WO2017052083A1 - 고온 연수화를 이용한 피처리수 증발농축 장치 및 이를 이용한 증발농축 방법 - Google Patents

고온 연수화를 이용한 피처리수 증발농축 장치 및 이를 이용한 증발농축 방법 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a technology for evaporating and concentrating water to be treated containing hardness-induced substances. Specifically, the water to be treated is evaporated and concentrated through a first evaporator, a high temperature softening device, and a second evaporator in order to provide high temperature softening.
  • the present invention relates to an evaporation concentrating device and an evaporation concentrating method, in which an effective heat-induced material is removed to prevent scale formation and at the same time, a separate heat source is not required to satisfy the operating temperature of the high temperature softening device.
  • Zero Liquid Discharge System is a process of treating waste water to reuse treated or produced water and discharging a small amount of sludge except the treated water to the outside. Academic interest is growing.
  • ZLDs have been introduced for a long time, and about 100 locations are currently in operation in Japan.
  • ZLDs in Japan are mainly installed in high value-added semiconductor factories and require large amounts of high-quality water,
  • ZLD system which requires expensive installation and operation costs, is introduced and operated.
  • Canon Corp. which is located in Oita Prefecture, Japan and produces copier cartridges, has incorporated Oita Prefecture into a total volume regulated area, and has requested a ban on wastewater discharge to protect fish stocks in nearby waters.
  • UMC Japan a semiconductor manufacturing plant, introduced ZLD because its plant is a process park.
  • the La Paloma Plant a thermal power plant located in the middle of California's Mojave Desert, is a large-scale agricultural region with very high effluent quality standards and a very poor water supply in the area near the Mojave Desert.
  • the recovered water is reused as boiler feedwater for power plant turbine operation.
  • ZLDs are largely classified into RO (Reverse Osmosis) ZLD, which is a separation process using a reverse osmosis membrane, and Thermal ZLD, which is a separation process of an evaporation and phase change method by heating.
  • RO Reverse Osmosis
  • Thermal ZLD which is a separation process of an evaporation and phase change method by heating.
  • Thermal ZLD can be found in the evaporation and concentration technology used in the 19th century food industry. As described above, the demand for re-use of environmental regulations and the reuse of water resources is increasing. This thermal ZLD process utilizes phase change by heating, and is particularly effective for hardly degradable wastewater.
  • the water separated in the process of refining the recovered oil sand contains pollutants such as silica, which causes environmental problems when discharged without treatment, while purifying the water separated from the oil sand. This is because it is very efficient to reuse it as steam that is injected into oil wells in which sand is buried.
  • the treated water which is water generated in the process of refining the oil sand, is usually separated from the sludge through a process of concentration by evaporation.
  • silica, calcium (Ca) and magnesium present in the treated water Hardness, such as (Mg) is precipitated during the evaporation concentration process can cause a scale (scale) to the entire ZLD facilities, including the evaporator has been attracting attention.
  • Figure 1 schematically shows a conventional system for suppressing the precipitation of the hardness-induced material when evaporating the treated water generated in the SAGD facility and the like.
  • the treated water introduced into the evaporator 34 from the treated water inlet 31 is separated into steam and sludge through an evaporative concentration process and is moved to the respective discharge parts 35 and 36.
  • the treated water before flowing into the evaporator 34 the pH is increased by a basic material such as sodium hydroxide (NaOH) injected from the pH control material tank 32, as shown in the graph of FIG. Since solubility in water is proportional to pH, precipitation of silica can be suppressed while the water to be treated is evaporated and concentrated in the evaporator 34.
  • a basic material such as sodium hydroxide (NaOH) injected from the pH control material tank 32, as shown in the graph of FIG. Since solubility in water is proportional to pH, precipitation of silica can be suppressed while the water to be treated is evaporated and concentrated in the evaporator 34.
  • the softened device 33 may be subjected to a softening process before the water to be treated is introduced into the evaporator 34.
  • the softening device 33 calcium Hardness-inducing substances such as magnesium and the like react with substances such as lime to precipitate and separate to soften the treated water.
  • hydrogen carbonate of calcium (Carbonate, HCO 3 ) may be separated by conversion to insoluble calcium carbonate (CaCO 3 ) by reacting with lime (Lime, Ca (OH) 2 or CaO).
  • non-carbonates of calcium may be removed by reacting with soda ash (Soda ash, Na 2 CO 3 ) and converting them to calcium carbonate.
  • magnesium carbonate or non-carbonate may be separated by reacting with lime and converting to insoluble magnesium hydroxide (Mg (OH) 2 ).
  • silica In the case of silica, it can be separated and removed by sticking to the surface of magnesium ions precipitated by the softening process as described above or by forming calcium-magnesium silicate.
  • CLS Cold Lime Softener
  • WLS Warm Lime Softener
  • HLS hot softening device
  • Table 1 the ability to remove hardness-induced substances, which is indicated by the concentration of hardness-induced substances remaining in softened water, improves from the low temperature softener to the high temperature softener, but the operating temperature must be high. Therefore, there was a disadvantage that a separate heat source is required.
  • Type of water softening device Working temperature (°C) Residual concentration of hardness-inducing substance (mg / L) CLS 15 to 60 80-110 WLS 60 to 85 30 to 50 HLS 90 to 110 15 to 25
  • a low to medium temperature softening device is used as the softening device 33.
  • the low temperature and the low temperature softening device has a smaller amount of hardness-induced material removed than when the high-temperature softening device is used, so it must be used together with a pH control system as described above to effectively suppress scale formation by precipitation of the hardness-induced material. There was a problem that could be.
  • the high temperature softening device is used to remove the hardness-inducing substance present in the treated water.
  • An additional separate heat source to meet the operating temperature conditions of the high temperature softening device by improving the removal capability to effectively inhibit the formation of scale without the need for a separate pH control system, while allowing the water to be processed to pass through the first evaporator.
  • An object of this invention is to provide an evaporative concentration device and an evaporative concentration method of treated water.
  • the present invention provides an apparatus for evaporating and concentrating water to be treated containing hardness-inducing substances (hardness).
  • the first evaporator (1) in which the first concentrated water is formed by evaporative concentration, all or part of the first concentrated water is introduced, and the hardness-inducing substance contained in the first concentrated water reacts with lime.
  • the hot lime softener 2 removed by sedimentation and all or part of the primary concentrated water passing through the hot softener 2 are introduced and further evaporated by heat exchange with hot steam.
  • a water evaporation concentration apparatus to be treated using high temperature softening, including a second evaporator 3 in which secondary concentrated water is formed by concentration.
  • the temperature of the primary concentrated water flowing into the high temperature softening device 2 may be 90 ⁇ 110 °C, so that the concentration ratio (concentration factor) of the first evaporator 1 has a value of 5 ⁇ 10. You may.
  • the treated water evaporative concentration device of the present invention is re-concentrated by introducing all or part of the first concentrated water and / or the second concentrated water back into the first evaporator 1 or the second evaporator 3, respectively. It may further comprise a recirculation line 4, 5, which may be present.
  • the first evaporator 1 and / or the second evaporator 3 includes a plurality of evaporation tubes 8 therein, and the water to be treated forms a falling film on the inner wall of the evaporation tube 8. It may be a falling tube (Vertical Tube Falling Film, VTFF) evaporator that is evaporated by heat exchange with high temperature steam supplied to the outer wall side of the evaporation tube 8 while flowing.
  • VTFF Vertical Tube Falling Film
  • first evaporator 1 and / or the second evaporator 3 may be a reduced pressure evaporator in which reduced pressure evaporation is performed.
  • steam present in two phases with concentrated water flows into the lower part of the first evaporator 1 and / or the second evaporator 3 to separate the water remaining in the steam.
  • It may further include a gas-liquid separator 9 for removing, wherein the condensed water formed through the heat exchange of the high-temperature steam supplied to the first evaporator 1 and / or the second evaporator (3) It is preferable that the hardness-inducing substance contained in the steam is injected to the steam flowing into (9) to be separated and removed.
  • the present invention further includes a compressor (10) for compressing the vapor from which the hardness-inducing substance and water are separated and removed from the gas-liquid separator (9) and supplying the vapor to the first evaporator (1) and / or the second evaporator (3). You may.
