1. 서 론
수요와 공급의 불균형 속에 발생하는 유가 변동 현상은 국내 경제 및 국민의 생활에 큰 영향을 미치고 있다. 고유가 상황이 발생 시 수급 여건상 오래 지속될 가능성이 크다. 석유 공급량의 증가에는 상당한 기간이 소요될 것이나, 석유 수요의 저하는 기대하기 어렵기 때문이다[1].
이러한 고유가 상황의 대응 방안으로는 석유 의존도 축소, 공급 안정성 제고 등으로 요약될 수 있다. 그 중 석유 의존도 축소 방안으로는 석유 이용효율 제고, 타 연료로의 대체, 석유 대체 신재생에너지의 개발 보급 등이 있다[1]. 그리고 공급 안정성 제고 방안으로는 비전통형 에너지 자원의 활용이 주목받고 있다. 비전통형 에너지 자원을 이해하기 위해서는 먼저 전통형 에너지 자원에 대해 파악하여야 한다. 근원암에서 만들어진 석유와 가스는 공극률과 투수율이 좋은 저류암으로 이동하고 석유와 가스가 유출되지 못하도록 막아주는 역할을 하는 불투수성 암석인 덮개암과 특별한 구조인 트랩에 의해 저장이 된다. 이렇게 석유가 생성되고 이동하고 저장되는 일련의 과정을 석유시스템이라고 한다. 저류암에 부존되어 있는 석유는 주로 수직 시추공을 이용하여 생산하며 이러한 방식은 과거부터 지속적으로 사용되어왔으며, 이러한 과정을 통해 생산된 일반적인 석유와 가스를 전통형 에너지 자원이라고 한다[2].
반면에 비전통형 에너지 자원은 기존의 전통형 에너지 자원과는 생산방식 및 매장 위치, 특성이 모두 다르며, 기술의 발달로 생산이 가능하게 된 자원이다. 주로 오일샌드 (Oil sand), 초중질유 (Extra Heavy Oil), 셰일오일 (Shale oil) 등이 있다. 특히 중질유와 오일샌드는 전통 석유자원에 비해 점성이 높고 품질이 떨어져 상대적으로 생산 비용과 개질 비용이 높고 시장 가격이 낮은 단점이 있으나, 풍부한 매장량을 장점으로 꼽을 수 있다[3]. 그러나 비전통 석유자원의 생산을 위해서는 매우 많은 양의 물이 요구되기 때문에 플랜트 내 공정수를 재이용하는 것이 필요하고, 발생하는 폐수는 강화되는 환경 규제로 인해 최종 배출수 수질에 관한 지속적인 연구와 검토가 필요한 실정이다. 따라서 수자원의 재이용 및 안전한 처리수 배출을 위한 효과적이고 안정적인 수처리 시설에 관한 연구가 요구되고 있다.
이에 본 연구에서는 비전통 석유자원의 생산을 위한 플랜트 공정 내 발생하는 폐수 중 생산수 (Produced water) 내 Oil 제거를 위한 Induced Gas Flotation (IGF) 공정 중 Eductor Type을 연구하였으며, 운전조건에 따른 Oil 제거 효율을 검토하여 최적 운전조건 도출을 목적으로 하였다.
2. 재료 및 방법
2.1. 유입 원수
2.1.1. 인공원수 제조
본 연구에서 사용한 인공원수 제조는 원유와 가장 비슷하고, 배출 시 환경적으로도 영향이 없는 광유(Mineral Oil) 성분의 엔진오일을 사용하였다[4]. 사용한 엔진오일의 밀도는 0.87 g/cm3, 점도는 각각 160.4cSt (40℃), 19.1cSt (100℃)이다. 인공원수의 초기 pH는 7 ± 0.5, 수온은 가열기를 이용하여 40 ± 2℃, 50 ± 2℃로 조정하였다.
