Pinch 기법의 적용을 통한 제지 공정수 재이용 최적화

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

박대식, 김용환, 류정용, 송봉근

한국화학연구원 응용화학연구부

Optimization of process water reuse for paper manufacturing industry

using water pinch technology

Dae-Sik Park, Yong-Hwan Kim, Jeong-Yong Ryu, Bong-Geun Song

Korea Research Institute of Chemical Technology

서론

최근 산업에서는 공업용수의 효율적인 사용과 폐수의 처리방법에 있어서도 그 기술의 발달에 많은 관심이 모아지고 있다. 환경에 대한 문제가 심화되고 있으며 용수의 가격 또한 상승하고 있는 실정에서 공정내 물의 재이용은 용수와 폐수의 양을 최소화시킬 수 있는 방법이다.1)

Water Pinch는 용수의 사용량을 최소화하기 위해서 water reuse, water regeneration reuse, regeneration recycle 의 방법이 사용되고 있으며 여기에는 각 공정간의 통합이 중요한 요소로 작용한다. 재사용되는 용수의 mass를 사전에 파악하여 mass integration과 process integration을 통해 stream을 최소화시키는 작업이 필요한 것이다.2)

mass integration은 어떠한 물을 재사용할 것인가에 대한 선정과정에서 중요하게 작용한다. 각각의 공정에 있어서 mass의 오염정도나 조성에 따라서 얼마만큼의 물이 재사용되어질수 있는가가 달라지며 pinch에 있어서 mass와 energy의 balance는 재처리되어 재사용되는 물의 양을 결정하게 된다. process integration은 통합된 공정을 통해 전체 공정의 모습을 살펴볼 수 있으며 여기에서 재이용의 목표를 선정하게 된다.

따라서 integration은 pinch가 이루어지는 target의 선정에 있어서 mass의 흐름을 파악할 수 있는 방법이며 전산모사기를 통한 Water Pinch의 적용에도 가장 먼저 이루어지는 단계로 사용되고 있다.

본 연구에서는 Water Pinch 기법을 전산모사기를 이용하여 용수다소비 산업인 제지산업에 도입하여 regeneration 되는 재이용수의 최적방안을 도출하였다.

전산모사 방법

Pinch 기법의 적용대상은 대구에 위치한 세림제지로서 용수 사용량은 9000 t/d 정도이며 제지생산량은 600 t/d 정도이다. 연구에 사용된 컴퓨터 프로그램은 Aspen Tech 사의 Aspen Water 10.2를 사용하였다. 먼저 전체공정에 대한 flowsheet를 작성하여 각 공정별로 수질, 유량, 및 각각의 데이터를 통해 전체적인 mass balance를 조절하였다.

fig. 1은 전체공정의 간략화된 모습을 그려본 것이다. 이런 간략화된 공정을 통해서 전체적인 mass의 흐름과 용수의 유동량을 파악하였다. 또한 각 공정에서 유출되는 폐수의 유동량을 알기 위하여 폐수가 발생되는 process unit들을 구성하였다. 구성된 flowsheet에는 현지의 공정에서 채취된 sample의 분석된 결과를 입력하였으며 각 공정의 조건을 변화시키거나 재이용지점을 찾기 위한 유동의 변화를 관찰하였다.

이것은 실제 공정에서 측정된 분석결과를 이용해 최적의 방안을 도출해내는데 있어서 다양한 결과를 통해 mass integration과 process integration의 효율적인 작성을 이루는데 중요한 요소로 작용하며 재이용되어지는 물로 인한 변화되는 사항을 찾아내고 그에 따른 공정개선의 효과가 어느 정도인지 예측할 수 있게 해준다.

Fig. 1 Water regeneration flowsheet including unit

전산모사기를 통하여 현행 공정의 문제점을 진단하고 용수의 절감부분, 폐수의 재이용 가능성, stream의 최소화가능성 부분들에 대해서 각 공정별 현장분석결과와 전산모사기를 통한 실험결과와의 비교를 통해 최적화된 공정수의 흐름을 도출하고자 하였다.

