지속 가능한 산업 운영을 위한 효과적인 폐열 회수

폐열은 연료 연소나 화학 반응으로 인해 공정에서 발생한 후 실제 사용되지 않고 환경으로 배출되는 열입니다. 폐열 발생원에는 대기로 배출되는 뜨거운 연소 가스, 공정 배가스, 설비와 가열된 제품(뜨거운 코크스, 뜨거운 금속, 액체 강철, 열간 압연 제품 등)에서의 전도, 대류, 복사 손실, 뜨거운 설비 표면에서의 열전달(냉각수로 전달된 열) 등이 포함됩니다.

폐열 회수는 산업 공정의 폐열을 포착하여 재사용하여 난방용이나 기계적, 전기적 일을 생성하는 데 사용하는 것입니다. 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 플랜트에서 최대량의 열을 회수하여 환경(공기 또는 인근 강)으로 그냥 방출하는 대신 가능한 한 많이 재사용하는 것입니다.

폐열의 특성과 회수 가치

폐열은 모든 제조 공정에 내재되어 있습니다. 산업 제조 공정 중 소비된 에너지의 약 20%~50%가 결국 뜨거운 배기 가스와 액체 흐름에 포함된 폐열, 뜨거운 설비 표면과 가열된 제품에서의 열전도, 대류, 복사를 통해 손실됩니다. 폐열 회수는 산업로의 전반적인 에너지 효율 개선을 위한 가치 있는 대안적 접근법입니다. 폐열 회수를 통해 달성할 수 있는 에너지 효율은 일반적으로 10%~50% 범위입니다.

본질적인 사실은 열의 양이 아니라 그 가치입니다. 미사용 열을 회수하는 메커니즘은 폐열 유체의 온도와 관련된 경제성에 달려 있습니다. 폐열 회수 기술은 시설의 에너지 생산성을 높여 운영 비용을 자주 절감합니다. 포착되어 재사용되는 폐열은 값비싼 구매 연료나 전기의 배출 없는 대체재입니다.

그림 1은 열회수 없이와 있을 때의 일반적인 에너지 흐름을 보여줍니다.

그림 1 열회수 없이와 있을 때의 일반적인 에너지 흐름

폐열 회수에 필요한 세 가지 필수 구성 요소는 (i) 연소 배기, 공정 배기, 로에서 나오는 뜨거운 가스, 냉각탑 물 등 접근 가능한 폐열원, (ii) 재생기, 회수기, 이코노마이저, 폐열 보일러, 열전 발전기 등 회수 기술, (iii) 보일러 급수 예열, 원료 및 연소 공기 예열, 증기 및/또는 전력 생성, 저열량 연소 가스(고로 가스 등) 예열 등 회수된 에너지의 용도입니다.

폐열 회수 장비

제철소에서 사용되는 여러 열회수 장비가 있습니다. 주요 장비는 다음과 같습니다. 열교환기는 연소 배기 가스에서 연소 공기로 열을 전달하는 데 가장 일반적으로 사용됩니다. 예열된 연소 공기가 더 높은 온도에서 로에 들어가므로 연료가 공급해야 할 에너지가 줄어듭니다. 공기 예열에 사용되는 일반적인 기술은 다음과 같습니다.

