KR102423511B1 - 순환수 재이용 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 순환수 재이용 시스템은, 순환수의 수송관에 설치되어 순환수에서 철산화물을 필터링하는 마그네틱 필터 장치; 상기 마그네틱 필터장치에서 연결되는 수송관에 설치되어 순환수에서 이물질을 필터링하는 프리필터(prefilter) 장치; 및 상기 프리필터 장치에서 연결되는 수송관에 설치되어 순환수에서 용존이온을 탈염하는 축전식 탈염(CDI) 장치를 포함한다.
Description
본 발명은 순환수 재이용 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 사용된 수돗물, 난방수 또는 냉각수 등의 순환수를 정수 및 탈염화하여 재이용할 수 있는 시스템에 관한 것이다.
연수기는 여러 수 개질 또는 수 처리 방법 중의 어느 하나를 사용하여 경수로부터 주로 칼슘이나 마그네슘 등의 불필요한 이온물질을 제거한다. 정수는 역삼투(RO: Reverse Osmosis), 이온교환, 또는 전기투석 (Electrodialysis) 등과 같은 다양한 기술을 통해서 수행된다.
"경도(hardness) 유발물질"(Ca2+ 및 Mg2+ 등 2가 양이온)을 제거하는 연수기의 주된 공정은 이온교환을 통해서 이루어진다. 통상적인 가정용 연수 기기들에서는 "경도 유발물질"(주로 Ca2+ 및 Mg2+)이 나트륨 이온으로 교환되는 이온교환수지에 의존한다. 이온교환 장치는 칼슘 및 마그네슘 이온(Ca2+ 및 Mg2+)을 나트륨이나 수소 이온(Na+ 또는 H+)으로 대체함으로써 상기 경도를 감소시키게 된다.
유입되는 경수는 나트륨이나 수소와 결합되어 있는 양이온교환수지가 충진되어 있는 탱크를 통과하게 된다. 물 속의 칼슘 및 마그네슘 이온은 양이온교환수지의 나트륨이나 수소와 이온교환을 하여 제거되고, 연화된 물은 각 가정으로 전달되어 사용된다.
시간이 경과함에 따라, 상기 양이온교환수지는 칼슘과 마그네슘 이온으로 포화된다. 그리고 나서, 상기 수지는 사용된 수지의 종류에 따라 염화나트륨 또는 염화수소(HCl)를 이용하여 Ca2+ 및 Mg2+ 이온을 탈리시키고, 나트륨 또는 수소이온으로 재생된다. 음이온 수지인 경우의 재생에서는 주로 수산화나트륨(NaOH)이 사용된다.
상기 이온교환수지의 재생을 통해 발생된 불필요한 칼슘 및 마그네슘 이온을 포함하는 물이나 역세수는 대개 폐수처리 시스템으로 배출된다. 이온교환수지의 재생주기와 폐수의 양은 물의 경도, 사용된 물의 양, 연수기의 크기 및 칼슘과 망간을 제거하기 위한 수지의 용량을 포함한 여러 요인에 좌우된다.
한편, 열병합 발전 시스템에서는 이온교환수지, 역삼투(RO), 전기탈이온(Electrodeionization) 방식을 선택적으로 조합하여 발전용수를 처리하고 있다. 발전용수는 순수(Demineralized Water), 지역냉방을 위한 냉수, 냉각탑에서 사용되는 냉각수, 지역난방 공급을 위한 난방수 등이 있다.
이온교환수지 방식을 사용하는 수처리 공정에서는 이온교환수지의 재생을 위하여 다량의 고농도 화공약품(HCl, NaOH 등)을 사용하므로 운영비용이 증가하고 화공약품에 의해 설비가 부식될 우려가 높다. 또한, 유해화학물질 사용에 따라 위험성이 증가하여 안전사고가 발생할 가능성이 높고, 점점 강화되는 화학물질관리법과 산업안전보건법, 공정안전관리(PSM) 등의 법규정에 적극 대비할 필요가 있다.
역삼투(RO) 기술은 순수 생산 및 해수 담수화를 위해 사용되기도 하지만, 역삼투막은 고분자인 멤브레인 재질 때문에 물리적으로 40℃ 이상에서 적용하기 어려워 중온수인 난방수에 적용하기 어렵다.
난방수는 2개의 강산성 양이온수지와, 강염기성 음이온수지가 단일 용기에서 균일하게 혼합되는 혼상탑(MBP: Mixed Bed Polisher)에 의해 처리될 수 있다. 하지만, 이온교환수지를 사용하는 방식은 화공약품(HCl, NaOH 등)을 이용하여 재생해야 하므로, 다량의 재생 폐수가 발생되고, 설비의 부식과 유해화학물질 사용에 따른 안전사고의 발생 위험이 높다. 또한, 난방수가 60℃ 이상인 경우 이온교환수지가 열화되어 파괴되므로 MBP를 사용하여 처리할 수 없다.
