KR20030053256A - 전기전도도 미터를 이용한 개방순환형 냉각수계의염소이온 농도 관리방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 개방순환형 냉각수계의 염소이온 농도를 측정함에 있어서 전기전도도 미터를 이용하여 연속적으로 측정하고 실시간으로 보충수 공급을 조절함으로써 염소이온의 농도를 관리하는 방법에 관한 것이다.
이에 본 발명은, 개방순환형 냉각수계의 염소이온 농도 관리방법에 있어서, (가) 냉각수 내의 염소이온 농도변화를 주기적으로 측정하는 단계(S1); (나) 상기 (가)단계와 동일한 냉각수에 대하여 동일한 주기로 전기전도도 변화를 측정하는 단계(S2); (다) 상기 (가),(나)단계에서 측정된 염소이온 농도변화와 전기전도도 변화 사이의 상관관계를 도출하는 단계(S3); (라) 사용될 냉각수의 전기전도도를 측정하는 단계(S4); (마) 상기 (다)단계에서 도출된 상관관계를 이용하여 상기 (라)단계에서 측정된 전기전도도로부터 상기 냉각수의 염소이온 농도를 예측하는 단계(S5); 및 (바) 상기 (마)단계에서 예측된 염소이온 농도에 따라 상기 냉각수계 내로의 보충수 투입량이나 폐기수량 또는 미생물 살균제 투입량을 조절하는 단계(S6)를 포함하는 개방순환형 냉각수계의 염소이온 농도 관리방법을 제공한다.
Description
본 발명은 냉각수의 염소이온 농도의 관리방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 개방순환형 냉각수계의 염소이온 농도를 측정함에 있어서 전기전도도 미터를 이용하여 연속적으로 측정하고 실시간으로 보충수 공급을 조절함으로써 염소이온의 농도를 관리하는 방법에 관한 것이다.
냉각시스템은 공정이나 설비로부터 열을 흡수한 후 이를 방출하는 역할을 하는 것이다. 이러한 냉각 시스템의 냉매로는 주로 물이 사용되며, 물은 두 가지 메카니즘을 통해 열을 흡수하고 방출한다.
즉, 첫번째는 냉각수 자체의 온도 변화에 의한 것으로 1㎏의 물의 온도가 1℃ 변화하면 1㎉의 열을 흡수 또는 방출하고, 두번째는 증발에 의한 것으로 1㎏의 물이 증발 또는 응결되면서 약 540㎉의 열을 공정으로부터 흡수 또는 방출한다.
한편, 냉각시스템은 일과식, 밀폐식, 개방순환식의 3종류로 나누어질 수 있다.
여기서 일과식 냉각시스템은 냉각수가 한 차례 공정을 거쳐 열을 제거하고 곧바로 배출되는 시스템이며, 열교환기에 의해 온도가 상승된 물을 바로 방류한다. 이러한 일과식 냉각시스템은 증발에 의한 농축이 거의 없어 많은 양의 물이 필요하고, 유속이 빠르므로 부식방지제와 같은 약품을 주입하는 경우 약품 접촉 시간이 짧기 때문에 약품효과를 발휘하기가 곤란하여 그 이용이 감소하는 추세이다.
밀폐식 냉각시스템은 열교환에 의해 온도가 상승된 물이 공기나 개방순환식 냉각수 등의 2차 냉각기에 의해 재 냉각된 후 순환하는 시스템이다. 이러한 밀폐식 냉각시스템은 냉각수가 계외로 배출되는 양이 적어 증발에 의한 농축이 일어나지 않고, 배출(blowdown)이 전혀 없어 폐쇄된 시스템을 순환하며 공기와의 접촉없이 냉각과 가열을 반복하도록 되어 있으며, 물에 흡수된 열은 보통 열교환기에 의해 개방순환 시스템의 순환수로 전달되어 대기 중으로 발산된다.
