기호설명

하첨자

1. 서 론

전 세계적으로 에너지 소비량이 증가하고 있으며, 이에 따라 탄소배출량도 지속적으로 증가하고 있다. 전 세계 에너지 소비량 중 열에너지는 51%를 차지하고 있으며, 유럽의 경우 열에너지 비중이 81%을 차지하고 그중에서도 공정열 수요는 66%에 해당한다. 산업기반 국가인 우리나라의 경우도 마찬가지로 국내에 사용되는 최종에너지 비율 중 열에너지는 55.1%를 차지하고 있으며, 산업부문은 부문별 최종 에너지 사용 비율의 62%로 상당히 큰 부분을 차지하면서 국내 산업부문 열 소비에 대한 개선이 필요하다.⁽¹⁾ 이러한 상황에서 산업폐열 등 미활용 에너지를 활용한 고효율 히트펌프 적용은 산업 열에너지 소비 저감을 위한 대안이 될 수 있다. 국내의 경우 상업용 히트펌프 보급은 활발하게 진행되고 있으나, 산업공정으로의 히트펌프 보급 사례는 매우 적다. 산업공정에 히트펌프를 적용하기 위해서는 일반적인 온수 히트펌프(토출온도 80℃) 보다 높은 고온의 열에너지를 생산해야 하며, 실제 산업공정에 적합한 대용량 히트펌프가 필수적이다. 본 연구에서는 제지 건조 공정을 대표적인 산업공정으로 고려하여 산업용 히트펌프 적용에 대한 가능성을 분석하고자 한다. 그러나 히트펌프 적용에 앞서 제지 건조 공정 현장에서는 아직까지도 정확한 계측이 진행되고 있지 않아 열에너지 흐름의 파악이 어려운 실정이다. 지금까지 제지 건조 공정에 대한 연구는 주로 건조 실린더의 열전달에 대해 이론적 모델링 방법으로 진행되었다. Ghosh⁽²⁾는 제지 산업에서 건조 공정의 중요성을 강조하며, 스팀 소비와 환기 시스템의 이론적 열전달 모델링 방법을 설명했다. Lee et al.⁽³⁾은 제지공정에서 건조 실린더를 모델링하고 입력변수들에 대한 공정의 응답 특성을 분석했다. 모델 검증은 실제 공장의 수분함량과 온도 측정 데이터를 기반으로 진행되었고, 건조 공정의 열전달 계수를 실험식으로 나타낼 수 있음을 확인했다. Ramaswamy and Holm⁽⁴⁾은 제지 건조 공정의 열 및 물질 전달을 건조 영역, 습식 영역, 중간 영역의 세 부분으로 구분하고 수학적 모델링 방법론을 제시했다. Lu and Shen⁽⁵⁾도 유사하게 이론적 제지 건조 모델을 제시하면서 실린더 온도, 대기 온도, 상대습도 등의 변수를 이용하여 적절한 건조 실린더의 개수를 도출했다. 이론적인 모델에 대한 연구들은 위와 같이 진행되어 왔으나, 아직까지 건조 공정 현장에 대한 정보를 대상으로 분석을 한 연구는 제한적이다. 따라서 본 연구에서는 산업용 히트펌프 적용 이전에 제지 건조 공정의 제품 생산데이터와 후드 에어 밸런스 실측데이터를 통해 제지 건조 공정의 에너지 밸런스 흐름을 분석해보고자 한다. 제지 건조 공정 열에너지 흐름의 분석 결과는 향후 히트펌프 적용 시 제지 건조 공정의 에너지 및 경제성 분석에 활용된다.