축전식 탈염(CDI: capacitive deionization) 기술은 수처리 수행을 위한 그리고 설비를 유지시키기 위한 구동력이 전기이기 때문에, 이는 전기화학적이면서 오염이 없는 환경적으로 유리한 접근 방식이다. 축전식 탈염(CDI) 방법은 그 공정 중에 약품을 사용하지 않음으로써 물의 오염제거(water decontamination)에 있어서 친환경적인 방법으로 자리하고 있다.
CDI는 염수(salty water)로부터 이온을 전기화학적으로 제거한다. 염수 프로세스 스트림은 통상적으로 약 1.2~1.5V의 전위차로 유지된 두 전극(카본 전극) 사이에서 흐른다. 용액 중의 이온은 반대극으로 끌려간다. 이온들은 전극 상에 전기적으로 흡수되어 프로세스 스트림으로부터 제거됨과 아울러 탈이온 사이클은 상기 전극들이 이온들로 포화될 때까지 계속된다. 그 후로, 재생 사이클 동안에 두 전극은 방전되거나 전극 극성의 역전이 이루어지게 된다. 이에 따라 이온들은 상기 프로세스 스트림에 비해 훨씬 높은 염 농도를 갖는 폐수 스트림으로 방출된다. 이와 같은 방법은 이온교환수지를 이용하는 통상적인 연수기에 비해 훨씬 빠른 사이클을 지니고 운전유지관리가 편하며 아울러 비용면에서도 경제적이다.
축전식 탈염 공정에서, 음전하를 갖는 이온(음이온)은 물로부터 제거되어 양극에 저장된다. 이와 마찬가지로, 양전하를 갖는 이온(양이온)은 음극에 저장된다. CDI의 주된 장점은 광범위한 이온 오염물질을 높은 회수율로 제거할 수 있는 능력에 있다. CDI는 황산염, 질산염, 철, 비소 및 불소는 물론 나트륨, 칼슘 및 마그네슘 염 등과 같은 거의 모든 이온 오염물질을 제거할 수 있다.
CDI의 작동은 양극과 음극으로 이루어진 유체 통과형 축전지(flow-through capacitor)에 대한 일련의 충전과 방전을 포함한다. 축전지의 충전에서, 유체통과형 캐패시터의 전극들 사이에서 정적 전기장이 생성되어 전극들 사이에서 흐르는 물로부터 이온들을 순조롭게 흡수하게 된다.
일반적으로, 축전식 탈염(CDI) 여과 시스템은 유체 내에 용해되어 있는 염 (salts) 등의 바람직하지 않은 오염물질의 농축을 유체로부터 제거하는데 사용되고 있다. 상기 CDI 시스템은 산업적, 상업적 분야는 물론 각 가정에서 다양하게 적용될 수 있도록 구성되는바, 그러한 적용분야의 예로는 해수 담수화, 특히 경수의 연화, 및 염(염화물이나 황산염 등), 질산염, 아질산염, 암모니아, 중금속, 유기물, 및/또는 미량오염물질 등과 같은 여러 바람직하지 않은 물질들을 물로부터 제거하는 것을 들 수 있다. 그 외의 다른 적용분야로는 산업 공정에서의 유체 탈이온화 또는 폐기가 용이하지 않거나 재사용을 위한 재생이 유리한 오염 물질의 농축을 들 수 있다.
예를 들면, 형광-탈지(phosphor-degreasing), 폴리싱, 양극 산화, 크로마타이징(chromatizing) 등과 같은 금속 표면처리를 비롯한 많은 산업 공정에서는 다양한 생산 공정에서 인산, 황산, 불산, 질산, 크롬산 등의 산 용액 또는 탈지 생성물이나 인산염과 같은 알칼리 용액과 함께 물이 사용된다. 산업 공정 중에 발생된 폐수의 정화는 환경적, 경제적 및 법적인 면을 포함한 전체 생산 사이클에서 중요한 하나의 측면을 차지하고 있다.
CDI 여과 시스템은, 용액 중에서 물의 경도 성분과 같이 배관의 스케일 생성의 주요인으로 작용하는 칼슘 및 마그네슘 이온 등과 같이 전기장 하에서 존재하기 쉬운 이온화된 입자로부터 물을 정화하는데 적합하다. 스트림의 처리를 위하여 물이 전극 사이를 흐름에 따라 전극 간에 전압 포텐셜이 설정된다. 이와 같은 전압 포텐셜에 의해 물 속의 성분들이 이끌리게 되어 적어도 일시적으로 어느 한 전극에 들러붙어 있게 되고, 그 동안에 상당히 정화된 물이 상기 캐패시터를 빠져나갈 수 있게 된다.
자체적으로 지니고 있는 고유의 장점들에도 불구하고, CDI 기술의 제한된 플랜트 효율 및 처리량 때문에 산업 프로세스로까지 개발되지는 못하였다. 적용 적합성에 영향을 미치는 요인들 중 하나는 낮은 물 회수율(예를 들면, 염수 담수화에 사용되는 여타의 프로세스와 관련하여)로서, 이때 상기 물 회수율은 유입수의 전체 양에 대하여 얻어진 처리수 양의 비율로 정의된다.
