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발전소 수처리 분야에서 역삼투압(RO) 기술 활용

2024년 10월 30일
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발전소 수처리 분야에서 역삼투압(RO) 기술 활용

발전소의 화학적 수처리 공정

발전소 I의 화학적 수처리 시스템. 화학적 수처리의 필요성은 용수 수질 기준에서 확인할 수 있습니다. 보일러 급수 수질 기준은 다음과 같습니다. 총경도(μmol/L), 용존산소(μg/L), 전기전도도(μs/cm), 실리카(μg/L), pH(25℃), 이산화탄소(μg/L) 기준치: ≤30,

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수질 불량, 특히 칼슘, 마그네슘, 나트륨 및 규산염 이온 농도가 기준치를 초과하면 열 설비에 다음과 같은 위험을 초래합니다. 1. 열 설비 스케일 형성: 보일러 또는 기타 열교환기에 유입되는 물의 수질이 불량할 경우, 일정 기간 작동 후 물과 접촉하는 가열 표면에 고형물이 부착됩니다. 이러한 현상을 스케일링이라고 하며, 이러한 고형물을 스케일이라고 합니다. 스케일의 열전도율은 금속보다 수백 배나 낮고, 특히 열부하가 높은 보일러 튜브에서 쉽게 발생하기 때문에 보일러(또는 열교환기)에 매우 해롭습니다. 스케일이 형성된 부분의 금속 파이프 벽 온도가 과열되어 금속 강도가 저하되고, 파이프 내부 압력에 의해 국부적인 변형, 팽창이 발생하며, 심지어 튜브 폭발과 같은 심각한 사고로 이어질 수 있습니다. 스케일링은 안전한 작동을 위협할 뿐만 아니라 발전소의 경제성을 크게 저하시킵니다. 예를 들어, 화력 발전소 보일러의 이코노마이저에 1mm 두께의 스케일이 쌓이면 연료 소비량이 평소보다 1.5%~2.0% 증가합니다. 따라서 스케일 발생을 효과적으로 예방하거나 줄이면 상당한 경제적 이익을 얻을 수 있습니다. 또한, 순환수의 수질이 불량하고 증기 터빈 응축기에 스케일이 발생하면 응축기의 진공도가 감소하여 증기 터빈의 열효율과 출력이 저하됩니다. 과열기에 스케일이 발생하면 증기 온도가 설계 온도에 도달하지 못하여 전체 열 시스템의 경제성을 떨어뜨립니다. 열 설비에 스케일이 발생하면 적시에 청소 작업을 수행해야 하므로 설비 가동을 중단해야 하고 연간 가동 시간이 줄어듭니다. 또한 유지 보수 작업량과 비용이 증가합니다.

2. 열 설비 및 시스템의 부식: 발전소의 열 설비 금속 부분은 물과 자주 접촉합니다. 수질이 좋지 않으면 급수관, 석탄 절약기, 증발기, 히터, 과열기, 증기 터빈 응축기의 열교환관 등과 같은 금속 부분이 부식될 수 있습니다. 부식은 설비 자체의 수명을 단축시킬 뿐만 아니라 경제적 손실을 초래합니다. 더욱이 부식 생성물이 물에 녹아들어 물속 불순물을 증가시키고, 고열 부하 가열면의 스케일 형성을 악화시키며, 이 스케일은 노관의 스케일 부식을 가속화합니다. 이러한 악순환은 노관 파열 등의 사고로 이어질 수 있습니다.

3. 과열기 및 증기 터빈 순환부의 염분 축적: 수질이 좋지 않으면 증기에 용해되어 불순물(주로 Na+ 및 HSiO3- 이온)을 함유하게 되는데, 이러한 불순물이 과열기 및 증기 터빈과 같은 증기 순환부에 침전되어 염분 축적을 일으킵니다. 과열기 튜브에 염분이 축적되면 금속 튜브 벽이 과열되거나 파열될 수 있습니다. 또한 염분 축적으로 인해 밸브가 제대로 닫히지 않을 수 있으며, 증기 터빈에 염분이 축적되면 증기 터빈의 출력과 효율이 크게 저하됩니다. 소량의 염분 축적이라도 증기 순환 저항을 크게 증가시켜 증기 터빈의 출력을 감소시킵니다. 증기 터빈에 염분 축적이 심각해지면 스러스트 베어링에 과부하가 걸리고 분리기가 휘어져 사고로 인한 가동 중단이 발생할 수도 있습니다.

