KR20240108865A - 축전식탈염공정 기반 발전폐수 및 냉각배수 재사용 시스템 - Google Patents

축전식탈염공정 기반 발전폐수 및 냉각배수 재사용 시스템 Download PDF

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Abstract

본 명세서는 축전식탈염공정 기반 발전폐수 및 냉각배수 재사용 시스템을 개시한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 발전폐수 및 냉각배수 재사용 시스템은 고형물 제거를 위한 외부순환식 UF(110) 및 이온성물질 제거를 위한 축전식탈염장치(120)를 포함하며, 상기 외부순환식 UF(110)와 상기 축전식탈염장치(120)가 직렬 배치되며, 발전폐수가 상기 외부순환식 UF(110)와 축전식탈염장치(120)를 순차적으로 거치는 과정에서 생성되는 생산수 및 냉각배수가 상기 축전식탈염장치(120)를 거치는 과정에서 생성되는 생산수가 냉각탑 냉각을 위한 냉각수로 재사용된다.

Description

축전식탈염공정 기반 발전폐수 및 냉각배수 재사용 시스템{A system for recycling waste water and cooling water generated in electric power station based on capacitive deionization process}
본 발명은 발전폐수 및 냉각배수 재사용 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 축전식탈염공정에 기반하며 폐수 무방류를 구현한 발전폐수 및 냉각배수 재사용 시스템에 관한 것이다.
석탄화력 발전소, LNG 발전소 등의 발전소에서는 전력생산과정에서 발전폐수가 발생되고 냉각수에 의한 냉각탑 냉각과정에서 냉각배수가 발생되는데, 발전폐수는 오염도 저감을 위한 수처리과정을 거쳐 방류시키고 상대적으로 오염도가 낮은 냉각배수는 별도의 수처리과정 없이 방류시키는 방식으로 운용되는 것이 일반적이다.
발전소 운용에는 많은 양의 발전용수가 필요하며 특히 냉각탑 냉각을 위해 상당한 양의 냉각수가 사용된다. 따라서 발전폐수 및 냉각배수를 재사용하지 않고 방류시키는 기존의 방식을 탈피하여 발전폐수 및 냉각배수를 재사용하는 방식을 도입한다면 발전소에 필요한 수자원을 안정적으로 확보하는 데에 크게 기여할 수 있다.
한편 산업시설의 방류에 관한 환경규제가 강화되는 추세이므로 발전폐수 및 냉각배수를 방류시키는 기존 방식에 대한 보완책이 더욱 절실하게 요구되는 실정이며, 발전폐수 및 냉각배수를 재사용하는 방식은 이에 대한 적절한 해결책이 될 수 있다.
본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 도출된 발명으로서, 발전소에서 발전폐수 및 냉각배수를 방류하지 않고 재사용할 수 있는 시스템을 제공하고자 하며, 정부의 친환경 발전설비계획에 따라 확충 계획된 LNG 발전소에 특히 적합한 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명은 고형물 제거를 위한 외부순환식 UF(110) 및 이온성물질 제거를 위한 축전식탈염장치(120)를 포함하며, 상기 외부순환식 UF(110)와 상기 축전식탈염장치(120)가 직렬 배치되며, 발전폐수가 상기 외부순환식 UF(110)와 축전식탈염장치(120)를 순차적으로 거치는 과정에서 생성되는 생산수 및 냉각배수가 상기 축전식탈염장치(120)를 거치는 과정에서 생성되는 생산수가 냉각탑 냉각을 위한 냉각수로 재사용되는 축전식탈염공정 기반 발전폐수 및 냉각배수 재사용 시스템을 제공한다.