2. 제지 건조 공정 현황 파악

제지 건조 공정의 “보일러-스팀-제지건조-응축수”로 이어지는 에너지 흐름이 Fig. 1과 같이 도식화되었다. 가스보일러에서는 제지 건조를 위한 스팀을 생산하며, 생산된 40.2 ton/h의 스팀(포화증기, 700 kPa)은 공급배관(1번)을 따라 원통형의 건조 실린더로 공급된다. 건조 실린더들은 군집으로 4군, 3군, 2군, 1군으로 구성되며, 각각의 군집은 15개, 9개, 7개, 3개의 건조 실린더로 구성된다. 제지는 스팀으로 가열된 원통형의 건조 실린더를 1군에서부터 4군까지 지나면서 건조된다. 스팀은 4번 군집의 건조 실린더에서 공급되며, 제지 건조에 사용되고 남은 스팀은 건조실린더 후단 배관(2번)으로 이송된다. 이후 기액분리기를 거친 스팀은 다음 3번 군집의 건조 실린더에 열을 공급한다. 이러한 과정은 1번 군집 건조 실린더까지 순차적으로 진행되며, 지필에서 증발된 수분은 습공기의 형태로 배기덕트로 배출된다. 건조공정 후단의 포화증기(12번)는 후드 내부 공급 공기의 열원으로 사용되며, 이후 포화 액체(13번)와 합지되어 보일러로 순환된다.

Table 1은 제지 건조 공정의 설비 제원 및 제품 생산데이터의 정보를 보여준다. 제품 생산데이터에는 건조 실린더의 회전 속도, 건조 제지의 폭, 평량, 제지 생산량, 함수율 등이 고려되었으며, 각각의 건조 실린더는 길이 5.8 m, 지름 1.83 m의 관으로 모델링되었다. Table 2는 제지 건조 공정이 일어나는 후드 내부의 에어 밸런스 실측데이터를 보여준다. 후드 내부 에어 밸런스는 후드 내부 공기 배출(exhaust), 후드에 공급되는 공기(supply), 공기의 공급 및 배출 과정에서 발생하는 침기(leakage)를 고려하였다. 계측장비는 후드 내부의 배출 공기 계측 포인트(exhaust 1~7)와 공급 공기 계측포인트(supply 1~4)에 각각 설치되어 온도, 유량, 습도가 측정되었다. 침기는 배출 공기와 공급 공기의 차이만큼 발생하는 것으로 가정하였다. 각 계측 포인트의 값을 종합하여 단순화하면 Table 2와 같이 후드에는 95℃의 건공기가 44 kg/s의 유량으로 공급되며, 40℃의 침기가 발생하여 144℃, 62.9 kg/s의 습공기가 후드 바깥으로 배출된다.

Fig. 1 Schematic diagram of paper drying process.

3. 제지 건조 공정의 스팀 소비 열량 추정

제지 건조 과정에서의 스팀 소비 열량은 Table 1~Table 2 데이터를 기반으로 제품 생산데이터와 후드 에어 밸런스 실측데이터에 대해 각각 계산 후 비교되었다. 스팀 공급라인 입구측에 스팀유량계를 측정을 하나, 건조 공정 중간에서 스팀을 분기하여 다른 공정에 사용하고 있어, 건조 공정에 사용되는 정확한 유량은 현재 추정하기가 힘들다. 따라서, 본 연구에서는 제품 생산데이터 기반 건조공정 스팀소모량, 후드 에어 밸런스 기반 건조 공정 스팀소모량에 대해 분석하였다.

생산데이터 기반 스팀 소비 열량은 식(1)~식(7)과 같이 계산되었다. Table 1의 생산데이터를 기반으로 건조 실린더 전·후단의 원지 중량 및 수분 중량을 계산하고, 건조 과정에서의 수분 증발량 및 이를 증발하기 위한 스팀 소비 열량이 계산된다. 제품 생산데이터 기반 스팀 소비 열량의 결과를 Table 3에 나타냈다. 공정 생산 정보(운전속도, 지폭, 평량 및 함수량)를 바탕으로 계산한 결과, 건조기 전단에서의 원지와 수분의 중량은 각각 46.10 ton/h와 33.38 ton/h이었으며, 건조 공정을 지난 후 건조기 후단에서의 원지와 수분 중량은 각각 46.10 ton/h와 3.90 ton/h로 분석되었다. 따라서 생산데이터의 제품 생산량과 건조기 전·후단의 함수율 조건에서의 제지 수분 증발량은 29.48 ton/h로 계산되며, 이때 29.48 ton/h의 수분을 증발시키기 위한 소비열량은 20,911 kW로 계산된다.

