폐열 회수

폐열 회수

폐열은 연료의 연소나 화학 반응에 의해 공정에서 발생되어 실용화되지 않고 환경으로 방출되는 열입니다. 폐열의 소스에는 대기로 방출되는 뜨거운 연소 가스, 공정 배출 가스, 장비 및 다양한 산업 공정(열간 코크스, 뜨거운 금속, 액강 및 열간 압연 제품 등)에서 나오는 가열된 제품의 전도성, 대류 및 복사 손실이 포함됩니다. , 그리고 뜨거운 장비 표면의 열 전달(열이 냉각수로 전달됨).

폐열 회수는 가열을 위한 산업 공정의 폐열을 포착하고 재사용하거나 기계 또는 전기 작업을 생성하는 것으로 구성됩니다. 일반적인 용도로는 연소 공기 예열, 연료 가스 예열, 보일러 급수 예열, 원료 예열, 공정 증기 생성, 발전용 증기 생산 등이 있습니다. 폐열 회수의 기본 아이디어는 회수를 시도하는 것입니다. 식물의 열을 최대한 활용하고 환경(공기 또는 인근 강)으로 방출하는 대신 최대한 재사용합니다.

폐열은 모든 제조 공정에 본질적입니다. 산업 제조 공정 동안 소비된 에너지의 약 20% ~ 50%는 뜨거운 배기 가스 및 액체 스트림에 포함된 폐열과 뜨거운 장비 표면의 열 전도, 대류 및 복사를 통해 궁극적으로 손실됩니다. 뿐만 아니라 가열 된 제품에서. 폐열 회수는 산업 용광로의 전반적인 에너지 효율 개선을 위한 가치 있는 대안 접근 방식입니다. 폐열 회수를 통해 달성할 수 있는 에너지 효율은 일반적으로 10%~50%입니다.

본질적인 사실은 열의 양이 아니라 그 가치입니다. 사용하지 않은 열을 회수하는 메커니즘은 폐열 유체의 온도와 관련된 경제성에 따라 다릅니다. 폐열 회수 기술은 에너지 생산성을 높여 시설의 운영 비용을 줄이는 경우가 많습니다. 포집 및 재사용된 폐열은 값비싼 연료나 전기를 구입하는 대신 배출되지 않는 대체품입니다.

그림 1은 열 회수가 있거나 없는 일반적인 에너지 흐름을 보여줍니다.

그림 1 열 회수가 있거나 없는 일반적인 에너지 흐름

폐열 회수에 필요한 세 가지 필수 구성 요소는 (i) 연소 배기 가스, 공정 배기 가스, 용광로의 뜨거운 가스, 냉각탑 물 등과 같은 폐열의 접근 가능한 소스, (ii) 재생기와 같은 회수 기술입니다. , 복열기, 이코노마이저, 폐열 보일러, 열전 발전기 등 및 (iii) 보일러 급수, 원료 및 연소 공기 예열, 증기 또는 전력 생성 및 예열과 같은 회수 에너지 사용 고로 가스 등과 같은 낮은 발열량 연소 가스의.

폐열 회수 장비

  제철소에는 여러 열회수 장비가 사용되고 있습니다. 그 중 전공은 아래와 같다. 열교환기는 연소 배기 가스에서 퍼니스로 들어가는 연소 공기로 열을 전달하는 데 가장 일반적으로 사용됩니다. 예열된 연소 공기는 더 높은 온도에서 퍼니스에 들어가기 때문에 연료가 더 적은 에너지를 공급해야 합니다. 공기 예열에 사용되는 대표적인 기술은 다음과 같습니다.

