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1. 서 론
산업설비에서 냉각수는 중요한 에너지원이다.
에너지란 일을 할 수 있는 힘을 뜻하는데, 인간이 에너지란 존재를 정의하기도 전에 에너지는 우주공간 에 이미 존재해 왔다. 이제는 에너지를 단지 이용하는 단계에서 벗어나 부작용 없이 이용하는 방법에 많은 투자가 이뤄져야 할 것이다. 공기조화시스템이 산업과 인간생활에 많은 기여를 하고 있지만 시스템 중의 하나인 냉각수계는 미생물과 세균 등으로 오염되어 이제 산업설비 뿐만 아니라 인간에게 또 다른 장해요인으로 작용하고 있다.
2. 냉각수계의 오염물질
물은 자연 속에 아주 안전한 상태로 존재하는 액체중의 하나이며, 특히 시스템 속에서 자신이 가지고 있는 특성변화에 따라 냉각수로서 역할을 하게 된다. 또, 열교환기에 의해 상승된 온도를 대기 중에 증발잠열을 주고 자신은 냉각되는 과정을 반복하면서 냉각탑이라는 시스템을 유지한다.
냉각탑은 외기의 혼입과 냉각수의 비산, 증발에 의해 여러 가지 오염물질이 농축되고, 계통내에서 발생되는 부식이나 미생물의 증식 등으로 수질이 악화되면 열교환기 및 배관계에 이들을 농축시키는 역할도 한다.
물에 혼합상태로 떠 다니는 부유고형물(Suspended Solids)은 Slime의 형성이나 부식의 원인이 되며, 결국은 열교환기의 효율을 악화시켜 에너지 소비증대와 직결된다. 또한 칼슘, 마그네슘, 기타 염기류 등 용해고형물(Disoled Solids)은 용해상태로 존재하면서 열교환기에 Scale 장해를 일으킨다. 뿐만 아니라, 각종 미생물이 가장 서식하기 적절한 온도인 냉각수는 박테리아, 이끼류, 기타 병원균뿐만 아니라 인체에 치명적인 영향을 주는 질병인 레지오넬라균을 발생시킨다.
3. 냉각수계의 장해현상
‘부식장해’는 용존산소 및 염소, 황산 등의 부식성 이온에 의해 냉각수계의 열교환기 및 배관에 부식회로가 형성되어 발생되며 냉각수계 설비의 수명을 단축시킬 뿐만 아니라, 배관에 부착하여 열교환효율 및 프로세스 조업효율의 저하, 제품의 누설 및 오염 등 각종 장해를 일으킨다.
‘스케일장해’는 냉각수에 용해상태로 농축된 탄산, 황산, 인산칼슘, 인산아연 및 실리카 등이 pH와 온도상승에 따라 용해도가 감소하면서 석출되어 열교환기나 전열면, 배관 등에 침전물상태로 부착된다. 냉각수의 농축배수가 증가함에 따라 전열면에 스케일형성이 빨라지고, 냉각수의 순환속도가 느려지면 열교환기 전열면에 부유고형물 등이 쉽게 침전·부착되어 스케일생성이 촉진된다. 그 에따라 열전달 효율이 더욱 악화되고, 침전물 하부에는 박테리아에 의해 국부부식이 발생하여 부식사고를 조장시키는 경우가 많다.
‘슬라임장해’는 조류 및 미생물생성에 최적조건인 냉각수계에 용존된 영양원에 의해 세균, 사상균 및 조류 등의 미생물이 번식하고, 이 미생물에 토사나 먼지 등 무기물이 부착되어 연니성(軟泥性) 오염물질이 만들어지는데 이 또한 열교환부에 부착되어 유량감소 및 국부부식을 초래한다.
‘세균오염’은 번식에 최적조건인 냉각탑에 의해 외부공기와 열교환과정에서 많이 발생하며 냉각수의 비산, 증발에 의해 인체에 침투하는데 대표적인 것이 레지오넬라균이다. 이 세균은 호수나 하천, 토양 등의 자연환경이나 오염된 냉각탑, 물탱크, 온천 등에서 서식하는 박테리아가 병원균이며, 레지오넬라는 물과 박테리아가 결합된 상태에서 분무상태로 공기에 의해 전염된다. 레지오넬라가 검출되는 인공적인 시설물로는 공조, 산업용 냉각탑, 20°C~45°C범위 내의 시스템 등이며, 공조설비와 밀접한 관계가 있다고 하겠다.
