석탄화학 산업의 에너지 및 물 절약을 위한 새로운 혁신: 후베이 중성주식회사의 “폐쇄형 공냉식 순환 냉각수 시스템””

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1. 적용 배경 2012년 《국무원의 가장 엄격한 수자원 관리 제도 실시에 관한 의견》에서는 수자원의 총량 및 이용 효율을 각종 산업 발전의 기반이자 핵심으로 위치시켰습니다.**12차 5개년 계획에서는 석탄화학 산업의 물 사용량 기준이 명확하게 제시되었으며, 표준 석탄 1톤당 물 사용량은 3톤을 초과해서는 안 됩니다.현재 국내 석탄화학 기업들의 물 사용량은 톤당 표준석탄당 5톤 이상인 것이 일반적입니다. 석탄화학 기업의 각 단위별 물 사용량을 분석해 보면, 순환냉각수 시스템이 가장 많은 물을 사용하는 부분으로, 전체 물 사용량의 약 60%를 차지합니다. 주로 사용되는 냉각 방식은 개방형 순환냉각수 시스템인데, 이 방식은 냉각 효과가 우수하지만 많은 양의 물이 필요합니다.서부 대개발이 가속화됨에 따라, 서북 지역의 석탄화학 프로젝트도 점점 더 많아지고 있으며, 수자원에 대한 수요도 함께 증가하고 있습니다.하지만 서북 지역은 수자원이 부족하여 오픈형 냉각탑을 사용할 경우 운영 비용이 너무 높습니다. 반면, 서북 지역은 기온이 낮고 바람이 세어 공냉식 냉각기를 사용하기에 매우 적합합니다. 순환 냉각수 시스템의 절수 기술을 연구하는 것은 석탄화학 산업의 12차 5개년 계획에 명시된 물 사용량 목표를 달성하기 위한 중요한 방향 중 하나입니다.합리적인 물 사용과 물 절약을 실천하는 것은 석탄화학 기업이 에너지를 절약하고, 비용을 줄이며, 배출량을 감소시키고 효율성을 높이는 데 있어 매우 중요한 과제입니다.동시에, 물 절약은 수자원 부족을 완화하고 국민경제의 지속 가능한 발전을 보장하는 데 있어 매우 중요한 전략적 의미를 가집니다. 중국의 절수 기술 정책 개요에서는 “물을 절약하고 효율적으로 사용하는 것이 수자원의 공급과 수요 사이의 불균형을 해소하는 근본적인 방법”이라고 명시되어 있습니다.물 절약의 핵심은 물 사용 효율과 효과를 높이는 것입니다.**물 사용을 절약해야 합니다.과학적 발전관을 고수하고, 물 절약을 더욱 중요한 위치에 두어야 한다.**절수 신기술, 신공법 및 중대 장비의 연구, 개발 및 활용을 장려한다.또한 개요에서 “효율적인 순환 냉각수 처리 기술을 발전시키고, 폐쇄형 순환 냉각 기술을 보급한다”고 명확히 제시했다. 2. 폐쇄형 공냉식 순환 냉각수 시스템 **에너지 절약 및 오염 감소 정책에 부응하고, 건조 지역의 물 소비가 많은 기업들의 발전을 촉진하기 위해, 후베이 중성주식회사(구 우한 중성에너지, 이하 ‘후베이 중성주식’이라 함)는 자체적으로 폐쇄형 공냉식 순환 냉각수 시스템을 개발했습니다.전통적인 “산업용 순환 냉각수 시스템” 대신 혁신적인 “폐쇄형 공냉식 순환 냉각수 시스템”을 도입하고, 냉각탑 대신 에너지 효율이 높은 수막식 공냉기나 복합형 공냉기를 사용함으로써, 각종 공정 요구사항에 부합하는 냉각수 온도를 유지할 수 있을 뿐만 아니라, 장기간 안정적으로 작동할 수 있습니다. 또한 물과 에너지를 절약하고 오염물질 배출을 줄일 수 있으며, 공정 장비의 스케일 형성을 방지하여 장비의 수명을 연장할 수 있습니다. 폐쇄형 공냉 순환 냉각수 시스템은 수냉과 공냉, 열전달 및 물질전달 과정을 하나로 통합한 신형의 고효율 에너지 절약형 순환 냉각수 시스템입니다. 2.1. 공정 특징
