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[Global Issue Technology] 보일러 유입수의 효율적 처리
이름 관리자 waterindustry@hanmail.net 작성일 2017.12.05 조회수 134
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 Global Issue Technology

“보일러 유입수 적정처리 통해 운전 효율성 극대화”

전처리시 원수 성상·제거대상물질·설비비용 등 고려해 최적처리공정 결정 필요
하수재이용수·공정수·담수처리수 등 저염도 물, 유입수 수원 대체활용 가능


 보일러 유입수의 효율적 처리

 

보일러 장치 운전의 효율성을 높이는 데 보일러 유입수(feedwater)의 처리는 필수적이다. 적절한 처리를 하지 않고 용존성 경도 이온물질, 염화물, 산소, 이산화탄소 등이 함유된 유입수를 사용하여 온수와 스팀을 생산할 경우 장치의 부식이나 스케일을 일으키기 쉬우며, 열 발생의 효율을 감소시키고 보일러 자체에 손상을 미쳐 결국 장치의 수명마저 줄어들게 한다. 본 자료는 보일러의 성능과 효율을 높이는 데 이용되는 전처리(pretreatment) 기술과 관련 수질항목에 대해 검토한 것이다. 그 내용을 번역했다. 

 

[자료제공·번역 = 김덕연 본지 편집위원]

 

보일러에서 물과 열의 상관관계(Water & heat)

 

 

 

 

 

   
▲ 보일러 장치 운전의 효율성을 높이는 데 보일러 유입수의 처리는 필수적이다. 사진은 대형 보일러실 내의 산업용 보일러. [사진제공 = Vladdeep / iStock]

물은 대부분의 다른 물질보다 더 큰 열 발생 능력이 있다. 1칼로리(cal) 열원으로 물 1g을 1℃(섭씨 1도) 올릴 수 있으며, 1킬로칼로리(kcal) 열원으로 물 1L를 1℃ 올릴 수 있다. 킬로칼로리는 음식물 칼로리 측정용으로 사용된다. 100℃에서 물을 스팀으로 전환시키기 위한 증발열은 1g당 540cal이다.

한편 영미단위계에서는 1파운드 물을 1℉(화씨 1도) 올리기 위해 필요로 하는 에너지량을 BTU(British Thermal Unit)라고 부르며, 212℉에서 1파운드의 물을 스팀으로 전환시키는 데 970BTU의 에너지가 필요하다. 1 BTU는 대략 252cal와 동일하다. 물의 끓는점은 압력을 증가시키면 상승하며 낮은 압력에서는 줄어든다.

 

Water has a higher heat capacity than most other common substances. In metric units, 1 small calorie of heat will raise the temperature of 1 gram of water 1℃. One kilocalorie of heat will raise the temperature of 1 liter of water by 1℃. The kilocalorie is used for measuring food calories. The heat of vaporization to convert water at 100℃ to steam is 540calories/gram.

In English units, a British thermal unit(BTU) is the amount of energy required to raise the temperature of 1 pound of water by 1℉ at standard atmospheric pressure. One pound of water will require 970BTUs to convert to steam at 212℉ at 1 atmosphere pressure. One BTU is approximately equal to 252 small calories. The boiling point of water increases with increasing pressure and reduces at lower pressures.

 

보일러 유입수를 위한 물의 성분 및 수질
(Problem water components)

 

일부 예외가 있지만 미국 북동부, 남부 및 북서부 지역에서는 탄산칼슘(calcium carbonate)의 농도가 60㎎/L보다 낮은 연성 성분의 자연수를 보유하고 있다. 이들 지역 외에 위치한 지방에서의 물은 경성 및 강한 경성 성분의 물로, 보통 121∼250㎎/L의 탄산칼슘 농도를 보인다. 지하수 자원은 일반적으로 용존 미네랄 함유량이 높아 경도가 큰 편이다. 그러나 호수 주변이나 대규모 강 유역에서도 상당히 미네랄화가 이루어진 높은 경도의 지표수 자원도 있다.

