첨단 폐열 회수 기술: 산업 에너지 효율 향상 솔루션

폐열 회수 기술

폐열은 공정에서 빠져나가 대기로 들어가는 공기, 배기가스, 공정 제품의 폐스트림과 관련된 에너지입니다. 다양한 공정에서 생성되지만 실질적 용도에 투입되지 않고 대기로 손실되거나 낭비되는 에너지입니다. 경제적 방식으로 유용한 목적을 위해 일부 에너지 분율을 회수할 수 있을 만큼 충분히 높은 온도에서 공정에서 배출되는 에너지입니다.

폐열 정의에서, 열을 운반하는 폐스트림이 결국 대기나 지하수와 혼합되어 이들 스트림 내 에너지가 유용 에너지로 이용 불가능해진다는 것이 내포되어 있습니다. 환경에 의한 폐에너지 흡수는 종종 열 오염이라 불립니다.

폐열 회수는 다양한 폐열 회수(WHR) 기술을 통해 수행되어 귀중한 에너지원을 제공하고 전체 에너지 소비를 줄일 수 있습니다. 폐열을 포집하고 회수하는 데 사용할 수 있는 여러 WHR 기술이 있습니다.

산업 공정에서 사용되는 상당한 양의 에너지가 배기가스, 공기 스트림, 공정을 떠나는 액체/고체 형태의 열로 낭비됩니다. 모든 폐열을 회수하는 것은 기술적, 경제적으로 실현 불가능합니다. WHR 기술 사용 증가는 온실가스(GHG) 배출 완화에도 기여합니다.

WHR 기술은 공정에서 가스, 액체, 고체와 함께 나오는 폐열을 포집하여 시스템으로 다시 전달하여 추가 에너지원으로 활용하는 것으로 구성됩니다. 이 에너지원은 추가 열을 생성하거나 전기 및 기계 동력을 생산하는 데 사용될 수 있습니다. 폐열은 어떤 온도에서도 배출될 수 있습니다. 일반적으로 폐열 온도가 높을수록 폐열 품질이 높고 WHR 공정 최적화가 더 쉽습니다. 따라서 공정에서 최대 잠재력의 최대 회수 가능 열량을 발견하고 WHR 시스템에서 최대 효율 달성을 보장하는 것이 중요합니다.

폐열 공급원은 일반적으로 제품, 설비, 공정으로부터의 전도, 대류, 복사 열손실과 연소 공정으로부터 배출되는 열을 포함합니다. 열손실은 (i) 고온 열, (ii) 중온 열, (iii) 저온 열로 분류될 수 있습니다. 각 유형 폐열에 대해 WHR 기술이 이용 가능하여 최적의 WHR 효율을 달성할 수 있습니다.

고온 WHR은 400°C 초과 온도에서 폐열 회수이며, 중온 폐열 범위는 100°C~400°C, 저온 폐열 범위는 100°C 미만 온도입니다. 일반적으로 고온 범위 폐열은 직접 연소 공정에서, 중온 범위는 연소 장치 배기에서, 저온 범위는 공정 장치의 부품, 제품, 설비에서 나옵니다.

폐열 유형과 공급원에 따라 어떤 폐열 회수 시스템을 사용할지 정당화하기 위해 공정에서 회수 가능한 열량과 등급을 조사하는 것이 필수적입니다. 폐열 정량화에 사용되는 세 가지 중요한 매개변수가 있습니다: (i) 양, (ii) 질, (iii) 시간적 가용성.

이용 가능한 폐열 양 또는 양은 Q = V × d × Cp × (T₁-T₂) 공식으로 계산할 수 있습니다. 여기서 Q는 열량, V는 열을 운반하는 물질 유량, d는 물질 밀도, Cp는 물질 비열, (T₁-T₂)는 시스템 입구(T₁) 초기 온도와 출구(T₂) 최종 최고 온도 간 차이입니다. 이용 가능한 폐열 양은 폐스트림 엔탈피 흐름으로도 표현될 수 있으며 H = m × h 공식으로 주어집니다. 여기서 H는 폐스트림 총 엔탈피 비율, m은 폐스트림 질량 유량, h는 폐스트림 비엔탈피입니다.

질은 폐스트림 온도 측면에서 대략 표현될 수 있습니다. 온도가 높을수록 회수 가능한 폐열이 더 많습니다. 기계 및 응축기 냉각수 같은 저온 공급원으로부터 WHR은 일반적으로 다소 어렵고, 일반적으로 회수에 적합한 온도로 온도를 높이기 위해 히트 펌프 사용을 포함합니다.

시간적 가용성은 폐열이 필요할 때 이용 가능한 정도를 측정합니다. 폐열 가용성을 최종 부하와 매칭하는 것은 WHR 효과의 중요한 고려사항입니다. 따라서 폐열 유용성은 이용 가능한 양뿐만 아니라 그 질이 잠재적 부하 요구사항에 맞는지, 필요할 때 이용 가능한지(시간적 가용성)에도 의존합니다.

비용 효율적 WHR과 재사용은 충분한 질, 양, 시간적 가용성을 가진 폐열 공급원과 회수된 폐열을 재사용할 수 있는 가열 부하 식별을 포함합니다. 저온~중온 범위에서 폐열을 재사용할 수 있는 여러 공정이 있습니다. 이 공정들은 다양한 산업에서 사용됩니다. 예: 특정 증류 작업은 오픈루프 히트 펌프 시스템에 이상적이며, '오버헤드' 증류 증기를 기계적으로 재압축하여 리보일러에서 응축시키고 증류탑에서 '바텀스' 제품을 기화시킵니다. 이러한 적용은 일반적으로 작은 온도 차이를 포함하며 리보일러 가열을 위한 연료 연소와 냉각탑에서의 증류액 열 배출보다 종종 더 비용 효율적입니다.

WHR 타당성 평가는 폐열 공급원과 열이 전달될 스트림 특성화가 필요합니다. 결정되어야 할 중요한 폐열 스트림 매개변수는 (i) 열량, (ii) 열 온도/질, (iii) 조성, (iv) 최저 허용 온도, (v) 운전 스케줄, 가용성, 기타 물류입니다. 이 매개변수들은 스트림 질과 양 분석을 가능하게 하고 가능한 재료/설계 한계에 대한 통찰을 제공합니다. 예: 열전달 매체 부식은 스트림 질과 양이 수용 가능하더라도 WHR에서 상당한 관심사입니다.

WHR 옵션 및 기술

WHR 접근법에는 (i) 가스 및/또는 액체 간 열전달, (ii) 로 진입 부하로 열전달, (iii) 기계 및/또는 전기 동력 생성, (iv) 히트 펌프와 폐열을 이용한 시설 난방 또는 냉방이 포함됩니다. WHR 기술 용어는 산업마다 자주 다릅니다. 주요 WHR 기술은 아래에 설명되어 있습니다.

