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문제 정의
- 따라서 본고에서는 염색 가공업체에서 배출되는 염색폐수열을 회수하여 이를 자체 에너지로 사용하여 에너지 비용 절감을 이룰 수 있는 폐열회수 시스템의 기술적, 경제적 타당성 평가를 통해 적 용가능성을 검토하였다. 먼저 열펌프를 이용한 폐열회수시스템의 적용 가능성, 적정 규모의 도출 및 시스템 구성 방안을 마련하기 위하여 폐열 원인 염색폐수의 배출량 및 폐수의 온도를 검토하였다
- 본 고에서는 염색가공업체의 폐수열을 회수하기 위한 방법의 하나로 열펌프를 이용한 폐수열 회수 시스템의 기술적, 경제적인 타당성을 검토하였다.
제안 방법
- 폐열회수 시스템을 통해 회수된 폐수열을 효율적으로 이용하기 위한 방안을 도출하기 위해서 회수된 폐수열의 이용방안 및 이용온도 수준에 관해 실제 염색업체의 의견을 설문서를 통해 파악하고 이를 바탕으로 흡수식, 압축식 열펌프 방식의 폐열회수 시스템을 구성하였다. 마지막으로 500,000kcal/hr의 용량을 갖는 열펌프 방식의 폐열회수 시스템의 경제성과 투자비 회수기간을 평가하여 임색폐수열 회수시스템의 경제적 타당성을 검토하였다.
- 폐열회수 시스템을 통해 회수된 폐수열을 효율적으로 이용하기 위한 방안을 도출하기 위해서 회수된 폐수열의 이용방안 및 이용온도 수준에 관해 실제 염색업체의 의견을 설문서를 통해 파악하고 이를 바탕으로 흡수식, 압축식 열펌프 방식의 폐열회수 시스템을 구성하였다. 마지막으로 500,000kcal/hr의 용량을 갖는 열펌프 방식의 폐열회수 시스템의 경제성과 투자비 회수기간을 평가하여 임색폐수열 회수시스템의 경제적 타당성을 검토하였다.
- 폐열원인 염색 폐수의 업체별 배출량 및 폐수의 온도는 폐수열 회수를 위해 적용하고자 하는 열펌프를 이용한 폐열회수 시스템의 적용 가능성, 적정 규모의 도출 및 시스템 구성 방안을 마련하기 위해 가장 중요하게 파악되어야 할 사항이다. 따라서 본고에서는 대구 염색공단 1, 2차 단지에 입주해 있는 각 염색 업체에서 배출되는 폐수의 월평균 배출량과 폐수 온도를 조사하고, 이를 기초로 하여 폐수 배출량 분포 및 폐수 온도 분포를 정리하였다.
- 5에 정리하였다. 회수된 폐수열의 활용도로는 염색가공 공정에서 발생하는 40~50℃의 온수를 재가열하여 온도를 높이는 방안(온수가열), 공업용수의 가열 그리고 스팀생산을 위한 보일러 급수가열 의 세 가지 용도에 대한 선호도 및 각 활용도에 대해 원하는 온도를 파악하였다. 염색가공공정중에서 주로 에너지를 사용하는 정련, 표백 및 염색공 정은 에너지원으로 고압증기를 사용한다.
- 대구 염 색산업단지의 1차 단지의 경우는 증기를 열병합 발 전소에서 공급받는 데 비해 2차 단지에 입주한 업체는 자체 보일라를 가동하여 필요한 증기를 생산하고 있기 때문에 단지에 따라 회수된 폐수열의 활용방안에 대한 의견에 차이가 있을 수 있다. 따라서 폐수 열 활용 방안에 대한 업체의 의견은 Fig. 5에 나타낸 바와 같이 1, 2차 단지로 구별하여 정리 하였다.