일반적으로 지표수 자원은 총 유기탄소(TOC) 농도가 높고 부유물질인 탁도 또한 높은 편이어서 대부분의 도시에서는 지표수 자원 공급 시 필터 처리를 하며, 일부 도시에서는 라임(Lime)이나 라임소다로 물을 연수처리하기도 한다. 그러나 보일러 제조사의 설계 및 운전조건에 근거하여 보일러 유입수에 적합한 수준으로 공급하기 위한 처리공정 수준을 결정해야 한다. 빗물은 용존성 고형물질이 적게 함유되어 있고 보통 산성을 나타내며 금속물질을 공격하는 성질을 가진다.

 

 

   
 

한편, 다른 자연 발생의 물자원은 총 용존고형물(TDS), 총 유기탄소(TOC), 부유물질, 가스물질(산소·이산화탄소·질소 등), pH, 알칼리도, 경도 등의 함유량 수치가 매우 다양하다. 용존 질산염(nitrogen)을 제외하고 이러한 물질들은 보일러 수명과 성능에 커다란 영향을 미친다. 따라서 보일러 장치에 손상을 주지 않으면서 보일러 효율이 낮아지지 않도록 적절한 전처리 과정을 거친 유입수 공급이 필요하며, 유입수 공급 시 수질항목별 기준을 만족시켜야 한다([표 1] 참조).

수질 및 수관(watertube) 보일러 작동의 다른 측면에 대한 미국기계학회(ASME, American Society of Mechanical Engineers) 지침에 대한 자세한 내용은 참고자료에 인용된 ASME 사이트를 참조하길 바란다. 여기에는 드럼 압력, 구리·철 성분 기준, 특정 전도도, 실리카(silica), 경도 및 알칼리도 등의 항목이 포함되어 있다.

 

Generally, with some exceptions, the Northeast, South and Northwestern U.S. have relatively soft natural water defined as having less than 60 milligrams per liter (㎎/l) as calcium carbonate. The water in the geography between these areas tends to range from hard to very hard water, defined as 121 to 250㎎/l calcium carbonate). Groundwater sources commonly have more dissolved minerals and hardness, but there are surface waters, such as the Great Lakes and major rivers that have substantial mineralization.

Surface water sources generally have higher total organic carbon (TOC) levels and higher suspended particles (turbidity). Virtually all surface municipal water supplies are filtered. Some municipalities soften their water with lime or lime soda treatment. However, each facility must determine the level of treatment necessary to provide acceptable boiler feedwater based on the equipment’s design and operating conditions.

Rainwater has small amounts of dissolved solids and is often acidic and aggressive to metals. Other natural waters can have small to very large concentrations of dissolved mineral salts or total dissolved solids (TDS), TOC, suspended particles, gases (oxygen, carbon dioxide, nitrogen), plus pH (acidic, neutral, basic), alkalinity (acid neutralizing capacity), and hardness (calcium and magnesium and some other bicarbonates). Except for dissolved nitrogen, these impurities can significantly impact boiler life and performance. As a result, pretreatments are required to provide water that will not damage the system or reduce the boiler’s efficiency. Some suggested water quality factors to be considered in producing appropriate boiler water are listed in Table 1.

See the American Society of Mechanical Engineers(ASME), cited in the references, for much more on ASME guidelines for water quality and other aspects of watertube boiler operations. It includes aspects related to drum pressures, copper, iron, specific conductance, silica, hardness and alkalinity.

 

보일러 장치 효율적 운전 위해 보일러 유입수 성분 컨트롤 필수적
관리 대상부품의 화학적·물리적 특성 바탕으로 처리기술 결정해야
물의 물성 조정 수단으로 자기성·전자기성 촉매장치 성능 논쟁 여전

 

보일러 유입수용 수처리 기술
(Water technologies for boiler feedwater treatment
)

 

 

 

 

   
 

보일러 유입수의 전처리(pretreatment) 목적으로 표준화된 수처리 기술은 다양하게 사용이 가능하다. 그러나 최적 처리공정이나 시스템 구성은 주로 유입원수 성상, 제거대상물질 및 설비 비용 등에 따라 결정된다.

