폐열회수 이용설비
- 감축기술 개요
- 폐열회수 발전이란 폐기하는 고온의 물, 증기, 가스 등의 열을 회수하여 재활용하는 것으로 폐열을 전기에너지로 재생함으로서 발전하는 기술임. 폐열회수 발전은 폐열이 발생된 기체,액체,고체 상태의 열발생원에 열매체유를 순환시켜 온도 상승을 발생시킨 후 다시 온도 상승된 열매체유를 증기 또는 유기체에 열 교환을 시켜 체적 변화에 따른 부피팽창의 힘으로 터빈을 구동시켜 전기를 발생시키는 방법으로 온도 상승된 증기 또는 유기체는 다시 급냉각 시켜 체적감소와 팽창을 반복하며 순환하여 발전하게 됨.
- 감축기술 특징
- 폐열회수 이용설비 장단점
1) 에너지 절약으로 비용감소
2) 온실가스 배출 감소
3) 열에너지의 특성상 장거리 이송이 어려움
4) 높은 온도가 아니면 효율이 떨어짐
- 폐온수의 열 회수 시 고려사항
▶ 폐수에는 다양한 스케일이 혼재하고 있어 폐열 회수 시 열교환기의 폐색에 주의가 필요하며 또한 열교환기는 운전 중에 스케일 성분의 부착에 의해 성능 저하가 일어나므로 정기적인 개방 점검·청소가 필요하지만 세척의 빈도는 최대한 적고 유지보수가 쉬운 형태의 열교환기를 선정하는 것이 중요함.
▶ 열교환기의 기종 선정 시 시설에서 널리 사용되는 열교환기로는 플레이트(plate), 쉘&튜브식, 스파이럴의 3가지가 있는데, 각각의 기종에는 장단점이 있으며 배출되는 시설이 어디인지를 파악하고 그 폐열에 맞는 적절한 열교환 방식을 선택하는 것이 중요함
- 폐가스의 열 회수 시 고려사항
- 연소 배기가스 중에 부식성분인 NOx, SOx가 포함되어 있을때 이들 성분을 함유한 가스를 냉각 열회수 한 경우 결로수 중에 질산, 황산이 발생하여 금속을 부식시킬 수 있으며 산노점 문제가 발생할 수도 있음. 산 부식의 위험이 있는 경우 절대로 부식시키지 말 것인지 아니면 투자회수의 장점으로 약간의 부식 위험이 있어도 유지보수에 대응할 것인지에 대한 판단이 필요함.
- 부식 위험은 재질 선정 시 많은 선택 가능성이 있는데 도시가스, LP가스의 연소 배기가스 중에도 NOx가 있고, 미량이지만 SOx도 포함되어 있으므로 부식 위험이 존재하지만 연소 시 많은 수분도 발생하기 때문에 잠열을 대량으로 회수할 수 있는 장점도 있음. 한편, A중유는 대량의 SOx가 포함되어 있으며, 수분은 도시가스의 절반 이하이기 때문에 잠열 장점이 적은 반면 A중유 배기가스는 SUS316 뿐만 아니라 부식에 강한 것으로 알려진 티타늄에서도 부식해 버리는 사례가 있으므로 폐열회수를 하는 경우에는 도시가스와 LP가스로 연료전환 이후에 검토하는 것이 타당함.
- 폐열회수 이용설비
- 연소 배가스의 열교환 이용
1) 온수회수
▶ 온수 발생 방식에는 연소가스의 폐열을 이용하여 물과 열교환하는 연소가스식 온수 발생 방식과 증기를 열원으로 물을 열 교환하는 증기식 온수 발생 방식이 있음. 연소가스식 온수 방식은 온수기의 설치 위치를 배가스 온도의 고온 측 (350∼400℃)이나 저온 측(150∼200℃)을 비교적 자유롭게 선택할 수 있지만 목적으로 하는 온수의 종류(저온수, 고온수) 및 용량 등에 따라 설치 위치를 결정 할 필요가 있음. 증기식 온수 방식은 보일러에서 발생한 증기를 이용하여 온수를 생산하는 방식으로 온수용 열교환기 및 온수 탱크, 급탕용 온수 순환 펌프 등으로 구성됨.
2) 고온수회수
▶ 고온수는 압력 하에서 약 120∼160℃의 열수이며, 그 회수 방법은 고압 증기 지역보다 증기를 고온수 열교환기에 보내는 고온 발생 방식과 증기를 직접 물과 접촉시켜 가열하는 캐스케이드 히터 방식이 있음. 고온수 설비는 열교환기 출구 온도를 목적으로 하는 고온수 온도에 맞게 설계하고 반환 온도가 결정됨. 이 온도차가 부하 측의 열이용 온도 분이 되며 이것에 고온수 열량을 곱한 것이 이용 열량이 됨.
3) 하프 보일러
▶ 폐열 회수를 위해 설치되는 하프 보일러식 패키지 제품으로 중소형로 시설에서의 채용이 많고 물 분사식 감온장치와 병용될 수 있음. 열과 전력을 소내만 소비하지 못하고, 또한 외부에 제공할 수 없는 경우 등에 사용된다. 채취한 에너지는 증기 또는 온수의 상태로 회수하여 발전이나 열로서 이용되고 보일러 용량이 소형화 되는 만큼 장치 비용은 저렴하고 연소 배가스의 열교환 장치에 있어 특히 저온부식에 배려할 필요가 있으며, 가스의 조성과 사용 온도 범위를 감안한 충분한 검토가 요구됨. 배가스 조성에 따른 산 노점과 그 변동 폭에서 전열관 사용 온도 범위를 설정하고, 사용 재질의 적절한 선정이 필요함.
