우리나라의 산업 부생열 회수 활용 기술 개요

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현재 우리나라의 에너지 이용에는 여전히 활용률이 낮고, 경제적 효율성이 떨어지며, 생태환경에 부담을 주는 등의 문제들이 존재합니다. 에너지 절약과 배출 감소를 통해 에너지의 전반적인 활용률을 높이는 것이 우리나라의 에너지 문제를 해결하는 근본적인 방법이며, 이는 최우선적으로 추진되어야 할 과제입니다. 　　에너지 절약과 배출 감소, 에너지 효율성 향상이라는 목표는 주로 산업 분야에 의존하여 달성됩니다.우리나라 산업 분야의 에너지 소비량은 전국 에너지 소비 총량의 약 70%를 차지하며, 주요 산업 제품의 단위당 에너지 소비량은 국제적인 선진 수준에 비해 평균적으로 약 30% 정도 높습니다.생산 공정이 상대적으로 낙후되어 있고 산업 구조가 불합리하다는 요인 외에도, 산업 분야에서의 잉여 열 활용률이 낮은 것도 에너지 소비가 높은 주요 원인입니다. 우리나라의 에너지 활용률은 약 33%에 불과하여, 선진국들보다 약 10% 낮습니다. 산업 분야에서 소비되는 에너지의 최소 50%는 여러 형태의 잉여 열로서 그대로 버려집니다.따라서 다른 관점에서 보면, 우리나라는 산업 부생열 자원이 풍부하여 산업의 여러 분야에서 생산 과정에서 널리 발생합니다. 이러한 부생열 자원은 전체 연료 소비량의 약 17%~67%를 차지하며, 그중 재활용 가능한 비율은 60%에 달합니다. 따라서 부생열 활용률을 높일 수 있는 여지가 많아 에너지 절약의 잠재력이 매우 큽니다.산업 부생열 회수 활용은 ‘신에너지’로 간주되며, 최근 우리나라의 에너지 절약 및 오염 감소 정책을 추진하는 데 있어 중요한 요소가 되고 있습니다.　　산업 부생열 자원의 특징 부생열 자원은 2차 에너지에 속하며, 1차 에너지나 연소 가능한 물질이 변환된 후 생기는 산물이거나, 연료가 연소하는 과정에서 발생하는 열 중 특정 공정이 완료된 후 남는 열입니다.온도에 따라 산업 폐열은 일반적으로 600℃ 이상의 고온 폐열, 300~600℃의 중온 폐열, 그리고 300℃ 미만의 저온 폐열의 세 가지로 나뉩니다. 또한 발생 원천에 따라서는 연소 가스로 인한 폐열, 냉각 매체로 인한 폐열, 폐가스 및 폐수로 인한 폐열, 화학 반응으로 인한 열, 고온 제품 및 슬래그로 인한 폐열, 그리고 연소 가능한 폐가스나 폐기물로 인한 폐열 등으로 분류됩니다.　　잔열 자원은 그 공급원이 다양하고 온도 범위도 넓으며, 존재 형태도 여러 가지입니다. 활용 측면에서 볼 때, 잔열 자원에는 일반적으로 다음과 같은 공통점들이 있습니다. 즉, 공정 생산 과정에서 주기성이나 불규칙성, 혹은 생산의 변동성이 있어서 잔열량이 불안정합니다. 또한, 잔열 매체의 성질도 좋지 않아, 연소 가스에는 먼지가 많거나 부식성 물질이 포함되어 있습니다. 마지막으로, 잔열 활용 장치는 부지와 같은 기본적인 조건들에 의해 제약을 받습니다.　　따라서 산업 부생열 자원 활용 시스템이나 장비의 운영 환경은 상대적으로 열악하며, 안정적인 작동 범위를 갖추고 변화하는 공정 요구사항에 적응할 수 있어야 하며, 장비 부품의 신뢰성이 높아야 하고 초기 투자 비용도 높습니다.경제성을 고려하여, 여열 활용 시스템의 효율을 높이기 위해 공정 생산과 연계한 전체적인 시스템 설계가 필요하다.　　