The full range of standard water treatment technologies are available to pretreat boiler feedwater. The process choices and configurations depend on the composition of the source water, contaminants to be removed and costs.

 

1) 여과 및 응집(Filtration & coagulation)

부유성 입자물질은 유기물이나 무기물 형태로 물속에 용해되지 않은 상태로 존재한다. 그러나 일부 미립자 물질은 가열된 물속에서 용해되거나 침전이 이루어져 문제를 일으키기도 한다. 이러한 입자성 물질의 제거 공정으로 전형적인 응집, 혼화, 입자형 메디아 및 카트리지 여과 등이 활용되며, 입자물질의 침전이나 여과를 활성화시키는 목적으로 일부 응집제가 사용되기도 한다.

 

Suspended particles may be organic or inorganic materials that did not dissolve in the source water. However, some particles might dissolve or precipitate in the heated water and cause problems. Particulate removal processes include conventional coagulation, flocculation, granular media and cartridge filtration. Coagulants, including iron and aluminum salts and designed organic polymers, can be used to facilitate particle sedimentation and filtration.

 2) 연수화(Softening)

경수(hard water)에는 칼슘, 마그네슘, 기타 금속성 중탄산염(bicarbonate) 등이 함유되어 있다. 이들은 보일러 내에서 이산화탄소를 배출하는 동시에 비용존성 탄산염(insoluble carbonate)으로 전환된다. 경도는 일반적으로 탄산칼슘 동일물질로 표시되며, 계산과정에서 다른 경도에 기여하는 이온물질 등이 포함되어 계산이 이뤄진다.

라임 및 라임소다를 사용하는 일반적인 연수처리나 양이온 교환수지 사용으로 경도성 이온물질을 크게 감소시킬 수 있다. 한편, 전처리 과정에서 경도성 이온물질을 분리시킴으로써 비용존성 슬러지의 침전이 이루어지며 스케일 발생이 크게 줄어든다.

Hard waters contain calcium, magnesium and other metal bicarbonates that will be thermally converted to insoluble carbonates in the boiler while producing carbon dioxide. Hardness is commonly described in calcium carbonate equivalents, which incorporate the other contributing ions in the calculation.

Conventional water softening processes including lime and lime soda, and cation exchange resins can significantly reduce the hardness ions. By separating most of the hardness ions during pretreatment, later precipitates of insoluble sludges and scale are significantly minimized.

 

3) 멤브레인(Membranes)

멤브레인 기술도 사용될 수 있는데, 주로 정밀여과(MF) 및 한외여과(UF) 멤브레인이 가장 적절하다. 멤브레인은 자체 기공크기와 제거하고자 하는 물질의 크기와 형상에 따라 구분되며, 심지어 다양한 미생물 오염물질을 제거할 수도 있다.

기공 크기가 0.1∼1.0마이크론(㎛)인 물질을 제거하는 데 사용되는 MF 멤브레인은 기존의 응집, 혼화, 침전 및 입자형 메디아 필터의 대체용으로 사용된다. UF 멤브레인은 기공 크기가 0.001∼0.1㎛이며, 자연 휴믹산(natural humics)을 포함한 보다 큰 분자량 유기물질을 제거하는 용도로 사용된다.

그러나 적절한 전처리가 이루어지지 않으면 파울링(fouling)이 발생하는 문제가 있다. 나노여과(NF) 멤브레인은 0.001㎛의 기공 크기를 갖는 멤브레인으로, 파울링 발생을 줄이기 위해 전처리 시설이 필요하며 큰 분자량의 유기물질 외에 다양한 2가 무기물 이온물질을 제거하는 데 사용된다.