열교환기

열교환기는 일반적으로 연소 배기가스에서 연소로 진입하는 연소 공기로 열을 전달하는 데 사용됩니다. 예열된 연소 공기가 더 높은 온도에서 로로 들어가므로 연료가 공급해야 할 에너지가 줄어듭니다. 공기 예열에 사용되는 일반 기술에는 회수기(recuperator), 로 재생기(furnace regenerator), 버너 재생기(burner regenerator), 회전 재생기(rotary regenerator), 수동 공기 예열기(passive air preheater)가 포함됩니다.

회수기(Recuperator) - 회수기는 중온~고온 적용에서 배기가스 폐열을 회수합니다. 회수기는 복사, 대류, 또는 두 가지 조합 기반일 수 있습니다.

단순 복사 회수기는 두 개의 동심 덕트 길이로 구성됩니다. 뜨거운 폐가스는 내측 덕트를 통과하고 열전달은 주로 벽과 외측 쉘의 차가운 유입 공기로 복사됩니다. 예열된 쉘 공기는 로 버너로 이동합니다. 대류 또는 튜브형 회수기(열교환기)는 상대적으로 작은 직경 튜브를 큰 쉘에 포함시켜 뜨거운 가스를 통과시킵니다. 유입 연소 공기가 쉘에 들어가 튜브 주변을 배플로 돌아가며 폐가스에서 열을 흡수합니다. 또 다른 대안은 복사/대류 복합 회수기입니다. 시스템은 열전달 효과 극대화를 위해 복사 구간 다음에 대류 구간을 포함합니다.

회수기는 금속 또는 세라믹 재료로 제작됩니다. 금속 회수기는 1,100°C 미만 온도 적용에 사용되며, 더 높은 온도 열회수는 세라믹 튜브 회수기에 더 적합합니다. 이들은 뜨거운 측 온도 1,550°C까지, 차가운 측 온도 약 1,000°C에서 운전 가능합니다.

재생기(Regenerator) - 재생기는 (i) 로 재생기, (ii) 회전 재생기 또는 히트 휠 두 가지 유형입니다. 로 재생기 경우, 재생 로는 뜨거운 공기와 차가운 공기가 번갈아 통과하는 두 개의 벽돌 체커워크 챔버로 구성됩니다. 연소 배기가스가 한 챔버를 통과할 때 벽돌이 연소 가스에서 열을 흡수하여 온도 상승합니다. 공기 흐름이 조정되어 유입 연소 공기가 뜨거운 체커워크를 통과하여 연소로 진입하는 연소 공기로 열을 전달합니다. 한 챔버가 배기가스에서 열을 흡수하는 동안 다른 챔버가 연소 공기로 열을 전달하도록 두 챔버가 사용됩니다. 공기 흐름 방향은 일정 시간 후 변경됩니다. 재생기는 코크스 오븐에 가장 자주 사용되며, 과거 제강용 평로(오픈 허스 로)에서도 역사적으로 사용되었습니다. 재생기는 제철용 열풍로에 공급되는 열풍 예열에도 사용됩니다. 그러나 열풍로 재생기는 열회수 적용이 아니라 가스 연소에서 방출된 열을 열풍 공기로 전달하는 수단일 뿐입니다. 재생기 시스템은 더러운 배기가스를 동반한 고온 적용에 특히 적합합니다. 로 재생기 주요 단점은 큰 크기와 높은 자본 비용입니다.

회전 재생기 경우, 고정 재생기와 유사하게 다공성 매체에 열을 저장하고 뜨거운 가스와 차가운 가스 흐름을 번갈아 재생기로 통과시켜 열전달을 촉진합니다. 회전 재생기는 공기 예열기와 히트 휠로도 불립니다. 두 평행 파이프 중 하나에 뜨거운 폐가스, 다른 하나에 차가운 가스가 있는 곳에 고열용량 물질로 구성된 회전 다공성 디스크를 사용합니다. 디스크는 두 파이프 사이를 회전하며 뜨거운 가스 파이프에서 차가운 가스 파이프로 열을 전달합니다. 히트 휠은 고온에서 생성되는 열응력으로 인해 일반적으로 저온~중온 적용으로 제한됩니다. 두 파이프 간 큰 온도 차이는 차등 팽창과 큰 변형을 초래하여 파이프 휠 공기 씰 무결성을 손상시킬 수 있습니다. 일부 경우 고온 적용을 위해 세라믹 휠을 사용할 수 있습니다. 히트 휠 또 다른 과제는 두 가스 스트림 간 교차 오염 방지입니다. 오염물질이 휠 다공성 물질로 수송될 수 있기 때문입니다.

히트 휠 장점 중 하나는 청정 가스 스트림에서 습기와 열을 모두 회수하도록 설계할 수 있다는 것입니다. 흡습성 물질로 설계되면 습기를 한 파이프에서 다른 파이프로 전달할 수 있습니다. 이는 들어오는 뜨거운 습한 공기가 열과 습기를 차가운 나가는 공기로 전달하는 공조 적용에서 특히 유용합니다. 공간 난방 및 공조 시스템 주요 적용 외에도 히트 휠은 중온 적용에도 제한적으로 사용됩니다.

수동 공기 예열기(Passive air preheater) - 수동 공기 예열기는 두 가스 스트림 간 교차 오염 방지가 필요한 저온~중온용 가스-가스 열회수 설비입니다. 수동 예열기는 (i) 플레이트형, (ii) 히트 파이프 두 유형이 있습니다.

플레이트형 교환기는 뜨거운 가스 스트림과 차가운 가스 스트림을 위한 별도 채널을 만드는 다수 평행 플레이트로 구성됩니다. 뜨거운 흐름과 차가운 흐름이 플레이트 사이를 번갈아 가며 실질적 열전달 면적을 허용합니다. 이 시스템은 히트 휠보다 오염에 덜 취약하지만, 종종 더 부피가 크고 비용이 많이 들며 파울링 문제에 더 취약합니다.

히트 파이프 열교환기는 양단 밀봉된 여러 파이프로 구성됩니다. 각 파이프는 파이프 뜨거운 끝과 차가운 끝 사이 작업 유체 이동을 용이하게 하는 모세관 심지 구조를 포함합니다. 이 열교환기에서 뜨거운 가스는 히트 파이프 한 끝을 지나가 파이프 내부 작업 유체를 증발시킵니다. 파이프를 따른 압력 구배가 뜨거운 증기를 파이프 다른 끝으로 이동시켜 증기가 응축되어 차가운 가스로 열을 전달합니다. 응축액은 모세관 작용으로 파이프 뜨거운 쪽으로 순환합니다.