일 실시예에 따르면, 상기 시스템은 상기 외부순환식 UF(110)와 상기 축전식탈염장치(120) 사이에 배치되는 카트리지필터(130) 및 상기 축전식탈염장치(120)의 후단에 연결되는 이온교환수지(140)를 더 포함하는 것일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 시스템은 상기 외부순환식 UF(110)에서 생성된 농축수 및 상기 축전식탈염장치(120)에서 생성된 농축수를 받아 저장하는 농축수저장조(150), 및 상기 농축수저장조(150)의 후단에 직렬연결되며 농축수에 대한 감압증발농축이 수행되는 증발농축설비(160)를 더 포함하며, 상기 농축수저장조(150)에 저장된 농축수가 상기 증발농축설비(160)로 공급되고 상기 증발농축설비(160)에 의해 생성된 생산수가 상기 냉각탑 냉각을 위한 냉각수로 재사용되는 것일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 시스템은 상기 농축수저장조(150)와 상기 증발농축설비(160) 사이에 연결되는 역삼투막장치(170)를 더 포함하는 것일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 시스템은 결정화장치(180) 및 탈수기(190)를 더 포함하며, 상기 증발농축설비(160)로부터 배출되는 농축수가 상기 결정화장치(180) 및 상기 탈수기(190)를 순차적으로 거치면서 결정화 및 탈수 과정이 진행됨으로써 최종 폐기물인 슬러지가 생성되는 것일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 시스템은 상기 축전식탈염장치(120)의 폐수유입구와 농축수배출구를 연결하는 바이패스라인(215) 및 상기 바이패스라인(215) 상에 배치된 전기화학조(210)를 더 포함하는 것일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 시스템은 상기 축전식탈염장치(120)의 탈착공정이 상기 축전식탈염장치(120)로부터 배출되는 농축수가 상기 전기화학조(210)에 채워지는 제1 단계, 상기 전기화학조(210)에 의해 이온함량이 감소된 농축수가 상기 축전식탈염장치(120)로 제공되어 세정수로 재사용되는 제2 단계, 및 상기 전기화학조(210)로부터 상기 축전식탈염장치(120)로 제공된 상기 세정수가 상기 축전식탈염장치(120)를 거친 후 외부로 배출되는 제3 단계를 포함하여 진행되는 것일 수 있다.
본 발명의 발전폐수 및 냉각배수 재사용 시스템에 의하면 발전폐수 및 냉각배수가 수처리과정을 거쳐 냉각수로 재사용될 수 있다. 또한 본 발명의 발전폐수 및 냉각배수 재사용 시스템은 폐수 무방류 방식으로 구현될 수 있다.
따라서 본 발명에 의하면 발전소 운용에 필요한 수자원을 안정적으로 확보할 수 있고 산업시설의 방류에 관한 환경규제에 적합하게 발전소를 운용할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 발전폐수 및 냉각배수 재사용 시스템을 보이는 도면이다.
도 2는 축전식탈염장치(120)의 구조를 개략적으로 보이는 도면이다.
도 3은 축전식탈염장치(120)에 적용 가능한 다양한 모듈 배열의 실시예를 보이는 도면이다.
도 4 내지 도 7은 본 발명에 따른 시스템 공정을 보이는 도면이다.
도 8은 본 발명의 시스템에 구비되는 축전식탈염장치(120)의 회수율을 높이기 위한 추가 구성을 보이는 도면이다.
도 9는 축전식탈염장치(120)의 흡착공정을 보이는 도면이다.
도 10은 축전식탈염장치(120)의 탈착공정을 보이는 도면이다.
이하에서는 도면을 참조하면서 본 발명에 대해 보다 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 발전폐수 및 냉각배수 재사용 시스템을 보이는 도면이다.
이를 참조하면, 본 발명에 따른 발전폐수 및 냉각배수 재사용 시스템은 발전소에서 발생되는 냉각배수 및 발전폐수를 재사용하기 위한 시스템으로서 LNG 발전소에 특히 적합하게 적용될 수 있다.
본 발명의 시스템은 외부순환식 UF(External Ultrafiltration)(110)을 포함한다.