- 7과 8은 각각 흡수식 및 압축식 열펌프 방 식의 폐열회수 시스템과 회수된 폐열을 이용한 온 수재가열 시스템의 개략도를 보여주고 있다. 약 40℃의 폐수에서 열을 회수한 후 30℃로 배출하고 압축식 열펌프에 의한 온수재가열 시스템은 회수 된 열로 50℃의 온수를 60℃로 가열( JT=10℃) 하며, 흡수식 열펌프를 이용한 온수재가열 시스템은 회수된 열로 50℃의 온수를 70℃로 가열 ( /T = 20℃)하는 것으로 시스템을 구성하였다. 폐수는 먼저 열교환기의 안정적 운전을 위해 섬유 층 제거장치와 수처리장치에서 정화시키고 폐열회 수 열교환기에서 순환수로 열을 회수한다.
- 7 및 8과 같이 구성되는 흡수식 및 압축식 열펌프를 이용한 온수재가열 시스템의 투 자비는 Table 1에 정리된 바와 같이 각각 221,900,000원 및 186,000,000원으로 산정되었다. 주요 구성은 열펌프, 세정설비를 포함한 폐열회수기, 섬유층제거장치 및 수처리장치, 각종 펌프 및 탱크 로 이루어졌으며, 투자비에는 자동제어시스템을 포함한 전기공사비 및 배관공사비도 고려되었다.
- 폐수유량은 1,000토일, 공장가동일수 를 27일/월로 하였다. 열회수에 의한 에너지 절감비 용을 산정하기 위하여 증기의 압력은 6kg£/citf으로 하였으며, 2차 단지 입주업체에서 증기 생산을 위해 가동중인 보일러의 열효율은 82%로 하였다. 폐열회 수시스템의 열펌프는 압축식의 경우 성적계수 (COP)를 5.
- 열회수에 의한 에너지 절감비 용을 산정하기 위하여 증기의 압력은 6kg£/citf으로 하였으며, 2차 단지 입주업체에서 증기 생산을 위해 가동중인 보일러의 열효율은 82%로 하였다. 폐열회 수시스템의 열펌프는 압축식의 경우 성적계수 (COP)를 5.5, 압축기 효율은 95%로 설정하였다. 흡 수식 열펌프의 경우는 성적계수(COP)를 1.
- 경제성 평가결과 1, 2차 단지 염색업체에 압축 식 및 흡수식 열펌프에 의한 폐열회수시스템을 설 치할 경우의 투자비 회수기간을 Table 3에 정리하였다. 특히 2차 단지의 경우 스팀생산을 위한 보 일러의 연료로 B/C유 또는 LNG를 사용하고 있는데 이들 연료의 발열량 기준 연료비에 차이가 있기 때문에 사용연료에 따른 투자비 회수기간을 별 도로 산정하였다. 폐열회수시스템 설치에 따라 회 수되는 열량을 증기 및 연료의 열량당 가격으로 나누어 증기 및 연료의 절감액을 산정하였고, 비 용으로 전기사용에 따른 전력요금과 초기투자비에 대한 감각상각비 및 이자율을 고려한 이자비용을 산정하였다.
- 특히 2차 단지의 경우 스팀생산을 위한 보 일러의 연료로 B/C유 또는 LNG를 사용하고 있는데 이들 연료의 발열량 기준 연료비에 차이가 있기 때문에 사용연료에 따른 투자비 회수기간을 별 도로 산정하였다. 폐열회수시스템 설치에 따라 회 수되는 열량을 증기 및 연료의 열량당 가격으로 나누어 증기 및 연료의 절감액을 산정하였고, 비 용으로 전기사용에 따른 전력요금과 초기투자비에 대한 감각상각비 및 이자율을 고려한 이자비용을 산정하였다. 투자비 회수기간은 투자비를 비용절 감액, 즉 증기 또는 연료절감액에서 전력요금과 초기투자비에 대한 이자비용 그리고 감가상각비를 공제한 값으로 나누어서 계산하였다23Q.