냉각탑의 냉각수는 초기에는 수질이 양호하고 미생물수가 적으나, 냉각탑의 가동과 함께 대기 중의 미세한 입자나 물질의 혼입에 의해 농축되면서 서서히 오염되기 시작한다.
4. 냉각수 수처리방법
잘못된 수질관리는 앞에서 보았듯이 시스템 효율에 많은 장해요인을 발생시킬 뿐만 아니라 인간생명을 위협할 수 있으므로 산업설비의 효율이나 생산성 향상 외에도 해결해야 할 과제가 많다.
■ 불로우다운(BlowDown) 관리
냉각탑이 가동되면 될수록 냉각수의 일부분이 증발되면서 잠열에 의해 자신은 냉각이 되어 냉각능력을 가지지만, 이온의 농축이 진행되어 많은 장해현상이 생성될 수 있는 여건이 조성된다. 그러므로, 농축배수에 따라 농축된 물을 Blow Down함으로써 일정한 농도를 유지하고, 비산, 증발 및 배수로 인한 부족한 양은 새로운 물을 보충함으로써 냉각수 수질을 관리해야 한다.
■ 순환여과처리
외기가 혼입되고 가동이 진행됨에 따라 냉각수 중에는 여과가 가능한 부유고형물과 여과가 불가능한 용해고형물로 구분된다. 순환수의 미세한 부유고형물은 1~10micron의 입자를 제거할 수 있는 여과기를 통해서 제거가 가능하지만, 용해고형물은 약품처리에 의해 가능하므로 효과적인 수질관리를 위해서는 여과장치와 약품처리를 병행함이 적합하다.
■ 약품처리
약품처리의 종류로는 부식방지제(금속표면에 방식피막을 형성시켜 부식회로를 차단하는 ‘침전피막형’과 금속표면을 부동태화시키는 ‘산화피막형’이 있다), 스케일방지제, 슬라임 생장억제제 및 슬러지 퇴적방지를 위한 분산제 등이 있다. 금속의 부식은 부식회로형성에 의해 발생하므로 형성요인 중 한 인자만 차단해도 부식을 방지할 수 있다.
■ 레지오넬라균의 방지대책
냉각수에 의한 레지오넬라균의 감염을 방지하기 위해서는 에어졸의 비산방지, 오존이나 염소계 약품투입에 의한 살균처리, 여과처리(Filtration), 냉각탑의 주기적인 청소 및 냉각수 교체를 통해 세균과 미생물의 생성을 억제해야 하며, 약품투입에 의한 2차 환경오염이 발생될 수 있으므로 안전관리에 세심한 주의가 요구된다.
5. 냉각수처리의 향후과제
냉각탑에 있어서 적절한 수처리는 에너지절약측면과 용수·폐수의 두 가지 측면이 있어 간단하지 않다. 절수를 위해 Blow Down량을 줄이면 냉각수가 농축되어 슬라임이나 경질스케일에 의한 장해요인이 발생한다. 그러므로, 수질관리에 있어 정밀여과장치로 미세입자를 제거하므로써 Blow Down량을 늘리지 않더라도 적절한 농축배수를 유지하여 스케일 생성방지 및 냉각수량을 절약할 수 있다. 이는 용수비와 폐수처리비의 절감과 함께, 보충수의 절약에 따라 각종 약품처리비 감소와, 장비 및 설비수명을 연장할 수 있고 레지오넬라균 등 각종 세균의 서식환경을 제거할 수 있다. 그러기 위해서는 수질의 모니터링을 통한 종합적인 처리시스템(Total Water Treatment System)이 요구된다.
① 연속블로우다운 : 냉각수 수질을 첵크하여 오염된 농축수를 배수
② 약품 주입설비: 청관제, 스라임 방지제, 부식억제제, 살균제(레지오넬라균등)를 일괄 투입, 지속적으로 예방·처리 |