KR20210132964A - 배연탈황폐수 처리장치 및 방법 - Google Patents

배연탈황폐수 처리장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따르면, 배연탈황폐수를 증발 농축하는 농축기; 상기 농축기로부터 유입된 농축수를 증발시켜 결정화되도록 더욱 농축시키는 증발결정화기; 상기 증발결정화기로부터 유입된 농축수를 냉각시켜 결정을 생성하는 냉각결정화기; 및 상기 냉각결정화기에서 생성된 결정과 여과액을 분리하는 탈수기를 구비하는 배연탈황폐수 처리장치 및 이를 이용한 배연탈황폐수 처리방법이 제공된다. 본 발명의 배연탈황폐수 처리장치 및 이를 이용한 배연탈황폐수 처리방법에 의하면, 증발결정화와 냉각결정화을 조합하여 운영함으로써, 운영비(OPEX)가 높은 증발결정화의 단점과 저농도일 때 효율이 낮은 냉각결정화의 단점을 서로 보완할 수 있다. 또한, 증발결정화기로 처리하기 어려운 고용해도 이온을 냉각결정화기를 통해 석출 및 성장시켜 탈수기만으로 제거할 수 있기 때문에 고용해도 이온을 증발 농축해서 제거하기 위해 필요했던 건조기를 사용하지 않아도 되고, 전처리에서 특정 이온을 제거하기 위한 약품의 사용이 불필요하며, 증발결정화기 운전 농도를 상대적으로 낮출 수 있다.

Description

배연탈황폐수 처리장치 및 방법{Apparatus and method for flue gas desulfurization waste water}
본 발명은 배연탈황폐수의 처리에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전처리 공정에 의해 부유물질이 제거된 배연탈황폐수로부터 오염물질들을 결정으로 석출하고, 여과액은 회수하여 무방류로 처리하는 배연탈황폐수 처리장치 및 방법에 관한 것이다.
최근 원전 또는 화력발전소 등과 같은 오염원 배출처로부터 배출된 폐수는 안정적인 처리를 위해 배연탈황폐수 무방류 처리 기술을 적용하고 있다. 여기서는 물리화학적 응집침전의 전처리 공정에 의해 폐수로부터 부유물질(SS;Suspended Solid)를 제거한 후, 고농도의 이온들을 온도 변화와 증발농축과정에 따른 물리화학적 특성을 이용하여 결정으로 석출하고, 결정과 분리된 여과액은 회수하여 무방류로 처리한다.
위와 같은 종래 배연탈황폐수 처리장치의 일례를 나타낸 시스템 구성도가 도 1에 도시되어 있다.
도면을 참조하면, 우선 전처리(11) 공정에서는 물리화학적 응집침전을 이용하여 부유물질(SS)를 제거하고, 마그네슘(Mg) 등과 같이 증발법으로 처리하기 힘든 이온을 소프트닝(Softening) 공정으로 처리하며, 추가로 증발 농축으로 제거가 어려운 특정의 고용해도 이온들은 약품 및 전기투석법을 사용하여 제거한다.
위와 같이 전처리(11) 된 배연탈황폐수는 증발 농축기(10)에 의해 농축되고, 농축된 농축수(c1)는 증발결정화기(20)에서 더욱 증발 농축된다. 이러한 증발결정화기(20)에 의해 더욱 농축된 농축수(c2)로부터 저용해도 및 중용해도의 이온들이 석출되고, 석출된 이온은 탈수기(30)를 이용하여 제거하며, 나머지 여과액(f)은 회수된다. 그리고 상기 증발결정화기(20)에서 석출되지 못한 고용해도 이온들은 건조기(40)를 거쳐 제거된다.
상기한 바와 같이, 종래 배연탈황폐수 처리장치(1)에서는 증발법으로 처리하기 어려운 고용해도 이온을 전처리에서 약품으로 처리하거나 탈수설비에서 건조기로 고농도로 농축하여 처리해야 한다. 이에 따라 전처리를 위한 약품 소모량이 증가하고, 건조기 설치 및 운영에 따른 설비투자(CAPEX;Capital Expenditures) 및 운영비(OPEX;Operating Expense)가 상승하는 문제점이 있다.
