열처리로·일부 가열로 저열량에 민감

2006년 9월~2009년 6월까지 시행된 ‘중장기 천연가스 열량 및 품질제도 연구’를 통해 도출된 산업용 가스기기 공정별 실증실험 내용과 결과를 바탕으로 한국에너지기술연구원은 지난 2010년 6월~2011년 6월까지 1년간 산업용 가스기기 대책마련을 위한 연구과제를 수행했다.

‘천연가스열량에 민감한 산업용 가스기기의 제어 및 대책수립 연구’를 통해 에기연은 가열공정에서의 설비용량 한계 극복방안과 민감한 열처리로 분야에서 산업용기기의 열량변동에 대비한 관리방안 등을 제시했다.

7월 천연가스 열량범위제도 도입을 앞두고 산업용 가스기기의 대책방안에 대해 살펴보는 두 번째 자리를 마련했다.  / 편집자 주


▲ 2차 연구에 사용된 Rx 침탄로.

-침탄로, 천연가스 조성변화 적극 대응 필요-
-유리·도자기 공업로 등 대응방안 강구해야-

연구결과에 따르면 가열로는 비교적 온도 제어폭이 넓고 자동제어가 이뤄져 열량에 둔감하지만 분위기 온도가 1000℃ 이상인 가열로에서는 저열량 천연가스 공급 시 공연비가 변화돼 약간의 효율저감 문제가 발생할 수 있다.

현재 국내 일부 공장에서는 가열로 용량보다 더 과잉 부하상태로 운전한 사례가 있는데, 이러한 가열로에서는 저열량 공급 시 생산속도 저하가 문제될 수 있다.

또한 제어설비가 구축되고 있지 않는 가열로인 경우 열량변화에 맞는 운전방법을 제시할 필요가 있다.

열처리로는 소둔, 침탄, 템퍼링(tempering)등이 주를 이루며 그 중에서도 천연가스로부터 침탄가스를 이용하는 침탄로는 천연가스 조성변화에 매우 민감하다.

침탄로인 경우 중소형 공장에서는 연소식 방식이며 대부분 천연가스를 사용하고 있다.

침탄 제어설비로 CP(Carbon potential)제어장치가 대부분 설치돼 있으나 열량변화에 따른 천연가스 조성이 변화되면 아주 민감하기 때문에 CP제어에 문제가 될 수 있다.

따라서 추가적인 제어설비가 필요할 수도 있고, 제어설비 추가가 필요 없어도 열량변화에 따른 운전방법 제시가 필요하다.

분위기 가스는 주로 금속침탄, 소둔 열처리로에서 사용되고 있으며 이 중 소둔로에서는 연소버너를 이용하는 직화식환원분위기 가스, 연소해 제조하는 Dx 분위기 가스가 있고 촉매를 이용하는 Rx가스가 있다.

침탄로에서는 Rx가스에 인리치드(enriched)가스를 혼합해 많이 이용된다.

에너지 기술연구원이 시행한 ‘천연가스열량에 민감한 산업용 가스기기의 제어 및 대책수립 연구’에서는 분위기 열처리로를 대상으로 했으며 5종류의 시험연료를 사용해 연료종류의 변화에 따라 각 공정에 미치는 영향을 종합적으로 분석하고 연료변화에 따른 제어 추종성을 확보하는 방법을 제시했다.

시험가스로 제작된 5종류의 가스발열량은 최대 1만550㎉/N㎥에서 최소 9523 ㎉/N㎥ 범위이며 이를 웨버지수로 각각 환산하면 최대 1만3325 ㎉/N㎥에서 최소 1만2784 ㎉/N㎥에 해당된다.

실험 결과는 국내 열량 민감산업 현장을 조사하고 운전조건과 연소제어기술 파악 등을 통해 이뤄졌으며 각 분야별 대응방안은 다음과 같다.

-가열로-

가열로는 산화분위기에서 강재를 가열하기 때문에 분위기 가스를 제어할 필요는 없다.