산업 부생열 활용 기술　부생열의 온도 범위가 넓고, 에너지 전달 매체의 형태도 다양합니다. 또한, 적용되는 환경과 공정 흐름의 차이, 그리고 현장의 특성에 따라 사용되는 장비의 형태도 다양한데, 예를 들어 공기 예열기, 가마의 열저장실, 부생열 보일러, 저온 증기 터빈 등이 있습니다.산업 부생열 회수 활용에는 다양한 분류 방식이 있으며, 부생열 자원의 활용 과정에서의 에너지 전달 또는 변환 특성에 따라 국내 현재의 산업 부생열 활용 기술은 열교환 기술, 열-동력 변환 기술, 부생열 냉난방 기술로 나눌 수 있다.　　1. 열교환 기술　　잉여열 회수는 본 시스템의 장비나 공정 흐름에 우선적으로 적용하여 에너지 변환 횟수를 최대한 줄여야 한다.잔열의 활용은 잔열 에너지의 형태를 변화시키지 않고, 단지 열교환 장비를 통해 잔열 에너지를 자체 공정의 에너지 소비 과정으로 직접 전달함으로써 1차 에너지 소비를 줄이는 기술 장비를 말합니다. 이를 통틀어 열교환 기술이라고 하며, 이는 산업계의 잔열을 회수하는 가장 직접적이고 효율적인 경제적 방법입니다. 이에 해당하는 장비로는 다양한 구조의 전통적인 열교환기나 열관형 열교환기뿐만 아니라, 잔열 증기 발생기(잔열 보일러) 등도 있습니다.　　(1) 간벽식 열교환기 산업용 열교환기는 열교환 원리에 따라 기본적으로 간벽식 열교환기, 혼합식 열교환기, 축열식 열교환기로 나뉩니다.그중 중간벽식과 축열식은 산업 분야의 잉여열 회수에 자주 사용되는 장비이며, 혼합식 열교환기는 냉난방 유체가 직접 접촉하거나 혼합되면서 열이 전달되도록 하는 방식으로, 산업 생산 과정에서의 냉각탑, 세척탑, 기압응축기 등과 같은 것들이 여기에 해당하지만, 잉여열 회수 분야에서는 그다지 흔하게 사용되지 않습니다.　　간벽식 열교환기에는 주로 관식, 판식, 동류 열교환기 등이 있습니다. 관식 열교환기는 열효율이 낮아 평균적으로 26%~30%에 불과하며, 컴팩트함이나 금속 소모량 측면에서도 다른 유형의 열교환기에 비해 뒤처집니다. 하지만 구조가 견고하고 적용 가능성이 넓으며 사용할 수 있는 재료의 범위가 다양하다는 장점이 있어, 산업 분야에서 잉여열 회수에 가장 널리 사용되는 열교환 장비입니다.야금 기업의 열교환기 장비 중 40%는 관식 열교환기로, 입구의 연소가스 온도는 1,000℃ 이상까지 허용되며, 출구의 연소가스 온도는 약 600℃이고, 평균 온도 차이는 약 300℃입니다.　　판형 열교환기에는 플레이트 플랩형, 스파이럴 플레이트형, 판-쉘형 열교환기 등이 있으며, 관형 열교환기에 비해 그 열전달 계수는 판-쉘형의 약 2배에 달해 열전달 효율이 높고 구조가 컴팩트하여 재료를 절약할 수 있다.야금 산업의 연합체 및 중소기업들은 주로 판형 열교환기를 사용하여 연소에 필요한 공기를 예열하며, 열 회수율은 평균 28%~35%입니다. 입구의 연도 가스 온도는 약 700℃이며, 출구의 온도는 360℃에 달합니다.하지만 판형 열교환기는 관형 열교환기에 비해 사용 온도와 압력의 제약이 크기 때문에 적용 범위가 제한됩니다.　　각종 산업용 로의 고온 연기 회수를 위해 동류 열교환기도 자주 사용되는데, 주로 방사형과 대류형 두 가지가 있으며 널리 활용되고 있습니다. 