 

 

   
▲ 보일러 유입수의 전처리 목적으로 표준화된 수처리 기술은 다양하게 사용이 가능하지만 최적 처리공정이나 시스템 구성은 주로 유입원수 성상, 제거대상물질 및 설비비용 등에 따라 결정된다.


한편, 역삼투(RO) 멤브레인은 0.0001∼0.001㎛의 기공 크기를 갖는 멤브레인으로, 수백 달톤(dalton) 정도의 낮은 분자량 유기물질 뿐만 아니라 대부분의 무기 이온물질을 99% 이상 제거할 수 있다. 일부 특수한 성능을 가진 멤브레인으로 붕산염(borates) 및 비산염(arsenates) 제거 멤브레인이 있다. 일반적으로 역삼투 처리수는 pH값이 낮고 금속물질에 훨씬 공격적이므로 안정화시킬 필요가 있다. 역삼투 사용 공정에서 멤브레인 파울링 발생을 줄이기 위하여 전처리 설비가 필요하며, MF 또는 UF 멤브레인으로 처리가 가능하다.

이처럼 멤브레인 기술은 대부분의 이온물질을 제거하는 기능을 갖고 있어 바닷물이나 저염수(brackish water)의 담수화 공정에 주로 사용된다. 또한 지정학적으로 채수(water sampling)가 쉽게 이루어지는 저염도의 지하수에도 적용할 수 있다. 한편 장시간 사용 시 멤브레인 자체에 파울링이 발생하므로 규칙적인 세정 작업이 필요하다.

 

Membranes may also be used, possibly microfiltration or ultrafiltration. Membranes are identified by their respective pore sizes and the sizes and types of water components that they remove. They even remove various microbial contaminants based upon size exclusion. Microfiltration(MF), which removes contaminants of 0.1 to 1 microns(㎛), is used as an alternative to conventional coagulation, flocculation, sedimentation and granular media filtration.

Controlling the composition of boiler feedwater and the water in a boiler is essential to successful and efficient operations. The available treatment technologies are based on the fundamental chemical and physical properties of the components being managed, and those standard water treatment methods and their selection are tailored to the specific problems to be addressed.

Ultrafiltration(UF), with pore sizes of 0.001 to 0.1㎛, removes high-molecular-weight organic chemicals, including natural humics. However, excessive fouling is common unless the water has been pretreated. Nanofiltration(NF), with pore sizes of ∼0.001㎛, requires pretreatment to reduce fouling, but it can remove substantial amounts of multivalent inorganic ions as well as high molecular weight organic chemicals.

Reverse osmosis(RO), with pore sizes of 0.0001 to 0.001㎛, can remove more than 99 percent of most dissolved ions and many organic chemicals with molecular weights as low as a few hundred Daltons. Some performance exceptions include borates and arsenites/arsenates. RO treated waters will have a lowered pH, be more aggressive to metals and will probably need to be stabilized.

RO will require pretreatment to reduce membrane fouling, possibly by MF or UF. Its ion removal capability is reflected in its use in the desalination of sea water and brackish water. That capability indicates that RO may provide the opportunity to use brackish groundwater that are frequently available in local geology. The fouling of membranes requires regular and perhaps frequent cleaning because of the pressure drop that will occur without this maintenance.
 
4) 보일러 내부에서의 케미칼 처리
   (Internal boiler feedwater treatments) 


전처리를 보완하기 위한 다른 방법으로는 물속에 화학약품(chemicals)을 주입시키는 내부처리 방법이 있다. 이는 보일러 내부의 열 전달 표면에서의 스케일 물질 축적을 줄이기 위한 것이다. 칼슘(Ca)이나 마그네슘(Mg) 등 경도성 물질은 킬레이트(chelates) 및 폴리머(polymers)에 의하여 용해되거나 부유물화될 수 있다.

