시스템에 비해 특정 시간 내에 물의 전체량의 작은 부분만을 여과한다. 일 실시형태에서, 물의 전체량의 작은 부분은, 전체 수량을 여과하는 전통적인 수영장 물 여과 시스템에서 처리된 흐름보다 200배까지 더 작다. 본 발명의 방법 및 시스템의 여과 수단은 조정 수단으로부터 수용된 명령에 의해 더 짧은 시간 동안 작동한다. 따라서, 여과 수단은 매우 작은 용량을 가지며, 이에 의해 전통적인 수영장 물 여과 시스템에 요구되는 집중형 여과 단위에 비하여 50배까지 더 작은 자본비용 및 에너지 소비에 이르게 된다.
본 발명의 실시형태에 부합하여 높은 미생물학적 품질 냉각수를 산업 공정에 공급하는 방법은 하기 단계를 포함할 수 있다:
a. 수원으로부터 유입수를 수집하는 단계;
b. 이동식 흡입 수단에 의해 청소될 수 있는 하부를 갖는 컨테이너 내에 유입수를 저장하는 단계;
c. 7일의 기간 내에:
ⅰ. 35℃ 이하의 컨테이너 수온에 있어서, 컨테이너 물에 소독제를 첨가함으로써, 컨테이너 수온 각 1℃에 대하여 1시간의 최소 시간 동안 500 ㎷를 넘는 컨테이너 물의 ORP를 유지하고
ⅱ. 35℃보다 크고 70℃보다 낮은 컨테이너 수온에 있어서, 컨테이너 물에 소독제를 첨가함으로써, 최소 시간 동안 500 ㎷를 넘는 컨테이너 물의 ORP를 유지하되, 상기 최소 시간은 하기 식에 의해 계산됨:
[35 시간] - [수온(℃) - 35] = 최소 시간; 또는
ⅲ. 70℃ 이상의 컨테이너 수온에 있어서, 컨테이너 물에 소독제를 첨가함으로써, 1시간의 최소 시간 동안 500 ㎷를 넘는 컨테이너 물의 ORP를 유지하는 단계;
d. 조정 수단을 통하여 하기 공정을 활성화하는 단계:
i. 컨테이너 물의 철 및 망간 농도가 1.5 ppm을 넘는 것을 방지하기 위하여 컨테이너 물에 산화제를 적용하는 공정;
ⅱ. 컨테이너 물의 탁도가 7 NTU를 넘는 것을 방지하기 위하여 응고제 및/또는 응집제를 컨테이너 물에 적용하는 공정;
ⅲ. 침전된 물질의 두께가 평균 100 ㎜를 넘는 것을 방지하기 위하여 이동식 흡입 수단에 의해 컨테이너 물을 흡입하는 공정;
ⅳ. 이동식 흡입 수단에 의해 흡입된 컨테이너 물을 여과하는 공정; 및
ⅴ. 여과된 물을 컨테이너에 되돌리는 공정; 및
e. 산업 공정에 들어가는 냉각수와 산업 공정으로부터 나오는 냉각수의 온도 차이가 적어도 3℃가 되도록 하는 흐름 속도로 높은 미생물학적 품질의 냉각수를 컨테이너로부터 산업 공정에 공급하는 단계.
본 발명의 방법에 의해 처리되는 물은 대양, 지하수, 호수, 강, 처리된 물, 또는 그 조합과 같은 자연적 수원에 의해 공급될 수 있다.
소독제는 7일의 기간 내에, 수온에 따른 최소 시간 동안 적어도 500 ㎷의 ORP 수준을 유지하기 위하여, 화학물질 적용 수단에 의해 물에 적용될 수 있다. 소독제는 오존, 비구아니드 제품(biguanide products), 구리 제품(copper products); 철염; 알코올; 염소 및 염소 화합물; 과산화물; 페놀 화합물; 요오드포(iodophors); 벤즈알코늄 클로라이드 및 S-트리아진과 같은 일반적인 4급 아민(폴리쿼트); 퍼아세트산; 할로겐계 화합물; 브롬계 화합물, 염소계 화합물과 같은 살조제 및 살균제, 및 그 조합을 포함하나, 이에 제한되는 것은 아니다.
