폐열회수설비_시멘트 공장

[Kim byoungil]

. 시멘트 공장에서의 폐열의 존재
시멘트 공장의 제조 과정을 [그림 1]에 나타냈다. 석탄석, 점토 등을 혼합한 시멘트 원료는 NSP(New Suspension Preheater: 새로운 서스펜션 예열기) 타워의 상부에 공급되어 예열 후 로터리 킬른 내에서 1450℃ 이상의 고온으로 소성(燒成)돼 클링커(clinker)가 된다. 이 클링커는 클링커 쿨러(이하 AQC: air quenching cooler)에서 쿨러팬으로부터 들어오는 공기(대기)에 의해 급랭되어 클링커 사일로에 저장된다. AQC에서 클링커를 냉각하고 가열된 공기 중 고온부는 가소로(假燒爐) 및 로터리 킬른에서 연료의 연소용 공기로 이용된다. 그러나 저온부는 약 280℃의 AQC 배기가스(저온폐열)로 대기에 방출되어 미이용 상태였다.

능력에 여유를 준 발전설비 보유
4호 30MW 설비는 중유 전소 보일러로 도입되었지만, 석탄 전소(미분탄 분소) 개조에 의해 보일러 증발량이 감소했다는 경위가 있다.(250 → 140ton/h) 이에 따라 5호 145MW 보일러에서 주증기의 공급을 받으면서 20MW 정도의 부분부하로 발전하고, 증기터빈·발전기 능력에 약 10MW의 여유를 가진 운전을 실시하여 증기원만 있으면 발전을 증가시킬 수 있었다.

에너지 절감 설비의 도입
[그림 4]에 에너지 절감 설비 도입 후의 설비 흐름을 나타냈다. [그림 2]와 비교하여 추기하고 있는 것이 도입한 에너지 절감 설비이다. 약 600m 떨어진 곳에 위치한 우베 시멘트 공장 부지 내에 「폐열회수 열교환기」를 신설하여 총 길이 1100m의 송수배관을 부설했다. 터빈 복수를 복수 펌프 토출부에서 분기시켜 전체의 약 25%에 상당하는 87ton/h를 폐열회수 열교환기에 송수하고, AQC 폐열을 회수하여 기설의 No.3 LPH의 터빈출구 복수 온도와 같은 158℃까지 가열해 탈기기의 입구부에 합류시킴으로써 3개의 LPH를 바이패스시켰다. 이를 통해 바이패스한 3종류의 터빈 추기(터빈 복수량 가열용)를 감소시켜 에너지 절감을 달성했다. 본 사례의 핵심이 되는 폐열회수 열교환기의 기기사양을 [표 2]에 나타냈다.

에너지 절감 시스템

에너지 절감 시스템의 설명 흐름을 [그림 5]에 나타냈다. 또 이하의 설명문에 대한 항목번호는 그림 안의 숫자와 대응시켰다.

① 87ton/h, 34.5℃의 터빈 복수를 시멘트 공장으로 보내 158℃까지 가열함으로써 45GJ/h의 폐열회수를 실시한다.
② 기설 LPH에 공급하는 터빈 복수량이 감소한다.(-87ton/h)
③ 증기터빈에서 No.1~3의 LPH로 공급되고 있는제4~6의 터빈 추기를 절감한다.
④ 절감된 터빈 추기는 145MW 증기터빈에서 발전에 이용할 수 있게 된다.
⑤ 145MW 설비에서의 발전량을 증가시키는 것이 아닌, 145MW 증기터빈에 공급하는 주증기량을 감소시켜 그 저감분을 30MW 증기터빈으로 보낸다.
⑥ 30MW 증기터빈에서는 2.1MW의 발전량이 증가한다.

이상, 2.1MW의 발전량 증가는 45GJ/h의 폐열회수에 의한 효과이며, 보일러 연료(석탄)의 사용량은 일정하기 때문에 발전 원단위를 개선할 수 있다.

다음으로 열회수 수량(水量)으로부터 터빈 추기 절감량 및 증가 발전량의 산정 방법을 [그림 6]에 나타냈다. No.1 LPH에서의 절감 추기량은 [그림 6]의 오른쪽 아래 식으로 계산한다. 설계 복수량에 대한 열회수 수량 비율의 설계 추기량이 절감 추기량이 된다. 절감 추기량에서 증가 발전량을 산정하기 위해서는 [그림 6]에서 왼쪽 위의 식을 사용한다. 그 밖의 나머지 LPH에 대해서도 동일한 계산을 실시하여 각각의 추기 절감에 따른 발전량을 합계하면 2.1MW 발전량 증가의 에너지 절감 효과를 산정할 수 있다.

