집 중 기획
기술의 개요
배가스 응축열 회수와 고온 열펌프 조합 기술은 산업체 및 열병합발 전시스템 보일러에서 수증기를 포함한 중저온 배가스가 다량으로 배출 되며 이를 회수하여 재사용한다면 큰 에너지절약 효과를 얻을 수 있다.
이러한 배가스에 응축형 유동층 열교환기를 사용하여 배가스의 현열과 함께 응축잠열까지 효율적으로 회수하여 약 35∼55℃의 청정온수를 생 산할 수 있다. 이러한 회수열을 사용하여 보일러의 보충수 또는 공정수를 가열할 수 있으며 또한 연소용 공기를 가열 및 가습할 수 있다.
열병합시스템의 경우는 약 35∼55℃의 청정온수를 열원으로 열펌프를 사용하여 약 70℃로 승온한 후 리턴수를 예열하여 에너지를 최대한 절감 할 수 있으며, 또한 보일러 배가스의 응축열을 회수할 경우에는 배가스의 수증기가 제거되므로 백연저감 효과가 있으며 부식성 배가스의 경우 물 유동층 응축형 열교환기는 부가적으로 집진탈황 성능을 가지고 있다. 본 기술은 산업체 보일러 등으로부터 배출되는 다량의 중저온 배열을 열원으 로 이용하여 기존 열펌프로는 생산할 수 없었던 약 70℃ 이상의 온수를 생 산할 수 있는 배가스 열원이용 고온 열펌프시스템 기술이다(그림 1).
이영수
한국에너지기술연구원 책임연구원 [email protected]
산업체 및 열병합발전시스템 등의 보일러에서 중저 온 배가스가 다량으로 배출되며 이를 회수하여 재사 용한다면 큰 에너지 절약효과를 얻을 수 있어 이를 소개하고자 한다.
배가스 열회수와
열펌프 조합시스템
집중기획 기획 집중
기술의 중요성
50℃ 열원이용 70℃ 이상 고온수 생산기술 산업체 등의 보일러에서는 중저온 배가스가 다 량으로 배출되며, 이를 회수하여 재사용한다면 큰 에너지 절약 효과를 얻을 수 있다. 한편, 현재까지 목 적에 따라 다양한 열펌프가 개발됐으나 지금까지의 일반적인 기술로는 약 50℃까지의 온수 생산만이 가 능하였다. 즉, 현재까지 목적에 따라 다양한 열펌프 가 개발됐으나 지금까지의 일반적인 적용처는 공조 용으로서 보일러 또는 산업공정 등에서의 효율적인 운전을 위한 기술개발 및 적용사례는 상대적으로 미 흡한 상황이다.
그러나 난방 및 산업공정 등에서의 효율적인 온 열 사용을 위해서는 온수 생산온도를 좀 더 높일 필 요가 있다. 이러한 점들에 착안하여, 보일러시스템 등으로부터 배출되는 다량의 중저온 배열을 열원으 로 이용하여 기존 열펌프로는 생산할 수 없었던 약 70℃ 이상의 온수를 생산할 수 있는 배가스 열원이 용 고온 열펌프시스템의 적용 기술을 소개하고자 한다.
또한, 기존의 에너지 공급방식에 비해 집단으로
에너지를 공급하게 되면 에너지 절약(30%), CO2 배 출량 감소(30%), 대기오염물질 배출량 감소(40%) 등의 효과(한국에너지공단 홈페이지 http://www.
kemco.or.kr/chp/)가 있으므로, 현재 집단에너지 공급이 계속 증가하는 추세이며, 이에 따라 에너지 절약적인 열펌프의 고효율화 및 고온 승온에 대한 요구가 더욱 증대되고 있다.
세계적으로 에너지 절약 및 환경의 중요성으로 인해 시장규모가 점차 확대됨에도 불구하고, 열펌 프 제조사들은 내수시장 확대, 환경친화적 제품 개 발, 중국 제조사들의 급속한 성장, 다양하고 새로운 기술 개발 등의 당면 과제를 해결해야만 세계시장 경쟁에서 살아남을 수 있는 상황이므로, 다단 열펌 프, 고온열 제조 열펌프 등 미래형 첨단 열펌프 기 술 제품 발굴에 박차를 가하고 있다.
