KR20010106805A

KR20010106805A - 기계적 증기재압축식 해수담수화 장치

Info

Publication number: KR20010106805A
Application number: KR1020000027775A
Authority: KR
Inventors: 김동국; 김상현; 전원표; 양귀철; 김종휘; 고병산
Original assignee: 손재익; 한국에너지기술연구원
Priority date: 2000-05-23
Filing date: 2000-05-23
Publication date: 2001-12-07

Abstract

본 발명은 기계적 증기재압축식 해수담수화 장치 및 제염방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 증발법에 의한 해수담수화 장치에 있어서 소비되는 에너지를 최소화하기 위하여 증발관에서 발생되는 저온의 증기잠열을 응축시키지 않고 기계적으로 압축하여 자체 가열원으로 재이용함으로써 기계적 증기재압축(Mechanical Vapor Recompression: MVR) 증발방식을 이용한 해수담수화 장치 및 부산물로 얻어지는 고농도의 염수를 이용하여 고품질의 소금을 제조하는 방법에 관한 것이다.

본 발명은 단지 담수만을 목적으로 해수농축 범위를 8wt.%이하로 한정하여 저압축비의 블로워(Blower)를 사용하는 종래의 기술과는 달리 1.2이상의 증기압축비와 10,000rpm이상의 고속 터보압축기를 채택함으로써 담수화와 동시에 고품질의 천일염 제조에 필요한 10∼20wt.%의 농축염수(Brine)를 생산할 수 있다. 즉, 부산물로 얻어지는 농축염수를 기존 염전(solar evaporation pond)의 결정지나 태양열 온실을 이용하여 값비싼 천일염을 생산할 경우 본 장치의 부가가치를 더욱 높일 수 있다.

본 발명은 구조가 단순하여 운전이 용이하고 유지보수 비용이 거의 들지 않으면서 에너지 소비량을 최소화한 기술로 종래의 증발법과 비교할 때 에너지 소비량이 1/15∼1/25정도에 불과하다. 특히 본 발명은 에너지자원이 빈약하고 환경오염 및 기후변화등에 따라 국지적인 물 부족현상이 두드러지고 있는 나라의 도서 또는 해안지역에 있어서 소규모 마을, 군사시설, 호텔, 휴게소, 골프장등에 필요한 하루1,000톤 이하의 소규모에 담수장치에 적합하다.

Description

기계적 증기재압축식 해수담수화 장치{Desalination system with Mechanica l Vapor Recompression}

본 발명은 기계적 증기재압축식(MVR; Mechanical Vapor Recompression) 해수담수화 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는 바닷물을 증발시켜 담수화할 때 필요한 에너지소비를 최소화하기 위하여 가열과 냉각을 따로 반복하는 기존의 증발법과는 달리 증발관에서 발생되는 저온의 증기 잠열을 응축시키지 않고 기계적 에너지로 압축·승온하여 자체의 가열열원으로 재이용함으로써 기계적 증기재압축(MVR; Mechanical Vapor Recompression) 증발방식의 해수담수화 장치 및 방법에 관한 것으로서, 이 과정에서 발생하는 염수(Brine)는 15% 이상의 고농도로서 고품질의 소금 생산에 필요한 원료수로 이용될 수 있으므로 장치의 부가가치를 더욱 높일 수 있다.

특히, 본 발명은 높은 에너지효율(8∼16kWh/Nm³)의 해수담수화와 고품질의 천일염을 동시에 생산할 수 있는 기술로 풍력에너지 이용이 용이한 넓은 운전부하 범위의 터보증기압축기와 높은 담수회수율 및 스케일 방지를 위하여 내/외면 증발관의 조합방식을 채택하였다.

종래의 해수담수화 장치는 공업용 초순수제조, 폐수처리, 지하수 정수처리를 위한 연수설비 등과 같은 수처리 기술의 하나로 오래 전부터 물 부족을 겪어온 중동지역을 중심으로 발달되어 왔다. 지금까지 알려진 해수담수화 방법은 크게 증발법과 막분리법이 있는데 증발법은 원리 및 장치가 단순하고 고순도의 담수를 얻을 수 있는 장점은 있으나 에너지비용이 너무 높고, 막분리법은 에너지 소비량은 적지만 전처리시설등 장치가 복잡하고 주기적인 약품처리 및 세척, 필터 및 막의 교환등으로 유지보수 비용이 높다는 단점이 있다. 에너지자원이 풍부한 중동지역 등과는 달리 우리나라의 경우에는 막분리법의 하나인 역삼투압(Reverse Osmosis: RO)기술이 주로 채택되고 있으나, 전술한 바와 같이 유지비용이 많이 소요될 뿐만 아니라 회수율(담수량/취수량)이 낮고 약품처리에 따른 2차 오염원의 발생등 여러 가지 문제점이 있다.

