A study on energy efficiency improvement of waste-water treatment system by freeze concentration method

다음 Figure 1은 상용화가 연구되고 있는 대표적 전진동결농축폐수처리장치이다[6]. 시스템은 동결 초기에 과냉각으로 발생하는 수지(樹枝)상의 빙층에 오염물질이 몰입되는 것을 방지하기 위해 초기빙층(ice-lining)을 형성시키도록 하고 폐수 중 오염물질을 분리해 내는 처리효율을 향상시키기 위해 동결층의 성장속도를 조절하고 동결계면의 고농도수용액을 주위로 확산시키는 기포분사법을 적용하였다[7][8].

시스템 해석을 위한 기본 설계데이터와 운전절차를 Table 1과 Table 2에 나타내었다. 폐수처리부에는 원통 다관의 제빙관이 설치되고 동결층이 원관 외부에 착빙된 후 성장하는 형태를 기준으로, 설계처리량에 따른 제빙관 수를 구하였다. 제빙관의 제빙 유효치수는 외경 φ100 ㎜ × 길이 1,500 ㎜ 관을 사용하고 동결층의 두께는 초기빙층 1 ㎜를 제외하고 상용화가 가능하다고 제안된 두께인 15 ㎜가 성장하는 것으로 하였다. Figure 2는 제빙관에 착빙된 동결층을 나타낸 것이다. 제빙기에 설치된 원관의 수(N_tube)와 초기빙층(ice- lining) 착빙량(M_ling)은 Table 3과 같다[9].

Figure 1

Waste-water freeze concentration system

Figure 2

Ice layer along cooling tube

Table 1

Data of system basic design

Table 2

Operation procedure and time

Table 3

Number of cooling tube at design capacity

초기빙층을 착빙하는데 필요한 열량(Q_ilf)은 청수의 배출온도를 1 °C라 할 때, 유입 청수온도를 배출온도로 냉각하는 열량(Q_fwc), 착빙되는 양 만큼의 청수가 동결온도로 냉각되는 열량(Q_fwf), 동결온도로 냉각된 청수가 얼음으로 상변화하는 총 잠열(Q_lh) 및 동결된 얼음이 -10 °C까지 냉각되는 열량(Q_ic)이 모두 제거되어야하며 식 (1)에서 계산하였다. Table 4는 유입량 중 70 %(175 kg)를 처리하는 완속운전시스템 및 급속운전시스템의 열량이며, Table 5는 설계처리량별 급속운전시스템의 열량이다.

Q_ilf = Q_fwc + Q_fwf +Q_lh + Q_ic        (1)

Table 4

Ice-lining freezing heat(Qilf) at each system(unit : kJ)

Table 5

Ice-lining freezing heat(Qilf) at design capacity(unit : kJ)

폐수 동결농축열량(Q_wwf)도 초기빙층과 같은 방법으로 다음 식 (2)로 Table 6과 같이 설계처리량별로 계산하였다. 실제 폐수의 비열은 종류에 따라 다르나 청수와 같다고 가정하였다

Q_wwf = Q_wwc + Q_fww +Q_lh + Q_ic        (2)

여기서, Q_wwc는 폐수 냉각열량, Q_fww는 폐수가 동결온도로 냉각되는 열량이다.

Table 6

Waste-water freezing heat(Qwwf) at design capacity(unit : kJ)

동결계면에서 배제된 오염물질의 확산과, 동결층의 성장속도를 조절하기 위해 각 제빙관에 5 ℓ/min의 유량으로 폐수 동결농축과정 60분 동안 연속해서 기포를 분사한다. 이때 분사된 기포로 인한 열손실을 최소화하기 위해 공기분사펌프 출구에서 설계온도로 공기를 냉각시켜 분사하는데 필요한 냉각열량(Q_air)은 식 (3)으로 계산하였으며, 그 결과는 Table 7과 같다.

Q_air = c_air × M_air ΔT            (3)

여기서, c_air는 공기의 비열 1.0048 kJ/kgㆍK, M_air는 기포분사량(kg)이다.

Table 7

Injection air cooling heat(Qair)

상용화 가능한 처리량 70 %(175 kg)를 기준으로 폐수 동결농축과정에서 100 % 부하로 시스템이 운전되도록 설계부하를 결정하였다. 폐수가 동결농축처리되는 과정에서 냉각된 기포가 분사되므로, 설계부하(Q_design)는 완속운전시스템의 경우는 식 (4)로 급속운전의 경우에는 청수 예냉열량(Q_fwpc)을 포함한 식 (5)로 계산하였다.

Q_design = Q_wwf + Q_air           (4)

Q_design = Q_wwf + Q_air + Q_fwpc        (5)

각 시스템에 필요한 냉브라인 순환량(F_design)도 설계부하에 맞게 식 (6)으로 계산하여 Table 8에 정리하였다.

여기서, ΔT 는 브라인 입출구온도차, c_b는 브라인 비열이다.

Table 8

Design load and cold brain flow rate

설계의 100 % 부하로 운전 중인 시스템을 Figure 3 및 Figure 4와 같이 모델링하였다. 해석은 상용 공정모사 프로그램인 Aspen HYSYS 7.3v로 수행했으며 적용된 모델 식은 냉동시스템에 널리 이용되는 Peng-Robinson 상태방정식(PR EOS)을 적용하였다[10]. 모델링은 운전과정 중 폐수를 동결농축하는 과정으로 해석을 통해 구성기기의 소비동력을 구하였다. 시스템은 냉동사이클로 구성된 냉동부, 냉브라인 순환회로, 동결과 냉각과정으로 표현된 폐수처리부의 제빙기, 그리고 공기냉각기 및 청수냉각기 등으로 모델링하였다.