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요약하자면, 높은 경도의 수돗물은 칼슘 및 마그네슘 이온 함량이 높아 보일러의 각 가열면, 드럼 및 배관 벽에 스케일 형성 및 부식을 쉽게 유발합니다. 경미한 경우 열전도에 영향을 미치고, 심한 경우 보일러 튜브 파열을 일으킬 수 있습니다. 또한, 증기에 섞인 물 속 불순물이 과열기 및 증기 터빈으로 유입되어 증기 흐름 부분에 염분 축적을 유발하고 더 큰 손상을 초래할 수 있습니다. pH 값은 수질의 산성도와 알칼리도를 판단하는 지표이며, pH 값 = -10g(용액 내 수소 이온 농도, mol/L)입니다. 순수한 물에서 H+와 OH-의 함량은 각각 1x10⁻⁷ mol/L이므로 pH는 7입니다. 염산(HCl)과 같은 산이 물에 용해되면 H+ 농도가 증가하고, H+ 농도가 높을수록 pH 값은 낮아집니다. pH 7은 알칼리성 수질입니다. 화학적 처리(이온 교환)를 거친 물은 약알칼리성(pH 8.8~9.2)을 나타냅니다. 약산성 물은 금속을 부식시키는데, 약알칼리성 물을 사용하면 강철과 구리 표면을 부동태화시켜 부식을 방지하고 보일러 및 열교환기 표면에 철 스케일과 구리 스케일이 형성되는 것을 막을 수 있습니다.
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물 처리 과정
수처리 공정은 크게 두 부분으로 나뉘는데, 첫 번째는 물리적 연수 공정이고 두 번째는 화학적 담수화 공정입니다. 물리적 연수 공정은 다음과 같습니다. 발전소 급수망에서 공급되는 원수(또는 미처리수)를 석영 모래 필터와 활성탄 필터를 통과시켜 원수 내 고형 입자와 부유 불순물을 제거한 후, 이를 정화수라고 합니다. 정화수는 역삼투압 장치를 통해 칼슘과 마그네슘 이온을 대부분 제거하여 연수화합니다. 화학적 담수화 공정은 다음과 같습니다. 연수화된 물은 활성탄 제거 장치를 통과시켜 물 속의 이산화탄소(엄밀히 말하면 HCO₃⁻)를 제거하고, 혼합층을 통과시켜 잔류 칼슘, 마그네슘, 나트륨, 규산염 등의 유해 이온을 제거한 후 담수화합니다. 이렇게 처리된 담수화수는 보일러 급수용으로 사용되며, 담수화 탱크에 저장된 후 담수화 펌프를 통해 탈기기로 이동하고, 마지막으로 급수 펌프를 통해 보일러 드럼으로 공급됩니다.

발전소 수처리 분야에서 역삼투압 기술

역삼투압은 주로 막 분리 기술을 이용하여 물을 처리하는 기술로, 높은 담수화율, 뛰어난 적용성, 환경 보호 등의 특징을 가지고 있어 다양한 산업 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 역삼투압 기술의 핵심은 역삼투막에 있으며, 이 막은 고분자 재질로 만들어져 선택적 반투과성을 지닌 필름입니다. 외부 압력이 가해지면 용액 속의 물은 특정 성분에 대해서만 선택적으로 투과 현상을 일으켜 정화, 분리, 농축 등의 목적을 달성할 수 있습니다. 발전소 수처리 분야에 역삼투압 기술을 적용하면 더욱 높은 효율을 얻을 수 있으며, 수자원 절약과 환경 보호에도 기여할 수 있습니다. 본 논문에서는 먼저 역삼투막 기술의 원리와 특징을 설명하고, 발전소 수처리 분야에서의 역삼투압 기술 적용 사례를 분석한 후, 역삼투압 기술의 향후 발전 방향에 대한 고려 사항을 제시합니다.