수온이 35℃ 이하인 경우, 적어도 500 ㎷의 ORP 수준은 수온 각 1℃에 대하여 1시간의 최소 시간 동안 유지된다. 예를 들어, 수온이 25℃이면, 적어도 500 ㎷의 ORP 수준은 25시간의 최소 시간 동안 유지되며, 이는 7일의 기간 동안 분배될 수 있다.
수온이 35℃를 넘고, 70℃보다 작은 경우, 적어도 500 ㎷의 ORP 수준은 하기 식에 의해 계산된 최소 시간 동안 유지된다:
[35 시간] -[섭씨온도인 수온 - 35] = 최소 시간
예를 들어, 수온이 50℃이면, 적어도 500 ㎷의 ORP 수준은 20시간 ([35] - [50 - 35])의 최소 시간 동안 유지되며, 이는 7일의 기간 동안 분배될 수 있다.
마지막으로, 수온이 70℃ 이상인 경우, 적어도 500 ㎷의 ORP 수준은 1시간의 최소 시간 동안 유지된다.
산화제는 철 및 망간 농도가 1 ppm을 넘지 않도록 유지 및/또는 예방하기 위하여 물에 적용 또는 분배될 수 있다. 적합한 산화제는 과망간산염; 과산화물; 오존; 소듐 퍼설페이트; 포타슘 퍼설페이트; 전기분해에 의해 생성된 산화제, 할로겐계 화합물, 및 그 조합을 포함하나, 이에 제한되는 것은 아니다. 일반적으로, 산화제는 화학물질 적용 수단에 의해 물에 적용 또는 분배된다.
스케일링 방지제(Antiscalant agents)는 예를 들어 산업 공정에서 열교환기의, 스케일링을 감소 또는 방지하기 위하여 물에 적용 또는 분배될 수 있다. 스케일링 방지제의 비제한적인 예는 포스폰산(phosphonic acid)과 같은 포스포네이트계 화합물, PBTC (포스포부탄-트리카르복실산), 크로메이트(chromates), 징크 폴리포스페이트(zinc polyphosphates), 나이트라이트(nitrites), 실리케이트(silicates), 유기물질(organic substances), 가성소다(caustic soda), 말산계 폴리머(malic acid-based polymers), 소듐 폴리아크릴레이트(sodium polyacrylate), 에틸렌 디아민 테트라아세트산 소듐염(ethylene diamine tetracetic acid sodium salts), 벤조트리아졸(benzotriazole), 또는 그 조합을 포함하나, 이에 제한되는 것은 아니다.
응집제 또는 응고제는 물에 부유하는 입자를 모으고(aggregate), 덩어리로 만들고(agglomerate), 합치고(coalesce) 및/또는 응고시켜(coagulate), 컨테이닝 수단의 하부에 침전시키기 위하여 물에 적용 또는 분배된다. 일반적으로, 응집제 또는 응고제는 화학물질 적용 수단에 의해 물에 적용 또는 분배된다. 적합한 응집제 또는 응고제는 양이온성 폴리머 및 음이온성 폴리머와 같은 폴리머; 알루미늄 클로르하이드레이트, 명반 및 알루미늄 설페이트와 같은 알루미늄염; 쿼트(quats) 및 폴리쿼트(polyquats); 칼슘 옥사이드; 칼슘 하이드록사이드; 황산제일철; 염화제이철; 폴리아크릴아미드; 소듐 알루미네이트; 소듐 실리케이트; 키토산, 젤라틴, 구아검, 알기네이트, 모링가 씨(moringa seeds)와 같은 천연물; 전분 유도체; 및 그 조합을 포함하나, 이에 제한되는 것은 아니다. 응집체(floccules)가 수집 또는 침전되는 물의 부분은 일반적으로 컨테이너의 하부를 따라 있는 물의 층이다. 응집체는 컨테이너의 하부에서 침전물(sediment)을 형성한 후, 컨테이너에서 모든 물이 여과될 필요 없이, 예를 들어 작은 부분만이 여과되어, 이동식 흡입 수단에 의해 제거될 수 있다.