이는 균열로나 가열로와 같은 설비에서 연기의 잔열을 회수하여 연소를 돕는 공기나 연료를 예열하고, 연기 배출량과 연기 온도를 낮추는 데 사용됩니다.일반적인 복사동류 열교환기의 경우, 입구에서의 연소가스 온도는 1,100℃ 이상에 달하며, 출구에서의 연소가스 온도도 600℃에 이릅니다. 또한, 연소를 돕는 공기의 온도도 400℃까지 올라가므로 연소 효율이 매우 높습니다. 온도 효율은 40% 이상이지만, 열 회수율은 비교적 낮아서 평균적으로 26%~35% 수준입니다.　　(2) 축열식 열교환기 축열식 열교환기의 원리는 냉난방 유체가 순차적으로 축열 소자를 통과하면서 열을 교환하는 것입니다. 이는 간헐적으로 작동하는 열교환 장비로, 간헐적으로 발생하는 여분의 열 에너지를 회수하는 데 적합합니다. 주로 고온 가스 매체 간의 열교환에 사용되며, 공기나 물질을 가열하는 데 활용됩니다.　　열저장 매체와 열에너지 저장 형태의 차이에 따라, 열저장형 열교환 시스템은 유형열 저장과 상변화 잠열 저장으로 나눌 수 있다.유열 에너지 저장은 오랫동안 사용되어 왔으며, 일반적인 회전식 열교환기와 같은 단순한 열교환 장비부터, 제철 고로의 축열식 열풍로와 같은 복잡한 장비까지 다양하다.온열 에너지 저장용 열교환 장치는 에너지 저장 밀도가 낮고 부피가 크며, 저장된 열의 온도를 일정하게 유지할 수 없다는 단점이 있어 산업 분야의 잉여열 회수에 있어 한계가 있다.상변화 잠열 에너지 저장 열교환 장치는 저장재의 고유한 열용량과 상변화 잠열을 이용하여 에너지를 저장하고 전달하며, 유형열 에너지 저장 장치보다 적어도 한 자릿수 높은 에너지 저장 밀도를 가집니다. 따라서 동일한 양의 열을 저장할 경우, 상변화 잠열 에너지 저장 열교환 장치는 기존의 저장 장치에 비해 부피가 30%~50% 줄어듭니다.　　또한, 열량 방출이 안정적이고, 열교환 매체의 온도가 거의 일정하며, 열교환 시스템의 작동 상태가 안정적이라는 점도 상변화 잠열 저장형 열교환 장비의 또 다른 장점입니다.상변 에너지 저장 재료는 그 상변 온도에 따라 고온 상변 재료와 중저온 상변 재료로 대체로 나뉩니다. 전자는 상변 온도가 높고 상변 잠열도 크며, 주로 여러 무기염 및 그 혼합물, 알칼리, 금속 및 합금 등과 세라믹 기질이나 금속 기질을 복합하여 제작됩니다. 이러한 재료는 450~1,100℃ 이상의 고온에서의 잉여 열 회수에 적합하여 널리 사용됩니다. 반면 후자는 주로 결정성 수화염이나 유기물로 구성되어 있으며, 저온에서의 잉여 열 회수에 적합합니다.　　(3) 열파이프를 이용한 열교환 장치 열파이프는 매우 효율적인 열전도 소자로, 완전히 밀폐된 진공관 내에서 유체가 증발하고 응축하는 상변화 과정과 2차 벽면을 통한 열교환을 통해 열을 전달합니다. 이는 열 저장 기능과 열교환 기능을 하나로 결합한 상변화 에너지 저장형 열교환 장치입니다.열파이프는 열 전도성이 우수하며, 기존의 금속 열교환기에 비해 열전달 계수가 거의 한 단계 높습니다. 또한 등온성이 뛰어나고, 온도를 조절할 수 있으며, 열 전달 능력이 강합니다. 냉난방 측의 열전달 면적을 자유롭게 조절할 수 있으며, 장거리에서도 열을 전달할 수 있습니다. 게다가 추가적인 동력 장치가 필요하지 않다는 장점도 있습니다.열관의 작동을 위해서는 사용 온도에 따라 적절한 관재와 작동 매질을 선택해야 합니다.