전기적 탈이온화 설비에 CEDI 기술 접목 증가

Global Issue Technology


전기적 탈이온화 설비에 CEDI 기술 접목 증가
                             
(Continuous Electro De-Ionization)

Sychem사, 석유 정제 플랜트에 CEDI 적용…안정된 생산수 수질 얻어
투자비용 RO 시스템의 1∼1.25배 수준…물 재활용·재이용서 높은 효율
독성 있는 재생용 화학물질·중성화 장치 축소…건강 위해요소 절감시켜

 

슈퍼크리티컬 고압용 보일러(supercritical high-pressure) 개발로 발생하는 보일러 유입수에 대한 엄격한 수질 요구사항은 스팀 발생장치에 대한 수처리 시스템 요구 수준을 향상시키는 계기가 되었으며, 시스템 설계 시 지역별 서로 다른 원수의 성상에 대해서도 면밀히 검토하여 최적의 기술을 적용해야 한다. 이에 석유산업에서 발생되는 제반 문제와 이에 대한 해결책으로 새롭게 개발된 최신 기술 사용에 대해 Sychem사의 Ing A Yfantis 박사 및 NYfantis 박사가 작성한 검토보고서를 『Desalination & Water Reuse』 2015년 8∼9월호에 게재했다. 그 내용을 번역했다.  [번역 = 김덕연 본지 편집위원]

▲ 오랫동안 데미워터(demi water) 생산용으로 사용되었던 수지 사용 기술은 보일러 유입수의 수질조건을 만족할 수 있으며, 최근 석유산업에서 지속적·전기적 탈이온화 장치(CEDI)가 광범위하게 사용되면서 증가 추세에 있다.

오랫동안 데미워터(demi water) 생산용으로 사용되었던 수지 사용 기술은 보일러 유입수의 수질 조건을 만족할 수 있으며, 최근 석유산업에서 지속적·전기적 탈이온화 장치(CEDI 혹은 EDI)가 광범위하게 사용되면서 증가 추세에 있다.

이러한 기술변화에 대한 원인은 △독성이 있는 재생용 화학물질 및 중성화 장치 축소 △보다 적은 설치부지 면적 △전체 설치비용 감소 등 운전비용 감소 △안정된 생산수 수질을 얻을 수 있다는 점에 기인한다.

 유입수의 수질은 석유산업에서 특히 중요한 핵심요소이다. 석유정제 플랜트는 일반적으로 해안가 혹은 바다와 접한 강 어구에 위치하며, 스팀 생산을 위해 사용되는 원수는 해수(seawater) 및 기수(brackish water)로 구분된다. 따라서 많은 양의 보일러용 유입수로의 사용이 필요한 경우, 전도도(conductivity below) 값을 1㎲/㎝ 이하로 하기 위해 바닷물 원수의 담수화 처리 및 별도의 추가적인 청정화 처리가 필요하다.

특히 열병합발전소 설비를 갖춘 정유공장은 통합사이클의 가스터빈을 사용하기 위한 목적을 가지므로 수질 요구사항은 전도도가 0.01㎲/㎝ 이하, 또한 실리카 기준도 10ppb 이하여야 한다. 한편 나트륨, 염소 및 황산이온도 각각 3ppb 이하를 요구한다. 엄격한 기준 적용으로 보일러 터빈이나 터빈 블레이드(turbine blades)가 높은 온도, 압력 조건에서 운전될 때 스케일 발생 및 부식 등으로부터 안정적으로 보호될 수 있다.

 
▲ 압력교환기(pressure exchangers)는 RO 부스터 펌프의 에너지 사용을 줄여준다.

연속적 탈이온화 설비 기술사용 증가

플랜트의 운전비용은 처리공정 전반에 걸쳐 경제성 있게 통제될 필요가 있으며, 주로 통제가 가능한 항목은 RO(re-verse osmosis) 공정 운전에 필요한 높은 에너지 비용이 포함된다. 그러나 최근 CEDI(Continuous Electro De-Ionization) 기술 개발로 RO기술을 사용하는 수처리 공정에서 보다 간단하고 에너지 효율적인 시스템 설계가 가능하게 되었다([그림 1] 참조).