본 발명의 방법 및 시스템에서 제어된 파라미터를 그 개별적인 한계 내에 조절하기 위하여 화학물질 적용 수단 및 이동식 흡입 수단은 조정 수단에 의해 적시에 작동된다. 화학물질 적용 수단 및 이동식 흡입 수단은 시스템 요구에 따라 활성화되어, 통상적인 수영장 수처리 시스템에 비하여 훨씬 더 적은 화학물질을 이용하고, 동일한 시간 프레임 내에 전체 물 부피를 여과하는 통상적인 수영장 물 여과 시스템에 비하여 200배까지 더 적은, 물의 총부피의 작은 부분만을 여과하게 된다. 본 명세서에 고려된 일부 실시형태에서, 여과되는 물의 "작은 부분"은 물 총부피의 1일 당 약 30% 미만, 약 25% 미만, 약 20% 미만, 약 15% 미만, 약 10% 미만, 약 9% 미만, 약 8% 미만, 약 7% 미만, 약 6% 미만, 약 5% 미만, 약 4% 미만, 약 3% 미만, 약 2% 미만, 약 1% 미만, 약 0.9% 미만, 약 0.8% 미만, 약 0.7% 미만, 약 0.6% 미만, 또는 약 0.5% 미만이다.
본 명세서에 개시된 방법 및 시스템에서, 조정 수단은 물 품질 및 그 개별적인 한계에 관한 정보를 수용할 수 있다. 조정 수단에 의해 수용된 정보는 경험적 방법에 의해 얻어질 수 있다. 조정 수단은 또한 정보를 수용하고, 그 정보를 처리하고, 그 정보에 따라 필요한 공정을 활성화시킬 수 있으며, 이들 조합을 포함한다. 조정 수단의 하나의 예는 파라미터를 측정하고 그러한 정보에 따라 공정을 활성화시키는 센서와 연결된 퍼스널 컴퓨터와 같은 컴퓨터 장치이다.
조정 수단에 의해 활성화될 수 있는 대표적인 공정은 하기를 포함한다:
- 제어된 물 품질 파라미터를 그 개별적인 한계 내에 유지하기 위하여 적합한 화학물질의 용량 및 첨가에 관한 정보를 제공하는, 화학물질 적용 수단을 적시에 작동시키는 것.
- 이동식 흡입 수단에 의해 흡입된 물을 여과하기 위하여 여과 수단을 동시에 작동시켜, 전통적으로 구성된 집중형 수영장 여과 시스템에 비하여 컨테이너 또는 인공 라군 물의 작은 부분만을 여과하는, 이동식 흡입 수단을 적시에 작동시키는 것.
조정 수단은 또한 이동식 흡입 수단을 작동시키기 위하여 정보를 이동식 흡입 수단에 제공한다. 조정 수단은 이동식 흡입 수단에 의해 흡입된 흐름을 여과하도록, 즉 물의 전체량의 작은 부분만을 여과하기 위하여 여과 수단을 동시에 작동시킬 수 있다. 침전된 물질의 두께가 일반적으로 평균 3 ㎜를 넘는 것을 방지하기 위하여 이동식 흡입 수단은 조정 수단에 의해 작동된다. 실질적으로 연속적으로 작동하는 통상적인 여과 시스템과 달리, 여과 수단 및 이동식 흡입 수단은 물의 파라미터를 그 한계 내에 유지하기 위하여 필요에 따라, 예를 들어, 단지 1일에 몇 시간만 작동한다. 다른 실시형태에서, 이동식 흡입 수단은 침전된 물질의 두께가 50 ㎜, 25 ㎜ 또는 15 ㎜를 넘는 것을 방지할 수 있다. 일부 환경에서, 컨테이너 또는 인공 라군은 산업 공정을 위한 냉각수의 근원에 되는 것에 더하여, 레크리에이션 목적을 위하여 이용될 수 있다.
일부 실시형태에서, 이동식 흡입 수단은 인공 라군의 하부를 따라 이동하여 침전된 입자를 함유하는 물 흐름을 완전히 흡입할 수 있어, 라군의 하부가 물을 통해 쉽게 보일 수 있도록 한다. 또한, 라군의 하부는 흰색, 황색 또는 흐린 청색을 포함하는 임의의 색일 수 있으며, 자주 수역에 매력적인 색을 제공한다. 일 실시형태에서, 라군 물을 통한 수평 시정(horizontal visibility)는 적어도 4 미터, 적어도 6 미터, 적어도 10 미터, 또는 적어도 15 미터일 수 있으며, 일부 경우 40미터까지일 수 있다.