따라서 높은 에너지비용이 문제가 되는 지역에서 증발법을 도입하고자 할 경우에는 RO장치의 유지보수 비용을 상쇄할 수 있을 정도의 에너지효율 개선 또는 장치의 부가가치 창출이 필요하다. 현재까지 개발된 고에너지효율의 증발법으로 상용화중인 대표적인 기술로는 다단플래쉬(Multi-Stage Flash: MSF)법과 다중효용증발( Multi-Effect Evaporation: MEE)법, 그리고 열압축(Thermal Vapor Recompression: TVR) 증발법이 있으며, 이들은 1kg의 바닷물을 증발시키는데 필요한 이론적 에너지량인 약 600kcal의 1/4∼1/10수준이다. 이에 비해 MVR(증기재압축식)증발법은 1kg의 증발에 필요한 에너지량이 약 24∼40kcal정도로 이론 에너지량의 1/15∼1/25로 초에너지절약형 해수담수화기술이라 할 수 있지만 단위장치 당 하루 1,000톤 이하의 중·소규모로 제한된다.

본 발명과 관련된 종래기술로는 저속/저압축비의 블로워를 이용한 MVR방식의 US특허번호 4,260,461호, US특허번호 4,710,272호, US특허번호 5,232,556호 및 US특허번호 5,676,801호가 있는데, 이는 담수생산을 주목적으로 해수농축범위가 8wt.%이하이며 생성된 염수 부산물의 처리방법에 대한 검토가 없다. 또한 다른 관련 기술로 모터 또는 터빈구동의 2단 압축 MVR방식을 적용한 US특허번호 5,366,514호는 소금 생산을 주목적으로 30wt.% 이상의 염수를 제조하는 기술이다. 결국 이들 두 분야기술 모두 담수 또는 소금(천일염)을 얻고자 하는 기술인 것으며 비교적 에너지 효율이 낮은 장치이다.

본 발명은 상기와 같은 MVR방식의 문제점을 해결하기 위하여 창안되었는데, 본 발명의 목적은 해수를 MVR방식에 의하여 담수와 농축염수로 분리함에 있어 고온상태인 담수와 농축염수의 열을 취수된 해수(海水,원수)를 가열하는데 사용하여 담수와 농축염수 제조시 에너지 사용을 절감하고, 분리 채취되는 농축염수의 염분농도를 제어할 수 있는 장치를 제공하는 것으로 특히 고농도염수를 저에너지 사용으로 쉽게 얻을 수 있음에 그 특징이 있다.

