이 원고는 일본 《電氣現場技術》誌에서 번역 전재한 것입니다.

고분자막을 이용한 급·배수 처리 방식의 개요와 운용 상황

도호쿠전력·하라마치 화력발전소 발전환경그룹(東北電力·原町火力發電所 環境グル-プ)_

니시무라 토시로(西村 敏郞)·이이쿠라 이치지(飯倉 一滋)

도호쿠전력(주) 하라마치 화력발전소에서는 일본 내 화력발전 설비로는 처음으로 급·배수 처리 양 설비에 막분리법을 채택해 1996년부터 운용하고 있다.

당시는 적용 사례가 없었기 때문에 짐작으로 운전 조건의 최적화로 설치하고 그 후 경제성 향상을 위한 개선 등을 반영하면서 발전소 운영 시작부터 현재까지 순조롭게 이동하고 있다.

지금부터 막분리법을 이용한 급·배수 처리 방식의 개요 및 운용 상황에 대해서 소개한다.

하라마치 화력발전소의 개요

 하라마치 화력발전소는 후쿠시마 현 북부 연안의 하라마치 시와 가시마에 위치한 출력 1000MW×2기의 석탄 전소 화력발전소이다. 발전소의 설비 개요를 <표1>에 나타낸다.

고분자막을 이용한 물처리

 막분리 기술은 고분자 등을 소재로 한 분리막을 이용해 액체 안의 혼합 물질과 미생물 등을 여과 분리해 용해성 물질을 제거하는 분리 정제 기술로, 분리막의 특징, 처리 대상 물질의 성상 등이 서로 다른 정밀 여과(MF : Micro Filtration), 한외 여과(UF : Ultra Filtration)와 역침투(RO : Reverse Osmosis) 기술 등이 있다.

이들은 주로 반도체 제조 공장과 해수 담수화 설비에 이용되고 있으며 화력발전 설비에 응용된 예는 별로 없다.

막분리법은 화력발전 설비에 일반적으로 이용되고 있는 응집 침전 처리법과 비교해

① 막의 구멍 지름보다 큰 혼탁물, 염류, 이온 등을 확실히 제거할 수 있다.

② 기계적으로 움직이는 부분이 적어 자동화가 쉽다.

③ 장치가 작아 설치 면적이 작다.

④ 응집제 등의 약품 사용량이 적다.

등의 특징이 있다.

 고분자막은 구멍 지름에 따라 정밀 여과막, 한외 여과막, 역침수막으로 분류된다. 막의 분리 범위와 분리막식도를 <그림1>, <그림2>에 나타낸다.

급수 처리에 막분리법 적용

 막분리법을 이용하면 각종 고분자막을 조합해 염류를 포함한 불순물을 제거한 후 종래의 이온 교환 수지와 동등하거나 그 이상의 순도를 가진 탈염수를 얻을 수 있다.

또 탈염수 안의 실리콘(이산화규소·SiO2)은 터빈 블레이드 등에 경질의 스케일을 생성하기 위해 제거할 필요가 있지만 콜로이드상의 실리콘은 이온 교환으로 제거할 필요가 없다. 이 때문에 종래의 응집 침전-이온 교환 처리로는 응집 침전 처리가 좋지 않아 콜로이드상 실리콘이 보급되면서 수중에 누전될 가능성이 있다.

이에 비해 막분리법은 물리적인 제거이기 때문에 콜로이드상 실리콘이 누전될 가능성은 거의 없다.

 화력발전용 보일러는 고온 고압의 증기를 발생시키므로 증발관에 스케일이 부착된다거나 부식되는 것을 방지하기 위해서는 아주 고순도의 탈염수가 요구된다.

당사 탈염수 수질 관리값을 나타낸다.

급수 처리에 일반적으로 이용되는 응집 침전+이온 교환 처리의 처리 흐름을 <그림3>에, 하라마치 화력발전소의 막분리법을 이용한 급수 처리 흐름을 <그림4>에, 장치 제원을에 각각 나타낸다.