냉각 목적에 더하여, 인공 라군의 물은 직접 접촉하는 레크리에이션 물에 대한 정부 규제 및/또는 수영장 물 품질에 대한 정부 규제에 부합하기 위한 충분한 품질 및 순도를 가질 수 있다. 예를 들어, 인공 라군에 담긴 물은 미국환경보건국 (Environmental Protection Agency, "EPA")으로부터의 전신 접촉하는 레크리에이션용 물에 대한 박테리아 조건에 부합할 수 있다[EPA Criteria for Bathing (Full Body Contact) Recreational Waters, 1986].
도 5는 본 명세서에 개시된 컨테이너 또는 인공 라군 (12)의 다양한 레크리에이션용 및 산업용 용도의 실시형태를 설명한다. 컨테이너 또는 인공 라군 (12)은 물을 위한 유입 라인 (2) 및 유출 라인 (1)을 포함한다. 일 실시형태 (33)에서, 라군 함유 가열된 물 (열에너지 저장소)의 다양한 용도가 설명된다: 거주지 난방 (30), 열적 담수화 목적을 위한 뜨거운 물의 공급 (28), 온실 난방 (29), 또는 프로세스 유체의 예비가열 또는 예비가열된 물의 다양한 산업 공정 (27)뿐만 아니라 다른 다양한 산업 및 주거 용도 (31)로의 공급. 다른 실시형태 (32)에서, 가열된 물을 함유하는 라군 (12)(열에너지 저장소)의 용도가 실제 부동산 개발된 라군을 둘러싸는 것과 같은 상업적/레크리에이션 목적에 대하여 설명된다.
실시예
하기 실시예에 있어서, 용어 "a/an/the"는 복수의 대안(적어도 하나의)를 포함한다. 개시된 정보는 설명을 위한 것이며 다른 실시형태가 본 발명의 범위 내에 존재한다.
실시예
1
본 발명의 방법 및 시스템은 오일 발전기(oil generator)의 냉각 공정에 채용되었다. 200 ㎥의 부피 및 약 285㎡의 표면적을 갖는 컨테이너가 약 35,000 ppm의 TDS 농도를 갖는 해수로 채워졌다. 컨테이너 내의 수온은 35℃ 이었다. 이 온도에 근거하여, 적어도 500 ㎷의 ORP가 1주일 동안 35시간 (35 x 1) 동안 유지되었다. 월요일에, 12시간 동안 ORP를 유지하기 위하여, 소듐 하이포클로라이트가 물에서 0.16 ppm의 농도에 도달하도록 물에 첨가되었다. 그 주의 후반 수요일에, 동일한 소듐 하이포클라이트 농도를 유지함으로써 9시간 동안 ORP가 유지되었다. 마지막으로, 금요일에 물 중의 0.16 ppm의 소듐 하이포클로라이트의 농도가 남은 14시간 (35-12-9) 동안 유지되어 1주일에 35시간을 완료하였다. 소듐 하이포클로라이트가 철 및 마그네슘을 산화시키기에 충분한 산화환원 전위를 가졌기 때문에, 철 및 망간 수준을 조절하기 위한 추가적인 산화 공정은 수행될 필요가 없었다. 탁도가 7 NTU의 값에 도달하기 전에 응집제인 Crystal Clear®가 컨테이너 내에서 0.09 ppm의 농도가 될 때까지 첨가되었다.
시스템으로부터의 정보에 근거하여, 침전된 물질의 두께가 100 ㎜를 넘기 전에, 조정 수단은 흡입 수단을 작동시켰다. 조정된 방법의 생성물인 침전된 물질은 컨테이너의 표면을 이동하는 장치에 의해 흡입되어 5 L/sec의 속도인 샌드 필터에 의해 여과되었다. 전체량의 물을 여과할 필요가 없었다. 흡입 장치는 퇴적물을 함유하는 물의 전체량의 작은 부분만을 추출하고, 이 물을 샌드 필터로 보냈다. 여과된 물은 이어서 회수 라인을 통하여 샌드 필터로부터 컨테이너로 되돌려졌다.