결과 및 고찰

Table. 1 Waste water concentration discharged from     Serim Paper

용수종류	COD(mg/l)	Ca(mg/l)	SS(mg/l)
1차 처리수	480	148	130
3차 처리수	96	124	-
나쉬펌프유출수	149	332	13
shower용수	167	300	11

Table. 1은 폐수처리장에서 1차 처리되어 배출되는 방류수와 제지공정에서 재이용수의 유입이 효율적으로 작용할 수 있는 공정의 분석결과이다. 분석결과 1차 처리수에 한 단계의 처리과정이 도입된다면 다량의 용수를 재이용수로 대체할 수 있는 가능성이 높은 것으로 나타났다. 이것은 regeneration reuse의 방법으로 공정에서 이미 사용된 물을 재처리하여 재사용하는 것이다.

Fig. 2 Variation of flowrate for SS input level

for microfilter

Fig. 3 Water cost variation for various inlet           constraint of pump

Fig. 2를 보면 regeneration reuse를 통한 용수의 유동변화가 나타나 있다. 1차 처리된 폐수가 재처리된 후 재이용 됨에 따라서 용수의 양이 절감되는 효과가 나타났으며 regeneration water 또한 용수의 유동변화에 비례적으로 감소하는 것으로 나타났다. 이것은 폐수의 부하가 현저하게 감소하는 것을 의미한다. 공정 내에서 regeneration recycle이 일어나 폐수로 방류되는 양이 절감되는 효과를 가져온 것이다.

Fig. 3은 재이용수가 유입되는 공정에 제한조건을 두어 water cost의 감소폭을 측정한 것이다. 재처리단계에 유입되는 폐수의 농도가 높아짐에 따라서 재처리의 처리효율이 떨어져 재이용수의 오염이 높으면 공정의 제한조건에 따라서 용수의 절감효과가 떨어지는 것으로 나타나고 있다. 이것은 재처리과정의 조건과 효율성을 정하는 기준을 제시해줌과 동시에 재이용수의 유입에 따른 water cost의 변화까지 예측할 수 있다.

Table. 2와 같이 전산모사기를 통해서 regeneration 되는 재이용수의 양과 거기에 따라서 감소되는 용수의 양을 측정할 수 있다. 전산모사기를 통하여 대상 공장인 세림제지에 적용한 Water Pinch의 효과는 약 372(te/h)의 용수 절감효과를 보여주었으며 절감율은 약 44%에 달하였다.

Table. 2 Optimized water flow rate using Water Pinch technology

process water	flow rate(te/h)
base demand water	851
optimized water	479
regeneration water	359

Table. 3은 용수의 절감효과로 인한 cost의 변화를 보여주고 있으며 절감효과는 41.6%에 달하며 이것은 용수의 절감되는 양과 비슷하게 나타나고 있다.

Table. 3 Optimized cost using Water Pinch technology

cost item	optimized cost	base cost
water cost	1467	2401
connection cost	197	90

본 연구결과에서 Water Pinch 기법적용을 통한 용수의 재이용방안은 실제공정의 변환이나 증설을 실시하기 이전에 현 공정의 진단을 통하여 문제점을 찾아내고 유출되고 있는 폐수의 재이용가능성을 결과로서 나타내어 주는 장점을 지니고 있어 공정진단에 많은 유용성을 지니고 있음을 알 수 있다. 또한 제지산업을 포함한 용수다소비 산업에 이러한 Water Pinch의 적용이 전산모사기를 통하여 쉽게 적용될 수 있으며 많은 산업에 도입될 수 있는 여지가 있음을 보여주고 있다.

참고문헌

1) Hallale, N. "A new graphical targeting method for water minimization"             Advances in Environmental Research 141 (2001)

2) James, M. G., Liu, Y. A. "Industrial Water Reuse and Wastewater Minimization"    McGraw-Hill (1999)

3) Fraser, D. M., Hallale, N. "Determination of effluent reduction andcapital cost       targets through pinch technology" Environ. Sci. Technol., 34, 4146-4151 (2000)

4) Dunn, R. F., Henrik, W. "Process integration design methods for water             conservation and wastewater reduction in industry" Clean Product and Process, 3,     307-318 (2001)

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년