냉동기 및 냉각탑 (냉각수 및 냉.온수처리)

Ⅰ.서 론

기술의 발달과 함께 냉각수의 처리기술은 높은 효율과 에너지 절약을 추구하였으며 최근에는 경제성과 환경보전을 함께 고려해야하는 문제가 대두되었다.
이는 냉각수의 각종 장해요인으로 지목되는 부식ㆍ스케일ㆍ슬라임 및 미생물 장해로부터 산업설비의 원활한 운전과 에너지의 효율적인 이용, 설비의 수명연장과 유지비용의 절감 및 환경보전을 이룩하여 궁극적으로는 경쟁력 배양이라는 차원에서 냉각수 처리시스템을 검토하여야 함을 의미한다.
따라서 본고에서는 개방ㆍ밀폐순환식 냉각수계의 장해종류와 수처리 방법의 종류, 수처리시스템을 선정하기 위한 검토사항 및 새로운 여과시스템의 적용을 소개하고 자 한다.

Ⅱ. 냉각수 계통의 오염물질 종류와 장해현상
산업설비에 의해 상승된 온도를 증발에 의한 증발잠열의 방출로서 냉각수의 재사용을 가 능케하는 냉각탑은 운전중 대기로부터 여러 가지 오염물질의 혼입과 비산, 증발 등으로 인한 오염물질의 농축, 계통 내부에서 발생하는 부식이나 미생물의 증식 등으로 수질이 계속 악화되고 있다.
냉각탑은 대기를 이용하여 물을 냉각시키기 위한 열교환장치이지만, 한편으로는 대기중의 이물질을 제거하여 냉각수 계통에 농축시키는 역할도 한다.


2.1 오염물질의 종류

(1) 부유고형물(Suspended Solids)
물에 혼합상태로 부유하는 고형물을 말하며 슬라임(Slime)의 형성이나 부식의 원인이 되면 스케일(Scale)과 결합하여 결정성장을 빠르게 하고 열교환 효율을 급격히 저하 시킨다.

(2) 용해고형물(Disolved Solids)
물에 용해된 상태로 존재하기 때문에 눈에 보이지 않고 걸러 낼 수 없다.
칼슘, 마그네슘, 기타 염기류 등의 이물질을 말하며 스케일(Scale) 등의 장해를 일으 킨다.

(3) 레지오넬라균 등 각종 미생물
각종 미생물이 서식하기에 적절한 온도인 냉각수에는 박테리아, 이끼류, 기타 병원균 등도 증식하며, 이중에 레지오넬라균은 인체에 치명적인 영향을 주는 질병을 일으키기도 한다.

2.2 냉각수계에서 발생하는 장해 현상

(1) 부식장해
냉각수에 용해되어 있는 용존산소 및 염소, 황산등의 부식성 이온에 의해 냉각수계의 열교환기 및 배관에 부식회로가 형성되어 부식현상이 발생한다.
이는 탄소강 배관계에서 50∼100mdd(0.24∼0.72mm/yr)정도이며 국부부식의 경우 3∼4배 높음 수치를 나타낸다.
부식생성물은 배관에 부착하여 열교환 효율의 저하, 배관마찰손실 증가에 따른 펌프운전압력 상승 및 유량감소와
처리약품을 흡착하여 낭비하는 원인이 되기도 하고, 녹찌꺼기 등이 배관을 따라 돌아다니면서 펌프 매카니 컬 씨일(Mechanical seal)의 누수나 콘트롤 밸브의 마모 등 2차적 피해를 일으키기도 한다.

(2) 스케일장해
냉각수중에 용해되어 있는 탄산ㆍ황산ㆍ인산칼슘, 인산아연 및 실리카 등이 농축되어 있다가 pH와 온도상승에 따라 용해도가 감소하므로 특히 온도가 높은 열교환기의 전 열면 등에서 포화 용해도의 차이에 의해 석출되어 침전물이 형성, 부착되는 현상이다.
경도가 높은 물은 수온이나 냉각수의 농축배수가 상승하면 주로 열교환기 전열면에 탄산염(탄산칼슘등)의 스케일이 형성되며 부유고형물 등에 의해 성장이 촉진된다.
이런 스케일은 열전달 효율을 저하시켜 냉동기의 응축온도가 상승하고 COP의 저하 로 냉동기의 소비동력이 증가하게 된다. [그림 1]은 최근의 고효율 응축전열관의 단면을 나타내고 있다.
관의 내부는 열전달을 촉진하기 위해 홈을 파 놓았는데(Grooved), 유속이 느려지거나 야간에 냉동기 정지시 에 부유고형물이 쉽게 침전, 부착되어 열전달효율을 저하시키고 침전물 하부에서는 박테리아에 의한 동관의 부식(under-deposit corrosion)이 진행되기 쉽다.