컨디셔닝된 물은 하나의 Hyundai Diesel Engine, model D6CA를 냉각하는데 이용되었다. 이 형태의 엔진은 물에 의해 냉각되는 6개의 실린더를 갖는 수직 엔진이다. 발전기는 125 kVA의 Stanford이었다. 디젤 엔진의 열교환기에 컨테이너로부터 여과된 물이 채워졌다. 교환기에 주입된 물의 온도는 35℃이었고, 컨테이너로 다시 배출된 물의 온도는 39.3℃이었으므로, 냉각수 온도는 약 4.3℃ 상승하였다. 각 발전기의 재순환 물 흐름은 3.45 L/sec이었다. 이러한 방식으로, 발전기는 냉각되었고, 동시에 열교환 때문에 높은 온도를 유지하는 잔열이 컨테이너의 물을 가열하는데 이용되었다. 냉각된 화력은 약 62 ㎾이었으며, 이에 의하여:
의 표면/㎿ 비율이 얻어졌다.
가열된 물은 레크리에션 목적을 위한 조절된(tempered) 수영장 물에 이용되었으며, 전통적인 방법(보일러와 같은)에 의해 물을 가열하는 것에 비하여 높은 에너지 절약을 나타내었다.
실시예
2
본 발명의 방법 및 시스템은 420 ㎿ 화력 발전소를 냉각하기 위한 물을 처리 및 유지하는데 이용될 수 있다. 360,000 ㎡의 표면적 및 약 540,000 ㎥의 부피를 가지며, 수온이 약 45℃인 인공 라군이 건설될 수 있다. 하기 표는 라군 수온에 근거하여, 420 ㎿ 발전소를 냉각하는데 요구될 수 있는 추정 표면적 (헥타르 = ha)를 나타낸다.
| 라군 온도(℃) | 25 |
28 |
29 |
30 |
32 |
33 |
35 |
36 |
38 |
39 |
41 |
43 |
45 |
47 |
49 |
50 |
| 표면적 (ha) |
555 |
229 |
190 |
161 |
122 |
107 |
86 |
77 |
64 |
59 |
49 |
42 |
36 |
31 |
27 |
25 |
라군이 완전히 채워질 때까지, 유입수 라인에 의해 약 35,000 ppm의 총용존 고형물 농도를 갖는 바다로부터의 물이 라군에 주입된다.
수온은 45℃로 35℃를 넘었으므로, 적어도 500 ㎷의 ORP가 7일 기간 내에 분포된 총 25시간 (35 - [45 - 35] = 25) 동안 유지된다. 예를 들어, 화요일에, 12시간 동안 0.134 ppm의 농도를 유지하기 위하여 소듐 브로마이드가 첨가될 수 있고, 동일한 주의 금요일에 화학물질 첨가가 동일한 방식으로 13시간 동안 반복될 수 있어, 7일의 기간 동안 총 25시간을 완료한다.
사람일 수 있는 조정 수단은 본 방법 및 시스템에 관한 제어된 파라미터 (예를 들어, 다양한 물 품질 파라미터)에 관한 정보를 수용한다. 소듐 브로마이드는 일반적으로 철 및 망간을 산화하는데 충분한 산화환원 전위를 가지므로, 산화제를 첨가할 필요가 없을 수 있다.
응집 단계에 있어서, 탁도가 7 NTU의 값에 도달하기 전에 Crystal Clear®가물 중에서 0.08 ppm의 농도를 얻도록 주입될 수 있다. 응집제 첨가는 매 48시간마다 반복될 수 있다.
박테리아, 금속, 조류 및 다른 고체의 침전 후, 침전된 물질의 두께가 15 ㎜에 도달하기 전에, 조정 수단은 라군의 하부를 따라 이동하고, 임의의 침전된 입자를 함유하는 물을 흡입하는 9개의 흡입 장치를 포함할 수 있는 이동식 흡입 수단을 작동시킬 수 있다. 9개의 흡입 장치 각각은 추진 수단, 이 경우 엔진을 구비한 보트에 결합될 수 있다. 각각의 흡입 장치에 있어서 침전된 입자를 함유하는 물 흐름은 플렉서블 호스를 통하여 여과 수단에 5.5 ㎾ pump로 펌핑될 수 있다.