1. 대한민국 등록특허 제10-1860295(2018.05.23. 공고)
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 시스템의 구성을 변경하여 설비투자(CAPEX) 및 운영비(OPEX)를 절감할 수 있도록 구현된 배연탈황폐수 처리장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 배연탈황폐수 처리장치는, 배연탈황폐수를 증발 농축하는 농축기; 상기 농축기로부터 유입된 농축수를 증발시켜 결정화되도록 더욱 농축시키는 증발결정화기; 상기 증발결정화기로부터 유입된 농축수를 냉각시켜 결정을 생성하는 냉각결정화기; 및 상기 냉각결정화기에서 생성된 결정과 여과액을 분리하는 탈수기를 구비한다.
상기 배연탈황폐수 처리장치는 상기 농축기로 유입되기 전에 폐수를 전처리하는 전처리기를 더 구비할 수 있다. 여기서, 상기 전처리기는 유입된 폐수를 물리화학적 응집침전을 이용하여 부유물질(SS)를 제거하고, 증발법으로 석출하기 힘든 고용해도 이온들은 소프트닝(Softening) 공정으로 처리하는 것이 바람직하다.
상기 농축기에서 농축된 농축수는 120,00 내지 160,000 mg/l의 농도인 것이 바람직하다.
상기 증발결정화기에서 농축된 농축수는 300,000 내지 400,000 mg/l의 농도인 것이 바람직하다.
상기 증발결정화기로 유입된 농축수는 65 내지 75 ℃의 온도 범위, 0.2 내지 0.3 barg의 압력 범위로 감압 농축되는 것이 바람직하다.
상기 냉각결정화기에서 유입된 농축수는 -10 내지 7 ℃의 온도 범위로 냉각되는 것이 바람직하다.
상기 탈수기는 바스켓(Basket) 또는 데칸타(Decanter) 타입 원심분리기일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 전처리 공정에 의해 부유물질이 제거된 배연탈황폐수를 증발 농축시키는 농축단계; 상기 농축단계에서 농축된 농축수를 증발시켜 결정화되도록 더욱 농축시키는 증발결정화단계; 증발 결정화된 농축수를 냉각시켜 결정을 생성하는 냉각결정화단계; 상기 냉각결정화단계에서 생성된 결정과 여과액을 분리하는 탈수단계; 및 상기 탈수단계에서 분리된 여과액을 상기 증발결정화단계로 회수하는 회수단계를 포함하는 배연탈황폐수 처리방법이 제공된다.
여기서 상기 냉각결정화단계에서는 유입된 농축수에 포함된 고용해도 이온을 불안정 영역까지 냉각시켜 결정을 석출 및 성장시키는 것이 바람직하다.
본 발명의 배연탈황폐수 처리장치 및 방법에 의하면, 증발결정화와 냉각결정화를 조합하여 운영함으로써, 운영비(OPEX)가 높은 증발결정화의 단점과 저농도일 때 효율이 낮은 냉각결정화의 단점을 서로 보완할 수 있다.
또한, 증발결정화기로 처리하기 어려운 고용해도 이온을 냉각결정화기를 통해 석출 및 성장시켜 탈수기만으로 제거할 수 있기 때문에 고용해도 이온을 증발 농축해서 제거하기 위해 필요했던 건조기를 사용하지 않아도 되고, 전처리에서 특정 이온을 제거하기 위한 약품의 사용이 불필요하며, 증발결정화기 운전 농도를 상대적으로 낮출 수 있다. 따라서 전체적으로 설비투자(CAPEX) 및 운영비(OPEX)를 절감할 수 있다.
도 1은 종래 배연탈황폐수 처리장치의 일례를 나타낸 시스템 구성도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 배연탈황폐수 처리장치를 나타낸 시스템 구성도,
도 3은 도 2에 나타낸 배연탈황폐수 처리장치를 이용한 배연탈황폐수 처리방법의 흐름도,
도 4는 도 2에 나타낸 냉각결정화기를 통해 고용해도 이온을 불안정 영역까지 냉각시켜 결정을 석출 및 성장시키는 과정을 설명하는 참고도이다.
본 발명의 실시예에 따른 배연탈황폐수 처리장치는 배연탈황폐수로부터 오염물질들을 결정으로 석출하고, 여과액은 회수하여 무방류로 처리하기 위한 것으로, 증발결정화와 냉각결정화를 조합하여 운영함으로써, 증발결정화기로 처리하기 어려운 고용해도 이온을 냉각결정화기를 통해 석출 및 성장시켜 탈수기만으로 제거할 수 있기 때문에 고용해도 이온을 증발 농축해서 제거하기 위해 필요했던 건조기를 사용하지 않아도 되고, 전처리에서 특정 이온을 제거하기 위한 약품의 사용이 불필요하며, 증발결정화기 운전 농도를 상대적으로 낮출 수 있어, 전체적으로 설비투자(CAPEX) 및 운영비(OPEX)를 절감할 수 있음을 밝혀내어 본 발명을 완성하였다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 배연탈황폐수 처리장치를 나타낸 시스템 구성도이다.