  • the gas-liquid separator 9 is a cyclone-type gas-liquid separator that rotates to form a swirl flow along the inner circumferential surface of the gas-liquid separator 9 by the condensed water is injected in the tangential direction of the inner circumferential surface of the gas-liquid separator 9 It is preferable that it is (9).
  • the gas-liquid separator 9 includes a chamber 43 provided with an inner space such that steam is discharged through an upper steam outlet 45 and discharged condensed water is concentrated through a concentrated liquid outlet 46 at a lower portion thereof;
  • An inlet part 12 for injecting condensed water which is connected to the side surface of the chamber 43 in a tangential direction of the inner circumferential surface of the chamber 43 so that the condensed water rotates along the inner circumferential surface of the chamber 43;
  • a demister 16 formed to divide an internal space of the chamber 43 at an upper portion of the chamber 43 to remove mist contained in steam.
  • the chamber 43 includes at least one partition 44 for preventing the rising of the mist contained in the steam generated inside the chamber 43.
  • the partition 44 is preferably protruded to be inclined in an upward direction at an angle of 90 to 180 ° from the inner wall of the chamber 43.
  • the evaporation concentrating device of the present invention also includes the condensed water formed through heat exchange of high temperature steam supplied to the first evaporator 1 and / or the second evaporator 3 and the blood flowing into the first evaporator 1.
  • the treated water may further include a heat exchanger 11 to heat exchange.
  • the present invention provides a method of evaporating and condensing water to be treated containing hardness in accordance with another embodiment. Specifically, (a) the water to be treated is introduced into a first evaporator 1 Forming primary concentrated water by evaporating and concentrating by heat exchange with hot steam, (b) all or part of the primary concentrated water is introduced into a hot lime softener (2) and the primary (C) all or part of the primary concentrated water from which the hardness-induced substances have been removed is introduced into the second evaporator (3).
  • a method for evaporating water to be treated using high temperature softening including the step of additionally evaporating and concentrating a second concentrated water by heat exchange with high temperature steam.
  • the temperature of the primary concentrated water flowing into the high temperature softening device 2 may be 90 to 110 ° C., and the first evaporator 1 is operated to have a concentration factor of 5 to 10 values. You can do that.
  • step (a) and / or (c) is a part or all of the first concentrated water or the second concentrated water flows back into the first evaporator (1) or the second evaporator (3) by circulating It may be a step including the process of re-concentration.
  • step (a) and / or (c) may be made by reduced pressure evaporation.
  • the water present in the two-phase (two phase) with the concentrated water through step (a) and / or (c) is introduced into the gas-liquid separator (9) to retain the water remaining in the steam Separation and removal may be further included, wherein condensed water formed through heat exchange of high temperature steam supplied to the first evaporator 1 and / or the second evaporator 3 to the gas-liquid separator 9. It is preferable to spray the incoming steam so that the hardness-inducing material contained in the steam is separated and removed.
  • the evaporative condensation method of the present invention also includes the condensed water and the first evaporator formed through heat exchange of high temperature steam supplied to the first evaporator 1 and / or the second evaporator 3 before step (a). 1) may further include the step of heat-exchanging the water to be treated flowing into.
  • the water to be treated is sequentially evaporated through the first evaporator, the high temperature softening device, and the second evaporator, thereby effectively removing the hardness-inducing substance by the high temperature softening, thereby preventing scale formation.
  • a separate heat source is not required to satisfy the operating temperature of the high temperature softening device, thereby reducing operating costs.
  • the flow rate decreases as the water to be treated is evaporated and concentrated through the first evaporator, the capacity of the high temperature softening device and the amount of lime input can be reduced, and in the case of the second evaporator, the high concentration softening material is hardly removed through high temperature softening. As water flows in, it is possible to apply relatively low-grade materials, which reduces the cost of equipment.
  • Figure 1 schematically shows a conventional system for suppressing the precipitation of the hardness-induced material when evaporating the water to be treated.
  • FIG 3 is a schematic view of the evaporation and concentration of the water to be treated using high temperature softening according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 schematically shows an apparatus for evaporating and treating water using high temperature softening, which further includes recycling lines 4 and 5, according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 diagrammatically shows, according to one embodiment, the structure of a falling film evaporator which may be used as the first evaporator 1 and / or the second evaporator 3 of the present invention.
  • FIG. 6 schematically shows a gas-liquid separator according to one embodiment.
  • each step the identification code is used for convenience of explanation, and the identification code does not describe the order of each step, and each step may be performed differently from the stated order unless the context clearly indicates a specific order. have. That is, each step may be performed in the same order as specified, may be performed substantially simultaneously, or may be performed in the reverse order.
  • first, second, A, B, (a), and (b) may be used. These terms are only for distinguishing the components from other components, and the nature, order or order of the components are not limited by the terms.
  • FIG 3 is a schematic view of the evaporation and concentration of the water to be treated using high temperature softening according to an embodiment of the present invention.
  • the evaporation and concentration of the water to be treated using the high temperature softening of the present invention is for an apparatus for evaporating and concentrating the water to be treated containing hardness inducing hardness (hardness), as shown in FIG.
  • the first evaporator (1) in which the first concentrated water is formed by evaporating and condensing by heat exchange with heat, and all or part of the first concentrated water flows in, and the hardness-inducing substance contained in the primary concentrated water is lime ( hot lime softener 2 which is removed by sedimentation and separation by reacting with lime and all or part of the primary concentrated water that has passed through the high temperature softener 2 are introduced into the It may further include a second evaporator (3) is formed by secondary evaporation by heat exchange to form a secondary concentrated water.
  • the treated water generated in the facility such as SAGD flows into the first evaporator 1 from the treated water inlet 21, and before the first water evaporator 1 flows into the first evaporator 1, a heating device such as a heat exchanger 11 is used. By passing through, it can go through preheating process for evaporative concentration.
  • the water to be treated introduced into the first evaporator 1 is directly or indirectly contacted with high temperature steam in the first evaporator 1 and is heat-exchanged by evaporation to be converted into primary concentrated water. Is present in two phases with the vapor evaporated at the bottom of the first evaporator 1, also called a liquid reservoir.
  • a falling tube evaporator may be used as the first evaporator 1 as described above.
  • the falling film evaporator includes a plurality of evaporation tubes 8 therein and the treated water flowing into the evaporator may be used.
  • the evaporation tube 8 is characterized by evaporation by heat exchange with hot steam supplied to the outer wall side of the evaporation tube 8 while flowing down the inner wall of the evaporation tube 8.
  • the falling film evaporator is a plate-shaped flow homogeneous device 42 is installed horizontally on the cylindrical housing 40 specifically, and the treated water inlet 41 is It is installed higher than the flow homogeneous device 42, and the water to be treated may be configured to be supplied to an upstream space S1 above the flow uniform device 42.
  • a plurality of evaporation tubes 8 are densely installed, and the evaporation tube 8 is installed at an upper end thereof through the flow homogeneous device 42.
  • the upstream space S1 and the evaporation tube ( The internal spaces of 8) are installed to communicate with each other.
  • the water to be supplied to the upstream space S1 flows down the inner wall of the evaporation tube 8.
  • the water to be treated flowing downward through the inner wall of the evaporation tube 8 while forming a falling film is heated by heat exchange with the water vapor introduced into the heat exchange space S2 in the middle of the housing 40 and the wall of the evaporation tube 8 interposed therebetween.
  • the water contained in the water to be treated evaporates.
  • the falling film evaporator can suppress the boiling point without loss of pressure in the device, and even if the temperature difference with the heating fluid is small, the heat transfer rate is very high, thereby minimizing the contact time with a heating element such as water vapor, and about 1 to 2 mm. There is an advantage that the temperature gradient in the liquid dura mat maintained is very small to minimize the temperature rise of the heat sensitive liquid.
  • the first evaporator 1 may be a reduced pressure evaporator in which an evaporation concentration process of water to be treated is performed by reduced pressure evaporation therein, and preferably a vacuum having an internal pressure of about 10 ⁇ 2 mmHg or less. Evaporative concentration can be achieved in the state.
  • the first evaporator 1 concentrates the treated water only to the extent that the hardness-inducing substance does not precipitate. It is important.