• 회수기(Recuperators) - 회수기는 중온~고온 응용 분야에서 배기 가스 폐열을 회수합니다. 회수기는 복사, 대류 또는 조합에 의한 열전달 원리를 기반으로 할 수 있습니다. 회수기는 금속 또는 세라믹 재료로 제작됩니다. 금속 회수기는 1050°C 미만 온도의 응용 분야에 사용되며, 더 높은 온도에서의 열회수는 뜨거운 측 온도 1500°C, 차가운 측 온도 약 950°C까지 작동할 수 있는 세라믹 튜브 회수기에 더 적합합니다.
• 재생기(Regenerators) - 재생기는 뜨거운 공기와 찬 공기가 번갈아 통과하는 두 개의 벽돌 '체커워크' 챔버로 구성됩니다. 연소 배기가 한 챔버를 통과할 때 벽돌이 연소 가스에서 열을 흡수하여 온도가 상승합니다. 벽돌이 열을 흡수하면 흐름이 바뀌어 유입 연소 공기가 뜨거운 체커워크를 통과하여 연소 공기에 열을 전달합니다. 최소 두 개의 챔버를 사용하여 하나는 배기 가스에서 열을 흡수하는 동안 다른 하나는 연소 공기에 열을 전달합니다. 공기 흐름 방향은 고정된 시간 간격으로 바뀝니다. 재생기는 더러운 배기 가스가 있는 고온 응용 분야에 특별히 적합합니다. 주요 단점은 큰 크기와 자본 비용으로, 회수기보다 훨씬 큽니다.
• 수동 공기 예열기(Passive air preheaters) - 이들은 저온~중온 응용 분야에서 가스 흐름 간 교차 오염을 방지해야 하는 가스-가스 열회수 장치입니다. 수동 예열기는 보통 두 유형입니다: (i) 플레이트형, (ii) 히트 파이프형. 플레이트형 예열기는 뜨거운 가스 흐름과 찬 가스 흐름을 위한 별도 채널을 만드는 다수의 평행 판으로 구성됩니다. 뜨거운 흐름과 찬 흐름이 판 사이를 번갈아 가며 중요한 열전달 면적을 허용합니다. 히트 파이프 열교환기는 밀봉된 끝이 있는 여러 파이프로 구성됩니다. 각 파이프는 파이프의 뜨거운 끝과 찬 끝 사이에서 작동 유체의 이동을 용이하게 하는 모세관 심지 구조를 포함합니다. 뜨거운 가스가 히트 파이프의 한 쪽 끝을 지나가면 파이프 내부의 작동 유체가 증발합니다. 파이프를 따른 압력 구배로 뜨거운 증기가 파이프의 다른 쪽 끝으로 이동하여 응축하고 찬 가스에 열을 전달합니다. 응축액은 모세관 작용으로 파이프의 뜨거운 쪽으로 다시 순환합니다.
• 회수식 또는 재생식 버너(Recuperative or regenerative burners) - 회수식 또는 재생식 시스템을 통합한 버너는 독립형 회수기나 재생기보다 설계와 구조가 더 단순하고 콤팩트합니다. 이 시스템들은 주변 공기로 작동하는 버너에 비해 에너지 효율을 높입니다. 자체 회수 버너는 버너 본체 설계의 일부로 열교환 표면을 통합하여 버너 본체를 통해 다시 지나가는 배출 가스에서 에너지를 포착합니다. 자체 재생 버너는 내화물 매체 케이스로 배기 가스를 통과시키고 재생기와 유사한 방식으로 쌍으로 작동합니다. 일반적으로 회수 버너 시스템은 열교환 면적이 적고 재생 버너 시스템은 독립형 장치보다 질량이 적습니다. 따라서 에너지 회수는 낮지만 낮은 비용과 개조 용이성으로 에너지 회수의 매력적인 대안이 됩니다.
