KR20100109552A - 증기 재순환 시스템을 구비한 ｍｓｆ식 담수화 유닛을 사용하여 염수를 담수화하는 방법 및 설비 - Google Patents

증기 재순환 시스템을 구비한 ｍｓｆ식 담수화 유닛을 사용하여 염수를 담수화하는 방법 및 설비 Download PDF

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밥콕 보시그 세르비스 게엠베하
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Abstract

물 생산 또는 설비 용량, 또는 담수화 설비의 이들 출력비(G.O.R.: gained output ratio), 또는 공정 효율 및 증류수 수질의 관점에서 기존의 담수화 유닛들의 성능을 증가시키기 위한 본 발명의 염수 담수화 방법 및 설비는, 적어도 하나의 염수 가열기(1), 다단 증발(MSF)식 증류 유닛(2)들로 이루어진 담수화 구역, 및 선택적인 탈기기(5)를 구비하고, 상기 담수화 구역은, 염수를 응축시켜서 증류수를 얻는 열회수부(3) 및 열배출부(4)를 포함하고, 그 특징으로 하는 바는, 상기 열배출부(3) 및/또는 열회수부(4) 중 적어도 하나의 스테이지에서 생산된 증기를, 증기화 해수 유동과 관련해서 볼 때에 상류측인 부분 또는 스테이지로 보내는 적어도 하나의 증기 재순환 도관(22)을 마련한 것이다.

Description

증기 재순환 시스템을 구비한 ＭＳＦ식 담수화 유닛을 사용하여 염수를 담수화하는 방법 및 설비{METHOD AND PLANT FOR THE DESALINATION OF SALT WATER USING MSF DESALINATION UNITS WITH A STEAM RECIRCULATION SYSTEM}
본 발명은 가열 증기에 의해 에너지를 받는 염수 가열기를 구비하는 입열부, 다단 증발(MSF: multi-stage flash)식 증류 유닛들로 이루어진 열회수부, 열배출부, 선택적인 탈기기를 사용하여 염수를 담수화하는 방법과, 적어도 하나의 염수 가열기 및 다단 증발(MSF)식 증류 유닛들로 이루어진 담수화 구역을 구비하는 염수 담수화 설비에 관한 것이다.
예열된 해수(sea water)는 재순환 염수(brine)로서 열회수부(heat recovery section) 안으로 펌핑되는데, 그 열회수부에서 염수는 증발기 쉘(evaporator shell) 내측에 생성된 증기의 응축에 의해 관 다발 내에서 점진적으로 예열된다. 응축된 증기는 증류수 스트림(distillate stream)으로서 모여져서 하류측 설비/소비자에게 펌핑된다.
특히, 본 발명은 MSF식 담수화 설비와 관련된 것이다. 이러한 MSF식 담수화 설비는 2개의 다른 온도, 즉 염수의 최고 공정 온도(이는 통상적으로는 스케일링 문제로 인해 110 내지 115℃ 이상으로 증가할 수 없다)와 일반적으로 해수 온도인 주위 환경 온도 사이에서 작동하는 열 공정에 기초한 것이다.
개략적인 관점에서, MSF식 담수화 공정은 도 2를 참조하여 간단히 설명할 수 있는데, 도 2에서는 다음과 같은 3개의 다른 부분들이 구분되어 있다. 즉,
- 보일러 또는 다른 가열 설비로부터 나오는 가열 증기를 통해서 열을 공정으로 공급하게 되는 입열부(heat input section) 또는 염수 가열기(brine heater).
- 증기화되는 염수 스트림(flashing brine stream)으로부터 관 다발 내측의 재순환 염수까지의 공정에서 열을 전적으로 내부에서 교환하는 열회수부.
- 공정 스트림(process stream)과 새로운 찬 해수 스트림 사이에서 열을 교환하게 되는 열배출부. 설비의 이 부분의 온도는 낮기 때문에 열에너지의 대부분의 양은 해양수로 버려지고 단지 적은 양만이 공정에 메이크-업 유동(make-up flow)으로 회수된다.
열회수부 및 열배출부 모두는 다수의 증발 스테이지들을 포함한다. 그 각각의 스테이지에서 증기화 염수(flashing brine)는 증발실 안으로 물보라치며, 그 증발실에서 증기화 염수는 열에너지의 일부를 방출하여 순수 증기를 생성한다. 생성된 증기는 스테이지의 응축 구역에 이르게 되고, 응축 중에 그의 열에너지를 재순환 염수로 방출하거나(열회수부) 찬 해수 스트림으로 방출한다(열배출부).
