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폐열회수의 열교환 기술

1. 개요2. 폐열회수이용장치 (시스템)3. Flue Gas 폐열회수와 내식성 열교환기4. 적용사례

앨라이드 이엔씨 상무이사김해섭

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1. 개요 폐열이란 열발생 및 사용설비에서 이용되지 못하고 버려지는 에너지를 폐열이라고 쉽게 정의할 수 있으나 각종 산업공정에서의 폐열의 종류와 형태는 매우 다양한 양상을 나타내고 있다. 1, 2차 석유파동을 겪으면서 비교적 투자경제성이 양호한 대상의 폐열회수는 일부의 기업은 원가절감차원에서 적극적으로 실행해 왔다고 볼 수 있으나 아직 상당수의 기업은 투자리스크에 대한 우려와 검토, 적용기술의 한계성 등으로 그러하지 못한 실정이다. 이러한 사실은 어떠한 방법으로든 회수 이용 가능한 폐열이 아직도 상당수준은 그대로 버려지고 있음을 의미한다.

폐열은 일반적으로 각종 요로나 보일러 등 연료 사용 설비류에서는 연소 배가스로 배출되고, 가열, 냉각, 증류, 증발, 정제, 분리 등의 공정에서는 냉각, 응축 등의 냉각수로 배출되고 있다고 볼 수 있다.또한 간접 열풍식의 건조 설비나 공조 설비의 경우는 배공기로 배출되고 있으나, 각종 설비 및 공정으로부터의 폐열은 각기 다른 물성, 유량 및 온도로 배출되고 있으므로 이상적인 폐열회수 장치의 적용성 검토는 그리 간단한 것은 아니다.

이와 같은 사실을 배경으로 하여 폐열회수 기기에 대한 일반적인 사항과 폐열회수 기대효과 계산에 대하여 재론하고 특히, 저급 연료 연소 배가스(부식성 가스)에 적용 가능한 내식성 열교환기에 대하여는 별도 항목으로 기술하였다.

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2. 폐열회수이용장치 (시스템) 폐열을 회수 이용하는 시스템은 크게 나누어 공정자체에 이용하는 경우와 타공정 보조 열원 또는 난방 등에 이용하는 경우로 생각할 수 있다. 공정자체에 이용하는 경우는 해당 공정(설비)의 열효율제고로 나타나고 회수열의 손실은 없다. 그러나 회수열을 자체이용하지 않는 경우는 열수요처의 가동조건에 따라 회수열을 효과적으로 이용하지 못하는 경우도 예상해야 한다. 경우에 따라서는, 폐열을 회수해도 이용할 대상이 없는 경우도 있을 수 있다.

가. 공정 및 설비별 폐열 회수 장치 1) 열발생설비 등 Flue Gas 폐열 가) 공기 예열기 / GAH 관형(중소형 Boiler) 판형(LNG 연소설비) 히트파이트형(〃) 회전재생식(발전용 등 대형 Boiler) 레큐퍼러이터(요로류의 고온 배가스) *내식성 열교환기(부식성 배가스 폐열회수) 나) 급수 예열기 / 에코노마이져 튜블러식(탈기기가 있는 발전용 등 대형보일러) 핀튜브식 튜블러(LNG 등 Clean 에너지 사용설비) 내식성 튜블러(B-C유 등 저급연료 사용설비 및 소각설비) 다) 폐열보일러(대형소각설비, 요로류 등 고온배가스 배출설비) 2) 건조설비, 공조설비 등 중저온폐열 가) 급배기 열교환기(공기예열기) 관형(고온설비) 판형(중저온, 고온설비) 히트파이프식(중저온설비) 회전재생식(중저온설비) 내식성열교환기/Glass tube 식, 페놀수지 coating식, Teflon 소 재 열교환기 등 (중저온설비)

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나) 급수예열기(온수발생) 핀튜브식 / 레디알핀(고온설비) / sheet핀(중저온설비) 튜블러식(Dust등 오염물질이 많은 경우) 내식성 열교환기 (부식성 배가스 폐열회수) 3) 증류, 분리, 정제 등 식품, 화공 공정 폐열 가) 판형(Feed와 Product 열교환, 온수발생 등) 나) Shell and Tube형( 〃 ) 다) 흡수식 히트펌프(공정 현열 및 잠열회수) 라) 압축식 〃 / TVR, MVR (공정 현열 및 잠열 회수) 공정폐열로서 저압(저온)증기를 발생시켜 사용가능한 압력(온 도)까지 TVR 또는 MVR로서 증기를 압축하는 시스템임.

