보일러 용수 Boiler water treatment (AVT) – Ammonia concentration (암모니아 농도), pH, Specific conductivity (전기 전도도) 의 관계

보일러 용수의 화학처리는 급수계통에는 산소제거와 pH 유지를 위해 약품을 주입하고, 보일러 드럼에는 pH 유지 및 스케일 제거용 약품을 주입합니다.

 

본 글에서는 보일러 용수의 화학처리 방법 중 하나인 AVT (All Volatile Treatment)에 사용되는 암모니아의 주입 농도, pH, Specific conductivity (전기 전도도) 의 관계식에 대해서 알아 보고 아래와 같은 그래프도 만들어 보겠습니다.

 

(1) VGB-S-010-T-00;2011-12.EN

Feed Water, Boiler Water and Steam Quality for Power Plants / Industrial Plants

 

VGB-S-010-T-00;2011-12.EN 에 보면 아래와 같이 Ammonia 농도, pH, Conductivity 의 관계 그래프가 있습니다.

그래프 하나로 한 번에 암모니아 농도, pH, Conductivity의 관계를 볼 수 있어서 실무에 적용하기에 편리합니다.

그러나 계산 방법 및 그래프 작도 방법에 대한 설명은 (당연히) 언급이 없습니다.

 

 

(2) pH에 따른 Ammonia 주입량 계산

 

암모니아의 Equilibrium constants (평형상수) Kb 로 계산식을 유도해 보겠습니다.

위의 table 에서 Equilibrium (평형) 상태의 농도를 정리해 보면

Kb = X^2 / (A-X)

 

X << A : X 는 A 에 비해 상당히 작으므로

Kb ≒ X^2 / A

 

여기서, [OH-] = [NH4+] 이므로

[NH3] = [OH-]^2 / Kb

 

여기에 -log를 씌우면

pNH3 = 2pOH – pKb

 

여기서 pOH = pKw – pH 이므로

pNH3 = 2*(pKw – pH) – pKb

 

25℃ 에서 pKw 와 pKb 는 일정하므로, pH 에 따라 주입하는 pNH3 를 구할 수 있습니다.

 

 

(3) Un-ionization Fraction of Ammonia

 

Ammonia는 100% 해리가 되지 않는다고 합니다. 따라서, 해리되지 않는 % 만큼 더 주입해야 합니다.

 

f = (un-ionized ammonia, mole/L)/(total ammonia, mole/L)

Tk : temperature in degrees Kelvin

 

25℃ 에서 pKa = 9.24

참고로 Kw = Ka * Kb 이므로

pKb = pKw – pKa = 14 – 9.24 = 4.76

Kb = 10^-4.76 (마이너스 4.76승) = 1.8 x 10^-5

 

참조 : FLORIDA DEPARTMENT OF ENVIRONMENTAL PROTECTION CHEMISTRY LABORATORY METHODS MANUAL, TALLAHASSEE / CALCULATION OF UN-IONIZED AMMONIA IN FRESH WATER

 

 

(4) Ammonia pH 와 Specific conductivity 의 관계

 

VGB-006-00-2012-09-EN / Sampling and Physico-Chemical Monitoring of Water and Steam Cycles에 보면

pH, Specific conductivity, Cation conductivity의 관계에 대해 아래와 같이 적용하고 있습니다.

Ksc : Specific conductivity (㎲/㎝)

Kcc : Cation conductivity (㎲/㎝)

Steam water cycle 에서 요구하는 Cation conductivity 는 0.2 ㎲/㎝ 입니다.

따라서, default 값으로 0.2 를 적용하였습니다.

CB : Ammonia 273

 

 

(5) Calculation for Ammonia dosing rate, Specific conductivity based on pH

     (pH 에 따른 암모니아 주입량, 전기 전도도 계산)

 

(2) ~ (4) 까지 알아본 정보를 통해 요구하는 pH에 따른 ammonia 주입량과 Specific conductivity 를 엑셀로 계산해 보았습니다.   pH는 7.0 ~ 10.0 까지 0.1 단위로 입력하였습니다.

차트 종류 변경에서 혼합차트 > 곡선이 있는 분산형을 선택하고 Specific conductivity 는 보조 축으로 합니다.

pH 는 X 축에 암모니아 농도를 범위 지정하고, Y 축에 pH 범위를 지정합니다.

Specific conductivity 는 X 축에 암모니아 농도를 범위 지정하고, Y 축에 Specific conductivity 범위를 지정합니다.

축서식에서 Y 축의 pH 는 7 ~ 10, Specific conductivity 는 0 ~ 30 으로 범위 지정하고, X 축은 0.01 ~ 10 으로범위를 지정합니다. 그리고, X 축은 Log scale 로 선택합니다.

 

자…. 이제 결과를 보겠습니다. 

 

본 글이 암모니아의 주입 농도, pH, Specific conductivity (전기 전도도) 의 관계 및 계산 방법에 대해 궁금하셨던 분들께 도움이 되었으면 좋겠습니다.