KR20070046360A

KR20070046360A - 용존산소 제거장치 및 그 방법

Info

Publication number: KR20070046360A
Application number: KR1020050102980A
Authority: KR
Inventors: 강덕원; 김문수; 차동민; 지준화
Original assignee: 한국전력공사
Priority date: 2005-10-31
Filing date: 2005-10-31
Publication date: 2007-05-03
Also published as: KR100765409B1

Abstract

본 발명은 용존산소 제거장치 및 그 방법을 제공하기 위한 것으로, 용수를 공급받아 잔존 불순물을 제거하는 급수부와; 상기 급수부로부터 용수를 공급받아 용존산소를 탈기막 멤브레인과 금속담지 ACF 모듈로 제거하는 용존산소 제거부를 포함하여 구성함으로서, 탈기막 멤브레인과 금속담지 ACF와의 최적 조합을 이용하여 상온에서도 수중의 용존산소를 거의 완전히 제거할 수 있게 되는 것이다.

용존산소, ACF, 멤브레인, 진공펌프, 수소발생기, 제거, 탈기

Description

용존산소 제거장치 및 그 방법{Apparatus and method for dissolved oxygen removal}

도 1은 종래 진공감압 탈기법에 의한 용존산소 제거장치의 공정도이다.

도 2는 종래 가열탈기법에 의한 용존산소 제거장치의 공정도이다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 용존산소 제거장치의 블록구성도이다.

도 4는 도 3의 상세공정도이다.

도 5는 도 4에서 금속담지 ACF 모듈에 격벽이 설치된 예를 보인 도면이다.

도 6은 도 4에서 수소발생부의 막전극접합체의 예를 보인 도면이다.

도 7은 도 3에 의한 용존산소 제거장치의 6ton/hr 유량에서의 용존산소 제거효율을 보인 그래프이다.

도 8은 도 3에 의한 용존산소 제거장치의 15ton/hr 유량에서의 용존산소 제거효율을 보인 그래프이다.

도 9는 도 3에 의한 용존산소 제거장치의 6bar 압력에서 다양한 유량의 용존산소 제거효율을 보인 그래프이다.

도 10은 본 발명의 일실시예에 의한 용존산소 제거방법을 보인 흐름도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 급수부 11 : 원수공급 펌프(FP)

12 : 프리필터(Free Filter) 13 : 유량제어기(HT)

14, 24, 29 : 용존산소 측정기(DO) 15, 26 : 온도계(T)

16, 23, 27, 28 : 압력계(PI) 20 : 용존산소 제거부

21 : 탈기막 멤브레인 22 : 진공펌프(VP)

25 : 용존수소 측정기(DH) 30 : 금속담지 ACF 모듈

31 : 격벽 41, 42, 43, 44, 45, 46 : 밸브

47, 48, 49 : 체크 밸브 50 : 수소발생부(H2G)

51 : 막전극접합체 60 : 제어부

본 발명은 용존산소 제거장치 및 그 방법에 관한 것으로, 특히, 탈기막 멤브레인과 금속담지 ACF(Activated Carbon Fiber, 활성탄소섬유)와의 최적 조합을 이용하여 상온에서도 수중의 용존산소를 거의 완전히 제거하기에 적당하도록 한 용존산소 제거장치 및 그 방법에 관한 것이다.

일반적으로 용존산소 제거장치는 원자력발전소 1, 2차측 계통수, 각종 산업체 보일러, 냉각설비, 반도체 제조공정 등에서의 용존산소에 의한 금속의 부식을 방지하기 위해 사용된다.

여기서 물 속에는 산소와 질소 및 이산화탄소 등의 각종 기체가 일정 비율로 녹아 있으며, 이중에서 물 속에 녹아있는 분자상태의 산소를 용존산소로 일컫는다. 다음의 표 1은 수온에 따른 수중 용존산소의 농도를 나타내는 것으로서, 대기 중에 노출되어 있을 때 상온에서 약 8 ~ 10 ppm 의 용존산소를 함유하고 있으며, 물의 온도증가에 따른 용존산소는 점점 감소하는 것으로 알려져 있다.

수온에 따른 용존산소 농도의 변화

수온(℃)	10	21	32	43	54	66	77	88	99
용존산소(ppm)	11.43	8.87	7.45	6.15	5.44	4.43	3.43	2.15	1.43

용존산소는 이러한 특성 외에도 유체에 용해되어 금속 배관 내부를 이동하는 과정에서 배관 내벽의 산화작용을 통해 부식을 촉진하고 용수의 혼탁 및 배관의 수명을 단축시키는 원인이 된다.

원자력 발전소의 경우, 배관 및 계통수 중에 수 ppb의 용존산소가 존재하여도 계통 재질의 유체 접촉부에서 마그네타이트(Fe₃O₄) 형태의 부식을 유발하여 재질의 부식 및 방사선 차폐 능력의 저하 등 발전소 수명 단축과 원전의 안전성에 심각한 영향을 야기시킨다.

이러한 원인과 문제점을 해소하기 위한 방안으로, 물 속에 포함된 용존산소를 효율적으로 제거하기 위한 대한민국 특허출원번호 제 특1990-0011791 호의 수중의 용존산소의 탈기장치가 제안되었다. 이러한 수중의 용존산소의 탈기장치는 탈기조 내에 채워진 물이 강수관을 통해 외부로 유출되면서 진공압이 발생하도록 하고, 탈기조 상부에 구비된 급수노즐을 통해 수조내의 물이 탈기조 내로 유입되는 과정에서 탈기가 이루어져 탈기조의 상부에 모이도록 하고, 탈기된 산소는 진공펌프를 가동시켜 외부로 배출함으로써, 일정량의 탈기수를 얻을 수 있도록 한 것이다. 그러나 이러한 종래기술은 탈기조 내에 잔류된 탈기산소를 완전히 배출시키면서 다시 탈기조를 진공상태가 유지 되도록 하기 위해 별도의 펌프를 가동시켜 탈기조로 수조내의 물을 공급하는 과정에서 탈기작용이 잠시 멈추게 됨에 따라 탈기율이 낮아지는 비효율적인 문제점이 있었다.