재생/회수 버너(Regenerative/recuperative burner) - 이 버너들은 재생 또는 회수 시스템을 내장합니다. 독립형 재생 로나 회수기보다 설계와 제작이 더 단순하고 콤팩트합니다. 이 시스템들은 주변 공기로 운전하는 버너 대비 에너지 효율 증가를 제공합니다. 자체 회수 버너는 버너 본체 설계의 일부로 열교환 표면을 내장하여 버너 본체를 통과하여 나가는 배기가스에서 에너지를 포집합니다. 자체 재생 버너는 배기가스를 버너 본체로 통과시켜 내화물 매체 케이스로 보내고 재생 로와 유사한 방식으로 쌍으로 운전됩니다. 일반적으로 회수 버너 시스템은 독립형 유닛보다 열교환 면적이 적고 재생 버너 시스템은 질량이 낮습니다. 따라서 에너지 회수는 낮지만 낮은 비용과 쉬운 레트로핏으로 에너지 회수에 매력적인 옵션이 됩니다.

핀 튜브 열교환기/이코노마이저(Finned tube heat exchanger/economizer) - 핀 튜브 열교환기는 저온~중온 배기가스에서 열을 회수하여 액체를 가열하는 데 사용됩니다. 핀 튜브는 부착된 핀으로 표면적과 열전달률을 최대화하는 원형 파이프로 구성됩니다. 액체가 튜브를 통해 흐르며 튜브를 가로지르는 뜨거운 가스에서 열을 받습니다. 보일러 배기가스로 급수 예열에 사용되는 핀 튜브 교환기는 일반적으로 보일러 '이코노마이저'로 불립니다.

폐열 보일러(Waste heat boiler) - 폐열 보일러(WHB)는 중온~고온 배기로 증기를 생성하는 수관 보일러입니다. WHB는 다양한 용량으로 제공되어 1,500㎥/시간~150만㎥/시간 가스 흡입이 가능합니다. 폐열이 원하는 증기 수준 생산에 충분하지 않은 경우, 보조 버너나 애프터버너를 일반적으로 추가하여 더 높은 증기 출력을 얻습니다. 증기는 공정 가열이나 발전용으로 사용될 수 있습니다. 과열 증기 생성에는 일반적으로 시스템에 외부 과열기 추가가 필요합니다.

부하 예열(Load pre-heating)

부하 예열은 시스템을 떠나는 폐열을 사용하여 시스템에 진입하는 부하를 예열하려는 모든 노력을 말합니다. 가장 일반적인 예는 보일러 급수 예열로, 이코노마이저가 뜨거운 연소 배기가스에서 보일러로 진입하는 물로 열을 전달합니다. 다른 적용은 연소 배기가스와 로 진입 고체 재료 간 직접 열전달을 활용합니다.

보일러 급수 예열은 표준 관행이지만, 직접 연소 시스템에서 용융 전 재료 부하 예열은 다양한 이유로 널리 사용되지 않습니다. 제품 품질 제어 어려움, 환경 배출 관련 문제, 고급 로 적재/열회수 시스템 구축의 복잡성 및 비용 증가 등이 이유입니다. 그럼에도 불구하고 부하 예열을 통한 열회수는 최근 몇 년간 관심 증가했습니다. 다양한 부하 예열 로에 대한 이용 가능 기술과 장벽은 문제되는 로 유형과 부하에 따라 크게 다릅니다.

저온 에너지 회수 옵션 및 기술

경제성이 저온 WHR 실현성을 종종 제한하지만, 저품위 폐열이 비용 효율적으로 회수되어 사용된 여러 적용이 있습니다. 40°C~200°C 범위에서 대량 폐열이 이용 가능하며, 그 회수와 사용에 내재된 과제는 저온 WHR에 대한 별도 심층 조사가 필요합니다.

대부분 산업 폐열은 저온 범위에 있습니다. 예: 보일러 같은 연소 시스템은 약 150°C~180°C에서 배기가스를 배출하는 회수 기술을 자주 사용합니다. 또한 산업용 냉각수와 냉각공기에서 대량 폐열을 찾을 수 있습니다. 예: 공기 압축기 냉각만으로도 연간 상당한 양의 폐열이 발생합니다. 일본 한 일관제철소(ISP)는 98°C 냉각수만으로 3.5MW 용량 발전소를 성공적으로 설치했습니다.

연소 배기가스 경우, 가스에 함유된 수증기를 더 낮은 온도로 냉각하면 상당한 열을 회수할 수 있습니다. 배기가스 수증기 응축과 열교환기 표면 부식성 물질 퇴적 방지를 위해 120°C~150°C 주변 최저 온도 한계를 종종 사용합니다. 그러나 배기가스를 더 냉각하면 증발 잠열 회수를 허용하여 열회수를 크게 증가시킬 수 있습니다. 잠열은 배기가스 내 함유 에너지의 상당한 부분을 차지합니다. 배기가스를 이슬점 이하로 냉각하면서 화학적 공격을 최소화할 수 있는 기술은 증발 잠열 회수를 통해 에너지 효율 대폭 증가를 달성할 수 있습니다. 그림 1은 다른 스택 출구 온도에 따른 에너지 회수를 보여줍니다. 가스를 150°C에서 60°C로 냉각하면 3% 효율 증가. 38°C까지 더 냉각하면 잠열 일부 포집으로 11% 효율 증가 가능.

그림 1 다른 스택 출구 온도에 따른 에너지 회수

저온 열회수에 직면한 세 가지 과제가 있습니다:

• 열교환기 표면 부식. 배기가스 함유 수증기 냉각 시 일부 응축되어 부식성 고체와 액체가 열교환기 표면에 퇴적됩니다. 열교환기는 이러한 부식성 퇴적물 노출을 견딜 수 있도록 설계되어야 합니다. 이는 일반적으로 첨단 소재 사용이나 열교환기 구성품 빈번한 교체를 필요로 하며, 이는 종종 비경제적입니다.
• 열전달을 위한 큰 열교환 표면적 필요. 열전달률은 열교환 재료 열전도도, 두 유체 스트림 간 온도 차이, 열교환기 표면적 함수입니다. 저온 폐열은 두 유체 스트림 간 더 작은 온도 구배를 포함하므로 열전달을 위해 더 큰 표면적이 필요합니다. 이는 열교환기 경제성을 제한합니다.
• 저온 열에 대한 필요성 요구. 저온 범위 열회수는 플랜트에서 저온 열에 대한 필요성이 있을 때만 의미가 있습니다. 잠재적 최종 용도는 저온 공정 가열입니다. 다른 옵션으로는 히트 펌프로 열을 '업그레이드'하여 더 높은 온도를 필요로 하는 부하에 공급하는 것입니다. 또한 저온 발전 기술이 서서히 등장하고 있습니다.

저온 열교환 기술

저온 폐열 회수를 위해 이슬점 이하로 가스를 냉각할 수 있는 저온 열교환 기술이 이용 가능합니다. 기술 옵션에는 딥 이코노마이저, 간접 접촉 응축 회수, 직접 접촉 응축 회수, 최근 개발된 수송 막 응축기가 포함됩니다. 이 기술들의 상용화는 높은 비용과 설비에 회수 열 용도가 부족하여 제한적입니다. 설비에 폐열 용도가 없으면 히트 펌프와 저온 발전 같은 다른 회수 수단을 사용합니다. 이 기술들도 경제적 제약으로 자주 제한됩니다.

