R&D최종보고서
| 과제고유번호 | 201717CTAP-C114833-02 | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 연구사업명 | 국토교통기술촉진연구사업 | |||||
| 연구과제명 | LNG 플랜트 기화열 활용을 위한 실험실 규모 냉동해수담수화공정의 응결장치 구동 가능성 평가 | |||||
| 총 연구기간 | 2016-06-22 ~ 2018-06-21 | |||||
| 연구책임자 | 장암 | |||||
| 당해년도 참여 연구원수 |
4명 | 총 연구기간 참여 연구원수 |
9명 | |||
| 당해년도 연구비 |
정부 : 220,000,000 원 기업 : 0 원 계 : 220,000,000 원 |
총연구비 | 정부 : 400,000,000 원 기업 : 0 원 계 : 400,000,000 원 |
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| 연구기관명 | 성균관대학교산학협력단 | |||||
| 등록 발간번호 | - | |||||
| ISBN | - | |||||
| 주요 내용 |
○ 수자원의 부족 - 현 지구상 존재하는 수량은 약 13억 8,500만 km3으로 추정되며, 이 중 해수는 97%를 차지하는 수자원으로 사용에 제한이 있으며, 나머지 3%인 담수는 대부분이 빙산, 빙하, 지표수, 지하수, 대기 등에 분포 - 현재 인류가 사용가능한 담수의 양은 6,500km3으로 담수의 0.002%에 불과한 실정으로 이러한 문제를 해결하고자 해수담수화 기술에 대한 수요가 증가하고 있는 추세 1) 국제적 물 부족 문제 - 인구증가 및 산업화 등으로 인한 물 수급 부족과 지구온난화와 같은 기후변화로 인한 불안정한 수량, 수질로 인해 전 세계적으로 물에 대한 문제가 대두되고 있는 실정 - UNDP의 ‘Human Development Report,2006’에 따르면 세게 60억 인구 중 10억 명이 깨끗한 식수를 공급받지 못하는 상황이며, 2025년에는 6~9억 명, 2050년에는 10~24억 명으로 늘어날 것으로 전망 2) 국가별 수자원 시장여건 - 중동은 전 세계에서 가장 물이 부족한 지역으로 2008년 10월 기준 중동지역의 1인당 연평균 물 사용 가용량은 1,200m3에 불과하며, 이마저도 2050년에는 50% 정도 급 감할 것으로 전망 - 중동지역은 수자원의 약 60%를 주변국과 공유하고 있으므로 수자원 확보를 둘러싼 국가 간의 분쟁이 종종 발생하는 등 해수담수화는 중동의 물 공급 확대를 위한 방안 으로 평가됨 3) 우리나라 물 부족 문제 - 현재 우리나라의 물빈곤지수(WPI)는 전체 147개국 중 43위 수준이며, 29개 OECD 국가 중 20위로 선진국에 비해 수자원 여건이 열악함 - 우리나라의 연평균 강수량은 1,274㎜(1973~2011)로 세계 평균의 1.6배이고 수자원총량은 1,349억㎥/년이지만, 높은 인구밀도로 인해 1인당 연 강수 총량은 연간 2,660 ㎥로 세계 평균의 약 1/6에 불과 - 물 이용량의 증가와 함께 가뭄 시 이용 가능한 수자원량의 부족이 물부족의 근본 원인이며, 계절별로 편중된 가용 수자원 분포 특성(수요와 공급의 시간적 불균형)은 물 부족을 더욱 악화시키는 요인 - 총 488개의 거주 도서지역 대부분이 지형 여건상 식수난 및 용수부족에 직면 ○ 해수담수화의 필요성 1) 해수담수화 시장 현황 - 해수에는 나트륨(Na+), 마그네슘(Mg2+), 염소이온(Cl-) 등 다양한 물질이 높은 농도로 녹아있으며 해수의 총용존고형물(Total Dissolved Solids, TDS) 농도는 약 35,000mg/L 이며 담수 중 관개용수로 사용하기 위해서는 적어도 1000mg/L 이하의 농도를 요구하고 있음 - 담수화 시장은 해수, 기수, 하？폐수 재이용, 초순수 제조 등 다양한 시장을 형성하고 있으며 전 세계적으로 약 80백만 톤/일 규모로 이중 해수담수화 시장규모가 43백 만 톤/일로 전체 담수화시장의 약 63%를 차지하고 있음 - 또한 세계 물 산업 시장은 향후 10년간 연 6.5%씩 성장할 것으로 전망되며 해수담수화 분야의 경우 2007년 대비 2025년에 3.7배의 성장이 예상됨 - 해수담수화 기술은 1960년대부터 주목받기 시작하여 1995년 증발법이 시장의 대부분을 차지하였으나, 2000년 이후부터 에너지 요구량이 적고 운전이 쉬운 해수담수화 기술의 수요가 증가함으로써, 역삼투(Seawater Reverse Osmosis, SWRO)법으로 해수담수화 기술 시장 이동 2) 