한편 물 속에 포함된 용존산소를 제거하기 위한 다른 방안으로, 대한민국 특허출원번호 제 10-1997-0052910 호의 활성탄소섬유촉매에 의한 수중 용존산소 제거장치가 제안되었다. 그러나 이 또한 이온 교환수지탑에서 처리수 내의 불순물이 이온으로 제거된 물이 처리수 여과장치를 통과하면서 탁도성분이 제거되는 과정에서 처리수로부터 제거된 이물질이 여과장치에 끼이게 됨에 따라 여과율이 낮아지게 되어 규칙적으로 여과장치를 청소해 주어야하는 불편함이 따랐다.

현재 원자력 발전소에서 사용하는 종래의 처리방식을 그 종류에 따라 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

1. 기계적 탈기법

a. 진공감압 탈기법(Vacuum deaeration)

진공감압 탈기법은 원자력 발전소의 보급수중 용존산소를 제거하기 위해 지금까지 가장 많이 적용하고 있는 방법이다. 운전원리는 진공으로 유지되는 충전탑 상부에서 용수를 분사시켜 비응축성 기체의 분압을 감소시킴으로서 용존산소를 제거하는 방법이다. 진공감압탈기기의 산소제거 효율을 증진시키기 위해서 2단 이상으로 충전탑을 설치할 수 있다.

그래서 용존산소 제거효율은 진공도, 충전탑크기, 입구수온 등에 따라 영향을 받는다. 충전물은 단위부피당 넓은 표면적의 것이 바람직하며 충전탑 크기를 결정짓는다. 충전물의 종류에 따라 탑내 기공율과 입출구 차압이 변화한다. 사용하는 충전물로부터는 불순물의 용출이 없어야 하며, 충전탑에서 산소, 질소, 이산화탄소를 충분히 제거할 수 있도록 진공펌프와 증기이젝터를 이용하여 장치진공을 일정수준으로 유지하여야 한다. 비응축성 가스와 함께 제거되는 수증기량은 온도와 진공도의 영향을 받는다. 진공펌프는 밀봉방법에 따라 수밀봉과 유밀봉 방법이 있으나 오일에 의한 오염을 피하기 위하여 수밀봉을 많이 채택한다.

그러나 이러한 진공감압 탈기법은 가열탈기법과는 달리 수증기 공급과는 관계없이 독립적으로 운전할 수 있는 장점이 있으나, 초기 설치비가 고가이고 넓은 설치공간이 필요하며 진공펌프(vacuum pump) 운전 등으로 인한 운전비(특히 전기에너지비용)가 많이 소요된다는 단점이 있다. 용존산소 제거성능은 장치가 양호하게 운전될 경우 30 ~ 40 ppb정도로서 용존산소의 완전제거(10 ppb 미만)는 어렵다.

b. 가열탈기법(thermal deaeration)

수중에서의 기체용해도는 헨리법칙에 따라 그 기체의 분압에 비례한다. 따라서 기체의 분압을 낮춤으로서 수용액에서 용존기체를 제거할 수 있다. 또한, 기체의 용해도는 온도의 영향을 받아 온도증가에 따라 감소한다. 이러한 원리를 적용하여 가열탈기기에서 급수를 증기로 가열하고 고압의 증기와 혼합함으로서 수중의 비응축성 기체분압을 낮추어 용존기체를 제거할 수 있다.

그래서 가열탈기기의 상부에는 분무실이 있고, 분무실에서 물과 증기 사이의 향류접촉이 이루어진다. 탈기된 용수는 하부의 저장조에 저장되어 보일러 계통에 공급된다. 정상운전시 탈기기에서는 용존산소를 7 ppb 미만까지 낮출 수 있으나, 스팀열원이 없는 정지시 또는 기동시에는 산소제거 성능이 저하한다. 가열탈기기의 운전은 최적의 기능이 발휘되도록 적절한 증기의 공급이 요구되며, 가열탈기기의 출구온도를 측정하여 정상여부를 확인하여야 한다. 또한, 용수의 체류시간을 증가시켜 하이드라진과 용존산소 사이의 반응이 완전히 진행될 수 있도록 가능한 많은 양의 용수를 보유할 수 있도록 저수조를 설계하는 것이 필요하다. 보통 저수조의 온도는 120 ~ 170 ℃ 범위 이내에서 운전되며, 이 온도에서는 하이드라진과 용존산소의 반응이 쉽게 일어나며 하이드라진의 분해온도 이하이다. 따라서 하이드라진과 함께 가열탈기기를 이용하면 뛰어난 탈기효과를 얻을 수 있다.

그러나 가열탈기기의 장치비는 고가는 아니지만, 넓은 설치공간이 필요하고 많은 양의 수증기 사용으로 많은 에너지 비용이 소요되는 단점이 있었다. 또한 가동정지 상태에서 가열탈기기의 운전을 위하여 추가로 보조 증기공급설비의 설치가 필요로 하는 등의 문제점도 있었다.

2. 탈 산소제 처리법

a. 하이드라진

용존산소 제거약품으로 가장 많이 사용되고 있는 하이드라진은 무색이며 암모니아 냄새가 나는 발화성 액체로서 수소결합을 하고 있어, 물, 알콜, 아민 등과 같은 용매에 잘 녹는다. 하이드라진은 강한 환원제이므로 고온고압보일러의 방식제로서 뿐만 아니라, 고분자 발포제, 농업용 살충제, 로켓연료 등에도 이용되고 있다. N₂H₄농도가 63 % 이상이면 대기 중에서 점화될 수 있으며, 40 % 미만이면 100 ℃ 이하의 온도에서는 점화하지 않는다.

하이드라진과 산소분자의 환원반응식은 다음의 화학식 1과 같다.

N₂H₄ + O₂ -> N₂ + 2H₂O (ΔH^o = -586 kJ/mol)

하이드라진은 고온고압의 보일러에서 수중에 불순물을 발생시키지 않는다는 큰 장점이 있어 기력 및 원자력발전소 계통수 처리제로서 광범위하게 사용되고 있다.

