초록 ▼

개발 목적 및 필요성
▪ 천연자원의 고갈되는 상황에서 미활용에너지인 폐수열은 환경 친화적인 에너지원이다. 그런 상황에서 제지 산업에서 자연적으로 발생되는 폐수 중의 열원은 매우 높은 열에너지를 가지고 있다. 그런 관점에서 독일, 스위스, 덴마크 등 북유럽과 미국·일본 등 해외 선진국들은 이미 미활용(온도차) 에너지를 신·재생 에너지로 지정하여 기술연구와 더불어 활발하게 실제 생활에 이용하고 있다.
▪ 제지산업은 제품 생산에 필요한 투입원료, 소요되는 전력비 및 에너지 비용,그리고 폐수처리 비용 등이 큰 부담으로 작용되고

개발 목적 및 필요성
▪ 천연자원의 고갈되는 상황에서 미활용에너지인 폐수열은 환경 친화적인 에너지원이다. 그런 상황에서 제지 산업에서 자연적으로 발생되는 폐수 중의 열원은 매우 높은 열에너지를 가지고 있다. 그런 관점에서 독일, 스위스, 덴마크 등 북유럽과 미국·일본 등 해외 선진국들은 이미 미활용(온도차) 에너지를 신·재생 에너지로 지정하여 기술연구와 더불어 활발하게 실제 생활에 이용하고 있다.
▪ 제지산업은 제품 생산에 필요한 투입원료, 소요되는 전력비 및 에너지 비용,그리고 폐수처리 비용 등이 큰 부담으로 작용되고 있다. 건조 및 생산 공정에서 많은 양의 에너지를 소모하는 동시에 많은 양의 용수를 사용 후 최종적으로 폐수처리장으로 35∼45℃ 온도를 가진 미활용에너지 폐수열이 발생된다. 하지만 제지공정에서 나오는 고온의 폐수열을 회수하여 Paper Machine에 공급하여 스팀 사용량을 줄여 에너지와 온실가스를 절감한 사례가 전무하다. 현재 제지 폐수처리장은 하절기에 일시적인 냉각을 통해 생물반응조의 적정온도를 유지를 위한 임시적 대응수단으로 수행되고 있다.
▪ 본 연구는 3,000m³/일 실증규모의 폐수열 회수설비를 설치하여 검증 및 확인하고 현장에서 열에너지 회수와 관련된 데이터를 수집하여 열교환기의 열효율, 회수 열량(에너지), 연료 절감량 및 온실가스 감축량을 통계적으로 분석하였다. 또한 최종적으로 잠재적인 온실가스 감축량을 얻기 위해 회귀 분석을 통해 예측모델을 개발 및 검증을 수행하였다.

연구개발결과
▪ 제지폐수열 온도차를 통해 폐수열 회수설비에 대한 성능을 평가한 결과는 다음과 같다.
▪ 폐수열 회수설비의 전처리 여과장치의 수질 처리효율은 SS와 TCOD은 각각 95% 및 40%을 만족하였다.
▪ 폐수열로 얻어지 열 회수로부터의 회수연료 공급량의 >6,000±500N㎥/일 LNG 목치를 만족하였고 또한 평균 폐수열 회수율(열효율) 역시 >80% 이상을 만족하였다.
▪ 수요처의 폐수처리 시설은 하절기에 35℃ 이상으로 생물반응조 운영에 많은 문제점을 있었지만 폐수열의 청수와 열교환을 통하여 생물학적 포기조 하절기 폐수 적정 온도 35℃이하를 만족시켰다.
▪ 높은 열효율을 기반으로 연간 회수할 수 있는 열에너지 절감량과 수익률은 571,441±160,110 Nm³/y와 400±112 million won/y으로 나타났다. 많은 양의 스팀 등 에너지소비량이 집중되고 있는 제지공정에 온수를 공급함으로써 연료비가 절감될 것으로 판단된다. 연료비 절감을 통해 폐수열 회수설비의 초기 투자비용을 고려한 투자회수기간이 1.5년 이내에 가능할 것으로 판단된다.
▪ 석탄, 석유 및 LNG 등 외부에너지를 대체함으로써 온실가스 감축량은 1,069±299 tCO₂/y으로 나타났다. 잠재적인 온실가스 감축량을 예측하기 위해 다중선형 회귀 분석(multi linear-regression analysis) 및 예측모델을 수행하였고 결정계수(R²)가 99.56%으로 적합도 높은 모델을 확보하였다.