기존의 해수담수화 기술과 한계 - 기존의 많이 연구된 해수담수화 기술은 각각의 특징과 한계가 존재함 - 증발법의 경우, 가장 오래된 해수담수화의 공정 중 하나로 해수를 증발시킨 뒤 온도를 낮추어 담수를 생산하는 방법이나 담수를 생산하는데 사용되는 에너지가 크다는 단점이 존재 - 2000년 이후, 대규모 화석연료를 필요로 하는 증발법 대신, 에너지 요구량이 비교적 적은 역삼투 해수담수화 기술에 대한 수요가 증가하고 있는 실정임 ○ 냉동해수담수화 기술의 가능성 1) 냉동법 - 냉동해수담수화 기술은 2000년대 후반에 들어서면서부터 연구가 활발하게 진행되고 있는 새로운 해수담수화 기술로, 물의 상변화를 이용하여 해수가 얼기 시작할 때 순수한 물 분자끼리 우선적으로 결정을 형성하고 용존 물질들은 결정형성에서 배척되는 원리를 이용한 기술임 - 크게 결정조(Crystallizer), 분리조(Separator), 융해조(Melter)로 나뉘어지며 결정조에서 얼음을 형성시키고 형성된 얼음과 농축수는 분리조에서 부상원리를 이용하여 분리시킨 뒤, 융해조에서 분리된 얼음을 녹여 담수를 생성함 - 이론적으로 냉동해수담수화는 얼음결정과 농축수의 분리인자가 높고 저에너지를 필요로 함으로 에너지 효율이 높을 것으로 기대되나, 아직 연구 초기단계의 기술이므 로 이론적 효율을 달성하기 어려운 상태이며, 이를 극복하기 위해 얼음을 만드는 결정단계의 기술, 얼음과 농축수를 분리하는 분리단계의 [최종목표] 본 연구는 대체 수자원 확보를 위해 LNG 플랜트에서 폐에너지로 발생하는 기화열을 냉동해수담수화의 응결 열원으로 이용하여, 실험실 규모의 냉동해수담수화공정 장치의 구동 가능성 평가를 최종적 연구목적으로 삼는다. 이를 위해, 냉동해수담수화 메커니즘과 선행연구조사를 바탕으로, 실험실규모의 응결장치를 제작하여 운용하고자 한다. 이 운영결과를 바탕으로, LNG 냉동해수담수화 장치의 최적 운전조건 도출 및 기술향상 방안을 제시하고자 한다. [연구내용 및 범위] [LNG 플랜트 기화열을 활용한 냉동해수담수화 공정 연구] 가. 1차 연도 ① 개발 목표 a. 기존 냉동해수담수화 공정 선행연구 및 LNG 플랜트 기화열 활용 관련 문헌조사 b. 실험실 규모의 응결실험장치 설계 및 제작 ② 개발 내용 및 범위 a. 기존 냉동해수담수화 공정 선행연구 및 LNG 플랜트 기화열 활용 관련 문헌조사 - 국내/외 기존 연구현황, 기술동향 등에 대한 조사 및 분석을 통한 냉동해수담수화 공정의 기술수준 조사 - LNG 플랜트에서 발생하는 기화열 활용 현황 조사 및 분석 - 냉동해수담수화의 열역학적 메커니즘 파악으로 냉동해수담수화 공정의 실험장치 설계 시 활용 - 계절별 및 지역별 해수 온도 및 성상 변화 데이터베이스 구축 - 기존 냉동해수담수화 공정 특성 조사를 통한 LNG 플랜트의 기화열 활용가능성 평가 b. 실험실 규모의 응결실험장치 설계 및 제작 - LNG 플랜트의 기화열을 활용한 냉동해수담수화 공정을 위해 내구성, 열전도율 등 극저온에 적합한 장치 재질 조사 - 타 연구에서 설계된 냉동해수담수화 장치 조사 - 적합한 재질, 기존 선행연구에서 설계된 실험장치를 참고하여 냉동해수담수화 공정에 적합한 실험실 규모의 응결장치 설계 및 구축 나. 2차 연도 ① 개발 목표 a. 해수와 같은 농도의 소금물을 이용한 냉동해수담수화 공정 최적 운전조건 파악 b. 실제 해수와 유사한 조건의 인공해수를 이용한 냉동해수담수화 공정 최적 운전조건 파악 ② 개발 내용 및 범위 a. 해수와 같은 농도의 소금물을 이용한 냉동해수담수화 공정 최적 운전조건 파악 - 0.5M의 소금물에서 냉동해수담수화 운전효율 평가 (응결조 최적온도, 교반 속도, 최적해수유입량, 세정수 사용량 등) - 냉동해수담수화 공정을 통한 소금물과 처리수의 수질 비교를 통한 염제거율 평가 b. 실제 해수와 유사한 조건의 인공해수를 이용한 냉동해수담수화 공정 최적 운전조건 파악 - 실제 해수의 특징 파악 (부유물질, 조류, 플랑크톤, 모래 등 해수담수화 공정에 영향을 미칠 가능성이 있는 요소들 파악) - 실제 해수와 유사한 조건의 인공 해수에서의 냉동해수담수화 운전효율 평가 (응결조 최적온도, 교반속도, 최적해수유입량, 세정수 사용량 등) - 냉동해수담수화 공정을 통한 인공 해수와 처리수의 수질 비교를 통한 염제거율 평가 - 소금물과 인공해수를 이용하여 얻은 처리수의 수질 비교를 통한 냉동해수담수화 공정의 최적 운전조건 파악 |
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