에너지 절감 효과
운전 실적
[그림 7]에 2010년 6월 23일(운전 개시)부터 2012년 3월 말까지의 운전 실적 추이를 나타냈다. 터빈 복수 입구온도의 연간 평균온도는 34.5℃이지만, 열회수량은 여름철이 낮고, 겨울철이 높게 나타나 계절에 따라 증감하는 경향이 있다. 제어성은 양호했으며, AQC 배기가스의 온도 변동이 크지만 폐열회수 열교환기에 도입하는 배기가스 유량 조정 등에 의해 복수의 온도 변동을 억제할 수 있었다. 2011년 9월부터의 열회수량 저하는 폐열회수 열교환기의 전열관 외면의 오염물에 의한 것으로 정기수리공사 시마다 전열관 청소를 실시함으로써 대응 가능하다. (5월, 11월은 시멘트 공장의 정기수리공사 때문에 열회수 설비를 정지시킴)

에너지 절감 효과

2010년도와 2011년도의 에너지 절감 효과를 [표 3]에 나타냈다.

참조논문

에너지 절감 내용

에너지 절감 실시 이전의 설비
[그림 2]에 에너지 절감 실시 이전의 설비 흐름을 나타냈다. 5호 145MW 설비의 터빈 복수(復水, condensate: 수증기가 응축해서 물로 된 것)는 No.1~3의 저압급수가열기(이하, LPH)에서 제4~6의 터빈 추기(抽氣)를 사용해 158℃까지 가열 후 탈기기에 공급된다. 그리고 이것들의 추기는 [그림 3]에서와 같이 각 LPH에서 사용되지 않아 남아돌게 되면 증기터빈 내 복수기까지 통과하여 발전에 이용할 수 있다. 재생 사이클(Regenerative cycle)에서의 이 구조가 본 에너지절감사례의 효과 산정 시에 핵심 사항이 된다.

시멘트 산업 폐열 활용 4.1. 국내 시멘트 폐열 활용 현황 시멘트산업 시설에서 발생하는 폐열은 대부분 배기가 스에서 발생되고 있으며 온도는 약 250 ~ 350℃ 범위이 다. 국내 시멘트 업계에서 논문 및 보고서 등을 통해 발표 된 자료는 2010년 이후 확인할 수 없었으며, 2010년 이전 에도 시멘트 산업의 폐열과 관련된 자료는 매우 부족한 것 으로 확인되었다5-7). 최근에는 신문 등의 매체를 통해 폐열 활용 및 에너지 효율 향상을 목적으로 대부분의 시멘트 업체에서 폐열 활 용 발전설비를 구축하고, 이에 따른 전력비 감축이 진행 하고 있는 것으로 확인되었다17). 각 업체별 가동 시기 및 발전 규모는 차이가 있는 것으로 확인되었으며, A 업체에 서 2018년부터 가동 중인 폐열발전이 가장 큰 발전용량 (43.5 MWh)으로 확인되었다(Table 2). A 업체의 43.5MWh 규모 폐열발전설비는 1,000억원 투자하여 2018년부터 가동하고 있으며, 폐열발전 설비를 통해 매년 28만MWh를 생산하고 있다17). 대부분의 시멘 트 업체들이 폐열 발전을 통해 전력을 생산하여 전력비를 감축하고 있으나, 국내에서 발표한 시멘트 폐열 관련 자료 는 매우 부족한 실정으로 최근 자료 확보가 어려웠으며 본 조사에서는 2010년 이전의 자료를 정리하였다. 과거 시멘 트 업체에서 발표된 자료는 1993년 및 2004년에 F업체에 서 발표하였으며, E 업체에서는 2010년에 발표하였다. F업체에서는 국내 처음으로 폐열 발전 설비를 설치하 여, 운용한 업체로 폐열회수 설비를 통해 2010년 기준 총 소요 전력의 20%를 확보하고 있다고 발표하였다5,6). 폐열 발전 설비는 증기랭킨사이클 방식으로, 폐열설비 공정은 2대의 킬른과 각각의 클링커 쿨러에 1대씩 총 2대의 폐열 Table 2. Waste heat generation capacity of cement companies in domestic17) Cement company Initial operation date (Year) Power (MWh) A 2018 43 B 2015  