우리나라의 경우, 창문형 및 패키지 형태의 냉 난방기 분야에서는 세계적인 경쟁력을 보유하고 있 으나, 고온 승온형 열펌프시스템 부분에서는 아직 경쟁력이 부족한 실정이다. 특히 열회수시스템과의 하이브리드를 통한 에너지 이용 효율 향상에 대한 연구 및 기술 개발에 대한 투자가 많이 이루어지지 않아 관련 분야의 경쟁력은 매우 열악하다.
전기집진기 (Electrostatic precipitator)
열병합보일러 (CHP boiler)
물유동층 열교환기 (Water-fluidized-based
heat exchanger)
열회수 열펌프 (Heat recovery heat pump) Steam
Compressor
Condenser Fan
Water
pump Evaporator
Return water pump Stack
F
P
P Fuel
BV-PASS 배기스 응축열회수시스템
[그림 1] 배가스 열원이용 열펌프시스템 개략도
보일러 배가스의 응축열 회수 기술
현재 산업체의 보일러에서 약 100∼200℃의 중 저온 배가스를 대기로 배출하고 있으며 이러한 습 가스에는 다량의 수증기가 함유되어 있다. 한국에 너지기술연구원에서는 물 유동층 응축형 열교환기 가 개발되어 상용화장치를 보급하고 있으며, 또한 전열관 배열 내의 물분사 응축형 열교환기를 개발 하여 배가스의 압력 손실이 적고 응축잠열을 효과 적으로 회수할 수 있다.
이러한 응축잠열을 회수할 경우, 응축열 회수 장치의 온수 생산 온도는 약 50℃ 내외로 배가스 의 노점 이하로 제한되므로 약 60~80℃ 고온의 온 수를 얻기 위하여 고온 열펌프를 조합한 응축열 회 수시스템의 적용이 필요하다. 따라서 중대형 보일 러의 저온 배가스의 응축 열회수 및 고온 열펌프의 이용을 위한 노력이 필요하다.
물 유동층 응축형 열교환기의 특징
물 유동층 열교환기에는 가스-물 유동층에 수 증기를 함유한 배가스를 통과시키며, 배가스와 유 동층의 물을 직접접촉시켜 전열하여 물 유동층의 물을 가열하고 물 유동층 내에 존재하는 전열관 배 열 내를 흐르고 있는 저온의 청정급수를 간접접촉 방식으로 가열한다(그림 2).
이러한 경우, 배가스와 물의 유동층의 직접접촉 에 의한 전열효과가 커서 물 유동층과 전열관 내의 급수 사이의 열전달계수는 약 3,000~12,000 W/㎡K 에 이르러 전열이 촉진된다. 그리고 전열관 배열의 물의 유동화로 인하여 자체 청소 및 부식저감 효과 가 있어서 저온부식의 문제를 해결하였으며, 부식 성의 중저온 배가스의 응축열 회수도 가능하다.
저온 보일러 배가스의 응축열 회수로 생산한 온 수의 온도는 약 50℃ 이하의 저온으로 열이용이 제 한적이다. 에너지 수급과 효율적 이용 측면에서 열 펌프 시스템을 이용하여 70℃ 이상의 고온수 생산
을 통한 열원의 유용성 증대의 필요성이 있다. 이러 한 열이용처는 연소용 공기예열 및 가습, 보일러 급 수가열 및 공정수 가열 등이 있다. 그리고 열펌프를 사용함으로써 보일러 배가스를 약 30℃ 정도로 충 분히 감온하여 배가스내의 수증기의 감량으로 인 한 백연저감 효과를 크게 증대시킬 수 있다.