• 쉘 앤 튜브 열교환기(Shell and tube heat exchangers) - 폐열을 함유한 매체가 다른 액체를 가열하는 액체나 증기일 때, 각각의 유체가 각자의 압력을 견뎌야 하므로 쉘 앤 튜브 열교환기가 일반적으로 사용됩니다. 쉘은 튜브 번들을 포함하며, 보통 쉘 측 유체를 튜브 위로 다중 패스로 유도하는 내부 배플이 있습니다. 쉘은 튜브보다 본질적으로 약하므로 높은 압력 유체는 튜브로 순환시키고 낮은 압력 유체는 쉘을 통해 흐르게 합니다. 증기가 폐열을 함유할 때 보통 응축되어 잠열을 가열되는 액체에 내줍니다. 이 응용에서 증기는 거의 항상 쉘 내에 포함됩니다. 역을 시도하면 소구경 평행 튜브 내 증기 응축이 흐름 불안정을 유발합니다. 튜브 앤 쉘 열교환기는 다양한 표준 크기와 튜브 및 쉘 재료 조합으로 제공됩니다.
• 핀 튜브 열교환기 또는 이코노마이저(Finned tube heat exchanger or economizer) - 핀 튜브 열교환기는 저온~중온 배기 가스에서 열을 회수하여 액체를 가열하는 데 사용됩니다. 응용 분야에는 보일러 급수 예열, 뜨거운 공정 액체 등이 포함됩니다. 핀 튜브는 표면적과 열전달 속도를 최대화하는 부착된 핀이 있는 원형 튜브로 구성됩니다. 액체는 튜브를 통해 흐르며 튜브를 가로지르는 뜨거운 가스에서 열을 받습니다. 보일러 배기 가스를 급수 예열에 사용하는 핀 튜브 열교환기는 일반적으로 보일러 이코노마이저라고 합니다.
• 폐열 보일러(Waste heat boiler) - 폐열 보일러는 중온~고온 배기 가스를 사용하여 증기를 생성하는 수관 보일러입니다. 폐열 보일러는 30~25,000 Cum/분 범위의 가스 흡입량을 허용하는 다양한 용량으로 제공됩니다. 폐열이 원하는 증기 수준을 생산하기에 충분하지 않은 경우, 보조 버너나 애프터버너를 보통 추가하여 더 높은 증기 출력을 얻습니다. 증기는 공정용이나 발전용으로 생산될 수 있습니다. 과열 증기 생성에는 일반적으로 보일러에 외부 과열기 추가가 필요합니다.
• 부하 예열(Load preheating) - 이는 시스템을 떠나는 폐열을 사용하여 시스템에 진입하는 부하를 예열하는 것을 말합니다. 가장 일반적인 예는 보일러 급수 예열로, 이코노마이저가 뜨거운 연소 배기 가스에서 보일러로 들어가는 물로 열을 전달합니다. 다른 응용 분야는 연소 배기 가스와 다른 로에 진입하는 고체 재료 간의 직접 열전달을 이용합니다.
• 열펌프(Heat pumps) - 폐열이 잠재적 부하 요구 사항보다 낮은 온도에서 사용 가능한 경우가 있습니다. 이런 경우 폐열 업그레이드가 필요합니다. 폐열 업그레이드는 폐열 스트림의 에너지 수준을 높여 그렇지 않으면 달성할 수 없는 유용한 기능을 수행할 수 있게 하는 것입니다. 이는 폐열이 증기 형태로 사용 가능한 경우 열펌프나 직접 증기 압축을 통해 달성됩니다. 대부분의 열펌프는 증기 압축 사이클 원리로 작동합니다. 이 사이클에서 순환 물질은 소스(폐열, 온도 Tin)와 사용자(공정에 사용할 열, Tout) 스트림에서 물리적으로 분리되어 순환 방식으로 재사용되므로 폐쇄 사이클 열펌프라고 합니다.