저열량화에 따른 과잉공기의 증가가 일어날 경우 약간의 효율감소가 불가피할 것으로는 보이지만 특별한 문제는 없다.

일부 현장에서 철강가열로의 운전이 설비용량의 최대치로 운전되고 열량변동에 따라 약간의 용량을 초과하는 운전조건이 발생하는 설비의 경우 연료배관 크기를 확대하면 큰 문제는 없는 것으로 보인다.

또한 이 정도의 용량초과 문제는 연소기기로 공급되는 정압기의 공급압력을 약간 상향조정하면 해결될 수 있다.

중소형 가열로인 경우 비례조절기(ratio regulator)를 사용하면 공연비제어가 원활하게 이뤄진다.

또 대형로인 경우는 유량제어를 통해 공연비제어가 이뤄지는 방법으로 운전되고 있다.

열처리로와 달리 가열로에서는 분위기 가스가 필요하지 않기 때문에 가스조성 변화에 따른 별도의 제어기술은 필요치 않다.

가열로 분야는 열량이 바뀌어도 약간의 효율감소 요인만 발생하는 둔감분야다.

따라서 약간의 효율감소가 감수할 만한 수준이라면 별도의 대응이 필요 없지만, 연료가스의 조성이나 발열량을 알 수 있으면 운전자가 배가스 중 O2 농도를 모니터링하면서 수동적으로 공연비를 조정할 수 있다.

이를 위해 가스공사는 사전에 열량정보를 제공하거나 열량측정장치를 구비하도록 유도해 수요기업이 열량변동에 따른 자체대응이 이뤄지도록 할 계획이다.

연료가스의 열량정보를 센서로 얻거나 사전에 공급자로부터 얻을 경우 대응책은 제어방식별로 구분할 수 있다.

첫째 기계적 링크방식제어일 경우 열량변동효과를 고려해 링크구조를 수동적으로 조정하거나 전동밸브를 이용하는 구조로 개선, 또는 공기측 배관에 전동 밸브식으로 교체하거나 단순히 출력을 보정하는 방법이 있다.

둘째 압력 비례조절기식 제어방식일 경우 열량변동 효과를 고려해 조절기를 수동으로 조절, 공기측 배관에 전동밸브식으로 교체하거나 또는 출력만을 보정하는 방법이 있다.

셋째 제어방식이 전기제어(electronic controller) 방식일 경우 연료측 전동밸브의 출력치를 조정하는 방법도 고려해 볼 수 있다.

공연비를 조절할 수 있는 설비가 없는 중소형 업체의 경우는 우선 작업장 운영조건 등을 파악해 대응방안을 마련한 뒤 열량변동에 대비한 워크샵, 교육 등을 통해 열량변동에 따른 대응능력을 확보할 수 있도록 추진 중이다.

구체적으로 설비의 제어기능 개선을 유도하거나 수동시스템으로서 용이한 조작방법을 확보하는 방안 등이 있다.

▲ Dx 소둔로.

-직화식환원열처리로-

직화식환원로에 적용되는 기계식 링크방식의 수동적인 공연비제어는 구조가 매우 어려워 쉽지 않다.

따라서 열량분석 장치 외에도 열량 변동 시 공연비 제어장치가 별도로 필요하다.

또한 대부분 대형 연속로 형태이고 기계적인 링크에 의한 연소제어방식이라 열량변동에 취약하다.

제어를 위한 대응방법은 가열로에서의 공연비 제어기술과 비슷하다.

직화식환원로는 가열로와 달리 공연비가 낮은 범위에서 운전되기 때문에 열처리 공정에 따라 적절한 공연비제어가 필요하다. 공연비제어를 위해 열량변동에 따른 일정한 공연비 유지를 해야 하는데 이를 위해서는 열량측정 장치를 이용한 공연비제어시스템이 필수적이다.

열량측정 장치를 이용한 공연비제어시스템은 연료가스로부터 열량과 공정별 필요한 연소용 공기량을 측정해 공연비 제어기로 공기량 측정치를 보내서 연료와 공기의 적절한 비를 조절하게 된다.