외부순환식 UF(110)는 처리 대상 수(水)로부터 고농도의 고형물을 멤브레인으로 외부순환 망식으로 막오염 저감하여 여과 분리하는 장치이다. 외부순환식 UF(110)에 의해 고형물이 높은 효율로 제거되므로 외부순환식 UF(110)에 의해 생성된 생산수의 탁도는 2 NTU 이하로 유지된다.
물에 포함된 고형물을 제거하기 위해 기존에는 침지식 MBR 기술이 보편적으로 사용되었다. 침지식 MBR 기술은 막설치조, 막세정조 등을 위한 넓은 설치부지가 필요하고, 지속적인 폭기 및 번거로운 세정으로 인해 운영유지가 어려우며, 악취 및 비위생적인 환경이 수반되는 단점이 있다. 이에 반해, 본 발명의 시스템에 적용되는 외부순환식 UF 기술은 설치부지가 절감되고, 운영유지가 용이하고, 환경이 청결하게 유지되며, 운영비가 절감되는 장점을 갖는다.
본 발명의 시스템은 축전식탈염장치(CDI: Capacitive Deionization)(120)를 또한 포함한다.
축전식탈염장치(120)는 전기화학적 메커니즘을 활용하여 이온성 물질을 제거하고, 높은 회수율의 장점을 활용하여 발전용수 재사용량을 증가시킨다. 구체적으로, 축전식탈염장치(120)는 전기 이중층 형성의 원리를 바탕으로 다공성 탄소 전극에 낮은 전압을 인가하여 이온성 물질을 제거한다.
도 2를 참조하면, 축전식탈염장치(120)는 스페이서를 사이에 두고 이격 배치된 한 쌍의 전극(121, 122)을 포함하는 구조를 갖는다. 축전식탈염장치(120)에서는 처리 대상 수(水)로부터 이온성 물질을 제거하는 흡착과정과 전극(121, 122)에 붙어있는 이온성 물질을 세정하기 위한 탈착과정이 번갈아 진행된다. 도 2에 도시된 바와 같이 흡착과정과 탈착과정에서는 한 쌍의 전극(121, 122)에 반대방향의 전압이 인가된다.
전기식탈염(EDI), 역삼투압(R/O) 등의 다른 탈염장치들과 비교하여, 본 발명의 시스템에 적용되는 축전식탈염장치(120)는 저전력으로 이온물질 제거가 가능하고, 전처리설비가 불필요하고, 흡ㆍ탈착 원리가 작용되므로 운영관리가 용이하고, 고온적용기 가능하며, 재생시 환경오염이 없는 장점을 갖는다.
도 3에 예시된 바와 같이, 축전식탈염장치(120)에는 다양한 모듈 배열이 적용될 수 있다. 도 3-(a)는 단일 모듈로 구성된 예이고, 도 3-(b)는 2개의 모듈이 직렬식으로 배열된 예이고, 도 3-(c)는 2개의 모듈이 병렬식으로 배열된 예이며, 도 3-(d)는 3개의 모듈이 직ㆍ병렬 혼합식으로 배열된 예이다. CDI의 직렬식 배열은 높은 탈염효율을 갖는 장점이 있고, CDI의 병렬식 배열은 높은 처리용량을 갖는 장점이 있다. CDI의 직ㆍ병렬 혼합 배열에 의해 탈염효율 및 처리용량을 동시에 높일 수 있다.
도 4를 참조하면 발전폐수는 외부순환식 UF(110)와 축전식탈염장치(120)를 순차적으로 거치게 되며 그 과정을 통해 생성된 생산수가 냉각수로 재사용된다. 그리고, 도 5를 참조하면 냉각배수는 축전식탈염장치(120)를 거치게 되며 그 과정을 통해 생성된 생산수가 냉각수로 재사용된다.
이와 같이 상대적으로 오염도가 높은 발전폐수는 외부순환식 UF(110)와 축전식탈염장치(120)를 모두 거치는 반면, 상대적으로 오염도가 낮은 냉각배수는 외부순환식 UF(110)는 거치지 않고 축전식탈염장치(120) 만을 거치게 된다.