나. 폐열회수검토 1) 사전조사 투자리스크를 최소화하고 기대효과를 극대화하기위해서는 설비투자 에대한 타당성검토가 필요하다. 설비(열교환기 등)의 형식, 용량 등 을 최적화하기 위해서는 다음과 같은 사항이 사전에 측정, 조사되어 야 한다. 가) 배출되는 폐열의 성분 분석 Data(열계산, 열교환기 소재 및 크 리닝 장치 검토) 나) 배출폐열의 유량과 온도 / 평균 및 최대값 (장치 용량 검토) 다) 피가열유체의 유량과 온도 / 평균 및 최대값 (장치 용량 검토) 라) 열교환기의 냉단온도 예측 / ㉯와 ㉰에 의해 산출가능 (Flue Gas 폐열의 경우 산부식 검토) 마) 열교환기의 압력 손실 / 폐열유체 및 예열유체 (기존설비에 미치는 영향검토 / Draft System, Pumping 시스템) 바) 폐열원 설비의 성능 / 열정산 (기대효과 검토) 사) 년간 연료 사용량 및 가동시간 (기대효과 검토) 아) 에너지 구입 단가 (연료, 전력, 용수 등) (기대효과 검토) 2) 열교환기 회수율(용량)과 투자비 회수 기간 폐열회수 투자에서 열교환기형식 및 용량산정은 매우 중요하다.

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열교환기의 형식이 이상적으로 선정되었다면 회수 용량은 가급적 크 게 하는 것이 좋다. 즉 선정된 열교환기의 내구성과 연속 사용 성능 을 확신할 수 있다면 열교환기의 회수 용량은 설비의 내용 년수를 고려하여 투자 수익금(절약금액-투자금리 등 제비용) 즉, 회수율을 크게 계획하는 것이 바람직하다. 폐열회수 투자비 회수기간은 회수율(온도효율)과 부대비용에 따라 달라질 수 있다. 즉 부대비용(설치 공사비, Duct 및 Piping, 기타 보조설비비 등) 점유율이 크다면 회수율을 높게 산정하여도 투자회수 기간이 급상승하지는 않는다. 열교환기만의 투자비는 전열면적에 비 례하고 전열면적(A)는 회수율에 비례한다. ◦ 적정회수율(상호유체의 MCp가 유사한 경우) Flue Gas 폐열: 40∼60% 배공기폐열: 50∼70% 폐온수폐열: 80∼95% ◦ 회수율(온도효율)과 LMTD와 열교환기 전열 면적

tg1

ta2tg2

ta1

△t2

△t1

∙ytg = t g1- t g2t g1- t a1

×100(%)

∙ LMTD = △ t 2-△ t 1In(△ t 2/△ t 1)

×f

∙ A= QsLMTD×u

주) y tg : 폐열측 회수율(온도효율) (%) t g1, t g2 : 폐열 입구, 출구 온도 (℃) t a1, t a2 : 피가열유체 입․출구 온도 (℃) LMTD: 대수평균열교환온도차 (。K) f : 보정계수 (열교환기 형식에 따라 다름)

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A: 전열변적 (소요면적) (㎡) u: 총괄 면적계수 (㎉/㎡h℃) (열교환기의 형식, 열교환유체의 종류, 통과 유속에 따라 달라 짐)

* 참고계산 / LMTD와 전열면적 < 조건 > ․ Flue Gas : 89,000N㎥/h × 190℃ ․ Feed Water: 102,000㎏/h × 70℃ ․ 열교환기 전면 풍속 일정 A= Qs

u․LMTD에서 u값은 일정하므로 회수 온도별 LMTD와 전열

면적(Aa㎡)는 다음과 같이 증감된다.회수온도(℃) LMTD(K) A(지수)190→75(115) 28.7 (195)190→100(90) 56 (100)190→110(80) 64 (88)190→120(70) 72 (78)

※ 190 → 100℃기준시 75℃까지 회수의 경우 2배의 전열면적소요 120℃ ″ 22%의 전열면적감소 3) 기대효과 검토 투자타당성 검토를 위하여는 투자효과(회수금액)에 대한 정확한 예측이 선행되어져야 한다. 폐열회수에 따른 에너지 절감율(%)은 다 음의 계산으로 산정할 수 있다. 가) Flue Gas 폐열회수의 경우 ① 연료 절감율 산출 연료 사용 설비에서 Hl : 연료의 연소열 (kcal/kg) Qa : 유효열 (kcal/kg) Le : 배 GAS 손실열 (kcal/kg) Lr : 기타 방열 손실열 (kcal/kg)

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Qs : 폐열 회수 열 (kcal/kg) Qb : 폐열 회수후 유효열 (kcal/kg) Qa = HI - Le - Lr Qb = HI - Le - Lr + Qs = Qa + Qs ˙생산(증기발생, 가열, 건조등)에 필요한 유효열 X를 얻기 위한 연료 소요량 F(kg/h)는 - 폐열 회수전 Fa= X

Qa (kg˙연료/h)