직화식소둔로에서의 공연비 제어형식은 대부분 기계적인 링크방식과 전기제어방식으로 이루어져 있다.

첫째 기계적인 링크방식은 주기적으로 열량 변동효과를 고려해 링크구조를 수동적으로 조정하거나 전동모터를 이용하는 링크구조로 개선하는 방법과 공기측 배관에 전동 밸브식으로 교체하거나 출력만을 보정하는 전기제어방식 적용 등이 있다.

두번째 압력 비례조절기를 사용하는 방식은 주기적 열량 변동성를 고려해 조정기를 수동적으로 조정하거나 공기측 배관에 전동 밸브식으로 교체, 또는 출력만 보정하는 전기제어방식 적용 등이 있다.

-Rx소둔로-

Rx가스소둔로의 열처리 현장에서는 대부분 열량변동에 상관없이 분위기 지수 PF(Potential Factor, (CO)2/CO2)제어 운전을 하고 있다.

여기서 시험가스의 발열량이 1만550㎉/N㎥에서 9800kcal/N㎥(이집트산)까지는 충분히 조절 가능하다.

반면 9800㎉/N㎥ 부터 BOG1(9500㎉/N㎥)인 경우는 CO2 제어를 위해 변성로 조정이 다소 필요한 것으로 나타났다.

또한 운전범위가 좁거나 낙후된 장치라면 순차(cascade)제어가 원활히 이뤄지지 않을 확률이 크기 때문에 열량변화에 대한 변성로에서의 기계적인 조작을 통해 보완이 필요하다.

이러한 기계적인 조작에 의한 제어를 위해 PF 및 CO2제어기의 튜닝을 열량변화에 따라 수행하면 Rx소둔로의 제어가 원활하게 이뤄질 수 있다.

-Dx소둔로-

Dx소둔로 공정은 Dx버너 공연비를 조절해 CO(1·3%), O2(500ppm 이하)를 유지하고 있다. 로(爐)형태별 종류에 따라 공연비 제어가 민감할 수 있으며, 대부분 수동식 공연비 제어방식어서 열량변동에 취약하다.

직화식환원로와 같이 열량분석 장치로부터 Dx가스버너의 공연비제어를 하면 효과적이다. 산업현장에서 Dx가스 소둔로에서의 Dx가스 발생용 버너는 대부분 기계적인 링크방식이거나 압력비례조절기로 조정되는 방식으로 이뤄져 있다. 따라서 대응방법은 직화식환원로와 같다.

-침탄로-

일반적으로 산업현장에서 침탄제어 설비는 잘 구축돼 있다.

따라서 연료가스의 열량변화에 매우 민감한 산업분야면서도 열량변화에 잘 대응할 수 있는 여건이 조성되어 있다고 볼 수 있다.

대부분의 CP제어는 열량 변동 1만500·9800 ㎉/N㎥까지 원활하게 수행된다.

하지만 연료가스가 이집트산(9800㎉/N㎥) 발열량 보다 낮을 경우는 변성로 자체 조절 범위를 다소 넘어서기 때문에 CO2 제어가 잘 되지 않는 경우가 종종 발생한다. 이 경우에는 수동적으로 변성로의 조정이 필요하다.

대부분 현장은 CP 자동제어(CP=0.3~1.0%)시설을 구비하고 있다. 시험가스 열량이 9800 ㎉/N㎥까지는 별 문제가 없지만, 시험가스 9800㎉/N㎥ 이하에서는 고농도의 CP(강침탄) 제어인 경우 Rx 변성로의 제어운전 범위가 좁을 시 이에 대한 보완이 필요하다.

열량변동에 따른 CO2 제어 시 설정 값에 수렴할 때까지 검댕이(soot) 발생의 문제가 일부 존재하나 CO2 제어장치를 개선하면 문제가 해결될 수 있다.

▲ Rx 소둔로.

-유리제조업체 등 기타 수용가도 준비 필요-

천연가스 열량제도 개선과 관련해 기기조정 등 사전작업은 2012년 7월부터 2014년 12월까지 이뤄져야 할 것으로 보인다.