플랜트/프로세스의 주어진 처리량이나 경수 연화 프로세스에서, 물 회수율 및 처리수 단위 체적당 전력 소비는 플랜트/프로세스의 효용성을 판단하는데 중요한 지표가 된다. 펌핑을 비롯한 물의 전,후 처리 비용이 지표수의 비용을 상승시키도록 더해져서 상기 회수율이 최대의 우선사항(priority)으로 된다.
본 발명은 마그네틱 필터 장치와 축전식 탈염 장치를 이용하여 열병합 발전 난방수 등의 순환수를 효율적으로 처리하여 재이용할 수 있는 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 순환수 재이용 시스템은, 순환수의 수송관에 설치되어 순환수에서 철산화물을 필터링하는 마그네틱 필터 장치; 상기 마그네틱 필터장치에서 연결되는 수송관에 설치되어 순환수에서 이물질을 필터링하는 프리필터(prefilter) 장치; 및 상기 프리필터 장치에서 연결되는 수송관에 설치되어 순환수에서 용존이온을 탈염하는 축전식 탈염(CDI) 장치를 포함한다.
상기 마그네틱 필터 장치는 상기 수송관 상에 연결되고 양단에 유입구와 유출구가 구비되며, 유체 속도를 줄이도록 확관되는 확관부와, 상기 확관부에 수직으로 설치되어 철산화물을 포집하여 낙하시키는 복수의 마그네틱 필터를 포함할 수 있다.
상기 마그네틱 필터는 상하면이 개방된 원통형으로 형성되되, 유체가 출입되도록 측면 및 저면에 복수의 통공이 형성되고, 상면 테두리에 플랜지가 형성되는 케이스와, 상하면이 개방된 원형관 형태로 형성되어 상기 케이스 내부 중앙에 수직으로 삽입되는 가이드와, 상기 가이드의 중앙부에 상기 케이스의 플랜지와 볼트 결합되어 상기 확관부 상면에 체결되는 커버와, 상기 가이드 내부 중앙에 수직으로 삽입되고, 상하로 이동되며 상기 가이드의 하부에 부착된 철산화물을 낙하시키는 마그네틱 이동 로드와, 상기 가이드에 자력을 제공하여 철산화물이 상기 가이드에 부착되도록 링 형태로 형성되고, 상기 마그네틱 이동로드에 삽입되어 하부에 1개 이상 적층되는 자석을 포함할 수 있다.
상기 수송관은 상기 복수의 마그네틱 필터에서 포집된 철산화물을 배출할 수 있도록 상기 확관부의 양측에 유체의 이동을 차단하는 차단 밸브가 구비될 수 있다.
상기 확관부는 상기 복수의 마그네틱 필터가 삽입되어 볼트 결합되도록 상면에 평면이 형성되고 복수의 관통홀이 형성되며, 상기 확관부 내의 유체를 배출하도록 일측 상단에 기체 삽입구가 형성되며, 상기 관통홀과 대응되는 저면에 상기 마그네틱 필터에서 포집되어 낙하되는 철산화물을 배출하도록 깔대기 형태의 복수의 배출구가 구비되고, 상기 복수의 배출구에 드레인 배관 및 드레인 밸브가 연결될 수 있다.
상기 확관부는, 상기 드레인 배관을 통해 배출되는 철산화물이 포함된 순환수를 수집하여 철산화물과 순환수를 비중차로 분리하는 분리조가 연결될 수 있다.
상기 프리필터 장치는 상기 마그네틱 필터 장치를 통과한 순환수를 필터링하는 복수의 듀얼 미디어 필터 장치를 포함할 수 있다.
상기 축전식 탈염 장치는 상기 수송관에 연결되어 순환수가 유입되어 유동하는 유동관과, 상기 유동관의 일측에 배치되는 + 나노 카본 전극과, 상기 유동관과 상기 + 나노 카본 전극 사이에 배치되는 음이온 교환막과, 상기 유동관의 타측에 배치되는 - 나노 카본 전극과, 상기 유동관과 상기 - 나노 카본 전극 사이에 배치되는 양이온 교환막을 포함할 수 있다.
상기 축전식 탈염 장치에 유입되는 순환수의 온도는 20~80℃일 수 있다.
상기 축전식 탈염 장치는 제1시간동안 충전하면서 제1유량의 생산수를 배출하고, 상기 제1시간보다 적은 제2시간동안 방전하면서 상기 제1유량보다 적은 제2유량의 농축수를 배출하는 사이클을 반복할 수 있다.
상기 제1시간은 600초이고, 상기 제1유량은 24LPM이며, 상기 제2시간은 300초이고, 상기 제2유량은 6LPM일 수 있다.
상기한 본 발명의 순환수 재이용 시스템에 의하면, 마그네틱 필터 장치와 축전식 탈염 장치를 이용하여 열병합 발전 난방수 등의 순환수를 효율적으로 처리하여 재이용할 수 있다.
또한, 마그네틱 필터 장치에 의해 순환수에서 미리 철산화물을 제거함으로써 CDI 모듈의 차압을 감소시키고 생산수의 수질을 개선할 수 있다.