그러나 이러한 하이드라진은 독성이 강하여 인체에 다량 흡입될 경우 피부, 눈, 호흡기 계통을 자극하며, 반복적으로 노출되었을 때 폐, 간, 신장에 손상을 가져올 수 있는 문제점이 있다. 독일에서는 작업자의 건강을 위하여 대기중의 최대 허용농도를 0.1 ~ 0.3 ppm 으로 정하고 있다.

b. 카르보하이드라지드(Carbohydrazide)

카르보하이드라지드는 보일러 계통 내 용존산소 제거제로서 1980년에 상업화 되었다. 카르보하이드라지드는 153 ~ 154 ℃ 의 온도범위에서 분해되면서 용해되는 백색결정이다. 25 ℃ 에서 용해도는 32 g/100 ml_H₂O이며 100 ℃ 부근에서도 우수한 가수분해 안정도를 보여준다. 카르보하이드라지드의 분자식은 다음의 화학식 2와 같다.

O

∥

NH₂-NH-C-NH-NH₂

또한 전체적인 산소제거반응식은 다음의 화학식 3과 같다.

(H₂N-NH)₂CO + 2O₂-> 2N₂+ 3H₂O + CO₂

그리고 카르보하이드라지드는 고온에서 모두 휘발성 물질로 분해되고 전기전도도를 상승시키지는 않기 때문에 보일러계통 급수처리에 사용될 수 있다. 카르보하이드라지드를 사용할 때 급수 및 복수계통에서 금속표면의 방식작용이 있어 보일러 계통수중의 철이온과 구리이온 농도가 크게 감소한다.

그러나 이러한 카르보하이드라지드는 용수의 수온이 저온에서는 반응속도가 매우 느려 용존산소 제거 효과가 없기 때문에 별도의 열원을 이용하여 용수를 가온시켜야 하는 단점이 있다.

3. 멤브레인에 의한 제거법

멤브레인(Membrane) 탈기장치를 이용한 기체, 액체분리기술은 수중으로부터 용존산소, 수소 등을 쉽게 분리 제거할 수 있어 발전소 및 반도체분야 등 활용분야가 광범위하다. 탈기 자체만 놓고 볼 때 기계적 탈기법인 진공탈기법과 유사하나, 기계적 탈기법은 고온에서 분압차를 이용하여 탈기시키기 때문에 에너지가 많이 소모되며 정교한 탈기를 수행할 수 없다. 그래서 탈기막을 이용하면 소량의 에너지 비용으로도 ppb 수준까지 제어가 가능한 것으로 알려져 있다.

그러나 이러한 멤브레인에 의한 제거법은 연속식 방식에서는 적합하지 않으며, 밀폐계 내에서 순환 사이클을 유지해야 하는 단점이 있다.

이와 같이 종래기술에서 멤브레인 탈기장치를 이용한 기체, 액체분리기술은 수중으로부터 용존산소, 수소 등을 쉽게 분리 제거할 수 있으나 밀폐계 내에서 순환 사이클을 유지하여하는 단점이 있고, 기계적 탈기법은 고온에서 분압차를 이용하여 탈기시키기 때문에 에너지가 많이 소모되며 정교한 탈기를 수행할 수 없으며, 전기화학적 촉매 환원 반응은 높은 효율에 비해 소요비용이 비싼 단점 등이 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 탈기막 멤브레인과 금속담지 ACF와의 최적 조합을 이용하여 상온에서도 수중의 용존산소를 거의 완전히 제거할 수 있는 용존산소 제거장치 및 그 방법을 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일실시예에 의한 용존산소 제거장치는,

용수를 공급받아 잔존 불순물을 제거하는 급수부와; 상기 급수부로부터 용수 를 공급받아 용존산소를 탈기막 멤브레인과 금속담지 ACF 모듈로 제거하는 용존산소 제거부를 포함하여 이루어짐을 그 기술적 구성상의 특징으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일실시예에 의한 용존산소 제거방법은,

용수를 공급받아 잔존 불순물을 제거시키는 제 1 단계와; 상기 제 1 단계 후 탈기막 멤브레인과 금속담지 ACF 모듈로 용수에서 용존산소를 제거시키는 제 2 단계를 포함하여 수행함을 그 기술적 구성상의 특징으로 한다.

이하, 상기와 같은 본 발명, 용존산소 제거장치 및 그 방법의 기술적 사상에 따른 일실시예를 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 용존산소 제거장치의 블록구성도이고, 도 4는 도 3의 상세공정도이며, 도 5는 도 4에서 금속담지 ACF 모듈에 격벽이 설치된 예를 보인 도면이고, 도 6은 도 4에서 수소발생부의 막전극접합체의 예를 보인 도면이다.

도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 용수를 공급받아 잔존 불순물을 제거하는 급수부(10)와; 상기 급수부(10)로부터 용수를 공급받아 용존산소를 탈기막 멤브레인(21)과 금속담지 ACF(Activated Carbon Fiber, 활성탄소섬유) 모듈(30)로 제거하는 용존산소 제거부(20)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 급수부(10)는, 용수가 공급되도록 하는 급수펌프(Feeder Pump, FP)(11)와; 상기 급수펌프(11)를 통해 공급된 용수에서 잔존 불순물을 제거하는 프리필터 (Free Filter)(12)와; 상기 프리필터(12)를 통과한 용수의 설정 유량을 측정하고 제어하는 유량제어기(HT)(13)와; 상기 프리필터(12)를 통과한 용수의 용존산소를 측정하는 용존산소 측정기(Dissolved Oxygen meter, DO)(14)와; 상기 프리필터(12)를 통과한 용수의 온도를 측정하는 온도계(Thermometer, T)(15)와; 상기 프리필터(12)를 통과한 용수의 압력을 측정하는 압력계(Pressure Indicator, PI)(16)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 용존산소 제거부(20)는, 상기 탈기막 멤브레인(21)과 상기 금속담지 ACF 모듈(30)이 직렬 조합되도록 구성하는 것을 특징으로 한다.