도 1은 MVR증발방식의 해수담수화 원리도

도 2는 본 발명에 따른 MVR해수담수화 장치의 시스템도

도 3은 MVR증발방식의 해수담수화 장치 모형도

도 4는 태양열 온실에 의한 제염 개념도

<도면의 주요 부분에 대한 부호설명>

5: 원심식 증기압축기 6: 제 2증발관

7: 제 1 증발관 8: 원액 공급펌프

9: 제 2순환펌프 10: 농축액 배출펌프

11: 제 1순환펌프 12: 진공펌프

13: 염분농도 센서 14: 모터 또는 터빈

15: 응축수(담수) 배출펌프 16: 원액공급펌프전 예열기

17: 감온기 18: 비례제어밸브

본 발명의 원리는 도 1에 나타낸 바와 같다. 먼저 증발관 A로 들어온 해수 ④에서 발생한 저온(T₁), 저압(P₁)의 포화증기 ①을 곧바로 응축시켜 담수로 만드는 기존방법과는 달리 이의 증발잠열을 자체 증발관의 열원으로 재이용하기 위한 고속터보 증기압축기로 단열압축(adiabatic compression)하면 이론적으로 등엔트로피 과정인 가역단열압축에 의해 과열증기 ②'(T'₂, P₂)로 된다. 그러나 실제 압축과정에서는 열 및 기계손실 등으로 인하여 엔트로피가 증가하는 방향으로의 변화, 즉 비가역 단열압축된 ②"상태(T"₂, P₂)의 과열증기로 된다. ②"상태의 압축증기는 과열상태로 증발관의 전열효율을 감소시키는 원인이 되기 때문에 증발관 입구부에 응축수를 분사시킬수 있는 노즐형태의 감온기(desuper-heater)를 설치하여 ②"상태의 압축증기를 ②상태의 포화증기로 만든 후 증발관 A에 투입된다. 증발관 A에 투입된 ②상태의 포화증기는 공급해수 ④를 ①의 상태로 증발시킨 후 자신은 ③의 상태로 응축되어 담수로 배출되고, 해수가 가열되어 ①의 상태로 증발된 증기는 다시 터보압축기에서 압축되어 자체 가열원으로 재이용되는 사이클을 반복한다. 따라서 기존 증발방법에서는 취수된 해수를 끓여 증발시키는데 필요한 에너지가 면적ⓐ-ⓑ-②' -③-④-ⓐ인 Q+Ws인 반면 MVR방식에서는 증기압축기 구동에 필요한 기계적인 일이 면적ⓑ-ⓒ-②"-③-④-①-ⓑ인, (Ws+Wl)만으로도 담수화가 가능한 초 에너지절약형 해수담수화기술로 초기 시동 시를 제외한 외부열원이 거의 필요치 않다. 특히 이 방법은 장치의 주기기인 증기압축기가 풍차와 같은 터보기계로 유사한 용량특성과 넓은 부분부하 운전특성을 가지고 있기 때문에 에너지 저장 또는 수송이 어려운 도서지역이나 해안의 고립지역의 경우 풍력발전과 연계한 해수담수화시스템의 구성도 가능하다. 또한 본 발명은 종래의 기술과는 달리 2∼3wt.%의 해수로부터 제염에 필요한 8∼25wt%의 농축염수를 얻을 수 있기 때문에 이를 기존 염전(solar evaporation pond)의 1/10정도 면적 또는 태양열 온실을 이용하여 식용 천일염을 부산물로 생산할 수 있다.

상기와 같은 본 발명의 원리를 이용 본 발명의 목적을 달성하기 위한 실시예를 이하 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2는 바닷물 취수부분을 제외한 MVR증발방식의 해수담수화 시스템의 전체 구성도를 나타낸 것인데, 도 2에서 증기의 경로는 굵고 옅은 색으로 표시된 화살표로 도시하고 담수(응축수)의 경로는 일점쇄선의 화살표로 도시하며, 해수의 경로는 실선의 화살표로 도시한다

본 발명의 해수담수화 시스템은 크게 증발관(6, 7)과 원심식 증기압축기(5), 예열기(16), 그리고 다수의 펌프로 구성되어 있다. 먼저 바다에서 취수된 해수는 예열기(16)에서 각 증발관의 응축수(담수) 및 농축염수에 의해 적정온도로 예열된 후, 제 1증발관 (7)으로 공급되고, 제1증발관(7)에서 초기 시동용 증기에 의해 증발된다. 이때 증발된 증기는 제1증발관(7)보다 낮은 압력의 제 2증발관 (6)의 가열원으로 사용된 후 응축되며, 제2증발관(6)에서 증발된 T₁의 저온증기는 모터 또는 터빈(14)로 구동되는 원심식 증기압축기(5)에 의해 P₂및 T"₂로 압축·승온된다. 이렇게 원심식 증기압축기(5)에 의해 승온된 과열증기는 감온기(desuper-heater)(17)에서 포화증기 온도 T₂로 낮추어진 후 제 1 증발관(7)의 가열원으로 다시 사용함으로써 증기를 열매로 하는 하나의 폐루프 사이클을 구성하는데, 상기 감온기(17)는 제2증발관(16)의 응축수를 고속 터보증기압축기(15)에 의해 승온된 과열증기에 분사하여 온도를 T₂로 낮춘다.

이 같은 과정을 통해 담수와 농축염수가 얻어지는데, 그 과정을 살펴보면 온도 T₂로 낮추어진 증기가 제1증발관(7)에 공급되면 여기에서 담수가 응축되며 이 응축된 담수는 상술한 바와 같이 예열기(16)에 공급되어 취수된 해수를 가열한 후 배출 수집되고, 제2증발관(6)에서 응축된 담수는 예열기(16)에 공급되어 취수된 해수를 가열한 후 배출 수집된다.

이와 같이 각 증발관에서 응축된 응축수는 취수해수와 열교환된 뒤 배출펌프(15)에 의해 담수로써 자동배출되며, 농축염수는 제 1증발관(7)과 제2증발관(7)에서 상술한 과정을 통해 농축되는데 제1증발관(7)에서 농축된 농축염수는 제2증발관(6)으로 일단 이송되어 제2증발관(6)에서 다시 한번 가열 농축되어 최종 배출되는 것이다.