폐쇄형 공냉식 순환 냉각수 시스템에서는 연수나 탈염수가 냉각수로 사용되어, 공정 내 열교환 장비의 열을 흡수합니다. 온도가 상승하면 이 냉각수는 에너지 절약형 수막식 공냉기나 복합형 공냉기(아래 그림 참조, 약칭 공냉기)의 관내로 들어갑니다. 먼저 핀관 구간(복합형 공냉기의 경우)에서 예냉이 이루어지고, 그 후 스프레이관 구간으로 들어가서 관 외부의 공기와 스프레이된 물에 의해 추가로 열이 흡수됩니다. 그 후 냉각된 냉각수는 순환펌프에 의해 압력이 가해져 다시 공정 내 열교환 장비로 보내집니다.연수는 폐쇄형 순환 시스템에서 순환되며, 외부 공기와 접촉하지 않으면서 흡열과 발열의 열전달 과정을 거칩니다.폐쇄형 순환 방식을 사용하기 때문에 연화수나 정제수의 품질이 안정적이어서 거의 손실이 없으며, 시스템 장비에서 누출되는 소량의 연화수만을 보충하면 됩니다. 에너지 절약형 수막식 공냉기, 복합형 공냉기. 기온이 높을 때는 팬과 스프레이 펌프가 동시에 작동합니다.분사 펌프는 분사수를 열교환관 위에 위치한 분사수 분배 시스템으로 보냅니다. 그러면 분사수가 아래로 떨어져 열교환관 주위에 균일한 수막을 형성합니다. 이 수막은 열교환관 내부의 열을 흡수한 뒤 공기 중으로 증발합니다.수증기화의 잠열은 **물의 온도 상승에 필요한 유열보다 크므로, 전체 열전달 과정을 크게 촉진시켜 열교환 면적을 줄여줍니다.**증발한 물이 공기 중으로 들어가면, 출구에서 제거장치를 통해 섞여 있던 물방울들이 제거된 후, 편판관을 통해 대기 중으로 배출됩니다.대부분의 스프레이 물은 아래로 떨어져 물탱크에서 재사용되며, 스프레이 물 자체는 떨어지는 과정에서 공기에 의해 냉각된다. 기온이 낮아지면, 팬과 스프레이 펌프의 수를 줄이거나 주파수 변환을 통해 팬의 회전 속도를 낮춤으로써 열교환량을 조절하여 출수 온도를 안정적으로 유지할 수 있습니다.열교환 설계를 통해 0℃, 5℃, 10℃, 15℃에서 스프레이 물을 정지시킬 수 있습니다.이때, 공냉기는 풍입형 건식 공냉기와 같은 역할을 합니다.대통동메이 그룹의 석탄을 이용한 메탄올 생산 프로젝트에서는, 주변 온도가 0℃ 미만일 때는 물을 뿌릴 필요가 없어 **물 사용량을 절약할 수 있습니다. 2.2. 기술적 장점: 폐쇄형 공냉식 순환 냉각수 시스템은 전통적인 산업용 순환 냉각수 시스템에 비해 여러 가지 장점이 있습니다. 아래 표를 참조하십시오. 폐쇄형 공냉식 순환 냉각수 시스템의 장점
전통적인 산업용 순환 냉각수 시스템의 단점

공장 위치 선정에 제한이 없음
공장 위치 선정은 수원과 밀접한 관련이 있음
공냉식과 수냉식을 결합하여 물 사용량을 효과적으로 줄일 수 있음
오직 수냉식만을 사용할 경우 물 사용량이 많음
폐쇄형 순환 방식으로 인해 물의 질이 안정적이어서, 공정용 열교환 장비의 열전달 효율과 수명이 향상됨
순환수의 질이 불안정하여 열교환 장비에 스케일이 생기거나 부식이 발생하기 쉬움
유지보수가 간단하고 운영 비용이 저렴함