그중 탄소강-물 중력 열관은 구조가 간단하고 가격이 저렴하며 제작이 용이하고 보급이 쉬워, 이러한 종류의 열관이 널리 사용되고 있습니다.실제 적용에서 열관의 사용 온도는 50~400℃ 사이이며, 건조로, 동화로 및 굽는 로 등의 열 회수나 폐증기 회수, 그리고 보일러나 용광로의 공기 예열기에 사용됩니다.　　(4) 잔열 보일러: 증기 발생기를 활용하는 방식으로, 잔열 보일러는 잔열을 회수함으로써 에너지 효율을 높이는 중요한 수단입니다. 금속 산업에서는 연소 과정에서 발생하는 연기의 잔열의 약 80%가 잔열 보일러를 통해 회수되며, 이를 통해 상당한 에너지 절약 효과를 얻을 수 있습니다.　　여열 보일러에서는 연소 과정이 일어나지 않으며, 대신 고온 연도가스의 여열, 화학 반응에 의한 여열, 가연성 가스의 여열, 그리고 고온 제품의 여열 등을 활용하여 증기나 온수를 생산합니다. 이 증기나 온수는 공정에 사용되거나, 난방망을 통해 열을 공급하는 데 사용됩니다.동시에, 잔열보일러는 저온 증기 터빈 발전 시스템에서 중요한 장비로서, 증기 터빈과 같은 동력 기계에 작동을 위한 증기를 공급합니다.　　실제 적용에서는 350~1,000℃의 고온 연도가스를 활용하는 잔열보일러가 주로 사용되며, 석탄보일러의 운전 온도와 비교하면 저온 보일러에 속해 효율이 낮습니다.잔열 연도가스에는 먼지가 많이 포함되어 있으며, 부식성 물질도 다량 함유되어 있기 때문에 보일러에 먼지가 쌓이거나 부식, 마모가 발생하기 쉽습니다. 따라서 먼지 축적과 마모를 방지하는 것이 잔열 보일러를 설계할 때 가장 중요한 요소입니다.직통식로 형태, 대용량의 공동형 복사 냉각실, 설치된 밀폐형 로벽, 먼지 제거실, 다수의 진동 블로우아웃 장치는 모두 여열보일러가 먼지 축적 및 마모 문제를 해결하기 위해 구조적으로 고려한 사항들입니다.또한 생산 공간의 제약으로 인해, 잉여열 보일러는 일반적인 보일러처럼 하나로 조립되는 대신, 열교환 부품들을 공정 흐름의 각 부분에 나누어 설치합니다.　　지난 10년간 에너지 절약 및 오염 감소 노력이 추진되면서, 국내의 주요 잔열보일러 설계·제조 기업들은 빠르게 성장해 왔습니다. 잔열보일러는 점점 더 대형화되고 고성능화되고 있습니다. 예를 들어, 비철금속 산업에서는 시간당 50톤의 증발량과 4.2메가파스칼의 작동 압력을 가진 잔열보일러가 사용되며, 철강 산업에서는 시간당 100톤의 증발량과 12.5메가파스칼의 작동 압력을 가진 건식 소결 잔열보일러가 사용됩니다.또한, 보일러의 열전달 효율과 열 활용률을 더욱 향상시키고, 먼지 축적이나 마모와 같은 문제를 줄이기 위해, 보일러의 순환 방식, 가열면 구조, 보일러 내부의 연기 흐름 경로 및 청소 방법 등에 있어서 개선과 혁신을 이루는 것이 잉여열 보일러 기술 발전의 주요 내용입니다.　　2. 열에너지 변환 기술　열교환 기술은 온도를 낮추는 방식으로 여전히 열에너지 형태로 잉여 열을 회수하는 기술로, 이는 열에너지의 효율을 떨어뜨리는 방식이므로 공정 프로세스나 기업 내외부의 전력 수요를 충족시킬 수 없습니다.또한, 대량으로 존재하는 중저온 잉여열 자원을 열교환 기술을 이용해 회수하더라도 그 효과는 뚜렷하지 않습니다.따라서, 열-동력 변환 기술을 활용하여 잉여열의 품질을 높이는 것은 산업 분야에서 발생하는 잉여열을 회수하는 또 하나의 중요한 기술입니다.　　