그리고, CDI는 낮은 압력과 저전압으로 운전할 수 있고 에너지 효율이 우수하며, 기존 역삼투압(RO)에 비해 60℃ 이상의 난방수도 열손상 없이 처리할 수 있고 전극 재생을 위해 화학물질을 사용하지 않으므로 환경친화적이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 순환수 재이용 시스템의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2는 축전식 탈염 장치의 원리를 나타내는 도면이다.
도 3은 축전식 탈염 장치의 구조를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 순환수 재이용 시스템의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 5는 마그네틱 필터 장치의 구성을 나타내는 종단면도이다.
도 6은 난방수에 대한 축전식 탈염 장치의 설계 조건을 나타내는 개념도이다.
도 7은 난방수에 대한 축전식 탈염 장치의 운전 방법을 나타내는 그래프이다.
도 2는 축전식 탈염 장치의 원리를 나타내는 도면이다.
도 3은 축전식 탈염 장치의 구조를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 순환수 재이용 시스템의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 5는 마그네틱 필터 장치의 구성을 나타내는 종단면도이다.
도 6은 난방수에 대한 축전식 탈염 장치의 설계 조건을 나타내는 개념도이다.
도 7은 난방수에 대한 축전식 탈염 장치의 운전 방법을 나타내는 그래프이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이 때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 순환수 재이용 시스템의 구성을 나타내는 블록도이고, 도 2는 축전식 탈염 장치의 원리를 나타내는 도면이며, 도 3은 축전식 탈염 장치의 구조를 나타내는 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 순환수 재이용 시스템의 구성을 나타내는 사시도이며, 도 5는 마그네틱 필터 장치의 구성을 나타내는 종단면도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 순환수 재이용 시스템은, 순환수의 수송관에 설치되어 순환수에서 철산화물을 필터링하는 마그네틱 필터 장치(100), 마그네틱 필터장치에서 연결되는 수송관에 설치되어 순환수에서 이물질을 필터링하는 프리필터(prefilter) 장치(200), 및 프리필터 장치에서 연결되는 수송관에 설치되어 순환수에서 용존이온을 탈염하는 축전식 탈염(CDI) 장치(300)를 포함한다.
순환수는 발전 시스템, 특히 열병합 발전 시스템에 사용되며 순환되는 용수를 모두 포함할 수 있다. 즉, 순환수는 수돗물 및 공업용수를 이용한 순수(City Water), 냉방을 위한 냉방수, 냉각탑에서 배출되는 고온수인 블로우다운(BD: Blow Down)수, 난방을 위한 난방수 등을 포함할 수 있다.
마그네틱 필터 장치(100)는 순환수 수송관의 상류에 설치되고, 이동되는 자석 또는 전자석을 이용하여 유입되는 순환수에서 철산화물을 포집하여 제거할 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 마그네틱 필터 장치(100)는 수송관(110) 상에 연결되고 양단에 유입구와 유출구가 구비되며, 유체 속도를 줄이도록 확관되는 확관부(120)와, 확관부에 수직으로 설치되어 철산화물을 포집하여 낙하시키는 복수의 마그네틱 필터(140)를 포함할 수 있다.
수송관(110)은 유체, 즉 지역난방수를 전달한다. 이때, 수송관(110)은 유체 흐름을 차단해서 마그네틱 필터(140)에서 포집된 철산화물을 배출할 수 있도록, 확관부(120)의 양측에 차단 밸브(111)를 구비할 수 있다.
확관부(120)는 양단에 유입구와 유출구가 구비되어 수송관(110) 상에 연결되고, 유체 속도를 줄이도록 수송관(110)의 지름보다 확관된 형태로 형성될 수 있다. 확관부(120)는 마그네틱 필터(140)에 포집된 철산화물을 배출할 수 있도록, 하부에 드레인 배관(150)이 연결될 수 있다.
확관부(120)는 복수의 마그네틱 필터(140)가 삽입되어 볼트 결합되도록 상면에 평면이 형성되고, 그 평면부에 복수의 관통홀(123)이 형성되며, 각 관통홀(123)의 주변에는 복수의 볼트홀(124)이 형성될 수 있다. 확관부(120) 내의 유체를 배출하도록 일측 상단에 기체 삽입구(125)가 형성되고, 각 관통홀(123)과 대응되는 저면에 마그네틱 필터(140)에서 포집되어 낙하되는 철산화물을 배출하도록 깔대기 형태의 배출구(126)가 구비될 수 있다.
또한, 확관부(120)의 유입구측인 수송관(110)에는 기포를 이용하여 유체 내부에 포함된 철산화물 중 산화철 계열의 헤마타이트(적철광, Fe2O3)에 자성을 부여하도록 캐비테이션부(130)가 설치될 수 있다. 캐비테이션부(130)는 수송관(110)의 지름보다 점차 작아지다가 다시 확대되는 형태로 형성되어 순환수에서 기포를 발생할 수 있다.
또, 마그네틱 필터(140)는 케이스(141)와, 가이드(143)와, 커버(145)와, 마그네틱 이동 로드(147) 및 자석(149)으로 이루어진다.