프랑스 특허 공보 15 79 110호에는 여러 가지 다른 방식의 증기 압축(VC: vapor compression) 설비, 즉 ME(ME = 다중 효과(multi effect)) 또는 MSF(다단 증발(multi-stage flash)) 방식의 설비가 설명되어 있는데, 이들 두 방식은 모두다 하류측에, MSF 설비를 통하여 실현되는 메이크-업 예열부(make-up preheating)를 구비한다. 이 특허 공보의 도 1에는 증기 압축 설비(ME 방식)가 더 높은 공정 온도에서 작동하는 것으로 도시되어 있다. 메이크-업 스트림은 소금물 중의 열량과 설비의 상기한 부분에 존재하는 증류수 중의 열량을 사용하여 MSF를 통하여 예열된다. 이와 유사하게, 도 2에는 더 높은 공정 온도에서 작동하는 증기 압축 설비(MSF 방식)를 도시하고 있다. 메이크-업 예열은 MSF 설비를 통해서 달성된다. 개시된 다른 실시예들은 배압 스팀 터빈을 추가의 물을 생산하는 데에 어떻게 사용할 수 있는가를 보여주고 있으며(배출 증기가 추가 MSF 설비의 염수 가열기로 공급됨), 그와 아울러 앞에서 이미 설명한 설비의 압축기를 구동하는 데 어떻게 사용될 수 있는가를 보여주고 있다.
독일 공개 특허 공보 15 17 493호는 MSF 설비에 적용되는 "증기 압축기 사이클"에 대해 언급하고 있다(이러한 조합은 조합형 담수화 사이클 또는 하이브리드 시스템 사이클이라고도 알려져 있음). 압축기는 증기 터빈에 의해 작동되는 기계적 압축기 또는 왕복동 압축기이다. 터빈과 압축기의 증기는 염수 가열기로 방출된다.
미국 특허 3,396,086호에는 증기 세척 설비가 개시되어 있는데, 이는, 다단 증기화 염수 예열 설비를 포함하기도 하는 증기 압축 담수화 유닛의 기계적 압축기 내측에 스케일이 형성되는 데 따른 문제점들을 최소화 및 해소하고자 하는 것이다.
미국 특허 2,759,882호는 MSF 설비를 포함하는 조합된 사이클에 의해 증기 압축(VC) 공정("증기화(flash)" 또는 "관 잠수 방식(submerge tube type)")의 성능을 향상시키고자 한 조합형 담수화 사이클 VC(증기 압축) 및 MSF(다단 증발)에 대해 개시하고 있다. 이 MSF 설비는 VC 공정용 염수를 예열하고, 분출되는 염수와 증류수 스트림으로부터 열을 회수하는 데 목적을 갖고 있다. 여기서는 VC 순수 공정을 위해 증류수 냉각기와 분출 냉각기가 필요하다. 도 1에 도시된 공지의 공기 배출기는 여전히 현대의 모든 MSF 유닛에 존재하고 있으며 응축되지 않는 기체들을 설비로부터 제거하는 목적을 갖고 있다.
독일 특허 공보 1 143 392호에는 조합형 발전 및 담수화(MSF) 사이클이 개시되어 있다. 이것의 MSF 공정에서, 다수의 고온 스테이지들은 저온 스테이지들에 비해 더 많은 생산물을 갖는다. 공정의 첫 번째 절반 부분은 두 번째 부분에 비해 30% 많이 생산물을 생산한다. 이 때문에, MSF의 두 번째 부분에서 생성된 증기를 에너지 생산용으로 활용할 것을 제안하고 있다. 이 에너지는, 선택적으로는, 염수 가열기로 보내지는 증기를 증가시킬 수 있게 하는 터보 압축기용으로 사용될 수 있다고도 한다.
본 발명은 설비 성능비와 이득 출력비(G.O.R.: gained output ratio)를 증가시키기 위해 기존의 담수화 유닛에 대해 변경을 적게 가하고도 그 소기의 목적을 달성하고자 하는 것이다.
본 발명의 주 목적은 기존의 담수화 유닛의 성능을 다음의 관점, 즉
- 물 생산 또는 설비의 용량,
- 담수화 설비의 G.O.R.(이득 출력비) 또는 공정 효율, 그리고
- 증류수 수질의 관점에서, 증가시키고자 하는 것이다.