(3) 슬라임 장해
냉각탑은 조류 및 미생물이 번식하기 쉬운 환경에 놓여 있다.
냉각수계에 용존하는 영양원을 이용하여 세균, 사상균 및 조류 등의 미생물이 번식하고 이 미생물을 주체로 토사나 먼지 같은 무기물이 부착되어 연니성(軟泥性)의 오염물질을 만들고, 이러한 연니성의 오염물질이 열교환기나 배관 등에 부착하거나 퇴적하면서 열교환효율의 저하, 압력손실증가로 인한 유량감소 및 국부부식(pitting)을 일으키게 된다.
이러한 현상을 슬라임 장해라 하는데, 냉각탑 수조와 배관, 콘덴서 튜브의 수실커버 등을 늘 점검하여 진흙, 회색슬러지(grey sluge)를 제거하고 콘덴서 튜브가 막히거나 더럽고 악취 나는 물이 되지 않도록 항상 청소에 신경써야 한다.

(4) 박테리아 등의 세균오염
냉각탑에서의 미생물 증식과 세균오염을 언급할 때 대표적인 것으로는 레지오넬라 세균에 의한 감염을 들 수 있는데 감염경로는 호흡시 병원균체를 포함하는 에어로졸이 기도를 거쳐서 흡입함으로써 발병하며 오염된 냉각수 비산으로 공조계통의 공기오염, 샤워수의 오염 흙먼지 등이 주요 감염원이다.
레지오넬라균은 단세포의 미세조류 원생동물 종속영양 세균 등의 미생물과 공생하는데 미세조류 등의 대사산물을 영양원으로 이용한다.

[표 1] 냉각수계의 레지오넬라균 검출비율

구 분	계	병 원	호 텔	백화점ㆍ쇼핑몰	대형빌딩ㆍ기타
점사건수	128	20	24	17	67
균 검출건수	22(17.2%)	5(25.0%)	2(8.3%)	2(11.8%)	13(19.4%)

레지오넬라균의 냉각탑에서의 생식분포는 조사자에 따라서 그 검출율에 차이는 있지 만 대개 냉각탑의 60∼70%에 생식하고 있는 것으로 보고되고 있다.
우리 나라에서도 서울특별시에서 97년 하반기에 총 128개의 병원, 호텔 등의 건물 들을 대상으로 검사하였고 그 중 22개 건물의 냉각수에서 레지오넬라균이 검출되어 매우 우려가 되는 결과가 나왔다.
냉각탑과 같이 수온이 36 - 37℃ 부근이고 또한 공생상대가 되는 미생물이 활발하게 증식하고 있으면 레지오넬라균의 생식에는 유리하다.
냉각탑에는 수돗물이나 지하수 등이 사용된다.
사용초기에는 수질도 좋고 미생물의 수도 적다. 그러나 냉각탑의 가동과 함께 냉각수는 대기중의 미세한 입자나 여러 가지 물질을 흡수해서 오염이 된다.
여러 가지의 무기성분 및 유기성분의 농도가 높아지고 미세 조류나 세균류 및 원생동물이 증가하여 냉각수는 부영양화 상태로 된다.
이 상태를 더욱 방치하면 슬라임이나 미세조류에 의한 매트가 형성되고 미생물을 잡아먹는 유충이나 성충 등이 늘어난다. 레지오넬라균은 영양물을 공급할 수 있는 미생물균이 안정된 생식을 확보한 후에는 즉, 공생 상대가 되는 미생물이 환경에 정착하게 되면 활발하게 증식하는 것이다.