상기 용존산소 제거부(20)는, 상기 탈기막 멤브레인(21)과 상기 금속담지 ACF 모듈(30)에 의한 용존산소 제거 분담용량이 8 : 2 인 것을 특징으로 한다.

상기 용존산소 제거부(20)는, 상기 급수부(10)의 용수를 공급받아 용존산소가 제거되도록 하는 탈기막 멤브레인(Degassing Membrane)(21)과; 상기 탈기막 멤브레인(21)과 연결되어 기체에 대한 헨리의 법칙에 따라 상기 탈기막 멤브레인(21)에 공급된 용수에서 용존산소가 제거되도록 하는 진공펌프(Vacuum Pump, VP)(22)와; 상기 탈기막 멤브레인(21)을 통과한 용수에서 용존산소를 제거하는 금속담지 ACF 모듈(30)과; 상기 용존산소 제거부(20) 내의 용수의 용존산소를 측정하는 용존산소 측정기(DO)(24, 29)와; 상기 용존산소 제거부(20) 내의 용수의 수소를 측정하는 용존수소 측정기(Dissolved Hydrogen meter, DH)(25)와; 상기 용존산소 제거부(20) 내의 용수의 온도를 측정하는 온도계(T)(26)와; 상기 용존산소 제거부(20) 내의 용수의 압력을 측정하는 압력계(PI)(23, 27, 28)와; 상기 용존산소 제거부(20) 내의 용수의 흐름의 제어하는 밸브(41, 42, 43, 44, 45, 46)와 체크 밸브(47, 48, 49)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 금속담지 ACF 모듈(30)은, 도 5에 도시된 바와 같이, 용수가 유입될 때 높은 압력을 완화시켜 줄 수 있는 격벽(31)을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 용존산소 제거장치는, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 수소를 발생시켜 상기 용존산소 제거부(20)로 제공하는 수소발생부(H₂Generator, H2G)(50)를 더욱 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 수소발생부(50)는, 상기 용존산소 제거부(20) 내의 상기 탈기막 브레인(21)과 상기 금속담지 ACF 모듈(30) 사이에 연결되어 수소를 공급하는 것을 특징으로 한다.

상기 수소발생부(50)는, 도 6에 도시된 바와 같이, 내압 설계된 막전극접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA)(51)를 이용하여 수소를 발생시키는 것을 특징으로 한다.

상기 용존산소 제거장치는, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 급수부(10) 및 상기 용존산소 제거부(20)와 연결되어, 용수의 수질을 감시하고, 상기 급수부(10) 및 상기 용존산소 제거부(20)의 동작을 제어하는 제어부(60)를 더욱 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 제어부(60)는, 상기 급수부(10) 내의 유량제어기(HT)(13)와 용존산소 측정기(14)의 측정치, 상기 용존산소 제거부(20) 내의 용존산소 측정기(24, 29)와 용존수소 측정기(DH)(25)의 측정치를 미리 설정한 시간별로 자동기록하고, 환원제인 수소의 발생용량을 표시하는 것을 포함하여 수행하는 것을 특징으로 한다.

이에 도시된 바와 같이, 용수를 공급받아 잔존 불순물을 제거시키는 제 1 단계(ST1)와; 상기 제 1 단계 후 탈기막 멤브레인(21)과 금속담지 ACF 모듈(30)로 용수에서 용존산소를 제거시키는 제 2 단계(ST2, ST3, ST4)를 포함하여 수행한다.

상기 제 2 단계는, 상기 탈기막 멤브레인(21)과 상기 금속담지 ACF 모듈(30)에 의한 용존산소 제거 분담용량이 8 : 2 인 것을 특징으로 한다.

상기 제 2 단계는, 상기 제 1 단계 후 상기 탈기막 멤브레인(21)으로 용수에서 용존산소를 제거시키는 제 3 단계(ST2)와; 상기 제 3 단계에서 상기 탈기막 멤브레인(21)으로 용존산소가 제거된 용수에 수소를 공급시키는 제 4 단계(ST3)와; 상기 제 4 단계에서 수소가 공급된 용수에서 용존산소를 상기 금속담지 ACF 모듈(30)로 제거시키는 제 5 단계(ST4)를 포함하여 수행하는 것을 특징으로 한다.

이와 같이 구성된 본 발명에 의한 용존산소 제거장치 및 그 방법의 동작을 첨부한 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저 본 발명은 탈기막 멤브레인과 금속담지 ACF와의 최적 조합을 이용하여 상온에서도 수중의 용존산소를 거의 완전히 제거하고자 한 것이다.

따라서 본 발명으로 인하여 산업체 보일러 및 발전소 계통의 용수 중 용존산 소를 극도로 제거하여 금속배관의 부식 발생을 최소화함으로써, 장치 및 설비의 수명을 연장하고, 특히 작은 사고도 용납될 수 없는 원전 설비의 안전운전 보장을 위한 용존산소의 제거성능이 완벽하게 된다.

이를 위해 본 발명은 급수부(10)와 용존산소 제거부(20)로 구성한다. 이에 부가적으로 수소발생부(50) 또는 제어부(60)를 추가할 수 있다.

그래서 급수부(10)는 용수를 공급받아 잔존 불순물을 제거하게 된다.

이러한 급수부(10)에서 급수펌프(11)는 용수가 급수부(10) 내로 공급되도록 하여 용수를 프리필터(12)로 이동시킨다.

그리고 프리필터(12)는 급수펌프(11)를 통해 공급된 용수에서 잔존 불순물을 제거하여 불순물이 1차적으로 걸러지게 한다.

또한 유량제어기(13)는 프리필터(12)를 통과한 용수의 설정 유량을 측정하고 제어한다. 이때의 제어 동작은 제어부(60)의 제어를 받아 수행할 수 있다.

또한 용존산소 측정기(14)는 프리필터(12)를 통과한 용수의 용존산소를 측정한다. 그리고 그 측정치는 제어부(60)로 전송하여 수질감시 및 제어가 수행될 수 있도록 한다.