본 발명의 목적은, 방법 발명에 있어서는, 특허청구범위 제1항의 전문부에 특정된 기술 구성들을 구비하는 방법으로서, 열배출부 및/또는 열회수부 중 적어도 하나의 스테이지에서 생성된 증기를 취출해서, 증기화 염수 유동과 관련해서 볼 때에 상류측인 부분으로 펌핑하는 것을 특징으로 하는 방법에 의해 달성된다. 본 발명은 MSF식 담수화 설비 내에 존재하는 잠열, 즉 사용하지 않으면 소실되게 되는 잠열을 사용할 수 있다는 것을 인지한 것이다.
일반적으로, 저장할 증기의 양은 열배출 스테이지로부터 취해진 증기의 양과 대략 같다. 공학적 계산 공식에 의하면, 상기 저장되는 양은 담수화 성능, 특히 설비의 G.O.R.(이득 출력비(gained output ratio), 단위: 증류수 또는 떠나는 증기의 Kg)에 대해 긍정적 영향을 미친다는 것을 알 수 있다.
본 발명에 따른 설비의 양호한 일 실시예에 따르면, 배출부의 적어도 한 스테이지에서 생산된 증기는 염수 가열기로 공급되는 가열 증기 안으로 펌핑된다.
본 발명에 따른 또 다른 바람직한 교시와 관련해서 보면, 증류부의 적어도 한 스테이지에서 생산된 증기는 증기화 염수 유동과 관련해서 볼 때에 상류측인 또 다른 증류부로 펌핑된다.
또 다른 양호한 실시예는 증류부의 적어도 한 스테이지에서 생산된 증기가 염수 가열기로 공급되는 가열 증기 안으로 펌핑되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 목적은, 염수 담수화 설비에 있어서는, 배출부 및/또는 열회수부 중 적어도 하나의 스테이지에서 생산된 증기를, 증기화 염수 유동과 관련해서 볼 때에 상류측인 부분 또는 스테이지로 보내는 것에 의해 해결된다.
본 발명의 또 다른 교시에 따르면, 추가의 증기 재순환 도관용의 추가 펌프를 제공한다. 이와 같은 추가 펌프는 증기 유동 및 담수화 공정과 관련한 그 증기의 양을 제어하는 데 도움이 된다.
본 발명의 또 다른 양호한 실시예는 추가적인 증기 재순환 도관에 증기 제트 배출기를 제공하는 것이다.
상기와 같은 열배출부로부터 입열부까지의 증기 재순환에 의해 달성될 수 있는 이점들은 본 발명의 범위 내에서, 다음과 같이, 증기 재순환 도관들에 대한 많은 변경들을 가능하게 한다. 즉,
- 임의의 열배출 스테이지로부터 이보다 높은 응축 온도를 취하고 있는 임의의 다른 열배출 스테이지까지.
- 임의의 열배출 스테이지로부터 임의의 열회수 스테이지까지.
- 임의의 열회수 스테이지로부터 이보다 높은 응축 온도를 취하고 있는 임의의 다른 열회수 스테이지까지.
- 임의의 열회수 스테이지로부터 입열부(염수 가열기)까지.
- 상기한 바와 같은 경로들 중 임의의 조합.
본 발명은 기존의 MSF식 담수화 유닛, 대향류 방식 또는 관을 길게 한 설계 방식의 것, 단일, 이중, 또는 다중 데크 방식의 것 모두를 포괄하는데, 이에 제한되지는 않는다. 본 발명의 범위는 다수의 각기 다른 추가적인 이점들을 발휘할 수 있는 새로운 담수화 설비도 포괄한다.
본 발명, 특히 본 발명에 따른 방법의 또 다른 바람직하고 유리한 실시예들은 종속 청구항에 특정하였으며 도면에 도시하고 있다. 더욱이, 본 발명은 본 명세서에서 설명하거나 예시하고 있는 실시예들의 임의의 조합이나 변형들을 포함한다.
이하에서는, 예시적인 양호한 실시예들만을 보이고 있는 도면에 기초하여 본 발명을 상세히 설명하고, 그 실시예들에 의거해서 본 발명에 따른 방법의 기능과 각 설비에 대해서도 상세히 설명한다.
도 1은 에너지 생산을 위한 증기 터빈 공정의 개략도이다.
도 2는 당해 기술 분야의 기술 상태에 따른 MSF식 담수화 설비의 개략도이다.
도 3은 본 발명에 따른 증기 재순환 시스템의 양호한 제1 실시예를 개략적으로 도시한 개략도이다.
도 4는 본 발명에 따른 증기 재순환 시스템의 또 다른 양호한 실시예를 개략적으로 도시한 개략도이다.