케이스(141)는 상하면이 개방된 원통형으로 형성되되, 유체가 출입되도록 측면 및 저면에 복수의 통공(142)이 형성되고, 상면 테두리에 플랜지가 형성되어 확관부(120)에 삽입되며 플랜지에 의해 결합될 수 있다.
가이드(143)는 자석(149)에서 발생되는 자력에 의해 철산화물을 표면에 부착시키도록 자력을 가지는 금속 재질로, 상하면이 개방된 원형관 형태로 형성되어 케이스(141) 내부 중앙에 수직으로 삽입된다.
커버(145)는 가이드(143)의 중앙부에 케이스(141)의 플랜지와 볼트 결합되어 확관부(120) 상면에 체결될 수 있다.
마그네틱 이동 로드(147)는 가이드(143) 내부 중앙에 수직으로 삽입되고, 상하로 이동되며 가이드(143)의 하부에 부착된 철산화물을 확관부(120)의 배출구(126)로 낙하시킨다. 이때, 마그네틱 이동 로드(147)는 작업자가 손쉽게 잡을 수 있도록 가이드(143)에서 외부로 돌출되도록 그 길이가 가이드(143)의 길이보다 길게 형성되는 것이 바람직하다.
자석(149)은 가이드(143)에 자력을 제공하여 철산화물이 가이드(143)에 부착되도록 링 형태로 형성되고, 마그네틱 이동 로드(147)에 삽입되어 하부에 1개 이상 적층될 수 있다. 이때, 자석(149)은 마그네틱 이동 로드(147)에 삽입되어 고정되는 와셔에 의해 고정될 수 있다.
그리고, 마그네틱 필터(140)의 케이스(141)의 플랜지 저면과, 확관부(120) 사이 및 플랜지 상면과 커버(145) 사이에는 실링을 위해 실링부재가 구비될 수 있다. 복수의 마그네틱 필터(140)는 확관부(120)에서 유체 흐름 방향에 격자 형태로 배치되거나, 서로 교차되도록 설치될 수 있다.
한편, 관통홀(123)과 대응되는 저면에 마그네틱 필터(140)에서 포집되어 낙하되는 철산화물을 배출하도록 깔대기 형태의 복수의 배출구(126)가 구비되고, 복수의 배출구(126)에 드레인 배관(150)이 연결되며, 드레인 배관(150)에 드레인 밸브(151)가 연결되어 철산화물을 선택적으로 배출할 수 있다.
또한, 확관부(120)의 아래에는, 드레인 배관(150)을 통해 배출되는 철산화물이 포함된 순환수를 수집하여 철산화물과 순환수를 비중차로 분리하는 분리조(160)가 연결될 수 있다. 한편, 분리조(160)는 드레인 배관(150)을 통해 배출되는 철산화물이 포함된 지역난방수를 수집하여 철산화물과 지역난방수를 비중차에 의해 분리할 수 있다.
이하, 수송관 내부의 마그네틱 필터 장치의 동작을 설명한다.
먼저, 수송관(110)에 유체, 즉 순환수가 흐르게 되면, 캐비테이션부(130)에 의해 기포가 발생하게 된다.
그러면, 순환수에 포함된 철산화물 중 산화철 계열의 헤마타이트(적철광, Fe2O3)는 기포에 의해 자성이 부여되어 마그네틱 필터(140)에서 포집될 수 있다. 또한, 철산화물 중 순환수 수송관에서 관측되는 물질은 산화철 계열의 마그네타이트(자철광, Fe3O4)가 자성을 띄기 때문에 별도로 자성을 부여하지 않아도 마그네틱 필터(140)에서 포집될 수 있다.
한편, 캐비테이션부(130)를 통과한 순환수는 확관부(120)의 유입구를 통해 유입되면서 유속이 저하되고, 이로 인해 자성이 부여된 헤마타이트(적철광, Fe2O3)와 자성을 가지는 마그네타이트(자철광, Fe3O4)가 확관부(120)에 설치된 복수의 마그네틱 필터(140)에 부착하게 된다.
그리고, 헤마타이트(적철광, Fe2O3)와 마그네타이트(자철광, Fe3O4)가 감소된 순환수는 확관부(120)의 유출구를 통해 수송관(110)으로 배출된다.
상기와 같은 과정을 통해 마그네틱 필터(140)에서 철산화물을 포집하고, 일정 시간이 지나면 마그네틱 필터(140)에서 포집된 철산화물을 배출한다.
즉, 수송관(110)에 구비된 차단 밸브(111)를 잠궈 확관부(120)로 순환수가 유입되는 것과 확관부(120) 내부의 순환수가 수송관(110)으로 유출되는 것을 막는다.
이러한 상태에서, 작업자는 마그네틱 필터(140)의 마그네틱 이동 로드(147)를 손으로 잡고 상승시킨다.
그러면, 자석(149)의 자력에 의해 가이드(143)의 표면에 부착되어 있던 철산화물이 자력을 상실하면서 하부로 자유낙하하여 배출구(126)에 모이고, 작업자는 마그네틱 이동 로드(147)를 왕복시켜 철산화물을 모두 제거한 후 마그네틱 이동 로드(147)를 가이드(143)에서 완전 배출시켜 자성을 없앤다.