개방순환 냉각시스템은 공정설비의 열을 제거하기 위해 같은 물을 여러 번 반복적으로 사용하는 시스템이다. 물을 재사용하기 위해서는 공정에서 흡수된 열을 외부로 발산시켜야 하며, 이러한 목적으로 냉각탑이 사용된다. 이러한 개방순환 냉각시스템은 상기 일과식 냉각시스템에 비해 많은 양의 용수를 절약할 수 있고, 폐수로 방류되는 물의 양도 크게 줄일 수 있으며, 약품 처리도 경제적으로 할 수 있는 반면, 일과식 시스템에 비해 많은 양의 보유수가 필요하며 처리 물량이 많다.
상기 3가지 냉각시스템 중 가장 보편적으로 이용되는 것이 개방순환 냉각시스템인데, 이는 설비의 부식이 큰 문제점으로 지적되고 있다. 이러한 부식은 스케일의 생성이나 미생물 성장에 의한 간접부식 또는 염소이온의 과다 존재로 인한 부식 등 다양한 형태가 존재한다. 이 중에서 염소이온에 의한 부식은 철과 스틸 관에서 심각한 피팅(pitting)을 일으키며, 염소이온의 농도에 비례해서 스테인레스 스틸과 알루미늄에 대해서 틈부식(crevice corrosion)을 일으킨다.
석회, 수산화나트륨 및 소석회와 같이 알칼리도를 높이기 위해 첨가해주는 화학제는 주철관에서 염소이온의 부식성을 감소시켜 주지만, 인산염계나 규산염계의 방청제와 같이 양극(anode)을 보호하기 위해 투입되는 방청제가 불충분하게 되면, 피팅(pitting)을 촉진하게 된다.
구멍(pit)의 저부에 수소이온과 결합된 염소이온의 작용과 강산의 형성에 대한 메카니즘은 아래와 같다. 즉, 염소이온은 용존산소가 부족한 구멍이나 틈(crevice)으로 이동하여 강산 상태에서 용존금속과 결합하게 되며, 이러한 강산은 금속의 용출속도를 증가시킨다. 금속이온 농도는 염소이온에 있어서 틈이나 구멍으로의 이동속도를 증가시킴으로써, 틈이나 구멍내의 염소이온의 농도는 수중의농도보다도 3-10배 정도 높아지게 된다. 어떤 구멍내의 pH는 3-4 정도까지 내려가게 된다.
내식성을 갖게 되는 부동태 층을 형성하고 있는 금속이나 합금은 특히 틈부식에 영향을 받는다. 스테인레스 스틸관의 표면에 형성된 보호막인 산화크롬(chromium oxide)층과 알루미늄에 의해 형성된 산화알루미늄 (aluminum oxide)층은 염산에 의해 파괴가 되어 틈부식이 점점 진행되게 된다. 이러한 부식은 염소이온의 농도가 50 mg/L 이상이 되면 나타난다.
틈부식의 부식성과 부식경향은 온도, 스트레스(stress) 및 염소이온의 농도가 증가할수록 커지게 된다. 따라서, 냉각수에는 다량의 부식억제제가 사용되고 있으나, 근본적으로는 염소이온의 농도를 낮게 유지하도록 계속하여 보충수를 공급하고 순환수를 폐기하여 농도를 관리하고 있다.
이러한 염소이온은 공업용수내에 약 20~50ppm 정도 함유되어 있어 순환사용에 따라 농축되며, 또한 미생물 번식을 억제하기 위하여 사용하는 약품인 NaOCl (차아염소산소다)에 의하여 과량이 냉각수계에 투입된다. 이 경우 미생물 살균제를 비염소계로 대체할 수도 있지만, 비염소계로 대표되는 브롬(Br)이나 이소치아졸론(Isothiazolone) 등의 물질은 차아염소산소다에 비하여 가격이 매우 높아 현실적으로 적용이 곤란하다.
따라서 최대한의 보충수를 절약하고 냉각수의 수질을 부식이 일어나지 않는 환경 하에서 장기간 사용하기 위해서는 염소이온 농도의 정밀한 조절이 매우 중요하게 된다.
