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문제 정의
- 본 연구에서는 생산효율이 좋아 대량생산이 가능한 습식펄프몰드의 생산 공정에서의 공정개선방 안을 모색하고 특히 생산원가의 상당한 부분을 차지하는 건조에너지 절감을 위한 방안을 전산모사를 통해 구현하여 보았다. 특히 습식펄프몰드 제조방식에서 탈수성 향상을 위한 다양한 방법들을 평가 한 결과를 바탕으로 실질적인 공정라인 개선방안과 건조공정에서의 원가절감방안을 평가하였다.
- 본 연구에서는 친환경성 완충포장재인 펄프몰드의 대량 생산이 가능한 습식몰드 생산방식에서의 공정최적화 및 건조기 원가절감 방안을 모색하여 보았다. 펄프몰드 생산업체 A사의 실제공정을 바탕으로 각 공정단위별 최적 운전 조건을 모색하였고 원가를 절감하며 품질을 최적화할 수 있는 방안 을 다양한 기법을 도입하여 제시하였다.
제안 방법
- 본 공정에 대한 명확한 이해를 위해 각 공정별로 원료의 특성 및 그 변화를 측정하였다. 각각의 원료 측정 지점은 펄퍼, 펄퍼유입수, 고농도 탱크, 저농도 탱크, 백수 탱크, 각 성형기(1~8호기), 실링수, 진공 수, 금형세척수, 그리고 청수이고 각 성형기에서 성형된 몰드 제품을 채취하여 건조도와 건조기 통과 후의 건조도를 각각 측정하였다. 각 채취된 원료의 기본적인 물성은 Table 1에 나타난 바와 같다.
- 본 공정에 대한 명확한 이해를 위해 각 공정별로 원료의 특성 및 그 변화를 측정하였다. 각각의 원료 측정 지점은 펄퍼, 펄퍼유입수, 고농도 탱크, 저농도 탱크, 백수 탱크, 각 성형기(1~8호기), 실링수, 진공 수, 금형세척수, 그리고 청수이고 각 성형기에서 성형된 몰드 제품을 채취하여 건조도와 건조기 통과 후의 건조도를 각각 측정하였다.
- 본 연구가 진행된 A사의 경우 실제 생산량 원료, 용수 및 에너지 사용량 등에 대한 관리가 잘 이루어지는 반면 실제 공정상에서 이러한 물질들의 이송 및 제조에 관한 공정별 물질수지 관리가 이루어지지 않고 있었다. 본 연구팀은 실제 A사의 공정에서 물질수지가 확립이 된다면 공정의 개선과 공정 트러블에 대한 효과적인 대처가 가능할 뿐만 아니라 원부자재의 효율적 이용을 가져올 수 있을 것으로 판단하고 필수적인 공정 데이타를 실측한 후 물질 수지를 작성하고 전체 공정 라인에 대한 전산모사 를 실시하였다.
- 이러한 성형기에서의 온도 상승은 지난 연구에서 보고된 바와 같이 성형기의 탈수능력을 향상시킬 뿐만 아니라 성형 후 건조기로 유입되는 습펄프몰드의 온도를 상승시켜 건조에너지의 절감 효과를 유발할 것으로 생각된다. 이러한 예상 결과는 다음 전산모사를 통해 검증하였다.
- 전체 공정의 물질수지 작성을 통한 공정의 표준화를 이루기 위하여 공정 단계별 실측과 함께 컴퓨터 시뮬레이션 프로그램을 적용하여 공정의 전산모사를 실시하였다. 그 결과 각 공정 단계별로 실측이 불가능하였던 지료 및 백수의 이송정도를 예측할 수 있었고, 또한 성형기에서의 공정 최적화를 통해 달성될 수 있는 건조에너지의 감소로 A사의 경우 년간 1억 8천만원 정도의 원가 절감이 가능한 것을 예측할 수 있었다.
- 펄프몰드 생산업체 A사의 실제공정을 바탕으로 각 공정단위별 최적 운전 조건을 모색하였고 원가를 절감하며 품질을 최적화할 수 있는 방안 을 다양한 기법을 도입하여 제시하였다. 특히 공정 전산모사를 통한 전체 공정의 물질수지 맵을 작성 하여 공정 최적화를 통한 원가절감 가능성을 확인하였다.
- 본 연구에서는 생산효율이 좋아 대량생산이 가능한 습식펄프몰드의 생산 공정에서의 공정개선방 안을 모색하고 특히 생산원가의 상당한 부분을 차지하는 건조에너지 절감을 위한 방안을 전산모사를 통해 구현하여 보았다. 특히 습식펄프몰드 제조방식에서 탈수성 향상을 위한 다양한 방법들을 평가 한 결과를 바탕으로 실질적인 공정라인 개선방안과 건조공정에서의 원가절감방안을 평가하였다.
