상하수도기술사 113회 3교시 기출문제 3. 해수담수화를 위한 역삼투시설에서 에너지 회수방법에 대하여 설명하시오.

기출문제 : 해수담수화를 위한 역삼투시설에서 에너지 회수방법에 대하여 설명하시오.

 

답 1. 해수담수화 에너지 회수방법 개요

- 전 세계적으로 물 부족에 대한 대응기술로서 지표수, 지하수의 개발과 더불어 해수 및 기수(brackish water)의 담수화를 통해 공업용수와 생활용수를 확보하려는 노력이 계속

- 일반적으로 해수담수화는 해수를 증발시켜 담수를 확보하는 열 증류 방식과 분리막을 활용하여 염분을 제거하는 막 여과 방식으로 구분할 수 있다. 1960년대 이후 중동 지역을 중심으로 열 증류 방식이 주를 이루었으나, 현재 전 세계 담수 플랜트는 RO 방식을 이용하는 등 막 여과 방식이 시장을 주도

- 열 증류방식의 에너지 요구량이 7~14 kWh/m3인 반면, 막 여과 방식은 2~6 kWh/m3 이다(Subramani, 2011). 에너지 소비 측면에서 열 증류방식에 비해 효과적이나 RO 공정에 필요한 유입수의 가압 과정 등에서 에너지 소비로 인해 운전비용이 여전히 높은 실정

2. 해수담수화를 위한 역삼투 시설에서 에너지 회수방법

1) SWRO(seawater reverse osmosis desalination) 공정에서 고압의 농축수로부터 에너지를 회수하는 ERDs (Energy Recovery Devices) 기술

- SWRO 담수화 공정은 원수의 취수, 유입수의 가압을 위해 고압 펌프(High pressure pump), 승압 펌프(Booster pump) 등을 사용

- 일반적으로 에너지 회수는 RO 유닛의 고압 농축수에 포함된 수리학적 에너지(hydraulic energy)를 기계적 에너지(mechanical energy)로 변환한 후 다시 수리학적 에너지로 전환하는 방식과, 직접 농축수의 수리학적 에너지를 회수하는 방식으로 구분

- 전자는 터빈에서 발생되는 원심력을 이용하므로 원심식(centrifugal type)으로, 후자는 양변위(positive displacement type) 혹은 등압식(isobaric type)으로 지칭

- 원심식 ERDs의 경우 펠톤 터빈(Pelton turbine), 터보차저(Turbocharger) 등이 사용되고 있으며, 양변위식은 덕트(duct) 내 로터(rotor)의 회전, 챔버(chamber) 내부의 피스톤 운동으로 압력을 직접 전달하는 압력 교환기(pressure exchanger)가 일반적으로 사용

원심식	양변위 혹은 등압식

[이미지 및 내용 출처 : 김영민 외, 2011, “역삼투 방식의 해수담수화 플랜트 에너지 회수 기술”, 상하수도학회지]

- 현재까지 운전 중인 대용량 해수담수화 플랜트의 대부분이 양변위식 ERDs를 사용. 이는 원심식의 경우 에너지 전달 과정에서 임펠러(impeller)회전 등으로 인해 기계적인 에너지 손실이 발생하기 때문

- 원심식은 터보 차저와 같이 적용 용량이 제한적이고 좁은 흐름(narrow flow) 및 압력 운전 조건에 적합

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[상하수도기술사 기출문제, 해수담수화, 에너지 회수]

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