딥 이코노마이저(Deep economizer) - 딥 이코노마이저는 배기가스를 약 70°C까지 냉각하고 표면에 퇴적되는 산성 응축수를 견디도록 설계되었습니다. 이코노마이저 설계는 다양한 대안을 가질 수 있습니다. 이코노마이저 차가운 끝에 '일회용' 구간 설치가 대안일 수 있습니다. 차가운 끝 파이프는 시간이 지나면 열화되어 매우 자주 교체해야 합니다. 교체 빈도는 배기가스 조성과 건축 자재에 따라 달라집니다. 대안 중 하나는 스테인리스강 파이프로 이코노마이저 설계하는 것입니다. 스테인리스강은 일반적으로 건축에 사용되는 연강보다 산성 가스를 더 잘 견딥니다. 또 다른 설계에서는 열교환기 대부분에 탄소강을 사용하지만 산성 퇴적 발생 차가운 끝에 스테인리스강 파이프 사용. 유리 파이프 열교환기(주로 가스-가스 적용 예: 공기 예열기)나 테플론 같은 첨단 소재 사용도 다른 대안입니다.

간접 접촉 응축 회수(Indirect contact condensation recovery) - 간접 접촉 응축 회수 유닛은 가스를 약 40°C까지 냉각합니다. 이 범위에서 가스 내 수증기는 거의 완전히 응축됩니다. 간접 접촉 교환기는 쉘 앤 튜브 열교환기로 구성됩니다. 스테인리스강, 유리, 테플론, 기타 첨단 소재로 설계 가능.

직접 접촉 응축 회수(Direct contact condensation recovery) - 직접 접촉 응축 회수는 공정 스트림과 냉각 유체 직접 혼합을 포함합니다. 이 회수 유형은 열전달을 위한 분리벽이 필요 없으므로 간접 접촉 회수 유닛에 필요한 큰 열전달 표면적 과제 일부를 회피합니다. 이 회수 유형에서 배기가스가 열교환기 진입 시 상단 도입 냉수에 의해 냉각됩니다. 가열된 물 스트림이 교환기 하단을 통해 빠져나가 외부 시스템에 열을 공급합니다. 직접 접촉 응축 과제는 물이 배기가스 물질에 의해 오염될 수 있다는 것입니다.

수송 막 응축기(Transport membrane condenser) - 수송 막 응축기(TMC)는 가스 배기 스트림 내 수증기에서 물(물 잠열과 함께)을 포집하는 개발 기술입니다. 물은 모세관 응축을 이용해 이슬점 이상 온도에서 배기가스에서 추출되어 보일러 급수로 재활용됩니다. 직접 접촉 열회수와 마찬가지로 TMC는 배기가스에서 직접 뜨거운 물을 추출합니다. 그러나 TMC가 막을 통한 수송으로 물을 회수하므로 직접 접촉 회수처럼 회수된 물이 오염되지 않습니다. 이 기술은 천연가스 연소 보일러에서 청정 배기 스트림용으로 시연되었습니다. 그러나 더러운 폐스트림 광범위한 구현 전 첨단 소재 추가 개발이 필요합니다.

히트 펌프 또는 저온 폐열 업그레이드(Heat pump or upgrading of low temperature waste heat) - 위에서 언급한 열교환 기술은 고온에서 저온 최종 용도로 에너지 '다운힐' 흐름을 포함합니다. 이는 폐열 온도가 주어진 가열 부하 필요 온도보다 낮을 때 열회수 기회를 제한할 수 있습니다. 예: 폐열이 약 35°C 온수 형태로 이용 가능하지만 약 85°C 온수가 필요할 수 있습니다. 이런 경우 히트 펌프가 원하는 최종 용도 온도로 열을 '업그레이드'하는 기회를 제공할 수 있습니다. 히트 펌프는 외부 에너지 입력을 사용하여 저온 공급원에서 에너지를 흡수하고 더 높은 온도에서 배출하는 사이클을 구동합니다. 설계에 따라 히트 펌프는 두 가지 기능을 수행할 수 있습니다. 폐열을 더 높은 온도로 업그레이드하거나, 폐열을 흡수 냉동 시스템 구동 에너지 입력으로 사용할 수 있습니다. 히트 펌프는 공정 산업에서 발견되는 저온 제품 스트림에 가장 적용 가능합니다.

열 업그레이드는 필요 온도 차와 연료 및 전기 상대 비용에 따라 일부 경우 경제적일 수 있습니다. 시설이 폐열 공급원보다 약간 높은 온도에서 열 부하를 가진 경우, 추가 연료 연소로 얻는 것보다 히트 펌프로 더 효율적으로 열을 공급할 수 있습니다. 성능 계수(COP)는 히트 펌프 성능 척도로, 열 출력과 작업 입력으로부터 결정되며 COP = Q/W 공식으로 주어집니다. 여기서 Q는 히트 펌프 유용 열 출력, W는 작업 입력입니다.

히트 펌프 실현성 결정 시 중요한 고려사항은 폐열 온도와 원하는 온도 상승입니다. 사용된 사이클 유형과 선택된 작업 유체는 히트 펌프가 열을 수신하거나 배출할 수 있는 온도와 달성 가능한 최대 온도 상승을 결정합니다. 히트 펌프 효율은 원하는 온도 상승이 증가함에 따라 감소합니다.

폐쇄 압축 사이클(Closed compression cycle) - 폐쇄 압축 사이클에서 히트 펌프는 냉각수 온도를 낮추면서 추출된 열로 플랜트 다른 곳에서 사용되는 공정수 온도를 높입니다. 히트 펌프는 증발기, 압축기, 응축기, 팽창 밸브로 구성됩니다. 증발기에서 폐열 공급원에서 냉매로 에너지가 전달됩니다. 그러면 냉매가 압축기에 들어가 온도 상승. 과열 냉매가 응축기에 들어가 열싱크로 열 전달. 마지막으로 냉매가 팽창 밸브에서 스로틀되어 증발기로 돌아갑니다.

개방 사이클 증기 재압축(Open cycle vapour recompression) - 개방 사이클 증기 재압축은 압축을 사용하여 폐증기 압력(결과적으로 온도)을 증가시킵니다. 기계적 증기 재압축은 기계적 압축기를 사용하고, 열적 증기 재압축은 스팀 이젝터를 사용하여 기계적 구동이 아닌 열 구동 방식입니다.

흡수식 히트 펌프(Absorption heat pump) - 흡수식 히트 펌프는 폐쇄 압축 사이클과 매우 유사하지만 압축기가 더 복잡한 열 구동 흡수 메커니즘으로 대체됩니다. 플랜트 필요에 따라 시스템을 여러 방식으로 구성할 수 있습니다. 한 유형에서는 히트 펌프가 저온과 고온 열 입력을 사용하여 중간 레벨에서 열을 배출합니다(예: 저온 열 업그레이드). 다른 유형에서는 히트 펌프가 중온 입력을 사용하여 한 저온 스트림과 한 고온 스트림에서 열을 배출합니다. 이 두 번째 적용은 공조 및/또는 냉동에 사용될 수 있습니다.