도면을 참조하면, 이를 위해 상기 배연탈황폐수 처리장치(100)는, 농축기(110)와, 증발결정화기(120)와, 냉각결정화기(130)와, 탈수기(140)를 구비한다.
한편, 폐수로부터 부유물질(SS)를 제거하기 위해 농축기(110)로 투입하기 전에 전처리 공정을 거칠 수 있다. 이를 위해 상기 배연탈황폐수 처리장치(100)는 전처리기(111)를 더 구비할 수 있다. 이러한 전처리 공정에서는 약품을 넣어 응집과 침전, 여과 등의 물리화학적 방법을 이용하여 부유물질(SS)를 제거하고, 마그네슘(Mg) 등과 같이 증발법으로 석출하기 힘든 고용해도 이온을 소프트닝(Softening) 공정으로 처리할 수 있다.
상기 소프트닝 공정이라 함은 수산화칼슘(Ca(OH)2), 수산화나트륨(NaOH), 탄산나트륨(Na2CO3)과 같은 화학물질을 첨가하여 마그네슘, 나트륨, 칼슘, 염소, 황산 등과 같은 고용해도 이온을 제거하는 통상의 방법을 의미한다.
다만, 상기 전처리 공정은 필요에 따라 선택적으로 수행할 수 있으며, 본 발명의 구성을 한정하는 것으로 해석되지 말아야 한다.
상기 농축기(110)는 폐수를 농축시켜 120,000 내지 160,000 mg/l(약 12 내지 16 wt%)의 농도를 갖는 농축수(c1)로 농축시킨다. 일반적으로 농축기(110)로는 폐수를 증발시켜 농축시키는 수직 튜브형 강하막식 증발기(Vertical Tube Falling Film Evaporation)를 사용할 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다.
상기 증발결정화기(120)는 농축기(110)에서 유입된 농축수(c1)를 증발시켜 결정화되도록 더욱 농축시킨다. 이러한 증발결정화 과정에 의해 저용해도 이온 및 중용해도 이온들은 결정(s)으로 석출되며, 후술(後述)하는 탈수기(140)에 의해 분리되어 제거될 수 있다. 상기 증발결정화기(120)로는 강제 순환 증발기(Forced Circulation Evaporation)를 사용할 수 있으며, 유입된 농축수(c1)를 300,000 내지 400,000 mg/l(약 30 내지 40 wt%)의 농도를 갖는 농축수(c2)로 농축시킨다.
이는, 종래 증발결정화기(20; 도 1 참조)에서의 운전 농도가 보통 40 내지 50 wt%인 것에 비하여 운전 농도를 상대적으로 낮출 수 있다.
또한, 상기 강제 순환 증발기의 구동 열원으로는 열적 증기 재압축(Thermal Vapor Recompressor; TVR) 또는 기계적 증기 재압축(Mechanical Vapor Recompressor; MVR)을 적용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 증발결정화기(120)는 후술(後述)하는 냉각결정화기(130)의 효율을 위해 65 내지 75 ℃의 온도로, 0.2 내지 0.3 barg의 압력으로 운전될 수 있다.
상기 냉각결정화기(130)는 유입된 농축수(c2)를 냉각시켜 결정(s)을 생성한다. 이러한 냉각결정화 과정에서는, 도 4에 도시된 바와 같이 유입된 농축수(c2)에 포함된 고용해도 이온을 불안정 영역까지 냉각시켜 결정(s)을 석출 및 성장시킨다. 상기 냉각결정화기(130)로는 강제 순환 결정화기(Forced Circulation Crystallizer) 또는 오슬로 결정화기(Oslo Crystallizer)를 사용할 수 있으며, 유입된 농축수(c2)는 -10 내지 7 ℃의 온도 범위로 냉각되어 평균 100 내지 200 ㎛ 크기의 결정으로 성장시킬 수 있다.
한편, 상기 냉각결정화기(130)로 유입된 농축수(c2)를 냉각시키기 위해서는 별도의 냉각시스템(미도시)이 구비되어야 하지만, 이는 공지기술로서, 여기서는 자세한 설명을 생략하도록 한다.