작동 매체에 따라 열-동력 변환 기술은 물을 작동 매체로 하는 전통적인 증기 터빈 발전 기술과 저끓는점 유기 작동 매체를 이용한 발전 기술로 나눌 수 있다.공작물의 특성이 현저히 다르기 때문에, 그에 따른 잉여열 회수 시스템 및 장비 구성도 각각 고유한 특징을 가진다.현재 주로 사용되는 방식은 물을 작동 매체로 하여, 잉여열 보일러와 증기 터빈 또는 팽창기를 결합한 저온 터빈 발전 시스템입니다.　　저온 증기 터빈을 이용한 발전에서 활용할 수 있는 잉여 열에너지는 주로 350℃ 이상의 중고온 연소가스입니다. 예를 들어, 유리나 시멘트와 같은 건축 자재 산업에서 나오는 로의 연소가스나, 한 번 사용된 후 온도가 400~600℃로 낮아진 연소가스 등이 있습니다. 단일 기계의 출력은 몇 메가와트에서 수십 메가와트에 이르며, 철강 산업의 산소로 용해로에서 나오는 잉여 열을 이용한 발전, 소결 공정에서 나오는 잉여 열을 이용한 발전, 코크스 산업에서 나오는 잉여 열을 이용한 발전, 그리고 시멘트 산업에서 나오는 저온 잉여 열을 이용한 발전 등 다양한 형태의 잉여 열 발전이 가능합니다.하지만 잔열 자원의 온도 범위를 고려할 때, 이 기술은 중고온 잔열 발전 기술에 속합니다.　　또한, 여열 보일러나 열교환기를 통해 공정에서 회수되는 방대한 양의 증기 중에서도, 약 1메가파스칼 정도의 저압 포화증기나 온수가 상당한 비율을 차지하며, 이러한 잉여 증기들은 대부분 버려집니다.현재 이러한 저압 포화 증기 발전의 활용은 주로 스크루 팽창 동력기 기술을 사용합니다.이 기술은 다음과 같은 특징을 가지고 있습니다. 다양한 열원 물질을 동력원으로 사용할 수 있으며, 과열된 증기, 포화 증기, 증기와 액체가 혼합된 상태의 유체뿐만 아니라 연도가스, 오염된 뜨거운 물, 뜨거운 액체 등에도 적용될 수 있습니다. 구조가 간단하고 컴팩트하여 속도를 자동으로 조절할 수 있으며, 수명이 길고 진동이 적습니다. 기계 내부의 유속이 낮아, 누출로 인한 손실 외에는 다른 에너지 손실이 적어 효율이 높습니다. 또한, 이중 로터 방식의 비접촉식 구조 덕분에 작동 시 절삭 효과가 발생하여 자가 청소 및 스케일 제거 기능을 가집니다.　　스크루 팽창 동력기는 용적식 팽창기에 속하며, 팽창 능력의 한계로 인해 스크루 팽창 동력기를 직접 구동할 수 있는 열원의 적용 범위는 압력이 0.15~3.0메가파스칼이고 온도가 300℃ 미만인 증기, 또는 압력이 0.8메가파스칼 이상이고 온도가 170℃ 이상인 온수 등입니다. 구조적 특성상 스크루 팽창 동력기의 단일 기기 출력은 제한적이어서, 대부분 1,000킬로와트 이하이며, 주로 소규모의 잉여열을 활용하는 경우에 사용됩니다.　　3. 냉방 및 난방 기술　　(1) 잉여열을 이용한 냉방 기술　　전통적인 압축식 냉방 시스템과 비교할 때, 흡수식 또는 흡착식 냉방 시스템은 저렴한 에너지와 저품질의 열에너지를 활용할 수 있어 전력 소비를 줄일 수 있습니다. 또한 오존층을 파괴하는 염화불화합물이 포함되어 있지 않아, 상당한 전력 절약 효과와 환경 보호 효과가 있습니다. 이러한 기술은 20세기 말에 널리 보급되었습니다.　　흡수식 및 흡착식 냉동 기술의 열역학적 순환 특성은 매우 유사하며, 모두 “발생(해리)–응축–증발–흡수(흡착)”라는 순환 과정을 따릅니다. 