<온실가스 감축필수 10> 요로 설비 열효율 평균 30% 수준

요로 설비관련 에너지절약형 실용화 신기술은 단기간에 개발 또는 개선되기 어려우며 기술수명이 최소 10~20년 정도의 장기라는 점도 신속한 온실가스 감축 대응에 장애요인이 되고 있는 상황이다.

◆ 요로 개요

요로는 열발생 본체, 폐열회수 및 제어시스템 등 크게 4개의 요소로 구성된다. 가열, 열처리 및 용해 등의 용도에 따라 적용되는 요소기술의 형태는 매우 다양하다.

특히 열발생 및 본체기술은 범용성이 낮고 전용성이 매우 커 요로 기술의 대부분은 열발생장치의 고성능화와 본체 구조의 최적화 기술로 요약될 수 있다.

물론 핵심기술의 개선에 따른 성능향상을 유지하기 위해서는 주변 제어기술의 개선 및 변경이 동시에 요구되며 이들 상호간의 기술적 연계가 정확할 경우에 정상적인 효율개선을 기대할 수 있는 것으로 평가된다.

관계자들에 따르면 지난 20년간 요로의 연소가열기술의 개선으로 공해물질저감을 통한 환경개선에 크게 기여했으며, 최근의 초청정 연소기술을 통해 공해저감을 기대할 수 있게 됐다.

그러나 현재 요로의 열효율은 15~50% 수준에 머물고 있다.

고온설비에 있어서는 기술개선 폭 및 개선효과가 상대적으로 클 수 있기 때문에 기술적 가능성 및 에너지절약 가능성은 매우 크다는 지적이다.

이에따라 요로 기술은 에너지절약형 청정가열기술을 중심으로 개발되고 있다.

엑서지엔지니어링과 서울대학교 공학연구소에 따르면 요로는 공정에 따라 형태, 용량 및 운전방식이 다양해 보일러와 같이 획일적인 에너지소비관리가 용이하지 않다.

따라서 공업로 형식별 공통적인 운용기술에 대한 국가 차원의 기술개발 및 보급은 국내 공업로의 열효율 향상 및 에너지소비절감을 유도할 수 있다는 지적이다.

또한 요로 관련 기술의 수입대체는 물론이고 관련 생산제품의 대외경쟁력 향상에도 기여할 수 있다.

특히 연소로에 요구되는 열발생 및 열회수 기술, 고온내열재료기술 및 제어기술은 산업체 전반적인 열설비에 독립적으로 요구될 수 있는 기술로서 전문 중소제조기업의 기술력 배가 및 국산 원자재의 품질향상도 이룰 수 있다는 설명이다.

한편 연소로는 단위 설비당 에너지소비밀도가 상대적으로 높다. 화석연료를 주 연료로 하는 연소로의 경우 온실가스인 이산화탄소의 배출 및 산성비의 원인이 되는 질소산화물(NOx)의 배출원으로 지적되고 있다.

따라서 제품의 연료 원단위를 획기적으로 감소시키는 동시에 대기환경오염물 배출을 저감할 수 있는 열발생 및 이용기술의 확보가 과제로 대두되고 있다.

요로의 일종인 전기로는 전기에너지를 열에너지로 변환시키는 장치로 열효율이 80%이상으로 연소로의 평균 열효율 30%에 비해 현저히 높은 열효율을 나타내고 있다.

전기로는 저항재료의 저항열, 고압 전극의 아크열, 재료자체의 유전 특성 및 와전류 특성, 전차파 등을 이용해 전기에너지를 열에너지로 변환시킨다.

전기를 열원으로 사용하는 이유는 효율이 높다는 점 외에도 사용하기 싑고, 연소 폐기물이 발생하지 않으며 온도조절이 쉽고, 반응속도가 빠르며 취급하기 쉽고 안전하기 때문이다.

열처리의 열원으로 전기 에너지를 사용한다는 자체가 경제적이라고 할 수는 없지만 초기 시설비나 유지비를 고려할 때 최적의 경제적인 형태라고는 할 수 없으나 전기로를 이용해 열처리하는 경우 균일한 가열이 가능하고 반응속도가 빠르게 때문에 단위시간 당의 생산성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

이에따라 전기로는 제품의치수나 형태 등에서 변형이 적기 때문에 정밀성을 요구하는 반도체 재료, 전자재료, 정밀 금형, 박형 재료 등에서 사용이 점차 증가하고 있다.