막분리법은 응집 침전 처리와 비교하면 응집 침전조가 고유속 여과기에, 모래 여과 장치가 한외 여과막에, 이론 교환 수지에 의한 탈염 장치가 역침투막으로 각각 옮겨졌다.

하라마치 화력발전소는 막처리의 후단에 카트리지 연마기를 설치하고 마지막 탈염(정제)으로 탈염수 수질을 향상시키고 있다.

주입하는 약품은 급수 중의 혼탁물질을 보충하기 쉬운 응집제, 유기물 번식을 억제하기 위한 차아염소산나트륨(NaClO), 탈탄산탑을 최적 pH로 조정하기 위한 pH 조정제, 과잉 NaClO(역침투막의 열화 원인이 된다)을 환원하기 위한 아소산수소나트륨(NaHSO3)이다.

 또 역침투막은 이온을 통과시키지 않기 때문에 이온이 농축된다. 농축한 이온이 포함된 RO 농축수는 대량으로 물을 필요로 하는 배연 탈소 장치 보급수로 재이용을 도모하고 있다.

급수 처리 장치의 운용 상황

1. 운전 실적

 급수 처리 장치는 운전 시작 이후 순조롭게 이동하고 있고 수질도 안정적이며 경년적인 변화도 거의 발견할 수 없다. <그림5>에 급수 처리 장치의 수질 상황을 나타낸다.

급수 처리 장치로 운전할 때는 차아염소산나트륨의 주입 관리와 잔류분의 환원에 주의해 운용하고 있다. 차아염소산나트륨은 한외 여과막에 유기물이 부착되는 것을 방지할 목적으로 주입하고 있는 살균제이지만 부식성을 가지고 있고 여과 수중에 잔류하기 때문에 주입량은 최소한으로 억제할 필요가 있다.

 당초 아소염소산나트륨 여과수 잔류 농도는 0.5㎎/1 정도로 관리했지만 현재는 0.2~0.3㎎/1 정도로 관리하고 있다. 또 잔류한 차아염소산나트륨을 주입해도 과부족이 발생하지 않도록 산화 환원 전위(ORP)계로 전위를 측정하고 주입량을 억제하고 있다.

 여과수를 탈염하는 역침투막에는 급수 온도에 따라서 실리콘이 막 면에서 농축되어 있어 스케일이 발생할 우려가 있다.

이 때문에 운용 시작 당초 역침투막 입구 급수 온도를 스케일 방지를 위해 25℃가 되도록 예열하고 있지만 비용 절감을 위해 시험한 결과 역침투막 입구 급수 온도는 예열이 거의 불필요한 20℃에서 운용이 가능하다고 판단되었다.

또 2002년 10월부터 1·2호기로도 보일러 급수 처리에 산소 처리 방식을 채용하고 있기 때문에 보일러 보급 수의 용존 산소 농도를 낮게 할 필요가 없어져 산소 제거 기능을 가진 탈기막 장치를 바이패스해 운용하고 있다.

 그 결과 탄산이온이 증가해 마지막 단의 카트리지 연마기의 이온 균형이 변하고 수지 브레이크 시 실리콘이 처음으로 누전되었다. 이 점에 대해서는 수지량 균형을 수질에 맞춰 조정하는 등의 대책을 강구할 예정이다.

2. 보수

 고분자막은 유기물과 미립자로 인한 폐쇄에 기초한 차압의 상승 또는 기계적 강도의 경년적 열화 때문에 정기적 교환이 필요하다. 기본적인 교환 시기는 한외 여과막이 4년마다 전량 교환, 역침투막이 연 25% 교환이지만 교환 빈도는 경제성에 직접 영향을 주기 때문에 연장에 대해서 검토를 추진하고 있다.

특히 역침투막은 유기물과 미립자로 인한 차압의 상승이 큰 경향이 있어 폐쇄 진행 정도가 빠른 앞부분의 것부터 차례대로 교환하도록 재검한 결과 연 25%에서 연 20%로 교환 비율을 저감해 운용할 수 있게 되었다.