도 4, 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 시스템은 축전식탈염장치(120)의 전단에 배치되는 카트리지필터(130) 및 축전식탈염장치(120)의 후단에 배치되는 이온교환수지(140)를 또한 포함할 수 있다. 카트리지필터(130)는 축전식탈염장치(120)에 투입되는 처리 대상 수(水)에 대해 고형물 제거를 위한 전치리 과정을 수행하는 구성이다. 이온교환수지(140)는 보일러 스케일의 요인이 되는 실리카, 암모니아성 질소 등의 물질을 제거하여 전기전도도 50 uS/cm 이하로 냉각수 수질을 만족시키기 위한 구성이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 시스템은 농축수저장조(150) 및 증발농축설비(160)를 또한 포함한다.
농축수저장조(150)는 외부순환식 UF(110)에서 생성된 농축수(①) 및 축전식탈염장치(120)에서 생성된 농축수(②)를 받아 저장하는 구성이다.
증발농축설비(160)는 감압증발농축 원리에 의해 폐수를 고농도로 농축하고 순수한 물을 분리하는 구성으로서, 진공 이젝터(ejector)를 이용한 감압을 통해 기화점을 낮춰 증발함으로써 경제성 있는 농축이 가능하다.
외부순환식 UF(110) 및 축전식탈염장치(120)로부터 농축수저장조(150)로 이송되어 저장된 농축수는 증발농축설비(160)에서 감압증발농축 과정을 거치게 되며, 이 과정을 통해 생성된 생산수는 냉각탑 냉각을 위한 냉각수로 재사용된다.
농축수저장조(150)와 증발농축설비(160) 사이에는 역삼투막장치(170)가 추가로 구비될 수 있다. 역삼투막장치(170)는 역삼투 원리에 의해 농축수를 농축시키는 구성으로서 농축수에 대한 예비(1차) 농축을 수행하는 기능을 한다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 시스템은 결정화장치(180) 및 탈수기(190)를 또한 포함한다.
결정화장치(180)는 약품(예: 수산화칼슘)을 사용하여 폐수에 포함된 입자들을 침전시켜 고형화하는 구성이며, 탈수기(190)는 원심분리와 같은 물리적인 원리에 의해 침전물에 대한 탈수를 수행하는 구성이다.
증발농축설비(160)에서 고농도로 농축된 농축수(③)는 결정화장치(180) 및 탈수기(190)를 거치면서 결정화 및 탈수 과정을 거치게 되며, 이를 통해 수분이 제거된 폐기 대상의 슬러지가 생성된다.
이와 같이 본 발명의 시스템에 의하면 최종 폐기물로서 고형의 슬러지만 발생하고 외부 방류 대상의 폐수는 전혀 발생되지 않는다. 이와 같이 본 발명은 외부 방류 대상의 폐수가 발생되지 않는 폐수 무방류 시스템을 구현한다.
도 8은 본 발명의 시스템에 구비되는 축전식탈염장치(120)의 회수율을 높이기 위한 추가 구성을 보이는 도면이다.
이 도면에 예시된 축전식탈염장치(120)는 직ㆍ병렬 혼합식으로 배열된 3개의 CDI 모듈을 포함하는 것으로 예시되었으나, 이에 제한되지 않고 CDI 모듈의 개수, 배열방식은 다양하게 변경될 수 있다.
본 발명의 시스템은 CDI 탈착(재생) 과정에서 축전식탈염장치(120)로부터 배출되는 농축수를 CDI 재생수(세정수)로 재사용하기 위한 전기화학조(210)를 포함한다. 전기화학조(210)는 산화, 환원 반응을 통해 축전식탈염장치(120)로부터 배출되는 농축수에 포함된 이온성분들을 제거하며 이를 통해 생성된 생산수는 탈착과정에서 축전식탈염장치(120)에 재투입되어 CDI 세정수로 재사용된다.