한편, 용액의 전기전도도는 용액내의 전기를 통하는 물질의 양과 비례하게 되어 있어서 현재까지는 주로 총 용존 고형물 (TSS: Total Soluble Solid)의 농도 예측에 이용되었다. 이러한 예로는 국내특허 제143488호(발명의 명칭: 알카리 탈지용액 온라인 분석 시스템), 국내특허 제292655호(발명의 명칭: 냉각수 자동관리 시스템 제어방법) 등에 활용된바 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 그 목적은 개방순환형 냉각수계 시스템에서 배관 및 설비의 부식을 심각하게 초래하는 염소이온의 농도를 전기전도도 미터를 이용하여 연속적으로 간접 측정하여 냉각수 수질관리를 원활하게 하는 염소이온 농도 관리방법을 제공하는 것이다.
도 1은 이온크로마토 그래피에 의한 염소이온 농도 분석값과 전기전도도 미터에 의한 전기전도도 값의 상관관계를 나타낸 그래프이다.
도 2는 냉각수 내의 염소이온 농도의 실측값과 전기전도도로부터의 예측값을 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명에 따른 염소이온 농도 관리방법에 의하여 보충수 투입량을 조절한 결과를 나타낸 그래프이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 개방순환형 냉각수계의 염소이온 농도 관리방법에 있어서,
(가) 냉각수 내의 염소이온 농도변화를 주기적으로 측정하는 단계(S1);
(나) 상기 (가)단계와 동일한 냉각수에 대하여 동일한 주기로 전기전도도 변화를 측정하는 단계(S2);
(다) 상기 (가),(나)단계에서 측정된 염소이온 농도변화와 전기전도도 변화 사이의 상관관계를 도출하는 단계(S3);
(라) 사용될 냉각수의 전기전도도를 측정하는 단계(S4);
(마) 상기 (다)단계에서 도출된 상관관계를 이용하여 상기 (라)단계에서 측정된 전기전도도로부터 상기 냉각수의 염소이온 농도를 예측하는 단계(S5); 및
(바) 상기 (마)단계에서 예측된 염소이온 농도에 따라 상기 냉각수계 내로의 보충수 투입량이나 폐기수량 또는 미생물 살균제 투입량을 조절하는 단계(S6)를 포함하는 개방순환형 냉각수계의 염소이온 농도 관리방법을 제공한다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명하면 다음과 같다.
개방순환형 냉각수계의 염소이온 농도를 예측함으로써 냉각수를 관리할 수 있기 위하여, 먼저 냉각수 내의 염소이온 농도변화를 주기적으로 측정한다(S1).
이러한 냉각수 내의 염소이온 농도는 통상적인 이온크로마토 그래피 방법이나 습식분석법(공해공정법상의 염소이온 분석법)을 이용하여 분석한 분석치를 사용한다.
다음으로, 상기 단계(S1)와 동일한 냉각수에 대하여 동일한 주기로 전기전도도 변화를 측정한다(S2).
이러한 전기전도도는 전기전도도 미터로 간단히 측정할 수 있으며, 상기 측정된 염소이온 농도와 대응시킬 수 있도록 염소이온 농도를 측정한 냉각수와 동일한 냉각수를 대상으로 전기전도도를 측정한다.
변화하는 염소이온 농도와 이와 함께 변화하는 전기전도도를 측정하기 위해 실제 현장에서의 냉각수를 주기적으로 분석할 수 있으며, 또한 NaCl 등을 냉각수에 투입함으로써 인위적으로 염소이온 농도를 변화시켜 그 변화를 측정, 분석할 수도 있다.
다음으로, 상기 단계(S1,S2)에서 측정된 염소이온 농도변화와 전기전도도 변화 사이의 상관관계를 도출한다(S3).
이러한 상관관계는 다음 식에서 비례상수 K를 결정함으로써 도출해낼 수 있다.
여기서 염소이온 농도의 단위는 ppm이고, 전기전도도 값의 단위는 μS/㎝이다.
대체로 냉각수 내의 염소이온 농도변화와 전기전도도 변화 사이에는 선형적인 대응관계를 가지므로 상기 수학식 1에서 비례상수 K값을 구하는 것이 필요하다. 이러한 K값은 냉각수를 사용하는 시스템에 따라 상이한 값을 가지게 된다.
다음으로, 사용될 냉각수의 전기전도도를 측정한다(S4).