  • a concentration factor obtained by dividing the concentration of the hardness-inducing substance in the primary concentrated water flowing into the high temperature softening device 2 by the concentration of the hardness-inducing substance in the treated water flowing into the first evaporator 1.
  • a concentration factor obtained by dividing the concentration of the hardness-inducing substance in the primary concentrated water flowing into the high temperature softening device 2 by the concentration of the hardness-inducing substance in the treated water flowing into the first evaporator 1.
  • the concentration ratio of the first evaporator 1 is a ratio of the concentration of the concentrated liquid discharged from the first evaporator (1) to the concentration of the water to be introduced into the first evaporator (1), or discharged from the first evaporator (1) It means the ratio of the concentrate flow rate flowing into the first evaporator 1 with respect to the concentrate flow rate.
  • the primary concentrated water is heated at a high temperature in the first evaporator 1. Heated at high temperature in the process of heat-exchanging with the steam of evaporation, it is possible to satisfy the above-mentioned operating temperature of the high temperature softening device (2) without additional heat source, at this time flows into the high temperature softening device (2)
  • the temperature of the primary concentrated water is preferably to have a value in the range of 90 ⁇ 110 °C.
  • the hardness-induced substances such as calcium (Ca) and magnesium (Mg) contained in the primary concentrated water react with agglomerates with lime to be separated and removed by agglomeration. It is removed by sticking to the surface or forming an insoluble calcium-magnesium silicate.
  • the high temperature softening device 2 is specifically a reactor in which agglomeration reaction of hardness-inducing substance and lime occurs, and the agglomerated particles are physically and chemically It can be composed of a precipitator (growth) and a clarifier (purifier) to obtain the softened water by sedimentation and separation of the grown particles.
  • lime refers to lime (CaO), lime (Hydrated Lime, Ca (OH) 2 ), soda ash (Soda ash, Na), which may induce aggregation reaction of various salts of calcium or magnesium as described above. 2 CO 3 ) and the like can be used as a concept.
  • the primary concentrated water from which the hardness-induced substance is removed through the softening process in the high temperature softening device (2) is introduced into the second evaporator (3) and subjected to additional evaporative concentration process by heat exchange with high temperature steam.
  • the primary concentrated water to be evaporated is concentrated because it is removed from the hardness-induced material during the high temperature softening process and there is no risk of scale formation.
  • the second evaporator 3 may be a falling film evaporator including an evaporation tube 8 therein as the first evaporator 1, or may be a reduced pressure evaporator in which a reduced pressure evaporation is performed.
  • the secondary concentrated water formed by condensation in the second evaporator 3 may additionally undergo crystallization through the forced circulation evaporator 18 before being discharged to the concentrated water outlet 23.
  • the circulating evaporator 18 is composed of a heat exchanger for heating the secondary concentrated water through a heat medium, and a gas-liquid separator for spraying the heated secondary concentrated water into the chamber to evaporate and separate the vapor and the concentrated liquid from the gas-liquid separator.
  • the concentrated liquid discharged is characterized in that it is recycled to the heat exchanger via a pump.
  • steam existing in two phases together with concentrated water and water is introduced into the lower part of the first evaporator 1 and / or the second evaporator 3 to remain in the steam. It may further include a gas-liquid separator 9 for separating and removing the water.
  • the vapor is a gas-liquid separator 9 to remove water and hardness-induced substances such as silica and the like contained in the vapor present in two phases together with the first concentrated water in the bottom of the first evaporator 1 or the liquid reservoir.
  • condensed water formed through heat exchange of the high temperature steam supplied to the first evaporator 1 and / or the second evaporator 3 is sprayed on the steam introduced into the gas-liquid separator 9 to obtain moisture.
  • the hardness-inducing substance contained in the vapor may be separated and removed by washing the hardness-inducing substance together.
  • the gas-liquid separator 9 is preferably a cyclone-type gas-liquid separator 9 which rotates in a swirl flow along the inner circumferential surface by spraying the condensed water in the tangential direction of the inner circumferential surface of the gas-liquid separator 9.
  • the cyclone-type gas-liquid separator 9 includes a chamber in which an inner space is provided so that steam is discharged through an upper steam outlet and discharged condensed water is concentrated through a lower concentration outlet, and the condensate is along an inner circumferential surface of the chamber.
  • Inlet part 12 is connected to the side of the chamber in the tangential direction of the inner peripheral surface of the chamber to rotate in a swirl flow and formed to divide the internal space of the chamber in the upper portion inside the chamber to contain the vapor
  • It may include a demister 16 for removing the lost mist (mist).
  • the demister 16 may be a mesh type plate-shaped member.
  • At least one partition wall 44 may be provided in the chamber 43 of the gas-liquid separator 9 to prevent rising of the mist contained in the generated vapor.
  • large and small droplets are raised together, and relatively large droplets are blocked by the partition wall 44 and lowered downward by gravity.
  • the partition wall 44 is provided in a region between the inlet 12 and the vapor outlet 45 of the inner space of the chamber 43 and may protrude from the inner wall of the chamber 43. More preferably, as illustrated in FIG. 6, the protrusion 43 may be formed to be inclined upwardly at an angle of 90 to 180 ° from the inner wall of the chamber 43 to more effectively induce the rise of the droplet and the drop of the blocked droplet.
  • the vapor from which hardness-induced substances such as silica and water are removed through the gas-liquid separator 9 is introduced into the compressor 10, compressed, and then supplied to the first evaporator 1, thereby providing a heat source for evaporative concentration of the water to be treated.
  • Steam generated in the evaporation concentration process in the second evaporator 3 may also be used as a heat source by flowing back into the second evaporator 3 via the gas-liquid separator 9 and the compressor 10 as described above. It is preferable to use the large gas-liquid separator 9 and the compressor 10 to process the steam generated in the first and second evaporators 1 and 3 together, but is not limited thereto.
  • condensed water formed through heat exchange of high temperature steam supplied to the first evaporator 1 or the second evaporator 3 is introduced into the first evaporator 1 before being discharged to the condensate outlet 22.
  • the treated water and the heat exchanger 11 can be heat exchanged, whereby the water to be treated is preheated before entering the first evaporator 1, and the condensate is reduced in temperature before being discharged to the outside, thereby causing environmental pollution. It has the effect of alleviating the problem.
  • all or part of the condensate can be recycled by being injected into the gas-liquid separator 9 as described above and used to remove the hardness-inducing substance in the vapor.
  • FIG. 4 schematically shows an apparatus for evaporating and treating water using high temperature softening, which further includes recycling lines 4 and 5, according to another embodiment of the present invention.
  • the recycle line (4) that can be reconcentrated by all or part of the primary concentrated water flows back into the first evaporator (1) ), And likewise may include a recycle line 5 through which the second concentrated water can be introduced back to the second evaporator 3.

Abstract

본 발명은 경도유발물질이 포함된 피처리수를 증발농축하는 기술에 관한 것으로서, 구체적으로는 피처리수가 제1 증발기, 고온 연수화 장치 및 제2 증발기를 순차적으로 거쳐 증발농축됨으로써 고온 연수화에 의한 효과적인 경도유발물질의 제거가 이루어져 스케일 형성이 방지되는 동시에, 고온 연수화 장치의 작동 온도를 만족시키기 위한 별도의 열원이 필요 없어 운용 비용이 절감되는 증발농축 장치 및 증발농축 방법에 관한 것이다.

Description

고온 연수화를 이용한 피처리수 증발농축 장치 및 이를 이용한 증발농축 방법
본 발명은 경도유발물질이 포함된 피처리수를 증발농축하는 기술에 관한 것으로서, 구체적으로는 피처리수가 제1 증발기, 고온 연수화 장치 및 제2 증발기를 순차적으로 거쳐 증발농축됨으로써 고온 연수화에 의한 효과적인 경도유발물질의 제거가 이루어져 스케일 형성이 방지되는 동시에, 고온 연수화 장치의 작동 온도를 만족시키기 위한 별도의 열원이 필요 없어 운용 비용이 절감되는 증발농축 장치 및 증발농축 방법에 관한 것이다.