유지보수가 복잡하고 운영 비용이 높음
배출량이 적어 환경 보호에 유리함
배출량이 많아 폐수 처리에 많은 비용이 들음
전력 공급이 끊겨도 일부는 여전히 냉각 기능을 할 수 있음
전력 공급이 끊기면 모든 작업이 중단됨

2.3. 경제적 이점
일반적인 설계에 따르면, 20,000m³/h 규모의 순환수 처리장에서 폐쇄형 공냉식 순환 냉각수 시스템을 사용할 경우, 그 설계 규모, 설비 투자, 에너지 소비량 등은 개방형 순환수 시스템이나 일반적인 폐쇄형 순환수 시스템에 비해 현저한 이점을 가집니다. 자세한 내용은 아래 표를 참조하십시오. 항목 | 장비 투자액 (만 원) | 약제 소모량 (kg/h) | 전력 소비량 (kW) | 평균 물 사용량 (m3/h) | 운영 비용* (만 원/년)
기존 개방형 순환수 시스템 | 3700 | 6.2 | 4350 | 410 | 5726
폐쇄형 공냉식 순환수 시스템 | 6900 | 3.1 | 5550 | 205 | 4213
참고*: 운영 비용 = 약제 비용 + 전기 요금 + 물 사용료. 여기서 약제 비용은 10원/kg, 전기 요금은 0.5원/kWh, 물 사용료는 12원/m3로 계산됨(내몽골의 한 기업 기준). 폐쇄형 공냉식 순환수 시스템은 기존의 개방형 순환수 시스템에 비해 매년 1,513만 원의 운영 비용을 절감할 수 있으며, 2~3년이면 투자비를 회수할 수 있다. 3. 회사의 연구 성과
수년에 걸쳐 호북중성주식회사는 혁신을 지속적으로 추구해왔습니다. 설계 및 연구개발 인력들의 노력 덕분에, 폐쇄형 공냉식 순환 냉각수 시스템도 지속적으로 개선되었으며, 다음과 같은 기술적 성과를 거두었습니다. 1. 복합 공냉 방식을 채택하여 최적의 절수 효과를 달성함(ZL200910062950.6). 우리나라의 겨울에는 추우고 여름에는 더운 기후 특성을 고려하여, 최상의 절수 효과를 얻기 위해 후베이 중성주식회사의 특허 제품인 복합 공냉기를 사용합니다. 이를 통해 스프레이 물의 사용량을 줄일 수 있습니다. 즉, 여름에는 스프레이 물을 사용하면서 건식 공냉과 습식 공냉을 함께 작동시키고, 겨울에는 스프레이 물을 사용하지 않고 건식 공냉만 작동시킵니다. 봄과 가을에는 필요에 따라 스프레이 물을 사용하지 않거나 적게 사용하며, 공기의 양과 각도도 조절합니다. 프로젝트 제품의 실제 운영 경험에 따르면, 이 시스템의 물 사용량은 0.9%에 불과한 반면, 동일 규모의 기존 산업용 냉각수 시스템의 평균 물 사용량은 2.5%입니다.이 시스템 제품은 기존의 산업용 냉각수 시스템에 비해 30%-70%의 물을 절약할 수 있습니다. 현재 이 혁신 기술은 우리나라의 서북부와 동북부 지역에서 성공적으로 적용되고 있습니다. 중석섬서 율린과 산시 카이자의 석탄가스 발전 프로젝트, 그리고 호북 중성주식회사의 폐쇄형 순환 냉각수 시스템에서는 0℃에서도 물 공급을 중단할 수 있습니다. 곧 시작될 내몽골 중천합창 오르도스의 석탄 심층 가공 시범 프로젝트에서도 호북 중성주식회사는 15℃ 이하에서 물 공급을 중단하는 새로운 기술을 처음으로 도입할 예정입니다. 2. 스프레이 시스템의 유량 조절(ZL201420522388.7) 기존 증발 공냉기 스프레이 시스템의 스프레이 파이프는 메인 파이프+서브 파이프로 구성된 급수 방식을 사용하며, 서브 파이프에는 스프레이 헤드가 설치되어 있다.