이 때, 상기 단계(S2)에서와 마찬가지로 전기전도도 미터를 이용하여 간단히 측정할 수 있다.
다음으로, 상기 단계(S3)에서 도출된 상관관계를 이용하여 상기 단계(S4)에서 측정된 전기전도도로부터 상기 냉각수의 염소이온 농도를 예측한다(S5).
마지막으로, 상기 단계(S5)에서 예측된 염소이온 농도에 따라 상기 냉각수계 내로의 보충수 투입량이나 폐기수량 또는 미생물 살균제 투입량을 조절한다(S6).
이 때, 상기 단계(S5)에서 예측된 염소이온 농도가 기준치를 초과할 경우 보충수 투입량을 증가시키고, 기준치 미만일 경우 보충수 투입량을 감소시킴으로써 냉각수 내의 염소이온 농도를 일정하게 관리할 수 있다.
또한, 상기 단계(S5)에서 예측된 염소이온 농도가 기준치를 초과할 경우 폐기수량을 증가시키거나 미생물 살균제의 투입량을 감소시키고, 기준치 미만일 경우 폐기수량을 감소시키거나 미생물 살균제의 투입량을 증가시킴으로써 냉각수 내의 염소이온 농도를 일정하게 관리할 수 있다.
상기 염소이온 농도의 기준치는 100~400ppm 의 범위에 속하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 200~300ppm의 범위에 속하는 것이다.
상기 기준치가 100ppm 미만일 경우에는 보충수의 사용량이 매우 증가하여 공업용수 비용이 크게 증가하는 문제점이 있으며, 400ppm을 초과할 경우에는 심각한 설비부식을 초래하여 냉각수로서의 수질기준을 만족하지 못하는 문제점이 있다.
한편, 상기 단계(S6)에서 염소이온 농도를 관리하기 위해서 투입되는 보충수나 미생물 살균제, 배출되는 폐기수는 수동 조작으로 조절할 수 있으며, 전기전도도 미터의 신호를 자동 제어장치에 연결함으로써 자동으로 조절하는 것도 가능하다.
이하에서는 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
[실시예]
C 철강회사에서 스테인레스강 선재의 열간압연시 사용되는 직접냉각수(압연롤의 냉각)를 대상으로 냉각수 내의 염소이온농도를 이온크로마토 그래피 방법에 의하여 분석하고, 동시에 전기전도도 미터를 이용하여 전기전도도를 측정하였으며, 그 결과를 도 1에 나타내었다.
도 1에서 보는 바와 같이, 전기전도도가 500μS/㎝에서 6000μS/㎝까지 변화할 때 실제 염소이온 농도와 대체로 선형적인 대응관계를 이루는 것을 알 수 있으며, 대표할 수 있는 선형관계를 구하면 Y=0.1571X이므로, 상기 수학식 1에서 K=0.1571이 된다.
따라서, 냉각수 내의 염소이온 농도는 다음 식으로부터 구할 수 있게 된다.
염소이온 농도[ppm] = 0.1571 ×전기전도도 값[μS/㎝]
상기 식의 정확도를 검증하기 위하여 일정 기간동안 실측된 염소이온 농도와 전기전도도로부터 예측된 염소이온 농도를 비교하여 도 2에 나타내었다.
도 2에서 보는 바와 같이, 예측된 농도가 실측된 농도와 광범위한 영역에서 매우 잘 일치하는 것을 볼 수 있다.
한편, C 철강회사의 선재코일 생산라인의 개방순환형 직접 냉각수를 대상으로 약 4개월간 전기전도도로부터 예측된 염소이온 농도에 근거하여 냉각수 내의 염소이온의 양을 보충수 투입량으로 조절해 본 결과를 도 3에 나타내었다.
실험방법은 전기전도도 미터에서 발생된 신호를 신호변환기를 거쳐 PLC로 받아들이고 PLC와 PC간의 통신을 통하여 염소이온 농도로 환산한 다음 염소이온 농도의 값이 300ppm을 초과할 경우 현재 투입되고 있는 보충수의 양을 늘려주고 300ppm 미만일 경우 보충수의 양을 줄여주는 방식으로 운전하였다. 이 때, 폐기수량은 보충수와 시스템 내 보유수의 양에 따라 자연적으로 조절되게 된다.