- 폐열 회수후 Fb= XQb=

XQa+Qb

※연료 절감율(X) =1- FbFa=1-

XQa+QsXQa

=1- QaQa+Qs

= QsQa+Qs

=Qs

Hl-Le-lr+Qs

≒ QsHl-Le+Qs

② 계산(예) ㉠ SA/H 없는 경우 (180℃→110℃ 회수) Qs = { Go + Ao (m - 1)} x Cp x (tg1 -tg2) = {11,635 + 10,859 x (1.2 - 1)} x 0.33 x (180 - 110) = 319(kcal/kg˙연료) Sr= Qs

Qi×yb+Qs×100(%) ≒

QsHl-Le+Qs

×100(%)

= 3199870-729+319

×100

≒3.4(%) Fs=∑F×Sr 주) Qs : 회수열량(kcal/kg˙연료) Go : 이론배가스량 (Nm3/kg˙연료) Ao : 이론공기량( ″ ) m : 공기비 tg1 : 회수전 배가스 온도 (℃) tg2 : 회수후 배가스 온도 (℃) Cp : 비열 (Kcal/Nm3℃)

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Sr : 연료 절감율 (%) HI : 연료발열량 (kcal/kg˙연료) Le : 회수전 배가스 손실 (kcal/kg˙연료) Fs : 년간 연료 절감량 ∑F : 회수 대상 설비의 연간 연료 사용량 (K1/년) ㉡ GA/H, SA/H가 있는 경우 (180℃→110℃ 회수) Qs = { Go + Ao (m - 1) + Ao mℓ} x Cp x (tg1 - tgw) = {11.635 + 10,859 x (1.2 - 1) + 10,859 x 1.2 x 0.2} x 0.33 x (180 -110) = 379 (kcal/kg˙연료) 주)ℓ: GA/H 누설율 20% (일반적으로 10 ～ 30%임) Sr= 379

9,870-867+379 ×100

= 4.0 (%)

※ 실제의 에너지 절감은 SA/H를 철거하므로 회수전 SA/H용 증기 절감 +α(추가회수열량)으로 나타내므로 ˙SA/H 증기 절감 (100%) AIR 20℃ → 80℃ 의 경우 Ss = (Ao m + Ao mℓ) x 0.31x (ta2 - ta1) x 1/r = (10,859 x 1.2 x 1.2) x 0.31 x (80 - 20) x 1/510 = 291 x 1/510 = 0.57(kg/kg˙연료) 주) r: SA/H 공급 증기 잠열 (3KG : 510kcal/kg)

※ 회수 에너지 계산 예 (100 T/h 용량, B-C, 7,500kg/h 의 경우) ˙SA/H 증기 절약 : 7,500 x 0.57 = 4,275kg/h ˙추가회수에너지 Qs'= Qs - Ss = 379 - 291 = 88 (kcal/kg) Sr'= 88

9870-867+88×100

= 0.96 (%) Fs = 7500 x 0.0096 = 72kg/h(75.8ℓ/h)

㉢ 급수예열(Economizer)의 경우 (180℃→110℃ 회수)

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ㅇ 탈기기(Deaerator) 없는 경우 연료 절감율: 3.4% (Case □A Qs, Sr 과 동일) 4.0% (GA/H, SA/H 있는 경우)

ㅇ 탈기기가 있는 경우 (탈기온도 140℃ 의 경우) 탈기용 STEAM 절약 (탈기용 STEAM h" = 660kcal/kg, r = 512.1kcal/kg) 주) 계산조건 보일러 증발량 : 100T/h 연료사용량 : 7,500kg/h 탈기기 입구 급수 : 70℃ ․ 현재 탈기용 증기 사용량 (X T/h) 100 x 140 = 70 x (100 - X) + 660X X = 12T/h ˙회수후 급수 온도 (tw) tw = 70+ FQs

Fw

= 70+ 7,500×379(100-11.86)×1,000kg/T

= 102.3(℃) ˙회수후 탈기용 증기 사용량 (X' T/h) 100 x 140 = 102.3 x (100 - X') + 660X' X'=6.76T/h, X-X'≒5.2T/h

Remark) 저온 Economizer 입구 급수 온도와 투자비와의 관계 - H/E의 투자비는 전열 면적에 비례하므로 저온 Economizer 의 입구 급수 온도가 낮을수록 LMTD는 증가하므로 H/E의 COST (전열면적) 는 감소함

나) 공정폐열의 경우 ∘ 증기 및 연료 절감량 산출

증기 사용 설비에서 r : 급기 가열 증기의 잠열(kcal/kg)

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yb : 보일러 열효율 (%) x : 보일러 증발배수 (kg/kg) Qs : 회수 열량 (kcal/h) Ss : 증기 절감량 (kg/h) Fs : 연료 절감량 (kg/h)

˙가열, 건조, 열처리등 열풍이용 공정에서의 배기 폐열 회수 효과 Ss= Qs

r (kg/h 증기)

Fs= Ssx

(kg/h 연료) 또는 Fs= Qs

Hl․yb (kg/h)

3. Flue Gas 폐열회수와 내식성 열교환기 연소 배GAS 폐열회수에서 내식성 열교환기란 황(S)함유 저급 연료를 사용하는 보일러나 요․로 또는 부식성 물질을 함유한 각종 소각설비 등으로부터 배출되는 배GAS (FLUE GAS)의 폐열회수를 극대화하기 위한 폐열회수 열교환기이다. 즉, 연소 배가스중에 포함 배출되는 SOx, NOx, HCL, 기타 부식성 물질에 대하여 화학적으로 안정성을 갖는 소재를 이용한 열교환기를 의미한다.