도 5 내지 도 8은 본 발명에 따른 증기 재순환 시스템의 또 다른 가능한 조합의 예를 보이는 도면이다.
열역학적 관점에서 아주 잘 알 수 있는 바와 같이, 임의의 에너지원으로부터 회수될 수 있는 에너지는 그 에너지원과의 온도차 및 주변 환경계에서의 최소 가용 온도에 따라 달라진다. 가용 에너지 중에서'적은 양'의 에너지는 쉽고 경제적으로 회수할 수 있지만, '아주 많은 양'의 에너지는 그렇게 쉽게 회수할 수 없다.
이상에서의 설명을 본 발명과 관련해서 다음과 같은 예를 들어 더 구체적으로 설명한다.
증기는 '잠열'또는 '응축열'이라고도 하는(기술적 관점에서는 엔탈피라고 칭하는 것이 더 바람직함) 아주 많은 에너지 함량을 갖는다. 이와 같은 에너지는 어떠한 방식으로든지 간에 회수될 수 있으며 그 압력(그 결과인 응축 온도)이 적합하게 높은 경우라면 증기 터빈을 통해서 기계적 에너지로 변환될 수 있다. 증기 압력은 터빈 안에서 팽창하는 중에 점진적으로 감소하게 되며, 공정 종료 시에 잔류 에너지는 도 1에 도시된 바와 같이 응축기를 통해서 주위 환경으로 배출(폐열)되는데, 그 이유는 그 폐기되는 에너지의 온도(압력)가 너무 낮아서 회수하기가 쉽지 않기 때문이다.
도 2에는 당해 기술 분야의 기술 상태에 따른 MSF식 담수화 설비의 개략도가 도시되어 있다. 이 설비는 염수 가열기(1), 다수의 증발 스테이지(2)들을 포함하는 열회수부(3), 열배출부(4), 및 선택적인 것인 탈기기(5)를 포함한다. 각 스테이지에서 재순환 해수의 일부가 증기화되고, 그 증기가 응축되어 증류수가 얻어진다. 해수는 펌프(7)에 의해 도관(6)을 통해서 열배출부(4) 안으로 펌핑되고, 이어서 도관(8)을 거쳐서 탈기기(5) 안으로 '메이크-업'으로서 공급된다. 과잉 해수는 도관(9)을 거쳐서 배출된다.
탈기된 해수와, 응축된 염수의 일부는, 해수 재순환 펌프(11)에 의해 도관(10)을 거쳐서 열회수부(3) 안으로 얹혀져서, 각기 다른 MSF식 증류 스테이지(2)들을 냉각하게 된다. 마지막 유닛(2)(도 2에서 맨 좌측의 것)을 떠난 염수는 염수 가열기(1)에서 가열되고서, 도관(12)을 거쳐서 열회수부(3)의 상기 마지막 열회수 유닛(2)(맨 좌측의 것)으로 다시 돌아가고, 거기서부터는 다시 역방향인 유동 방향으로 다른 증류 유닛(2)들 모두로 들어간다.
염수 가열기(1)는 열원(도시되지 않음)으로부터 도관(13)을 거쳐서 나오는 증기에 의해 가열된다. 염수 가열기(1) 내의 응축수는 펌프(15)에 의해서 도관(14)을 거쳐서 배출된다.
마지막 유닛(2)(도 2의 맨 우측의 것)을 떠나는 증기화 해수(flashing brine)는 도관(16)을 거쳐서 열배출부(4) 안으로 흘러 들어가고, 상기 열배출부에서는 증류수가 생성된다. 상기 염수는 다시 도관(17)을 거쳐서 탈기기(5) 안으로 들어가고, 탈기기에서부터 다시 염수 재순환 과정이 계속된다. 과잉 염수는 염수 펌프(19)에 의해 탈기기(5)로부터 도관(18)을 거쳐서 제거되어 밖으로 분출된다.
열회수부(3)와 이에 이어지는 열배출부(4)에서, 염수가 냉각관들에서 응축되고, 이렇게 해서 모인 증류수는 증류수 펌프(21)에 의해서 도관(20)을 거쳐서 배출된다.
도 2 및 앞에서 설명한 물리 현상으로부터 쉽게 알 수 있는 바와 같이, 열배출부(4)의 하나 이상의 스테이지들에서 생산된 증기를 취출해서 그 증기를 입열부(염수 가열기(1)) 안으로 펌핑할 수 있다면, 보일러나 혹은 다른 공정에서 나오는 많은 양의 가열 증기를 보존할 수 있다.