- 따라서 본고에서는 염색 가공업체에서 배출되는 염색폐수열을 회수하여 이를 자체 에너지로 사용하여 에너지 비용 절감을 이룰 수 있는 폐열회수 시스템의 기술적, 경제적 타당성 평가를 통해 적 용가능성을 검토하였다. 먼저 열펌프를 이용한 폐열회수시스템의 적용 가능성, 적정 규모의 도출 및 시스템 구성 방안을 마련하기 위하여 폐열 원인 염색폐수의 배출량 및 폐수의 온도를 검토하였다
성능/효과
- 폐수 배출량 기준으로 보면 비교적 다양한 규모의 업체가 입주해 있는 것을 알 수 있다. 크게 나누어 30,000톤/월 이하의 폐수를 배출하는 업체가 106개 입주업체 중 81개(76.4%)로 주종을 이루고 있으며, 각 업체 당 평균폐수배출량은 22,630톤/ 월로 산정되었다
- 폐수 온도는 33~47℃로 비교적 넓은 온도분포를 보이고 있다. 온도 구간을 2℃로 설정하여 폐수 온도 분포를 살펴본 결과 40℃를 중심으로 좋모양의 분포도를 보이고 있으며, 전체 입주업체의 평균폐수온도는 403C로 산정되었다. 염색공단의 각 업체에서 배출되는 폐수는 생물학적 폐수처리설비가 갖춰진 공동 폐수장에서 처리되는데 폐수의 온도가 너무 높을 경우 폐 수 처리 효율이 낮아 폐수 온도에 따라 가중치를 정해 부과금이 산정되기 때문에 각 업체에서는 냉각탑 등을 설치하여 폐수 온도를 낮추기 위한 노력을 많이 하고 있다.
- 6(A)와 6(B)는 각각 1, 2차 단지에서 설문 서에 응답한 전체 업체에 대해 폐열회수시 원하는 온도분포를 정리한 것이다. 1차 단지의 경우 50~ 60℃를 원하는 업체가 가장 많은 것으로 나타났으며, 이어서 20~50℃를 원하는 업체가 많이 분포하는 것으로 나타났다. 60 ℃ 이상을 원하는 업체는 상대적으로 적은 것으로 나타났다.
- 회수된 폐수열의 이용방안에 대한 1, 2차 단지 입주업체의 의견을 설문서를 통해 파악한 결과 온 수의 재가열이나 공업용수의 가열에 대해서는 이 용온도를 50~60℃로 하는 것이, 보일러 급수예열 의 경우는 70-80℃ 이상으로 하는 것이 바람직한 방안으로 파악되었다. 그러나 현재의 열펌프 기술 로는 40~50℃의 폐수로부터 열을 회수하여 평균 18 ℃ 정도의 공업용수를 50~60 ℃로 승온하는 것 이나 보일러 급수를 70-80℃ 이상으로 상승시키 는 것은 현실적으로 매우 어렵다.
- 1차 단지의 경우 압축식 열펌프의 폐열회수시시 템은 열회수에 의한 증기의 절감액이 비용보다 적 어 투자가 무의미한 것으로 나타났으며, 흡수식의 경우는 투자비 회수기간이 약 11.25년(135개월)로 나타나 투자가치가 매우 적은 것으로 확인되었다. 압축식과 흡수식의 투자비 회수기간 차이는 압축 식이 흡수식에 비해 증기비용 절감액이 다소 많고 투자비가 적어 이자비용과 감가상각비는 적지만 압축기 가동에 따른 전력요금이 홉수식에 비해 약 5배로 큰 것에 기인한다.
- 압축식과 흡수식의 투자비 회수기간 차이는 압축 식이 흡수식에 비해 증기비용 절감액이 다소 많고 투자비가 적어 이자비용과 감가상각비는 적지만 압축기 가동에 따른 전력요금이 홉수식에 비해 약 5배로 큰 것에 기인한다. 이해 비해 2차 단지는 압축식, 흡수식 모두 1차 단지에 비해 투자비 회 수기간이 짧아 경제성이 더 우수한 것으로 산정되었다. 이는 2차 단지의 경우 열병합발전소에서 증 기를 공급받지 않고 자체 보일러를 가동하여 증기 를 생산하고 있는데 연료인 B/C유와 LNG 비용이 높아 에너지절감에 따른 연료비용의 절감이 1차 단지에 비해 크기 때문이다.