폐수 무방류 시스템(Zero Liquid Discharge, ZLD)이란 폐수를 처리하여 피처리수 또는 생산수를 재이용하고 피처리수를 제외한 소량의 슬러지를 외부로 방출하는 공정으로서, 최근에 이러한 폐수 무방류 시스템에 대한 기업 및 학계의 관심이 높아지고 있다.
이는 공업 용수 공급가의 점진적인 인상과 방류수 총량 규제에 의한 배출 부과금 증가에 따른 생산 원가의 상승, 그리고 폐수 방류량의 1/3 이상 재활용 의무 법제화 예정, 환경오염문제를 근원적으로 차단해야 한다는 가치 판단 등의 이유에서 오는 결과라 할 수 있으며 최근에는 특정 폐수의 무방류 처리가 아닌 전량 무방류 처리를 도입하려는 움직임도 있다.
해외의 경우 ZLD는 이미 오래 전부터 도입되어져 왔으며 일본의 경우 약 100 여 개소가 현재 운영중에 있는데, 일본에서의 ZLD는 주로 고부가가치의 반도체 공장에 설치되어 있으며 고품질의 용수를 다량 필요로 하거나, 설치 지역이 국정 공원 등 특정 오염물질 배출 제한지역에 해당함에 따라 고가의 설치 운영비가 소요되는 ZLD 시스템을 도입하여 운영하고 있다.
특히, 일본 오이타현에 위치하여 복사기 카트리지를 생산 제품으로 하는 Canon사의 경우, 오이타현이 총량 규제지역에 편입되어 인근 수협에서 어족 자원 보호를 위해 폐수 배출 금지를 요청하였고, 이에 따라 ZLD를 도입하게 되었으며, 반도체 제조 공장인 UMC Japan은 공장 위치가 공정 공원으로 해당되어 ZLD를 도입하였다.
한편, 미국의 경우에는 이러한 ZLD 시스템 설비가 수천 개소가 설치 운영되고 있는 것으로 추정되는데, 미국에서의 ZLD는 각 주별로 방류수 수질 기준이 설정될 때 엄격한 방류수 수질 기준이 적용되는 지역이나, 사막 등 용수 사정이 좋지 않은 지역에 위치한 공장들에 주로 도입되어 왔다.
특히, 캘리포니아 주의 모하비 사막 한가운데 위치한 화력발전소인 La Paloma Plant는 위치한 지역이 대규모 농업지역으로서 방류수 수질 기준이 매우 엄격할 뿐만 아니라, 모하비 사막 인근 지역의 용수 공급 사정이 매우 안 좋고 용수 가격이 높아 ZLD 시스템을 도입하게 되었으며, 회수된 물을 발전소 터빈 가동을 위한 보일러 보급수로 재이용하고 있다.
반도체 공장인 Intel사의 경우에도 마찬가지로 배출 허용 기준이 엄격하고 애리조나 지역의 특성상 공업 용수가 부족한 이유로 ZLD를 도입하게 되었다.
이러한 ZLD는 크게 역삼투막을 이용한 분리 공정인 RO(Reverse Osmosis) ZLD와 가열을 통한 증발농축 및 상 변화 방식의 분리 공정인 Thermal ZLD로 구분된다.
이 중에서 Thermal ZLD는 19세기 식품 산업에서 활용되던 증발 농축 기술에서 그 원리를 찾을 수 있는데, 상술한 바와 같이 강화된 환경 규제와 수자원의 재이용 요구가 상승되면서 현대의 다양한 산업 분야에 적용되고 있는 공정이며, 이러한 Thermal ZLD 공정은 가열에 의한 상 변화를 이용하는 공정으로서 특히 난분해성 폐수에 가장 효과적이다.
최근에는 점차 고갈되어가는 재래형 원유(conventional oil)의 대체 자원으로서 오일샌드(oil sand)를 회수하는 방법에 관심이 집중되고 있는데, 특히 그 중 하나인 스팀주입중력배수공법(Steam Assisted Gravity Drainage, SAGD)을 사용할 경우 위와 같은 ZLD를 이용한 수처리가 매우 중요한 과정이라고 할 수 있다.
이는 회수된 오일샌드를 정제하는 과정에서 분리된 수분에는 실리카(Silica) 등의 오염물질이 포함되어 있어 이를 처리없이 방류할 경우 환경문제를 초래하기 때문인 한편, 오일샌드에서 분리된 수분을 정화하여 오일샌드가 매장되어 있는 유정(oil well)에 주입하는 스팀으로서 재사용하는 것이 매우 효율적이기 때문이다.
이렇게 오일샌드를 정제하는 과정에서 발생한 수분인 피처리수(또는 생산수)는 통상적으로 증발에 의해 농축되는 과정을 거쳐 슬러지와 분리되는데, 이때 피처리수 내에 존재하는 실리카, 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg) 등의 경도유발물질(hardness)이 증발농축 과정에서 석출되어 증발기를 비롯한 전체적인 ZLD 설비에 스케일(scale)을 유발할 수 있어 이를 제어하는 기술이 주목받고 있다.
도 1은 SAGD 설비 등에서 발생하는 피처리수를 증발농축할 때 경도유발물질의 석출을 억제하는 종래의 시스템을 도식적으로 나타낸 것이다.
피처리수 유입부(31)로부터 증발기(34)로 유입된 피처리수는 증발농축 과정을 거쳐 증기 및 슬러지로 분리되어 각각의 배출부(35, 36)로 이동된다.
이때, 증발기(34)로 유입되기 전의 피처리수는 pH조절물질 탱크(32)로부터 주입된 수산화나트륨(NaOH) 등의 염기성 물질에 의해 pH가 높아지는데, 도 2의 그래프에 나타난 바와 같이 실리카의 물에 대한 용해도는 pH에 비례하기 때문에 피처리수가 증발기(34)에서 증발농축되는 동안 실리카의 석출이 억제될 수 있다.
종래 기술의 또 다른 실시형태로서 피처리수가 증발기(34)로 유입되기 전에 연수화(lime softening) 장치(33)를 통해 연수화 과정을 거치도록 할 수 있는데, 상기 연수화 장치(33)에서는 칼슘, 마그네슘 등의 경도유발물질이 석회(Lime) 등의 물질과 반응하여 침전 및 분리됨으로써 피처리수의 연수화가 이루어진다.
구체적으로, 하기 화학식 1과 같이 칼슘의 탄산수소염(Carbonate, HCO3)은 석회(Lime, Ca(OH)2 또는 CaO)와 반응하여 불용성인 탄산칼슘(CaCO3)으로 전환됨으로써 분리될 수 있다.
[화학식 1]
Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 → 2CaCO3↓+ 2H2O
또한, 하기 화학식 2와 같이 칼슘의 비탄산염(황산칼슘, 염화칼슘 등)은 소다회(Soda ash, Na2CO3)와 반응하여 탄산칼슘으로 전환됨으로써 제거될 수 있다.
[화학식 2]
CaSO4 + Na2CO3 → CaCO3↓+ Na2SO4
CaCl2 + Na2CO3 → CaCO3↓+ 2NaCl
한편, 하기 화학식 3과 같이 마그네슘의 탄산염 또는 비탄산염(황산마그네슘, 염화마그네슘 등)은 석회와 반응하여 불용성인 수산화마그네슘(Mg(OH)2)로 전환됨으로써 분리될 수 있다.
[화학식 3]
Mg(HCO3)2 + Ca(OH)2 → CaCO3↓+ MgCO3 + 2H2O
MgCO3 + Ca(OH)2 → CaCO3↓+ Mg(OH)2↓
MgCl2 + Ca(OH)2 → Mg(OH)2↓+ CaCl2
MgSO4 + Ca(OH)2 → Mg(OH)2↓+ CaSO4
실리카의 경우, 위와 같은 연수화 과정에 의해 침전되는 마그네슘 이온의 표면에 달라붙거나 칼슘-마그네슘 실리케이트를 형성함으로써 분리 및 제거될 수 있다.
이러한 연수화 시스템은 작동 온도에 따라 저온 연수화 장치(Cold Lime Softener, CLS), 중온 연수화 장치(Warm Lime Softener, WLS) 및 고온 연수화 장치(Hot Lime softener, HLS)로 구분될 수 있는데, 표 1에 나타난 바와 같이 연수화를 거친 피처리수에 잔류하는 경도유발물질의 농도로 지표되는 경도유발물질 제거 능력은 저온 연수화 장치에서 고온 연수화 장치로 갈수록 향상되지만, 그만큼 작동 온도도 높아야 하기 때문에 별도의 열원이 필요하다는 단점도 존재하였다.