발전(Power generation)

폐열 발전은 일반적으로 보일러 폐열을 사용하여 기계 에너지를 생성하고 이를 전동 발전기 구동에 이용합니다. 이 동력 사이클은 잘 개발되어 있습니다. 그러나 열에서 직접 전기를 생성할 수 있는 신기술도 개발 중입니다(열전 및 압전 발전). WHR 발전 기술 고려 시 다른 온도에서 발전 열역학적 한계를 염두에 두는 것이 중요합니다. 발전 효율은 폐열 공급원 온도에 크게 의존합니다. 일반적으로 폐열 발전은 중온~고온 폐열 공급원으로 제한되어 왔습니다. 그러나 대체 동력 사이클 발전으로 저온 발전 실현성 증가 가능. 최대 효율이 이 온도에서 낮더라도 대량 에너지 폐열 회수에 여전히 경제적일 수 있습니다.

기계 에너지를 이용한 발전 세 가지 방법은 아래에 설명되어 있습니다.

증기 랭킨 사이클(Steam Rankine cycle) - 폐열 발전 가장 빈번하게 사용되는 시스템은 열로 증기를 생성하여 증기 터빈을 구동하는 것입니다. 전통적 증기 랭킨 사이클은 340°C 초과 배기 스트림 폐열 회수에 가장 효율적 옵션입니다. 더 낮은 폐열 온도에서 증기 사이클은 저압 증기가 더 큰 설비 필요로 덜 비용 효율적입니다. 게다가 저온 폐열은 증기 과열에 충분한 에너지 제공 못함(터빈 블레이드 증기 응축 및 침식 방지 요건). 따라서 저온 열회수 적용은 물보다 낮은 비점 온도 유체 사용하는 유기 랭킨 사이클(ORC)이나 칼리나 사이클에 더 적합합니다.

유기 랭킨 사이클(Organic Rankine cycle) - 유기 랭킨 사이클(ORC)은 증기 대신 유기 작업 유체를 사용한다는 점 외에 증기 랭킨 사이클과 유사하게 작동합니다. 대안으로는 실리콘 오일, 프로판, 할로알케인(예: 프레온), 아이소펜테인, 아이소부탄, p-자일렌, 톨루엔 등이 있으며, 이들은 물보다 낮은 비점과 높은 증기압을 가집니다. 이는 ORC가 현저히 낮은 폐열 온도에서 운전 가능하게 합니다. 가장 적절한 온도 범위는 유체 열역학적 특성이 다양한 온도에서 사이클 효율에 영향을 주므로 사용 유체에 따라 달라집니다. 수증기 대비 유체들은 더 높은 분자량을 가져 콤팩트 설계, 더 높은 질량 유량, 더 높은 터빈 효율 가능. 그러나 ORC가 낮은 온도에서 작동하므로 전체 효율은 낮고 응축기 및 증발기 온도에 의존. 고온 증기 발전소 대비 효율은 낮지만, 저온 사이클이 본질적으로 고온 사이클보다 덜 효율적임을 기억하는 것이 중요합니다. 효율 한계는 두 온도 사이에서 작동하는 열기관 최대 가능 효율인 카르노 효율로 표현 가능. 150°C 열원에서 25°C 배출하는 카르노 엔진은 약 30% 효율. 이 관점에서 ORC 경우 10%~20% 저효율은 이론적 효율의 상당한 비율이며, 특히 1% 효율 압전 발전 같은 다른 저온 대안과 비교할 때 그렇습니다.

ORC 열회수 경제성은 주어진 적용에 대해 신중히 분석되어야 하지만, 추가 공정 열 사내 용도나 이웃 플랜트 경제적 열 이용이 없는 산업에서 유용한 대안입니다.

칼리나 사이클(Kalina cycle) - 칼리나 사이클은 암모니아와 물 혼합물을 작업 유체로 사용하는 랭킨 사이클 변형입니다. 단일 유체 사이클과 이원 유체 사이클 간 주요 차이는 비등 및 응축 중 온도 프로파일입니다. 단일 유체 사이클에서 비등 중 온도 일정. 열이 작업 매체(물)에 전달되면 물 온도가 천천히 비등 온도까지 상승하고, 모든 물이 증발할 때까지 온도 일정 유지. 반면 물과 암모니아 이원 혼합물(각각 다른 비점)은 증발 중 온도 상승. 이는 폐열 공급원과 응축기 냉각 매체와의 더 나은 열적 매칭 가능. 결과적으로 이 시스템들은 상당히 더 큰 에너지 효율 달성. 사이클은 1980년대 발명.

직접 전기 변환 기술(Direct electrical conversion technologies)

전통적 동력 사이클이 열로 기계 에너지를 생성하고 궁극적으로 전기 에너지를 만드는 반면, 신기술은 열에서 직접 전기를 생성하도록 개발 중입니다. 열전(thermoelectric), 열이온(thermionic), 압전(piezoelectric) 기술 포함. 그러나 이 기술들은 개발 단계. 일부는 자동차 차량 열회수 같은 적용에서 프로토타입 테스트 거침.

열전 발전(Thermoelectric generation) - 열전(TE) 물질은 온도 차이 적용 시 직접 전기를 생성하는 반도체 고체입니다. 이 기술은 제베크 효과(Seebeck effect)라 알려진 현상 기반으로, 두 다른 반도체 물질이 열원과 열싱크에 적용될 때 두 반도체 간 전압 생성됨을 나타냅니다. 역으로 TE 물질은 상반된 반도체에 전기 적용으로 냉각 또는 가열에도 사용 가능. 열전 기술은 오래 존재해왔음(열전 효과 1821년 최초 발견), 낮은 효율과 높은 비용으로 제한적 사용. 사용 중 대부분 TE 발전 시스템 효율 2%~5% 범위. 주로 우주선 기기나 극히 외딴 지역 전원용. 그러나 최근 나노기술 발전으로 변환 효율 15% 이상 달성 가능 첨단 TE 물질 개발됨.

최근 연구에서 첨단 TE 패키지가 시설 회수 폐열 용도 적고 중온~고온 고유량 배기 스트림에 적절함 결론. 그러나 이 분야 추가 개발 작업 필요. TE 물질 저비용 대량 생산 방법 개발 필요. 얇은 TE 장치에서 높은 온도 차이 유지 중요한 엔지니어링 과제. 높은 열전달률 달성은 높은 열전달 계수 열전달 재료 및 열교환 시스템 발전 필요.

