[논문]워터핀치(Water Pinch)기법을 적용한 백판지공장의 공정수 재이용 최적화

류정용; 박대식; 김용환; 송봉근; 서영범

워터핀치(Water Pinch)기법을 적용한 백판지공장의 공정수 재이용 최적화
Optimization of Water Reuse Network Using Water Pinch Method in Duplex Board Mill 원문보기

펄프 종이기술 = Journal of Korea TAPPI, v.37 no.4 = no.112, 2005년, pp.44 - 51

류정용 (한국화학연구원 펄프제지연구센터) , 박대식 (한국화학연구원 펄프제지연구센터) , 김용환 (한국화학연구원 펄프제지연구센터) , 송봉근 (한국화학연구원 펄프제지연구센터) , 서영범 (충남대학교 임산공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Paper mills use and discharge lots of water. And so now the papermaking industry could be classified into major water consuming industry In order to analyze the process water network and to establish the mass, water balance of duplex board mill, computer aided simulation was made using water pinch method. Based on the pinch analysis results, reuse of process water, after regenerating by microfilter as much as $140\;m^3/hr$, could be suggested without significant accumulation of contaminants in process water. According to this suggestion about $3000\;m^3/day$ of recycled process water could be sub stituted by regenerated water and consequently $30\%$ of energy cost is expected to be reduced.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

전산모사는 AspenTech 사의 Aspen Water와 AspenPlus를 이용하여 수행하였다. Table 1에서 보는 바와 같이 각 공정수의 오염정도를 분석하여 공정수를 재이용할 수 있는 가능성을 탐색하였다.
본 연구에서는 위와 같은 전산모사를 병행한 워터핀치기법을 이용하여 제지공정의 복잡한 용수 공 급 네트워크를 분석하고 최적의 용수 공급망을 구성하고자 하였다. 또한 재이용수의 사용에 따른 공 정에 미치는 악영향을 최소화하기 위하여 오염물의 농도변화에 대한 핀치분석을 수행하여 공정수 오염을 예측, 조사하였다 아울러 본 연구에서는 실제 적용 실험과 전산모사 결과에 근거한 예측을 바탕으로 공정수의 오염을 경감시키는 마이크로 필터의 활용을 고려하였으며 배출 폐수의 오염물 농도 증가를 최소화하기 위한 최적의 용수 공급 네트워크를 도출하고자 하였다.
본 연구에서는 위와 같은 전산모사를 병행한 워터핀치기법을 이용하여 제지공정의 복잡한 용수 공 급 네트워크를 분석하고 최적의 용수 공급망을 구성하고자 하였다. 또한 재이용수의 사용에 따른 공 정에 미치는 악영향을 최소화하기 위하여 오염물의 농도변화에 대한 핀치분석을 수행하여 공정수 오염을 예측, 조사하였다 아울러 본 연구에서는 실제 적용 실험과 전산모사 결과에 근거한 예측을 바탕으로 공정수의 오염을 경감시키는 마이크로 필터의 활용을 고려하였으며 배출 폐수의 오염물 농도 증가를 최소화하기 위한 최적의 용수 공급 네트워크를 도출하고자 하였다.
핀치 기 법은 초기에 Heat Pinch라고 하는 열 교환기 망의 최적화 방법에 적용되었다. 이 기법은 공정에서 발생하는 열에너지의 손실을 방지하여 에너지 발생에 필요한 비용의 절감에 주 목표를 두었다. 그 이후에 EL-Halwagi와 Manousiouthakis17, 181 와 Wang과 Smith19,20)등은 원래 열 교환기 합성에서 사용되던 기술을 다르게 적용하여 워터핀치기술을 개발하고 오염을 방지하는데 성공적으로 기여했다.
수질분석은 S제지 에서 입수한 공정도와 주요 공정들을 대상으로 선정된 샘플 포인트를 기초로 하여 이루어졌다. 이 수질분석자료와 입수된 자료를 바탕으로 공정에서 이루어지는 물질의 흐름을 파악하기 위한 물질수지자료를 작성하였다.

