3.1 시스템의 구성 및 운전
3.1.1 시스템 구성
제 3 장 동결농축폐수처리시스템의 설계
M
Cold brain tank Evaporator Warm brain tank
Condenser Refrigerator Ice maker
Fresh water tank Waste-water tank
Concentrate tank Waste-water
Concentrated Ice storage tank
Air bubble waste-water
Fig. 3.1 Waste-water FC system process[38]
시스템의 특징으로는 기존에 연구된 내용들을 반영하여, 오염물질의 분리 효율을 높이기 위해 동결속도의 개선, 과냉각해소 방안 및 동결계면의 고농도 오염물질 확산 방법이 적용되었다. 일반적으로 완만한 동결이 이루어 질 때 분리효율이 높아지므로 종래에는 얼음의 성장속도가 2 ~ 3 ㎜/h 정도였으나 이 시스템에서는 15 ㎜/h에서도 목표하는 분리가 가능한 것으로 보고되었다.
또, 동결 초기 과냉각으로 인한 용질의 몰입을 최대한 배제하기 위해 냉각면 에 맑은 물을 이용하여 얇은 얼음(ice-lining)을 착빙한 후 폐수를 동결해 과냉 각 에너지를 흡수하도록 하였다. 얼음의 성장과 함께 동결계면에는 빙층으로 부터 배제되는 오염물질이 다량 분포하여 농도가 높아진다. 이때 오염물질의 수용액내 확산 속도보다 동결층의 성장속도가 빠르면 분리효율이 떨어지므로, 교반을 통해 빠르게 확산시키는데 주로 펌프나 교반기(agitator)가 연구되어 왔 다. 그러나 이 시스템에서는 펌프나 교반기를 사용하지 않고 에너지 소모가 적은 기포를 분사하여 유동을 가해 교반하고 있다[38]. 시스템은 에너지 효율을 높이기 위한 방법으로 열손실을 최소화할 수 있도록 증발기와 응축기를 탱크 내장형으로 구성하고, 탈빙과정에서는 일반 제빙기에 사용하는 핫가스 방식을 대신하여 응축기의 온열을 축열한 온브라인을 순환하는 시스템을 채택하였다.
냉동부는 일반적인 압축식 냉동기의 구성과 동일한 압축기, 응축기, 팽창밸 브, 증발기 등으로 구성되어있다. 저압의 냉매 가스가 압축기로 흡입되어 고압 가스로 압축된 후 응축기로 보내지는데 특이한 것은 응축기 발열량을 온브라 인으로 회수할 수 있도록 온브라인 탱크 내에 응축기를 설치한 것으로, 열손 실을 최소화하고 구조를 간단히 할 수 있다. 이는 회수된 온열을 다시 탈빙 과정에 활용하여 에너지 효율을 높이기 위한 방법이다. 응축기를 통과한 고압 의 액냉매는 팽창밸브와 증발기를 지나며 주위로부터 흡열 작용을 통해 저압 의 가스 냉매로 상변화하며 주위 온도를 냉각시키게 된다. 시스템에서는 증발 기를 냉브라인 저장탱크 내에 설치하여 냉브라인과 열교환을 쉽게 했으며, 구
브라인순환부는 폐수를 동결온도 이하로 냉각시키기 위해 냉동부로부터 설 계온도로 조절된 냉브라인을 제빙기에 순환시키는 냉브라인 순환라인과 동결 농축과정이 종료되면 제빙관에 착빙된 얼음을 분리하는 탈빙과정에서 이용되 는 온브라인 순환부로 구성된다. 온브라인은 냉동기의 응축기로부터 온열을 회수하여 고온으로 가열된 후 제빙부에 공급되어 제빙관과 동결층의 접촉면을 가열하게 된다. 이때 접촉면이 융해되어 착빙된 얼음이 자연스럽게 분리되도 록 하였다. 브라인순환부는 냉브라인 탱크, 온브라인 탱크, 각 순환펌프들로 구성하였다.
폐수처리부는 실제 공급된 폐수를 빙점이하로 냉각하여 냉각면에 동결층을 형성, 성장시키는 시스템의 핵심장치로 제빙관이 설치되어 브라인과 폐수 용 액간의 열교환이 이루어진다. 제빙관의 형태로는 주로 원관과 각관의 형태가 사용되며 제빙관에서 동결층의 성장방향은 관내부와 관외부 성장방식이 주로 연구되어오고 있다. 여기서는 2장의 실험에서 검토한 원관형의 제빙관 외부에 얼음이 성장하는 방식을 채택하였다.
폐수처리부의 제빙관에는 보다 순수한 얼음을 추출하고자 분리효율을 높일 수 있는 기포를 분사하도록 하였다. 기포를 분사하는 방법은 실험을 통해 분 리효과가 더 우수한 것으로 확인된 동결계면 직접분사법을 선택하여 동결속도 의 조절과 동결계면에서의 고농도 폐수를 확산시키도록 하였다. 기포는 폐수 내에 분사되기 전에 충분히 냉각하여 열손실을 최소화하도록 하였다. 기포분 사법을 선택한 이유는 처리대상이 되는 수용액에 유동을 가하기 위한 방법으 로 주로 교반기(agitator)를 사용하는 방법과 펌프로 관내를 순환시키는 방법이 연구되어 왔으나 기포분사법의 경우, 펌프나 교반기에 비해 사용하는 에너지 의 양이 적고 구조가 간단해지는 장점이 있어 이를 적용하였다.