이외에는 거의 무보수로 운용할 수 있고 문제는 거의 발생하지 않는다

배수 처리 장치로의 막분리법 적용

 발전소 배수에는 보일러에서 배출되는 가스 중에서 유황산화물(SOx)을 제거하는 배연 탈유 장치와 급수 처리 장치의 배수 등 다양한 성상의 것이 있지만 이들 배수를 수질 오탁 방지법에 기초한 배수 기준 등에 적합하게 처리할 필요가 있다.

종래 배수는 응집 침전 처리하는 것이 일반적이었지만 하라마치 화력발전소는 막분리 처리 방식을 채택했다.

<그림8>에 2단 응집 침전에 따른 처리 흐름을, <그림9>에 막분리에 의한 처리 흐름을, <표4>에 장치 제원을 각각 나타낸다.

막분리법은 응집 침전 처리와 비교하면 응집 침전조+여과기가 정밀 여과막 장치로 옮겨졌다. 또 배수 처리를 할 때 무해한 염류를 제거할 필요는 없기 때문에 비교적 구멍 지름이 큰 정밀 여과막을 사용하고 있다.

 주입 약품으로는 혼탁 물질을 쉽게 보충하기 위한 응집제, 배연 탈유 장치 배수에 포함된 중급속류를 포집하기 위한 킬레이트제 등을 사용하고 마무리 처리로 활성탄 흡착탑 등을 채택하고 있다.

배수 처리 방치의 운용 상황

1. 운전 실적

 <그림12>에 총합 배수 처리 장치 출구의 배수 수질의 일부를 나타내는데 이 외 다른 규제 항목을 포함한 수질은 안정적이고 경년적 변화도 보이지 않는다.

총합 배수 처리 장치에는 분리막으로 정밀 여과막을 사용하고 있어 높은 분리 성능을 얻을 수 있다.

이 정밀 여과막 소재는 화학물질에 대해 비교적 내성이 있는 폴리프로필렌이지만 산화와 환원 작용이 일어나면 기계적 강도가 저하하는 성질이 있기 때문에 배수 중의 산화 환원물질을 감시해 필요에 따라 약품을 주입하고 있다.

또 당초 1호기 탈유 배수는 이 외에 보일러·터빈 배수와 혼합해 처리하는데 비해 2호기 탈유 배수는 단독으로 처리하고 있었다. 그런데 2호 배수 처리 계통 정밀 여과막에 배수 중에 산화성 물질의 영향이라고 생각되는 열화가 보여 현재는 배수 성상을 안정시키기 위한 1·2호기 탈유 배수 및 그 외 보일러·터빈 배수를 모두 배수저조에서 혼합하고 처리하고 있다. 이들 대책을 통해 정밀 여과막의 수명은 운용 시작 당초의 3년 정도에서 4년 정도까지 연장할 수 있었다.

2. 보수

 정밀 여과막의 보수라고 하면 성능 열화에 따른 교환이 주가 되고 이 외의 보수는 거의 필요하지 않다. 정밀 여과막의 수명은 막 표면의 형상과 기계적 강도에 따라 결정되고 앞서 말했듯이 처리수의 성상과 운용에 의해 크게 좌우된다. 또 도입할 때는 수입한 정밀 여과막의 품질이 고르지 못해 착압 상승의 요인이 되었기 때문에 설비 제조사는 막 제품의 품질 관리 강화를 도모하고 있다.

 또한 정밀 여과막을 교환할 때는 기계적 강도와 물리적 성능 등의 데이터를 파악해 운용 개선, 교환 시기의 검토 등에 활용하고 있다.

 하라마치 화력발전소에서 도입한 고분자막을 통한 급·배수 처리 설비는 큰 문제없이 운용상의 과제를 순차적으로 해결하면서 순조롭게 운전을 계속하고 있다.

막분리 방식의 물 처리 장치는 운전 비용 중 막 교환 비용이 점하는 비율이 크다. 앞으로 운용하면서 개선을 통해 고분자막 교환까지의 기간 연장을 도모하고 경제성 향상에도 노력해갈 예정이다.

그리고 본 기사의 집필에 있어서는 주로 설비 제조다(오르가노(주), 구리타공업(주))의 기술 자료를 참고했다.