경제적 파급 효과
경제적·산업적 측면
열병합발전소 등의 대형 보일러 및 산업체에서 발생하는 중저온의 배가스는 대개 그대로 대기로 배출되고 있다. 그러나 이러한 중저온의 배가스에 는 다량의 수증기가 존재하며, 수증기의 응축잠열 을 다량 함유하고 있다. 이러한 열병합발전소 배가 스의 응축잠열을 효과적으로 회수함으로써 열병합 보일러의 열효율을 최대 10% 정도 증대시킬 수 있 다. 이러한 보일러의 응축형 열교환기를 개발하여 적용함으로써, 열병합발전소와 산업체에서 발생 하는 중저온 배가스의 응축 열회수가 가능하다. 또 한, 이러한 회수열량에 대한 열수요처 및 이에 대한 이용기술의 개발이 필요하다. 따라서 고온 열펌프 를 사용한 지역난방 리턴수의 승온기술 개발을 통 한 에너지 절감이 가능하며 보일러의 연소용 공기 의 가열, 가습에 의한 에너지 및 NOx 또는 백연저
[그림 2] 물 유동층 응축형 열교환기의 개략도
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감 기술의 적용이 가능하다.
사회적 측면
세계적으로 에너지 절약 및 환경의 중요성으 로 인해 시장규모가 점차 확대됨에도 불구하고, 열 펌프 제조사들은 내수시장 확대, 환경친화적 제품 개발, 중국 제조사들의 급속한 성장, 다양하고 새 로운 기술 개발 등의 당면 과제를 해결해야만 세계 시장 경쟁에서 살아남을 수 있는 상황이므로, 다단 열펌프, 고온열 제조 열펌프 등 미래형 첨단 열펌 프 기술 제품 발굴에 박차를 가하고 있다.
우리나라의 경우, 창문형 및 패키지 형태의 냉 난방기 분야에서는 세계적인 경쟁력을 보유하고 있 으나, 중대형 시스템 부분에 있어서는 아직 경쟁력 이 부족한 실정이다. 특히, 열회수시스템과의 하이 브리드를 통한 에너지 이용 효율 향상에 대한 연구 및 기술 개발에 대한 투자가 많이 이루어지지 않아 관련 분야의 경쟁력은 매우 열악하다. 이와 관련하 여, 정책적 지원을 기반으로 공조분야의 신규 시장
에서의 글로벌 경쟁력 확보를 위한 국가적 차원에 서의 정책적 지원이 절실히 요구된다(중국산업 및 산업기술 경쟁력 정보구축 산업기술기반조성에 관 한 보고서, 냉동공조분야, 산업통상자원부, 2004).
특히, 열펌프 분야의 후발 주자이면서 급속도로 성장하고 있는 중국제조사들과 기술 격차를 벌릴 수 있고, 친환경적이며, 지역 냉난방 등 국가적 정책 에 부응함으로써 내수 시장을 확보할 수 있는 미래 형 열펌프 기술 개발 추진이 절실히 요구되고 있다.
고온 열펌프시스템 설계
냉매 압축기 및 오일
70℃의 온수를 생산할 수 있는 열펌프를 개발 (COPH = 3.5)하는 것에 있으므로, 이를 위한 설계 를 수행하였다. 적용되는 열펌프는 배가스 열을 열 원으로 사용하고, 기존 열펌프 응용분야에서 일반 적으로 사용되는 것에 비해 고온의 온수를 생산하 고자 하므로, 현재 널리 사용되고 있는 일반 공조용
<표 1> 압축기 오일(Bitzer BSE55)의 기술 제원 Ölsorte
Oil type Type d’huile
Dichte bei 15℃
Density at 15℃
Densitéà15℃
Flammpunkt Flash point Point d’éclair
Stockpunkt Pour-point Point d’écoulement
Kinematische Viskosität(cSt) Kinematic viscosity(cSt) Viscositécinématique(cSt)
g/ml ℃ ℃ 20℃ 40℃ 100℃
BSE32 1,006 243 -53 88,1 31,2 6,0
BSE55 1,010 270 -54 149,4 55,0 8,8
<표 2> 압축기 오일(Bitzer BSE55)의 사용 영역 Kältemittel
Refrigerant Fluide frigorigène
Anwendungsbereich Application range Champs d’application
Erläuterungen Comments Commentaires
R134a R407C
HH H M (L) HH H M
mobile Kälte- und Klimaanlagen sowie
stationäre Anlagen bei Verflüssigungstemperaturen > 55℃
mobile refrigeration and air conditioning plants and stationary systems with condensing temperatures > 55℃
installations de réfrigération et de conditionnement d’air mobiles et installations stationnaires pour une temp. de condensation > 55℃
R22 - H M L
siehe besondere Hinweise, Kapitel 5 see special recommendation, chapter 5 voir recommandations particulières, chapitre 5
열펌프에 비해 작동 온도가 높다(표 1, 표 2, 표 3).