- 본 연구에서는 친환경성 완충포장재인 펄프몰드의 대량 생산이 가능한 습식몰드 생산방식에서의 공정최적화 및 건조기 원가절감 방안을 모색하여 보았다. 펄프몰드 생산업체 A사의 실제공정을 바탕으로 각 공정단위별 최적 운전 조건을 모색하였고 원가를 절감하며 품질을 최적화할 수 있는 방안 을 다양한 기법을 도입하여 제시하였다. 특히 공정 전산모사를 통한 전체 공정의 물질수지 맵을 작성 하여 공정 최적화를 통한 원가절감 가능성을 확인하였다.
- 2는 습식 펄프몰드를 생산하는 A사의 공정 개선안을 모식적으로 보여주고 있다. 현재 명확한 구별이 없는 지료조성라인과 성형라인 사이에 thickner를 도입하여 구별하는 방안을 제시해 보았 다. 이러한 개선방안을 도입한다면 지료조성부에서 공정수로 용출되었던 오염물질의 성형부로의 도입이 제한될 뿐만 아니라 온도가 상대적으로 높은 실 링수가 펄퍼로 유입되지 않고 성형부에서만 순환하 게 되기 때문에 성형부에서의 공정수의 온도가 상승하는 효과가 있을 것으로 예상된다.
대상 데이터
- 본 연구는 실제 습식 펄프몰드 제조방식으로 몰드 제품을을 생산하고 있는 국내 A사의 공정을 대상으로 하여 진행되었다. Fig.
이론/모형
- 본 전산모사에는 Aspen Water사의 Water Pinch 프로그램을 적용하였다. Table 2에서는 공 정전산모사에 적용된 A사의 일일 원부자재 사용량과 생산량을 볼 수 있는데 이것은 실제 한 달간 측 정된 량을 근거로 계산한 평균치를 나타낸 것이다.
성능/효과
- A사 건조시스템의 물질수지를 평가한 결과 실제 건조기로 유입되는 성형품의 건조도(dryness)와 건조 후 완제품의 건조도(dryness), 그리고 각각 건조시스템 별로 유입되는 수분함량을 바탕으로 전체 건조기에서 증발되는 물의 양 및 이를 위해 소요되는 LNG 양을 추정할 수 있었다. 다음의 Table 3은 그 계산 결과를 보여준다.
- Table 3에서 정리된 바와 같이 성형품의 건조도가 25%에서 30%로 증가됨에 따라 공업용수의 하 루 요구량은 10.85톤가량 감소하고 가스 요구량도 1263.4 m3 절감되는 것을 확인할 수 있었다. 성형기의 온도 증가에 따른 에너지 절감효과도 평가하여 보았는데 그 결과는 Table 4에 나타내었다.
- 공정전사모사 결과를 바탕으로 현 공정에서의 건조에너지 최적화 방안을 모색해볼 수 있는데 실제 성형품 건조도 (25%, 2003년 8월 측정), 온도 35℃에서 성형 시 탈수성을 개선하여 건조도를 30% 까지 또한 성형기의 지료의 온도를 향상시켜 서 성형품 온도를 50℃까지 향상시킨다면 하루 가 스사용량은 약 1361 m3(22.9%), 공업용수 사용량은 하루 10.85톤(23.3%)를 절감시킬 수 있을 것으로 기 대된다. 이것을 현 가스비용, lm3당 381원과 공업용수비용, 1톤당 410원으로 환산한다면 하루 약 52만원의 원가 절감효과를 거두는 셈이다.
- 전체 공정의 물질수지 작성을 통한 공정의 표준화를 이루기 위하여 공정 단계별 실측과 함께 컴퓨터 시뮬레이션 프로그램을 적용하여 공정의 전산모사를 실시하였다. 그 결과 각 공정 단계별로 실측이 불가능하였던 지료 및 백수의 이송정도를 예측할 수 있었고, 또한 성형기에서의 공정 최적화를 통해 달성될 수 있는 건조에너지의 감소로 A사의 경우 년간 1억 8천만원 정도의 원가 절감이 가능한 것을 예측할 수 있었다.
- $ 특히 A사의 경우 100% 고지 를 원료로 사용하는데 이러한 경우 온도가 전체 공 정수의 오염을 심화시킬 수 있다. 또한 water ring 타입의 진공펌프 실링수는 낮은 온도의 공업용수가 적합한데 본 공정에서는 청수의 사용량이 충분치 못하여 진공수 등이 모여든 집수조의 상대적으로 높은 온도의 공정수를 사용함에 따라 실링 수의 온도 상승 등으로 진공펌프의 효율이 떨어지는 즉, 진 공압이 감소하는 악영향을 예상할 수 있었다. 실링 수의 농도가 성형기에서 탈수되어 나온 진공수의 농도와 현저한 차이가 없는 점으로 보아 진공펌프에서도 실링수와 진공수사이의 구별이 분명하지 않고 이로 인해 진공펌프의 운전에도 다소 문제가 유발되는 것으로 판단되었다.
- 실링 수의 농도가 성형기에서 탈수되어 나온 진공수의 농도와 현저한 차이가 없는 점으로 보아 진공펌프에서도 실링수와 진공수사이의 구별이 분명하지 않고 이로 인해 진공펌프의 운전에도 다소 문제가 유발되는 것으로 판단되었다. 또한 각 성형기별로 탈 수 정도에 차이가 있어서 성형된 후의 제품의 건조 도가 일정하지 않은 것으로 확인되었고 이러한 건 조도의 변이가 실제 제품의 건조 시에 효율적인 운전을 어렵게 하는 걸림돌이 된다고 생각되었다. 따라서 이러한 높은 온도의 실링 수의 폐열을 효율적으로 사용하는 방법으로 실링수와 진공수의 분할관 리가 필요한 것으로 판단되었다.