압전 발전(Piezo-electric power generation) - 압전 발전(PEPG)은 100°C~150°C 범위 저온 폐열을 전기 에너지로 변환하는 옵션. 압전 기술은 주변 진동 형태 기계 에너지를 전기 에너지로 변환. 압전 박막 막은 진동 가스 팽창 이용 전압 출력 생성 가능. 그러나 PEPG 기술 관련 여러 기술적 과제 존재: (i) 저효율(약 1% 효율), (ii) 충분히 높은 진동 주파수 획득 어려움(현재 장치 약 100Hz 작동, 필요 주파수 1,000Hz 근접), (iii) 높은 내부 임피던스, (iv) 액체/증기 챔버 내 복잡한 진동 유체 역학, (v) 장기 신뢰성 및 내구성 필요, (vi) 높은 비용.

PEPG 기술 변환 효율 현재 매우 낮음(1%), PEPG 캐스캐이딩 사용 시 효율 약 10% 도달 전망. 다른 핵심 이슈는 압전 장치 제조 비용, 비교적 낮은 온도 차이에서 충분한 열전달률 촉진 열교환기 설계.

열이온 발전(Thermionic generation) - 열이온 장치는 열전 장치와 유사하게 작동. 그러나 열전 장치가 제베크 효과 따라 작동하는 반면, 열이온 장치는 열이온 방출로 작동. 이 시스템에서 온도 차이는 금속에서 금속 산화물 표면으로 진공을 통해 전자 흐름 구동. 이 기술 주요 단점은 1,000°C 초과 온도 적용 제한. 그러나 일부 개발로 100°C~300°C 범위 사용 가능해짐.

열광볼타익 발전기(Thermo photo voltaic generator) - 열광볼타익 발전기는 복사 에너지를 전기로 변환 가능. 이 기술은 열원, 방사체, 방사 필터, 광볼타익(PV) 셀(태양광 패널용 같은 것) 포함. 방사체 가열 시 전자기 복사 방출. PV 셀 이 복사 전기 에너지로 변환. 필터는 PV 셀과 매칭 파장 복사 통과시키고 나머지 에너지 방사체로 반사. 이 기술 잠재적으로 WHR 신기법 가능. 소형 버너 적용과 헬리콥터 가스터빈에서 소수 프로토타입 시스템 구축.

WHR과 철강 산업

철강 산업은 코크스, 소결, 용선, 강재 생산용 여러 고온 로를 사용하며 높은 에너지 소비 차지. 산업 내 청정 가스 스트림 회수는 일반적이나, 코크스 오븐, 고로(BF), 전로(BOF), 전기로(EAF)에서 나오는 심하게 오염된 배기가스는 경제적 WHR에 지속적 도전. 이들 더러운 가스 스트림 열회수 기술은 이용 가능하나 높은 자본 투자 비용으로 구현 제한적.

철강 산업은 에너지 집약도 감소 최대 진전 이뤘음. 연속 주조와 고로 운전 최적화, 강재 재활용, 부산물 가스(코크스 오븐 가스, 고로 가스, 전로 가스)로 화석 연료 대체 통해 달성. 현장 폐열 회수 가능할 때마다 구현: 예: 뜨거운 배기가스 로 내부로 순환시켜 외부 에너지 수요 낮추거나, 뜨거운 배기가스 연소 공기나 연료 가스 예열에 사용. 이러한 에너지 효율 개선에도 잔여 폐열 회수 기회 남음: 예: 공정 다른 부분용 증기 생산 또는 발전.

제철소 WHR은 아래 설명:

코크스 생산

코크스 생산은 고로 운전 필수 부담 재료. 코크스는 코크스 오븐에서 산소 제한 분위기에서 석탄 가열로 생산. 코크스 생산 두 방법: (i) 부산물 공정, (ii) 비회수 공정. 부산물 공정에서 코크스 오븐 가스(COG) 내 화학 부산물(조타르, 암모니아, 경유) 회수, 나머지 COG 정제 후 제철소 내 재활용. 비회수 공정에서 전체 COG 공정 내 연소. 가장 일반적인 공정은 여전히 부산물 공정으로 아래 논의.

부산물 코크스 제조 공정에는 두 현열 손실 영역: (i) 가스 정제 공정에서 냉각되는 COG, (ii) 코크스 오븐에서 나가는 폐가스. 코크스 제조 공정은 가열 플루로 분리된 여러 코크스 오븐 챔버 사용. 재활용 COG, 때때로 BF 가스 같은 다른 가스가 가열 플루 연료원으로 사용되어 석탄 탄화 일어나는 오븐 챔버에 열 공급. 석탄이 오븐 챔버에서 탄화될 때 가스와 수분(충전 석탄 약 8%~11% 차지)이 배출되어 파이프 통해 나감. COG 열량 약 4,000~4,400kcal/㎥ 범위 높아 정제 후 연료로 재활용 가능.

오븐 출구 조잡 COG 온도 650°C~1,000°C 범위. 이 시점 COG 가스 현열 공급원. 그러나 타르와 열교환기 표면 축적 유발 기타 물질 다량으로 열 보편적으로 낭비. 오븐 떠난 후 COG 암모니아액 분무 후 1차 쿨러로 냉각. 타르, 황 화합물, 암모니아, 경유 제거 위해 다양한 기술 사용. 정제 후 COG 제철소 전체 연료로 사용. 이 배열에서 COG 화학 에너지만 재활용 시 회수되며 현열 낭비.

대부분 제철소 COG 열회수 안 하지만, 일본 사례처럼 COG 제한적 열회수 가능. 일본 코크스 오븐 설비 저압 열전달 매체 사용 열회수 성공 적용. 일반적으로 열교환기 COG 최저 허용 온도 약 450°C. 더 낮은 온도에서 타르 응축되어 열교환기 표면 그을음 형성. 450°C 냉각 시 현열 약 1/3만 회수 가능. 그러나 타국 ISP가 조잡 코크스 오븐 가스 열회수 신기술 추구할 가능성 낮음. ISP 더러운 배기 스트림 열회수 비용 장벽 직면. 또한 부산물 코크스 제조 공정 미래 몇 년 내 무의미해질 수 있음. 환경 고려로 ISP가 부산물 공정에서 비회수 공정 이동 가능성 높음. 비회수 공정에서 COG 공정 내 연소, WHB로 오프가스 현열 회수.

코크스 오븐 또 다른 현열 손실원은 재활용 연료 가스 연소 폐가스. 재활용 연료 가스 오븐 챔버 인접 가열 플루 사용. 연료 가스 연소 생성 뜨거운 배기가스 오븐 플루 떠나 재생기 통과하여 유입 연소 공기 및/또는 연료 열전달. 폐가스 재생기 떠나 평균 약 200°C 온도. 일부 플랜트에서 폐가스 열량 히트 파이프나 석탄 충전 예열 및 수분 감소용 추가 회수. 이 경우 배기가스 온도 약 60°C까지 하락.

소결 생산

소결 플랜트 두 주요 구간: 소결 구간, 소결 냉각 구간. 두 부분 열회수 개발: (i) 소결 구간 배기가스, (ii) 냉각 구간 냉각 가스. 구간 위치 따라 큰 온도 차이. 두 구간 평균 가스 온도 100°C~150°C 수준, 효과적 열회수엔 너무 낮음. 열회수는 고온 가스 구역, 소결 구간 최종 부분과 냉각 구간 1차 부분, 300°C 이상 가스 온도 이용 가능 구역으로 제한. 열회수 구역 제한되지만 소결 공정 가스량 충분히 커 실용적 열회수 가능.