또한 온도계(15)는 프리필터(12)를 통과한 용수의 온도를 측정한다. 이때 측정한 온도를 제어부(60)로 전송하여 수질감시 및 제어가 수행될 수 있도록 한다.

또한 압력계(16)는 프리필터(12)를 통과한 용수의 압력을 측정한다. 이때 측정한 압력을 제어부(60)로 전송하여 수질감시 및 제어가 수행될 수 있도록 한다.

한편 용존산소 제거부(20)는 급수부(10)로부터 용수를 공급받아 용존산소를 탈기막 멤브레인(21)과 금속담지 ACF 모듈(30)로 제거하게 된다.

이때 용존산소 제거부(20)는 탈기막 멤브레인(21)과 금속담지 ACF 모듈(30)이 직렬 조합되도록 구성할 수 있다. 또한 탈기막 멤브레인(21)과 금속담지 ACF 모듈(30)이 병렬 조합되도록 구성할 수도 있다. 물론 탈기막 멤브레인(21)과 금속담지 ACF 모듈(30)이 병렬 조합되도록 구성하면, 용수가 하나만을 통과하게 되어 용존산소의 제거효율이 감소하게 되는데, 낮은 용존산소 제거효과가 필요한 곳에서는 사용할 수도 있다.

그리고 용존산소 제거부(20)는 탈기막 멤브레인(21)과 금속담지 ACF 모듈(30)에 의한 용존산소 제거 분담용량을 8 : 2 로 설정할 수 있다. 이러한 분담용량은 다른 값으로 설정하는 것도 가능하다.

그래서 용존산소 제거부(20) 내에서 탈기막 멤브레인(21)은 급수부(10)의 용수를 공급받아 용존산소가 제거되도록 한다.

또한 진공펌프(22)는 탈기막 멤브레인(21)과 연결되어 기체에 대한 헨리의 법칙에 따라 탈기막 멤브레인(21)에 공급된 용수에서 용존산소가 제거되도록 한다.

그리고 금속담지 ACF 모듈(30)은 탈기막 멤브레인(21)을 통과한 용수에서 용존산소를 제거한다. 이때 탈기막 멤브레인(21)과 금속담지 ACF 모듈(30) 사이에 수소발생부(50)가 설치되면, 탈기막 멤브레인(21)에 의해 8/10의 비율로 용존산소가 제거된 용수에 환원제인 수소가 첨가된다. 그러면 금속담지 ACF 모듈(30)은 환원제인 수소가 첨가된 용수에서 나머지 2/10의 비율로 남은 용존산소를 제거하게 된다.

또한 금속담지 ACF 모듈(30)은 격벽(31)을 구비하여 수소가 용해된 용수가 유입될 때의 높은 압력(예를 들면, 8 kg/㎠)을 완화시켜 준다.

그리고 참조번호 24의 용존산소 측정기는 탈기막 멤브레인(21)을 직접 통과하거나 수소발생부(50)에 의해 수소가 첨가된 용수의 용존산소를 측정한다. 그리고 그 측정치를 제어부(60)로 전송할 수 있다.

또한 참조번호 29의 용존산소 측정기는 금속담지 ACF 모듈(30)을 통과한 용수의 용존산소를 측정한다. 그리고 그 측정치를 제어부(60)로 전송할 수 있다.

그리고 용존수소 측정기(25)는 수소발생부(50)에 의해 수소가 첨가된 용수의 수소를 측정한다. 그리고 그 측정치를 제어부(60)로 전송할 수 있다.

또한 압력계(23, 27, 28)는 용존산소 제거부(20) 내의 각 지점에서의 용수 온도를 측정한다. 그리고 그 측정치를 제어부(60)로 전송할 수 있다.L

그리고 용존산소 제거부(20) 내의 각 지점에 설치된 밸브(41, 42, 43, 44, 45, 46)와 체크 밸브(47, 48, 49)는 용존산소 제거부(20) 내의 용수의 흐름의 제어하게 된다.

한편 수소발생부(50)에서는 수소를 발생시켜 용존산소 제거부(20)로 수소를 제공한다. 이러한 수소발생부(50)는 내압 설계된 막전극접합체(51)를 이용하여 수소를 발생시킨다.

또한 제어부(60)에서는 급수부(10) 및 용존산소 제거부(20)와 연결되어, 용수의 수질을 감시하고, 급수부(10) 및 용존산소 제거부(20)의 동작을 제어하게 된다. 그래서 제어부(60)는 급수부(10) 내의 유량제어기(HT)(13)와 용존산소 측정기(14)의 측정치, 용존산소 제거부(20) 내의 용존산소 측정기(24, 29)와 용존수소 측 정기(DH)(25)의 측정치를 미리 설정한 시간별로 자동기록하고, 환원제인 수소의 발생용량을 표시하는 것 등을 수행하게 된다.

이러한 본 발명의 동작 흐름을 전체적으로 다시 설명하면 다음과 같다.

이와 같이 인렛(Inlet)을 통해 급수부(10)로 공급된 용수는 급수펌프(11)를 통해서 급수부(10) 내로 이송되며, 프리필터(12)에서 잔존 불순물이 1차적으로 걸러지고 유량제어기(13)에서 설정 유량의 측정이 이루어지며, 용존산소 측정기(14)에서 용존산소를 측정한 후 온도계(15)와 압력계(16)를 거쳐 용존산소 제거부(20) 내의 탈기막 멤브레인(21)으로 이송되게 된다.

그리고 용존산소 제거부(20)로 공급된 용수는 먼저 탈기막 멤브레인(21)으로 공급되고, 진공펌프(22)에 의해 헨리의 법칙이 적용되는 탈기막 멤브레인(21)에서 대략 80 % 정도의 용존산소가 제거되고, 압력계(23)를 지나 두 갈래로 나뉘어지는 밸브(43, 44)에 의해 일부가 수소발생부(50)로 들어가 수소와 섞여 체크 밸브(48)를 통해 나오게 되며, 다른 밸브(44)를 통해 나오는 용수와 섞이게 된다. 그 후 금속담지 ACF 모듈(30)로 이송되기 전 용존산소 측정기(24)와 용존수소 측정기(25), 온도(26), 압력계(27)의 측정이 이루어지며, 수소와 고루 섞인 용수는 나머지 20 % 의 용존산소를 금속담지 ACF 모듈(30)을 통과하면서 모두 제거된 후 다시 한번 최종적으로 압력계(28)와 용존산소 측정기(29)를 거치며 최종 결과가 측정된 후 아웃렛(Outlet)을 통해 배출된다.