연수화 장치의 종류 작동 온도(℃) 경도유발물질의 잔류 농도(mg/L)
CLS 15 ~ 60 80 ~ 110
WLS 60 ~ 85 30 ~ 50
HLS 90 ~ 110 15 ~ 25
도 1에 나타난 종래의 증발농축 시스템에서는 연수화 장치(33)로 유입되는 피처리수를 추가적인 열원을 투입하여 예열하는데 한계가 있기 때문에 상기 연수화 장치(33)로서 저온 내지 중온 연수화 장치를 사용하였는데, 이러한 저온 및 중온 연수화 장치는 고온 연수화 장치를 사용할 때보다 제거되는 경도유발물질의 양이 적어 상술한 바와 같은 pH조절 시스템 등과 함께 사용해야 경도유발물질의 석출에 의한 스케일 형성을 효과적으로 억제할 수 있다는 문제점이 있었다.
경도유발물질이 포함된 피처리수를 증발농축하는 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해, 피처리수 내에 존재하는 경도유발물질을 제거하기 위한 연수화 장치로서 고온 연수화 장치를 사용하여 경도유발물질의 제거 능력을 향상시킴으로써 별도의 pH 조절 시스템 없이도 스케일의 형성을 효과적으로 억제할 수 있으면서도, 피처리수가 제1 증발기를 거치는 과정을 선행하도록 함으로써 고온 연수화 장치의 작동 온도 조건을 충족시키기 위한 추가적인 별도의 열원이 필요하지 않은 피처리수의 증발농축 장치 및 증발농축 방법을 제공하고자 한다.
상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 본 발명은 경도유발물질(hardness)이 포함된 피처리수를 증발농축하는 장치를 제공하며 구체적으로는, 피처리수가 유입되어 고온의 증기와의 열교환에 의해 증발농축됨으로써 1차 농축수가 형성되는 제1 증발기(evaporator)(1), 상기 1차 농축수의 전부 또는 일부가 유입되며 상기 1차 농축수에 포함된 경도유발물질이 석회(Lime)와 반응하여 침전분리됨으로써 제거되는 고온 연수화 장치(hot lime softener)(2) 및 상기 고온 연수화 장치(2)를 통과한 1차 농축수의 전부 또는 일부가 유입되어 고온의 증기와의 열교환에 의해 추가적으로 증발농축됨으로써 2차 농축수가 형성되는 제2 증발기(3)를 포함하는 고온 연수화를 이용한 피처리수 증발농축 장치를 제공한다.
이때, 상기 고온 연수화 장치(2)로 유입되는 1차 농축수의 온도는 90 ~ 110 ℃일 수 있으며, 상기 제1 증발기(1)의 농축비(concentration factor)가 5 ~ 10의 값을 갖도록 할 수도 있다.
또한, 본 발명의 피처리수 증발농축 장치는 상기 1차 농축수 및/또는 2차 농축수의 전부 또는 일부가 각각 상기 제1 증발기(1) 또는 제2 증발기(3)로 다시 유입됨으로써 재농축될 수 있는 재순환 라인(4, 5)을 더 포함할 수도 있다.
한편, 상기 제1 증발기(1) 및/또는 제2 증발기(3)는 내부에 복수의 증발튜브(8)를 포함하며 유입되는 피처리수가 상기 증발튜브(8)의 내벽을 타고 강하 경막을 이루어 흐르면서 상기 증발튜브(8)의 외벽 측으로 공급되는 고온의 증기와의 열교환에 의해 증발되는 강하 경막(Vertical Tube Falling Film, VTFF) 증발기일 수 있다.
또한, 상기 제1 증발기(1) 및/또는 제2 증발기(3)는 내부에서 감압 증발(reduced pressure evaporation)이 이루어지는 감압 증발기일 수 있다.
본 발명의 증발농축 장치는 상기 제1 증발기(1) 및/또는 제2 증발기(3)의 하부에 농축수와 함께 2상(two phase)으로 존재하는 증기가 유입되어 증기에 잔류하는 수분을 분리제거하는 기액분리장치(9)를 더 포함할 수 있는데, 이때 상기 제1 증발기(1) 및/또는 제2 증발기(3)에 공급되는 고온의 증기의 열교환을 통해 형성되는 응축수가 상기 기액분리장치(9)로 유입되는 증기에 분사되어 상기 증기에 포함된 경도유발물질이 분리제거되는 것이 바람직하다.
본 발명은 상기 기액분리장치(9)에서 경도유발물질 및 수분이 분리제거된 증기를 압축하여 상기 제1 증발기(1) 및/또는 제2 증발기(3)로 공급하는 압축기(10)를 더 포함할 수도 있다.
한편, 상기 기액분리장치(9)는 상기 응축수가 상기 기액분리장치(9) 내주면의 접선 방향으로 분사됨으로써 상기 기액분리장치(9)의 내주면을 따라 선회류를 이루며 회전하는 사이클론 타입의 기액분리장치(9)인 것이 바람직하다.
또한, 상기 기액분리장치(9)는, 상부의 증기 배출구(45)를 통해 증기가 배출되고 하부의 농축액 배출구(46)를 통해 농축된 응축수가 배출되도록 내부 공간이 마련된 챔버(43); 응축수가 상기 챔버(43)의 내주면을 따라 선회류를 이루어 회전하도록 상기 챔버(43) 내주면의 접선 방향으로 상기 챔버(43)의 측면에 연결되어 유입되는 응축수를 분사하는 유입부(12); 및 상기 챔버(43) 내부의 상부에 상기 챔버(43)의 내부 공간을 분할하도록 형성되어 증기 내에 함유된 액적(mist)을 제거하는 데미스터(demister)(16);를 포함할 수 있고, 상기 챔버(43) 내부에 생성되는 증기 내 함유된 액적(mist)의 상승을 방지하기 위한 적어도 하나 이상의 격벽(44)을 포함하는 것이 더욱 바람직하다.
이때, 상기 격벽(44)은, 상기 챔버(43) 내벽으로부터 90~180°의 각도로 상부 방향으로 기울어지도록 돌출 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 증발농축 장치는 또한, 상기 제1 증발기(1) 및/또는 제2 증발기(3)에 공급되는 고온의 증기의 열교환을 통해 형성되는 응축수와 상기 제1 증발기(1)로 유입되는 피처리수가 열교환되는 열교환기(11)를 더 포함할 수 있다.
본 발명은 다른 실시예에 따라 경도유발물질(hardness)이 포함된 피처리수를 증발농축하는 방법을 제공하며 구체적으로는, (a) 피처리수가 제1 증발기(evaporator)(1)로 유입되어 고온의 증기와의 열교환에 의해 증발농축됨으로써 1차 농축수가 형성되는 단계, (b) 상기 1차 농축수의 전부 또는 일부가 고온 연수화 장치(hot lime softener)(2)로 유입되며 상기 1차 농축수에 포함된 경도유발물질이 석회(lime)와 반응하여 침전분리됨으로써 제거되는 단계 및 (c) 경도유발물질이 제거된 1차 농축수의 전부 또는 일부가 제2 증발기(3)로 유입되어 고온의 증기와의 열교환에 의해 추가적으로 증발농축됨으로써 2차 농축수가 형성되는 단계를 포함하는 고온 연수화를 이용한 피처리수 증발농축 방법을 제공한다.
이때, 상기 고온 연수화 장치(2)로 유입되는 1차 농축수의 온도는 90 ~ 110 ℃일 수 있으며, 상기 제1 증발기(1)가 5 ~ 10 값의 농축비(concentration factor)를 갖도록 운전되도록 할 수 있다.
한편, (a) 단계 및/또는 (c) 단계는 상기 1차 농축수 또는 2차 농축수의 전부 또는 일부가 각각 상기 제1 증발기(1) 또는 제2 증발기(3)로 다시 유입되어 순환함으로써 재농축되는 과정을 포함하는 단계일 수 있다.