인산염(phosphates) 주입은 여러 물질들을 침전시키는 작용을 하며, 이들 물질은 보일러에서 주기적으로 배출되는 농축 고형화 형태의 블로 다운(blowdown) 배출과정에서 제거될 수 있다. 황산염, 규산염 및 인산염은 불용성 칼슘과 마그네슘염을 형성하는데, 이는 반드시 관리되어야 한다.

 

Other approaches that complement pretreatment involve internal treatment where chemicals are added to the water to prevent adverse consequences in the boiler. They are intended to reduce scale deposition on heat transfer surfaces in the boiler. Calcium and magnesium hardness can be solubilized or suspended by chelates and polymers that prevent scale and sediment formation.

Phosphates precipitate several components so they can be removed in the accumulated blowdown, which is concentrated solids that are periodically drained from the boiler. Sulfates, silicates and phosphates form insoluble calcium and magnesium salts that must be managed.

 

5) 부식 발생 방지 관리
    (Corrosion management)


산소 및 이산화탄소 가스 발생, pH에 의한 효과 및 일부 염화물질 발생 등이 부식 발생에 영향을 미치는 것으로, 부식의 발생은 높은 운전 온도와 낮은 pH 하에서 더욱 활성화된다. 산소가 발생하면 금속물질은 산화된다. 예를 들어 물속의 산소에 의하여 철은 철산화물로 변하게 되며, 이산화탄소는 탄소 산화물(carbonic acid)을 형성한다.

이를 처리하기 위해 아황산염(sulfite), 중아황산염(bisulfite), 히드록실아민(hydroxylamines) 및 유기성 케미칼 등의 감소제(reducing agents) 등 산화 제거제(scavenger)가 사용되고 있으며, 이산화탄소의 제거는 탈기(degassing) 과정을 거쳐 줄일 수 있다.

Several contributors to corrosion include oxygen and carbon dioxide gases, pH effects and certain salts. Corrosion is accelerated at high operating temperatures and low pH levels. Metals tend to be oxidized, for example, iron to iron oxides, by oxygen in the water. Carbon dioxide forms carbonic acid.

Oxygen scavengers include reducing agents like sulfite, bisulfite, hydroxylamines and organic chemicals, such as erythorbates, which are isomers of vitamin C. Carbon dioxide can be removed by degassing.

 

 

   
▲ 산소 및 이산화탄소 가스 발생, pH에 의한 효과 및 일부 염화물질 발생 등이 부식 발생에 영향을 미치는데, 이를 처리하기 위해 산화 제거제가 사용되고 있다.

6) 자기성 및 전자기성 장치 활용
   (Magnetic & other physical devices)


다양한 촉매작용의 자기성(magnetic) 및 전자기성(electromagnetic) 장치는 경도의 수치를 변화시키며, 한편으로는 수질 특성을 개선시키는 목적의 수처리용으로 적절하다고 주장되어 왔다. 미국수질협회(WQA)는 이러한 기술 성능을 나타내고 있는 다수의 연구자료를 검증하기 위해 엔지니어링팀을 운영해 왔으며, 전체 106건의 자료 중 34건이 상세 검토가 필요한 가치 있는 자료라고 판단했다.

자료는 일부 중복되어 있고 모순된 결과가 발생되기도 하며 실험과정의 설계도 의문시되는 결과가 있었으나 최종 판단 결과 일부 자료는 매우 긍정적이었다. 동시에 성능 확인에 대한 검증이 가능하도록 하는 검사 표준 개발의 필요성이 제기되었다.

반면에 캐나다수질협회는 이제껏 수처리용으로 판매된 자기성 및 전자기성 장치가 수질에 대한 물리적·화학적 효능을 가지고 있다는 것을 증명하는 어떠한 과학적·기술적 증거도 가지고 있지 않다는 입장을 밝혔다. 즉 이러한 장치를 활용한 제품의 성능 및 효과에 대한 주장은 실제 테스트로부터 얻은 명확한 결과나 적절한 검사 절차에 따라 전문가에 의해 실행된 실제 데이터에 근거해야 한다.