하지만 흡수식 냉동에서는 흡수제가 유동성이 좋은 액체이며, 냉매로는 암모니아-물, 리튬 브로마이드 수용액 등이 사용됩니다. 발생 및 흡수 과정은 발생기와 흡수기를 통해 이루어집니다. 반면 흡착식 냉동에서는 흡착제가 일반적으로 고체 형태이며, 흡착 방식은 물리적 흡착과 화학적 흡착으로 나뉩니다. 주로 분자체-물, 염화칼슘-암모니아와 같은 조합이 사용되며, 해리 및 흡착 과정은 흡착기를 통해 이루어집니다.　　리튬 브로마이드 수용액을 작동 매체로 하는 흡수식 냉동 시스템은 가장 널리 사용되고 있습니다. 일반적으로 80~250℃ 범위의 저온 열원을 활용할 수 있지만, 냉매로 물을 사용하기 때문에 0℃나 5℃ 이상의 온도의 냉매만 얻을 수 있습니다. 이러한 시스템은 주로 공기 조절이나 산업용 냉각수 용도로 사용됩니다. 냉매의 열물성과 열력학적 순환 방식에 따라 에너지 효율이 크게 달라지며, 실제로 사용되는 장비의 에너지 효율은 대체로 2를 넘지 않아, 압축식 냉동 시스템에 비해 훨씬 낮습니다.하지만 이러한 유형의 발전기는 저온 산업 부생열, 태양에너지, 지열과 같은 저품질 열에너지를 활용할 수 있어 고품질 전력을 소비하지 않으며, 산업 부생열 활용 측면에서 일정한 장점이 있다.흡수식 잉여열 냉동기는 냉동 효율이 높아 대규모 열의 잉여열 회수에 적합하며, 냉동 용량은 수십 킬로와트부터 시작하여 수 메가와트에 이를 수 있습니다. 국내에서는 이미 대규모로 사용되고 있으며, 기술도 성숙해 있고 제품의 규격과 종류도 다양합니다.　　흡착식 냉동기의 냉매 쌍에는 다양한 종류가 있으며, 물리적 흡착 냉매 쌍, 화학적 흡착 냉매 쌍, 복합 흡착 냉매 쌍이 포함됩니다. 이러한 냉동기는 넓은 온도 범위에서 사용할 수 있으며, 용액 펌프나 정제 장치가 필요하지 않습니다. 또한 냉동기로 인한 오염, 염수 결정 현상, 금속 부식과 같은 문제도 발생하지 않습니다.흡착식 냉동 시스템은 구조가 간단하고 소음이 없으며 오염도가 낮아, 자동차나 선박과 같이 진동이 심한 환경에서도 사용할 수 있습니다. 하지만 냉동 효율은 상대적으로 낮아, 일반적으로 사용되는 냉동 시스템의 성능 계수는 0.7 이하입니다. 제조 공정의 한계로 인해 냉동량도 적어, 보통 수백 킬로와트 이하입니다. 따라서 이 시스템은 저열량의 잔열 회수에 더 적합하거나, 냉난방 전력 생산 시스템에 사용되는 것이 적절합니다.　　(2) 열펌프 기술 산업 생산 과정에서는 환경 온도보다 약간 높은 온도의 폐열(30~60℃)이 다량으로 발생한다. 예를 들어 산업용 슬래그 세척수나 유전 폐수 등이 있다. 이러한 폐열의 온도는 낮지만 열에너지의 양은 많으므로, 열펌프 기술이 이러한 폐열을 회수하는 데 자주 사용된다.　　열펌프는 일부 고품질 에너지(전기에너지, 기계에너지 또는 고온 열에너지)를 소비하는 대가로, 냉동기의 열역학적 순환을 통해 저온의 잉여 열원의 열을 50℃ 이상의 온수와 같은 고온의 열매체로 “펌핑”합니다. 이를 통해 산업, 농업, 상업 분야에서의 증류·농축, 건조·난방 등에 필요한 온수를 공급할 수 있습니다.현재, 열펌프 시스템의 난방 효율은 3~5 사이입니다. 즉, 1킬로와트의 전력을 소비하면 3~5킬로와트의 열량을 얻을 수 있습니다. 