최근 그리스 Motor Oil 정유 플랜트사의 수처리 플랜트 확장 프로젝트는 석유산업에서 CEDI 기술의 채택과 기술의 특징을 이용하는 수가 늘어나고 있음을 보여주는 사례이다. 이번 기술 채택에 의한 확장 프로젝트의 추진으로 그리스 최대 규모의 해수담수화 설비를 갖게 되었으며, 규모는 7천㎥/일 생산용량으로 운전상의 커다란 경제적 효율을 보여주고 있다.

담수화 프로젝트의 설계 및 건설은 Sychem사가 추진했으며, 기존 정유 플랜트에서 운영중인 MSF(다단증발법, Multi-Stage Flash) 방식 및 이온교환법에 의한 담수화 플랜트를 포함한 전체 플랜트 설비의 10년간 운전 및 유지보수 용역계약도 추진되었다.

프로젝트는 초기 1천100㎥/일 용량의 two pass RO 공정에 의한 음용수 설비로 추진했다. 이후 보일러 유입용수 생산을 위해 UF 멤브레인 및 RO 멤브레인을 사용한 공정에 CEDI 모듈을 추가로 통합 설치하는 확장 프로젝트가 추진되었다.

- 최초의 건설공사는 2007년 시작. 1st pass RO에서 1천100㎥/일, 2nd pass RO에서 500㎥/일 생산
- 확장공사는 2010년부터 시작. 1st pass UF+SWRO(seawater reverse osmosis)에서 3천700㎥/일, 2nd pass RO+CEDI에서 3천200㎥/일 생산
- 또 다른 확장공사는 2013년에 시작. 1st pass UF+SWRO에서 3천700㎥/일, 2nd pass RO+CEDI에서 3천200㎥/일 생산


CEDI 시스템, 이온 투과 멤브레인과 이온교환수지·전기적 작용으로
시스템 정지 없이 연속적으로 초순수 생산 가능한 가장 안전한 장치


Sychem사에 의해 설치된 설비를 종합해 보면 △8개의 MMF(multimedia filters)는 순환되어온 바닷물의 유입수 처리가 목적 △6개의 활성탄 필터(activated carbon filters)는 순환되어온 바닷물의 유입수 처리가 목적 △4개 계열(lines)의 5천㎥/일 용량의 UF 시스템 △4개 계열의 1천800㎥/일 용량의 RO 시스템 △4개 계열의 1천530㎥/일 용량의 2차 처리 RO 시스템 △2개 CEDI 장치, 총 6천㎥/일 용량 등이다.

과거에는 이온교환 기술 혹은 MBDI(혼상탑 탈이온, mixed bed deionization) 기술만이 CEDI 기술에 의하여 수행되는 데미워터 생산을 위한 유일한 선택기술이었다. 그러나 CEDI에 의한 성능은 최근에 MBDI 기술로 얻을 수 있는 성능보다 동일하거나 혹은 그 이상의 성능을 갖는 기술개발이 이루어졌다.

높은 유량에 적합한 Ionpure사의 VNX 모듈은 RO 생산수로부터 95% 이상의 실리카(silica) 제거율 및 99.5% 이상의 나트륨 제거율 성능을 가지며 다양하고 엄격한 규제값을 요구하는 유입수 및 생산수 수질에 적합한 성능을 보여준다.

▲ 그리스 Motor Oil 정유 플랜트사의 수처리 플랜트 확장 프로젝트는 석유산업에서 CEDI 기술의 채택과 기술의 특징을 이용하는 수가 늘어나고 있음을 보여주는 사례이다. 이번 기술 채택에 의한 확장 프로젝트의 추진으로 그리스 최대 규모의 해수담수화 설비(7천㎥/일 생산용량)를 갖게 되었다.