이어서, 작업자는 드레인 배관(150)의 드레인 밸브(151)를 열어 순환수와 철산화물을 드레인 배관(150)을 통해 분리조(160)로 배출시키고, 확관부(120)의 기체 삽입구(125)로 공기 또는 질소를 공급하여 확관부(120)와 마그네틱 필터(140)를 청소할 수 있다.
청소가 완료되면, 마그네틱 필터(140)의 마그네틱 이동 로드(147)를 원위치시키고, 수송관(110)에 구비된 차단 밸브(111)를 서서히 열어 내부의 기체가 드레인 밸브(151)를 통해 완전히 배출되도록 한다. 기체의 배출이 완료되면 드레인 밸브(151)를 잠그고, 차단 밸브(111)를 완전히 열어 다시 확관부(120)의 마그네틱 필터(140)에서 철산화물이 포집되도록 한다.
상기 프리필터(prefilter) 장치(200)는 마그네틱 필터장치(100)에서 연결되는 수송관에 설치되어 순환수에서 이물질을 필터링하여 걸러낼 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 프리필터 장치(200)는 마그네틱 필터 장치를 통과한 순환수를 필터링하는 복수의 듀얼 미디어 필터(DMF: Dual Media Filteration) 장치를 포함할 수 있다. 듀얼 미디어 필터(DMF) 장치는 더블 스테이지(double stage)를 가진 필터에 의해 순환수에서 부유성 물질과 오염물질을 제거할 수 있다.
프리필터 장치(200)에서 필터링된 순환수는 축전식 탈염 장치(300)로 유입되기 전에 유입 탱크(250)에 일시 저장될 수 있다. 유입 탱크(250)는 복수의 프리필터 장치(200)에 각각 연결될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 축전식 탈염 장치(300)는 수송관에 연결되어 순환수가 유입되어 유동하는 유동관(310)과, 유동관의 일측에 배치되는 + 나노 카본 전극(320)과, 유동관과 + 나노 카본 전극 사이에 배치되는 음이온(Anion) 교환막(330)과, 유동관의 타측에 배치되는 - 나노 카본 전극(340)과, 유동관과 - 나노 카본 전극 사이에 배치되는 양이온(Cation) 교환막(350)을 포함할 수 있다.
나노 카본 전극은 나노 탄소 구조에 전하를 포함하는 비표면적이 큰 다공성 탄소 매트릭스를 형성할 수 있다. 축전식 탈염(CDI: capacitive deionization) 장치는 전극의 위치와 원수(feed)의 유동 방향에 따라 다양한 형태로 구성될 수 있다. 도 2 및 도 3에 도시된 축전식 탈염 장치(300)는 + 나노 카본 전극(320)과 - 나노 카본 전극(340) 사이에 원수가 전기장에 직각방향으로 유동하는 형태(flow-by CDI)로 구성되어 있다. 이와 달리, 다른 형태의 CDI는 원수가 다공성 탄소 전극을 직접 통과하도록 구성될 수도 있으며, 이때 원수의 유동은 전기장과 평행하다(flow-through CDI). Flow-through CDI는 flow-by CDI와 비교했을 때 전극 사이의 원수가 흐르는 공간이 필요 없기 때문에 조밀한 구성이 가능하고, 원수가 탄소 전극을 통과하기 때문에 흡착효율이 높다는 장점이 있다.
축전식 탈염 장치(300)로 유입되는 순환수에는 Ca2+, Mg2+, Na+, SO4 2-, Cl-, B(OH)4 -, HCO3 - 등의 용존이온이 포함될 수 있다.
순환수가 축전식 탈염 장치(300)로 유입되고 축전식 탈염 장치(300)를 충전하면, 용존이온 중 음이온(Anion)은 유입수에서 제거되어 양극(Anode) 나노 카본 전극(320) 측의 음이온(Anion) 교환막(330)에 흡착되고, 양이온(Cation)은 유입수에서 제거되어 음극(Cathode) 나노 카본 전극(340) 측의 양이온(Cation) 교환막(350)에 흡착될 수 있다. 이에 따라, 축전식 탈염 장치(300)에서 유출되는 물은 깨끗한 물, 즉 생산수가 된다.
순환수가 축전식 탈염 장치(300)로 유입되고 축전식 탈염 장치(300)를 방전하면, 양극(Anode) 나노 카본 전극(320) 측의 음이온(Anion) 교환막(330)에 흡착되어 있던 음이온(Anion)이 탈착되어 순환수로 용존되고, 음극(Cathode) 나노 카본 전극(340) 측의 양이온(Cation) 교환막(350)에 흡착되어 있던 양이온(Cation)이 탈착되어 순환수로 용존될 수 있다. 이에 따라, 축전식 탈염 장치(300)에서 유출되는 물은 더러운 물, 즉 농축수가 된다.
