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아침 종합뉴스 헤드라인이 뉴욕증시와 텍사스 중질유의 가격동향으로 차지한지 이미 오래다. 우리나라는 모두가 알고 있듯이 에너지 다소비 국가지만 매일 아침에 유가의 흐름을 왜 들어야하는지 우리가 에너지를 어느 정도 소비 하는지는 거의 관심이 없다. 또한 국내 산업에서 사용하는 양도 막대한 것으로 보이나 사실 어느 정도인지 가늠하기 어렵 다고 하겠다. 공업로는 철강산업 및 자동차산업 등 소재 및 제품 생산과정에서 필수적인 설비이다. 쇳물을 녹이는 용강로, 전기로에서 각종의 열처리로까지 모두 에너지를 대단위로 사용하는 것으로 이 분야에서의 에너지 절약은 앞으로 우리나 라가 얻을 수있는 효과 중 상당부분을 자치하는 것으로 있다고 판단된다. 낮은 에너지효율
세계각국의 에너지 소비량 통계
우리나라의 에너지 소비에 대한 내용을 간단히 소개하면 다음과 같다. ● 2003년 우리나라의 1차 에너지 총소비량은 2억1,200만TOE로 세계 총 소비량의 2.2%를 점유 하여 세계 10위 수준● 우리나라의 1인당 소비량은 4,424kg으로 세계 평균 소비량의 2.9배를 소비하여 세계17위 수준● 교토의정서의 발효로 국내에서도 배출가스의 량을 줄이는 것이 절실 한편 에너지 효율 면에서 보면 우리나라의 소비상황은 감히 심각한 상태라고 할 수 있다. 우리와 일본은 에너지는 부족한데 에너지 사용은 많은 제조업 강국이라는 공통점을 가지고 있다. 하지만 일본의 에너지효율은 한국보다 3배나 높고 선진국 평균보다도 50~70% 이상 앞서 있다. 국제에너지 기구(IEA) 자료에 따르면 2003년 기준 일본의 에너지원단위는 0.11TOE(석유환산ｔ)로 경제협력개 발기구 국가 평균인 0.201TOE 절반 수준이다. 에너지원단위란 국가의 국내총생산(GDP) 1000달러를 생산하는 데 필요한 에너지 소비량을 나타내는 것으로 에너지를 얼마나 효율적으로 사용하고 있는지를 알 수 있다. 한국은 2005년 0.359TOE로 에너지효율이 일본보다 3배 이상 낮다. 이와 같은 현상은 우리나라 경제에서 철강, 석유 화학 등 에너지를 많이 쓰는 중화학공업이 차지하는 비중이 높은 데다, 에너지절감 기술 개발을 통해 에너지 저소비 구조로 전환하려는 노력을 소홀히 했기 때문이라고 할 수 있다. 생산설비를 설계할 때부터 에너지를 적게 쓸 수 있는 구조로 만들 려는 노력이 절실한 상태이다. 공업로의 에너지원
공업용 내부의 가스연소 장면
공업로는 철강, 비철, 요업, 화학공업, 환경관련등 모든 산업분야에 있어 필수 설비이지만, 에너지를 다량으로 소비하는 설비이며, 해당부분의 에너 지소비량의 약 70%를 공업로 및 보일러 등이 점유하고 있다. 또한 CO2배출에 따른 지구온난화 및질소산화물에 의한 환경파괴 또한 프레온 등에 의한 오존층 파괴 등 지구환경 문제에 대한 관심이 높아지는 가운데 방대한 에너지를 소비하는 공업 연소의 정의
연소생성물
연소(Combustion)란 연료 중의 가연성 성분(탄소, 수소, 황)이 공기 중의 산소와 결합하여 산화되는 현상이다. 연소반응은 연료(C, H, S) ＋ 산소(O2)= 연소가스 ＋ 열에너지(반응열) 로 표현된다. - 가연성 : H2, C, S, 탄화수소계화합물(CmHn)- 조연성 : O2스스로 타지 않고 타물질의 연소를 도와주는 물질- 불연성 : N2, Ar, He. (산소와 반응하기 힘들다)산화가 용이하지 않은 물질 또는 활성화에 너지 양이 크게 필요로 하는 물질 연소시 발생하는 생성물은 다소 복잡한 듯하나N2, CO, CO2, O2, H2O, H2, NOX, SOX, CmHn 외에는 얻어지지 않는다. 