철강산업의 중저온급의 열을 사용한 에너지 이용효율 향상

이용국, 박흥수

포항산업과학연구원 에너지연구팀

Enhancement of Energy Utilizing Efficiency by Using Low-Temperature Grade Heat of Steel Industry

Yong-Kuk Lee, Heung-Soo Park

Energy Research Team, RIST

1. 서론

산업에 있어서 공정 소요에너지의 효율적 이용은 에너지 원단위 저감을 통한 경쟁력 강화와 직결이 될 뿐만아니라 강화되고 있는 환경 규제에 대한 대비와 아울러 그에 수반되는 환경 비용의 절감에 기여하게 된다. 공정배열의 회수 및 이용부문에 있어서, 현재의 배열원의 특성과 이용여건 그리고 배열회수 기술의 실질적인 적용성을 고려해 볼 때, 향후의 배열이용은 분산된 저급의 중저온 배열원을 대상으로 하여 수송과 이용이 용이한 신기술의 개발이 필수적인 것으로 예상된다. 이러한 중저온급의 배열을 회수하기 위해서는 여러 가지 방법이 있을 수 있겠으나 기계장치의 구동력을 통한 전력으로의 회수와 보일러 연도의 배기가스 현열을 회수하여 연료가스인 BFG를 예열하는 것이 가장 바람직한 배열의 이용형태라고 볼 수가 있다. 본 연구에서는 전력의 회수와 연료가스 예열에의 이용에 대하여 논하고자 한다.

2. 본론

2.1 유기랭킨사이클을 이용한 배열회수

유기랭킨사이클 시스템은 중저온배열을 이용하여 동력을 회수하는 장치로서 기존의 랭킨 사이클과 작동원리는 동일하나 다만 그 작동유체의 사용에 있어 물보다 비등점이 낮고 증기압이 높은 유기열매를 사용함으로써 장치효율을 증가시키고자 함이 목적이다. 랭킨사이클은 증발기를 통과하면서 고압이 된 증기가 터빈단을 회전시킴으로서 축동력이 전기에너지로 변환되며 이는 열전달특성이 이상적인 카르노사이클과 유사한 특성을 가진다. 카르노증기사이클은 주어진 두 개의 열원사이에서 두 개의 등온과정 및 두 개의 등엔트로피 과정을 거치는 기관으로 이루어지며 이는 실제 기관에는 적용시킬 수 없는데 그 이유는 첫째 열교환기와 열원사이의 열교환이 온도차이가 없이 이루어져야 하는데 이것이 불가능하며 둘째 2상류 상태의 작동유체를 가역적으로 압축할 수 있는 유체기계가 현재까지는 없다는 것을 들 수 있다. 따라서 카르노사이클에 근접하는 효율높은 사이클을 개발함이 실제목표가 되며 이를 대표하는 것이 랭킨사이클이며 랭킨사이클의 작동은 Fig.1에 나타난 바와 같다.

유기랭킨 사이클에서의 작동유체는 기존의 랭킨사이클과는 달리 프레온이나 톨루엔 등과 같은 물보다 비등점이 낮고 증기압이 높은 유기열매를 사용한다. 시스템의 특성에 따라 적당한 열매를 선정하여야 하며 일반적으로 작동유체 선정에 필요한 조건들을 들면 아래와 같다.

- 고효율로 동력을 회수해야 한다.

- 설비비 및 운전보수비가 적어야 한다.

- 사용온도 범위에서 적절한 증기압을 유지해야 한다.

- 안정성 있게 증발온도를 높이기 위해 임계온도가 높아야 한다.

- 시스템이 소형화 되야 한다.

- 단일터빈에서 큰 동력을 얻기위해 단열열낙차가 크고 방출열손실을 줄이기 위    해 증발잠열이 작아야 한다.

- 열용량을 늘이기 위해 비열이 커야 한다.

- 터빈 팽창 후 부식방지를 위해 건증기로 남아있어야 하므로 T-S선도상에서     포화증기선이 (+) 기울기를 가져야 한다.

- 장시간 작동되므로 화학적 열안정성이 높아야하며 발화위험을 막기위해 인화    성이나 연소성이 없어야 한다.

위와같은 조건을 만족하는 열매를 선정하고자 여러 차례의 실험과 경험을 토대로하여 HCFC-123와 HCFC225a/b가 본 연구의 작동유체로 타당함을 알 수 있었으며 이러한 유체들은 위에 기술된 제한조건 안에서 적절한 성질과 성상을 보여주고 있다.