- 85년（22개 월）으로 LNG를 연료로 사용하는 경우가 B/C유를 연료로 사용하는 경우보다 경제성이 우수하다. 동일한 연료에 대해 비교하면 B/C유를 연료로 사용하는 업체는 압축식과 흡수식을 적용할 경우 투자 비 회수기간이 각각 3.39년（41개월）과 3.02년（36개 월）로 흡수식이 압축식 폐열회수시스템에 비해 투 자비 회수기간이 다소 짧아 경제성이 더 우수한것으로 나타났다. 이에 비해 LNG를 연료로 사용하는 업체는 압축식과 흡수식을 적용할 경우 투자 비 회수기간은 각각 1.
- 02년（36개 월）로 흡수식이 압축식 폐열회수시스템에 비해 투 자비 회수기간이 다소 짧아 경제성이 더 우수한것으로 나타났다. 이에 비해 LNG를 연료로 사용하는 업체는 압축식과 흡수식을 적용할 경우 투자 비 회수기간은 각각 1.68년（20개월）과 1.85년（22개 월）으로 오히려 압축식이 흡수식 폐열회수시스템에 비해 투자비 회수기간이 짧아 경제성이 더 우수한 것으로 나타났다. 이는 연료의 종류에 관계없이 압축식과 홉수식의 전력요금과 초비투자비에 대한 이자율과 감각상각비의 차이는 동일 하지만 LNG 가격이 B/C유의 가격보다 비싸 2가지 폐열 회수 방식을 비교하면 LNG를 사용하는 경우 압 축식과 흡수식 폐열회수 방식을 적용했을 경우의 연료비 절감액의 차이가 커지기 때문이다.
- 결론적으로 압축식, 흡수식 폐열회수 시스템 모두 2차 단지 염색업체에 적용할 경우가 1차 단지 염색업체에 적용할 경우보다 경제성이 우수한 것으로 확인되었으며 특히, 2차 단지 염색업체중 증 기생산을 위한 보일러 연료로 LNG를 사용하는 업체에 압축식 폐열회수시스템을 적용할 경우가 투자비 회수기간이 1.68년（20개월）으로 가장 짧아 경제성이 가장 우수한 것으로 나타났다.
- 설문서를 통해 파악된 염색업체의 의 견과 현재의 열펌프 기술의 적용성을 고려할 때 회수된 폐수열을 이용하여 약 40~50℃인 온수를 가열하여 10-20℃ 승온시키는 것이 가장 바람직 한 폐수열의 활용방안으로 판단된다. 500,000 kcal/hr의 용량을 갖는 열펌프방식의 폐열회수시스템 설치에 대한 투자비 회수기간 산정결과 1차 단지의 경우 열펌프 방식에 따라 투자비 회수기간 이 약 11년 이상으로 투자가치가 매우 적거나 투 자효과가 없는 것으로 파악되었다. 이해 비해 열 병합발전소에서 증기를 공급받지 않고 자체 보일 러를 가동하여 증기를 생산하고 있는 2차 단지는 연료인 B/C유와 LNG 비용이 높아 폐열회수시스템 설치에 대한 투자비 회수기간이 짧아 경제성이 더 우수한 것으로 산정되었다.
