Transcript 오존 접촉효율 향상을 위한..

제 6 회 유체기계 핵심기술강습회 (2012)
오존 접촉효율 향상을 위한..
SPRAY INJECTION 기술
2012년 7월 3일
박성찬 (K-water 수도권수도건설단)
[email protected] , 031-270-9352
발표자 소개
발표자
사진
오존접촉효율향상을 위한
SPRAY INJECTION 기술
 2003. 2
동아대학교 졸업
 2004. 4
K-water 입사
 2004~2009
사천권관리단
 2010~2011
경남운영처
 2012~
수도권수도건설단
유체기계공업학회
목
차
오존접촉효율향상을 위한
SPRAY INJECTION 기술
1
오존설비 개요
2
오존주입장치 신규개발
3
유동해석 결과
4
기대 효과
※
Re-Injection 설비
유체기계공업학회
오존접촉효율향상을 위한
1. 오존설비 개요
SPRAY INJECTION 기술
오존의 물리적 특성
분자식
O3
산화전위
2.07 eV
분자량
48.0
냄새감지
0.02 ppm
비 중
2.14
(공기1.29)
용해도
1.09g/ℓ(0℃),
0.57g/ℓ(20℃)
끓는점
-112 ℃
대기허용농도
0.1ppm
OH (2.85eV), H2O2 (1.77eV), MnO4 (1.69eV),
HClO (1.63eV), Cl2 (1.36eV), K2Cr2O7 (1.33eV)
오존처리 장단점
- 맛, 냄새 유발물질 제거, 색도성분 제거
- 염소보다 산화력이 우수, 과잉 주입시 자기분해
- 잔류시간 짧음(관내 이차오염 우려), 소독부산물(브로메이트) 생성
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오존접촉효율향상을 위한
1. 오존설비 개요
SPRAY INJECTION 기술
오존공정 시설 개략도
원수
유입
공기
(AIR 식)
산소식
(액체산소)
정화
가스
배출
산소식
(PSA, VSA
산소 발생기)
원료가스
공급장치
처리수
유출
오존
발생기
오존
접촉시설
배오존
시스템
유체기계공업학회
1. 오존설비 개요
오존접촉효율향상을 위한
SPRAY INJECTION 기술
오존처리공정 계통도
유체기계공업학회
1. 오존설비 개요
오존접촉효율향상을 위한
SPRAY INJECTION 기술
오존발생 원리
[오존반응식] 3O2 + 전기에너지 ⇔ 2O3 + 열(발열반응)
유체기계공업학회
1. 오존설비 개요
오존접촉효율향상을 위한
SPRAY INJECTION 기술
오존생산비율과 냉각수온도와의 관계
유체기계공업학회
1. 오존설비 개요
오존생산량 공식
오존접촉효율향상을 위한
SPRAY INJECTION 기술
V 2  A F
Q 
D
Q : 오존생산량(g) , α : 방전관의 유전율, V : 방전전압(V),
A : 방전면적 (㎡),
F : 방전주파수(Hz), D : 방전간극(nm )
유체기계공업학회
1. 오존설비 개요
오존접촉효율향상을 위한
SPRAY INJECTION 기술
오존방전관 구조
가스흐름분류용
슬리브
고전압 전극
전자기 차단용
유리막
방출용 간극
STS 메쉬
(보이지않음)
STS 튜브
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오존접촉효율향상을 위한
1. 오존설비 개요
SPRAY INJECTION 기술
원료가스 공급시스템 장치구성
공기원료방식
공기압축기
After Cooler
PSA방식(산소발생기식]
공기압축기
After Cooler
액체산소 공급방식
액체산소탱크
기화기
Air Rec. Tank
수분분리기
냉동식 드라이어
Pre Filter
Air Filter
냉동식 드라이어
질소공급
(1~3%)
오존발생기
Air Rec. Tank
흡착식 드라이어
PSA 산소발생기
Post Filter
Air Filter
오존발생기
가스공급장치
산소 저장탱크
오존발생기
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오존접촉효율향상을 위한
1. 오존설비 개요
SPRAY INJECTION 기술
원료가스 공급시스템 비교
구분
공기원료방식
PSA방식
액체산소 공급방식
개요
공기 중에 포함되어
있는 산소 이용
공기를 원료로 산소
발생기로 산소를 발생
하여 사용
공장에서 생산된
산소를 공급받아 사용
산소 농도
21%
90%
99%
오존농도(g/N㎥)
15~40 (1~3wt%)
100~150 (7~10wt%)
120~180 (8~12wt%)
장점
- 현장에서 생산
- 화재위험 없음
- 설비복잡
- 질산형성 위험높음
단점
- 설치면적 소요 크다
- 기액비가 높아 오존
흡수율이 낮다
-
-
오존소비전력이 낮다.