도 3에서 보는 바와 같이, 염소이온 농도의 편차가 거의 없이 매우 균일한 냉각수 수질관리가 이루어질 수 있음을 알 수 있다.
이를 도 2의 염소이온 농도 변화와 비교하여 본다면, 도 2의 경우 기존의 방식으로 계속 순환 사용하다가 염소이온의 농도가 높아 설비의 부식이 급격히 늘어나는 시점에서 일괄 폐기 및 보충을 하여주고 다시 농축하는 방식으로 운전한 것인 반면, 도 3의 경우 본 발명에 따른 관리방법에 따라 염소이온의 농도를 연속적으로 분석·관리함으로써 개방순환형 냉각수의 수질관리를 일정하게 할 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 개방순환형 냉각수계의 염소이온 농도 관리방법에 의하면, 냉각수 내의 전기전도도를 측정하여 염소이온 농도의 실시간 연속예측이 가능함에 따라 이를 근거로 냉각수계의 보충수와 폐기수를 관리하여 균일한 냉각수 수질을 확보할 수 있을 뿐만 아니라 관련 설비의 보호와 보충수의 안정적 공급 및 폐기수의 안정적 처리에도 큰 도움을 줄 수 있는 효과가 있다.
Claims (6)
- 개방순환형 냉각수계의 염소이온 농도 관리방법에 있어서,(가) 냉각수 내의 염소이온 농도변화를 주기적으로 측정하는 단계(S1);(나) 상기 (가)단계와 동일한 냉각수에 대하여 동일한 주기로 전기전도도 변화를 측정하는 단계(S2);(다) 상기 (가),(나)단계에서 측정된 염소이온 농도변화와 전기전도도 변화 사이의 상관관계를 도출하는 단계(S3);(라) 사용될 냉각수의 전기전도도를 측정하는 단계(S4);(마) 상기 (다)단계에서 도출된 상관관계를 이용하여 상기 (라)단계에서 측정된 전기전도도로부터 상기 냉각수의 염소이온 농도를 예측하는 단계(S5); 및(바) 상기 (마)단계에서 예측된 염소이온 농도에 따라 상기 냉각수계 내로의 보충수 투입량이나 폐기수량 또는 미생물 살균제 투입량을 조절하는 단계(S6)를 포함하는 것을 특징으로 하는 개방순환형 냉각수계의 염소이온 농도 관리방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 (다)단계는 다음 식에서 비례상수 K를 결정함으로써 염소이온 농도변화와 전기전도도 변화 사이의 상관관계를 도출하는 것을 특징으로 하는 개방순환형 냉각수계의 염소이온 농도 관리방법.염소이온농도 = K × 전기전도도 값여기서, 염소이온농도의 단위는 ppm이고, 전기전도도 값의 단위는 μS/㎝이다.
- 제 1 항에 있어서,상기 (바)단계는 상기 (마)단계에서 예측된 염소이온 농도가 기준치를 초과할 경우 보충수 투입량을 증가시키고, 기준치 미만일 경우 보충수 투입량을 감소시키는 것을 특징으로 하는 개방순환형 냉각수계의 염소이온 농도 관리방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 (바)단계는 상기 (마)단계에서 예측된 염소이온 농도가 기준치를 초과할 경우 폐기수량을 증가시키고, 기준치 미만일 경우 폐기수량을 감소시키는 것을 특징으로 하는 개방순환형 냉각수계의 염소이온 농도 관리방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 (바)단계는 상기 (마)단계에서 예측된 염소이온 농도가 기준치를 초과할 경우 미생물 살균제의 투입량을 감소시키고, 기준치 미만일 경우 미생물 살균제의 투입량을 증가시키는 것을 특징으로 하는 개방순환형 냉각수계의 염소이온 농도 관리방법.
- 제 3 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 염소이온 농도의 기준치는 100~400ppm 의 범위에 속하는 것을 특징으로 하는 개방순환형 냉각수계의 염소이온 농도 관리방법.
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