폐가스 에너지 회수 시스템: 후드, 더스트 캐처, 열회수 보일러, 순환 팬, 디에어레이터 구성. 소결기 배기가스 부식성, 먼지 함유. 집계 평균 온도 낮아 열회수 일반적으로 고온 가스 구역 제한. 동시에 부식성으로 열회수 후 가스 온도 가스 산성 이슬점 이상 유지 필요. 냉각 가스 기본 대기 공기, 먼지 함유. 소결 냉각기 경우 소결기 열회수와 동일. 쿨러 따른 가스 온도 분포로 열회수 고온 가스 구역 제한.

소결기 배기가스 열회수 순환형, 비순환형 분류. 순환형에서 열회수 후 가스 소결기 냉각 가스 대체로 순환, 비순환형에서 열회수 후 가스 직접 가스 처리 시설로 유도. 순환형 열회수 효율 개선 위해 채택.

냉각기 열회수 경우 냉각기 가스 공기. 냉각기 열회수 시스템 순환형, 비순환형 분류. 비순환형에서 고온 가스 구역 열회수 후 냉각 가스 대기 방출. 순환형에서 고온 가스 구역 열회수 후 냉각기 유도 재사용 소결 냉각. 순환으로 냉각기 가스 온도 상승 결과 더 높은 열회수. 반면 냉각기 가스 온도 180°C 수준 상승 시 냉각 능력 감소. 순환형에서 냉각기 출구 소결 온도 약 30°C 높음. 온도 차이 작아 소결 플랜트 운전 영향 없음. 회수 에너지 비순환형 대비 50% 증가 순환형. 팬 동력 소비 순환형 더 큼. 그러나 회수 동력 훨씬 큼.

고로 용선 생산

고로(BF)는 일관제철소(ISP) 주요 장치 중 하나. 철광석 용선 변환. 원료 상부 충전: 철함유 물질(덩어리 철광석, 소결, 펠렛), 첨가제(플럭스), 코크스, 하부 튜이어 통해 뜨거운 공기 및 보조 연료 주입. 부담물 고로 하강하며 상승하는 뜨거운 가스 흐름과 만남. 고로 진입 열풍 여러 보조 열풍로 제공. 열풍로에서 BF 가스(BFG)와 COG 혼합 가스 연소. 연소 배기 열 체커워크 재생기 전달. 재생기 적정 온도 도달 시 공기 흐름 역전, 차가운 공기 강제 재생기 통과하여 차가운 공기 가열. 가열 공기 고로 주입. 시스템 재생기 열회수 원리 동일 작동. 그러나 이 경우 재생기 '폐열' 회수 장치 아니라 스토브 열 열풍 전달 메커니즘. BF 오프가스 폐열 공급원: 열풍로 배기가스, 고로 떠나는 BFG 포함.

BFG 현열 손실 존재. 신형 고로 효율적 열전달 설계로 고로 상부 저온 범위 가스. BFG 고로 열풍 가열, 압연기 재가열로, 코크스 오븐 가열, 발전, 증기 발생용 연료 회수. BFG 저발열량으로 COG나 전로 가스와 혼합 자주. BFG 연료 사용 전 정제 필요, 가스 함유 현열 드물게 회수. 일부 경우 고로 충분히 높은 압력(2.5atm 이상) 운전으로 탑 압력 회수 터빈(TRT) 경제적 '압력 에너지' BFG 회수 가능. 가스 TRT 진입 전 정제 필요, 일반적으로 습식 정제로 결과 오프가스 현열 손실. 습식 정제 기술 대안 건식 정제: TRT 진입 가스 온도 약 120°C까지 상승 가능. 건식 TRT 기술 여러 곳 이미 작동. 그러나 더 비쌈.

열풍로 떠나는 연소 배기가스 WHR 또 다른 기회. 가스 약 250°C 온도. 열풍로 배기가스 상대적 청정, 열회수 장치 더 호환, 열풍로 열회수 더 일반적 관행. 열 연소 공기 및/또는 연료 가스 예열용 사용. 사용 열교환기: 회전 재생기, 고정 플레이트 열교환기, 순환 열매체 시스템.

전로 액체 강철 생산

전로(BOF) 산소 사용 용선 불순물 산화. 운전 반연속: 용선과 스크랩 로 충전, 산소 주입, 플럭스 첨가 침식 제어, 금속 시료 채취 탭핑. 금속 용해 필요 온도 발열 산화 반응 공급, 외부 열원 불필요.

BOF 오프가스 고온. 일산화탄소(CO) 고농도. COG, BFG처럼 BOF 가스 화학 에너지, 현열 회수 기회 제공. WHR 과제: 높은 자본 비용, 뜨거운 더러운 가스 결과 실질적 유지보수 문제. 오염물질: 산화철, 중금속, SOx, NOx, 플루오라이드.

다양한 상업적 WHR 방법 이용 가능. 열회수 두 주요 방법: '개방 연소', '억제 연소'. 개방 연소 시스템에서 BOF 가스 덕트 공기 도입 CO 연소. 생성 열 폐열 보일러로 회수. '억제 연소' 방법에서 컨버터 입구에 스커트 추가 공기 침투와 CO 연소 감소. 가스 정제, 수집, 연료로 사용. 결합 보일러/억제 연소 가스 회수 시스템으로 가스와 현열 동시 회수도 가능.

전기로 액체 강철 생산

철강 산업 재활용 스크랩 전기 용해 제조 큰 성장 경험. 전기로(EAF)와 유도로 두 유형로 철 스크랩 전기 용해 용융 사용. 두 중 전기로가 주요 로. 로 내화물 라이닝, 일반적으로 C 전극 낮추는 개폐식 지붕 덮임. 충전 재료 지붕 통해 하강. 플럭스와 합금 원소도 소재 품질 제어 위해 첨가. 전극 금속 약 1인치 위까지 낮추고 전류로 스크랩 용해 열 공급. 로 운전 중 여러 가스와 미립자 배출: CO, SOx, NOx, 금속 산화물, 휘발성 유기 화합물(VOC), 기타 오염물질. 피크 부하 시 오프가스 온도 1,350°C~1,950°C 어디든 동일. 배기가스 전력 입력 약 20% 손실 책임. 이 손실 절반 가스 화학 에너지, 나머지 절반 현열. 추가로 에너지 입력 약 8%~10% EAF 냉각수 '재킷' 손실.