이는 특정 조건 하에서 주변 온도보다 약간 높은 폐수의 잔열을 활용하는, 경제적으로 실현 가능한 기술입니다.　　현재 개발·생산되고 있는 것은 대부분 압축식 열펌프이며, 중형 열펌프는 개발 중에 있고, 대형 열펌프는 아직 개발되지 않았습니다.압축식 열펌프 중에서는 수원 열펌프 기술이 가장 널리 사용되며, 화력발전소나 원자력발전소의 순환수 잉여열, 인쇄·염색, 제약 등의 산업 분야에서 발생하는 잉여열 회수에 활용될 수 있다.예를 들어, 발전소는 순환수를 열원수로 사용하여 히트펌프 장치를 통해 보일러 공급수의 온도를 높입니다. 이를 통해 기존의 보일러 공급수 온도가 15℃에서 50℃로 상승하게 되며, 그 결과 보일러가 필요로 하는 석탄의 양이 줄어들어 에너지 절약과 소비 감소라는 효과를 얻을 수 있습니다.　　위에서 살펴본 바와 같이, 잔열 활용을 위한 기술 및 장비의 종류는 매우 다양하지만, 모두 일정한 적용 조건이 있습니다. 따라서 산업 현장의 잔열 온도와 양, 그리고 생산 조건, 공정 흐름, 내외부 에너지 수요를 고려하여 적절한 잔열 활용 방식을 선택해야 합니다.　　유기 매체를 기반으로 한 저온 산업 폐열 발전 기술　　1. 저온 유기 랑켄 순환　　200℃ 이하의 대량의 저온 폐열의 경우, 현재는 증기나 온수 플래시 시스템을 이용해 효과적으로 회수할 수 없습니다. 따라서 경제적으로 실현 가능한 유기 랑켄 순환을 활용한 폐열 발전 기술이 더 적합합니다.　　유기 매체를 기반으로 하는 저온 산업 폐열 발전 기술은 열-동력 변환 기술에 속한다.유기 랑켄 순환은 저비등점 유기물을 작동 매체로 하는 랑켄 순환으로, 일반적인 증기 발전 장치의 열력학적 순환 원리와 동일하지만 순환 매체가 다를 뿐이며, 시스템이 더욱 단순하고 컴팩트합니다.이러한 발전 방식은 저온 영역의 잉여열 활용에 있어서 상당한 장점을 가집니다. 잉여열 유체가 작동 매체와 직접 접촉하지 않으며, 유기 작동 매체의 증기 비부피가 작고, 파이프의 크기도 작습니다. 또한 터빈의 통과 면적도 작아서 단위 부피당 출력이 높아, 저온 잉여열 회수에 매우 적합합니다.　　유기 작동유의 선정은 유기 랑켄 순환 잉여열 발전 기술의 중요한 요소입니다.일반적으로 작동 물질은 다음과 같은 조건을 충족해야 합니다: 발전 효율이 높아야 하며, 열 전달 성능도 우수해야 합니다. 또한, 작동 물질의 임계 파라미터나 상압에서의 끓는점과 같은 열물리적 특성도 적절해야 합니다. 화학적으로 안정적이어서 분해되지 않으며, 부식성과 독성이 낮고, 환경 친화적이어야 합니다. 또한, 가연성이나 폭발성이 낮아야 합니다. 마지막으로, 경제적인 측면에서도 유리해야 하며, 공급이 원활하고 가격도 저렴해야 합니다.하지만 실제 응용에서는 작동 매질이 위와 같은 모든 조건을 동시에 만족시키기 어렵으며, 국제적으로 유기 작동 매질에 대한 환경 보호 요구가 점점 높아짐에 따라 사용 가능한 작동 매질도 계속해서 새로워지고 있습니다. 따라서 열원의 종류와 온도 수준을 고려하여 종합적으로 판단해야 합니다.　　유기 랑케 순환 발전 시스템의 장비 중, 열교환기, 펌프 및 배관 밸브 등의 설계 제작은 화학·냉동 산업의 열교환 장비를 참고할 수 있으며, 발전기는 시리즈 제품이다. 단, 터빈 팽창기의 선정 설계 및 밀봉 기술은 별도로 다루어 비표준 설계가 이루어져야 한다.