실제조업에서 완전연소와 불완전연소로 구분되어지며, 그 반응 다음과 같이 표현된다. 연료(CmHn)+공기(O2+N2) →연소반응 →연소생성물 완전연소는 산소가 충분한 상태에서 가연분이 완전히 산화되는 반응 (λ=1.0)으로 다음의 발열반 응이 일어나며 이열을 이용해 용해, 가열, 열처리에 수행할 수 있게 되는 것이다. C＋O2= CO2＋ 97,000 kcal/moleH2＋ O2= H2O＋57,600 kcal/mole S＋O2= SO2＋ 70,900 kcal/mole 완전연소 조건은1) 충분한 온도(Temperature) : 연소반응이 시작되기 위한 최소한 온도2) 충분한 시간(Time) : 연소반응이 완결되기 위한 반응시간3) 충분한 혼합(Turbulence) : 가연분과 산소의 충분한 접촉 불완전연소는 산소가 불충분한 상태에서 가연분이 불완전하게 산화되는 반응으로 공기 중 산소의 농도가 떨어지면 불완전연소 상태가 되어 일산화 탄소(CO)가 발생하게 된다. CmHn + aO2→ bCO2+ cH2O + dCO + eH2,C ＋ ½O2= CO ＋ 29,600 kcal/mole 불완전 연소의 발생원인은 가스압력이 과다할 때, 가스압력에 비하여 공급 공기량이 부족할 때, 공기와의 접촉혼합이 불충분할 때, 연소된 폐가스의 배출이 불충분할 때, 불꽃의 온도가 저하되었을 때, 환기가 불충분한 공간에 연소기가 설치되었을때 등이다. 기체 연료의 특성치
기체 연료의 특성을 나타내는 중요한 수치는, 고위발열량, 저위발열량, 비중, 이론공기량, 최대 연소 속도 등의 특성치가 중요하다. 연료에 적합한 연소장치를 설계 또는 선택할 경우에는, 이것들의 모든 수치를 잘 검토하여 조건에 맞는 연소장치를 사용하지 않으면 안된다. 또, 기체연료는 공기중에 누출되는 경우에는, 화재, 폭발사고의 원인으로 되기 쉬운 물질을 갖고 있기 때문에 그 취급에 맞는 비중, 연소범위, 자기 착화 온도 등, 안전상의 중요한 모든 특성을 잘 조사하여, 미리 안전대책을 강구하는 것이 중요하다. 특히, 일산화탄소는 동식물에 대단히 유독한 물질로 공기중에 200ppm이상 혼입한 경우는 중독 증상을 일으키고 죽음에 이르는 위험성도 있기 때문에 이것을 사용할 때는 충분한 주의를 해야 할필요가 있다. 가스분석의 방법으로 Gas Chromatography 가 보급되어 가스조성이 단시 간에 정확히 분석 가능하도록 되었기 때문에, 이것 들의 수치의 실제측정이 생략되고 조성(분석치)이널리 알려지는 예가 많지만 조성이 있으면 계산에 의해 발열량, 비중, 이론공기량은 상당히 정확하게 계산하는 것이 가능하며 그 계산법도 간단하다. 조성으로부터 최대 연소속도, 연소범위도 계산할 수있지만 상당히 복잡하여 컴퓨터 계산을 요하기 때문에 여기에서는 생략한다. 기체연료의 종류는 탄화수소계화합물(CmHn)를 위시하여, H2, CO, CO2, O2, N2, SOX등을 포함하고 있다. 종류에 따라 성분의 구성차이가 많으며 지역에 따라서도 구성비가 차이가 나므로 꼭 확인하여야 한다. 고위발열량 (고발열량) 연료가스의 고위발열량은 가스분석치의 각 성분중 가연성분에 따라서 각각의 구성율은 χi, 그 각각의 성분의 발열량 Hi를 곱하여 그 총합을 구하면 된다. 식으로 나타내면으로 된다. 예를들면, H2: 30%, CH4: 53%, C3H8: 15%,N2: 2%의 가스의 경우는H = 3050×0.3 + 9540×0.53 + 24230×0.15H = 9605.7 Kcal/㎥으로 된다. 저위발열량 (저발열량) 같은 방법으로,으로 구한다. 또한, 도시가스의 경우는 U=0.9H라고 생각해도 큰 차가 없기 때문에, 보통은 간이계산으로 이 값을 사용한다. 이것은 일반적인 로설비에서 연소가스중의 수증기가 응축하지 않은 채로 배출되기 때문에 응축 열을 이용할 수 없기 때문이다. 비중 전체성분에 대하여를 구하고, 그 총합을 구한다. 가정용 가스 기구에 사용되는 버너의 경우는 Weber지수가 Input 결정에 중요한 의미를 갖지만, 일반의 공업용 버너에 대해서는 그다지 중요시 되고 있지 않다. 이론공기량
