화학공장에서 열을 버리지 않고 다른 공정에 재사용하는 데 한계가 있나요?

Question

화학공정에서는 반응 과정에서 상당한 열이 발생하거나 필요하다고 알고 있습니다. 그렇다면 뜨거운 공정의 폐열을 다른 공정의 가열에 최대한 재사용하면 에너지 소비를 크게 줄일 수 있을 것 같은데, 실제 공정에서는 온도 차이나 오염 때문에 재활용이 어려운 경우가 어떤 것인지 궁금합니다

Answer 1

안녕하세요. 김찬우 전문가입니다.

화학공장과 같은 곳에서 사용되어지는 열과 사용하고 남은 폐열을 재활용하고자하는 시도가 있긴 하지만 아시는데로 열역학적 한계와, 오염, 그리고 경제적인 이유때문에 재활용을 하지 않고 있습니다.

먼저 열역학적인 한계 입니다.

실제로 공장에서 사용하는 열은 100도가 넘지만 폐열로 나오는 열의 온도는 50도 정도밖에 되지 않습니다. 그래서 이 낮은 온도를 사용하고자 하면 이 열이 적용될 수 있는 공정이 따로 존재 해야 합니다. 그리고 이러한 열을 전달하려면 최소한의 온도차이가 10도 이상 필요한데 온도차이가 너무 낮게 되면 열이 이동하는 속도가 너무 느려지기 때문에 현실적으로 재활용이 불가능 합니다.

또한 이러한 열은 기체나 액체 상태로 존재하게 되는데 액체 상태의 경우 여러 이물질이 섞여 있는 경우가 많아서 오염된 상태라 재활용을 위해서 전달하는 과정에 배관에 부식이나 이물질에 의한 막힘이 발생 할 수 있습니다.

그럼 답변 읽어주셔서 감사드립니다:)

Answer 2

안녕하세요, 내일도손꼽히는호두과자님.

이중철 전문가입니다.

먼저, 화학공장에서 반응이나 냉각 과정에서 발생하는 열을 회수하여 다른 공정에 재활용하는 열 통합(핀치 기술)은 에너지 절감의 핵심이지만, 열역학적인 온도 차이의 한계와 저온 폐열의 낮은 효용성, 설비 오염과 부식, 그리고 공정 제어 및 안전성 문제로 인해 현실적으로 모든 열을 무제한 재사용하는 데는 명확한 물리적, 기술적 한계가 존재합니다.

■ 열역학 제2법칙과 최소 접근 온도 차이(핀치 포인트)의 한계

​열은 자발적으로 온도가 높은 곳에서 낮은 곳으로만 이동하므로, 유효한 열전달이 일어나려면 열을 내주는 물질과 열을 받는 물질 사이에 최소 10도에서 20도 이상의 온도 차이(최소 접근 온도차)가 반드시 확보되어야 합니다.

​하지만 냉각탑이나 증류탑 상부에서 버려지는 폐열은 대개 80도에서 100도 이하의 저온 폐열인 경우가 많거든요. 이 열로는 150도에서 300도 이상을 요구하는 고온 반응기나 증류탑 재비기를 가열할 수 없습니다. 온도 차이가 극히 작은 상태에서 억지로 열을 교환하려면 필요한 열교환기 전열 면적이 기하급수적으로 넓어져야 하므로, 설비 제작비와 설치비가 에너지 절감액을 훌쩍 넘어서는 경제적 모순에 직면하게 되지요.

■ 파울링(오염 침적) 현상과 부식에 의한 열전달 효율 저하

​실제 화학물질이 순환하는 공정 유체에는 미반응 원료, 타르, 고분자 중합체, 각종 미네랄 염류 등이 섞여 있어요.이 유체들이 열교환기를 통과할 때 관 내부 표면에 찌꺼기가 달라붙어 굳는 파울링(Fouling) 현상이 발생하는데요. 오염 침적층은 열전도율이 극도로 낮아 열교환 효율을 급격히 떨어뜨리며, 유체가 흐르는 통로를 좁혀 잦은 세척과 공정 중단을 유발합니다. 또한 황산이나 염소 화합물 등 부식성이 강한 물질이 포함된 폐열은 배관 금속을 빠르게 부식시켜 값비싼 특수 합금을 사용해야만 하므로 실무적 적용을 까다롭게 만들지요.

​■ 공정 간 결합에 따른 운전 제어 불안정성과 교차 오염 위험

​여러 공정을 열교환기로 촘촘하게 연결하면 각 공정이 서로 열적으로 종속되어 시스템 제어가 매우 불안정해집니다. 어느 한 반응기에서 원료 투입량이 바뀌거나 비상 정지가 발생했을 때, 그곳에서 열을 공급받던 후속 공정들까지 도미노처럼 온도 불균형을 겪으며 공장 전체가 멈출 수 있거든요. 아울러 열교환기 튜브에 미세한 핀홀 균열이라도 생길 경우 압력 차이에 의해 한쪽 공정의 독성 물질이나 불순물이 순수한 완제품 쪽으로 스며드는 치명적인 교차 오염 사고가 일어날 수 있답니다.

​정리하자면,

화학공장의 폐열 재활용은 열역학적으로 충분한 고온과 유효한 온도 차이가 보장되어야 하며, 열교환기 표면의 파울링과 부식 문제, 그리고 공정 간 상호 결합으로 인한 제어 난이도 증가와 교차 오염 위험이 따르기 때문에, 열량 자체는 풍부하더라도 기술적 안전성과 설비 경제성을 모두 충족하는 특정 조건의 폐열만을 선별적으로 회수하여 재사용하고 있답니다.

※ 질문자님을 포함하여 소중한 분들의 건강, 재산과 안전을 지키고, 혹시나 발생할 수 있을 다양한 문제 상황에 놓이지 않기 위해서라도 저를 포함하여 다양한 토픽에서 활동하는 모든 전문가분들의 아하 지식커뮤니티에서의 답변은 예외 없이 참고 용도로만 유용하게 활용하시기 바랍니다.😉