상기 탈수기(140)는 냉각결정화기(130)에서 생성된 결정(s)과 나머지 여과액(f)을 분리시킨다. 이러한 탈수기(140)로는 바스켓형 원심분리기(Basket type centrifuge) 또는 데칸타형 원심분리기(Decanter type centrifuge)를 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 이와 같이 탈수기(140)에서 분리된 여과액(f)은 상기 증발결정화기(120)로 회수되어 재사용된다.
상기한 바와 같은 배연탈황폐수 처리장치(100)에 의하면, 증발결정화와 냉각결정화을 조합하여 운영함으로써, 운영비(OPEX)가 높은 증발결정화의 단점과 저농도일 때 효율이 낮은 냉각결정화의 단점을 서로 보완할 수 있다.
이하에서는 상기 배연탈황폐수 처리장치(100)를 이용한 배연탈황폐수 처리방법에 대해 설명하도록 한다.
도 3은 도 2에 나타낸 배연탈황폐수 처리장치를 이용한 배연탈황폐수 처리방법의 흐름도이다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 먼저 배연탈황폐수를 농축시켜 농축수(c1)를 만든다(S10). 이러한 배연탈황폐수의 농축은 증발 농축기(110)를 이용하여 폐수를 120,000 내지 160,000 mg/l의 농도로 농축시킬 수 있다.
다만, 상기 농축단계(S10) 이전에 폐수로부터 부유물질(SS)를 제거하기 위하여 전처리(S11)를 선행할 수 있다. 이러한 전처리 공정(S11)에서는 유입된 폐수를 물리화학적 응집침전을 이용하여 부유물질(SS)를 제거하고, 마그네슘(Mg) 등과 같이 증발법으로 석출하기 힘든 고용해도 이온들은 소프트닝(Softening) 공정으로 처리할 수 있다.
다음으로 상기 농축단계(S10)를 거친 농축수(c1)를 증발시켜 결정화되도록 더욱 농축시킨다(S20). 이러한 증발 농축은 강제 순환 증발기(Forced Circulation Evaporation)를 사용할 수 있으며, 유입된 농축수(c1)를 300,000 내지 400,000 mg/l의 농도를 갖는 농축수(c2)로 농축시킬 수 있다.
그 다음으로, 증발 결정화된 농축수(c2)를 냉각시켜 결정(s)을 생성한다(S30). 이러한 냉각결정화를 위하여 강제 순환 결정화기(Forced Circulation Crystallizer) 또는 오슬로 결정화기(Oslo Crystallizer)를 사용할 수 있으며, 유입된 농축수(c2)는 -10 내지 7 ℃의 온도 범위로 냉각시킬 수 있다.
상기 냉각결정화단계(S30)에서는, 도 4에 도시된 바와 같이 유입된 농축수(c2)에 포함된 고용해도 이온을 불안정 영역까지 냉각시켜 결정(s)을 석출 및 성장시킨다. 즉, 냉각결정화를 통해 온도가 낮아질수록 용해도가 낮아지는 고용해도 이온(Na2SO4, CaCl2, MgCl2, MgSO4 등)을 석출 및 성장시킬 수 있다.
상기 냉각결정화기(130)에 의해 농축수(c2)의 냉각결정화(S30)가 이루어지면, 생성된 결정(s)과 여과액(f)을 분리한다(S40). 이를 위해 수직형 원심분리기와 같은 탈수기(140)를 이용하여 결정(s)과 여과액(f)을 분리시킬 수 있다.
끝으로 상기 탈수기(140)에 의해 분리된 여과액(f)은 상기 증발결정화단계(S20)로 회수한다(S50).
상기한 바와 같이 본 발명의 배연탈황폐수 처리방법에 의하면, 증발결정화기(120)로 처리하기 어려운 고용해도 이온을 냉각결정화기(130)를 통해 석출 및 성장시켜 탈수기(140)만으로 제거할 수 있기 때문에 고용해도 이온을 증발 농축해서 제거하기 위해 필요했던 건조기(40;도 1 참조)를 사용하지 않아도 된다.
