열방사성 도료
열방사성 도료란 공업가열로 의 내벽을 코팅해서 로내 벽면 에서의 방사율을 증가시킴으로 써 연료 에너지를 절감할 수 있 게 연구 개발된 도료이다. 열방 사성 물질의 주 기재는 크롬, 티탄, 철화합물 등으로서, 열방 사성물질에 포함되어 있는 전 고형분을 1로 볼 때 그 중 주기재가 차지하는 비율은 50~90%이며, 그 외 결 합재와 미량의 첨가제로 산화규소(SiO2), 산화알루미 늄(Al2O3), 기타 첨가제 등을 함유하고 희석제로 물 (H2O)이 사용되고 있다. 이러한 열방사성 물질을 공 업가열로 내벽에 코팅하면 정유 및 석유화학 가열로 에서는 2~5%, 철강 및 비철금속 가열로의 경우 2~9% 정도의 연료절감을 할 수 있다.
1) 에너지의 흡수와 열
일반적으로 적외선을 열선이라고 하며 이것은 전자 파의 하나인 적외선이 물체에 흡수되어 열이 발생하 기 때문이다. 적외선의 진동파장 및 진동수가 물체 고 유의 진동파장 및 진동수와 같은 영역이고 물체에 적 외선이 닿으면 공명진동을 일으켜서 흡수된다. 흡수 된 적외선 에너지는 물체의 원자, 분자의 진동과 공진 해서 열이 발생한다. 즉 열이라는 것은 원자, 분자의 진동 에너지이다.
물체의 원자, 분자는 끊임없이 진동하고 있다. 열이
높게 되면 원자, 분자의 진동에너지가 크게 되는 것이 다. 진동에너지가 커진다는 것은 진동수가 크게 되고, 파장이 작게 되는 것이다. 이때 진동수와 파장은 반비 례 관계로 이것을 Wien의 법칙이라 한다. 물질의 진 동에너지를 크게 하기 위해서는 계외에서 에너지를 받아야 한다. 이것을 열역학적으로 에너지의 흡수라 하며 에너지의 흡수 없이 열방사는 일어나지 않는다.
ε = α (ε：방사율, α：물체의 열 흡수) 이것을 Kirchhoff의 법칙이라 한다.
적외선의 파장영역은 0.8µm에서 1mm까지 넓은 파장영역을 지니고 있으나 그 중 가시광선에 가까운 근적외선은 열작용으로서는 거의 기여하지 않는 것으 로 알려져 있다. 근적외선 에너지가 열로 작용하지 않 는다 것은 근적외선이 물체에 흡수되지 않는다는 것 이다. 따라서 이러한 근적외선 에너지를 흡수하여 열 작용을 하는 물질의 개발이 요구되어지며, 이러한 기 능을 할 수 있는 물질이 열방사성 물질이다. 열방사성 물질에 에너지가 가해질 때 복사 에너지는 다음 식과 [그림 1]에 나타내었다.
복사에너지(q)=ε×δ×A×T4
ε(Emissivity):물질의 특성에 따라 결정되며, 이상 적인 물질 즉, 흑체는 1
ε=물체의 복사 강도 / 흑체의 복사 강도 δ：Stefan-Boltzmann 상수
A:표면적, T:절대온도(K) 임 대 재
(주)이맥솔루션
2) 파장과 에너지
전자파의 파장과 에너지의 관계는 다음과 같다. 광 자 1개의 에너지 레벨을 보면 근적외선 중에서도 그 파장이 3000nm 부근에서 0.4eV이지만 가시광선에 가까운 800nm 부근에서는 1.5eV이고, 두 에너지 레 벨차이는 3.75배이다. 따라서 가시광선에 가까운 영역 의 근적외선을 이용할 경우 에너지교환의 효율을 얻 을 수 있다. 공업 가열로의 경우 로내의 온도가 800℃
부근에서 근적외선과 적외선의 비율은 반반으로 나타 난다. 로내의 온도가 1000~1300℃로 상승하면 근적 외선(0.8~4µm)이 90%이상이고 그 외는 가시광선 이 발생한다. 따라서 근적외선을 흡수하는 물질을 사 용하면 복사열에 의한 열효과를 기대할 수 있다. 이러 한 근적외선 에너지를 흡수하여 열작용을 하는 물질 이 바로 열방사성 도료이다.