2.2. 실험 시스템 구성
2.2.1 Eductor 설계
2.2.2. 1-cell 실험설비 설계
IGF 실험설비는 총 3개의 구역으로 구분할 수 있다. 첫 번째 구역은 서지 용량(surge capacity)을 제공하여 유입 시 흐름을 감쇠시켜 부상 시스템이 제대로 작동할 수 있도록 하고(유량 안정화), Eductor가 설치된 구역의 첫 번째 cell에 유입되기 전 공정의 Oil 농도를 저감시키는 완충지 역할을 제공한다. 두 번째 구역은 Eductor가 설치된 구역으로써 기포를 발생시켜 Oil을 부상 제거하는 역할을 하는 구역이다. 세 번째 구역은 작은 Oil 방울을 제거하기 위해 클리어웰 또는 대기 구역(a clearwell or quiescent area)을 만들어 제거 효율을 극대화하는 구역이다.
1-cell 실험설비는 두 번째 구역을 1-cell로 구성한 것으로써, 설계 및 제작된 Eductor의 성능을 테스트하기 위한 것으로 Fig. 4와 같다.
2.2.3. 4-cell 실험설비 설계
4-cell 실험설비는 1-cell 실험을 통하여 최종 선정된 Eductor를 사용한 본 실험을 위한 설비로 두 번째 구역을 4-cell로 구성한 것으로서 Fig. 5와 같다.
2.3. 실험 조건 및 방법
2.3.2. 4-cell 실험설비를 이용한 운전조건별 제거효율 비교
2.3.2.1. Oil 농도에 따른 제거효율 비교
생산수 처리 공정에서 1차 처리 후 2차 처리인 IGF로 유입되는 Oil 농도는 100~500 ppm까지 다양하지만, 평균 150 ppm 정도이다. 따라서 설계 유입 Oil 농도를 150 ppm으로 설정하여 Oil 제거효율을 평가하였다.
2.3.2.2. Salinity 농도에 따른 제거효율 비교
Salinity는 기포와 Oil 입자의 부착을 촉진하고, 기포 사이의 병합을 방지할 수 있다고 알려져 있다[9]. 따라서 Salinity 농도에 따른 Oil 제거효율을 알아보기 위해 ① 0 ppm, ② 5,000 ppm, ③ 10,000 ppm으로 주입농도를 변화하여 실험하였다.
2.3.2.3. Water T emperature에 따른 제거효율
비교생산수의 온도는 약 50~90℃이고, 1차 처리 공정에서 2차 처리인 IGF로 유입되는 온도는 약 40~50℃이다. 따라서 유입온도를 40℃와 50℃로 구분하고 실험하여 온도에 따른 Oil 제거효율을 비교하였다.
2.3.2.4. Recycle Ratio에 따른 제거효율 비교
미세기포 발생을 위한 Recycle Ratio의 범위는 여러 상황에 따라 50~125% 범위로 각 업체별 모델에 따라 다양하다. 이번 연구에서는 Recycle Ratio의 범위를 30, 50, 80% 의 조건으로 변화시키며 Oil 제거효율을 평가하였다.
설계 유입 Oil 농도에 대한 운전조건별 실험표를 Table 3에 나타냈다.
2.4. 분석방법
운전인자별 원수와 처리수의 Oil 제거 효율을 비교하기 위해 Oil, Salinity 농도를 분석하였다. Oil 농도는 수질오염 공정시험방법을 기준으로 애질런트(Agilent Technologies)사 의 가스크로마 그래프 (Gaschromatography, GC)를 이용하여 분석하였으며, 칼럼(Column)은 HP-5을 사용하였고, 검출기는 불꽃이온화검출기(Flame Ionization Detector, FID)로 측정하였다. Salinity는 다항목 측정기 (HANNA Inst. HI 98192, USA)를 이용하여 측정하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1. 최적 Eductor 선정을 위한 1-cell Test 결과
3.1.1. 기포의 겉보기 농도 및 내부 순환 흐름 상태 결과
Fig. 6은 각 실험조건에 따른 Eductor 별 발생 기포의 겉보기 사이즈, 기포 분포 형태, 내부 수류 흐름 상태 결과 및 모습을 나타낸 것이다. Cell 내부에 Oil 정체구간 (dead zone) 및 이로 인한 cell 내부 벽면 Oil 흡착 정도 유추할 수 있는 내부 수류 흐름 상태, cell 내부 전체에 분산되어 있는 Oil 입자를 부상시켜 제거할 수 있는 제거능 평가지표로 결정한 기포 겉보기 사이즈 및 분포 형태의 모든 결과에서 Eductor ① 의 형상이 우수한 성능을 나타냈다.