• 복열기 – 복열기는 중온에서 고온 적용 분야에서 배기 가스 폐열을 회수합니다. 복열기는 복사, 대류 또는 조합에 의한 열 전달 원리를 기반으로 할 수 있습니다. 복열기는 금속 또는 세라믹 재료로 구성됩니다. 금속 복열기는 1050°C 미만의 온도에서 사용되는 반면 고온에서의 열 회수는 1500°C만큼 높은 고온측 온도와 약 950°C의 저온측 온도에서 작동할 수 있는 세라믹 튜브 복열기에 더 적합합니다.
• 재생기 – 재생기는 뜨거운 공기와 차가운 공기가 교대로 흐르는 두 개의 벽돌 '체커 작업' 챔버로 구성됩니다. 연소 배기 가스가 하나의 챔버를 통과함에 따라 벽돌은 연소 가스의 열을 흡수하고 온도가 상승합니다. 벽돌이 열을 흡수한 후 유입되는 연소 공기가 가열로에 들어가는 연소 공기로 열을 전달하는 핫 체커 작업을 통과하도록 흐름이 변경됩니다. 최소 2개의 챔버가 사용되어 하나는 배기 가스에서 열을 흡수하고 다른 하나는 연소 공기로 열을 전달합니다. 기류의 방향은 고정된 시간 간격으로 변경됩니다. 재생기는 특히 배기 가스가 더러운 고온 응용 분야에 적합합니다. 한 가지 주요 단점은 규모가 크고 자본 비용이 많이 든다는 것인데, 이는 회수 장치의 비용보다 훨씬 더 큽니다.
• 패시브 공기 예열기 – 가스 흐름 간의 교차 오염을 방지해야 하는 중저온 응용 분야를 위한 가스 대 가스 열 회수 장치입니다. 패시브 예열기는 일반적으로 (i) 플레이트 유형과 (ii) 히트 파이프 유형의 두 가지 유형이 있습니다. 판형 예열기는 고온 및 저온 가스 스트림을 위한 별도의 채널을 생성하는 여러 개의 평행 판으로 구성됩니다. 뜨거운 흐름과 차가운 흐름이 판 사이에서 번갈아 가며 열 전달을 위한 상당한 영역을 허용합니다. 히트 파이프 열교환기는 끝이 밀봉된 여러 파이프로 구성됩니다. 각 파이프는 파이프의 뜨거운 끝과 차가운 끝 사이에서 작동 유체의 이동을 용이하게 하는 모세관 심지 구조를 포함합니다. 뜨거운 가스는 히트 파이프의 한쪽 끝을 통과하여 파이프 내부의 작동 유체가 증발합니다. 파이프를 따라 있는 압력 구배는 뜨거운 증기가 파이프의 다른 쪽 끝으로 이동하도록 하며, 여기서 증기가 응축되고 열을 차가운 가스로 전달합니다. 그런 다음 응축수는 모세관 현상을 통해 파이프의 뜨거운 쪽으로 순환합니다.
• 복열 또는 축열식 버너 – 축열식 또는 축열식 시스템이 통합된 버너는 독립형 복열식 또는 축열기보다 설계 및 구성이 더 간단하고 컴팩트합니다. 이러한 시스템은 주변 공기로 작동하는 버너에 비해 에너지 효율이 높습니다. 자가 회복식 버너는 본체를 다시 통과하는 배출 가스로부터 에너지를 포착하기 위해 버너 본체 설계의 일부로 열교환 표면을 통합합니다. 자가 재생 버너는 배기 가스를 버너 본체를 통해 내화 매체 케이스로 전달하고 재생기와 유사한 방식으로 쌍으로 작동합니다. 일반적으로 축열식 버너 시스템은 열 교환 면적이 적고 축열식 버너 시스템은 독립형 장치보다 질량이 낮습니다. 따라서 에너지 회수율은 낮지만 비용이 저렴하고 쉽게 개조할 수 있어 에너지 회수에 대한 매력적인 대안이 됩니다.