연구결과에 따르면 2013~2014년 실제 공급열량 값이 9800~1만600㎉l/N㎥의 중간지점인 1만200㎉/N㎥로 공급될 때 기기조정 등 사전준비 작업을 실시하는 것이 가장 적절하다.

Dx소둔로, 직화식환원로 등은 대부분 열량변동에 대응되는 공연비 제어설비가 미흡하기 때문에 향후 열량이 1만200㎉/N㎥에 도달하는 2013~2014년 전체적인 공연비 조정이 필요하다.

그 밖의 준비사항으로는 각 산업체의 공정별 해당업체 운영 책임자 간담회를 통해 각 사업장의 조건을 파악하고, 전문연구기관을 통해 상세분석을 시도하는 방법 등을 검토할 만하다.

또한 현재 열량제도개선을 추진하는 측에서 주기적으로 세미나를 개최하거나 정기적인 교육을 통해 열량변경 대응관련 수행, 진행된 실험결과 발표와 결과로부터 도출된 운전방안, 매뉴얼 등을 현장 운전자가 충분히 습득해 응용할 수 있도록 교육 프로그램을 진행·홍보하고 있다.

이 외에도 유리제조업체, 도자기 공업로 등 민감성이 있다고 판단되는 기타 수용가 업체도 대응방안을 강구하는 것이 필요하다.

또한 실험에서는 제외되었지만 환경부 배기가스(NOx, 질소산화물) 규제 발효시점인 2006년 이후 설치된 열병합 엔진의 경우 람다(공연비) 제어기능이 있어 출력, 열효율 변화 경향은 새 공급규정의 호환성 범위 내에 있다.

다만, 1㎿ 이하 열병합 발전의 경우는 배가스 규제의 실효성이 떨어져 2006년 이전에 설치된 일부 열병합 엔진에 공연비 제어장치가 없을 수 있으므로 이에 대한 조사 및 기술조치가 필요해 열량제도개선 추진단에서 별도의 준비가 진행 중이다.
 

GHP(Gas Driven Heat Pump: 가스구동 히트펌프)의 경우 공연비제어를 하지 않기 때문에 가스발열량(웨버지수) 변화에 민감하다.

새 공급규정안의 최저발열량 근방에서는 GHP 작동이 안 될 수도 있고, 엔진회전수의 변동이 생길 수 있으므로 재맵핑, 또는 믹서기 등의 부품 교체 등이 필요할 수 있어서 제작사와 협의를 통해 조치할 예정이다.

기기 제작업체에서는 제도 변경시행에 대비해 기존설비를 보완하는 방법을 도출하거나 신규 제작 시에는 열량 변동을 고려한 내용을 설계에 반영해 생산할 수 있도록 관련 제도에 대한 정확한 파악과 대응이 반드시 필요하다.

특히 열량변경에 민감한 기존 열처리로의 경우는 ‘산업용가스기기 현장기술지원반’을 구성하고, 전문연구기관(진단업체 포함)과 ‘가스기기 현장기술지원 공동연구’ 용역을 시행해 제도변경 전후의 대응기술 조치 및 사후관리를 통해 열량제도 변경에 따른 업체의 불편사항이 없도록 대응대비체계를 구축하고 있다.

아울러 열량제도 변경에 대한 대국민 전달을 위한 홍보와 다양한 민원처리를 위해 콜센터의 운영 및 교육을 준비 중이다.

홍성백 한국가스공사 품질관리팀장은 “국가적으로 민수, 산업용 연료인 천연가스가 더욱 원활하고 안정적으로 공급될 수 있도록 세계 천연가스시장의 도입조건 및 공급 추세에 발맞춰나가기 위해 추진하고자 하는 천연가스 열량변경 제도가 차질 없이 정착될 수 있도록 만반의 준비를 하고 있다”며 “정부, 가스산업계, 연구기관, 수용가 등 관련 업계에 종사하는 모든 분들의 관심과 지원이 있어야 한다”고 말했다.
 

저작권자 © 에너지신문 무단전재 및 재배포 금지