국내의 경우는 2차 오일쇼크 이후 FLUE GAS 폐열회수의 내식성 열교환기는 「Q-MAX」, 「Q-TUBE」 및 GLASS TUBE 형의 열교환기가 소개된 바 있으나 GLASS TUBE형이 수 대 보급되었을 뿐이다. 따라서 저급 연료 사용의 열원설비(보일러, 요로, 소각로 등)의 배가스 폐열회수는 산(Acid) 부식문제로 일정 온도 이하까지는 회수 불가능한 영역으로 인지되어 왔다.

이와 같은 현실에 대하여 열교환기의 저온부식에 대한 개념정리와 산노점 이하의 영역에서도 완벽한 내식 성능을 갖는 테플론(Teflon)소재의 Flue Gas 폐열회수 열교환기에 대한 특성과 적용성 및 투자 경제성 등에

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대하여 관련 정보와 제조사의 자료를 참고하여 기술하였다.

가. 연소 배GAS 의 산노점과 저온 부식 1) Flue Gas 중 황산화물과 산노점 Flue Gas폐열회수 장치에서 저온 부식이라 함은 일반적으로 산부식 (Acid Corrosion)을 의미한다. 황(S)함유 연료를 연소시키면 황산 화물인 아황산가스(SO2)가 발생하고 이의 일부가 다시 산화되어 무 수황산(SO3)으로 된다. SO3는 배가스 중의 수분(H2O)과 화합하여 황 산(H2SO4)증기로 되어 이것이 저온 금속 표면에 응축되어 산부식을 발생시키는 것이다. S + O2 = SO2 (아황산GAS) SO2 + 1/2O2 = SO3 (무수황산) SO3 + H2O = H2SO4 (황산 Vapor) 이와 같은 산이 응축되는 최고점의 온도가 산노점(Acid Dew Point) 이고, 이 온도는 SO3의 농도에 의해 결정되어지는 것이다. 산노점은 <그림-1>, <그림-2>, <그림-3> 과 같이 연료중의 황 함 유율, 연소 공기비, SO2에서 SO3의 전환율 및 배GAS 중 수분 함량 등 4가지 요인과 관계가 있다. 산응축에서 가장 중요한 것은 SO2에서 SO3로의 산화전환율이며 이 와 같은 전환은 화염부에서 SO2와 활성산소(O2)와의 반응 즉, 화염 설과 고온부위의 전열관 표면에 존재하는 철과 바나디움 화합물에 의한 촉매 반응 설이 있으나 결과론 적으로 SO2는 고온부에서 일부 가 산화되므로 SO3농도는 연료중의 S함량, 화염온도 및 공기비에 관계가 있다고 할 수 있다.

2) 저온부식과 냉단 온도(저온부에서의 전열면 재질온도) 관리 Flue Gas 폐열회수용 열교환기의 냉단온도는 대형발전보일러나 일

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반 산업용보일러 등 B-C사용 열 발생설비의 경우 105～115℃로 관 리하고 있다. S함량 1.6% 이상의 고유황 중유를 사용했던 오래 전 부터 배GAS 열교환기의 냉단온도는 115℃를 넘기지 않았다. 이 온 도는 실제적인 산노점 보다 상당히 낮은 값이다. 이와 같은 냉단온 도 관리는 산노점 부근에서는 산응축이 거의 일어나지 않고 있으며 실질적으로 산응축에 의한 부식 발생 온도는 산노점 보다 약20℃ 정도 낮은 수준임을 의미한다. <그림-4>는 일반적으로 적용 될 수 있는 조건 즉, 연소 GAS 중 H2O가 10～15%, O2 3～4% 범위에서 연료 중 S함량에 따른 SO3 ppm, 산노점 그리고 실제적으로 산응축이 본격화 되는 R.B.U. (Rate of Build Up)점을 표시하고 있다.