가장 일반적인 열회수 방법은 스크랩 예열로 널리 사용. 오프가스 스크랩 예열용 사용 시 총 EAF 에너지 소비 5%~10% 절약 가능. 스크랩 예열 초기 설계는 충전 버킷으로 오프가스 배관 필요. 이 시스템 과제: 반쯤 탄 비스크랩 물질(예: 플라스틱) 함유 예열 스크랩 수송 필요, 휘발성 물질 증발로 냄새 및 환경 제어 문제 발생. 버킷 예열 시스템 대안: 콘스틸(Consteel) 공정, 푹스 샤프트로(Fuchs shaft furnace), 트윈 쉘로(Twin shell furnace). 이 공정들 다양한 곳 설치됨.

콘스틸 공정은 스크랩 연속 충전, 스크랩 컨베이어, 공급 시스템, 예열기 포함. 예열기 내화물 라이닝 터널, 오프가스 스크랩 충전 흐름 반대 흐름. 예열기 공기 도입 CO, CO₂ 연소, 오프가스 화학 및 현열 모두 사용. 애프터버너 때때로 설치 잔여 CO, 기타 화합물 완전 연소. 푹스 샤프트로 아크로 지붕 바로 위 샤프트 포함. 충전 바스켓 3단계 로드. 바스켓 내화물 라이닝, 흄 유출 방지 씰 설계. 보조 산소-연료 버너로 스크랩 가열 추가 지원. 추가 애프터버너 설치 모든 CO 완전 연소. 시스템 추가 이점: 충전물이 더스트 필터 역할, 약 40% 먼지 포집 로 복귀, 수율 약간 증가 가능.

스크랩 예열 시스템 장단점 특정 조업 의존. 일부 경우 전기 소비 감소, 생산성 증가 가능. 다른 경우 스크랩 예열 시스템 유지보수 어려움. EAF 효율 증가, 탭투탭 시간 단축 시 스크랩 취급 생산성 감소, 부담스러운 유지보수 요구 생성 가능. 한 경우 탭투탭 시간 1/3 단축 시 스크랩 예열 가능 에너지 절약 약 절반 감소.

발전소 보일러

ISP 보일러 일반적으로 BFG, COG 연료 사용. 보일러 배기가스 온도 보일러 연식, 사용 제어 따라 변동. 온도 상당히 높을 수 있음(340°C~450°C), O₂ 함량 3%~7.5% 변동. 폐열 청정, 오염 없는 가스 형태, 추가 조절 불필요. 보일러 및 증기 시스템 폐열 및 회수 영역: (i) 배기가스 BFG, COG 예열용, (ii) 경제적 타당성 시 저온 발전용, (iii) 플랜트 사용 가능/필요 시 용수 또는 하천수 예열, 저압 증기 응축 재사용 보일러 수계 대신 배출.

재가열로

재가열로는 열간 압연기 핵심 설비. 기능: 다양한 크기, 등급 빌렛, 슬래브, 블룸 연속 가열 1,250°C까지. 최신 재가열로 대부분 '워킹 빔 로(WBF)'. WBF에서 가열 제품 위아래로 수행, 충전 측에서 방전 측으로 절연 및 냉각 빔(스키드)으로 취급. 재가열로 핵심 성능 기준: 가열 균질성. 에너지 입력 20%~30% 일반적으로 여러 열손실 사이 분배: (i) 연소 공기 회수기와 스택 사이 배기가스 온도 천연가스 연료 시 250°C~300°C, 저발열량 연료 시 더 높음, (ii) 로 내부 스키드, 후냉 시스템 제품 취급 시스템, (iii) 벽, 도어 손실, 회수 어려움.

물은 로 내 매우 뜨거운 분위기 접촉 스키드 시스템 지속 냉각용. 이 물 루프 일반적으로 40°C 진입, 15°C 가열 후 전용 냉각 시스템 방향.

여러 곳에서 스키드 냉각 시스템 WHR 수행, 플랜트 다른 용도 필요 시 증기 생산. 자체적으로 이 설치 고온 사용 물 냉각 파이프로 스키드 시스템 손실 감소. 플랜트 증기 불필요 시 ORC(약 200°C 온도 적응) 증기 회로 설치 발전 가능. 이 설치 고변동성에도 물 상변화 가져온 일정 온도로 쉽고 안전 작동 이점. 대부분 시간 이 기술 장기 회수 기간으로 미설치, 배기가스 에너지 낭비.

배기가스 전력 생산 시스템 가능. 열원 온도 따라 '수증기 사이클'(저효율 로) 또는 ORC(더 나은 효율) 이용 가능. 그러나 대부분 장기 회수 기간으로 미설치. 이 상황 다른 해결책 가능. 이 해결책은 더 높은 압력, 온도에서 운전 스키드 냉각 루프 열로 약 215°C 증기-물 혼합물 폐쇄 루프 생산, 배기가스 열 결합. 두 열원 유기 열유체 루프로 별도 회수 후 공통 열원으로 결합.

배기가스 열 변동(로 전력 변동-생산/제품 변동-시 온도, 부피 수정) 스키드 냉각 시스템 열 일정 온도로 균형. 따라서 시스템 운전 쉽고 높은 변동성에도 전체 열원 더 안정적.

재가열로 생산 몇 분 내 변동 가능, WHR 시스템 진입 배기가스 열량 영향. ORC 상당히 유연 시스템, 일정 지점까지 변동 수용. ORC 일반적으로 공칭 용량 30%까지 운전, 열 입력 임계값 미만 시 자동 정지. 그러나 경제적 측면 영향: 전기 생산도 감소.

열 저장 솔루션 일일 변동 적응 산업 적용 가능, ORC 결합 생산 평탄화용 사용 가능. 오일 예: 해당 온도 수준 적절 열 저장 매체. 경제적 이점 건별 평가 필요.

고체 스트림 폐열

오프가스 폐열 손실 외 고체 스트림, 냉각수 추가 현열 손실 공급원. 상당한 폐열 손실 고체 제품 및 부산물: 뜨거운 코크스, 뜨거운 소결, BF 슬래그, BOF 슬래그, 주강, 열간 압연 강재. 고체 스트림 열 회수 종종 더 어렵지만 열손실 높음. 코크스 현열 손실 일부 플랜트 코크스 건식 퀜칭(CDQ)으로 습식 퀜칭 대체 회수. CDQ 특수 설계 버킷으로 소성 코크스 포집, CDQ 용기 배출. 질소 같은 불활성 가스 코크스 통과 현열 회수. 뜨거운 가스 폐열 보일러 통과. 에너지 절약 코크스 톤당 0.2~0.25백만 kcal 범위. 복사열 보일러 이용 기타 고체 흐름 열회수 시도. BF, BOF 슬래그 실패, 주강 열회수 일본, 독일 몇 곳 상용화.

주강 열손실 감소 또 다른 옵션: 핫 차지(hot charging), 주조 제품 여전히 뜨거울 때 재가열로 충전. 핫 차지는 톤당 약 0.12백만 kcal 절약. 열간 압연 강재 현열 손실도 물 냉각으로 부분 회수 가능. 냉각수 최종 온도 일반적으로 낮음(약 80°C), 히트 펌프로 업그레이드 다른 가열 적용 가능.