분사 수관계는 증발 공냉기 튜브 어셈블리의 상부에 설치되며, 공기와 물은 튜브 어셈블리의 외부에서 역류 상태를 이룬다.상부 관층에서는 물이 관층과 균일하게 접촉하여 열교환 효율이 우수합니다.가장 아래쪽의 관열에서는 물의 흐름으로 인해 물과 관열 사이의 접촉이 고르지 않습니다. 또한 공기의 불포화 상태와 큰 유량으로 인해 물이 관열의 아래쪽에서 고르게 분포되지 못하고 건조한 부분이 생깁니다.또한 물이 상부 튜브 어셈블리에서 하부 튜브 어셈블리로 이동하면서 열을 흡수하기 때문에 온도가 점점 높아지고, 스케일이 생길 가능성도 커집니다. 실제 운전 시에도 하부 튜브 어셈블리에 심각한 스케일이 생기는 것을 볼 수 있습니다. 호북중성주식회사는 기존의 구조에 추가로 관수 부분 아래에 분사관을 설치함으로써, 하부 열교환관에 직접 물을 분사합니다. 이를 통해 하부 열교환관의 외벽에 건조 부분이 생기는 것을 방지하고, 하부 관수관의 스케일 형성도 효과적으로 줄일 수 있습니다. 하부 분사관의 유량은 유량 조절 밸브를 통해 조절할 수 있습니다；스프레이 펌프의 출구에 압력 안정 탱크를 추가하여 스프레이 시스템의 압력을 안정시킴으로써, 유량 조절로 인해 발생하는 상하 스프레이 파이프의 시스템 압력 변동을 효과적으로 완화합니다. 3. 충전제를 도입하여 열교환 효율을 향상시킴 (ZL201420522389.1) 폐쇄형 냉각탑은 주로 공기를 열교환 매체로 사용하기 때문에, 냉각 매체의 온도를 주변 온도 이하로 낮추기가 어렵다.이 문제를 해결하기 위해 후베이 중성주식회사는 냉각탑의 패킹을 폐쇄형 냉각탑에 도입하여, 스프레이되는 물의 온도를 낮춤으로써 열교환 효율을 높였습니다.이 방법을 사용하면 일반적인 폐쇄형 공냉식 순환 냉각수 시스템에 비해 냉각 매체의 온도를 2~3℃ 낮출 수 있으며, 이로써 개방형 순환 냉각수 시스템과 동일한 냉각 효과를 얻을 수 있다.현재 후베이 중성주식회사는 산시 루안의 고황석탄 청정 활용 프로젝트에서 바로 이 시스템을 사용하고 있습니다. 4. 응용 실적 현재 후베이 중성주식회사가 설계하고 생산하는 폐쇄형 공냉식 순환 냉각수 시스템은 야금, 석유화학, 발전 및 화학 산업 분야에서 널리 활용되고 있으며, 석탄화학 분야에서도 다수의 성공적인 적용 사례가 있습니다. 일부 실적은 아래 표에 나와 있습니다. 번호고객사 장치명 대수 1 중메이 산시 유황 석탄화학 공장 폐쇄형 공냉식 순환수 시스템 2 2 동메이 광파 화학공업 유한회사 폐쇄형 공냉식 순환수 시스템 38 3 산시 카이자 석탄가스 발전 유한회사 폐쇄형 공냉식 순환수 시스템 2 4 산시 루안 석탄 기반 오일 폐쇄형 냉각탑 3 5 산시 루안 그룹 고유황석탄 청정이용 폐쇄형 냉각탑 63 6 중천허창 오르도스 석탄 심층가공 폐쇄형 공냉식 순환수 시스템 38 주소: 후베이성 우한시 동호개발구 광구대로 국제기업센터 준현루 A동 4층 전화: 027-87526852 / 027-87526979 / 027-87797047 팩스: 027-67845121 우편번호: 430074 웹사이트: www.whzseco.com 이메일: whzsco@163.com (출처: 후베이 중성주식회사)