∙연료 중 S 0.5% B-C 사용의 경우 : 100℃ ∙ 〃 S 1.0% 〃 : 110℃

열 발생설비에 있어서 열 손실은 대부분이 배GAS 열 손실이다. 가 급적 배GAS 손실을 줄여 연료를 절약하기 위해서는 산부식을 일으 키지않는 범위에서 최저수준까지 배GAS온도를 낮게 배출하는것이다 그러나, Flue Gas 폐열회수 열교환기(GA/H, Economizer) 설치 시 공기예열기(GA/H) 의 경우 저온부 냉단온도는 열교환기(GG/H)입

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구 공기 온도와 최종 배GAS 온도와의 산술 평균값이 되므로 급기 온도 0～20℃ 의 경우 배GAS 최종 배출 온도는 230～210℃로서 연 소입열의 10～12%를 초과하고 있다. 발전용 Boiler의 경우는 증기 식 공기가열기(SA/H)를 설치하여 급기를 예열 공급함으로써 배출 GAS 온도를 150～180℃범위로 관리하고 있다. 탈기기가 없는 에코노마이저(Eco.)는 대부분의 발전 보일러에는 채 용되고 있으나, 일반 증기보일러에는 채용되지 않고 있다. 발전보 일러의 경우는 급수 중의 용존산소 관리목적의 탈기기(Deaerator) 출구 급수온도가 120～140℃이므로 GA/H 전단에 설치되고 있다. 일 반 증기보일러의 경우는 급수온도가 60～80℃ 범위이므로 저온 부 식을 피하기 위해서는 별도 열원의 급수예열기(Feed Water Pre-heater)를 설치해야 열교환기의 LMTD 감소로 회수 Merit는 기 대하기 어렵다.

나. 내식성 열교환기(Anti Corrosive Heat Exchanger) 1) 열교환기의 소재와 내식성 재료(자료:KCA NEWS Vol. 12․11) 폐열회수를 위한 각종 금속제 열교환기의 경우 철강재료인 탄소강 및 저합금강, 주철, 스테인레스강과 기타 합금강, 비철재료인 구리, 알루미늄과 그들의 합금으로 분류할 수 있으며 미국의 Buttele 연구 소에서 90여종의 금속재료에 대한 부식실험을 실시한 결과 다음과

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같은 재질은 응축형열교환기 재질로 적합하지 않다는 결론을 얻었 다. ∙탄소강, 저합금강, 주철 ∙크롬성분이 없는 니켈합금 ∙몰리브덴성분이 없는 니켈크롬합금 ∙모든 구리 및 알루미늄 합금 ∙주석, 아연, 카드뮴 금속재료 중 저온부식현상이 적은 재료로는 규소철, 티타늄, 페라리 움, 인코넬, 하스텔로이 등이 있으나 대부분 가격이 고가로서 특수 용도에만 사용하고 있을 뿐이어서 폐열회수용 범용 열교환기로는 경 제성이 매우 낮다. 황산 증기나 수용액에 대한 내식성이 강한 비금 속 재료로는 세라믹, 유리, 내산법랑, 불소수지 코팅재, 에폭시, 플 라스틱, 실리콘료가 있다. 탄화규소질 세라믹은 800℃이상의 고온 폐열회수에 적합하며 유리는 내산성은 우수하나 부스러지는 성질의 극복이 어렵고 내산법랑은 글래스 라이닝 이라고도 불리며 일반적으 로 화학용기 탱크 류등에 많이 사용되고 있으나 대형화된 소성로가 필요하고 제작비용이 많이 들어 폐열회수용 열교환기 재질로는 특수 용도를 제외하고는 부적합하다. 불소수지란 불소원자를 함유한 합성고분자(플라스틱)를 말하며 1938 년 미국의 듀퐁사에 의해 테프론이라는 이름으로 소개된 이래 코팅 방법에 의해 응용범위가 광범위하게 확산되어 있으며 통산 PTFE, PFA, FEP, EPE, ETFE, PCTFE, ECTFE, PVDP, PVF 등이 있으며 열교환기 코팅 재료로는 내열성이 우수한 PTFE, PFA가 주로 사용 된다. 불소수지는 표면온도 300℃미만의 산성 용액 및 가스 분위기에서 강 력한 내산성이 있어 이를 금속표면에 코팅하여 사용하면 금속재가 갖는 구조적 안정성과 테프론이 갖는 내화학성, 내식성, 비점착성, 발액성, 미끄럼성, 전기절연성 등의 장점을 고루 갖추고 있어 내구 성이 높은 열교환기를 제작할 수 있어 부식성 가스 분위기에서의 폐 열회수에 널리 이용되고 있다. 폐열회수용으로는 에어후로리이사에서 보일러, 소각로, 배연 탈황장 치(FGD)의 백연방지용 열교환기(GGH), 내식성 배기덕트 등에 내식