폐열 회수의 이점

폐열의 이점은 크게 두 가지 범주로 분류할 수 있습니다: (i) 직접적 이점, (ii) 간접적 이점.

• 직접적 이점은 자원과 유틸리티 소비 감소, 운영 비용 감소로 반영됩니다. 폐열 회수는 공정의 에너지 생산성을 개선하고 공정 효율에 직접적인 영향을 미칩니다. 지구 기후 변화의 현재 시나리오에서 폐열 회수의 가장 큰 이점은 온실가스 없는 에너지원이라는 것입니다.
• 폐열 회수의 간접적 이점은 환경 오염 감소, 보조 용도의 에너지 소비 감소, 설비 크기 감소입니다. 폐열 회수는 연료 소비를 줄여 배가스 생성을 감소시킵니다. 이는 팬, 스택, 덕트, 버너 등 모든 배가스 처리 설비의 크기 감소로 이어집니다. 설비 크기 감소는 팬, 펌프 등의 전기 같은 보조 에너지 소비 감소라는 추가 이점을 줍니다.

폐열 회수 시스템의 다른 측면은 추가 공간, 자본, 운영 비용이 필요하며 이는 회수된 열의 이점으로 정당화되어야 합니다.

폐열 회수 기술은 현재 제철소의 많은 곳에서 다양한 정도로 사용되고 있지만, 더 넓은 적용을 방해하는 기술적, 경제적 장벽에 직면해 있습니다. 많은 기술이 이미 폐열 회수를 위해 잘 개발되어 있음(예: 회수기, 재생기 등)에도 불구하고, 이러한 기술이 특정 용도(예: 더러운 배기 흐름 응용)에 항상 경제적인 것은 아니라는 과제가 있습니다.

열회수 장비의 경제성과 효과에 영향을 미치고 더 넓은 설치를 방해하는 많은 장벽이 있습니다. 이들 장벽 중 다수는 상호 관련되어 있지만 일반적으로 비용, 온도 제한, 화학적 조성, 용도 세부사항, 열원의 접근 불가능성/수송 불가능성과 관련된 것으로 분류할 수 있습니다.

폐열 회수에 채택된 현재 관행은 폐열이 일반적으로 깨끗한 고온 폐열원에서 대용량 시스템으로 회수됨을 보여줍니다. 따라서 기존 시스템 최적화, 화학적 부식 시스템을 위한 기술 개발, 비유체 열원에서 열 회수, 저온 폐열 회수에 기회가 있습니다.

경제성이 저온 폐열 회수의 실행 가능성을 종종 제한하지만, 저등급 폐열이 산업 시설에서 비용 효과적으로 회수되어 사용된 다양한 응용 분야가 있습니다. 대량의 산업 폐열은 저온 범위에서만 사용 가능합니다. 예를 들어, 보일러 같은 연소 시스템은 120°C~150°C 온도 범위에서 배기 가스를 배출하는 회수 기술을 자주 사용합니다. 또한 대량의 폐열이 산업용 냉각수와 냉각공기에서 발견될 수 있습니다. 일본의 한 일관 제철소는 98°C의 냉각수만 사용하여 3.5MW 용량의 발전소를 설치했습니다.

연소 배기 가스의 경우, 가스에 포함된 수증기를 더 낮은 온도로 냉각하면 상당한 열을 회수할 수 있습니다. 배기 가스의 물이 응축되어 열교환기 표면에 부식성 물질이 침착되는 것을 방지하기 위해 120°C~150°C 정도의 최소 온도 제한이 자주 사용됩니다. 그러나 배가스를 더 냉각하면 증발 잠열을 회수할 수 있어 열회수를 크게 늘릴 수 있습니다. 이 잠열은 배기 가스에 포함된 에너지의 상당한 부분을 차지합니다. 응축점 아래에서 배기 가스를 냉각하면서 화학적 공격을 최소화할 수 있는 기술은 증발 잠열 회수를 통해 에너지 효율을 크게 높일 수 있습니다.

현재 저온 열회수는 최소 세 가지 과제에 직면해 있습니다: (i) 열교환기 표면 부식, (ii) 열전달을 위한 큰 열교환 표면 필요, (iii) 저온 열의 용도 찾기.

이슬점 이하 온도로 가스를 냉각하여 저온 폐열을 회수할 수 있는 기술이 있습니다. 이러한 기술에는 심층 이코노마이저, 간접 접촉 응축 회수, 직접 접촉 응축 회수, 최근 개발된 수송 막 응축기가 포함됩니다. 이러한 기술의 상용화는 높은 비용과 시설에 회수된 열의 최종 용도가 부족하여 제한되어 왔습니다. 시설에 폐열의 최종 용도가 없을 때, 일부는 열펌프와 저온 발전 등 다른 회수 수단을 찾았습니다. 이러한 기술의 사용도 종종 경제적 제약에 의해 제한됩니다.