결국, 본 발명은, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 열배출부(4)로부터 입열부(염수 가열기(1))까지의 구간에 증기 재순환 시스템을 마련할 수 있게 하는, MSF 공정에 대한 모든 형태의 변경들을 포괄한다. 도 3을 보면, 증기는 열배출부(4)의 제1 스테이지로부터 도관(22)과 펌프(23)를 통해 취출되어서, 염수 가열기(1)로 보내지고 있는 가열 증기에, 공급된다.
본 발명의 목적인 증기 재순환 시스템은 도 3에 도시된 바와 같이 순환하는 증기 또는 부피 있는 증기에 의해 달성되거나, 도 4에 예시하는 바와 같이 증기 제트 배출기(24)를 구비시킴으로써 달성된다.
도 5, 도 6, 도 7 및 도 8은 본 발명에 따른 증기 재순환 시스템의 가능한 조합들에 의해 형성된 일부 양호한 실시예들을 도시하고 있는 것이다.
도 5는 증기 재순환 도관(22)이 열배출부(4)에서부터 열회수부(3)로 이어지는 것을 예시하고 있는 것이다. 도 6은 열회수부(3) 내의 재순환 도관(22)과 펌프(23)를 예시하고 있는 것이다. 도 7은 증류 스테이지(2)와 입열부 사이의 증기 재순환 도관(22)과 펌프(23)를 예시하고 있는 것이다. 도 8에는, 각 펌프(23, 23', 23")를 구비하고 있는 각기 다른 재순환 도관(22, 22', 22")들의 조합을 도시하고 있는 것이다.

Claims (7)

  1. 가열 증기에 의해 에너지를 받는 염수 가열기를 구비하는 입열부, 다단 증발(MSF)식 증류 유닛들로 이루어진 열회수부, 열배출부, 및 선택적인 탈기기를 사용하는 염수 담수화 방법으로서, 해수가 탈기되어서 열회수부 및 열배출부 안으로 재순환 염수로서 펌핑되고, 상기 열회수부 및 열배출부에서 염수가 응축되어 증류수가 얻어지게 되는, 염수 담수화 방법에 있어서,
    상기 열배출부 및/또는 열회수부 중 적어도 하나의 스테이지에서 생산된 증기를 취출해서, 증기화 해수 유동(flashing brine flow)과 관련해서 볼 때에 상류측인 부분 또는 스테이지로 펌핑하는 것을 특징으로 하는 염수 담수화 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    열배출부의 적어도 한 스테이지에서 생산된 증기를, 염수 가열기로 공급되는 가열 증기 안으로 펌핑하는 것을 특징으로 하는 염수 담수화 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    증류부의 적어도 한 스테이지에서 생산된 증기를, 증기화 해수 유동과 관련해서 볼 때에 상류측인 또 다른 증류 스테이지로 펌핑하는 것을 특징으로 하는 염수 담수화 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    증류부의 적어도 한 스테이지에서 생산된 증기를, 염수 가열기로 공급되는 가열 증기 안으로 펌핑하는 것을 특징으로 하는 염수 담수화 방법.
  5. 적어도 하나의 염수 가열기(1), 다단 증발(MSF)식 증류 유닛(2)들로 이루어진 담수화 구역, 및 선택적인 탈기기(5)를 구비하는 염수 담수화 설비로서, 상기 담수화 구역은, 염수를 응축시켜서 증류수를 얻는 열회수부(3) 및 열배출부(4)를 포함하는 구성으로 된, 염수 담수화 설비에 있어서,
    상기 열배출부(3) 및/또는 열회수부(4) 중 적어도 하나의 스테이지에서 생산된 증기를, 증기화 해수 유동(flashing brine flow)과 관련해서 볼 때에 상류측인 부분 또는 스테이지로 보내는 적어도 하나의 증기 재순환 도관(22)을 마련한 것을 특징으로 하는 염수 담수화 설비.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 추가적인 증기 재순환 도관(22)용의 추가 펌프(23)가 마련된 것을 특징으로 하는 염수 담수화 설비.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 추가적인 재순환 도관(22)이 증기 제트 분출기(24)로 이어지는 것을 특징으로 하는 염수 담수화 설비.
KR1020107015442A 2008-01-11 2009-01-12 증기 재순환 시스템을 구비한 ｍｓｆ식 담수화 유닛을 사용하여 염수를 담수화하는 방법 및 설비 KR20100109552A (ko)

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