Fig. 7은 Eductor 별 Oil 제거효율 결과를 나타낸 것이다. Oil 제거효율 결과도 Eductor ① 이 55.7%를 나타내며, Eductor ② : 50.1%, Eductor ③ : 43.3%, Eductor ④ : 40.1% 보다 높은 제거효율을 보였다.
따라서 모든 실험결과에서 가장 높은 성능을 나타낸 Eductor ①을 4-cell 실험기에 적용하여 실험을 진행하였다.
3.2. 운전조건별 4-cell Test 결과
3.2.1. 수온 40℃에서 Salinity와 Recycle Ratio 변화에 따른 제거효율 결과
3.2.1.1. Salinity 미주입 상태에서 Recycle Ratio 변화에 따른 제거효율
아래 Fig. 8은 Salinity를 미주입하고, Recycle Ratio를 A : 30%, B : 50%, C:80%로 변화하면서 실험한 결과를 나타낸 것이다. A~C 조건 모두 2 cell에서 3 cell로 넘어갈 때 제거효율이 가장 높게 증가하였고, 이때 제거효율은 A :52.2%, B : 44.5%, C : 38.4%로 A 조건이 가장 높게 증가하였다. 최종 제거효율은 A : 83.3%, B : 89.1%, C : 93.8%로 Recycle Ratio가 증가할수록 제거효율도 증가하였으며, Recycle Ratio가 가장 높은 C 조건에서 높게 나타났다.
3.2.1.2. Salinity : 5,000 ppm 주입과 Recycle Ratio 변화에 따른 제거효율
Fig. 9는 Salinity를 5,000 ppm 주입하고, Recycle Ratio를 A : 30%, B : 50%, C : 80%로 변화하면서 실험한 결과를 나타낸 것이다. D~F 조건 모두 2 cell에서 3 cell로 넘어갈 때 제거효율이 가장 높게 증가하였고, 이때 제거효율은 D : 25.6%, E : 28.1%, F : 28.4%로 F 조건이 가장 높게 증가하였다. D ~ F 조건 모두 3 cell에서 최종 제거효율과 비슷한 제거효율을 나타냈고, 최종 제거 효율은 D : 89.1%, E : 91.7%, F : 94.4%로써 Recycle Ratio가 가장 높은 F 조건에서 높게 나타났다.
3.2.1.3. Salinity : 10,000 ppm 주입과 Recycle Ratio 변화에 따른 제거효율
Fig. 10은 Salinity를 10,000 ppm 주입하고, Recycle Ratio를 G : 30%, H : 50%, I : 80%로 변화하면서 실험한 결과를 나타낸 것이다. G ~ I 조건 모두 2 cell에서 3 cell로 넘어갈 때 제거효율이 가장 높게 증가하였고, 이때 제거효율은 G : 22.7%, H : 17.1%, I : 15.4%로써 G 조건이 가장 높게 증가하였다. G~I조건 모두 3 cell에서 최종 제거효율과 비슷한 제거효율을 나타냈고, 최종 제거효율은 G : 92.3%, H : 95.4%, I : 99.4%로써 Recycle Ratio가 가장 높은 I 조건에서 높게 나타났다. G~I 조건 모두 90% 이상 제거효율을 나타냈고, 이중 I 조건의 경우 제거효율이 99.4%로 거의 모든 Oil이 제거되는 것으로 나타났다.