오존흡수율이 높다.
중·대용량에 적합하다.
유지관리비가 낮다.
- 투자비가 액체산소식
보다 높다.
- 설치소요면적이 크다.
- 동력 인입용량이 높다
- 가동용량이 40~50kg/hr
이상일 경우 액체산소식
보다 경제성이 높다
오존소비전력이 매우 낮다
고장의 우려가 없다.
유지관리가 매우 용이하다
초기투자비가 매우 낮다.
오존흡수율이 높다.
- 지역에 따라 차이가 있으나
액체산소비가 높다.
- 고압가스 관리기사가 필요
하나 20톤 이하의 용량일
경우 불필요.
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1. 오존설비 개요
오존접촉효율향상을 위한
SPRAY INJECTION 기술
배오존처리시스템 - 촉매식
유체기계공업학회
1. 오존설비 개요
오존접촉효율향상을 위한
SPRAY INJECTION 기술
배오존처리시스템 - 열분해식
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오존접촉효율향상을 위한
1. 오존설비 개요
SPRAY INJECTION 기술
배오존처리시스템 비교
항목
파괴원리
촉매식
열분해식
활성탄흡착식
금속산화물의 촉매작용에
열에의한 오존가스의
오존과 활성탄과의 흡착
의해 분해
분해효율 향상
발열반응
- 습기의 영향이 없고
장점
- 투자비가 낮다
- 대용량 정수장에 적합
효율이 일정
- 국내실적이 제일 많다.
-
- 정수, 폐수에 적용가능
-습기에 매우 약하여
- 실험실적 규모로만 가능
실내설치
단점
-겨울에 외기온도로 인한
내부 응축수발생 사용불가
-촉매 교체비가 높다.
- 투자비가 비교적 높다
- 화재, 폭발의 위험이 높다.
-활성탄은 산소와 반응하므로
산소식에는 사용불가
유체기계공업학회
1. 오존설비 개요
오존접촉효율향상을 위한
SPRAY INJECTION 기술
오존접촉 시스템
diffusion system
injection system
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오존접촉효율향상을 위한
1. 오존설비 개요
SPRAY INJECTION 기술
오존접촉 시스템
multi radial ejector
stirring reactor
static mixer
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오존접촉효율향상을 위한
1. 오존설비 개요
SPRAY INJECTION 기술
오존전달 효율 VS 체류시간
Applied Ozone Dosage: 15-18 mg/l, Injector Outlet Pressure: 25 PSIG
100
98
96
94
92
90
88
86
0
10
20
Temperature 53 F (12 C)
Ozone Conc.: 9.8 - 12.2% wt
30
40
50
60
70
80
90
100 110 120
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1. 오존설비 개요
오존접촉효율향상을 위한
SPRAY INJECTION 기술
오존전달 효율 VS 수온&압력
유체기계공업학회
1. 오존설비 개요
오존접촉효율향상을 위한
SPRAY INJECTION 기술
오존전달 효율 VS 오존가스농도
유체기계공업학회
1. 오존설비 개요
오존접촉효율향상을 위한
SPRAY INJECTION 기술
오존전달 효율 VS 오존주입량
유체기계공업학회
1. 오존설비 개요
오존접촉효율향상을 위한
SPRAY INJECTION 기술
오존접촉 시스템 - 산기식
유체기계공업학회
1. 오존설비 개요
오존접촉효율향상을 위한
SPRAY INJECTION 기술
오존접촉 시스템 – Full Stream 방식
유체기계공업학회
1. 오존설비 개요
오존접촉효율향상을 위한
SPRAY INJECTION 기술
오존접촉 시스템 – Side Stream 방식
유체기계공업학회
1. 오존설비 개요
오존접촉효율향상을 위한
SPRAY INJECTION 기술
Side Stream 오존주입설비
유체기계공업학회
오존접촉효율향상을 위한
1. 오존설비 개요
SPRAY INJECTION 기술
오존주입설비 비교
구분
산기식
Side Stream
Full Stream
형태
산기관의 미세기공을 통하여
오존을 수중에 분출
원수 일부를 펌프로 가압하여
이젝터에서 혼합반응
원수 전부를 펌프로 가압하여
이젝터에서 혼합반응
용해효율
40~90%
95~98%
95~98%
적용실적
공기식의 대부분
산소식 중대규모 시설
산소식 소규모 시설
장 점
*구조가 간단하다
*기액비 영향없음
*동력이 필요하지 않다.