 

Many catalytic, magnetic and electromagnetic devices have claimed to treat water to alter the hardness and otherwise improve other water quality characteristics. The Water Quality Association convened a science and engineering task force to examine published literature describing the performance of these technologies. It identified 34 out of 106 papers to be worthy of further review.

The results were mixed and frequently inconsistent, and experimental designs were often questionable. The review generally concluded that some reports were positive, but that objective testing standards should be developed and applied to determine whether performance claims are verifiable.

The Canadian Water Quality Association issued a position statement concluding that it “knows of no generally recognized scientific or technical evidence which proves that magnetic, electromagnetic or catalytic devices sold to treat water have any measurable physical or chemical effect of water quality.” It maintains that all product performance and benefit claims should be based on factual data obtained from tests, conducted by competent personnel, following established test procedures.

 

결어(Conclusion)

 

보일러 유입수 및 보일러 내 물의 성분을 컨트롤하는 것은 보일러의 성공적·효율적 운전에 필수적이다. 보일러에 활용 가능한 처리 기술은 관리 대상 부품의 기본적인 화학적·물리적 특성을 기초로 하여 결정되어야 하며, 이와 관련된 표준화된 수처리 방법 및 처리공정의 선정은 처리 대상의 특정 문제점에 한정된다.

수질문제는 전 세계적으로 공통적인 문제이므로 활용 가능한 처리 방법이 다양하여 실제 적용면에서 광범위하게 적용되고 있다. 보일러 유입수 수원으로 대체 가능한 것으로는 도시 하수의 재이용수, 산업체 공장의 공정수, 스팀 농축수 및 담수처리 된 저염도 물 등이 있으며, 이들 수원은 처리된 물의 성분을 미세하게 조정할 수 있는 기회를 제공한다.

보일러 관련 문제점은 충분히 이해되고 있으며 사용 가능한 유익한 정보는 매우 풍부하다. 물의 물성을 조정하는 수단으로 촉매작용의 자기성 및 전자기성 장치의 능력과 성능에 관한 논쟁이 지속적으로 이어지고 있다.

 

Controlling the composition of boiler feedwater and the water in a boiler is essential to successful and efficient operations. The available treatment technologies are based on the fundamental chemical and physical properties of the components being managed, and those standard water treatment methods and their selection are tailored to the specific problems to be addressed.

Water quality problems are universal, so the arsenal of available treatment methods is also widely applied. Possible alternative boiler feedwater sources are recycled municipal wastewaters, industrial process waters and steam condensate, and desalinated brackish waters. They provide opportunities to reduce purchased and total water consumption, withdrawals and wastewater discharges as well as to fine-tune the treated water’s composition.

The problems are understood and the available information resources are substantial. Substantial debate continues surrounding the capabilities of magnetic, electromagnetic and catalytic devices marketed as water conditioning systems. This column provided a limited overview to assist users who are obtaining more detailed information and support. 


참고자료(References)

 
-출처 : http://www.watertechonline.com
-ASME. http://www.pdhonline.com/courses/m165/m165content.pdf. Accessed May 2017.
-Conner, S. & Bloom, D.. Essentials for a sound boiler water treatment program-2.pdf. Accessed May 2017.
-WQA Magnetics Task Force Report, March 2001. https://www.wqa.org/Portals/0/Technical/Technical%20Fact%20Sheets/MagneticsTF_Rpt.pdf. Acessed May 2017.
-CWQA Position Statement, March 1987. http://www.ilovemywater.com/UserFiles/Documents/What%20Is%20CWQA.pdf. Accessed May 2017.
-Boiler Feedwater Treatment Part I and Part Ⅱ.

http://www.sedifilt.com/technical_library/boiler_feedwater_treatment_fundamentals. Accessed May 2017.
-Boiler Corrosion Inhibitors. http://www.chemtreat.com/solutions/boiler-corrosion-inhibitors. Accessed May 2017.

 

[『워터저널』 2017년 12월호에 게재]

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