냉동부는 크게 냉동사이클과 응축기 냉각회로로 구성된다. -30 °C의 낮은 증발온도에서 유리한 다단압축 냉동사이클로 2단 압축 1단 팽창식 냉동기를 적용하였다. 냉동기의 사용 냉매는 R-134a를 적용하였으며, 냉동기 성적계수(COP)는 냉동기의 효율이 동일한 조건에서 시스템 간 에너지 소모량을 비교하기 위해 시스템에 상관없이 2.14로 동일하게 유지하였다. 냉동부의 해석조건은 Table 9에 나타내었다.

폐수처리부는 원래 저온의 냉매와 고온의 폐수간 온도차로 전열현상이 발생하는 열교환기의 일종이다. 동결농축과정을 동결전의 폐수 냉각과 폐수 상변화 및 동결층의 추가냉각으로 단순화한 과정으로 모사하였다. 폐수 냉각열량은 동결농축 전의 손실현열이며, 잠열과 동결층 냉각열량은 실제 동결농축에 이용되는 제빙처리열로 구분할 수 있다. 기타 상세 해석조건은 Table 10에 나타내었다.

Table 9

Condition of refrigeration system

Table 10

Detail Condition for system analysis

Figure 3

System modeling without fresh water pre-cooler

Figure 4

System modeling with fresh water pre-cooler

시스템은 폐수동결농축과정 이외의 운전에서는 대부분 펌프들의 단기운전이 이루어진다. 단기운전하는 펌프는 청수 급수펌프(P_fs), 청수 배수펌프(P_fd), 폐수 급수펌프(P_ws), 농축폐수 배출펌프(P_wd), 탈빙운전 온브라인 펌프(P_wb)이다. 이들 펌프는 1분에서 3분 사이의 짧은 시간동안 사용되지만, 펌프의 일은 시스템 전체의 효율에 영향을 미치므로 Figure 5로 별도 모델링하여 소비동력을 구하였다. 단기운전 펌프들은 시스템과 상관없이 같은 조건으로 운전하며 사용 에너지도 동일하다. Table 11은 각 펌프의 해석조건이다. 산업용 폐수는 성상과 밀도가 다양하나 여기서는 청수와 같은 밀도로 가정하였다. 온브라인 냉각회로의 순환펌프가 탈빙운전 시에 온브라인을 제빙관에 공급하는 단기운전을 하므로 운전시간에 해당하는 소비동력을 별도 계산하였다.

Table 11

Condition of short-term operation pump

Figure 5

Modeling of short-term operation pump

운전과정 중 폐수 동결농축시간은 동결층의 성장속도와 관련되어 오염물질의 처리효율에 영향을 준다. 이 시간을 시스템 해석에서는 60분으로 동일하게 적용하였다. 폐수 동결농축과정과 초기빙층 착빙시간을 제외하고 다른 과정들은 시간이 같아 가장 중요한 영향인자는 초기빙층의 착빙에 소요되는 시간이다. 초기빙층 착빙시간 τ_il(min)은 초기빙층 착빙열량 Q_ilf와 시스템 설계부하 Q_design에 따라 다음 식 (7)로 구하여 운전시간을 Table 12에 정리하였다.

Table 12

Operating time at each system(unit : min)

설계부하는 폐수 동결농축처리과정에서 설계부하 100 %로 운전하도록 하였다. 급속운전시스템의 설계부하 Q_design은 식 (5)에서 구하였으며 냉브라인량도 설계부하에 따라 식 (6)에서 구하였다. 처리량에 따른 설계부하 및 냉브라인 순환량은 Table 13에 나타내었다.

설계의 100 % 부하로 운전 중인 폐수 동결농축과정을 급속운전시스템인 Figure 4와 동일하게 모델링하였다. 냉동기 성적계수는 냉동기의 효율이 동일한 조건에서 시스템 간 에너지 소모량을 비교하기 위해 처리량과 상관없이 2.14로 유지시키고, Table 13의 설계부하와 냉브라인 순환량을 반영하였다. 기타 설계열량의 변화에 따라 시스템 해석에 적용된 변수는 Table 14에 나타내었다.

Table 13

Design load and cold brain flow rate

Table 14

Parameters of system analysis

청수 급수펌프, 폐수 급수펌프는 유입량이 250 kg으로 일정하고 Table 11과 같은 조건으로 운전하므로 별도의 해석이 필요하지 않다. 그러나 청수 배수펌프는 초기빙층의 양이 달라지며, 농축폐수 배출펌프도 농축된 잔류 폐수의 양이 달라 소비동력을 별도로 구하여야 한다. 온브라인 펌프는 냉동부 온브라인 냉각회로의 펌프와 공용으로 사용하고 있어 응축기의 열량에 따라 펌프용량이 설계되므로 펌프유량을 기준으로 운전시간에 대한 소모동력을 구하였다. Table 15에 펌프유량 조건을 나타내었다.

설계처리량에 따른 운전시간을 계산하여 Table 16에 나타내었다. 초기빙층의 착빙량이 증가하여도 운전시간이 거의 같은 이유는 시스템의 설계부하가 동반 상승하여 초기빙층을 빠르게 착빙시킬 수 있기 때문으로 생각된다.

Table 15

Flow rate of short-term operation pump

Table 16

Operation time at design capacity(unit : min)