보일러를 설치하였다6). 각각의 보일러는 고압의 과열증 기(340 ℃)를 생산하여 스팀 터빈으로 전달, 스팀은 터빈 발전기를 돌려 전력을 생산한 후, 응축기로 이동되어 응 축수로 바뀐 후 다시 폐열 보일러로 이송되는 방식이다. 이 업체에서 기존의 시멘트 생산방식으로는 클링커를 냉 각하면서 발생하는 열을 그냥 대기로 방출했으나 폐열 발 전을 통해 시멘트 생산 공정에 지장을 주지 않고도 폐열을 회수하여 9.1 MWh의 전력을 생산하여 에너지 이용의 극 대화가 가능하다고 제시하였다(Fig. 8). 국내 E 업체에서 적용한 방식도 증기랭킨사이클 방식 으로 2010년 발표한 자료에서 두 개의 시멘트 클링커 쿨러 에 폐열 회수 보일러와 스팀터빈 발전기를 설치하였다7). F 업체와 같이 클링커 제조공정에서 발생하는 폐열을 회수 하여 전력을 생산하여 에너지 비용 절감 및 CO2를 저감 하고자 하였다. 고온의 폐열로부터 열을 흡수한 후 고압 증기와 고온수를 생산하여 스팀터빈 발전기에 공급하는 폐열회수 보일러 공정, 열에너지를 기계적 에너지로 전환 하여 발전기를 구동하여 전기적 에너지를 생산하는 증기 터빈 공정 등으로 설계되었다. 현재까지 국내 시멘트 업체에서 발표한 자료에서는 모 두 SRC 방식을 통한 폐열 회수 및 전력 생산을 하고 있는 것으로 확인되었다. 이러한 이유는 가장 사용하기 쉽고 환경적 부담이 적은 작동유체인 동시에 관련 기술 부족으 로 인한 결과로 생각된다. 국내 시멘트 업체 자체적으로 ORC 또는 KCS 같이 저온의 열을 회수하기 위한 연구도 필요한 것으로 생각되며, 이를 위해서는 시멘트 업체뿐만 아니라 보일러 기계 분야 등의 전문가와 함께 이론적, 실 험 및 실증 등에 관한 연구 협업이 필요하다고 판단된다. 4.2. 국외 시멘트 폐열 활용 현황 해외 시멘트 폐열 회수에 관한 연구 자료는 국내 연구 보다 훨씬 많은 연구 자료가 확인되었으며 다양한 방법으 로 연구하는 것으로 조사되었다(Fig. 9). 일반적으로 SRC, ORC 및 KCS 등 발전 설비 효율 평가, 발전 엔진 타 입, 작동유체 비교 및 열 손실 제어 분야 등에 대한 연구가 확인되었으며, 이러한 연구는 실험, 사례연구 및 시뮬레 이션 등의 방법을 통해 실험 결과를 평가하였다28-34). 최근 에는 시멘트 폐열을 최대한 회수하여 온실가스를 저감하 기 위한 폐열 활용 응용 연구로써 타 산업에 시멘트 폐열 을 공급하거나 두 종류 이상의 사이클 설비를 연계하여 최 대한 열에너지를 회수하는 연구 및 수소와 같은 에너지를 생산하기 위한 연구도 확인되었다. 국외 시멘트 폐열 활용현 연구에서는 ORC에서 중요 요소인 작동유체에 관한 연 구 및 최근 폐열 회수를 극대화하기 위해 연구한 자료를 분석하였다35-40). Table 3은 ORC에 적용하는 작동유체를 비교한 연구 사례를 나타낸 것으로, 300 ℃ 온도 범위의 열원을 활용 하기 위해 다양한 작동유체를 활용하여 실험하였다. 주로 ORC에 적용 가능한 작동 유체 종류에 대한 기초 물성을 활용한 열역학적 특성 분석 및 이에 따른 열 회수 특성 분 석에 관해 다양한 연구가 제시되었다. 기존 연구결과에서 는 온도 및 공정 등의 변화에 따라 작동유체에 의한 폐열 회수 최적 조건이 다른 것으로 확인되었으며, 이러한 이 유로 작동유체 선정을 위한 다양한 실험 및 평가가 검토되 어야 한다고 판단된다9,18,28,29). Fig. 10에서는 시멘트 킬른에서 배출되는 폐열을 효율 적으로 사용하기 위해 ORC와 SRC를 연계하여 순차적으 로 열원을 회수하는 연구를 나타내었다37). 1차 열원 회수 는 SRC를 이용하며, 1차 열원회수로부터 충분히 회수하 지 못한 열원에 대해서는 ORC를 이용하여 2차 열원 회수

를 실시하였다. 따라서 2개의 사이클로 구성되며, 1차 사 이클은 물을 작동 유체로 사용하고, 2차 사이클은 1차 사 이클 터빈의 출구 흐름에서 나오는 폐열을 활용하기 위해 작동 유체를 사용하였다. ORC는 5 종류의 작동유체를 비 교하였으며, 사이클의 열효율, 비가역성 및 경제성 평가 를 기반으로 최적의 방식, 작동 유체 및 작동 조건을 결정