한편 본 발명의 고효율 용존산소 제거 효과는 수소의 원활한 조절 및 용해도의 중요성이 매우 크다. 본 발명에서는 고효율 용존산소 제거장치의 금속 촉매의 환원제로 수소를 사용하되 보다 안전하고 간편한 컨트롤이 가능한 수소발생부(50)를 개발하여 장착하였다. 용수의 유량이 6 ton/hr(100L/min) 일 때를 가정하여 산소 환원제로서의 수소의 필요량은 다음의 수학식 1과 같다.

Pg = H·xg

여기서 액체에 용해되는 기체의 평형, 즉 포화농도는 액체에 접하는 기체의 분합의 함수이다. (이 관계를 헨리의 법칙이라고 한다.)

또한 각각의 의미는 다음과 같다.

Pg : 기체분압, atm

H : henry 상수, atm/mol분율

Xg : 기체 몰분율 , mol 기체(ng)/(mol 기체(ng) + mol 물(nw))

여기서 H 헨리 상수는 액체의 종류, 온도, 성분의 함수이다. 수소와 산소의 헨리상수를 다음의 표 2에서와 같이 나타내었다.

수소와 산소의 온도에 따른 헨리 상수

Hㅧ10^-4 , atm/mol분율
T, ℃	H₂	O₂
0	5.79	2.55
10	6.36	3.27
20	6.83	4.01
30	7.29	4.75
40	7.51	5.35
50	7.65	5.88
60	7.65	6.29

1. 수소 용해도

수소방울 속수소의 비율을 100%라고 가정하면 방울중의 수소의 부분압력은 P_H2= 8 kg/㎠ × 1 = 8 kg/㎠ 이다.

8 kg/㎠을 atm 단위로 고치면 7.74 atm 이다. 그리고 액체 15 ℃에서 수소기체의 헨리 상수는 위의 표 2에서 참조하면 6.61 × 104 atm/mol 분율 이다.

2. 수소기체의 농도(ppm) 계산

그래서 수학식 2에서 수학식 3과 같이 된다.

그러면 다음의 수학식 4에 의한 결과가 나온다.

또한 물 1L 는 1000 / 18 = 55.6 mol 이므로, 다음의 수학식 5 내지 수학식 7이 도출된다.

따라서, 수압 8 kg/㎠, 수온 15 ℃ 일 때, 수소농도는 수학식 7에서와 같이 13 ppm 이 된다.

3. 제거해야 할 산소량 및 제공해야 할 수소량

장치에 설치되어 있는 펌프의 실험유량은 100 L/min 이다. 또한 수소발생부(50) 전단의 탈기막식 수소 제거장치(Demiwater)에서 8 ppm -> 2 ppm으로 6 ppm 을 제거한다. 따라서 후 공정인 금속 촉매를 이용한 수소제거 반응기(50)에서 2 ppm 을 제거해야 한다고 가정했을 때, 총 제거해야 할 산소의 양은 다음의 수학식 8이 된다.

그래서 수학식 8에서와 같이, 분당 200 mg 의 산소를 제거해야 한다.

200mg/min 을 몰수로 전환하면 다음의 수학식 9가 된다.

이때 산소

의 양을 촉매 반응을 통하여 물로 전환하기 위한 수소의 몰수는 2배인 0.0125 mol/min 이다. 이 양은 25 mg/min 으로 산소를 제거하기 위해 공급해야 할 수소의 양은 분당 25 mg 의 수소가 필요하다.

결론적으로 필요한 수소 25 mg/min 의 양은 운전 유량 100 L/min 일 경우 농도가 0.25ppm 이다.

4. 수소발생부에서 생산되는 수소량

I = m × z × F / (t × M × η)

여기서 수학식 10 내의 각각의 의미는 다음과 같다.

m : 질량(g)

z : 이온 전자가

F : 패러데이상수(96485 mol/c)

t : 시간(sec)

M : 분자량(g/mol)

η : 효율(실제발생량 / 이론생성량)

mol = m / M

그래서 수학식 11에서 단위시간에 생성된 수소 몰수는 다음과 같은 조건하에서 수학식 12 내지 수학식 14와 같이 된다.

사용 전류 : 50A

전류 효율 : 0.9 (MEA를 사용한 수소 발생 효율의 가정치)

즉, 수학식 14에서와 같이 단위시간에 생성된 수소 몰수는 27.96 mg/min 이 된다.

<실시예 1>

본 발명의 용존산소 제거장치를 이용하여 물에 녹아있는 용존산소 제거에 대 한 효과를 평가하기 위하여 다음과 같이 실시하였다.

- 사용 용수 : 순수(비저항 = 18MΩ·㎝, 수온 20 ℃)

- 유량 : 6 ton/hr

- 계통 압력 : 6 bar

- 초기 용존산소 농도 : 8 ppm

- 탈기막 멤브레인 : CELGARD G333

- 백금(Pt)담지 ACF 모듈 : 2 wt % 의 백금담지 모듈 20개

- 운전 조건 : Once-through 로서 10 ton 용수 저장탱크로부터 용존산소 제거장치의 급수부로의 급수 후 용존산소 제거 과정을 거친 후 배출

이러한 실시예 1에서의 용존산소 제거장치의 용존산소 제거 효율 결과를 도 7 및 표 3에 나타내었다.

결과와 같이 평균 99.9% 이상의 높은 제거효율을 나타냈으며 운전 시작 4분 내에 99 % 정도의 효율에 도달하여 안정적인 제거효율을 보여주었다.