제안 방법

Table 1은 전체공정수의 분석결과이며 전산모사의 수행을 위한 입력 자료로서 활용되었다. 각 공 정에는 최대로 유입 가능한 오염물질의 허용농도를 설정하였으며 공정수의 배출이나 다음 공정으로의 유입에 따른 오염물 농도 변화를 분석하였다. 각각의 공정들은 오염물의 농도에 따라서 공정합성 (process integration) 방법을 적용하여 통합한 후 분석되었다.
공정현황을 파악하기 위하여 제지공정에서 존재할 수 있는 여러가지 오염물들 중 COD, SS, calcium hardness, alkalinity와 같은 주요 인자를 정하여 수질분석을 실시하였다. 수질분석은 S제지 에서 입수한 공정도와 주요 공정들을 대상으로 선정된 샘플 포인트를 기초로 하여 이루어졌다.
백판지 생산 업체의 용수공급 네트워크를 청수 사용량의 절감 뿐만 아니라 폐수의 오염감소까지 고려하여 워터핀치 기법을 적용해 전산모사를 실시하였다. 이를 통해 재이용수의 사용에 따른 공정오 염을 예측할 수 있었으며 오염물의 유입허용농도에 따라 결정되는 재이용수의 사용가능 유량 변화를 파악하였다.
공정현황을 파악하기 위하여 제지공정에서 존재할 수 있는 여러가지 오염물들 중 COD, SS, calcium hardness, alkalinity와 같은 주요 인자를 정하여 수질분석을 실시하였다. 수질분석은 S제지 에서 입수한 공정도와 주요 공정들을 대상으로 선정된 샘플 포인트를 기초로 하여 이루어졌다. 이 수질분석자료와 입수된 자료를 바탕으로 공정에서 이루어지는 물질의 흐름을 파악하기 위한 물질수지자료를 작성하였다.
전산모사기법을 통해서 공정수와 오염물질의 유입, 유출에 관한 체계적인 접근과 분석을 수행할 수 있었다. 전산모사는 AspenTech 사의 Aspen Water와 AspenPlus를 이용하여 수행하였다. Table 1에서 보는 바와 같이 각 공정수의 오염정도를 분석하여 공정수를 재이용할 수 있는 가능성을 탐색하였다.

이론/모형

각 공 정에는 최대로 유입 가능한 오염물질의 허용농도를 설정하였으며 공정수의 배출이나 다음 공정으로의 유입에 따른 오염물 농도 변화를 분석하였다. 각각의 공정들은 오염물의 농도에 따라서 공정합성 (process integration) 방법을 적용하여 통합한 후 분석되었다.
본 연구에서는 백판지를 생산하는 S제지를 대상으로 워터핀치기법을 적용하였다. s제지는 2대의 초지기를 가동하는 제지회사로 용수 사용량이 하루에 10, 000톤에 달하는 규모를 가지고 있다.