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성 열교환기를 보급하고 있다. 2) 블소수지 코팅재료의 특성 (KCA NEWS VOL. 12.11) ① 비점착성 블소수지 코팅 열교환기는 표면에 물을 떨어뜨려 접촉각을 측정 한 결과 접촉각이 너무 커서 보일러 배가스 중의 분진 및 SOOT 또는 급수중의 스케일이 잘 달라붙지 않으며 달라붙더라도 물세 척 등으로 간단히 제거할 수 있어서 장기 사용시에도 전열성능의 저하가 매우 적기 때문에 오염물질이 많은 폐가스 열회수에 적합 한 특성을 갖고있다. 또한 불소수지 코팅표면에는 물이나 기름 이 잘 달라붙지 않기 때문에 청소가 용이하고 열팽창계수가 크므 로 적은 온도 변화에도 신축작용이 크고 장시간 사용에도 표면이 오염되지 않아 자동적으로 청결하게 유지된다. ② 내화학성 거의 모든 화학약품에 대하여 반응성이 없고 불활성이므로 어떠 한 용제에도 분해하지 않는 이상적인 화학구조를 가지고 있으나 알칼리금속에 불소수지를 코팅한 경우에는 알칼리금속과 고도의 반응성을 지닌 불소화합제의 침투가 일어날 수 있으므로 주의하 여야 한다. ③ 전기적 특성 불소수지는 광대역주파수에서 높은 절연성, 낮은 손실율과 우수 한 저항율을 갖고 있어 정전기 방지 목적의 절연코팅재로도 사용 되며, 특히 고주파에 대한 특성이 좋아 위성벙송부품, 컴퓨터 전 선 등에도 사용되고 있다. ④ 전열성능 불소수지 자체의 전열계수는 강재의 1/100정도로 낮기 때문에 전 불성능은 불량하나 불소수지 코팅 두께가 1.0mm이하로 극히 얇 으므로 총괄전열 성능에는 크게 영향을 미치지 않는다. 3) Flue Gas H/E 의 용도별 구조와 적용범위 ① 공기예열기 등 GAS/AIR 및 GAS/GAS 열교환기 종래의 관형 공기예열기와 유사한 구조이며 Glass Tube형, Teflon 라이닝 Glass Tube형, Teflon Tube형 등 3종류가 있으나 어느 경우이든 최고 사용 안전온도는 250℃로 규정하고 있으나

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STS 또는 C.S등과 같은 일반 소재와 조합하여 300℃이상의 고온 배가스에도 적용이 가능하다. [적용범위] Flue Gas 온도 기준 250℃이하 250℃이사의 경우는 다단(Pass수)으로 설계하여 STS 또는 탄소강 소재와 조합하여 사용한다. ② 에코노마이저등 GAS/WATER 열교환기 종래의 Tublur형과 전혀 다른 구조적 특징을 갖고 있다. 종래형은 헤더, 튜브, U-BEND 등의 용접 일체형으로 되어있으나 Teflon Lining 신기술의 에코노마이저는 상부 Header Plate에만 용접되고 하부는 Cap으로 Sealing 처리되어 열응력을 받지 않고 내식 소재 (Teflon) Lining을 완벽하게 처리할 수 있는 구조로서 부식에 의 한 설비 사고는 생기지 않고 있다.

[ 적용범위] FLUE GAS 측 : 250℃ 이하 WATER 측 : 150℃ 이하 40Kg/㎠ 이하 Flue Gas 온도 250℃ 초과인 경우는 일반소재의 열 교환기와 직열로 2단 설치 적용 가능 ④ 백연방지 HEATER (GGH, Steam/GH) 현재에도 FGD (배연탈황시설)등 각종 소각 배기 세정 Scrubber 의 세정 배기는 백연방지 대책으로 백연방지 Heater를 설치하여 습구온도보다 40~50℃정도 높게 가온, 배출하고 있으나 국내의 경우GAS 세정 Scrubber의 가스 Heater는 대체적으로 증기 가열식 열교환기가 채용되고 있으므로 막대한 증기를 소비하고 있다. 또 한 세정배기 중의 잔존 부식성 물질에 의한 부식문제로 Heater의 수명은 2~3년에 불과한 실정이다. GGH는 이와 같은 GAS 가온을 Scrubber 입구의 Flue Gas 폐열 을 이용함으로써 기존 Steam 사용을 100% 절감하고 장치수명도 반영구적으로 유지할 수 있는 장점이 있다. GGH 및 Steam Gas Heater 의 Flue Gas 접촉부위는 Teflon Tube 및 Teflon으로 100% Lining 처리되고, 세정 후 Clean Gas 접촉부위 (Tube Plate 등)도 고내식 재료인 하스테로이-씨 합금 (Hastelloy-C 22) 또는 Ni 합금으로 제작된다. 4) 주요 적용대상 (B-C, Coal BOILER 및 각종 소각 폐열)

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① 보일러의 급수예열기(ECONOMIZER) 및 공기예열기(GAS AIR PRE-HEATER) ② 각종 소각로, 요․로류의 폐열회수 장치 ③ 보일러 및 소각로의 백연방지 (GAS-GAS HEATER, STEAM-GAS HEATER) ④ 각종 DeNOx 리액터의 폐열회수 (STEAM-GAS HEATER, GAS-GAS HEATER) 5) GAS / WATER용 COAX형 열교환기 1. 구조적 특성 검토