*고농도 용존오존 유지가능
*설치공간이 적다
*용해효율이 비교적 높다
*고농도 용존오존 유지가 가능
*설치공간이 적다
*용해효율이 높다
단 점
*설치공간이 크다
*막힘현상 발생
*유량이 적으면
유량분배 불량
*동력이 필요
*기액비에 영향을 받는다
*역류의 가능성
*동력이 필요
*기액비에 영향을 받는다
*역류의 가능성
원 리
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오존접촉효율향상을 위한
2. 오존주입장치 신규개발
SPRAY INJECTION 기술
기존시스템(Side Stream) 주입방식의 문제점
- 노즐간의 Dead Zone 이 발생하고 오존접촉조로 완전혼화 되지 못하고 오존접촉조로 유입됨.
- 용해주관의 빠른 유속으로 오존수는 정류공 외벽으로 치우쳐 있음
- 오존접촉효율 저하로 처리대상물질과의 처리효율도 떨어짐.
- 설비 및 운전에너지 손실이 크게 됨.
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오존접촉효율향상을 위한
2. 오존주입장치 신규개발
SPRAY INJECTION 기술
신규시스템(Spray Injection) 개요
항목
형식 및 규격
품명
스프레이 노즐
형식
Full cone
특성
내부에 라운드형벤 구조로 작은 구경에
많은 물량이 토출됨
수량
Total 4 sets
유체
오존수(오존가스+물)
용량
14400LPH(2400LPM)
설계 압력
0.07 Mpa g
운영 압력
0.03 Mpa g
구경 재질
200A (8”), SUS316L
분사각
120도
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비고
2. 오존주입장치 신규개발
오존접촉효율향상을 위한
SPRAY INJECTION 기술
신규시스템 전경
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2. 오존주입장치 신규개발
오존접촉효율향상을 위한
SPRAY INJECTION 기술
기존 및 신규시스템 비교
기존시스템(Side Stream)
모티브펌프 1대, 이젝터 1대
노즐 2대 (분사각 36˚)
설치 : 엇갈리게 수평설치
신규시스템(Spray-Injection)
모티브펌프 1대, 이젝터 1대
노즐 4대 (분사각 120˚)
설치 : 동일수직선상에 설치
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오존접촉효율향상을 위한
3. 유동해석 결과
SPRAY INJECTION 기술
신규시스템(Spray Injection) 오존수 체적분율 CFD 결과(유량 100%)
유량 100%
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오존접촉효율향상을 위한
3. 유동해석 결과
SPRAY INJECTION 기술
신규시스템(Spray Injection) 오존수 체적분율 CFD 결과(유량 60%)
유량 60%
유체기계공업학회
오존접촉효율향상을 위한
3. 유동해석 결과
SPRAY INJECTION 기술
신규시스템(Spray Injection) 오존수 체적분율 CFD 결과(유량 30%)
유량 30%
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오존접촉효율향상을 위한
3. 유동해석 결과
SPRAY INJECTION 기술
오존수 유량변화에 따른 3지점에서의 혼화변화
유량변화
단
면
1
거리변화
단
면
2
단
면
3
유량100%
유량60%
유량30%
유체기계공업학회
3. 유동해석 결과
오존접촉효율향상을 위한
SPRAY INJECTION 기술
기존시스템과 신규시스템의 믹싱효과 비교
유체기계공업학회
오존접촉효율향상을 위한
3. 유동해석 결과
SPRAY INJECTION 기술
기존시스템과 신규시스템의 믹싱효과 비교
기
존
단
면
1
기존시스템에서 보이는 Deadzone 이
신규시스템에서는 축소되어 나타남.