정상 상태에서의 증발온도를 상용 공조용 압축 기 허용 증발온도의 상한값 수준인 20℃ 전후로 예 상하고, 이러한 운전 범위를 만족시킬 수 있는 상 용 작동유체를 선정하였다. R134a, R227ea, R236fa, R1234yf 및 R600a 등이 가능하긴 하나, 상용화 역사 가 길고, 안정성 측면에서 오랫동안 검증된 R134a 를 작동유체로 선정하였다.
시스템 구성 요소 중 가장 핵심 부분이라 할 수 있는 압축기의 경우, 용량별 형식에 따라 터보형, 스크루형, 왕복동형 등이 있는데, 본 연구에서는 30 RT의 용량을 고려하고 있으므로, 터보형을 제외
한 용적식 압축기를 고려하였다. 본 연구에서는 용 적식 압축기 메이커 중 세계 최고 수준의 기술력을 보유한 것으로 평가되는 독일 Bitzer社의 왕복동 압 축기를 고려하였다.
압축기 윤활유로서, 응축온도 55℃ 이상에 적 용 가능한 에스테르 계열의 오일을 고려하였다. 본 연구에서는 Bitzer社의 BSE-55(40℃에서의 점도가 55 cSt)를 사용하였다.
사이클 구성 및 구성요소 제원 결정
70℃의 온수를 생산할 수 있는 열펌프 사이클 을 그림 3과 같이 구성하였다. 70℃의 온수 생산이 가능하여야 하므로, 응축온도는 이보다 높은 온도 로 형성될 것이며, 75℃의 응축온도를 고려하였다.
증발온도는 높을수록 COP 측면에서 좋으나, 압축 기의 기계적인 한계가 있으므로, 무한히 높일 수는 없다. 일반적으로, 상용 밀폐식 압축기의 허용 최 고 증발온도는 12℃ 정도이나, 반 밀폐형의 경우 약 15~20℃, 개방형의 경우 약 20℃까지 가능하므 로, 본 연구에서는 개방형 압축기를 적용하여 시스
<표 3> 압축기 오일(Bitzer BSE55)의 대체 가능 오일
Supplier Oil type
Deutsche BP Castrol Icematic SW 68
CPI Solest 68
ExxonMobil EAL Arctic 68
Fuchs SE 55
Shell Clavus R68
Uniquema RL 68 S
[그림 3] 고온 열펌프 사이클 구성 개략도 [그림 4] 압축기 설계 제원
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템 COP를 극대화할 수 있도록 하였다. 본 연구에 서는 약 35℃의 열원에 대해 20℃의 증발온도를 고 려하였다.
위와 같은 응축/증발 온도 및 응축열량(30 RT 급)을 만족시킬 수 있는 압축기로서, 그림 4와 같 은 압축기를 고려하였다. 전술한 바와 같이, 본 연
구에서는 독일 Bitzer社의 개방형 왕복동 압축기(모 델 6H.2Y)을 고려하였다. 위와 같은 설계점에서 예 상 COPH는 축동력을 압축기 일로 가정했을 때, 약 3.7로 예상된다.
위와 같은 사이클 구성을 위하여 표 4와 같은 설계 조건의 증발기 및 응축기를 선정하였다.
또한, 그림 5와 같은 팽창기구를 선정하였다.