항 목 종래형 COAX형Tube 형식 U-Bend Coaxial Tube(동축2중튜브)

용접부위 Tube 양단을Header에 용접

Tube 한편만 Header에 용접, 한편은 free(cap처리)

내식소재 라이닝복잡

U-Bend라이닝부위가 취약

Point임

간편자동작업으로

무결점품질관리가능

매인터넌스매우 불리함

(Tube Plugging 및 교체곤란)

간편(해당 Tube만선별작업가능)

국내보급실적 울산화력 영남화력, 신동에너지, 금호석유화학, 삼양제넥스

2. 적용성 검토 COAX형 내식열교환기는 종래의 튜블러(U-Bend) 형식의 취약점과 문제점을 해결한 새로운 형식으로서 종래형(U-Bend형) 대비 다음과 같은 이점을 갖고 있다.가) 열교환기에서의 취약점인 용접 Point가 반감되고 내식소재 라이닝의 결함 발생율이 높은 U-Bend 생략나) Tube 한편은 free이므로 금속의 재질적 stress를 받지 않음.

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또한 종래형에서 U-Bend 전, 후 Tube의 재료온도차에 의한 열응력 문제점을 완전히 해소한 것임.

다) Tube risk 발생시 종래형은 Tube Plugging 및 교체가 사실상 곤란함.∘ Header 구조 복잡∘ Tube 1本 교제시 Tube 배열에 따라 2本 또는 4本을 교체해야 하나 Tube 길이가 수 m인 경우 Tube 교체시 주위 인접 Tube의 내식소재를 손상시킬 수 있으므로 Tube 수리작업 실행이 곤란함.

4. 적용사례가. 금호석유화학① 시설투자목적 금호석유화학 열병합발전소내의 60T/H 보일러에서 발생되는 배기가스 중 폐열을 회수하기 위하여㉠ 기존 Economizer의 용량 증대를 통하여 스팀 생산에 필요한 B-C유의 사용량을 절감하고㉡ Economizer 후단에 내부식성 자재인 Teflon 열교환기를 설치하여 추가적인 열회수를 통해 Demi-Water를 예열함으로써 Deaerator의 사용스팀을 절감함.

② 시설투자내용㉠ 기존 Economizer 용량증대 개체 (2기)∙ Type: 관형 열교환기 (Finned Tube)∙ 용량: 8,385,610㎉/H∙ Size: 5,300㎜×3,200㎜×3,000㎜∙ Surface Area: 3,207㎥㉡ Teflon 열교환기 신설∙ Type: Teflon LIned(PFA)∙ 용량: 2,637,927㎉/H∙ Size: 5,000㎜×2,700㎜×770㎜

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∙ Surface Area: 327.2㎥

㉢ Soot Blower 설치 4기∙ Moter Driven Stationary Rotary Type∙ Blowing Medium: Steam∙ 운전얍력: 25㎏/㎠g

㉣ 전기, 계장 설비∙ Pressure Transmitter 1ea∙ Absolute Press. Transmitter 2ea∙ Diff' Press. Transmitter 1ea∙ Temperature Transmitter 1ea∙ Orifice & Flange Assembly 1ea∙ Control Valve 1ea∙ On-Off Valve 1ea∙ Pneumatic damper Actuator 3ea∙ Ultrasonic Flow Meter 1ea∙ Press. Temperature Gauge 등

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번호 설비명 Economizer 규격 5,300㎜×3,200㎜×3,000㎜Surface Area: 3,207㎥ 수량 2

01

용도 및 기능1. 용도60T/H 보일러에서 발생되는 배기가스 중 폐열을 회수하여 보일러 급수를 가열하여 스팀생산에 필요한 보일러의 연료를 절감하는 장치2. 기능약 380℃의 배기가스를 보일러 급수와 열교환하여 200℃까지 낮추어 줌.

02

설비명 테프론열교환기 규격 5,000㎜×2,700㎜×770㎜Surface Area: 327.2㎥ 수량 1

용도 및 기능1. 용도Teflon Lined 열교환기는 배기가스 중 폐열회수 운전조건이 Dew Point 이하인 경우 Acid Corrosion 문제가 발생할 수 있는 상황에서 사용하는 내부식성 자재임.2. 기능1차 Economizer에서 열회수되어 약 200℃로 낮아진 배기가스의 폐열을 Demi-Water와 열교환하여 140℃까지 추가로 열을 회수함.

03

설비명 Soot Blower 규격 수량 4용도 및 기능

1. 용도보일러 배기가스 중의 Dust 등이 Economizer에 침적되어 열교환효율이 저하되는 것을 방지하는 설비2. 기능스팀을 매개체로하여 Economizer 내부 Coil에 침적된 Soot를 제거함

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< 첨부 >

에너지절감량 산출근거

금호석유화학주식회사 열병합발전소의 "60T/H BLR 배기가스 폐열회수 열교환기 설치공사"에 대한 투자효과 산출은 아래와 같습니다.