시간에 따른 용존산소 제거효율

경과시간(min)	1차 실험 제거효율(%)	2차	3차	4차
0	0	0	0	0
2	80.96633	83.17544	63.42593	97.67222
4	95.38799	94.57895	89.90741	97.94444
6	98.06735	99.1193	97.63889	98.01667
8	98.84334	98.67368	98.71605	98.04444
10	99.21816	98.96667	99.17747	97.92778
12	99.36018	99.10351	99.39506	98.12778
14	99.48902	99.19825	99.47685	98.1
16	99.52269	99.3193	99.54938	97.96667
18	99.5798	99.40877	99.58796	97.99444
20	99.5798	99.48772	99.86667	97.98889
22	99.61493	99.54386	99.78827	98.18333
24	99.98419	99.54737	99.80679	98.03889
26	99.96515	99.86842	99.91142	98.25
28	99.92518	99.97193	99.92222	98.27222
30	99.9754	99.90351	99.92994	98.26111
32	99.9388	99.95614	99.93765	98.21111
34	99.94319	99.96316	99.95463	98.32778
36	99.99048	99.92632	99.92716	98.26667
38	99.96018	99.98947	99.97778	98.17222
40	99.947	99.91228	99.93858	98.25556

도 8은 도 3에 의한 용존산소 제거장치의 15ton/hr 유량에서의 용존산소 제거효율을 보인 그래프이다. 즉, 압력의 변화를 주어, 용존산소 제거장치의 용존산소 제거효율을 시험한 결과를 나타내었다.

각각 1, 3, 6 bar의 조건이며, 압력이 높을수록 용존산소의 제거효율이 높은 경향을 나타내었는데, 이것은 수소의 용해도 조건 차이의 결과로 판단된다. 보다 높은 압력에서 계통 내에 발생되는 수소의 용해도는 높아지고 이것은 환원제로서의 수소의 활성을 높이는 결과를 보여주게 되어 결국 용존산소(DO)의 제거 효율에 영향을 미치게 되는 것이다.

<실시예 2>

본 발명의 장치를 이용하여 다양한 처리유량에서 물에 녹아있는 용존산소 제거에 대한 효과를 평가하기 위하여 다음과 같이 실시하였다.

- 사용 용수 : 순수(비저항 = 18MΩ·㎝, 수온 20 ℃)

- 유량 : 3 ton/hr ~ 15 ton/hr

- 계통 압력 : 6 bar

- 초기 용존산소 농도 : 8 ppm

- 탈기막 멤브레인 : CELGARD G333

- 백금(Pt)담지 ACF 모듈 : 2 wt % 의 백금담지 모듈 20개

계통내의 압력 = 6 bar, 수온 상온(20 ℃)의 최적 초기 조건으로, 각각 3, 6, 9, 12, 15 ton/hr 의 유량조건으로 변화를 주었다.

이에 대한 결과는 다음의 표 4와 같다.

유량에 따른 용존산소 제거효율

경과시간(min)	3 ton/hr 제거효율(%)	6 ton/hr 제거효율(%)	9 ton/hr 제거효율(%)	12 ton/hr 제거효율(%)	15 ton/hr 제거효율(%)
0	0	0	0	0	0
2	85.93496	80.45113	78.95288	77.38589	74.91228
4	94.47154	88.27068	89.29319	84.83402	84.5614
6	96.99187	93.73434	92.27749	90.04149	88.90351
8	97.59756	97.2782	96.7801	92.28216	91.88596
10	98.49797	98.53885	98.09162	94.70954	94.73684
12	98.92683	99.0802	98.75654	97.32365	95.65351
14	99	99.34837	99.01832	97.32365	96.83772
16	99.20732	99.46867	99.26178	96.74274	97.76316
18	99.36992	99.5589	99.38482	97.32365	98.30263
20	99.31301	99.57143	99.46335	97.56432	98.39035
22	99.39634	99.61404	99.5288	98.12656	98.63596
24	99.91243	99.91536	99.57853	98.44606	98.76754
26	99.98423	99.89126	99.6178	98.62241	98.7807
28	99.52439	99.94753	99.84561	98.69917	99.94235
30	99.95231	99.96243	99.94301	99.92604	99.94264

표 4에서와 같은 결과에서 보여지듯이, 운전유량이 높을수록 효율이 안정화 되는데 보다 많은 시간이 걸렸으나, 운전시작 대략 6분 후 부터는 모든 유량조건에서의 효율이 90% 이상을 유지하였고, 약 30분 이후로는 모든 조건에서의 제거효율이 99% 이상으로 안정적이며 지속적으로 유지하였다.

이상의 두 번의 실시예를 통해 용존산소(DO) 제거효율을 평가해 본 결과 99.9% 이상의 용존산소가 제거되는 매우 뛰어난 제거효율을 보였다. 이때 온도에 의한 제거 효율의 영향은 거의 없었고, 금속 촉매의 산화를 막아 활성을 유지시켜주는 수소의 공급량이 매우 중요한 변수임을 확인할 수 있었다.

이처럼 본 발명은 탈기막 멤브레인과 금속담지 ACF와의 최적 조합을 이용하여 상온에서도 수중의 용존산소를 거의 완전히 제거하게 되는 것이다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 다양한 변화와 변경 및 균등물을 사용할 수 있다. 본 발명은 상기 실시예를 적절히 변형하여 동일하게 응용할 수 있음이 명확하다. 따라서 상기 기재 내용은 하기 특허청구범위의 한계에 의해 정해지는 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의한 용존산소 제거장치 및 그 방법은 탈기막 멤브레인과 금속담지 ACF와의 최적 조합을 이용하여 상온에서도 수중의 용존산소를 거의 완전히 제거할 수 있는 효과가 있게 된다.