신
규
유량30%
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3. 유동해석 결과
오존접촉효율향상을 위한
SPRAY INJECTION 기술
기존시스템과 신규시스템의 믹싱효과 비교
기존시스템(점선) - 약 13% 농도분포, 비대칭형태
신규시스템(실선) - 10% 이상 분포, 대칭형태
→ 신규시스템이 완전믹싱이 되어 오존수 혼합효율 우수하여
결과적으로 동력 절감 요인이 된다
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3. 유동해석 결과
오존접촉효율향상을 위한
SPRAY INJECTION 기술
기존시스템(Side Stream) 분사 동영상
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3. 유동해석 결과
오존접촉효율향상을 위한
SPRAY INJECTION 기술
신규시스템(Spray Injection) 분사 동영상
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4. 기대 효과
오존접촉효율향상을 위한
SPRAY INJECTION 기술
기존시스템과 신규시스템 비교 결론
기존시스템(Side Stream)
기존시스템의 혼화지 근처 농도 분포는 약 13%정도의
농도를 나타내고 있으며 용해주관의 유량 때문에
비대칭형태를 보임. 노즐의 특성때문에 사구역이 발생
기대
효과
신규시스템(Spray-Injection)
신규시스템의 혼화지 근처 단면에서 10% 이상의 분포를
나타내고 있으며 대칭형태를 나타내므로 완전믹싱된 것
으로 판단됨. 신규시스템 노즐특성으로 사구역 감소
실질적인 오존접촉효율 증대
오존접촉지 규모 축소
용해주관(반응관로) 길이 축소
설치 및 운영유지비 감소
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오존접촉효율향상을 위한
4. 기대 효과
SPRAY INJECTION 기술
Spray Injection 개발에 따른 유형효과
모티브펌프 운영에 따른 전력비 비교분석
사용조건
평상시
(5~12개월)
갈수기
(1~4개월)
사용수량
기존시스템(Side Stream)
신규시스템(Spray Injection)
480㎥/hr
◦
◦
◦
◦
용 량 : 55kw
운전대수 : 2대
요 금 : 65원/kw (실시설계기준)
전 력 비 : 41,184,000원
◦
◦
◦
◦
용 량 : 55kw
운전대수 : 1대
요 금 : 65원/kw (실시설계기준)
전 력 비 : 20,592,000원
960㎥/hr
◦
◦
◦
◦
용 량 : 55kw
운전대수 : 4대
요 금 : 65원/kw (실시설계기준)
전 력 비 : 41,184,000원
◦
◦
◦
◦
용 량 : 55kw
운전대수 : 2대
요 금 : 65원/kw (실시설계기준)
전 력 비 : 20,592,000원
년간 전력사용금액
82,368,000원
41,184,000원
Spray-Injection 개발에 따른
전력비 절감액 : 41,184,000원/년 (전력비 절감액 = 기존방식 ×50%)
오존 혼화동력 70% 절감 기대
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※ Re-Injection 설비
오존접촉효율향상을 위한
SPRAY INJECTION 기술
Re-Injection 정의
오존을 처리수에 용해하고 가압하여 오존이 용해된 처리수를 오존접촉조로 공급할 때
용해되지 않는 배오존을 오존주입장치에 재공급하여 재용해되도록 하는 설비
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※ Re-Injection 설비
오존접촉효율향상을 위한
SPRAY INJECTION 기술
Re-Injection 설치 전경
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※ Re-Injection 설비
오존접촉효율향상을 위한
SPRAY INJECTION 기술
Re-Injection 주입 동영상
유체기계공업학회
오존접촉효율향상을 위한
※ Re-Injection 설비
SPRAY INJECTION 기술
Re-Injection 운영에 따른 기대 효과
구분
절감 내역
배오존
처리설비
(A)
◦
◦
◦
◦
촉매량 : 약 80kg/대당
예상수명 : 4년
연장수명 : 8년
절감액 : 1600천원/년
비고
촉매의 내구수명 연장
오존발생기
(B)
◦ 재사용 오존량 : 2.446kg/hr
◦ 소비 전력 : 35.3kW/hr
◦ 절감액 : 20,099천원/년
전력비 65원/kW 기준
액체산소
(C)
◦ 재사용 산소량 : 19.77kg/hr
◦ 절감액 : 23,616천원/년
액체산소 135원/kg
합계
합계 = A + B + C = 45,315천원/년
오존접촉조의 Off 오존 재주입에 따른 오존용해효율 향상
배오존처리설비/오존발생기 운영비 절감
설비 설계용량 축소로 인한 초기투자비 절감
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오존접촉효율향상을 위한
SPRAY INJECTION 기술
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