고로 가스 상부 압력 회수 터빈(TRT): 에너지 효율 최적화

고로 가스 상부 압력 회수 터빈(Top Pressure Recovery Turbine, TRT)

제철소의 현대 고로는 높은 상부 가스 압력에서 운전됩니다. 고로(BF) 상부에서 나오는 고로 가스는 여전히 약 1.6~3.0 kg/cm²(g)의 압력과 약 200°C의 온도를 유지합니다. 고로 상부에서 나오는 이 고로 가스는 집진을 위해 정제되고, 정제된 가스는 제철소에서 상대적으로 낮은 압력에서 가열용 연료로 사용됩니다. 이 과정에서 세프텀 밸브(septum valve)를 통해 큰 압력 에너지가 손실됩니다. 고로 가스 상부 압력 회수 터빈(TRT)은 고로 가스의 열 및 압력 에너지를 이용해 터빈을 구동하는 메커니즘입니다. 터빈에서 발생한 일은 발전기에 전달되어 전력으로 변환됩니다. TRT는 모든 기체의 알려진 특성인 압력 감소에 따른 기체 부피 팽창을 이용해 전력을 생산합니다. 시스템은 집진 설비, 가스 터빈, 발전기로 구성됩니다.

TRT는 기본적으로 고로에서 에너지 절약 조치로, 고로 상부 가스의 폐압력 에너지를 이용해 전력을 생산합니다. TRT 유닛은 용선 1톤당 약 15~60 kWh를 생산할 수 있습니다. 출력은 고로의 모든 설비(송풍기 포함)에 필요한 전력의 약 30%를 충당할 수 있습니다. TRT 유닛을 떠난 고로 가스는 여전히 제철소에서 연료로 사용될 수 있습니다.

제선 공정 중 고로에서 고압 고온의 고로 가스가 생성됩니다. 기존 관행에서는 고로 가스 에너지가 세프텀 밸브에서의 압력 감소로 낭비됩니다. TRT 유닛 장착은 고로 가스의 압력 및 열에너지 회수에 최선의 방법입니다. TRT 유닛은 일반적으로 고로 가스 정제 설비 하류에 설치됩니다. 일반적으로 1,000㎥ 이상 용량의 고로에 TRT 장착이 경제적입니다.

TRT 시스템은 팽창 터빈을 사용하여 고압 고로 상부 가스의 물리적 에너지를 전기로 변환하는 발전 시스템입니다. 압력 차이는 낮지만, 큰 가스 부피로 인해 회수가 경제적으로 타당합니다. TRT의 핵심 기술은 고로 조업을 방해하지 않으면서 분진이 많은 고로 조건에서 팽창 터빈의 안정적이고 고효율 운전을 보장하는 것입니다.

TRT 유닛의 성능과 출력을 결정하는 몇 가지 핵심 파라미터는 다음과 같습니다.

• 고로 상부 가스 유량
• 고로 상부 고로 가스 압력
• 가스 정제 플랜트(GCP) 전체 압력 강하
• GCP 후 고로 가스 온도
• TRT 출구 고로 가스 압력
• 고로 상부 고로 가스 품질
• TRT 효율
• TRT와 연결된 발전기 효율

고로 상부 가스는 일반적으로 약 5 g/N㎥ 분진을 포함하며, 가스 정제 플랜트(GCP)를 통과시켜 분진량을 5 mg/N㎥ 미만으로 줄여야 합니다. 분진 함량 감소는 TRT 적정 운전에 필요합니다.

TRT 유닛을 가진 고로 상부 가스 시스템은 분진 제거 방식에 따라 습식과 건식 가스 정제 시스템으로 분류됩니다. 건식 시스템은 물과 전기를 덜 사용합니다. 압력 강하가 적고 습식 시스템에 비해 가스 온도가 약 50°C 더 높습니다. 건식 가스 정제로 TRT 시스템은 일반적으로 30% 더 많은 전력을 생산할 수 있으며 최대 60% 더 많은 전력 생산 가능성도 있습니다. 따라서 건식 시스템이 더 유리한 경제성을 가집니다.

터빈은 레이디얼(radial)과 액시얼(axial) 두 가지 유형이 있습니다. 현재 액시얼 터빈이 TRT에 널리 사용되는데, 큰 유량 처리에 더 적합하기 때문입니다. TRT는 일반적으로 수평 분할 케이싱과 3,000 rpm의 거버너 속도를 가진 다단 가변형 팽창 터빈(액시얼 플로우 반응 설계)입니다. TRT는 일반적으로 브러시리스 여자 동기 발전기를 채택합니다. 발전기는 터빈에 부과될 모든 부하 조건에서 작동하도록 적절히 설계됩니다. TRT 발전기는 보통 6.6 kV에서 발전하여 6.6kV/33 kV 승압 변압기를 통해 33 kV로 승압됩니다.