엑서지와 서울대는 산업이 발전하고 제품의 고급화가 진행되면서 그 증가 추세는 빨라질 것으로 예상하고 있다.

더욱이 최근 중요하게 부각되고 있느 환경 문제를 고려한다면 향후의 공업로의 기술 방향은 향후 전기로쪽으로 움직여 나갈 것이 필연적이라고 강조했다.

◆ 조사대상 공정

공업용 요로는 철강공정의 재가열, 열처리, 용해와 비금속 광물의 소성용 등 다양한 용도와 형식으로 운용되고 있다.

재가열은 철강공정중 코일을 생산하기 위한 열간압연공정과 잉곳으로부터 단조품 생산을 위한 단조공정에 필요하다. 열처리는 핫코일의 어널링과 단조품 처리공정 및 표면처리공정에 요구된다.

용해는 전기 아크로를 이용한 고철 용해공정에 요구되며 비금속 광물의 소성은 타일 및 도자기 등의 열처리 소성용에 적용된다.

요로를 구성하는 공통적 기술은 열발생기술, 전열기술, 로체기술, 폐열회수기술 및 제어기술로 구성된다.

공업용 요로는 연료의 연소열을 직접이용하는 연소로와 전력을 이용하는 전기로로 대별된다.

철강분야 주공정 및 후처리공정은 고로, 전로, 전기로, 연주, 재가열로를 포함하는 압연과 각종 열처리로를 포함하는 도금 및 가공 등 에너지다소비 열설비가 운용되고 있다.

엑서지와 서울대는 조사대상 업체로 철강공정을 운용하는 당해분야 대표성이 인정되는 기업을 선정하되, 주생산품목에 따라 각 공정별 대표 전문기업에 적용될 수 있는 기술을 선정조사했다.

조사대상기업은 포스코, 동국제강,  현대제철, 동부제강, 기아특수강, 창원특수강, 현대중공업, 두산중공업 등 10개 기업이며 이들 기업이 소비하는 에너지량은 철강분야 에너지소비의 약 80%를 점하고 있다.

◆ 온실가스 감축수단의 도출

엑서지와 서울대는 도출된 기술의 유형은 원료와 공정대체기술로 대별했고 공정대체기술은 다시 시스템개발 또는 부분공정개선기술로 분류했다. 총 5개 감축수단을 도출했으며 그 중 원료대체 및 공정대체기술은 선정하지 않았다.

그 중 원료대체 및 공정대체기술은 없으며, 공정대체기술 중 시스템개발이 5개로 분류했다. 일반적 개념의 시스템은 각 구성요소를 포함하고 있다.

도출된 기술은 일반적 개텸의 시스템 기술과 요소기술이라 할지라도 범용성이 있는 기술로서 독립적인 시스템을 구축하고 있으므로 통칭 시스템기술로 분류했다.

전체적인 요로시스템 기술은 2개, 연소시스템 2개 및 교반시스템 1개다.

요로의 에너지 절감 및 효율개선을 위한 기술은 상당수  있다. 각 요소기술에 의한 에너지 이용효율 개선효과는 상대적으로 미미해 여러 요소기술들이 병행 개선 적용돼야 시스템으로서 가시적인 효과를 거둘 수 있는 것이 특징이다.

엑서지와 서울대에 따르면 일반적으로 널리 알려진 폐열회수, 단열 등에 의한 효율개선 방법은 제외하고 절감효과가 상대적으로 크고 국내 적용이 가능한 단위기술 또는 시스템기술을 중심으로 선정했다.

선정된 기술은 국내 연구 개발을 통해 실용화 가능성이 매우 높고 일부 적용 단계에 진입하고 있으며 특히 요로 공통기술로서 다소의 구조변경을 통해 다양한 요로에 적용될 수 있는 장점이 있다는 설명이다.

박명오 엑서지 엔지니어링 대표는 "요로산업에서 조사된 온실가스 감축수단은 총 5개에 불과하나 에너지 절감을 위한 연소기술과 냉각기술과 교반기술이 핵심기술로 실증단계에 있는 기술이 많아 2010년내에 산업현장에 적용될 가능성이 높다"고 말했다.