공업가열로에 적용되는 내화물의 조건 및 문제점 공업가열로에 사용되는 내화물은 고온에서도 잘 용 융, 연화되지 않고 고열에 잘 견디는 물질로서, 제철 공업을 비롯하여 시멘트, 유리, 요업, 기계공업, 화학 공업, 가스, 전기 및 여러 공업 분야의 로의 내벽 등, 고온으로 유지되는 부분의 재료로 많이 활용된다. 로 를 비롯한 고온처리 장치의 내부에서는 고온 상태가 계속되고, 또한 고열에 의한 물리적 작용과 더불어 격 렬한 화학반응이 일어난다. 따라서 내화물은 첫째로 로내의 고온에 오랫동안 견딜 수 있을 정도로 용융연 화점이 높고, 둘째로 로내의 고열에 의한 화학적, 물리 적 작용조건에 오랫동안 견뎌낼 수 있어야 하며, 셋째 는 열 손실을 최소한으로 줄여야 하므로 열전도율이 낮아야 하는 특성을 갖추어야 한다.
1) 공업가열로 로재의 문제점
일반적으로 로 내벽은 내화단열연와, 또는 세라믹 화이버로 되어 있으나 내화연와는 1200℃이상에서 사 용되는 고온로에서는 그 수명이 약 6년 정도이다. 세 라믹화이버는 세라믹의 종류, 물성, 구조, 형상이 다양 하고 수명에 대해서는 확실한 자료가 없다. 세라믹화 이버의 최대의 결점은 열에 의해서 그 표면이 글라스 화되는 것이다. 세라믹화이버가 글라스화 되면 방사 열에너지의 흡수율이 50%전후로 저하되는 현상을 유 발한다. 내화연와의 경우 사용 초기에는 방사열에너 지의 흡수율이 70%부근이나, 로내 온도가 1000℃를 넘으면 흡수율은 급격히 저하된다. 또한 이러한 내화 재는 시간의 흐름에 따라 흡수율이 급격히 저하되는 현상을 보인다. [그림 2]에 온도에 따른 내화재의 열 방사율과 열방사성 도료를 코팅한 상태의 열방사율을 나타내었다.
열방사성 도료의 기술현황 1) 열방사성 도료의 기술현황
공업가열로의 내벽표면에 코팅해 가열로내의 방사 열을 높이는 도료는 기존에 탄화규소(SiC)를 주원료 로 하는 도료와 크로마이트(Cr2O3)를 원료로 하는 도 료가 알려져 있다. 탄화규소를 원료로 하는 도료는 로 내온도 800℃까지는 유효하게 작용하지만 이 온도를 초과하면 탄화규소는 열산화로 백화되어 방사에너지 흡수와 방사율은 급격히 저하되어 효력을 잃는다. 크 그림 1. Heat Radiation.
Temperature (℃)
Emissivity
Insulating seramic Fiber
Insulating Fire Brick
1.0
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
400 600 800 1000 1200 1400
Insulating fire brick coated heating radiation materials
그림 2. 온도에 따르는 Emissivity.
로마이트를 기재로 하는 도료는 로내온도가 600℃이 하에서는 효력이 없다. 또 크로마이트는 1000℃를 초 과하는 고온에서는 독성을 갖는 6가크롬(Cr6+)으로 변할 수 있다. 이와같은 문제점을 갖고 있는 열방사성 도료는 여러 문제점을 보완하여 최근에는 성능이 우 수한 2종류의 제품군으로(산화티탄 계열, 철화합물 계열) 발전되어 왔다.
열방사성 도료에 요구되는 가장 중요한 물성은
① 1000℃이상의 고온에서 방사에너지의 흡수 및 방사율이 높을 것
② 열전도율이 낮을 것
③ 물리적, 화학적으로 안정할 것
④ 도료 표면에 접촉하는 화염 및 연소가스에 의해 박리 및 침식이 잘 안될 것
등이다.