• 쉘 및 튜브 열교환기 – 폐열을 포함하는 매체가 다른 액체를 가열하는 액체 또는 증기인 경우 두 경로가 각각의 유체의 압력을 포함하도록 밀봉되어야 하기 때문에 일반적으로 쉘 및 튜브 열교환기가 사용됩니다. . 쉘에는 튜브 번들과 일반적으로 내부 배플이 포함되어 있어 쉘의 유체가 여러 경로로 튜브 위로 향하게 합니다. 쉘은 본질적으로 튜브보다 약하므로 더 높은 압력의 유체는 튜브 내에서 순환하고 더 낮은 압력의 유체는 쉘을 통해 흐릅니다. 증기에 폐열이 포함되어 있으면 일반적으로 응축되어 가열되는 액체에 잠열을 포기합니다. 이 응용 프로그램에서 증기는 거의 예외 없이 쉘 내에 포함됩니다. 반대로 시도하면 작은 직경의 평행 튜브 내 증기 응축으로 인해 흐름이 불안정해집니다. 튜브 및 쉘 열교환기는 튜브 및 쉘용 재료의 다양한 조합과 함께 광범위한 표준 크기로 제공됩니다.
• 핀 튜브 열교환기 또는 이코노마이저 – 핀 튜브 열교환기는 액체 가열을 위해 저온에서 중온의 배기 가스에서 열을 회수하는 데 사용됩니다. 적용 분야에는 보일러 급수 예열 및 고온 공정 액체 등이 포함됩니다. 핀 튜브는 표면적과 열 전달 속도를 최대화하는 핀이 부착된 원형 튜브로 구성됩니다. 액체는 튜브를 통해 흐르고 튜브를 가로질러 흐르는 뜨거운 가스로부터 열을 받습니다. 보일러 배기 가스가 급수 예열에 사용되는 핀 튜브 교환기는 일반적으로 보일러 이코노마이저라고 합니다.
• 폐열보일러 – 폐열보일러는 중온에서 고온의 배기가스를 이용하여 증기를 발생시키는 수관식 보일러입니다. 폐열 보일러는 30 ~ 25000 Cum/min 범위의 가스 흡입을 허용하는 다양한 용량으로 제공됩니다. 폐열이 원하는 수준의 증기를 생성하기에 충분하지 않은 경우 일반적으로 더 높은 증기 출력을 얻기 위해 보조 버너 또는 애프터 버너가 추가됩니다. 증기는 공정 목적 또는 발전을 위해 생성될 수 있습니다. 과열 증기를 생성하려면 일반적으로 보일러에 외부 과열기를 추가해야 합니다.
• 부하 예열 – 시스템에 들어가는 부하를 예열하기 위해 시스템에서 나가는 폐열을 사용하는 것을 말합니다. 가장 일반적인 예는 이코노마이저가 뜨거운 연소 배기 가스에서 보일러로 들어가는 물로 열을 전달하는 보일러 급수 예열입니다. 다른 응용 분야에서는 연소 배기 가스와 다른 용광로에 들어가는 고체 물질 간의 직접적인 열 전달을 활용합니다.
• 열 펌프 – 폐열은 잠재적 부하 요구 사항보다 낮은 온도에서 사용 가능합니다. 이러한 경우 폐열 업그레이드가 필요합니다. 폐열 업그레이드는 폐열 흐름의 에너지 수준을 높여 다른 방법으로 달성할 수 있는 유용한 기능을 수행할 수 있도록 하는 것을 말합니다. 이것은 열 펌프를 사용하거나 폐열이 증기 형태로 이용 가능한 경우 직접 증기 압축을 통해 달성됩니다. 대부분의 열 펌프는 증기 압축 사이클의 원리에 따라 작동합니다. 이 사이클에서 순환하는 물질은 소스(폐열, 온도가 주석) 및 사용자(공정에 사용되는 열, Tout) 스트림에서 물리적으로 분리되고 순환 방식으로 재사용되므로 폐쇄 사이클이라고 합니다. 히트 펌프.