또한, (a) 단계 및/또는 (c) 단계의 증발농축은 감압 증발(reduced pressure evaporation)에 의해 이루어지도록 할 수 있다.
본 발명의 증발농축 방법은 (a) 단계 및/또는 (c) 단계를 거쳐 농축수와 함께 2상(two phase)으로 존재하는 증기가 기액분리장치(9)로 유입되어 증기에 잔류하는 수분이 분리제거되는 단계를 더 포함할 수 있는데, 이때 상기 제1 증발기(1) 및/또는 제2 증발기(3)에 공급되는 고온의 증기의 열교환을 통해 형성되는 응축수가 상기 기액분리장치(9)로 유입되는 증기에 분사되어 상기 증기에 포함된 경도유발물질이 분리제거되도록 하는 것이 바람직하다.
본 발명의 증발농축 방법은 또한, (a) 단계 이전에 상기 제1 증발기(1) 및/또는 제2 증발기(3)에 공급되는 고온의 증기의 열교환을 통해 형성되는 응축수와 상기 제1 증발기(1)로 유입되는 피처리수가 열교환되는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 피처리수가 제1 증발기, 고온 연수화 장치 및 제2 증발기를 순차적으로 거쳐 증발농축됨으로써 고온 연수화에 의한 효과적인 경도유발물질의 제거가 이루어져 스케일 형성이 방지되는 동시에, 고온 연수화 장치의 작동 온도를 만족시키기 위한 별도의 열원이 필요 없어 운용 비용을 절감할 수 있다.
또한, 피처리수가 제1 증발기를 거쳐 증발농축되면서 유량이 감소하므로 고온 연수화 장치의 용량 및 석회 투입량을 저감할 수 있고, 제2 증발기의 경우 고온 연수화를 거쳐 경도유발물질이 거의 제거된 농축수가 유입되므로 상대적으로 저급 소재를 적용할 수 있어 설비 원가를 절감할 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 피처리수를 증발농축할 때 경도유발물질의 석출을 억제하는 종래의 시스템을 도식적으로 나타낸 것이다.
도 2의 물에 대한 실리카의 용해도와 pH의 관계를 그래프로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고온 연수화를 이용한 피처리수 증발농축 장치를 도식적으로 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따라 재순환 라인(4, 5)을 더 포함하는 고온 연수화를 이용한 피처리수 증발농축 장치를 도식적으로 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 제1 증발기(1) 및/또는 제2 증발기(3)로서 사용될 수 있는 강하 경막 증발기의 구조를 일 실시예에 따라 도식적으로 나타낸 것이다.
도 6은 일 예에 따른 기액분리장치를 개략적으로 나타낸 것이다.
이하 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
본 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상부" 또는 "하부"에 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
각 단계들에 있어 식별부호는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 실시될 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 실시될 수도 있고 실질적으로 동시에 실시될 수도 있으며 반대의 순서대로 실시될 수도 있다.
각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다.
어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고온 연수화를 이용한 피처리수 증발농축 장치를 도식적으로 나타낸 것이다.
본 발명의 고온 연수화를 이용한 피처리수 증발농축 장치는 경도유발물질(hardness)이 포함된 피처리수를 증발농축하는 장치에 대한 것으로서, 도 3에 나타난 바와 같이 피처리수가 유입되어 고온의 증기와의 열교환에 의해 증발농축됨으로써 1차 농축수가 형성되는 제1 증발기(evaporator)(1), 상기 1차 농축수의 전부 또는 일부가 유입되며 상기 1차 농축수에 포함된 경도유발물질이 석회(lime)와 반응하여 침전분리됨으로써 제거되는 고온 연수화 장치(hot lime softener)(2) 및 상기 고온 연수화 장치(2)를 통과한 1차 농축수의 전부 또는 일부가 유입되어 고온의 증기와의 열교환에 의해 추가적으로 증발농축됨으로써 2차 농축수가 형성되는 제2 증발기(3)를 포함할 수 있다.
SAGD 등의 설비에서 발생한 피처리수는 피처리수 유입부(21)로부터 제1 증발기(1)로 유입되는데, 상기 제1 증발기(1)로 유입되기 전에 열교환기(11) 등의 가열 장치를 통과함으로써 증발농축을 위한 예열 과정을 거칠 수 있다.
제1 증발기(1)로 유입된 피처리수는 상기 제1 증발기(1) 내에서 고온의 증기와 직?간접적으로 접촉하며 열교환되어 증발농축됨으로써 1차 농축수로 전환되고, 상기 1차 농축수는 액체 저조(sump reservoir)라고도 불리는 제1 증발기(1)의 하부에 모여 증발된 증기와 함께 2상(two phase)으로 존재하게 된다.
위와 같은 제1 증발기(1)로서 강하 경막(Vertical Tube Falling Film, VTFF) 증발기가 사용될 수 있는데, 이러한 강하 경막 증발기는 내부에 복수의 증발튜브(8)를 포함하며 증발기로 유입되는 피처리수가 상기 증발튜브(8)의 내벽을 타고 강하 경막을 이루어 흐르면서 상기 증발튜브(8)의 외벽 측으로 공급되는 고온의 증기와의 열교환에 의해 증발되는 것이 특징이다.
도 5는 강하 경막 증발기의 일 실시예를 나타난 것으로서, 강하 경막 증발기는 구체적으로 원통형의 하우징(40) 상부에 플레이트 형태의 유동균일장치(42)가 수평으로 설치되고 피처리수 유입구(41)는 유동균일장치(42) 보다 높게 설치되며, 유입되는 피처리수는 유동균일장치(42) 상부의 상류 공간(S1)에 공급되도록 구성될 수 있다.
하우징(40) 내부에는 다수의 증발튜브(8)가 밀집되어 설치되어 있으며, 증발튜브(8)는 그 상단이 유동균일장치(42)를 관통하여 설치되는데, 상류 공간(S1)과 증발튜브(8)의 내부 공간이 서로 소통되도록 설치된다. 이로써 상류 공간(S1)으로 공급된 피처리수가 증발튜브(8)의 내벽을 타고 흘러내리게 된다. 강하 경막을 이루며 증발튜브(8)의 내벽을 타고 하방으로 흐르는 피처리수는 하우징(40) 중간부의 열교환 공간(S2)으로 투입되는 수증기와 증발튜브(8) 벽을 사이에 두고 열교환에 의해 가열되면서 피처리수 내에 함유된 수분이 증발하게 된다.
이러한 강하 경막 증발기는 장치 내의 압력 손실 없이 비점 상승을 억제할 수 있으며, 가열 유체와의 온도차가 작아도 열전달 속도가 매우 높아 수증기 등의 가열체와 접촉시간을 최소화할 수 있고, 또한 1 ~ 2 mm 정도로 유지되는 액체 경막에서의 온도 구배가 매우 작아 열에 민감한 액체의 온도 상승을 최소화할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 상기 제1 증발기(1)는 내부에서 감압 증발(reduced pressure evaporation)이 이루어짐으로써 피처리수의 증발농축 과정이 수행되는 감압 증발기일 수 있으며 바람직하게는 내부 압력이 약 10-2 mmHg 이하인 진공 상태에서 증발농축이 이루어지도록 할 수 있다.
한편, 제1 증발기(1)로 유입되는 피처리수는 경도유발물질에 대한 별도의 전처리 과정을 거치지 않기 때문에 상기 제1 증발기(1)에서는 경도유발물질이 석출되지 않을 정도로만 피처리수를 농축하는 것이 중요하다.
따라서, 상기 고온 연수화 장치(2)로 유입되는 1차 농축수 내 경도유발물질의 농도를 상기 제1 증발기(1)로 유입되는 피처리수 내 경도유발물질의 농도로 나눈 농축비(concentration factor)가 일정 범위 내의 값을 갖도록 피처리수를 농축하여 실리카(Silica) 등의 경도유발물질이 석출되는 것을 방지할 수 있는데, 바람직한 농축비로서 5 ~ 10의 값을 갖도록 할 수 있다.
이때 제1 증발기(1)의 농축비란 제1 증발기(1)로 유입되는 피처리수의 농도에 대한 제1 증발기(1)에서 배출되는 농축액 농도의 비 또는, 제1 증발기(1)에서 배출되는 농축액 유량에 대한 제1 증발기(1)로 유입되는 농축액 유량의 비를 의미한다.
