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[미국] 웨스트 버지니아대학, 발전소서 담수사용 줄이는 방법 연구
2019년 07월 16일 (화) 09:39:39 워터저널 webmaster@waterjournal.co.kr

[미국] 웨스트 버지니아대학, 발전소서 담수사용 줄이는 방법 연구

 미국 연방정부 자료에 따르면 전국의 발전소는 모든 미국 가정보다 4배 이상 많은 물을 사용하며 전체 물 배출량의 41%를 차지한다.

이제 40만 달러의 에너지 보조금으로 웨스트 버지니아 대학(West Virginia University)의 연구자들은 보다 비용이 효율적이고 환경친화적인 방법으로 국내 발전소의 갈증을 해소할 수 있는 방법을 모색하고 있다. 

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웨스트 버지니아 대학 토목 및 환경공학과 랜스 린(Lance Lin) 교수 연구팀은 물 재사용을 극대화하고 열전 발전으로 인한 화학 및 에너지 발자국(chemical and energy footprints)을 줄이는 것을 목표로 삼고 있다.

랜스 린(Lance Lin) 교수는 "담수에 대한 경쟁 요구가 있다. 우리는 양조, 제조 및 농업을 위해 가정에서 사용한다. 전국적으로 전력생산은 물 사용량에서 2위를 차지하며, 식량 생산량보다 뒤처진다. 그러나 웨스트 버지니아에서는 전력생산량이 가장 큰 물 사용자이다. 우리가 발전소에서 사용하는 물량을 줄이면 경쟁 수요를 줄일 수 있다"고 강조한다.

화력발전소에서 물은 열교환기의 터빈에서 고온 증기를 냉각시키는 데 사용된다. 따뜻한 물은 대기로 열을 방출하기 위해 냉각탑으로 순환된다. 일단 냉각탑에 물이 닿으면, 그 중 일부는 타워에서 쏟아져 나오는 하얀 깃털로 볼 수 있듯이 공기 중으로 증발한다.

그러나 모든 물이 손실되는 것은 아니다. 일부는 유지되고 시스템을 통해 재순환된다. 물이 없어지면 물 속에 있는 천연 소금은 냉각 시스템을 오염시킬 수 있는 농도에 도달한다. 그래서 이 공장은 칼슘과 마그네슘과 같은 열교환기 표면에 스케일을 형성하여 열교환 효과에 영향을 미치는 화학물질로 가득 찬이 '블로우 다운 워터(blowdown water)'를 제거한다.  배출된 물은 환경으로 다시 방출되거나 재사용되기 전에 처리되거나 청소되어야 한다.

랜스 린(Lance Lin) 교수는 "화학적 및 에너지 요구 때문에 처리비용이 비싸다"고 말한다.

그러나 랜스 린 교수의 동료인 폴 지엠키에비치(Paul Ziemkiewicz)는 웨스트 버지니아 대학 물연구소(WVU Water Research Institute)의 이사로 두 가지 독특한 솔루션을 제안했다. 효율성을 높이기 위해 마셀러스(Marcellus) 가스정에서 발생한 '생성된 물'과 '블로우 다운 워터(blowdown water)'을 한번 결합해보자.

'생산된 물 (Produced water)'이란 가스와 석유산업에서 석유와 가스에 수반되는 물을 나타내는 용어이다. 생성된 물을 '블로우 다운 워터(blowdown water)'에 더함으로써 재사용이 가능할 정도의 깨끗한 물을 얻을 수 있다.

폴 지엠키에비치(Paul Ziemkiewicz)는 발전소 폐수 및 생산된 물과 함께 작업을 한다"라면서 "'블로우 다운 워터'의 요소는 생산된 물에서 스케일링 요소를 제거하기 위해 산업계에서 사용하는 요소이다. 이것은 현재 상업용 화학물질을 사기보다는 폐기물을 사용하기 때문에 생산수의 처리 또는 재사용을 훨씬 저렴하게 만들 수 있다. 그리고 우리 발전소가 마셀러스(Marcellus) 가스정의 심장부에 위치하는 데 도움이 된다"라고 말했다.

제안된 처리과정은 연화, 유기물 및 부유 고형물 제거, 역삼투, 염수 전기분해 및 열담수화로 구성된다.\

재사용 가능한 물 이외에, 처리 과정은 염소와 10파운드 염수의 두 가지 다른 제품을 생산하는 데 도움이 된다. 염소는 재순환 시스템에서 소독제로 작용하여 재순환 시스템의 박테리아 성장을 제어할 것이라고 랜스 린(Lance Lin) 교수는 말한다.

한편, 10파운드 소금물은 판매가능한 제품으로서 상업적 가치가 있다. 물이 염화나트륨으로 포화되면, 그 용액 1갤론의 무게인 염수는 10파운드이다. 이는 연수기 및 유전 유체와 같은 산업용 어플리케이션에 사용될 수 있다.

랜스 린(Lance Lin) 교수는 "우리의 프로세스에는 여러 가지 이점이 있."라면서 "기본 치료법에 비 해이 접근법은 에너지와 화학물질을 절약 할 수 있다"라고 말했다.