- 500,000 kcal/hr의 용량을 갖는 열펌프방식의 폐열회수시스템 설치에 대한 투자비 회수기간 산정결과 1차 단지의 경우 열펌프 방식에 따라 투자비 회수기간 이 약 11년 이상으로 투자가치가 매우 적거나 투 자효과가 없는 것으로 파악되었다. 이해 비해 열 병합발전소에서 증기를 공급받지 않고 자체 보일 러를 가동하여 증기를 생산하고 있는 2차 단지는 연료인 B/C유와 LNG 비용이 높아 폐열회수시스템 설치에 대한 투자비 회수기간이 짧아 경제성이 더 우수한 것으로 산정되었다. 2차 단지의 경우는 폐열회수시스템의 투자비 회수기간은 폐열회수 방 식과 연료의 종류에 크게 의존하는 것으로 확인되 었고, 증기생산을 위한 보일러 연료로 LNG를 사용하는 업체에 압축식 폐열회수시스템을 적용할 경우가 투자비 회수기간이 1.
- 이해 비해 열 병합발전소에서 증기를 공급받지 않고 자체 보일 러를 가동하여 증기를 생산하고 있는 2차 단지는 연료인 B/C유와 LNG 비용이 높아 폐열회수시스템 설치에 대한 투자비 회수기간이 짧아 경제성이 더 우수한 것으로 산정되었다. 2차 단지의 경우는 폐열회수시스템의 투자비 회수기간은 폐열회수 방 식과 연료의 종류에 크게 의존하는 것으로 확인되 었고, 증기생산을 위한 보일러 연료로 LNG를 사용하는 업체에 압축식 폐열회수시스템을 적용할 경우가 투자비 회수기간이 1.68년으로 가장 짧아 경제성이 가장 우수한 것으로 나타났다. 열펌프시스템에 의한 염색폐수열의 회수기술은 기술적으로 적용이 가능할 뿐만 아니라 경제성이 충분한 기술 로 확인되었다.
- 68년으로 가장 짧아 경제성이 가장 우수한 것으로 나타났다. 열펌프시스템에 의한 염색폐수열의 회수기술은 기술적으로 적용이 가능할 뿐만 아니라 경제성이 충분한 기술 로 확인되었다. 따라서 본 열펌프에 의한 폐열회 수 기술은 염색가공업계에서 에너지 절약 방안의 하나로 적극 검토할 수 있는 기술의 하나라고 판단된다.
- 열펌프시스템에 의한 염색폐수열의 회수기술은 기술적으로 적용이 가능할 뿐만 아니라 경제성이 충분한 기술 로 확인되었다. 따라서 본 열펌프에 의한 폐열회 수 기술은 염색가공업계에서 에너지 절약 방안의 하나로 적극 검토할 수 있는 기술의 하나라고 판단된다.
후속연구
- 이상과 같이 염색가공 공정은 에너지 다소비형이며, 염색조업을 수행하는 과정에서 저온의 폐수가 다량으로 발생하고 있지만 대부분의 업체에서 폐수가 갖는 열에너지는 미활용되고 있으며, 방류시 폐수 온도가 40℃를 초과할 때에는 업체에서 부과금을 지불해야 하는 실정이므로 공동 폐수처리장 으로 방류하기 전에 강제냉각시키고 있다. 따라서 염색업체 개별로 열펌프(Heat Pump) 등과 같은 열회수 장치를 설치하여 발생되는 저온폐수 열을 회수하여 공정용 온수나 급수가 열 등으로 활용하면 연료 사용량을 절약하고 강제냉각비용이나 고 온부과금과 같은 부담도 없게 되며, 이산화탄소 배출량 감소에 따른 환경보전에도 기여할 수 있을 것으로 기대된다 47).
- 3 ℃ 로 산정되었다. 설문서를 통해 파악된 염색업체의 의 견과 현재의 열펌프 기술의 적용성을 고려할 때 회수된 폐수열을 이용하여 약 40~50℃인 온수를 가열하여 10-20℃ 승온시키는 것이 가장 바람직 한 폐수열의 활용방안으로 판단된다. 500,000 kcal/hr의 용량을 갖는 열펌프방식의 폐열회수시스템 설치에 대한 투자비 회수기간 산정결과 1차 단지의 경우 열펌프 방식에 따라 투자비 회수기간 이 약 11년 이상으로 투자가치가 매우 적거나 투 자효과가 없는 것으로 파악되었다.
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