각각의 흡입 장치에 있어서 흡입된 흐름은 21 L/sec 속도로 샌드 필터에 의해 여과될 수 있다. 따라서, 전체량의 물을 여과할 필요 없이 흡입 장치에 의해 흡입된 침전된 입자를 함유하는 물의 작은 부분만을 여과하며, 이는 통상적인 수영장 여과 시스템에 의해 여과되는 물보다 200배까지 더 작다. 여과된 물은 플렉서블 호스일 수 있는 회수 라인에 의해 라군으로 다시 되돌려질 수 있다.
처리된 물은 420 ㎿ 화력 발전소에 대한 냉각수로서 이용될 수 있다. 소실된 에너지(또는 열), 물 흐름 속도, 및 물의 온도 상승은 하기 식에 의해 상관관계가 있다.
여기에서, c p 는 정압(constant pressure)에서의 물의 비열이며, 대략적으로 하기이다:
그러므로, 420 ㎿ 발전소에 있어서, 냉각수 흐름 속도는 54,000 ㎥/h이며, 냉각수 온도는 약 7℃ 증가한다. 라군의 표면적은 36 헥타르이며, 이는 필요한 냉각의 각 ㎿에 대하여 0.086 헥타르로 변환된다.
화력 발전소의 열교환기의 냉각수 부분은 다양한 수단을 통하여 라군으로부터의 물로 채워질 수 있다. 라군의 수온, 및 이에 따라 열교환기에 대한 유입 냉각수 온도는 약 45℃이다. 열교환기를 나온 후에, 물은 약 52℃의 온도로 라군에 다시 되돌려질 수 있다. 따라서, 산업 냉각 공정에 이용된 물은 약 7℃ 온도가 상승한다.
라군으로 되돌려진 더 높은 온도인 물은 라군을 전체적으로 천천히 흐르기 시작하고, 라군의 전체량의 물과 혼합되어, 되돌려진 물의 온도를 낮춘다. 라군의 온도는 평균적으로 약 45℃로 유지되며, 다시 산업 냉각 공정에 이용하기 위하여, 또는 연속적으로 물이 라군으로부터 추출될 수 있다. 라군에서 처리된 물은 하기 파라미터를 갖는다.
| 파라미터 | 단위 | 처리된 물 | 정상 음료수 - NCh409 |
| pH | - | 7.96 | 6.5 < pH < 8 |
| 냄새 | - | 냄새 없음 | 냄새 없음 |
| 탁도 | NTU | 0.2 | <2 |
| TDS | mg/L | 35,000* | 1,500 |
| 철 | mg/L | 0.1 | <0.3 |
| 망간 | mg/L | <0.01 | <0.1 |
| 유기물 | |||
| 테트라클로로에탄 | ㎍/l | 검출되지 않음 | 40 |
| 벤젠 | ㎍/l | 검출되지 않음 | 10 |
| 톨루엔 | ㎍/l | 0.01 | 700 |
| 크실렌 | ㎍/l | 검출되지 않음 | 500 |
| 살충제 | |||
| D.D.T + D.D.D + D.D.E | 검출되지 않음 | 2 | |
| 2.4 D | ㎍/l | 검출되지 않음 | 30 |
| 린단(Lindane) | ㎍/l | 검출되지 않음 | 2 |
| 메톡시클로르(Methoxychlor) | ㎍/l | 검출되지 않음 | 20 |
| 펜타클로로페놀 | ㎍/l | 검출되지 않음 | 9 |
| 소독 2차 생성물 | |||
| 모노클로르아민 | mg/l | <0.1 | 3 |
| 디브로로클로로메탄 | mg/l | <0.005 | 0.1 |
| 디클로로메탄 | mg/l | 검출되지 않음 | 0.06 |
| 트리브로모메탄 | mg/l | 0.037 | 0.1 |
| 트리클로로메탄 | mg/l | 검출되지 않음 | 0.2 |
| 트리할로메탄 | mg/l | <1 | 1 |