- 증기터빈 폐열류에서의 이용
1) 공랭식 복수기에서의 열이용
▶ 배기 증기 에너지를 이용해 열교환기를 통해 에너지 회수를 시행하는데 배압 터빈에서 배기압이 대기압 이상의 배기압을 지닌 증기를 복수, 방열하게 되어 계통의 효율이 낮아 터빈 발전량도 많지 않음. 복수 터빈의 배기 증기를 예열 이용할 때는 배기 압력이 여열이용 조건에 의해 결정될 수 있지만, 일 년 내내 최적 발전할 수 있도록 여열이용 및 배기 온도 조건을 검토할 필요가 있음. 열이용 방법의 예로는 도로 난방, 난방, 온실 등이 있으며 부하 측의 열이 불 필요시는 저압 증기 복수기에서 배기압을 낮게 유지함으로써 터빈 발전을 우선적으로 할 수 있음.
2) 수냉식 복수기에서 열이용
▶ 수냉식은 공랭식에 비해 증기터빈에서 열낙차가 크게 되는 것으로 발전효율을 향상시키고 또한 열 관류율도 높고 터빈 배기 압력을 저하시킬 수 있음. 냉각 매체는 해수, 하천수, 공업용수, 맑은 물 등이 사용되며, 이 냉각 후의 매체를 통해 열 교환시켜 에너지 회수하는 방식임. 공랭식 증기 복수기에서의 열이용과 마찬 가지로, 발전을 포함한 전체의 열효율이 맞도록 온도 조건 등의 검토가 필요함.
3) 터빈 추기 증기 이용
▶ 추기 증기를 여열이용에 활용하는데 추기를 이용하기 때문에 증기압력을 약 0.2∼1.2 MPaG과 광범위하게 설정 가능하며, 터빈 배기를 이용하는 방식과 비교하여 열이용 시설의 필요한 열 수준에 맞는 효율적인 설계가 가능한 시스템임. 여열이 불필요한 시간에는 증기의 전량을 터빈에 사용할 수 있도록 터빈 및 복수기를 설계하여 여열이용 부하 변동에 대응 가능하며, 열에너지의 유효 이용을 도모할 수 있음.
- 히트펌프, 냉동기
1) 히트펌프
▶ 히트펌프는 최근 도입이 진행되는 기술로 냉장고나 에어컨 등에도 이용되는 에너지 절약 기술이며 공기 등의 외부환경 (지열, 수열, 폐열 등)에서 열을 퍼 올려 특히 저온 폐열(미이용 에너지)을 열원으로 열회수할 수 있는 것이 큰 특징임. 열효율이 높고, 투입한 에너지의 3∼6 배 정도의 에너지를 이용 가능하게 하고 있음. 구조는 압축기, 복수기, 증발기, 팽창 밸브 등의 기기와 이것을 순환하는 배관 및 구동용 모터로 구성되어 내부에서 냉매가 열교환하면서 순환함.
▶ 히트 펌프의 압축 방식은 왕복동식, 스크류식, 원심식, 흡수식 등이 있으며, 흡수식은 압축기에 의한 기계적인 힘을 이용하지 않고 열에너지를 구동원으로 하기 때문에 폐열 이용 시 효과적이며, 중저온도 영역의 폐열 회수 설비로 유효함.
2) 냉동기
▶ 물 등의 매체를 순환시켜 대상물 온도를 일정하게 유지하는 시설에서 냉난방 등에 사용되며, 냉온수 발생 장치를 말함. 이젝터식, 흡수식, 흡착식 등이 있으며 주로 냉방에 사용되는 냉온수 발생기에 흡수식 냉동기를 사용하기 때문에 흡수식 냉동기 자체를 가리키는 경우도 있음. 장치 내부에는 프레온 냉매를 사용한 냉동기와 물을 순환시키는 물 회로로 구성되며, 냉각기를 통해 냉매와 물이 열교환을 실시하고 있음. 흡수식에서는 열원에 폐열을 이용할 수 있어 연료를 사용하지 않는 냉방을 가능하게 하고 있음. 또한 열매체 온도가 70∼95℃의 온수에서도 냉방 운전을 가능하게 하고 있음.
- 도입효과
- 에너지 절감으로 인한 비용 감소
- CO2 배출 저감
- 전기 및 연료 사용량 절감
- 폐열회수로 인한 온수 및 난방 가능
- 온실가스 감축 효과 산정 방식
- 배가스열 회수
- 폐수열의 열 회수
설치사례 분석
- 설치 사례 문헌조사
- 폐열회수 이용설비 관련 감축기술 사례 7건을 조사한 결과 감축률 최대·최소 구간이 36%∼45%로 나타났으며 전체 평균 감축률은 41%로 나타났음.
- 설치 사례 현장조사
- 현장방문업체 40개 업체 중 2개 업체에서 폐열회수 이용설비를 이용한 감축사례가 있었고 감축률 최대·최소 구간이 1%∼9%로 나타났으며 전체 평균 감축률은 3%로 나타났음. 단, 개선 전 온실가스 배출량은 명세서의 적용 배출시설의 전체 배출량을 사용했으므로 적은 감축률이 나타났고, 실제 감축률은 더 높을 것으로 추정됨.
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