2.2 히트파이프 시스템을 이용한 배열회수

열파이프는 밀폐된 튜브내에서 작동유체를 충전하고 이 작동유체의 증발 및 응축에 따른 상변화 잠열을 이용하여 열을 전달하는 일종의 전열장치이다. 열파이프 내에서는 작동유체가 상변화를 하면서 증발부와 응축부를 순환하게 되는데, 증발부에서 발생되는 증기는 증발부와 응축부의 압력차에 의해서 응축부로 이동하는 반면 응축된 액체는 열파이프의 내부에 위크(wick)를 두어 모세관 현상을 이용하거나 중력 또는 원심력을 이용하여 증발부로 귀환시키게 된다. 전자를 일반적으로 열파이프라고 하며 후자와 같이 위크가 없이 중력을 이용하여 작동시키는 열파이프를 서모사이펀(thermosyphon)이라고 한다. 따라서 위크형 열파이프의 경우에는 증발부와 응축부의 위치에 관계가 없이 작동이 가능하지만 열 사이펀의 경우에는 반드시 응축부가 증발부보다 상부에 위치해 있어야 한다.

분리형 열파이프 시스템에서 가열유체의 열은 증발기 외면과 가열유체간의 대류 열전달, 증발기 튜브 내에서의 전도, 증발기 내면과 작동유체간의 비등열전달, 발생증기에 의한 열의 수송, 응축기 내면과 증기간의 응축열전달, 응축기 튜브 내에서의 전도, 응축기 외면과 피가열 유체간의 대류열전달의 경로를 통하여 피가열 유체에 전달이 되어 지고 각 전열과정을 하나의 열저항으로 고려하여 총괄 전열계수를 구함으로서 전체 시스템의 전열설계가 가능하다.

전체 열교환기 장치를 6개의 전열루프로 분할시키고 각 루프를 다음의 Fig.2와 같이 구성하였다. 증발기와 응축기의 전열관들은 상하부의 헤더와 연결이 되며 발생증기와 응축액은 이 헤드의 중심부분에 연결관을 설치하여 증발기와 응축기간에 이동이 되도록 하였다. 증발기와 응축기는 횡방향으로 각각 44개와 24개의 전열관이 3열로 하나의 헤더에 연결이 된다. Fig.2에서 보여지는 헤더는 하나의 전열루프에 속하게 되는 각각의 전열관을 연결시켜주는 역할을 하게되며 특히 증발기 상부의 헤더는 작동수의 액적이 증기 연결관을 통하여 응축기로 혼입이 되는 것을 방지하게 된다. 정상 작동중인 열파이프의 증발관내에는 기-액의 2상유동이 이루어지며 그 체적은 초기 충정시의 체적에 비하여 1.5배에서 3배까지 증대된다. 따라서 상부헤더는 이러한 작동유체의 체적증가에 대비하여 충분한 공간을 확보하여야 한다. 본 시스템에서는 증발기 상부헤더의 체적을 증발관 내부체적의 약 1.5배가 되도록 설계하였다.

Fig.3은 예열온도에 따른 실제적인 절감량을 나타낸 것으로 BFG의 연소량에 따라서 절감량은 달라지게 되며 따라서 용량이 큰 보일러에서는 예열에 따른 효과가 증대된다. 설계조건인 BFG 유량이 90,000Nm3/hr이고 예열온도가 120℃일 때의 절감량은 5,000Nm3/hr에 달한다.

3. 결론

두가지 경우의 폐열회수 시스템을 고찰하여 보았으며, 각 시스템에 대하여 요약하면 다음과 같다.

설계 및 운전조건에 관한 연구에 앞서 유기랭킨시스템의 경제적 효용성에 관한 연구가 수행되어져야 한다. 상용화된 시스템의 투자회수 기간은 약 5년이며, RIST가 현재 개발중인 유기랭킨시스템은 동력비와 감가상각비를 고려하면 대략적인 계산으로 8년의 투자회수기간을 갖는 것으로 나타난다. 향후 위의 비용들을 줄이는 것이 가장 시급한 과제이다. 본 연구의 결과 전력의 형태로 막대한 양의 폐열을 회수할 수 있는 유기랭킨 사이클시스템을 다양한 산업체에 적용하는 것이 바람직하다는 결론을 얻었다.

산업용 보일러의 현열을 회수하기 위한 BFG 예열용 분리형 열파이프 시스템이 개발되었다. 보일러 설계를 위한 열전달모델이 개발되었고, 3,700KW급 대규모 시범적용 플렌트 건설이 이루어졌다. 보일러 운전 및 시스템효율, 운전특성에 관한 개발 시스템의 효과에 대한 결과는 평상운전 10% 내의 BFG 예열온도를 보여 안정적인 BFG 예열공정이 가능함을 보여주며, 약 40%의 열효율 향상이 관찰되었다. 철강산업의 폐열을 회수하고 구동력이나 전력과 같은 고급에너지로 바꾸는 가장 바람직한 방법은 공기나 연료를 예열하는 공정과 같은 자공정에 재이용하는 것이다.

참고문헌

1. Lee, Y.K. and Park, H.S., ″Development and Application of Organic Rankine     Cycle System for Waste Heat Recovery of Industries″, RIST Report, 1996

2. Park, H.S. and Lee, Y.K., ″Application of Thermosyphon Heat Exchanger to

BFG Preheating System of Boilers″, RIST Report, 1997

Fig.1 Schematic and T-S diagram of ORC

Fig.2 Detail of Thermosyphon loop       Fig.3 Reduction of amount with                                                variation in BFG preheating                              temperature