Ⅲ. 냉각수 수처리의 방법
냉각수의 수질을 적절하게 관리하지 않으면 설비의 수명을 단축시킬 뿐 아니라 프로세 스 가동류 저하, 제품의 불량발생, 에너지 손실, 배관과 펌프 등에서의 누설, 약품투입비 등 각종 관리비용의 증가 등 여러 가지 낭비적 결과를 가져온다.
또한 인체에 치명적인 영향을 주는 레지오넬라균에 의한 질병발생의 위험도 있다. 그러므로 냉각수의 관리를 절대 소홀이 해서는 안된다.

3.1 블로우다운(Blow down)
관리 냉각탑을 운전하면 순환수의 일부분이 증발되면서 냉각효과를 발휘하는 대신, 남아있는 냉각수 중의 이온들은 농축되고 따라서 부식, 스케일 등이 쉽게 생성될 수 있는 여건이 형성된다.
그러므로 항상 적절량의 불로우 다운(Blow down)을 실시하여 새로운 물을 보충해 줌으로써 농축배수를 일정수준 이하로 관리해 주는 것이 냉각수 수질 유지를 위한 기본 사항이다.

3.2 순환여과(Side-streem filtration)처리
냉각수 중의 이물질은 크게 부유고형물과 용해고형물로 나뉘는데 여과를 통해서는 주로 부유고형물을 제거하며 약품처리를 통해서 용해고형물을 처리하게 된다.
냉각수에 포함 되어 있는 부유고형물의 분포를 살펴보면 대략 85-95%가 10ㄍ 이하의 크기를 가진 미세 입자인데 이러한 입자는 배관의 스케일(scale) 또는 슬라임(slime)을 유발하고 미생물 번 식의 환경을 조성하기 때문에 반드시 제거되어야 하며, 미세 여과장치와 화학약품처리를 병용함으로써 효과적인 처리가 가능하다.
환경부의 우리 나라 먼지(TSP) 오염도에 관한 실태자료를 살펴보면 [표 2]와 같다.
우리 나라의 주요 도시 먼지오염도를 보면 전 도시가 매년 감소 추세에 있다.
서울의 경우 1986년 183㎍/㎥에서 계속 감소하여 1990년에는 150㎍/㎥, 1998년에는 57㎍/㎥로 연간 환경기준치인 150㎍/㎥ 이하를 달성하고 있다.
다음 [표 2]는 주요도시의 연도별 먼지오염도(단위:㎍/㎥)를 나타낸다.
또한 주요 도시의 계절별 먼지오염도를 보면 건조한 시기인 겨울 및 봄의 오염도가 높게 나타나는 경향을 보이고 있으며 매년 봄 중국에서 발생하는 황사의 영향을 받아 이 기간 중에는 먼지농도가 평상시에 비하여 2∼4배정도 높게 나타나고 있다.
여기서 특히 주목 할 것은 총먼지와 미세먼지(PM-10, 10micron 이하의 먼지)의 비율인데, 각 도시별로 97 년부터 99년까지의 총먼지 농도와 미세한 먼지농도를 비교해보면, 총먼지 중에서 미세먼 지가 차지하는 비중은 80∼100%까지에 이르고 있다. 그러므로 냉각수의 순환여과 처리 에는 1∼10 micron의 미세입자를 제거할 수 있는 여과성능이 필요하다.

[표 2] 주요도시의 연도별 먼지오염도(㎍/㎥)

도시/년도	'86	'87	'88	'89	'90	'91	'92	'93	'94	'95	'96	'97	'98	'99
서울	183	175	179	149	150	121	97	88	78	85	85	72	57	64
부산	194	197	214	178	140	134	113	96	97	93	89	84	74	44
대구	140	146	155	128	134	109	119	105	93	73	75	62	72	96
인천	153	163	162	152	170	144	103	100	93	93	86	86	81	96
광주	133	105	100	116	109	100	104	75	64	63	74	74	62	45
대전		175	178	119	115	68	52	53	58	69	63	67	64	79
울산	172	190	238	165	122	104	102	98	99	97	105	84	72	65

3.3 약품처리(Chemical dosing)
약품처리의 종류로는 부식방지제, 스케일 방지제, 슬라임 생장억제제 및 슬러지 퇴적방지 를 위한 분산제(polymer) 등이 있다.