성능사양 및 기술개발 수준
• 3,000톤/일 규모 제지열 폐수열 회수 설비
• 부유물질(SS) 95% 및 TCODcr 40% 이상 제거 가능한 여과필터
• 폐수열 온도차 20±5℃ 이내 회수연료 공급량 6,000±1,500Nm³/일_LNG 및 온실가스 감축량 4,000±1,000 tCO₂ /년 이상 만족하는 성능
• 폐수열 온도차 20±5℃ 이내 평균 폐수열 회수율 80% 이상 만족 성능

활용계획
• 사업대상의 다각화 : 제지, 제철, 식품, 화공분야 등으로 다각화하고 호텔과 같은 대형숙박업체와 위락, 서비스업(리조트, 사우나, 휘트니스, 골프업 등) 등의 건물분야로도 확장
• 제품의 단계별 차별화 : 제품을 사용기업의 경제적 수준에 따라 적절한 가격의 제품을 선택할 수 있도록 현재의 고기능제품(Hi Quality 완전자동운전)단일생산 체제에서 일반 기능제품(General Quality 반자동운전)을 동시 생산하는 체제로 전환하여 수요자의 제품 선택권을 확대하여 매출증대에 활용
• 판매방법의 다양화: 확실한 연료절감성능이 확인된 폐수열 회수설비의 제품특성을 활용 하여 판매방식에 [에너지절감금액 성과배분계약]방식을 추가함
• 대형 플랜트 분야로의 진출: 차별화되고 고성능이 확인된 폐수열 회수설비의 4STAGE FILTER SYSTEM을 더욱 고급화, 대형화하여 대형 산업체 생산공정과 공업단지 및 일반 종합 하폐수처리장 등에 대한 매출분야를 확대하여 폐수열원회수분야에 독보적 입지를 구축

( 출처: 요약서 5p )

Abstract ▼

Ⅳ. Results
The Korea Energy Management Corporation is using this waste heat recovery heat system as a guideline for energy saving calculation method for dyeing waste heat exchanger installation.

The 3,000m³ / day waste heat recovery facility (a.k.a. ENSAVER system) is installed

Ⅳ. Results
The Korea Energy Management Corporation is using this waste heat recovery heat system as a guideline for energy saving calculation method for dyeing waste heat exchanger installation.

The 3,000m³ / day waste heat recovery facility (a.k.a. ENSAVER system) is installed in the wastewater treatment plant of the H Company and collects an average of 636 ± 178 Mcal / h thermal energy for the manufacturing process. The recovered waste heat energy consumes less fossil fuel as it uses external energy.

The government plans to reduce greenhouse gas emissions by 276,600 tCO2 and 696,357 tCO2, respectively, from the wastewater heat of the Banwol Sihwa industrial complex and the sewage effluent of the Ulsan industrial complex. Therefore, we are planning to quantify the amount of GHG reductions through the mid- to long-term testing of waste heat recovery facilities and to examine the feasibility of GHG reduction projects.

Paper wastewater contains significant quantities of thermal energy.
Consequently, heat recovery in paper wastewater can provide paper process with an additional source of renewable energy as steam. Wastewater heat recovery system is achieved by taking wasted energy in wastewater through specially designed shell & tube heat exchangers with a multi pre-filtration system (the so-called ENSAVER system). The feasibility study presented in terms of applications and performance assessments including temperature difference by heat transfer & exchange, energy saving, environmental and economic aspects.