일반적으로 사용되는 터빈 익스팬더로는 다단계 축류 터빈이 있으며, 이는 온도가 높고 유체의 유량이 많으며 총 엔탈피 감소량이 크고 용량이 큰 경우에 적합합니다. 하지만 내부 효율은 상대적으로 낮으며, 공정도 복잡합니다. 반면, 원류식 터빈은 내부 효율이 상대적으로 높고 구조가 간결하며 제조 공정도 간단합니다. 다만 단일 기기의 용량은 작습니다. 해외에서는 잉여열 활용 분야에서 많이 사용되고 있으며, 잉여열 회수량이 적은 경우에 적합합니다.　　2. 칼리나 순환 순수 공정유를 사용하는 유기 랑켄 순환으로, 공정유의 등온 증발 과정에서 발생하는 열흡수 현상이 실제의 변온 저온 열원과 잘 맞지 않아, 열교환 시의 평균 온도 차이가 커지고 비가역적 손실도 크다.칼리나 순환은 암모니아 수용액을 작동 매체로 하는 순환 시스템입니다. 가장 단순한 열역학적 순환 방식은 1단계 증류 순환으로, 일정 농도의 암모니아 수용액이 워터 펌프를 통해 압력이 가해지고 예열기에서 온도가 상승한 후, 잉여열 보일러에서 증발하여 과열된 암모니아 증기가 됩니다. 이 증기는 터빈에서 팽창하여 동력을 생성합니다. 그 후, 복잡한 증류 냉각 시스템을 통해 암모니아 수용액의 응축 문제를 해결함으로써, 터빈에서 나온 증기가 다시 일정 농도의 작동 매체가 되어 주입 펌프로 돌아가게 됩니다. 이렇게 하여 한 번의 순환이 완료됩니다.　　칼리나 순환은 증발 과정에서 작동 물질이 등압 상태에서 온도가 변하면서 증발하기 때문에, 작동 물질이 열을 흡수하는 과정의 비가역성을 줄여줍니다. 또한 응축 과정에서 기본 작동 물질에 포함된 암모니아의 양이 적기 때문에, 혼합 작동 물질을 사용하는 유기 랑케 순환의 응축 손실이 큰 단점을 극복할 수 있습니다.이론적 분석에 따르면, 칼리나 순환은 순수 공정유를 사용하는 유기 랑케 순환 시스템보다 성능이 15% 이상 더 우수한 것으로 나타납니다. 하지만 실제 운용 시에는 암모니아 수용액을 혼합한 공정유의 증발 과정의 복잡성 등의 요인들로 인해, 칼리나 순환은 그다지 높은 성능을 보여주지 못합니다.　　연구에 따르면, 중저온의 잉여열 회수 활용에서는 다양한 유형의 잉여열에 따라 칼리나 순환과 랑켄 순환이 각각 장점을 가진다. 온도와 유량이 일정하며, 잉여열 회수 후 특정 온도로 처리되어 생산 공정에 사용되는 잉여열원의 경우, 유기 랑켄 순환 기반의 저온 잉여열 회수 시스템이 더욱 유리하다.　　결론　현재 우리나라에서는 중고온 열회수 기술의 보급률이 그다지 높지 않으며, 저온 열회수 기술은 기술적으로 아직 미성숙하여 사실상 사용되지 않고 있다.따라서 산업 분야의 에너지 절약 및 오염 감소를 추진하기 위해서는, 한편으로는 중고온 열회수 기술을 더욱 널리 보급해야 하며, 특히 중소기업의 열회수율을 높이고 전체 공정 시스템과 그에 따른 열회수 기술을 최적화해야 합니다.반면, 기술 발전 측면에서 볼 때 저온 유기 랑켄 순환 기술은 저온 산업 폐열, 지열, 태양열을 활용하는 경제적이고 효율적인 방안입니다. 하지만 국내에서는 아직 이 기술을 보유하고 있지 않습니다. 따라서 유기 랑켄 순환과 같은 저온 폐열 발전 기술에 대한 연구를 강화하고, 이를 실제 프로젝트에 적극적으로 적용함으로써 저품위 폐열의 활용률을 높이는 데 중요한 역할을 할 수 있을 것입니다.