도 8을 참조하면, 전기화학조(210)에 의해 농축수 재사용이 가능하도록 축전식탈염장치(120)의 농축수배출구와 폐수유입구를 연결하는 바이패스라인(215)이 구비되며, 바이패스라인(215) 상에 전기화학조(210), 순환펌프(211) 및 바이패스밸브(212)가 구비된다.
도 8에서 폐수투입펌프(123)는 축전식탈염장치(120)에 대한 폐수투입을 담당하는 구성이고, 생산수배출밸브(124)는 축전식탈염장치(120)로부터 생성된 생산수의 배출을 제어하는 밸브이며, 농축수배출밸브(125)는 축전식탈염장치(120)로부터 생성된 농축수의 배출을 제어하는 밸브이다.
도 9는 축전식탈염장치(120)의 흡착공정을 보이는 도면이다.
이를 참조하면, 흡착공정에서 폐수투입펌프(123)가 가동되고 생산수배출밸브(124)는 ON(개방) 상태로 유지된다. 따라서 축전식탈염장치(120)로 폐수가 유입되며 축전식탈염장치(120)에서 이온물질이 흡착, 제거됨으로써 생성된 생산수가 외부로 배출된다.
도 10은 축전식탈염장치(120)의 탈착공정을 보이는 도면이다.
이를 참조하면, 축전식탈염장치(120)의 탈착공정은 세부적으로 세 단계로 진행된다.
먼저, 도 10-(a)에 도시된 농축수 보충 단계(제1 단계)가 진행된다.
제1 단계에서 폐수투입펌프(123)는 ON 상태, 순환펌프(211)는 OFF 상태로 유지된다. 그리고 바이패스밸브(212)는 ON 상태, 생산수배출밸브(124) 및 농축수배출밸브(125)는 OFF 상태로 유지된다. 그리하여 제1 단계에서는 축전식탈염장치(120)로부터 배출되는 농축수가 전기화학조(210)에 채워진다. 전기화학조(210)에서는 산화, 환원 반응에 의해 농축수에 포함된 이온성분들이 제거된다.
다음으로, 도 10-(b)에 도시된 농축수 재사용 단계(제2 단계)가 진행된다.
제2 단계에서 폐수투입펌프(123)는 OFF 상태, 순환펌프(211)는 ON 상태로 유지된다. 그리고 바이패스밸브(212)는 ON 상태, 생산수배출밸브(124) 및 농축수배출밸브(125)는 OFF 상태로 유지된다. 그리하여 제2 단계에서는 전기화학조(210)에 의해 이온함량이 감소된 농축수가 축전식탈염장치(120)로 제공되어 세정수로 재사용되고, 이후 전기화학조(210)에 다시 투입된다. 이와 같이 제2 단계에서 전기화학조(210)에 채워진 농축수는 바이패스라인(215)을 따라 축전식탈염장치(120)로 세정수로 투입되고 그로부터 배출되어 다시 전기화학조(210)로 유입되는 순환을 한다. 이러한 농축수의 순환은 2회, 3회, 4회 등으로 복수 횟수로 진행될 수 있다.
마지막으로, 도 10-(b)에 도시된 농축수 배출 단계(제3 단계)가 진행된다.
제3 단계에서 폐수투입펌프(123)는 OFF 상태, 순환펌프(211)는 ON 상태로 유지된다. 그리고 바이패스밸브(212)는 및 생산수배출밸브(124)는 OFF 상태, 농축수배출밸브(125)는 ON 상태로 유지된다. 그리하여 제3 단계에서는 전기화학조(210)로부터 나오는 농축수는 축전식탈염장치(120)를 거친 후 장치 외부로 배출된다.
이와 같이 본 발명에 의하면 축전식탈염장치(120)의 탈착공정에서 생성되는 농축수를 바로 배출하지 않고 전기화학조(210)에 의해 이온저감 처리하여 축전식탈염장치(120)에 세정수로 투입하는 방식으로 재사용함으로써 축전식탈염장치(120)의 생산수 회수율을 크게 향상시킬 수 있다.