3.2.1.4. 수온 40℃에서 운전조건 변화에 따른 제거효율 종합결과
Table 4와 Fig. 11은 수온 40℃에서 운전조건 변화에 따른 제거효율 종합결과를 나타낸 것이다. B~I 조건은 최종 Oil 제거효율이 90%에 매우 근접하거나 그 이상으로 나타났고, E~I 조건에서는 3 cell부터 제거효율이 90% 이상으로 나타났다.
Fig. 11에 나타난 바와 같이 Salinity 주입 여부는 초기 제거효율 안정화에 영향을 미치는 것으로 나타났다. Salinity를 주입하지 않은 A~C 조건의 1 cell Oil 제거효율은 14.2~21.0%인 반면, Salinity를 주입한 D~I 조건은 1 cell Oil 제거효율이 50% 이상으로 나타났다.
Recycle Ratio 변화에 따른 영향을 살펴보면 Salinity를 주입하지 않은 A~C 조건이 Recycle Ratio 변화에 민감도가 가장 높았고, Salinity 주입농도가 증가할수록 Recycle Ratio 변화에 따른 민감도는 감소하였으며, Salinity 주입농도 10,000 ppm 조건에서는 Recycle Ratio 변화와 상관없이 3 cell부터 90% 이상의 Oil 제거효율을 나타냈다.
3.2.2. 수온 50℃에서 Salinity와 Recycle Ratio 변화에 따른 제거효율 결과
3.2.2.1. Salinity 미주입 상태에서 Recycle Ratio 변화에 따른 제거효율
Fig. 12는 Salinity를 미주입하고, Recycle Ratio를 A' : 30%, B' : 50%, C' : 80%로 변화하면서 실험한 결과를 나타낸 것이다. A'~C' 조건 모두 2 cell에서 3 cell로 넘어갈 때 제거효율이 가장 높게 증가하였고, 이때 제거효율은 A' : 38.8%, B' : 24.3%, C' : 27.2%로 A' 조건이 가장 높게 증가하였다. 최종 제거효율은 A' : 84.3%, B' : 93.8%, C' : 95.3%로써 Recycle Ratio가 가장 높은 C' 조건에서 나타났으나, B' 조건과는 1.5% 차이로 매우 근소한 차이를 나타냈다.
3.2.2.2. Salinity : 5,000ppm 주입과 Recycle Ratio 변화에 따른 제거효율
Fig. 13은 Salinity를 5,000ppm 주입하고, Recycle Ratio 를 A': 30%, B' : 50%, C' : 80%로 변화하면서 실험한 결과를 나타낸 것이다. D'~F' 조건 모두 2 cell에서 3 cell로 넘어갈 때 제거효율이 가장 높게 증가하였고, 이때 제거효율은 D' : 16.5%, E' : 23.1%, F' : 14.1%로 E' 조건이 가장 높게 증가하였다. E' ~ F' 조건에서는 3 cell에서부터 90% 이상의 제거효율을 나타냈고, 최종 제거효율은 D' : 90.0%, E' : 93.9%, F' : 97.3%로써 Recycle Ratio가 가장 높은 F' 조건에서 높게 나타났다.
3.2.2.3. Salinity : 10,000ppm 주입과 Recycle Ratio 변화에 따른 제거효율
Fig. 14는 Salinity를 10,000ppm 주입하고, Recycle Ratio를 G' : 30%, H' : 50%, I' : 80%로 변화하면서 실험한 결과를 나타낸 것이다. G'~I' 조건 모두 2 cell에서 3 cell로 넘어갈 때 가장 높은 제거효율을 나타냈고, 이때 제거효율은 G' : 6.3%, H' : 6.1%, I : 3.3%로써 G' 조건이 가장 높게 나타났으나 전반적으로 변화 값이 3.3~6.3%로 큰 차이를 나타내지는 않았다. 최종 제거효율은 G' : 95.6%, H' : 96.9%, I' : 97.5%로써 모든 조건에서 95% 이상의 제거효율을 나타냈다. Recycle Ratio가 가장 높은 I' 조건에서 가장 높은 제거효율을 나타냈으나, G'~I' 조건 간의 최종 제거효율의 변화 값이 최대 1.9%로 그 차이는 매우 미미하였다.