하기 위한 연구를 수행하였다. ORC와 SRC를 연계한 폐 열 회수 방식은 기존의 SRC 방식에 비해 열 효율 및 전력 생산량이 향상되는 결과를 나타내었다. Fig. 11은 폐열 회수를 위해 시멘트 킬른의 예열기에서 발생하는 가스와 냉각기에서 발생하는 열원을 하나로 통 합하여 증기 터빈으로 투입하는 방법과 각 열원을 회수하 여 따로 배열회수 보일러(Heat Recovery Steam Generator, HRSG)에서 생성된 증기가 혼합 챔버에서 함께 혼합되어 증기 터빈으로 투입하는 방식으로 분류하여 에너지 효율 을 분석한 결과이다34). 결과에 따르면 시나리오 1과 시나 리오 2의 회수 열량은 각각 23,931kJ/s와 21,253kJ/s로 확 인되었으며, 사이클 효율은 각각 23.5%와 22.2%로 나타 났다. 이러한 이유는 연료 에너지의 절반 이상이 다양한 방식으로 손실되어 나타난 결과 제시하였고, 두 개의 열 회수 시스템 중 하나의 회수 보일러만 사용하는 시스템이 더 많은 전력을 생산할 수 있는 것으로 확인되었다. 최근 에는 폐열을 타 산업에 활용하기 위한 연구도 발표되었으 며, 기존 시멘트 열원을 단독으로 활용하는 방법에 비해 효율이 높다고 제시하였다. Fig. 12는 시멘트 킬른에서 발생하는 폐열을 석탄 화력 발전소의 열 회수 공정과 연계한 공정을 나타낸다35). 시멘 트 공장의 배기가스에서 회수된 열은 석탄 화력 발전소의 열 교환 장치로 투입되며, WHRS는 기존 폐열회수 방식 에 비해 더 많은 에너지 생산이 가능하다고 제시하였다. 또한 에너지 및 엑서지 분석 통해 열에너지가 필요한 분야 의 연계 공정이 열역학 및 경제성 측면에서 향상되는 특성 을 확인하였고, 폐열 회수를 위한 추가적인 설계 및 시스 템이 필요하지 않기 때문에 자본 및 운영비용을 크게 줄일 수 있다고 제시하였다. 유사 연구로 시멘트 킬른에서 발 생하는 폐열을 CCU 공정에 직접 투입하여 CO2를 포집하 는 연구도 발표되었으며, 이는 시멘트 공정에서 발생하는 CO2를 직접 포집하여 시멘트 산업의 탈탄소화를 극대화

하고자 하였다38). 폐열이 타 산업에 간접적으로 연계된 연구로써, 시멘트 산업에서 발생하는 폐열을 이용하여 수소를 제조하고 이 를 천연가스(Natural Gas, NG)와 혼합하는 시스템도 연 구되었다36). 이 폐열 회수 공정에서 생산된 전력은 수소를 생산하기 위한 알칼리 전해조 장치에 활용이 되며, 생산 된 수소는 NG에 혼합되어 연소 효율이 향상되고, CO2 배 출량을 감소할 수 있다고 발표하였다. 시스템 분석은 Aspen Plus을 이용해 분석하였고, 시스템의 열역학적 및 환경적 특성을 확인하기 위한 에너지 및 엑서지 효율, CO, CO2 및 NOx 배출을 조사하였다. Fig. 13은 공정 시 스템을 나타낸 것으로, ORC의 작동유체로 R600a 사용하 여 얻은 전력이 가장 높은 결과를 나타내었으며, 혼합물 의 수소 함량이 부피 기준 0%에서 50%로 증가되면 천연 가스 소비량이 크게 감소한다고 제시하였다. 해외에서 발표된 폐열 회수는 기존의 SRC를 통해 100% 확보하지 못했던 에너지를 최대한으로 활용하기 위해 다양한 방식으로 연계한 연구 분야로 확인되었다. 이러한 이유는 화석연료 사용에 따른 온실가스를 줄이기 위한 목적으로 원료 및 연료에 대한 순환자원 활용과 함께 폐열 발생 분야에서의 재활용 연구 역시 매우 중요하기 때 문으로 생각된다. 국내의 경우 광물을 포함한 대부분의 에너지자원을 수입에 의존하고 있기 때문에 에너지 재활 용은 국가 경쟁력 향상을 위해서도 절실히 필요하다고 판 단된다. 최근 국내에서도 이러한 유사 내용의 연구로 시 멘트 생산 공정에서 발생하는 열원을 활용하여 메탄올 생 산을 위한 연구과제가 수행하고 있는 것으로 확인되었으 나, 관련 연구 및 자료 등이 매우 부족한 실정이다. 이러한 에너지 재활용 분야의 연구를 위해 시멘트 업계의 노력과 함께 타산업과의 연계를 위한 협업 및 지원이 필요하다고 판단된다.