전기적 탈이온화 설비의 경제성 검토(Payback)

Sychem사 처리 시스템 설계의 특징은 냉각탑으로부터 회수되는 높은 온도의 바닷물을 사용하는 것이다. 원수는 높은 온도와 높은 고형물질을 갖고 있어 전처리로서 MMF와 UF 설비구축이 필요하다. 또한 RO 부스터 펌프(booster pump) 사용으로 인한 전력 소모량을 줄이기 위해 PX 에너지 회수장치를 사용, SWRO(역삼투해수담수화, seawater reverse osmosis) 공정에서 에너지가 회수되는 특징이 있다.

정유공장에서 기존에 사용되던 전형적인 담수화 기술에서 벗어나 Sychem사가 설계한 시스템은 CEDI 기술을 접목해 상당한 비용을 절감했다. CEDI 시스템의 투자비용은 RO 시스템 투자비용의 1∼1.25배 수준이다. 소규모 용량의 시스템에서는 재생설비를 필요로 하는 MBDI 시스템과 동일한 수준의 투자 규모가 이뤄지나, 플랜트 용량이 증가함에 따라 CEDI 시스템은 MBDI 시스템보다 설치에 더 많은 비용이 든다.

한편, MBDI 시스템은 중성화 설비가 필요함에 따라 설치를 위한 투자비용은 CEDI보다 커지며, 운전비용에서 현격한 차이가 있다는 점에서 더욱 중요하다. 산이나 알칼리 약품비용이 매년 증가함에 따라 화학적 재생을 필요로 하는 MBDI 시스템의 운전비용은 크게 증가한다. 그러나 CEDI 시스템의 핵심 운전비용 요소는 전기소모량에 관한 것으로 RO 장치의 부스터 펌프 전기사용량의 1/3 수준의 적은 전기를 필요로 한다.

기존 정유플랜트 사용의 MSF·XI 시스템과 Sychem사 개발의 UF·RO·CEDI 시스템의 직접비용상의 차이를 보면, MSF·XI 시스템 경우 4유로/㎥(약 4.4달러, 전력비·스팀비용·부속품비용·인건비·재생용 케미컬·기타 소모성 자재 비용 포함)이며, UF·RO·CEDI 시스템의 경우 1유로/㎥(약 1.1달러, 전력비·운전 및 유지보수 계약에 의한 고정비용을 포함)이다. 연간 233만6천㎥ 물생산의 경우 연간 절감금액은 783만 달러로 추정되며 이는 1년의 회수(payback) 기간으로 계산된다.

▲ 정유플랜트나 발전소 등에서 유입수 수질의 다양한 변화를 효과적으로 처리하는 것이 처리기술에서 중요한 문제요소로 파악되고 있다. 따라서 실제적인 기술 혁신이 이루어진 공정은 데미워터 생산공정이다. 데미워터 처리에서 CEDI 기술사용의 증가는 동시에 물의 재활용·재이용에서 매우 높은 효율의 기술 전환을 이끌어 내고 있다.

문제점 및 향후 전망

정유플랜트나 발전소 등에서 유입수 수질의 다양한 변화를 효과적으로 처리하는 것이 처리기술에서 중요한 문제요소로 파악되고 있다. 이러한 문제를 해결하는 방안으로 MF 멤브레인 개발은 물을 청정하게 하는 과정, 이산화탄소를 제거하는 기술 및 전처리 공정에 실질적인 효과를 가져왔다.

그러나 실제적인 기술 혁신이 이루어진 공정은 데미워터 생산공정이다. 데미워터 처리에서 CEDI 기술사용의 증가는 동시에 물의 재활용·재이용에서 매우 높은 효율의 기술 전환을 이끌어 내고 있다. 이 기술은 화학적 사용을 줄이려는 요구 및 엄격하게 규제되고 있는 폐수배출 한계치의 조건에 부합되는 기술이다. 또한 다량의 화학적 취급을 최소화해 건강 및 안전상의 위해요소를 절감시킨다. 결과적으로 CEDI 기술은 잘 설계된 수처리 공정을 갖는 플랜트에서 전체적인 비용절감에 커다란 공헌을 하고 있다.

 [『워터저널』 2015년 10월호에 게재]

저작권자 © 워터저널 무단전재 및 재배포 금지