후드 에어 밸런스 실측데이터를 바탕으로 한 스팀 소비량은 식(8)~식(10)과 같이 계산되었다. 실측을 통해 공급 공기와 배출 공기의 온도, 습도, 유량을 획득하고 이를 바탕으로 습공기의 엔탈피를 계산했다. 침기의 유량은 배출공기과 공급공기의 차로 추정되었으며, 후드 내부 공급, 배출, 침기의 유량과 엔탈피를 고려하여 스팀 소비 열량은 Table 4와 같이 18,903 kW으로 계산되었다. 각각의 조건에서 계산된 소비 열량은 Table 5에 정리되었다. 분석 결과를 비교해 보면 제품 생산량과 후드 에어 밸런스 실측데이터를 기반으로 한 제지 건조 공정의 소비 열량은 평균 19,907 kW로 유사한 결과를 보였다.

4. 제지 건조 공정 분석 결과

건조 공정 각 파트별 스팀유량을 측정하기가 현실적으로 어려운 상황이라 각 관군별 스팀유량을 합리적으로 추정하기 스팀 라인의 유량 분석을 하였으며, 분석에 따른 제지 건조 공정의 위치별 스팀의 상태량은 Table 6과 같이 도출되었다. 실제로 각 관군별로 목표하는 스팀 압력 값을 기반으로 몇 가지 가정을 통해 상태량을 분석하였다. 스팀 라인은 앞에서 서술한 바와 같이 4군에서 1군사이로 공급되게 되며 건조과정에 사용되고 남은 스팀은 기액분리기를 거쳐 다음 건조 실린더 관군에 공급된다. 건조 실린더의 스팀 소비 열량 총합은 생산데이터 및 후드 에어 밸런스를 통해 추정된 평균값인 19,907 kW로 가정하였고, 각각의 건조 실린더에서 동일하게 발생한다고 가정하여 건조 실린더 1개당 585.51 kW의 열이 발생하는 것으로 계산하였다. 따라서 4번 관군에서는 8,783 kW, 3번 관군에서는 5,270 kW, 2번 관군에서는 4,099 kW, 1번 관군에서는 1,757 kW의 증발열이 발생하는 것으로 간주되었다. 결과적으로, 제지 건조 공정의 위치별 열역학적 상태량은 공정 입구 조건(포화증기, 700 kPa)과 출구 조건을 고려하여 Table 6과 같이 계산되었다.

5. 결 론

본 연구에서는 제지 건조 공정에 대해 주어진 제지 생산데이터와 후드 에어 밸런스 실측 결과를 활용하여 제지 건조 공정의 에너지 밸런스 분석을 진행했다. 연구에서 분석된 주요 결과는 다음과 같다.

(1) 제지 생산데이터에서는 제품 생산속도, 크기, 평량, 건조기 전․후단의 함수율을 통해 제지 건조 공정에서의 수분 증발량과 스팀 소비 열량을 파악할 수 있었다.

(2) 후드 에어 밸런스 데이터에서는 후드의 배출 및 공급 공기의 실측을 통해 후드 내부 습공기의 유량, 온도, 습도가 측정되었으며, 이를 바탕으로 습공기의 수분량, 엔탈피, 스팀 소비열량을 파악할 수 있었다.

(3) 제지 생산데이터와 후드 에어 밸런스 데이터에서 계산된 스팀 소비열량을 기준으로 제지 건조 공정의 각 위치 별 상태량이 분석되었다.

본 연구의 분석을 통해 기존 제지 건조 공정의 스팀 소비량, 수분 증발량, 건조 공정의 위치 별 상태량 등 구체적인 열에너지 흐름을 파악할 수 있었다. 연구에서 도출된 공정 위치 별 상태량 데이터를 바탕으로 향후 산업용 히트펌프 적용 시 히트펌프 스팀 열원 공급 및 회수 위치, 축열 설비, 승압 방식 등을 고려하여 히트펌프 적용에 따른 공정 에너지 분석을 진행할 수 있을 것으로 기대된다.