(1) 부식방지제
금속의 부식은 부식회로형성에 의한 것으로 이 회로의 형성요인중 어느 한 인자를 차 단하므로서 달성 할 수 있으며, 약품처리는 금속표면에 방식피막을 형성시켜 부식회 로를 차단하는 것으로 침전피막형(인산염계, 금속 이온형 등)과 금속표면을 부동태화 시키는 산화피막형으로 구분된다.

(2) 스케일 방지제
스케일의 발생은 냉각수계에 용해된 칼슘등의 연기류가 pH와 온도상승에 따른 용해 도의 차이에 의해 설출하는 현상이므로 방지제는 각각의 생성단계에 대응하여 석출의 억제(Anti-precipitation)와 분산(dispersion)등의 작용을 하며, 배출규제에 대응키 위해 서는 비인산염계의 사용이 요구된다.

(3) 슬라임 방지제
슬라임은 냉각수계에 용존하는 영양원을 이용하여 세균이나 미생물이 번식하고 이 미생물을 주체로 무기물, 먼지등이 혼합되어 발생되는 부가적인 장해로써 살균처리용 염소제와 브론계 및 분산제가 사용된다.


3.4 레지오넬라균의 방제대책
냉각수에 의한 레지오넬라균의 감염을 방지하는 대책으로는 에어로졸의 비산방지, 오존이나 염소계 약품투입에 의한 살균처리, 여과처리, 냉각탑의 주기적 청소 및 냉각수 교체 등이다.

(1) 에어로졸의 비산방지
에어로졸의 발생과 비산을 완전하게 방지할 수는 없으나 이를 최소화하기 위한 고려가 강구되어야 한다.

(2) 살균처리
이끼억제제나 살균제에 대해서는 냉각수 중에서 살균효과가 상실되지 않고 또한 낮은 농도에서도 장기간동안 효능을 유지하는 것이 필요하다.
그러나 약제의 성분에 따른 2차적인 환경오염과 동식물에 대한 독성문제 등 안전성을 충분히 배려해야 한다.
오존에 의한 살균처리는 수중에 오존을 용존시켜 일정량의 오존 농도를 유지하는 방법으로 살균효과는 뛰어나다 그러나 비용이 매우 비싸고 용존오존에 의한 배관의 부식, 작업자의 안전환경 보장 등이 문제가 될 수 있다.
자외선을 이용하는 방법은 2차오염의 염려가없고 운전비가 싸다는 것이 장점이다.
그러나 살균효과가 자외선의 조사부분에 국한되기 때문에 배관의 내부에 부착되어 있는 미생물에 대해서는 살균 효과가 미치지 않는다는 결점도 있다.

(3) 여과관리
순환수의 여과처리(filtration)는 레지오넬라균이 서식할 수 있는 환경을 근본적으로 제거하며 약품주입, 살균처리 등 다른 냉각수 처리의 필요부하를 경감시키는 역할을 하므로 기본적으로 실시하는 수처리 방법이라 할 수 있다.

(4) 냉각탑의 주기적인 청소 및 냉각수 교환
오염된 후에 수동적으로 제거하는 방법으로서, 특별한 장비나 처리기술이 필요하지는 않으나 냉각탑 수조의 청소, 냉각수 교체에는 인력과 비용이 많이 든다.

Ⅳ. 냉각수 여과처리 시스템의 종류별 특징과 선정

4.1 냉각수 여과처리 시스템의 선택
여과(Filtration)란 사용목적에 적합한 용수를 공급하기 위한 수처리 방법의 한가지로서 액체속의 불순고형물을 제거하는 방법을 말한다.
불순고형물은 크게 용해상태와 부유상 태로 나누어지는데 주로 부유상태의 고형물(Suspended Solids)을 제거하는 방법이다.
여과장치는 유체의 종류와 고형물 입자의 크기, 형태 및 농도에 따라 적절한 형식의 것을 선택하는 것이 중요하며 또한 프로세스의 요구조건 즉 최소허용 입자의 크기, 여과 효율, 연속운전여부등에 따라서 여재의 종류, 여과면적, 역세(Back-Wash)방법등을 선정 하여야만 최적의 운전성능과 경제성 및 환경보전을 동시에 확보할 수 있다.