| 미세세균 분석 | |||
| 총 대장균군 | NMP/100 ml | <2 | <2 |
| 대장균(Escherichia coli) | NMP/100 ml | 없음 | 없음 |
| 호기성 박테리아 | 콜로니/100 ml | 2 | ≤200└ |
* 라군에서 처리되기 전의 해수의 전형적인 값
└ (NCh409에서 특정되지 않음) 정상 수영장(Swimming pool norm)- NCh209
이 실시예로부터 나타내어지는 바와 같이, 본 발명의 이용은 현존하는 냉각 시스템에 대하여 몇몇 이점을 가지며, 이는 하기를 포함한다: 설명된 시스템은 대양 또는 자연적 수원과 상호작용하지 않는 폐쇄 순환로에서 물 시스템을 재순환시키기 때문에, 열적 오염 및 수생 생물 또는 유기체의 산업 공정으로의 흡입에 의한 해양 생태계에 대한 해로운 환경적 영향을 발생시키는 것을 방지함; 냉각탑 및 다른 공지의 냉각 시스템에 비하여 낮은 설치 및 작동 비용; 수원으로부터 물의 낮은 소비에 의해, 이전에는 상상할 수 없었던 장소에 산업 발전소를 위치시킬 수 있음 - 산업 발전소를 바다 또는 다른 자연 수원의 가까이 위치시킬 필요가 없음 -; 및 동시에 거주지 난방, 온수 생산, 및 열적 담수화와 같은 다른 많은 목적을 위하여, 뿐만 아니라, 다른 산업적, 주거적, 및/또는 레크리에이션 용도를 위하여 큰 에너지 저장소를 생성시킨다.
전체량의 작은 부분만이 여과되는(통상적인 수영장 여과 시스템보다 200배까지 더 작은) 저비용 여과 시스템, 및 감소된 화학물질 이용량(통상적인 시스템에 비하여 100배까지 더 작은)에 의해, 높은 투명도의 이러한 대형 수역을 유지할 수 있다. 통상적인 여과 및 소독 기술의 이용은 이러한 큰 크기의 컨테이너 또는 라군에 대해서는 경제적으로 실현가능하지 않다.
통상적인 수영장 여과 시스템은 자주 1일에 6회까지 전체량을 물을 여과하여 높은 설치 및 유지 비용을 부과하고, 공정에서 다량을 에너지를 소비하게 된다. 상기 설명된 36 헥타르 라군에 있어서, 1일에 6회까지 전체량의 물을 여과하기 위하여, 약 1 헥타르의 빌딩/면적이 전체 여과 시스템을 설치하는데 필요할 수 있어, 그러한 건설 및 유지는 실행불가능 하므로, 임의의 관련된 냉각 시스템은 경제적으로 가능하지 못하다. 또한, 비용 측면에서, 상기에 제시된 실시예에 대하여, 비교를 하기에 나타내다:
| 상세사항 | 설치 비용 | 매월 작동 비용 | |
| 전통적 여과 1일에 6회까지 전체량의 물을 여과하기 위한 약 1 헥타르의 빌딩 |
- 540개 펌프 - 270개 필터 + 샌드 - 1헥타르의 표면 - 작동자 - 유지보수 - 270개 밸브 베터리 - 에너지 소비 |
US $12,089,916 | US $536,607 |
| 9개의 흡입 수단 엔진 추진 보트에 의해 구동되는, 라군 하부를 따라 이동하는 각각의 수단 |
- 보트 - 모터 - 흡입 장치 - 흡입 펌프 - 호스, 악세서리 - 연료 - 응집제 - 작동자 - 유지보수 |
US $226,494 | US $20,178 |
본 명세서에 개시된 9개의 흡입 장치 및 시스템을 이용함으로써, 설치 비용이 약 50배, 작동 비용이 약 25배 감소된다. 따라서, 컨테이너 또는 라군은 발전소 및 다른 산업 공정에 냉각수를 제공하는 실현가능하고 비용효율적인 방법을 나타낸다.