연구팀은 학부생 및 대학원생이 도움을 받을 수 있도록 메이즈빌(Maidsville) 근처의 롱뷰(Longview) 발전소에서 물을 모으고, 모건타운 공업단지(Morgantown Industrial Park)에서 셰일 가스 운전에서 실제 생산된 물을 사용한다.

랜스 린(Lance Lin) 교수는 "우리는 진짜 물을 사용하고 있다. 그것은 우리가 실험실에서 구성하고 있는 것이 아니다"라고 말했다.

이 프로젝트는 2030년까지 안전하고 저렴한 물을 필요로 하는 세계적인 요구를 해결하기 위한 백악관의 계획인 DOE(미국 에너지부)의 워터 시크릿트 그랜드 챌린지(Water Security Grand Challenge)를 전력 산업이 충족하도록 돕기 위한 것이다.


이 도전의 목표 중 두 가지는 에너지 부문의 생산수를 폐기물에서 자원으로 전환하는 것과 열전 발전소의 담수 사용을 줄이는 것이다.

이 프로젝트의 다른 연구자들로는 화학과 명예교수인 해리 핀클라(Harry Finklea), 기계항공공학부 부교수인 하일린 리( Hailin Li), 화학공학부 조교수인 페르난도 리마(Fernando Lima) 등이 있다.

[원문보기]

WVU Researchers Thirsty For Reducing Fresh Water Use By Power Plants

 Power plants across the country utilize more than four times as much water as all U.S. homes and account for 41 percent of total water withdrawals, according to federal data.

Now, with the aid of a $400,000-Department of Energy grant, West Virginia University researchers are seeking ways to quench the thirst of the nation’s power plants in a more cost-effective, environmentally-friendly fashion.

Led by civil and environmental engineering professor Lance Lin, the research team aims to maximize water reuse and reduce chemical and energy footprints resulting from thermoelectric generation.

“There are competing demands for fresh water,” Lin said. “We use it in our homes, for drinking, manufacturing and agriculture. Nationally, power generation is second in water use, only behind food production. But in West Virginia power generation is by far the largest water user. If we can cut down on the volume used by power plants, that lessens some of those competing demands.”

At thermoelectric power plants, water is used to cool down high-temperature steam from turbines in a heat exchanger. The warm water is circulated to cooling towers to eject the heat into the atmosphere. Once the water hits the cooling tower, some of it evaporates into the air, as can be seen by white plumes pouring out of the towers.

But not all of the water is lost. Some is retained and recirculates through the system. As water is lost, the natural salts in the water reach concentrations where they could foul the cooling system. So the plant purges this ‘blowdown water,’ rife with chemicals such as calcium and magnesium that form scale on the heat exchanger surfaces, affecting heat exchange effectiveness.

Blowdown water needs to be treated, or cleaned, before it can be released back into the environment or reused.

The treatment is costly because of its chemical and energy requirements, Lin said.

But Lin’s colleague, Paul Ziemkiewicz, director of WVU’s Water Research Institute, proposed a unique solution that is twofold: Combine the blowdown water with “produced water” from Marcellus gas wells for more efficiency.

“Produced water” is a term in the gas and oil industry that describes the water that accompanies oil and gas.

By adding produced water to blowdown water, you get water that is clean enough to reuse, believe it or not, Lin said.

Ziemkiewicz works with both power plant waste water and produced water.

“The elements in blowdown water are exactly what the industry uses to remove scaling elements in produced water,” he said. “This could make treatment or reuse of produced water much less expensive because you’re now using a waste product rather than buying commercial chemicals. And it helps that our power plants are located in the heart of the Marcellus gas play.”

The proposed treatment process consists of softening, organics and suspended solids removal, reverse osmosis, brine electrolysis and thermal desalination.

In addition to the reusable water, the treatment process will help produce two other products, chlorine and 10-pound brine. The chlorine will act as a disinfectant on the recirculating water and control bacterial growth in the recirculation system, Lin said.

The 10-pound brine, meanwhile, has commercial value as a saleable product. When water is saturated with sodium chloride, the weight of one gallon of that solution, brine, is 10 pounds. It can be used in industrial applications including water softening and oilfield fluids.

“Our process has multiple benefits,” Lin said. “Compared to the baseline treatment, this approach can generate energy and chemical savings.”

The research team, which will have undergraduate and graduate students assisting, will collect water from Longview Power Plant near Maidsville and use real produced water from a shale gas operation at the Morgantown Industrial Park.

“We’re using real water,” Lin said. “It’s not something we’re making up in a lab.”

The project is intended to help the power industry meet the DOE’s Water Security Grand Challenge, a White House initiative to address the global need for safe, secure and affordable water by 2030. Two of the challenge’s goals include transforming the energy sector’s produced water from a waste to a resource and lowering fresh water use in thermoelectric power plants.

Other researchers on the project include Harry Finklea, professor emeritus of chemistry; Hailin Li, associate professor of mechanical and aerospace engineering; and Fernando Lima, assistant professor of chemical engineering.
 


[출처=워터온라인(https://www.wateronline.com/doc/wvu-researchers-thirsty-reducing-fresh-water-use-power-plants-0001)/ 2019년 7월 10일]

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