축전식 탈염 장치(300)에 유입되는 순환수의 온도는 20~80℃일 수 있다. 발전소 냉각탑에서 배출되는 고온수인 블로우다운(BD: Blow Down)수, 열병합 발전 시스템에서 난방을 위한 난방수는 60℃ 이상의 고온으로 될 수 있다. 종래의 이온교환수지, RO는 60℃ 이상의 고온수를 처리할 때, 열손상이 발생하여 사용하기 어렵다. 그러나, 본 발명의 CDI는 60~80℃ 정도의 고온수도 열손상 없이 처리할 수 있다.
도 6은 난방수에 대한 축전식 탈염 장치의 설계 조건을 나타내는 개념도이고, 도 7은 난방수에 대한 축전식 탈염 장치의 운전 방법을 나타내는 그래프이다. 도 7에서 가로축은 시간(초)을 나타내고 세로축은 용존 이온 농도에 따른 물의 전도도(㎲/cm)를 나타낸다.
축전식 탈염 장치(300)는 제1시간동안 충전하면서 제1유량의 생산수를 배출하고, 제1시간보다 적은 제2시간동안 방전하면서 제1유량보다 적은 제2유량의 농축수를 배출하는 사이클을 반복할 수 있다.
구체적으로, 축전식 탈염 장치(300)는 600초동안 충전하면서 24LPM의 생산수를 배출하고, 300초동안 방전하면서 6LPM의 농축수를 배출하는 1 사이클을 반복적으로 진행할 수 있다.
다시 말해서, 축전식 탈염 장치(300) 충전시에는 600초동안 24LPM의 순환수가 유입되어 24×10=240L의 생산수가 유출되고, 방전시에는 300초동안 6LPM의 순환수가 유입되어 6×5=30L의 농축수가 유출될 수 있다. 따라서, 총 유입수 240L+30L=270L에 대해 생산수 240L는 약 89%를 차지하고 농축수 20L는 약 11%를 차지할 수 있다.
본 발명에 의하면, 생산수의 총 용존 고형물질(TDS: Total Dissolved Solid)의 농도에 따른 전도도는 20㎲/cm 이하이고, 염제거율은 90% 이상이며, 물회수율은 89% 이상이고, 에너지 소비량은 0.15kWh/m3 이하이다.
탈염 기술로서 CDI는 다음과 같은 장점이 있다. CDI는 상온에서 낮은 압력과 저전압(~1.2V)으로 운전이 가능하므로 역삼투(reverse osmosis; RO)와 같이 높은 압력을 요구하지 않고 증류 기술에 필수적인 열원도 필요 없다. 또한, CDI는 이온물질을 직접 원수에서 제거하므로, 물을 추출하는 방식인 RO와 증류 기술에 비해 에너지 효율이 우수하다. 또한, 종래에 비해 공간 활용도가 60% 이상 증가될 수 있고, 전극의 재생 과정에서 화학물질을 사용하지 않기 때문에 2차 폐기물이 발생하지 않아서 환경친화적이다.
그리고, CDI에 전하를 적용하면 이온물질이 제거됨과 동시에 고용량의 콘덴서(supercapacitor)와 같이 CDI 전극에 전기가 충전된다. 비록 CDI에 충전된 전기를 직접적으로 사용하지 않지만 이론적으로는 이온물질의 탈착 시 방전되는 전기의 사용이 가능하다. 이러한 특징으로 인하여 CDI 기술은 기수, 해수, 하수처리수의 탈염과 연수화에도 적용될 수 있다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경할 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
100: 마그네틱 필터 장치 110: 수송관
111: 차단 밸브 120: 확관부
123: 관통홀 124: 체결홀
125: 기체 삽입구 126: 배출구
130: 캐비테이션부 140: 마그네틱 필터
141: 케이스 142: 통공
143: 가이드 145: 커버
147: 마그네틱 이동 로드 149: 자석
150: 드레인 배관 151: 드레인 밸브
160: 분리조
200: 프리필터 장치 250: 유입 탱크
300: 축전식 탈염 장치 310: 유동관
320: + 나노 카본 전극 330: 음이온 교환막
340: - 나노 카본 전극 350: 양이온 교환막
111: 차단 밸브 120: 확관부
123: 관통홀 124: 체결홀
125: 기체 삽입구 126: 배출구
130: 캐비테이션부 140: 마그네틱 필터
141: 케이스 142: 통공
143: 가이드 145: 커버
147: 마그네틱 이동 로드 149: 자석
150: 드레인 배관 151: 드레인 밸브
160: 분리조
200: 프리필터 장치 250: 유입 탱크
300: 축전식 탈염 장치 310: 유동관
320: + 나노 카본 전극 330: 음이온 교환막
340: - 나노 카본 전극 350: 양이온 교환막
Claims (11)
- 순환수의 수송관에 설치되어 순환수에서 철산화물을 필터링하는 마그네틱 필터 장치;
상기 마그네틱 필터장치에서 연결되는 수송관에 설치되어 순환수에서 이물질을 필터링하는 프리필터(prefilter) 장치; 및
상기 프리필터 장치에서 연결되는 수송관에 설치되어 순환수에서 용존이온을 탈염하는 축전식 탈염(CDI) 장치를 포함하고,
상기 마그네틱 필터 장치는