상부 압력 안정성은 핵심 중요성을 가집니다. 상부 압력의 작은 변동은 고로 조업에 유리합니다. 상부 압력은 고로 가스 유량 증가 또는 감소에 따라 터빈 1단 고정자 날개(stator blades)를 개폐하여 제어합니다. 기존 터빈에서는 거버너 밸브도 상부 압력 제어를 위해 조합하여 사용했습니다. 그러나 거버너 밸브는 고정자 날개에 비해 더 큰 압력 손실을 유발하여 전력 회수와 소음 방지 측면에서 불리했습니다. 따라서 현재 널리 사용되는 시스템에서는 거버너 밸브를 제거하고 상부 압력을 1단 고정자 날개만으로 제어합니다.

습식 및 건식 TRT 시스템의 대표적 개략 흐름도는 그림 1에 나와 있습니다.

가스 정제 설비에서 분진이 포집된 후, 깨끗한 고로 가스는 입구 버터플라이 밸브와 입구 고글 밸브를 통해 터빈으로 유입됩니다. 비상시를 위해 상시 닫힘 바이패스 밸브와 상시 열림 비상 차단 밸브가 사용됩니다.

TRT에서 터빈에 의해 발생한 기계적 일은 발전기에 전달되어 전력을 생산합니다. 저압 저온의 BFG는 출구 고글 밸브를 통해 가스 라인으로 유입됩니다.

TRT 운전은 (i) 시운전 단계와 (ii) 정상 운전 단계 두 단계로 나눌 수 있습니다. 시운전 단계에서는 유압 서브시스템 등 모든 준비 사항을 점검합니다. 그런 다음 고로 운전원에게 TRT 시동 신호를 보냅니다. 고로 운전원이 동의하면 입구 버터플라이 밸브와 비상 차단 밸브가 열립니다. 터빈 속도는 입구 버터플라이 밸브로 제어하고 상부 가스 압력은 세프텀 밸브로 제어합니다. 터빈이 요구 회전 속도에 도달할 때까지 세프텀 밸브를 천천히 닫습니다. 그러면 시운전 단계가 정상 운전 단계로 전환됩니다. 정상 운전 단계에서는 상부 가스 압력이 터빈 1단 고정자 날개에 의해 완전히 조절됩니다. 상부 압력은 터빈 1단 고정자 날개를 개폐하여 제어합니다.

희망하는 상부 가스 압력과 유량을 사용할 수 없는 상황에서는 가스가 TRT를 바이패스할 수 있습니다. 회로에 설치된 밀폐형 고압 고글 밸브는 TRT 완전 격리 상황(예: 정비 단계)에서 고로의 중단 없는 운전을 보장합니다.

TRT 시스템은 제철소 전력 배전 시스템과 동기화할 수 있습니다. TRT 플랜트는 일반적으로 고로와 같은 가용성인 연간 350일 운전을 합니다. TRT 발전소의 보조 전력 소비는 매우 낮습니다.

TRT는 검증된 기술로 설치나 운영에 위험이 거의 없습니다. 어떤 이유로 TRT 시스템이 고장 나면 팽창 가스는 기존 스크러버에 수용됩니다. 이는 TRT 시스템이 설치되지 않은 고로에서 정상적입니다.

고로 조업에 영향이 없고 고로 가스도 소비되지 않습니다. 고로 가스는 매우 가연성이므로 일반적으로 플랜트 다른 부분에서 열이나 에너지를 생성하기 위해 사용됩니다. TRT 시스템 설치 시 고로 가스는 터빈에서 한 번, 통상 용도로 연소될 때 또 한 번, 효과적으로 두 번 에너지를 생성합니다.

TRT는 공정 폐가스 스트림의 압력 에너지를 활용할 수 있게 하므로 더 깨끗하고 에너지 효율적인 기술입니다. TRT는 에너지 절약과 온실가스 배출 저감을 위해 사용됩니다. TRT 설치의 경제적 이점이 상당하지만, 환경적 이점도 중요한 고려사항입니다. TRT는 이 기술을 사용한 전력 생산 공정에서 배출이 제로이므로 매우 지속 가능합니다. 공정은 100% 그린입니다.

요약하면 TRT는 다음과 같은 특징을 가집니다.

• 제철소 고로에서 사용되는 에너지 절약 기술
• 고로 상부 압력 제어 기능을 갖춘 발전 설비
• 고로에서 생성된 고로 가스로 터빈을 구동하여 전력 생산
• 발전에 연료 불필요
• 연료를 태우지 않으므로 CO₂나 기타 온실가스 발생 없음
• 발전량에 따라 CO₂ 저감 기여
• 기존 세프텀 밸브 대비 소음 적어 고로 주변 환경 개선 기여
• TRT 시스템 운전 및 정비에 정교한 기술 불필요, 고로 운전 및 정비 인력이 쉽게 수행 가능
• 운전에 소량의 물, 질소 등만 필요, 기존 고로 설비로 쉽게 충당 가능