Emer son社의 EX 시리즈 전자팽창밸브는 단방향 (Uni-flow) 모델의 경우 약 100℃까지 사용 가능하 며, 본 연구에서는 1600 step의 분해능을 갖는 모델 EX7을 팽창기구로서 고려하였다.
열회수시스템과의 조합 운전을 위하여, 그림 6 과 같은 제어 방안을 수립하였다.
<표 4> 증발기 및 응축기 설계조건 열용량
(kW)
입구수온 (℃)
출구수온 (℃)
냉매측 허용 dP(kPa)
응축온도 (℃)
증발온도
(℃) 비고
증발기
(R134a-물) 89.3 35물 25물 약20~30 이내 20
(과열도 = 10℃)
팽창변입구 액온도
= 75℃ 이하 응축기
(R134a-물) 122.0 56.4물 70물 약20~30 이내 75
(과냉도 = 0℃ 이상)
입구가스온도
= 94℃
[그림 5] Emerson社의 전자팽창밸브
[그림 6] 열회수-고온 열펌프 통합 제어로직
조합시스템 현장설치 및 모니터링시스템 구축
고온히트펌프시스템 현장 설치
실증용 배가스 이용 고온히트펌프시스템은 보일 러 공급수 가열을 위해 현장에 설치되는 시스템으로 서 시제품의 다양한 사전 성능 평가 실험을 통해 설 계 및 운전 특성에 정보를 확보한 뒤 실증장치를 설 계 제작하였다(그림 7, 그림 9). 실험실 내의 장치 가 아닌 실제 공장의 급수 계통에 연결되어 온수를 공급해야 하기 때문에 많은 안전장치 및 보호 로직 이 추가되어 실제 운전 시의 신뢰성을 확보하였다.
롯데푸드 청주공장은 2009년부터 물 유동층 열
교환기를 설치하여 배가스 폐열을 보일러 급수 가 열에 활용하고 있었다(그림 8). 열펌프 운전에는 필요열을 제공하는 열원수와 소비자에게 공급되는 공급수가 필요하다. 열원수가 지열, 해수열 등의 신재생에너지나 공정 폐열 등의 낮은 온도에서 열 을 흡수한 뒤 히트펌프 사이클을 통해 고온의 공급 수로 열을 전달하는 구성이 일반적인 시스템 구성 이다. 롯데푸드 실증사이트의 경우 배가스 폐열 회 수 회로와 공급수 회로가 이미 연결되어 운전되어 있기에 일반적인 시스템 구성을 적용하기 힘든 환 경이었다. 이에 기존 회로에 바이패스 루프를 추가 하여 이를 열원수로 전달하는 사이클을 고안하여 실증시스템에 적용하였다.
실증운전을 위해 롯데푸드 보일러실 건물 옥상 에 별도의 챔버를 제작하여 30RT급 열펌프시스템 과 버퍼 탱크 등을 설치하였다. 이외에도 열펌프 운전 효율을 높이기 위해 인버터 제어시스템을 적 용, 압축기 운전 속도 변경이 가능하도록 하였다.
인버터 제어는 상용 60 Hz 전원을 컨버터와 인버터 를 거쳐 원하는 전원 주파수로 변환하여 압축기가 가변속 운전이 되도록 하는 제어로서 시스템 부분 부하 운전 시 기동/정지를 방지하여 에너지 손실을 줄이게 된다.
[그림 7] 열펌프시스템 도면
[그림 8] 배가스 응축열 회수시스템 [그림 9] 고온 열펌프시스템 장비
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제어 및 모니터링시스템
제어시스템을 구성하기 위해 PLC(Programm- able Logic Controller)를 사용하였고 PC에서 PLC와 의 통신 및 제어를 위해 Autoeye10 프로그램을 활 용하였다. 압축기 및 바이패스 루프 제어와 시스템 보호 제어 로직이 PLC 하드웨어에서 수행되도록 하였으며, 열펌프 제어 패널에 터치스크린을 설치 하여 PC를 통하지 않고 열펌프시스템 운전 조작이 가능하도록 하였다(그림 10, 그림 11).