역삼투압의 원리
역삼투압은 용액에 충분한 압력을 가하여 용매를 역삼투막을 통과시킨 후 분리하는 방식입니다. 삼투 방향과 반대 방향으로 용매가 이동하며, 역삼투압법보다 높은 압력이 필요하므로 용액의 분리, 정제 및 농축에 사용됩니다. 역삼투막의 기공 크기가 매우 작기 때문에 물에 용해된 염, 콜로이드, 박테리아, 바이러스 및 일부 유기물을 제거하는 데 매우 효과적입니다. 역삼투막의 가장 중요한 분리 대상은 용액 내 이온이며, 어떠한 화학 물질도 사용하지 않고 물 속의 염분을 효과적으로 제거할 수 있으며, 염분 제거율은 98% 이상에 달할 수 있습니다.

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역삼투압 기술의 특징
역삼투 기술은 역삼투 현상의 원리를 이용하여 용액을 정화 및 농축하는 기술로, 다음과 같은 뛰어난 분리 특성을 지니고 있습니다. (1) 역삼투 기술은 자동화 수준이 높고, 다른 방법에 비해 에너지 소비량이 적습니다. 이는 수처리 과정에서 구동력이 물의 압력이기 때문입니다. 상온에서 상변화 없이 용매와 용질을 분리할 수 있어 유효 성분 손실이 매우 적고, 열에 민감한 물질의 분리 및 농축에 매우 적합합니다. (2) 상변화 분리 방법에 비해 에너지 소비량이 낮습니다. (3) 처리 과정이 물리적 반응이기 때문에 화학 물질을 사용하지 않아 제품 오염이 발생하지 않으므로 재생 조치가 필요 없습니다. (4) 역삼투압 설비는 다양한 원수의 적용이 가능하며, 설비의 전체 ​​구조가 비교적 간단하고, 조작이 더욱 편리하고 적응성이 뛰어나며, 처리 규모에 있어 일정 수준의 유연성을 가지며, 연속 운전 또는 간헐 운전이 가능합니다. ⑤ 더 나은 경제적 이익을 얻을 수 있습니다. 역삼투압 시스템의 운영 비용은 매우 낮으며 투자금을 단기간 내에 회수할 수 있습니다.

발전소 수처리 분야에서 역삼투압 기술의 실제 적용
1. 순환냉각수 재활용 및 활용 화력발전소에서 사용되는 순환냉각수는 발전소 전체 용수 소비량의 약 70%를 차지하므로, 이를 재활용하고 활용하는 것은 한정된 수자원을 절약하는 데 매우 중요한 실질적 의미를 갖습니다. 최근 국가 환경보호 기준이 점차 강화되고 폐수 배출 관련 지표 설정이 더욱 엄격해짐에 따라 발전소의 폐수 처리 비용이 크게 증가하고 있습니다. 역삼투압 기술을 적용하면 폐수 재사용이 가능합니다. 발전소 내 다양한 ​​설비의 실제 가동과 결합하여 역삼투압 기술로 얻은 물은 순환냉각수 보충수로 사용할 수 있어 안전성과 신뢰성을 확보할 수 있습니다. 역삼투압 기술을 적용하면 순환냉각수의 수질이 크게 개선되고 탁도가 현저히 감소하며, 물 보충량 또한 크게 줄일 수 있습니다. 그러나 현재 역삼투압 기술은 수처리 비용이 많이 들고, 초기 투자 비용이 자연수 정화 방식보다 훨씬 높습니다. 하지만 역삼투압 기술은 폐수 처리도 동시에 가능하기 때문에 환경 관련 비용 투자를 줄일 수 있고, 수자원 절약 효과도 있어 경제적, 사회적, 환경적 측면에서 높은 수준의 통합을 이룰 수 있습니다.
2. 보일러 산세 폐액 처리 본 연구에서는 발전소 산세 폐액 처리에 대한 시뮬레이션 실험 연구를 바탕으로, 역삼투 기술과 순환 방식을 이용하여 저압 복합막, 셀룰로오스 아세테이트막, 해수막의 처리 효과를 비교 분석한 결과, 세 가지 역삼투막 중 해수막의 성능이 가장 우수함을 확인하였다. 따라서 보일러 산세 폐액의 역삼투 처리에는 해수막이 가장 적합하며, 순환 방식을 적용하는 것이 바람직하다. 발전소 보일러 산세 폐액 처리에 역삼투 기술을 적용하면 우수한 결과를 얻고 목표를 달성할 수 있다. 보일러에서 발생하는 구연산 폐액 처리의 최적 방법은 역삼투를 통해 폐액을 농축한 후 방류 또는 재활용하는 것이다. 이후 철분을 제거하고 분무 건조하여 구연산나트륨을 회수하는 것이다. 이 처리 기술을 적용하면 보일러의 산세척 폐액으로 인한 환경 오염 문제를 효과적으로 해결할 수 있으며, 사회적, 경제적으로 매우 큰 이점을 가져다줍니다.