폐열의 이점은 (i) 직접적인 이점, (ii) 간접적인 이점의 두 가지 범주로 크게 분류될 수 있습니다.

• 폐열의 회수는 공정의 에너지 생산성을 향상시키고 공정의 효율성에 직접적인 영향을 미치기 때문에 자원 및 유틸리티의 소비 및 운영 비용의 감소에 직접적인 이점이 반영됩니다. 현재 지구 기후 변화 시나리오에서 폐열 회수의 가장 큰 이점은 온실 가스가 없는 에너지원이라는 것입니다.
• 폐열회수를 통한 간접적인 이점은 환경오염 감소, 보조용 에너지 사용량 감소, 장비 크기 감소입니다. 폐열 회수는 연료 소비를 줄여 생성되는 연도 가스를 줄입니다. 그 결과 팬, 굴뚝, 덕트, 버너 등과 같은 모든 연료 가스 취급 장비의 장비 크기가 감소합니다. 장비 크기를 줄이면 팬, 펌프 등의 전기와 같은 보조 에너지 소비를 줄이는 형태로 추가적인 이점이 있습니다.

폐열 회수 시스템의 다른 측면은 회수된 열의 측면에서 얻은 이점으로부터 정당화될 필요가 있는 추가 공간, 자본 및 운영 비용이 필요하다는 것입니다.

폐열 회수 기술은 현재 철강 공장의 많은 장소에서 다양한 정도로 사용되지만 더 넓은 적용을 방해하는 기술 및 경제적 장벽에 직면해 있습니다. 많은 기술이 이미 폐열 회수를 위해 잘 개발되었지만(예:복열기 및 재생기 등) 이러한 기술이 주어진 응용 분야(예:더러운 배기 흐름이 있는 응용 프로그램)에 항상 경제적이지 않다는 문제가 있습니다.

열회수 장비의 경제성과 효율성에 영향을 미치고 광범위한 설치를 방해하는 많은 장벽이 있습니다. 이러한 장벽의 대부분은 상호 연관되어 있지만 일반적으로 비용, 온도 제한, 화학 성분, 응용 분야 및 열원의 접근 불가능성/운반성과 관련된 것으로 분류될 수 있습니다.

폐열 회수를 위해 채택된 현재 관행은 폐열이 일반적으로 대용량 시스템의 깨끗한 고온 폐열원에서 회수된다는 것을 보여줍니다. 따라서 기존 시스템을 최적화하고, 화학적 부식 시스템을 위한 기술을 개발하고, 유체가 아닌 열원에서 열을 회수하고, 저온 폐열을 회수할 수 있는 기회가 있습니다.

경제성이 저온 폐열 회수 가능성을 제한하는 경우가 많지만, 산업 시설에서 사용하기 위해 저등급 폐열을 비용 효율적으로 회수한 다양한 응용 분야가 있습니다. 많은 양의 산업 폐열은 저온 범위에서만 사용할 수 있습니다. 예를 들어, 보일러와 같은 연소 시스템은 120°C ~ 150°C의 온도 범위에서 가스를 배출하는 회수 기술을 자주 사용합니다. 또한 산업용 냉각수 및 냉각 공기에서 다량의 폐열이 발견될 수 있습니다. 일본의 일관제철소는 섭씨 98도의 냉각수를 사용하여 3.5MW 용량의 발전소를 설치했습니다.

연소 배기 가스의 경우 가스에 포함된 수증기가 더 낮은 온도로 냉각되면 상당한 열을 회수할 수 있습니다. 배기 가스의 물이 응축되어 열교환기 표면에 부식성 물질이 침착되는 것을 방지하기 위해 120°C에서 150°C 정도의 최소 온도 제한이 자주 사용됩니다. 그러나 연도 가스를 더 냉각하면 기화 잠열을 회수할 수 있으므로 열 회수가 크게 증가할 수 있습니다. 이 잠열은 배기 가스에 포함된 에너지의 상당 부분을 구성합니다. 응축점 이하로 배기 가스를 냉각시키면서 화학적 공격을 최소화할 수 있는 기술은 증발 잠열을 회수하여 에너지 효율을 크게 높일 수 있습니다.

현재 저온 열 회수는 (i) 열교환기 표면의 부식, (ii) 열 전달에 필요한 큰 열교환 표면, (iii) 저온 열의 용도 찾기라는 세 가지 이상의 문제에 직면해 있습니다.

낮은 온도의 폐열을 회수하기 위해 이슬점 온도 이하로 가스를 냉각할 수 있는 기술을 사용할 수 있습니다. 이러한 기술에는 심층 이코노마이저, 간접 접촉 응축 회수, 직접 접촉 응축 회수 및 최근 개발된 수송 막 응축기가 포함됩니다. 이러한 기술의 상업화는 높은 비용과 시설이 회수된 열에 대한 최종 용도가 부족하기 때문에 제한되었습니다. 시설에 폐열의 최종 용도가 부족할 때 일부는 열 펌프 및 저온 발전을 포함한 다른 회수 수단을 찾았습니다. 또한 이러한 기술의 사용은 경제적 제약으로 인해 제한되는 경우가 많습니다.