1. 기존 Economizer 교체를 통한 스팀 생산 증대 효과

기존 Economizer의 용량을 키워서 배기가스의 Inlet/Outlet 온도를 현재 운전중인 380℃ 220℃ 에서 380℃ 200℃로 되며 회수되는 열량이 8.21 mmkcal/hr 에서 9.24 mmkcal/hr로 증가하게 된다. 따라서 약 1.04 mmkcal/hr의 열이 추가로 회수되며 이로 인하여 Boiler에서의 B-C 절감량은 다음과 같음.1,040,000kcal/hr 9,750 kcal/kg B-C X 290원/kg B-C X 8,000hr/yr X 2대= 4.95 억원/년

2. TEFLON 열교환기 신설로 인한 Deaerator Steam 사용량 절감

Teflon 열교환기 신설하여 배기가스중의 폐열을 추가 회수할 경우 WEP ESP의 온도가 약 68℃ 정도로 예상되며 WEP PUMP PIT의 온도가 함께 낮아지므로 UE-355(WEP Heat Recovery Heat Exchanger)의 LMTD가 현재 현재의 11.9℃보다 낮아져 UE-355에서 회수할 수 있는 열량이 줄어들게 된다.Design상 운전 상태에서 UE-355에서 회수되는 열량은 약 9.11MMkcal/hr 정도임.

71 64.3 53.6

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LMTD=11.5 35

Q = UA (LMTD)로부터 9,110,000 kcal/hr = UA (11.5) 이므로UA = 792,174 가 된다.향후 UE-355의 운전조건이 변화하여도 UA 값의 변화는 무시할 수 있으므로 개선 사업 후 UE-355의 운전 조건은 다음과 같이 변화될 것으로 예상됨.

Hot Water 68 58.2 Demi Water UE-355에서 58.2℃로 가열된 Demi Water는 신설되는 열교환기에서 74.8℃까지 최종적으로 가열된다. Demi-water의 온도가 현재의 64℃에서 향후 74.8℃로 상승할 경우 회수되는 열량은 다음과 같다.

추가 회수열량 : 170,000 kg/hr X 10.4℃ X 1.06 kcal/kg℃ X 1대 = 1,874,080 kcal/hr

이를 B-C기준으로 연간 절감액으로 환산하면

1,874,080 kcal/hr hr 9,750 kcal/kg B-C X 290원/kg B-C X 8,000hr/yr= 4.46 억원/년

3. 전체 투자효과 : 9.41 억원/년4. Pay-out : 약 1.7 년

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나. 신동에너지(주)번호 항 목 단 위 내 용 비 고

1

보일러1) 연평균 부하율 % 62.502) 연평균 부하 t/h 200.003) 보일러 효율 % 90.00 Bf4) 보일러 운전 대수 대 2.005) 연간 가동시간 시간/년 7,920.00 hr

2

보일러 배가스열 회수1) 연평균 배가스량 N㎥/h 207,000.00 Wg2) 급수가열기 입구 가스온도 ℃ 158.00 Gt13) 급수가열기 출구 가스온도 ℃ 100.00 Gt24) 연간 배가스열 회수량 ㎉/년 31,378,881,600.0

0 GSH=Wg×hr×0.33×(Gt1-Gt2)

3

Steam Gas Heater1) Heater 입구 증기 엔탈피 ㎉/㎏ 672.80 Sh12) Heater 출구 증기 엔탈피 ㎉/㎏ 178.90 Sh23) Heater 입구 가스온도 ℃ 55.00 Gt34) Heater 출구 가스온도 ℃ 95.00 Gt45) 가동율 % 100.00 Lr6) SGH 연간 사용열량 ㎉/년 21,640,608,000.0

0 SSH=Wg×hr×0.33×(Gt4-Gt3)×Lr×0.01

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4 연간 절감 열량 ㎉/년 9,738,273,600.00 SY=GSH-SSH

5

연료비 절감액

1) 사용연료 - B-C oil(4% sulfur)

2) 연료단가(부가세 제외) 원/Liter 250.00 Fc

3) 비중 - 0.96 Sg4) 저위발열량 ㎉/㎏ 9,750.00 LHV5) 연간 연료절감량 ㎏/년 1,156,015.40 FSQ=SY/(LHV×Bf×0.01×Sg)6) 연간 연료비 절감액 백만원/

년 289.00 FSC=FSQ×Fc6 연간 전력비 절감액 백만원/

년 0.00 PSC7 연간 보수유지비(기존시설) 백만원/

년 400.00 CSC8 연간 총 절감액 백만원/

년 689.00 TSC=FSC+PSC+CSC9 시설투자비 백만원 3,250.00 Constp10 단순 투자비 회수 기간 년 4.72 Prd=Constp / TSC