3. 폐수 종합 처리 발전소의 폐수 종합 처리는 체계적인 프로젝트로, 크게 폐수 회수 및 처리라는 두 가지 중요한 부분으로 구성됩니다. 폐수 처리 과정에는 역삼투압 기술이 적용되며, 회수된 생활하수, 응축수, 산성 및 알칼리성 폐수, 부지 세척수 등은 기본적으로 산성입니다. 이러한 혼합수는 약산 처리 후 역삼투압 처리를 할 수 있으며, 처리된 물은 바로 재사용할 수 있습니다. 이 방법을 적용하면 발전소의 용수 수요를 줄일 뿐만 아니라 발전소의 수자원 재활용에도 매우 효과적이며, 기업의 지속 가능한 발전을 가능하게 합니다.

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역삼투압 기술 적용 시 주의사항
역삼투막 선택 시 유입수 수질 특성을 고려해야 합니다. 폐수 처리에 적용할 경우, 오염 방지막을 사용하거나 다른 오염 방지 조치를 병행해야 합니다. 설계 수온은 물 생산량에 큰 영향을 미칩니다. 설계된 최저 수온 환경에서 운전할 때 설계 생산량을 달성할 수 있도록 막 소자의 처리 용량을 설정해야 합니다. 일반적인 역삼투 정수 처리 장치를 설계할 경우, 역삼투막 본체의 초기 운전 시 최대 유입 압력은 1.5MPa 미만이어야 합니다. 해수 담수화용 역삼투 장치를 설계 및 적용할 경우, 역삼투막 본체의 초기 운전 시 최대 유입 압력은 6.9MPa 미만이어야 합니다. 필터 소자의 여과 속도는 너무 빠르지 않아야 합니다. 장기간 정상 운전이 가능한 경우, 필터 교체 주기는 3개월을 넘지 않아야 합니다.F1869e

역삼투압 장치 작동 중 성능 매개변수
기존 역삼투압 문제 분석에 따르면, 가동 중인 역삼투압 장치의 운영 매개변수(담수화율 및 회수율 등)는 계약 요구 사항을 충족해야 합니다. 일반적으로 담수화율은 첫 해에 98% 이상, 회수율은 75% 이상이어야 합니다. 생산된 물은 특정 수온 조건에서 국가 기준을 충족해야 하며, 밸브 전환은 유연해야 합니다. 전력 산업은 국민의 일상생활에 고품질 전력을 공급하는 핵심 산업으로, 국민 생활 수준 향상과 경제 성장에 매우 중요한 실질적인 의미를 지닙니다. 발전소 수처리 분야에 역삼투압 기술을 적용함으로써 환경 오염 발생을 줄이고 수자원을 절약하는 등 긍정적인 효과를 거두고 있습니다. 역삼투 장치 기술을 발전소 수처리 현장에 적용함으로써 역삼투 기술에 사용되는 자재 비용을 절감하고, 발전소에서의 역삼투 기술 보편화를 실현하여 경제적, 사회적 이익을 동시에 얻을 수 있습니다.

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