2) 열방사성 도료의 열방사 특성
앞에서 언급한 바와 같이 열방사성 도료의 주성분 은 Cr, Ti, Fe 등 다양한 금속으로 구성된다. 이러한
물질들이 가지는 열방사율(Emissivity)은 [표 2]와 같다.
여러 가지 열방사성 도료의 온도구간대별로 열방사 율 측정을 위하여 단위 면적당 코팅량 1.5kg/1m2를 기준으로 하였으며, 방사율은 흑체(Emissivity:1)를 기준으로 하였다. 측정 장비로는 Mikron-Quantum Logic MQ1310장비를 사용하였다. 위의 측정결과로 Cr계를 이용하는 경우는 다른 물질에 비하여 방사율 값이 비교적 낮으며, Fe를 이용하는 경우 다른 물질에 비하여 방사율 값이 우수함을 알 수가 있다.
3) 열방사성 도료의 구성
① Filler：열방사 특성부여를 하는 물질로 근적외 선 영역의 파장을 흡수하여 이를 방출하는 물질
② Binder：도료의 기계적 특성 및 고착성을 부여 하는 무기계 물질
③ Additive：분산 및 혼합성을 증대하고, 침강을 방지하며, Binder의 결합력을 높여주는 물질
④ Water：분산 및 시공 편이성을 주는 희석제
1. Cr은 초기 3가로 존재하나 1000℃ 이상 온도에서 6가 Cr으로 전이되어 독성물질로 변할 가능성 있음.
수입A사 Cr 2. Cr특성상 600℃ 이하, 1000℃ 이상에서 성능이 떨어짐.
(고온에서의 성능 향상을 위해 혼합금속을 사용하기도 함) 3. 사양 기술(독성 가능성 및 저온, 고온에서 성능 저하) 1. Micro 입자 바인더 사용
수입B사 Ti 2. 파쇄성상의 뾰족하고 불균일한 입자의 Filler사용
3. 바인더/첨가제 성능이 미비하여 박리현상이 많아 수명이 짧음.
Fe 1. Nano입자 바인더 및 첨가제 사용 이맥솔루션
혼합금속 2. 미립자금속기술 사용하여 균일한 입자의 Filler사용
3. 기존제품보다 우수한 바인딩 능력으로 박리가 안되고 수명이 김.
표 1. 열방사성 도료의 종류 및 특징
구 분 주성분 기술적 특징
Cr계 0.83 0.83 0.83 0.85 0.88 0.88 0.89 0.89 1.5kg/1m
2Ti계 0.87 0.86 0.85 0.87 0.88 0.88 0.88 0.89 1.5kg/1m
2Fe계 0.87 0.87 0.87 0.88 0.90 0.91 0.92 0.92 1.5kg/1m
2표 2. Cr, Ti, Fe계 열방사성 도료의 Emissivity
구 분 500℃ 600℃ 700℃ 800℃ 900℃ 1000℃ 1100℃ 1200℃ 비 고
열방사성 도료의 적용
열방사성 도료는 가열로 내의 에너지 절감과 내화 물 보호라는 우수한 장점을 지님으로 적용가능 분야 는 광범위하다. 현재 정유, 석유화학분야에서 각종 Cracker 및 Reformer 등 각종가열로에 적용하고 있 으며, 철강분야에서는 후판가열로, 주물용 가열로 등 에 적용하고 있다. 그 외에 내화물을 사용하는 공업가 열로에는 열방사성 도료를 적용할 수 있다.
1) 열방사성 도료의 시공방법
열방사성 도료를 시공하기위해서 먼저 첫째 단계로 열방사성 도료의 시공을 위해 코팅대상에 고착된 이 물질을 제거해야 한다. 둘째로 가열로 내부의 각종 계 측센서 및 코일(Coil)의 보호 작업을 실시한다. 셋째 로 상온에서 도료를 시공하는 절차이다. 이러한 절차 에 거쳐 시공을 한 후 건조과정은 상온에서 6시간 정 도의 충분한 건조 후 일반적인 가열로 승온
절차와 같이 서서히 승온한다.