- 각각의 성형기에서 탈수된 백 수는 진공탱크로 채집되어 집수조로 모아졌다가 일 부는 청수탱크로 보내져 실링수 또는 금형 세척수 로 사용되고 나머지는 백수탱크로 보내져 펄퍼유입 수와 희석수로 사용되고 있었다. 본 공정의 가장 큰 특징은 건조기에서 건조되어 외부로 유출되는 수증기 외에는 공정 밖으로 버려지는 배출수가 없다는 것이다. 즉, 거의 완벽하게 폐쇄화된 공정으로 운용되고 있었다.
- 성형기에서의 지료의 온도증가로 성형품의 온도 증가가 예상되는데 이러한 성형품의 온도증가는 건 조에너지를 절감시킬 수 있음을 전산모사를 통해 확인하였다. 특히, 실제 현장에서는 열풍건조기에서 발생하는 폐열의 재이용과 높은 온도로 배출되는 진공펌프의 실링수 등을 분할관리 등을 통하여 에너지 절감효과를 극대화 할 수 있을 것으로 생각된다.
- 또한 water ring 타입의 진공펌프 실링수는 낮은 온도의 공업용수가 적합한데 본 공정에서는 청수의 사용량이 충분치 못하여 진공수 등이 모여든 집수조의 상대적으로 높은 온도의 공정수를 사용함에 따라 실링 수의 온도 상승 등으로 진공펌프의 효율이 떨어지는 즉, 진 공압이 감소하는 악영향을 예상할 수 있었다. 실링 수의 농도가 성형기에서 탈수되어 나온 진공수의 농도와 현저한 차이가 없는 점으로 보아 진공펌프에서도 실링수와 진공수사이의 구별이 분명하지 않고 이로 인해 진공펌프의 운전에도 다소 문제가 유발되는 것으로 판단되었다. 또한 각 성형기별로 탈 수 정도에 차이가 있어서 성형된 후의 제품의 건조 도가 일정하지 않은 것으로 확인되었고 이러한 건 조도의 변이가 실제 제품의 건조 시에 효율적인 운전을 어렵게 하는 걸림돌이 된다고 생각되었다.
- Table 2에서는 공 정전산모사에 적용된 A사의 일일 원부자재 사용량과 생산량을 볼 수 있는데 이것은 실제 한 달간 측 정된 량을 근거로 계산한 평균치를 나타낸 것이다. 이 자료와 공정상에서 실측된 각 공정별 지료의농도 즉, 펄퍼에서는 3.35%, 고농도 탱크에서 2.18%, 저농도 탱크에서 0.86%, 성형기에서 0.83% 를 적용하여 전체공정의 물질수지 및 공정별 물질 수지의 변화를 평가하였다.
후속연구
- 건조에너지의 절감을 위해서 특히 중요한 영향 인자는 성형기에서 탈수된 후의 성형품의 건조도와 온도인데, 다른 보고서에서 설명된 다양한 성형기 탈수를 향상시키기 위한 방법들, 즉 최적화된 펄퍼 사용, 성형기에서의 온도상승, 성형금망 및 성형몰 드의 오염방지, 탈수촉진제의 첨가 등을 통하여 탈 수를 향상 시킬 수 있을 것으로 생각된다 특히 공정수 분할 관리 및 건조시스템의 열교환기를 통한 성형 시 지료의 온도상승 효과는 탈수촉진을 통한 성형품 건조도 향상 및 성형품의 온도 상승이라는 두 가지 효과를 동시에 가져올 수 있을 것으로 판단된다.
- 이러한 A사에 적용된 전산모사 기법은 펄프몰드 를 제조하는 유사한 공정방식에도 적용될 수 있을 것으로 생각되고 이와 같은 공정개선 및 에너지 효율증대 등을 통한 생산원가의 절감 등은 펄프몰드 제품의 가격 경쟁력을 향상시켜 보다 다양한 펄프 몰드의 수요를 창출할 수 있을 것으로 예상된다.
- 현재 명확한 구별이 없는 지료조성라인과 성형라인 사이에 thickner를 도입하여 구별하는 방안을 제시해 보았 다. 이러한 개선방안을 도입한다면 지료조성부에서 공정수로 용출되었던 오염물질의 성형부로의 도입이 제한될 뿐만 아니라 온도가 상대적으로 높은 실 링수가 펄퍼로 유입되지 않고 성형부에서만 순환하 게 되기 때문에 성형부에서의 공정수의 온도가 상승하는 효과가 있을 것으로 예상된다. 특히 A사의 경우 펄퍼를 제외하고는 공정수의 대부분이 공기와 접촉이 없는 상태로 유지되고 있기 때문에 공정수 의 온도 보전이 용이할 것으로 판단되었다.
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