3.2.2.4. 수온 50℃에서 운전조건 변화에 따른 제거효율 종합결과
Table 5와 Fig. 15는 수온 50℃에서 운전조건 변화에 따른 제거효율 종합결과를 나타낸 것이다. B'~I' 조건은 최종 Oil 제거효율이 90% 이상으로 나타났고, E'~I' 조건에서는 3 cell 부터 제거효율이 90% 이상으로 나타났다.
Fig. 15에 나타난 바와 같이 Salinity 주입 여부는 초기제거효율 안정화에 영향을 미치는 것으로 나타났다. Salinity를 주입하지 않은 A'~C' 조건의 1 cell Oil 제거효율은 40.4~57.6%인 반면, Salinity : 5,000ppm을 주입한 D'~F' 조건은 61.0~72.6%, Salinity : 10,000ppm을 주입 한 G'~I' 조건은 80.4~91.2%의 높은 1 cell Oil 제거효율을 나타냈다.
Recycle Ratio 변화에 따른 영향을 살펴보면 Salinity를 주입하지 않은 A'~C' 조건이 Recycle Ratio 변화에 민감도가 가장 높았고, Salinity 주입농도가 증가할수록 Recycle Ratio 변화에 따른 민감도는 감소했으며, Salinity를 주입한 E'~I' 조건에서는 Recycle Ratio 변화와 상관없이 3 cell부터 90% 이상의 Oil 제거효율을 나타냈다.
4. 결 론
1) 모든 조건에서 2 cell에서 3 cell로 넘어갈 때 제거효율이 급격하게 증가하는 경향을 나타냈다. 이러한 경향은 각 셀에서 발생한 기포가 다음 셀로 유입수와 함께 넘어가면서 기포농도 (BVC, Bubble Volume Concentration)가 증가함에 따라 제거효율도 함께 증가했을 것으로 판단된다.
2) 온도 변화 조건에서 1~2 cell까지는 40℃ 조건보다 50℃ 조건의 제거효율이 약 5~36% 높게 나타났으며, 특히 Salinity 미주입 조건에서 50℃가 40℃ 조건보다 1 cell 및 2 cell의 제거효율이 약 13~36% 더 높게 나타났다. 따라서 Salinity 미주입 조건에서는 수온이 초기 제거효율 안정화에 영향을 미치는 인자로 나타났다.
3) Salinity 주입 여부 및 농도에 따른 영향은 미주입 조건보다 초기 제거효율 안정화에 큰 영향을 미쳤으며, 주입농도에 따른 영향은 10,000 ppm의 경우가 5,000 ppm 보다 1 cell 및 2 cell에서 제거효율이 더 빠르게 안정화되는 결과를 나타냈다.
4) Salinity 농도에 따라 Recycle Ratio가 Oil 제거효율에 미치는 영향이 달라지며, Salinity 미주입 시 Recycle Ratio가 Oil 제거효율에 미치는 영향이 가장 크고, Salinity 농도가 높을수록 Recycle Ratio가 증가하더라도 그 영향은 작은 것으로 나타났다. 따라서 Salinity 농도가 높아질수록 Recycle Ratio가 Oil 제거효율에 미치는 영향은 작아지는 경향을 나타냈다.
5) Recycle Ratio에 따른 영향은 Recycle Ratio : 30% 조건에서도 최종 제거효율이 80% 이상으로 나타났으나, Recycle Ratio가 낮을 경우 cell 내부 수류의 흐름(내부 순환)이 원활하지 않아, cell 내부에 Oil 흡착량이 증가하고 이로 인해 유지관리 주기가 짧아질 것으로 판단된다.
PDF Links
PubReader
ePub Link
Full text via DOI
Download Citation