본 발명의 특정 실시형태가 서술되었으나, 다른 실시형태도 존재할 수 있다. 또한, 임의의 개시된 방법 단계 및 국면은 본 발명으로부터 벗어나지 않고, 단계를 재정리하거나, 및/또는 단계를 삽입 또는 삭제하는 것을 포함하는, 임의의 방식으로 변경될 수 있다. 본 명세서는 상세한 설명 및 관련된 도면을 포함하고 있으나, 본 발명의 범위는 하기 청구항에 의해 표시된다. 또한, 본 명세서는 구조적 특징 및/또는 방법적 행위에 특유한 언어로 서술되었으나, 청구항은 전술한 특징 또는 행위에 제한되는 것은 아니다. 오히려, 전술한 특정한 특징 및 행위는 본 발명의 설명적 측면 및 실시형태로 개시된 것이다. 본 명세서의 서술을 읽은 후에, 그의 다양한 다른 측면, 실시형태, 변형 및 균등물은 본 발명의 정신 또는 청구된 요지의 범위로부터 벗어나지 않고 당해 기술분야의 통상의 기술자에게 제안될 수 있다.
Claims (7)
- - 비다공성 물질로 덮이며 침전된 입자를 수용하기 위한 하부(bottom)를 포함하며, 적어도 10,000 ㎥의 부피 및 산업 공정에 의해 요구되는 냉각 ㎿ 당 50 ㎡ 내지 30,000 ㎡의 표면적을 갖는, 냉각수를 저장하는 인공 컨테이너(container);
- 컨테이너에 대한 유입수의 공급 라인(feeding line);
- 소정의 한계 내에 냉각수의 파라미터를 조절하기 위하여, 정보를 수용하고, 정보를 처리하고, 화학물질 적용 수단, 이동식 흡입 수단 및 여과 수단을 활성화시킬 수 있는 조정 수단(coordination means);
- 화학물질을 컨테이너 내의 물에 적용시키도록 구성되는 화학물질 적용 수단(chemical application means);
- 컨테이너의 하부를 따라 이동하고, 침전된 입자를 포함하는 냉각수를 흡입하는 이동식 흡입 수단(mobile suction means);
- 컨테이너의 하부를 따라 이동식 흡입 수단을 이동시키는 추진 수단(propelling means);
- 침전된 입자를 함유하는 냉각수를 여과하는 여과 수단(filtration means);
- 이동식 흡입 수단과 여과 수단 사이에 결합된 수집 라인(collecting line);
- 여과 수단으로부터 컨테이너로의 회수 라인(return line);
- 컨테이너로부터 산업 공정으로의 열교환기 유입 라인(heat exchanger inlet line); 및
- 산업 공정으로부터 컨테이너로의 환수 라인(return water line)을 포함하고,
상기 조정 수단은,
a. 제어된 수질 파라미터들을 그들 각각의 한계 내로 유지시키기 위하여, 상기 화학물질 적용 수단을 활성화시키고, 화학물질의 용량 및 첨가에 관한 정보를 제공하도록 구성되고, 또한
b. 컨테이너의 물의 일부만을 여과하기 위하여, 상기 이동식 흡입 수단 및 상기 이동식 흡입 수단에 의해 흡입되는 물을 여과하기 위한 상기 여과 수단을 활성화시키도록 구성되는,
냉각수를 산업 공정에 공급하는 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 컨테이너의 하부는 막, 지질막(geo-membranes), 토목섬유 막(geotextile membranes), 플라스틱 라이너(plastic liners), 콘크리트, 또는 코팅된 콘크리트(coated concrete), 또는 그 조합을 포함하는
시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 화학물질 적용 수단은 인젝터(injectors), 스프링클러(sprinklers), 수동 적용(manual application), 중량에 의한 디스펜서(dispensers by weight), 파이프, 또는 그 조합을 포함하는
시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 추진 수단은 레일 시스템(rail system), 케이블 시스템(cable system), 자가-추진 시스템(self-propelled system), 수동 추진 시스템(manually propelled system), 로봇 시스템(robotic system), 멀리서 가이드되는 시스템(system guided from a distance), 엔진을 구비한 보트(boat with an engine), 엔진을 구비한 부동 장치(floating device with an engine), 또는 그 조합을 포함하는
시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 여과 수단은 카트리지 필터(cartridge filters), 샌드 필터(sand filters), 마이크로필터(micro-filters), 울트라필터(ultra-filters), 나노필터(nano-filters), 또는 그 조합을 포함하는
시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 수집 라인은 플렉서블 호스(flexible hose), 리지드 호스(rigid hose), 파이프, 또는 그 조합을 포함하는
시스템. - 삭제
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