제 2 증발관(6)에서 최종 농축된 염수(Brine)는 배출관로에 설치된 염분농도 센서(13)에 의해 그 염도가 측정되어 설정된 염분농도 예를 들어 8∼25wt.%염분농도 이하의 농도이면 전자적으로 제어되어 농축염수 배출관로를 차단하는 밸브(18)가 농축염수의 배출을 자동으로 차단하여 농축염수는 다시 제2증발관으로 순환되게 하여 재차 농축되게 한다.

이렇게 염분농도가 조절된 농축염수는 배출펌프(10)에 의해 예열기(16)로 공급되어 취수된 해수와 열교환하고 최종적으로 배출 수집된다.

이렇게 수집된 농축염수는 기존 염전의 결정지나 도 4의 태양열을 이용한 온실로 이송되어 소금 생산에 쓰여진다. 또한 원활한 해수공급과 제2증발관의 진공유지를 위하여 해수 공급관로상에 해수공급펌프(8)를 설치하고 제2증발관(6)에 진공펌프(12)가 설치되며, 균일농도의 농축염수의 공급을 위해 각 증발관에 순환펌프(9 )(11)를 각각 설치하였다. 그리고 농축염수의 농도를 제어하기 위해 농축염수 배출관로에 제어밸브(18)가 설치된다.

이상과 같은 구성으로 이루어진 본 발명에 따른 기계적 증기압축식 해수 담수화 장치는 최종적으로 배출되는 담수와 농축염수 자체 열을 취수된 해수의 예열에 사용하기에 그만큼 에너지 효율이 높은 장치이고, 농축염수의 염분농도를 자동으로 제어하여 분리생산 할 수 있는 장치인 것이다.

즉 본 발명은 기존의 증발법의 장점은 그대로 유지하면서 자체 공정에서 발생하는 저온의 증기폐열을 재이용함으로써 가열과 냉각을 따로 반복하는 기존 증발법에 비해 에너지소비량을 약 1/15∼1/25로 대폭 감소시킨 획기적인 에너지절약형 해수담수화 방법이다. 따라서 지금까지 빗물과 육지로부터 수송되어온 식수에 주로 의존해 왔던 국내 약 457개소의 섬지역 주민들의 물 부족 해소는 물론 해안 고립지역의 호텔, 휴게소, 골프장등의 식수 또는 생활용수 해결을 위한 새로운 담수화 기술로 확대보급될 수 있을 것으로 기대된다. 특히 본 발명은 이와 유사한 종래기술과는 달리 8∼25wt.%의 고농도 염수를 부산물로 얻을 수 있으므로 이를 이용할 경우 기존의 천일염 생산에 필요한 염전의 면적을 1/10정도로 대폭 줄일 수 있을 뿐만 아니라 약 30만원/톤 정도의 값비싼 청정 식염을 제조함으로써 본 장치의 부가가치를 더욱 높일 수 있을 것으로 기대된다. 이는 최근 간척지 증가와 해양오염, 그리고 소금시장의 수입개방으로 국내 주요 염전들이 급격히 폐쇄되고 있고, 현재 해수담수화가 필요한 주 대상지역이 육지로부터 멀리 떨어진 서·남해의 청정도서 지역이라는 점을 고려할 경우 그 기대효과는 매우 클 것으로 생각된다. 또한 본 기술의 원리는 석유 및 식품공장 등의 증류 및 건조공정이나 각종 산업폐수 또는 폐액처리 분야 등에 손쉽게 응용할 수 있어 이들 분야의 획기적인 에너지절약 또는 수질오염개선에 크게 기여할 수 있을 것이다.

Claims

취수된 해수를 예열하는 예열기(16)와; 가열된 해수에서 담수와 농축염수를 얻는 제1증발관(7)과 제2증발관(6)과; 2증발관(6)으로부터 공급된 증기를 단열압축하는 터보증기압축기(5)와; 염도를 감지하는 염분농도센서(13)와; 제어밸브(18) 및 다수의 펌프가 구비되어 해수로부터 담수와 농축염수를 분리추출하는 기계적 증기재압축식 해수담수화장치.
제1항에 있어서 예열기(16)는 배출되는 담수와 농축염수의 열을 취수된 해수와 열교환하도록 하여 취수된 해수를 가열하는 기계적 증기재압축식 해수 담수화 장치
제1항에 있어서 염분농도센서(13)는 배출되는 농축염수의 염분농도를 측정하여 기준치와 대비 저농도이면 밸브(18)가 자동으로 농축염수의 배출을 차단하여 농축염수를 증발관으로 재순환하게 하여 최종 배출되는 농축염수의 염분농도를 제어하는 기계적 증기재압축식 해수 담수화 장치
제3항에 있어서, 최종 배출되는 농축염수의 염분농도의 제어범위는 8∼25wt .%인 기계적 증기 압축식 해수 담수화 장치