또한, 전처리기(111)에서 특정 이온을 제거하기 위한 약품의 사용이 불필요하며, 증발결정화기(120)의 운전 농도를 상대적으로 낮출 수 있다. 따라서 전체적으로 설비투자(CAPEX) 및 운영비(OPEX)를 절감할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100 : 배연탈황폐수 처리장치 110 : 농축기
111 : 전처리기 120 : 증발결정화기
130 : 냉각결정화기 140 : 탈수기
c1, c2 : 농축수 f : 여과액
s : 결정

Claims (17)

  1. 배연탈황폐수를 증발 농축하는 농축기;
    상기 농축기로부터 유입된 농축수를 증발시켜 결정화되도록 더욱 농축시키는 증발결정화기;
    상기 증발결정화기로부터 유입된 농축수를 냉각시켜 결정을 생성하는 냉각결정화기; 및
    상기 냉각결정화기에서 생성된 결정과 여과액을 분리하는 탈수기를 구비하는 배연탈황폐수 처리장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 농축기로 유입되기 전에 폐수를 전처리하는 전처리기를 더 구비하는 배연탈황폐수 처리장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 전처리기는 유입된 폐수를 물리화학적 응집침전을 이용하여 부유물질(SS)를 제거하고, 증발법으로 석출하기 힘든 고용해도 이온들은 소프트닝(Softening) 공정으로 처리하는 것을 특징으로 하는 배연탈황폐수 처리장치.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 농축기에서 농축된 농축수는 120,000 내지 160,000 mg/l의 농도인 것을 특징으로 하는 배연탈황폐수 처리장치.
  5. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 증발결정화기에서 농축된 농축수는 300,000 내지 400,000 mg/l의 농도인 것을 특징으로 하는 배연탈황폐수 처리장치.
  6. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 증발결정화기로 유입된 농축수는 65 내지 75 ℃의 온도 범위, 0.2 내지 0.3 barg의 압력 범위로 감압 농축 되는 것을 특징으로 하는 배연탈황폐수 처리장치.
  7. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉각결정화기로 유입된 농축수는 -10 내지 7 ℃의 온도 범위로 냉각되는 것을 특징으로 하는 배연탈황폐수 처리장치.
  8. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 탈수기는 바스켓(Basket) 또는 데칸타(Decanter) 타입 원심분리기인 것을 특징으로 하는 배연탈황폐수 처리장치.
  9. 배연탈황폐수를 증발 농축시키는 농축단계;
    상기 농축단계에서 농축된 농축수를 증발시켜 결정화되도록 더욱 농축시키는 증발결정화단계;
    증발 결정화된 농축수를 냉각시켜 결정을 생성하는 냉각결정화단계;
    상기 냉각결정화단계에서 생성된 결정과 여과액을 분리하는 탈수단계; 및
    상기 탈수단계에서 분리된 여과액을 상기 증발결정화단계로 회수하는 회수단계를 포함하는 배연탈황폐수 처리방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 농축단계 이전에 유입된 폐수를 전처리하는 전처리단계를 더 포함하는 배연탈황폐수 처리방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 전처리단계에서는 유입된 폐수를 물리화학적 응집침전을 이용하여 부유물질(SS)를 제거하고, 증발법으로 석출하기 힘든 고용해도 이온들은 소프트닝(Softening) 공정으로 처리하는 것을 특징으로 하는 배연탈황폐수 처리방법.
  12. 청구항 9에 있어서,
    상기 농축단계에서 농축된 농축수는 120,000 내지 160,000 mg/l의 농도인 것을 특징으로 하는 배연탈황폐수 처리방법.
  13. 청구항 9에 있어서,
    상기 증발결정화단계에서 농축된 농축수는 300,000 내지 400,000 mg/l의 농도인 것을 특징으로 하는 배연탈황폐수 처리방법.
  14. 청구항 9에 있어서,
    상기 증발결정화단계에서 유입된 농축수는 65 내지 75 ℃의 온도 범위, 0.2 내지 0.3 barg의 압력 범위로 감압 농축되는 것을 특징으로 하는 배연탈황폐수 처리방법.
  15. 청구항 9에 있어서,
    상기 냉각결정화단계에서는 유입된 농축수를 -10 내지 7 ℃의 온도 범위로 냉각시키는 것을 특징으로 하는 배연탈황폐수 처리방법.
  16. 청구항 9에 있어서,
    상기 냉각결정화단계에서는 유입된 농축수에 포함된 고용해도 이온을 불안정 영역까지 냉각시켜 결정을 석출 및 성장시키는 것을 특징으로 하는 배연탈황폐수 처리방법.
  17. 청구항 9에 있어서,
    상기 탈수단계는 바스켓(Basket) 또는 데칸타(Decanter) 타입 원심분리기를 사용하는 것을 특징으로 하는 배연탈황폐수 처리방법.
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