The temperature difference between the inlet and outlet wastewater was 6.73±1.83℃, while the temperature difference between the inlet and outlet clean water was 8.68±2.52℃. The temperature and heat efficiencies were 68.6±16.8% and 86±2.1%, respectively. Especially, the obtained heat efficiency was high compared to commercial heat recovery system in which the heat efficiency of < 60% was achieved in industrial wastewater.

It was shown that the proposed heat recovery system reduced natural gas costs by 400±112 million won/y and greenhouse gas emissions by 1,069±299 t/y of CO₂. It could be sure to provide energy saving by employing a wastewater heat recovery system (ENSAVER).

Using simulations with a regression model, a quantitative relationship between various variables (X1: Inflow rate (m3/h) in wastewater, X2: Inlet wastewater temperature (℃), X3: Outlet wastewater temperature (℃), X4:Inlet clean temperature (℃), and X5: Outlet clean water temperature (℃) and response Y (Reducing the amount of CO₂ GHG emission (tCO2/y)) was established. It is observed that there are tendencies in the linear regression fit, and the model explains the experimental range studied adequately. The fitted regression equation showed a good fit (R²=99.56%) of the model.

It was found that the removal rate of SS before and after DAF treatment of the waste water generated at the destination was 76.8% and the removal rate of COD_Mn was 12.7%. The SS rejection rate at the time of DAF operation using the coagulation automation system developed in this research was managed at 90.7% and the removal rate of COD_Mn was 70.8%. When using the developed agglomeration automation system, improvement of water quality is improved by 90% or more of SS and 70% or more of COD_Mn, thereby reducing impact load of aerobic aerosis during secondary treatment.

It is judged that it will be able to maintain the stability of the overall wastewater treatment operation.

( 출처: SUMMARY 17p )

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 최종보고서 제출서 ... 2
• 제 출 문 ... 4
• 요 약 서 ... 5
• 요 약 문 ... 8
• SUMMARY ... 14
• 목차 ... 21
• 표목차 ... 22
• 그림목차 ... 24
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 30
• 1-1. 연구개발 목적 ... 32
• 1-2. 연구개발의 필요성 ... 34
• 1-3. 최종목표 및 연구개발 범위 ... 37
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 42
• 3. 연구수행내용 및 결과 ... 60
• 3-1. 현지현황 분석 ... 62
• 3-2. Test Bed 최적설계를 위한 여과장치 유동해석 ... 73
• 3-3. 3,000톤/일 실증시설 설계 표준화 및 상세설계 ... 96
• 3-4. 3,000톤/일 실증시설 운전결과 및 분석 ... 118
• 3-5. 화학적 처리공정에 대한 운영현황 검토 ... 169
• 3-6. DAF 대응형 응집모니터링시스템 구축을 위한 모듈개발 ... 190
• 3-7. DAF 대응형 응집컨트롤시스템 구축 및 현장실험 ... 206
• 3-8. 기타 운영관리효율향상 방안 검토 ... 225
• 3-9. 제지공정 배출 폐수 부하 감축량 평가 및 유지관리비 예측 기술 개발 ... 234
• 3-10. 연구개발 결과 요약 ... 279
• 4. 목표달성도 및 관련분야 기여도 ... 284
• 4-1. 목표달성도 ... 286
• 4-2. 관련분야 기여도 ... 288
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 290
• 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 294
• 7. 연구개발결과의 보안등급 ... 298
• 8. NTIS에 등록한 연구시설·장비 현황 ... 302
• 9. 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전조치 이행실적 ... 306
• 10. 연구개발과제의 대표적 연구실적 ... 310
• 11. 기타사항 ... 314
• 12. 참고문헌 ... 318
• 부 록 ... 322
• 끝페이지 ... 342