롯데푸드 열펌프 조합 열회수장치의 열회수성능 분석
롯데푸드 청주공장의 12 ton/hr 보일러의 배가 스 폐열회수를 위하여 열펌프 조합 응축열 회수장 치를 설치하였다. 이러한 열회수장치의 전열성능 을 2013년 1월의 25일 22:00부터 1월 26일 16:00까 지 측정하였다. 이러한 성능측정에서 물 유동층 열 교환기에서의 급수입구온도와 급수유량, 열펌프의
[그림 11] 열펌프 조합시스템 모니터링 프로그램 [그림 10] 인버터 제어반 및 데이터 계측시스템
공급수의 입출구온도와 유량, 열원수의 입출구온 도와 유량 그리고 보충수의 온도를 측정하였다. 그 림 12에 열회수장치의 성능측정 시의 온도 측정결 과를 나타내었다.
온도 측정결과를 보면 보일러의 부하율이 생산 현장의 스팀 사용량에 따라 매우 불규칙하게 변화 한다. 또한, 이에 따라 보일러로 공급되는 보일러 급수의 유량이 불규칙하게 변화하고, 보일러 급수 탱크로 공급되는 보충수는 급수탱크의 수위에 따 라 간헐적으로 공급된다. 이에 따라, 물 유동층 열 교환기로 공급되는 급수 온도와 열펌프로 공급되 는 공급수의 입출구 온도가 불규칙하게 변화하는 것으로 나타났다.
그림 12에 나타난 보충수온도, 물 유동층 열교 환기의 급수입구온도, 열펌프 공급수의 입출구 온 도와 열원수의 입출구 온도의 평균 값을 계산하였 으며, 이를 표 5에 나타내었다.
이러한 측정 결과를 사용하여, 물 유동층 열교 환기 회수열량, 열펌프의 공급수 열량 그리고 열펌 프의 열원수 열량을 다음과 같이 계산할 수 있다.
이로부터 열펌프조합 열회수장치의 회수열량을 결 정하였다.
- 물 유동층 열교환기의 회수열량 = 118.7 kW
- 열펌프의 공급수 열량 = 112.6 kW - 열펌프 열원수 열량 = 84.4 kW
- 전체 열펌프조합 열회수장치의 회수열량 = 146.9 kW
결 론
산업체 보일러의 응축형 열교환기를 개발하여 적용함으로써 열병합발전소 및 산업체에서 발생하 는 중저온 배가스의 응축열 회수가 가능하며, 산업 체 배가스로부터 배출되는 다량의 중저온 배열을 열원으로 이용하여 기존열펌프로는 생산할 수 없 었던 약 70℃ 이상의 고온수를 생산할 수 있는 고온 열원 열펌프 기술이다. 또한, 국내 산업용 보일러의 설치현황에 대한 한국에너지공단 자료에 의하면, 설치대수가 35,000만 대 정도이므로 보일러 및 연 소로 배가스의 열회수시스템을 적용하면 국내 시 장성이 매우 밝다고 할 수 있다.
참고문헌
1. 이영수, 2013, 배가스 열원이용 고온 열펌프시스 템 개발, 산업통상자원부 보고서.
80 70 60 50 40 30 20 10 0
시간
온도(deg C)
2013-1-25 18:00:00 2013-1-26 0:00:00 2013-1-26 6:00:00 2013-1-26 12:00:00 2013-1-26 18:00:00 공급수출구 공급수입구 열교환기입구 열원수입구 열원수출구 보충수
[그림 12] 열펌프 조합 열회수장치의 온도측정결과(2013년 1월)
<표 5> 열회수 성능실험의 온도 및 유량 측정결과
항목 측정값
보충수 온도 9.35℃
열교환기 급수 입구온도 45.11℃
열펌프 공급수 입구/출구온도 53.21℃/67.08℃
열펌프 열원수 입구/출구온도 34.99℃/24.55℃
열교환기 급수 유량 12.6 ton/hr
열펌프 열원수 유량 6.93 ton/hr
열펌프 공급수 유량 6.96 ton/hr