성능/효과

제지산업은 원료의 정제와 제품의 생산에 다량의 공정수를 필요로 하는 용수 다소비 산업이다.1,5) 제지공정은 원료의 탈수 과정에서 발생하는 백수 (white water)를 순환시켜서 공정 내에서 재사용하는 순환시스템을 가지고 있다.1,9,8) 그러나 백수의 순환률이 높아짐에 따라서 배관이나 기계에 스케일을 형성하고 지층의 형성과정에서 섬유 간의 결합에 악영향을 미치는 문제점들이 제기되었다.
그러나 한번 사용된 공정수는 폐수처리시설로 이동되기 때문에 일정 유량이하에서는 오염물의 농도변화가 적었다. 또한 전산모사를 통해 각 공정 별로 설정된 최대 유입허용농도 별로 재이용수 활용 유량에 따라 유출수 내 오염물의 양과 공정 내의 축적에 영향이 있는 것을 확인할 수 있다. Fig.
와이어 샤워수(wire shower water)의 경우 청수와 재활용수가 같이 사용되는데 다른 공정수에 비해 SS의 농도가 높은 것을 알 수 있다. 와이어 샤워수는 filler line 처리수와 COD가 비슷한 수준이며 청수가 다량 사용되는 실링수와 COD 차이가 큰 것으로 분석되었다.
이러한 핀치기법을 이용하여 재이용수의 활용에 따른 오염물질의 공정 내 축적현상을 분석해 본 결과 약 140m7hr의 재이용수를 활용하였을 경우에는 오염물의 현저한 축적없이 공정에 미치는 악영향을 최소화 할 수 있을 것으로 분석되었다. 이에 따라 약 3000m7day 가량의 공정수를 재이용수로 대체 할 수 있으며 30% 이상의 에너지 비용 절감효과를 얻을 수 있을 것으로 기대되었다.
백판지 생산 업체의 용수공급 네트워크를 청수 사용량의 절감 뿐만 아니라 폐수의 오염감소까지 고려하여 워터핀치 기법을 적용해 전산모사를 실시하였다. 이를 통해 재이용수의 사용에 따른 공정오 염을 예측할 수 있었으며 오염물의 유입허용농도에 따라 결정되는 재이용수의 사용가능 유량 변화를 파악하였다.
Table 5에서 전산모사를 통해 워터핀치기법을 적용하여 최적화된 용수 공급 비용이 나와 있다. 적용해본 결과 약 3000m7day의 재이용수를 청수대신 사용할 경우 30% 이상의 비용절감효과가 있는 것으로 분석되었다.
4에는 기존에 청수를 사용하던 실링수를 오염물이 함유되어 있는 재이용수로 대체함에 따라서 유출수의 오염물의 농도가 높아지는 경향을 나타내었다. 청수를 대체하는 재이용수의 유량이 증가함에 따라서 유출수의 오염물 농도가 증가함을 알 수 있다. 그러나 한번 사용된 공정수는 폐수처리시설로 이동되기 때문에 일정 유량이하에서는 오염물의 농도변화가 적었다.
Table 4를 보면 폐수처리장으로 유입되는 공정수의 오염물이 마이크로 필터를 통과함으로서 COD는 40% 이상, SS는 10% 이상 농도가 저하되어 있는 것을 알 수 있다. 폐수의 농도부하가 낮아짐으로써 기존에 청수가 사용되던 실링수나 보충수, 기타 공정수와 재활용수와 청수가 사용되던 샤워공정 에 재생장비로 처리된 재이용수로 대체할 수 있는 것으로 분석된다. 오염물의 농도변화를 최소화하는 범위에서 청수를 대체할 수 있는 재이용수의 양은 Fig.

후속연구

이러한 핀치기법을 이용하여 재이용수의 활용에 따른 오염물질의 공정 내 축적현상을 분석해 본 결과 약 140m7hr의 재이용수를 활용하였을 경우에는 오염물의 현저한 축적없이 공정에 미치는 악영향을 최소화 할 수 있을 것으로 분석되었다. 이에 따라 약 3000m7day 가량의 공정수를 재이용수로 대체 할 수 있으며 30% 이상의 에너지 비용 절감효과를 얻을 수 있을 것으로 기대되었다.
재이용수의 사용을 최적화하기 위해서는 먼저 각 공정들에 오염물의 최대유입허용농도를 설정한다. 재이용수를 사용하고자 하는 공정에서 재이용수 내에 함유되어 있는 오염물로 인한 영향이 가능한 낮도록 전산모사기법을 수행할 때에 각 공정마다 유입허용농도를 설정해주면 이에 근거하여 기존에 공정에 유입되는 공정수의 오염물 농도에 따라서 또는 대상 공정에서 이루어지는 물질의 이동량에 의하여 최대로 유입이 가능한 오염물의 양이 제한된다. 이것을 바탕으로 공정수정 (process modification)이나 재이용수를 처리하기에 적합한 폐수 재생장비(wastewater regeneration) 의 선정을 실시함에 따라 효율적인 용수 절감방안을 실현할 수 있다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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