제1 증발기(1)에서 증발농축된 1차 농축수의 전부 또는 일부는 고온 연수화 장치(2)로 유입되어 연수화 과정을 거치는데, 상기 1차 농축수는 제1 증발기(1)에서 고온의 증기와 열교환되어 증발농축되는 과정에서 높은 온도로 가열되기 때문에 추가적인 별도의 열원 없이도 상술한 고온 연수화 장치(2)의 작동 온도를 만족시킬 수 있으며, 이때 상기 고온 연수화 장치(2)로 유입되는 1차 농축수의 온도는 90 ~ 110 ℃ 범위의 값을 갖도록 하는 것이 바람직하다.
고온 연수화 장치(2)에서는 1차 농축수에 포함된 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg) 등의 경도유발물질이 석회(Lime)와 반응하여 응집됨으로써 분리 및 제거되며 실리카 또한 응집되는 마그네슘 이온의 표면에 달라붙거나 불용성의 칼슘-마그네슘 실리케이트를 형성함으로써 제거되는데, 상기 고온 연수화 장치(2)는 구체적으로 경도유발물질과 석회의 응집반응이 일어나는 반응기(reactor), 응집된 입자가 물리?화학적으로 성장하는 응집기(precipitator) 및 성장한 입자가 침강하여 분리됨으로써 연수화된 물이 얻어지는 정화기(clarifier)로 구성될 수 있다.
본 명세서 전체에서 석회라는 용어는 상술한 바와 같이 칼슘 또는 마그네슘의 다양한 염의 응집반응을 유도할 수 있는 석회(Lime, CaO), 소석회(Hydrated Lime, Ca(OH)2), 소다회(Soda ash, Na2CO3) 등을 모두 포함하는 개념으로 사용될 수 있다.
고온 연수화 장치(2)에서 연수화 과정을 거쳐 경도유발물질이 제거된 1차 농축수는 제2 증발기(3)로 유입되어 고온의 증기와의 열교환에 의해 추가적인 증발농축 과정을 거쳐 2차 농축수로 전환되는데, 이때 증발농축되는 1차 농축수는 고온 연수화 과정을 거치면서 경도유발물질이 제거되었기 때문에 스케일 형성의 위험성이 없어 포화 상태까지 농축될 수 있다.
이러한 제2 증발기(3)는 제1 증발기(1)처럼 내부에 증발튜브(8)를 포함하는 강하 경막 증발기일 수 있으며, 감압 증발이 이루어지는 감압 증발기일 수도 있다.
제2 증발기(3)에서 농축되어 형성되는 2차 농축수는 농축수 배출부(23)로 배출되기 전에 강제순환식 증발기(18)를 통해 결정화(Crystalization)되는 과정을 추가적으로 거칠 수 있는데, 이러한 강제순환식 증발기(18)는 2차 농축수를 열 매체를 통해 가열하는 열교환기와 가열된 2차 농축수를 챔버 내에 분사하여 증발시켜 증기와 농축액으로 분리하는 기액분리장치로 구성되며, 기액분리장치로부터 배출되는 농축액은 펌프를 통해 열교환기로 재순환되는 특징을 갖는다.
한편, 본 발명은 도 3에 나타난 것처럼 제1 증발기(1) 및/또는 제2 증발기(3)의 하부에 농축수와 물과 함께 2상(two phase)으로 존재하는 증기가 유입되어 증기에 잔류하는 수분을 분리제거하는 기액분리장치(9)를 더 포함할 수 있다.
즉, 제1 증발기(1)의 하부 또는 액체 저조에 1차 농축수와 함께 2상으로 존재하는 증기에 포함된 수분 및 실리카 등의 경도유발물질을 제거하기 위해 상기 증기가 기액분리장치(9)로 유입되는데, 이때 상기 제1 증발기(1) 및/또는 제2 증발기(3)에 공급되는 고온의 증기의 열교환을 통해 형성되는 응축수가 상기 기액분리장치(9)로 유입되는 증기에 분사되어 수분과 함께 경도유발물질을 세정함으로써 상기 증기에 포함된 경도유발물질이 분리제거될 수 있다.
이때, 기액분리장치(9)는 상기 응축수가 기액분리장치(9) 내주면의 접선 방향으로 분사됨으로써 상기 내주면을 따라 선회류를 이루며 회전하는 사이클론 타입의 기액분리장치(9)인 것이 바람직하다.
상기 사이클론 타입의 기액분리장치(9)는 구체적으로, 상부의 증기 배출구를 통해 증기가 배출되고 하부의 농축액 배출구를 통해 농축된 응축수가 배출되도록 내부 공간이 마련된 챔버, 응축수가 상기 챔버의 내주면을 따라 선회류를 이루어 회전하도록 상기 챔버 내주면의 접선 방향으로 상기 챔버의 측면에 연결되어 유입되는 응축수를 분사하는 유입부(12) 및 챔버 내부의 상부에 상기 챔버의 내부 공간을 분할하도록 형성되어 증기 내에 함유된 액적(mist)을 제거하는 데미스터(demister)(16)를 포함할 수 있다. 이때, 데미스터(16)는 메쉬(mesh) 타입의 판형 부재일 수 있다.
또한, 기액분리장치(9)의 챔버(43) 내부에는 생성되는 증기 내 함유된 액적(mist)의 상승을 방지하기 위한 적어도 하나 이상의 격벽(44)이 구비될 수 있다. 증기의 생성 및 상승 과정에서 크고 작은 액적(mist, droplet)이 같이 상승하게 되는데 비교적 큰 액적은 격벽(44)에 의해 차단되어 중력에 의해 하부로 하강하게 된다.
격벽(44)은 챔버(43) 내부 공간의 유입부(12)와 증기 배출구(45) 사이 영역에 마련되며 챔버(43) 내벽으로부터 돌출 형성될 수 있다. 더욱 바람직하게는, 도 6에 도시된 바와 같이 챔버(43) 내벽으로부터 90~180°의 각도로 상부 방향으로 기울어지도록 돌출 형성되어 액적의 상승 및 차단된 액적의 하강을 보다 효과적으로 유도할 수 있다.
이렇게 기액분리장치(9)를 거쳐 실리카 등의 경도유발물질 및 수분이 제거된 증기는 압축기(10)로 유입되어 압축된 후 제1 증발기(1)로 공급됨으로써 피처리수의 증발농축을 위한 열원으로 사용된다.
제2 증발기(3) 내의 증발농축 과정에서 발생하는 증기 또한 상술한 바와 같은 기액분리장치(9) 및 압축기(10)를 거쳐 다시 제2 증발기(3)로 유입됨으로써 열원으로 사용될 수 있는데, 이때 한 대의 기액분리장치(9) 및 압축기(10)를 사용하여 제1 및 2 증발기(1, 3)에서 발생한 증기를 함께 처리하는 것이 바람직하나 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 제1 증발기(1) 또는 제2 증발기(3)에 공급되는 고온의 증기의 열교환을 통해 형성되는 응축수는 응축수 배출부(22)로 배출되기 전에 상기 제1 증발기(1)로 유입되는 피처리수와 열교환기(11)에서 열교환될 수 있는데, 이로써 피처리수는 제1 증발기(1)로 유입되기 전에 예열되는 효과가 있으며 응축수는 외부로 배출되기 전에 온도가 감소함으로써 폐열에 의한 환경오염 문제를 완화하는 효과가 있다.
또한, 상기 응축수의 전부 또는 일부는 상술한 바와 같이 기액분리장치(9)로 분사되어 증기 내의 경도유발물질을 제거하는데 사용됨으로써 재활용될 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따라 재순환 라인(4, 5)을 더 포함하는 고온 연수화를 이용한 피처리수 증발농축 장치를 도식적으로 나타낸 것이다.
본 발명의 고온 연수화를 이용한 피처리수 증발농축 장치는 도 4에 나타난 바와 같이, 1차 농축수의 전부 또는 일부가 제1 증발기(1)로 다시 유입됨으로써 재농축될 수 있는 재순환 라인(4)을 더 포함할 수 있으며, 마찬가지로 2차 농축수가 제2 증발기(3)로 다시 유입될 수 있는 재순환 라인(5)도 포함할 수 있다.