현재 원전 정지 화학 처리시 계통 탈기는 체적제어탱크의 인위적 수위 조절법과 진공을 이용한 기계적 탈기법을 병행 사용중이다. 선진국의 경우, 원자력 발전소에서 생산하는 급수 및 계통수 중의 용존산소 제거시 화학약품을 사용하는 대신 촉매를 담지한 이온교환수지나 탈기막을 이용하여 용존산소를 제거하고 있으며, 국내에서는 고리 원자력 발전소에서 국내 최초로 (미)웨스팅하우스사 특허로 기술보호를 받고있는 촉매담지 이온교환 수지식 제거장치를 도입하여 운영 중에 있다. 그러나 이러한 장비는 용존산소의 제거효율은 매우 높은 편이나 장치가 클 뿐만 아니라, 특허 사용료도 지불해야 하는 등의 단점도 지니고 있는바 본 발명에 의한 용존산소 제거장치는 원자력발전이 국내 발전량의 약 40%를 점유하고 있는 상황에서 가동중인 원전의 운전 안전성 향상을 통한 이용률 증대로 막대한 경제적 효과를 얻을 수 있을 것이며, 또한 탈기막 및 ACF의 이상적인 조합에 의한 용존산소 제거 장치는 원전 주 배관내의 부식 원인인 산소의 제거와 더불어 방사성 기체의 제거에도 일부 효과가 있을 것으로 판단되며, 경제성 및 효율성 측면에서의 장점으로 인하여 활용 가능이 높을 것으로 기대되는 효과가 있다.

Claims

용수를 공급받아 잔존 불순물을 제거하는 급수부와;

상기 급수부로부터 용수를 공급받아 용존산소를 탈기막 멤브레인과 금속담지 ACF 모듈로 제거하는 용존산소 제거부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 용존산소 제거장치.
청구항 1에 있어서, 상기 급수부는,

용수가 공급되도록 하는 급수펌프와;

상기 급수펌프를 통해 공급된 용수에서 잔존 불순물을 제거하는 프리필터와;

상기 프리필터를 통과한 용수의 설정 유량을 측정하고 제어하는 유량제어기와;

상기 프리필터를 통과한 용수의 용존산소를 측정하는 용존산소 측정기와;

상기 프리필터를 통과한 용수의 온도를 측정하는 온도계와;

상기 프리필터를 통과한 용수의 압력을 측정하는 압력계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 용존산소 제거장치.
청구항 1에 있어서, 상기 용존산소 제거부는,

상기 탈기막 멤브레인과 상기 금속담지 ACF 모듈이 직렬 조합되도록 구성하는 것을 특징으로 하는 용존산소 제거장치.
청구항 1에 있어서, 상기 용존산소 제거부는,

상기 탈기막 멤브레인과 상기 금속담지 ACF 모듈에 의한 용존산소 제거 분담용량이 8 : 2 인 것을 특징으로 하는 용존산소 제거장치.
청구항 1에 있어서, 상기 용존산소 제거부는,

상기 급수부의 용수를 공급받아 용존산소가 제거되도록 하는 탈기막 멤브레인과;

상기 탈기막 멤브레인과 연결되어 기체에 대한 헨리의 법칙에 따라 상기 탈기막 멤브레인에 공급된 용수에서 용존산소가 제거되도록 하는 진공펌프와;

상기 탈기막 멤브레인을 통과한 용수에서 용존산소를 제거하는 금속담지 ACF 모듈과;

상기 용존산소 제거부 내의 용수의 용존산소를 측정하는 용존산소 측정기와;

상기 용존산소 제거부 내의 용수의 수소를 측정하는 용존수소 측정기와;

상기 용존산소 제거부 내의 용수의 온도를 측정하는 온도계와;

상기 용존산소 제거부 내의 용수의 압력을 측정하는 압력계와;

상기 용존산소 제거부 내의 용수의 흐름의 제어하는 밸브와 체크 밸브를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 용존산소 제거장치.
청구항 5에 있어서, 상기 금속담지 ACF 모듈은,

용수가 유입될 때 높은 압력을 완화시켜 줄 수 있는 격벽을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 용존산소 제거장치.
청구항 1 항 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서, 상기 용존산소 제거장치는,

수소를 발생시켜 상기 용존산소 제거부로 제공하는 수소발생부를 더욱 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 용존산소 제거장치.
청구항 7에 있어서, 상기 수소발생부는,

상기 용존산소 제거부 내의 상기 탈기막 브레인과 상기 금속담지 ACF 모듈 사이에 연결되어 수소를 공급하는 것을 특징으로 하는 용존산소 제거장치.
청구항 7에 있어서, 상기 수소발생부는,

내압 설계된 막전극접합체를 이용하여 수소를 발생시키는 것을 특징으로 하는 용존산소 제거장치.
청구항 7에 있어서, 상기 용존산소 제거장치는,

상기 급수부 및 상기 용존산소 제거부와 연결되어, 용수의 수질을 감시하고, 상기 급수부 및 상기 용존산소 제거부의 동작을 제어하는 제어부를 더욱 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 용존산소 제거장치.
청구항 10에 있어서, 상기 제어부는,

상기 급수부 내의 유량제어기와 용존산소 측정기의 측정치, 상기 용존산소 제거부 내의 용존산소 측정기와 용존수소 측정기의 측정치를 미리 설정한 시간별로 자동기록하고, 환원제인 수소의 발생용량을 표시하는 것을 포함하여 수행하는 것을 특징으로 하는 용존산소 제거장치.
용수를 공급받아 잔존 불순물을 제거시키는 제 1 단계와;

상기 제 1 단계 후 탈기막 멤브레인과 금속담지 ACF 모듈로 용수에서 용존산소를 제거시키는 제 2 단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 용존산소 제거방법.
청구항 12에 있어서, 상기 제 2 단계는,

상기 탈기막 멤브레인과 상기 금속담지 ACF 모듈에 의한 용존산소 제거 분담용량이 8 : 2 인 것을 특징으로 하는 용존산소 제거방법.
청구항 12 또는 청구항 13에 있어서, 상기 제 2 단계는,

상기 제 1 단계 후 상기 탈기막 멤브레인으로 용수에서 용존산소를 제거시키는 제 3 단계와;

상기 제 3 단계에서 상기 탈기막 멤브레인으로 용존산소가 제거된 용수에 수 소를 공급시키는 제 4 단계와;

상기 제 4 단계에서 수소가 공급된 용수에서 용존산소를 상기 금속담지 ACF 모듈로 제거시키는 제 5 단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 용존산소 제거방법.