상기 수송관 상에 연결되고 양단에 유입구와 유출구가 구비되며, 유체 속도를 줄이도록 수송관의 지름보다 크게 확관되는 확관부와,
상기 확관부에 수직으로 설치되되 상하로 이동가능하게 설치되며 철산화물을 포집하여 낙하시키는 복수의 마그네틱 필터와,
복수의 마그네틱 필터에 포집된 철산화물을 배출하기 위해 상기 확관부의 하부에 연결되는 복수의 드레인 배관을 포함하는 것을 특징으로 하는 순환수 재이용 시스템. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 마그네틱 필터는
상하면이 개방된 원통형으로 형성되되, 유체가 출입되도록 측면 및 저면에 복수의 통공이 형성되고, 상면 테두리에 플랜지가 형성되는 케이스와,
상하면이 개방된 원형관 형태로 형성되어 상기 케이스 내부 중앙에 수직으로 삽입되는 가이드와,
상기 가이드의 중앙부에 상기 케이스의 플랜지와 볼트 결합되어 상기 확관부 상면에 체결되는 커버와,
상기 가이드 내부 중앙에 수직으로 삽입되고, 상하로 이동되며 상기 가이드의 하부에 부착된 철산화물을 낙하시키는 마그네틱 이동 로드와,
상기 가이드에 자력을 제공하여 철산화물이 상기 가이드에 부착되도록 링 형태로 형성되고, 상기 마그네틱 이동로드에 삽입되어 하부에 1개 이상 적층되는 자석을 포함하는 것을 특징으로 하는 순환수 재이용 시스템. - 삭제
- 순환수의 수송관에 설치되어 순환수에서 철산화물을 필터링하는 마그네틱 필터 장치;
상기 마그네틱 필터장치에서 연결되는 수송관에 설치되어 순환수에서 이물질을 필터링하는 프리필터(prefilter) 장치; 및
상기 프리필터 장치에서 연결되는 수송관에 설치되어 순환수에서 용존이온을 탈염하는 축전식 탈염(CDI) 장치를 포함하고,
상기 마그네틱 필터 장치는 상기 수송관 상에 연결되고 양단에 유입구와 유출구가 구비되며, 유체 속도를 줄이도록 확관되는 확관부와, 상기 확관부에 수직으로 설치되어 철산화물을 포집하여 낙하시키는 복수의 마그네틱 필터를 포함하며,
상기 수송관은 상기 복수의 마그네틱 필터에서 포집된 철산화물을 배출할 수 있도록 상기 확관부의 양측에 유체의 이동을 차단하는 차단 밸브가 구비되고,
상기 확관부는 상기 복수의 마그네틱 필터가 삽입되어 볼트 결합되도록 상면에 평면이 형성되고 복수의 관통홀이 형성되며, 상기 확관부 내의 유체를 배출하도록 일측 상단에 기체 삽입구가 형성되며,
상기 관통홀과 대응되는 저면에 상기 마그네틱 필터에서 포집되어 낙하되는 철산화물을 배출하도록 깔대기 형태의 복수의 배출구가 구비되고, 상기 복수의 배출구에 드레인 배관 및 드레인 밸브가 연결되는 것을 특징으로 하는 순환수 재이용 시스템. - 제5항에 있어서,
상기 확관부는,
상기 드레인 배관을 통해 배출되는 철산화물이 포함된 순환수를 수집하여 철산화물과 순환수를 비중차로 분리하는 분리조가 연결되는 것을 특징으로 하는 순환수 재이용 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 프리필터 장치는 상기 마그네틱 필터 장치를 통과한 순환수를 필터링하는 복수의 듀얼 미디어 필터 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 순환수 재이용 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 축전식 탈염 장치는
상기 수송관에 연결되어 순환수가 유입되어 유동하는 유동관과,
상기 유동관의 일측에 배치되는 + 나노 카본 전극과,
상기 유동관과 상기 + 나노 카본 전극 사이에 배치되는 음이온 교환막과,
상기 유동관의 타측에 배치되는 - 나노 카본 전극과,
상기 유동관과 상기 - 나노 카본 전극 사이에 배치되는 양이온 교환막을 포함하는 것을 특징으로 하는 순환수 재이용 시스템. - 제8항에 있어서,
상기 축전식 탈염 장치에 유입되는 순환수의 온도는 20~80℃인 것을 특징으로 하는 순환수 재이용 시스템. - 제8항에 있어서,
상기 축전식 탈염 장치는
제1시간동안 충전하면서 제1유량의 생산수를 배출하고,
상기 제1시간보다 적은 제2시간동안 방전하면서 상기 제1유량보다 적은 제2유량의 농축수를 배출하는 사이클을 반복하는 것을 특징으로 하는 순환수 재이용 시스템. - 제10항에 있어서,
상기 제1시간은 600초이고, 상기 제1유량은 24LPM이며,
상기 제2시간은 300초이고, 상기 제2유량은 6LPM인 것을 특징으로 하는 순환수 재이용 시스템.
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2020
- 2020-10-16 KR KR1020200134040A patent/KR102423511B1/ko active IP Right Grant
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