4.2 여과시스템의 종류와 여재선택
냉각수 중에 부유하고 있는 입자고형물(Suspended Solids)을 제거하기 위한 장치로는 원심식 입자분리기(Centrifugal Seperator), 자동역세식 스트레이너(Backwashable Strainer, 금속여과망), 일반 모래여과기(Conventional Sand filter), 볼텍스식 모래여과기(Volti-Sand Strainer) 등을 들 수 있으며 [표 3]은 각 여과기의 장단점을 소개한다.


[표 3] 냉각수 여과처리 시스템의 비교 (700RT용 냉각탑 기준)

항 목		Volti-Sand filter①	Conv-Sand filter②	Auto-Strainer③	Centrifugal Separator④
작동원리		①기존의 Send filter에 원심분리방식을 적용, 여재의 상부에서 소용돌이(Vortex)를 발생시켜 비중이 큰 입자는 원심력으로 여과탱크벽면과 부딪쳐 여재의 상부에 쌓이고, 작고 가벼운 입자는 여재표층으로 이동되어 여과된다. 따라서 여과부하를 경감시키고 유효여과면적을 대폭 증가시켜 미세한 여과를 할 수 있다. ②FRT등의 압력용기내에 단층 또는 여러층의 모래여재를 설치하고 냉각수를 여재사이로 통과시키면서 약10micron 정도의 이물질을 제거한 수 자동으로 역세시켜 오염물을 배출시키는 장치이다. 여과정도가 나쁘다. ③금속여과망으로 제작된 여재로 냉각수를 통과시키면서 여과한다. 이물질이 부착하여 일정한 차압이 형성되면 역세밸브를 개방시켜 냉각수를 방출하면서 여재표면의 오염부착물을 흡입, 제거한다. ④원심력에 의한 분리효과를 이용하는 것으로, 배관으로부터 냉각수를 접선방향으로 유입시켜 소용돌이를 발생시키면 비중이 크고 높은 고형물은 분리기의 외벽면과 충돌하여 분리기하부로 침강하여 제거된다. 가벼운 부유고형물은 분리하기 어렵다.
여과정도		좋음 1-2micron이상 90%이상제거	보통 10micron이상 90%이상제거	보통 10-30micron이상 90%이상제거	나쁨 75micron 비중1.7이상 90%이상제거
순환여과처리유량	순환횟수	10회/일 정도	24회/일 정도	24회/일 정도	60회/일 정도
	유량비율	냉각수유량의5%	냉각수유량의10%	냉각수유량의10%	냉각수유량의25%
	700RT용	450 lpm	900 lpm	900 lpm	2250 lpm
펌프동력		3 hp	7.5 hp	10 hp	20 hp
설치면적		중(약1 ㎥)	대(약2 ㎥)	소	소
배관 연결구		50A	100A	100A	150A
역세유량		1500 liter	4500 liter	4500 liter	7500 liter

Ⅵ. 냉각용수 여과처리의 효과와 향후과제

냉각탑에 있어서 적절한 수처리를 할 경우 에너지 절약과 용수ㆍ폐수 절약의 상충되는 과제를 해결할 수 있다. 예를들어 절수를 목적으로 냉각수의 Blow down 수량을 줄이면 냉동기, 열교환기에 슬라임이나 경질 스케일이 부착하여 냉동기의 효율이 저하된다.
냉각수의 수질유지를 위해 농축배수를 줄이려면 Blow down 유량을 늘려야 하고 이는 곧 폐수의 발생량 증가와 보충수(Make-up) 수량의 증가로 이어지게 된다.
냉각수의 수질관리에 있어서 가장 중요한 요건은 정밀 여과 처리에 의해 미세입자를 제거함으로써 Blow down량을 늘리지 않더라도 적절한 농축배수를 유지하여 스케일 생성을 방지하고 에너지효율을 향상시키는 것이다.
동시에 폐수처리비와 보충수(Make-up) 용수비의 절감을 도모하고 부식방지제, 슬라임 방지제, 분산제 등 약품투입비는 40-60%까지 사용량을 절감 할 수 있으며, 장비 및 배관의 수명연장, 레지오넬라균 등 각종세균의 서식환경 말살 등 여러 가지 부대효과를 기대할 수 있다.
따라서 어느 한가지만의 방식보다는 종합적인 처리시스템(Total Water Treatment Sytem)의 도입으로 보다 완벽한 수처리를 기대할 수 있다.