전체의 가연성분과 산소에 대해서을 구한다. 여기서 산소의 계수는 음의 값이 될 수도 있는것에 주의 해야만 한다. 가스 분석치, 즉 조성이 불분명한 연료가스라도 고위 또는 저위 발열량의 실제 측정치가 있는 경우 에는 간단히 이론공기량을 구하는 것이 가능하며이 값은 의외로 정확하다. A = H / 1000㎥/㎥ 또는 A = 1.1U /1000 예를 들면 4,500㎉/㎥의 6C 도시가스의 이론공 기량을 이 방법으로 구하면 A = 4.5가 되고 실제 측정치 A = 4.0 보다 약간 크게 되지만 이론공기 량은 약간 크게 계산된 경우가 있으나 실질적으로큰 문제가 되지 않으므로 종종 발열량으로부터 계산하기도 한다.(연소곡선 참조 ) 최대 연소속도
기체 연소의 취급상 특히 주의할 점은 최대 연소 속도로 그 대소에 따라 버너의 구조가 크게 변한다. 일반적으로 수소H2는 가장 최대연소속도가 빠른 가스이며 H2가 30%이상 포함되어 있는 연료가 스의 최대 연소속도는 50cm/sec이상의 경우가 많지만 천연가스, LNG와 같이 H2를 포함하지 않는 탄화수소가 주체인 가스의 최대 연소속도는 37~42㎝/sec 정도가 된다. 이상, 가스 분석치에서 여러 종류의 정보를 얻을수 있는 것을 설명했지만 실제 문제로는 기체 연료는 조성이 때때로 조금씩 변화하기 때문에 분석치도 H235-40% 범위로 나타내는 경우가 많고 그대 로는 계산할 수 없기 때문에 평균치 혹은 대표적인 예로 계산하여 이것으로 충분히 연료의 전체 특성을 파악할 수가 있다. 아래 표는 각 기체연료의 중요한 특성치를 정리 하여 표시한 것이다. 가스연소는 다음 3요소를 충족하여야 이루어진다. - 연료 : 가연성(탈 수 있는)물질- 산소 : 공기로부터 공급- 온도 : 인화점 이상의 고온 역으로 가스연소에서의 소화는 연소의 조건중 1요소를 제거하면 가능하다. - 연료제거 : 가스 화재시 밸브를 잠근다. - 산소차단 : 모래살포, 담요로 불을 덮는다. - 온도하강 : 찬물을 불 위에 붓는다. 에너지 절약
공업로의 에너지 소모량을 고려할 때 그 규모와 효과는 간과할 수 없다. 특히 국내 에너지 효율면에서 선진 일본에 비해 1/3 정도로 그 수준은 개선의 여지가 무궁무진한 상태이다. 그럼에도 불구하고 미래가 밝지 못한 것 또한 현실이라 하겠다. 연료가스의 연소에 대한 여러 가지 특성을 설명 했는데 고효율 고성능의 공업로 설계에 반영하여이 열원의 손실을 극소화하는 것이 관건이라고 하겠다. 이제 국내의 공업로 수준은 나름대로 독자엔지 니어링 기술을 확보한 상태여서 처리 목적에 맞는 설계, 제작, 조업을 수행한다면 유효한 결과를 얻을 수 있다. 한가지 걱정되는 것은 국내에서는 에너지효율및 친환경 공업로에 대한 업체들의 의지가 부족하 다는데 문제가 있다. 공업로 분야에서는 연소열의 효율을 높이는기술이 에너지를 절약하고 환경부하를 줄이는 지름 길이다. 주요 항목으로 나타내면 다음과 같은 것이 핵심이라고 판단된다. - 열정산을 통한 최적 설계- 목적에 맞는 고효율 버너의 채택- 유효한 내화단열 시스템 적용- 공업로 및 부대설비의 통합제어시스템- 친환경적 경제성이 있는 시스템 구성- 에너지 절약 및 환경보존에 대한 강력한 의지 |