2) 열방사성 도료의 공업가열로 적용 예 [그림4, 5]에 열방사성 도료 시공전, 후 의 가열로 내부의 열의 이동 상태를 표현하 였다. 일반적인 가열로에서는 반사열의 짧 은 열 파장은 열로 전달되지 못하고 대류부 로 빠져나간다. 이러한 가열로에 열방사성 도료를 적용할 경우 복사열이 증대되며 반 사열에 비해 열 파장이 긴 복사열은 코일로
전달되어 복사부 효율이 증가된다. [그림 6]은 Fe혼 합금속계 열방사성 도료(이맥솔루션 제품)를 공업가 열로에 시공한 상태이다. 시공 전, 시공 직후, 시공 1년 경과후의 사진이며 1년 경과시에도 열방사율이 0.9 정 도로 매우 높게 잘 유지되고 있으며 로내벽 표면의 코 팅 상태가 전혀 박리되지 않고 깨끗하게 유지됨을 알 수 있다.
그림 3. SEM of Filler.
전도에, 의해, 5% loss
코팅 후, Emissivity, (0.92)
8%, 반사열,
87%, 복사열, Emitted, by flame
반사열, 복사열,
대류부,
연소가스,
Burner Coll
그림 4. 열방사성 도료 시공 전.
전도에, 의해, 5% loss
코팅 전, Emissivity, (0.65)
25%, 반사열,
60%, 복사열, Emitted, by flame
반사열,
복사열, 대류부,
연소가스,
Burner Coll
그림 5. 열방사성 도료 시공 후.
그림 6. 열방사성 도료 시공전후 가열로 내벽 표면 상태.
이맥솔루션의 열방사성 도료 제품을 2004년 울산의 A화학사의 공업가열로에 적용한 경우의 경제적 효과 를 [표 3]에 나타내었다. 2006년 기준으로는 연료비 의 상승으로 경제적 효과는 더욱 클 것으로 판단된다.
열방사성 도료의 수요전망
열방사성 도료는 공업가열로에 바로 실시 가능한 것이고 그 효과는 연료의 절감과 내화재의 수명 연장 으로 나타난다. 또한 동일처리량에서 연료사용량이 감소되어 이산화탄소 배출량이 저감된다. 실제로 정
유, 석유화학 가열로에서는 2~3.7%의 연료절감효과 가 나타났다. 이러한 제조기술개발로 제품 생산 판매 시 국내에서 연간 50억원의 수입대체의 효과를 얻을 수 있으며 향후 2010년에는 [표 4]와 같이 약 160억 원대의 국내 시장을 형성할 것으로 판단된다. 국내시 장의 확대와 더불어 향후 해외시장에 진출할 것을 기 대하고 있다.
맺음말
최근 1배럴당 60불인 고유가 시대에 에너지절약의 중요성은 너무 크다. 각 기업들은 에너지 절약으로 원 가절감을 유도하고 나아가 기업 경쟁력과 기술력을 확보해야만 한다. 에너지절약의 일환으로 열방사성 도료의 사용은 에너지절약 및 내화물 수명연장에 도 움이 될 것으로 판단된다. 기술개발을 위해 연구비를 지원해 주신 산업자원부와 많은 기술지원을 해 주신 한국화학연구원(미세공정연구센타 정순용 박사님과 연구원들)에 감사의 마음을 전한다.
Energy Saving Ratio, % 2.9 Energy Saving, MMkcal/D 28.64
, NM3/D 2880
, 백만원/년 390
투자비용 , 백만원 90
투자회수 기간, 개월 2.8
표 3. 열방사성도료 시공후 경제성 평가
구 분
’03년T/A후, 04년T/A후 비교연간 약 100억원 연간 약 50억원 연간 약 10억원 연간 약 160억원
표 4. 열방사성 도료 2010년 국내 수요 예측