위와 같은 재순환 라인(4, 5)을 통해 1차 농축수가 실리카 등의 경도유발물질이 석출되지 않을 정도의 농축비로 증발농축되는 과정과 2차 농축수가 포화 수준으로 증발농축되는 과정이 효율적으로 이루어질 수 있다.
본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 설명에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능하며, 그와 같은 변형은 본 발명의 보호 범위 내에 있게 된다.

Claims (20)

  1. 경도유발물질(hardness)이 포함된 피처리수를 증발농축하는 장치에 있어서,
    피처리수가 유입되어 고온의 증기와의 열교환에 의해 증발농축됨으로써 1차 농축수가 형성되는 제1 증발기(evaporator);
    상기 1차 농축수의 전부 또는 일부가 유입되며 상기 1차 농축수에 포함된 경도유발물질이 석회(Lime)와 반응하여 침전분리됨으로써 제거되는 고온 연수화 장치(hot lime softener); 및
    상기 고온 연수화 장치를 통과한 1차 농축수의 전부 또는 일부가 유입되어 고온의 증기와의 열교환에 의해 추가적으로 증발농축됨으로써 2차 농축수가 형성되는 제2 증발기;
    를 포함하는 고온 연수화를 이용한 피처리수 증발농축 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고온 연수화 장치로 유입되는 1차 농축수의 온도는 90 ~ 110 ℃인 것을 특징으로 하는 고온 연수화를 이용한 피처리수 증발농축 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 증발기의 농축비(concentration factor)가 5 ~ 10의 값을 갖는 것을 특징으로 하는 고온 연수화를 이용한 피처리수 증발농축 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 1차 농축수 및/또는 2차 농축수의 전부 또는 일부가 각각 상기 제1 증발기 또는 제2 증발기로 다시 유입됨으로써 재농축될 수 있는 재순환 라인을 더 포함하는 고온 연수화를 이용한 피처리수 증발농축 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 증발기 및/또는 제2 증발기는,
    내부에 복수의 증발튜브를 포함하며 유입되는 피처리수가 상기 증발튜브의 내벽을 타고 강하 경막을 이루어 흐르면서 상기 증발튜브의 외벽 측으로 공급되는 고온의 증기와의 열교환에 의해 증발되는 강하 경막(Vertical Tube Falling Film, VTFF) 증발기인 것을 특징으로 하는 고온 연수화를 이용한 피처리수 증발농축 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 증발기 및/또는 제2 증발기는 내부에서 감압 증발(reduced pressure evaporation)이 이루어지는 감압 증발기인 것을 특징으로 하는 고온 연수화를 이용한 피처리수 증발농축 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 증발기 및/또는 제2 증발기의 하부에 농축수와 함께 2상(two phase)으로 존재하는 증기가 유입되어 증기에 잔류하는 수분을 분리제거하는 기액분리장치를 더 포함하며,
    상기 제1 증발기 및/또는 제2 증발기에 공급되는 고온의 증기의 열교환을 통해 형성되는 응축수가 상기 기액분리장치로 유입되는 증기에 분사되어 상기 증기에 포함된 경도유발물질이 분리제거되는 것을 특징으로 하는 고온 연수화를 이용한 피처리수 증발농축 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 기액분리장치에서 경도유발물질 및 수분이 분리제거된 증기를 압축하여 상기 제1 증발기 및/또는 제2 증발기로 공급하는 압축기를 더 포함하는 고온 연수화를 이용한 피처리수 증발농축 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 기액분리장치는,
    상기 응축수가 상기 기액분리장치 내주면의 접선 방향으로 분사됨으로써 상기 기액분리장치의 내주면을 따라 선회류를 이루며 회전하는 사이클론 타입의 기액분리장치인 것을 특징으로 하는 고온 연수화를 이용한 피처리수 증발농축 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 기액분리장치는,
    상부의 증기 배출구를 통해 증기가 배출되고 하부의 농축액 배출구를 통해 농축된 응축수가 배출되도록 내부 공간이 마련된 챔버;
    응축수가 상기 챔버의 내주면을 따라 선회류를 이루어 회전하도록 상기 챔버 내주면의 접선 방향으로 상기 챔버의 측면에 연결되어 유입되는 응축수를 분사하는 유입부; 및
    상기 챔버 내부의 상부에 상기 챔버의 내부 공간을 분할하도록 형성되어 증기 내에 함유된 액적(mist)을 제거하는 데미스터(demister);를 포함하는, 고온 연수화를 이용한 피처리수 증발농축 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 기액분리장치는,
    상기 챔버 내부에 생성되는 증기 내 함유된 액적(mist)의 상승을 방지하기 위한 적어도 하나 이상의 격벽을 포함하는, 고온 연수화를 이용한 피처리수 증발농축 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 격벽은,
    상기 챔버 내벽으로부터 90~180°의 각도로 상부 방향으로 기울어지도록 돌출 형성되는 것을 특징으로 하는, 고온 연수화를 이용한 피처리수 증발농축 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제1 증발기 및/또는 제2 증발기에 공급되는 고온의 증기의 열교환을 통해 형성되는 응축수와 상기 제1 증발기로 유입되는 피처리수가 열교환되는 열교환기를 더 포함하는 고온 연수화를 이용한 피처리수 증발농축 장치.
  14. 경도유발물질(hardness)이 포함된 피처리수를 증발농축하는 방법에 있어서,
    (a) 피처리수가 제1 증발기(evaporator)로 유입되어 고온의 증기와의 열교환에 의해 증발농축됨으로써 1차 농축수가 형성되는 단계;
    (b) 상기 1차 농축수의 전부 또는 일부가 고온 연수화 장치(hot lime softener)로 유입되며 상기 1차 농축수에 포함된 경도유발물질이 석회(lime)와 반응하여 침전분리됨으로써 제거되는 단계; 및
    (c) 경도유발물질이 제거된 1차 농축수의 전부 또는 일부가 제2 증발기로 유입되어 고온의 증기와의 열교환에 의해 추가적으로 증발농축됨으로써 2차 농축수가 형성되는 단계;
    를 포함하는 고온 연수화를 이용한 피처리수 증발농축 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 고온 연수화 장치로 유입되는 1차 농축수의 온도는 90 ~ 110 ℃인 것을 특징으로 하는 고온 연수화를 이용한 피처리수 증발농축 방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 제1 증발기가 5 ~ 10 값의 농축비(concentration factor)를 갖도록 운전되는 것을 특징으로 하는 고온 연수화를 이용한 피처리수 증발농축 방법.
  17. 제14항에 있어서,
    (a) 단계 및/또는 (c) 단계는,
    상기 1차 농축수 또는 2차 농축수의 전부 또는 일부가 각각 상기 제1 증발기 또는 제2 증발기로 다시 유입되어 순환함으로써 재농축되는 과정을 포함하는 단계인 것을 특징으로 하는 고온 연수화를 이용한 피처리수 증발농축 방법.
  18. 제14항에 있어서,
    (a) 단계 및/또는 (c) 단계의 증발농축은 감압 증발(reduced pressure evaporation)에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 고온 연수화를 이용한 피처리수 증발농축 방법.
  19. 제14항에 있어서,
    (a) 단계 및/또는 (c) 단계를 거쳐 농축수와 함께 2상(two phase)으로 존재하는 증기가 기액분리장치로 유입되어 증기에 잔류하는 수분이 분리제거되는 단계;를 더 포함하며,
    상기 제1 증발기 및/또는 제2 증발기에 공급되는 고온의 증기의 열교환을 통해 형성되는 응축수가 상기 기액분리장치로 유입되는 증기에 분사되어 상기 증기에 포함된 경도유발물질이 분리제거되는 것을 특징으로 하는 고온 연수화를 이용한 피처리수 증발농축 방법.
  20. 제14항에 있어서,
    (a) 단계 이전에,
    상기 제1 증발기 및/또는 제2 증발기에 공급되는 고온의 증기의 열교환을 통해 형성되는 응축수와 상기 제1 증발기로 유입되는 피처리수가 열교환되는 단계를 더 포함하는 고온 연수화를 이용한 피처리수 증발농축 방법.
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