110 : 외부순환식 UF
120 : 축전식탈염장치
121, 122 : 전극
123 : 폐수투입밸브
124 : 생산수배출밸브
125 : 농축수배출밸브
130 : 카트리지필터
140 : 이온교환수지
150 : 농축수저장조
160 : 증발농축설비
170 : 역삼투막장치
180 : 결정화장치
190 : 탈수기
210 : 전기화학조
211 : 순환펌프
212 : 바이패스밸브

Claims (7)

  1. 고형물 제거를 위한 외부순환식 UF(110) 및 이온성물질 제거를 위한 축전식탈염장치(120)를 포함하며, 상기 외부순환식 UF(110)와 상기 축전식탈염장치(120)가 직렬 배치되며, 발전폐수가 상기 외부순환식 UF(110)와 축전식탈염장치(120)를 순차적으로 거치는 과정에서 생성되는 생산수 및 냉각배수가 상기 축전식탈염장치(120)를 거치는 과정에서 생성되는 생산수가 냉각탑 냉각을 위한 냉각수로 재사용되는 축전식탈염공정 기반 발전폐수 및 냉각배수 재사용 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 외부순환식 UF(110)와 상기 축전식탈염장치(120) 사이에 배치되는 카트리지필터(130) 및 상기 축전식탈염장치(120)의 후단에 연결되는 이온교환수지(140)를 더 포함하는 재사용되는 축전식탈염공정 기반 발전폐수 및 냉각배수 재사용 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 외부순환식 UF(110)에서 생성된 농축수 및 상기 축전식탈염장치(120)에서 생성된 농축수를 받아 저장하는 농축수저장조(150), 및 상기 농축수저장조(150)의 후단에 직렬연결되며 농축수에 대한 감압증발농축이 수행되는 증발농축설비(160)를 더 포함하며, 상기 농축수저장조(150)에 저장된 농축수가 상기 증발농축설비(160)로 공급되고 상기 증발농축설비(160)에 의해 생성된 생산수가 상기 냉각탑 냉각을 위한 냉각수로 재사용되는 축전식탈염공정 기반 발전폐수 및 냉각배수 재사용 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 농축수저장조(150)와 상기 증발농축설비(160) 사이에 연결되는 역삼투막장치(170)를 더 포함하는 축전식탈염공정 기반 발전폐수 및 냉각배수 재사용 시스템.
  5. 청구항 3에 있어서,
    결정화장치(180) 및 탈수기(190)를 더 포함하며, 상기 증발농축설비(160)로부터 배출되는 농축수가 상기 결정화장치(180) 및 상기 탈수기(190)를 순차적으로 거치면서 결정화 및 탈수 과정이 진행됨으로써 최종 폐기물인 슬러지가 생성되는 축전식탈염공정 기반 발전폐수 및 냉각배수 재사용 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 축전식탈염장치(120)의 폐수유입구와 농축수배출구를 연결하는 바이패스라인(215) 및 상기 바이패스라인(215) 상에 배치된 전기화학조(210)를 더 포함하는 축전식탈염공정 기반 발전폐수 및 냉각배수 재사용 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 축전식탈염장치(120)의 탈착공정이 상기 축전식탈염장치(120)로부터 배출되는 농축수가 상기 전기화학조(210)에 채워지는 제1 단계, 상기 전기화학조(210)에 의해 이온함량이 감소된 농축수가 상기 축전식탈염장치(120)로 제공되어 세정수로 재사용되는 제2 단계, 및 상기 전기화학조(210)로부터 상기 축전식탈염장치(120)로 제공된 상기 세정수가 상기 축전식탈염장치(120)를 거친 후 외부로 배출되는 제3 단계를 포함하여 진행되는 축전식탈염공정 기반 발전폐수 및 냉각배수 재사용 시스템.
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