초지기 실린더 드라이어(제지용 건조기) 증기 에너지 절감에 대한 대처

초지기 실린더 드라이어(제지용 CD 건조기) 증기 에너지 절감에 대한 대처

1. 소개
펄프로부터 종이 까지의 일관 공장으로서 판지, 아트지, 코트지, 상질지, 정보용지 등을 생산하는 공장이며, 초지기는 7대를 보유하고있으며, 증기원단위가 현저하게 뒤떨어져있던 온코머 머신인 초지기에 있어서, 2013년 12월에 드라이어(실린더 건조기)의 증기 절감을 목적으로 한 개조를 실시하였던 보고서에서 발췌한, 종래의 문제점 및 개조 개요, 그 효과에 대해서 알아보겠습니다.
 
2. 초지기 개요
표 1에 대상 초지기의 개요, 사진 1에 외관을 나타냅니다.
                           [표 1]  초지기 개요 

가동 년도	1976년
초조 품종	A2, A3 코팅지
설계 속도	1,060 m/min
와이어 폭	5,800 mm
헤드박스	하이터블런스
포머	Duo-D
프레스	트라이닙+4P
드라이어	프리 : 컴펜셔널 (4군 39CD) 애프터 : 컴펜셔널 (1군 16CD)
사이즈 브레스	게이트 롤 코터
코터	BA1500  블레이드코터 2헤드  AD+CD

 

                [사진 1]  초지기 외관

 
3. 드라이어 드레니지 개조 검토
와이어 폭 5,800mm 클래스의 초지기에서의 2012년도 증기 원단위를 비교하면 그림 1과 같이 4PM은 크게 뒤떨어지는 상황하에 있었습니다.

 
4. 기존 설치되어있는 드레니지 시스템
우선 기존 설치되어있는 드레니지 시스템 개요와 증기 원단위 악화에 이르는 문제점에 대해서 서술합니다.
 
4.1 기설 드레니지 시스템에 대하여
초지기에서는 종이의 건조를 목적으로 실린더 드라이어 (이하, CD)에 증기를 공급하여, 최적의 드라이어 온도 증감관리를 목적으로 증기압에 의한 표면온도를 컨트롤하고 있습니다.
CD 내부에서는 잠열을 빼앗긴 증기가 드레인이 되기 때문에 드레인의 배출도 동시에 실시하고 있으며, 드레인 배출에는 드레인의 질량을 낮출 목적으로 브로우스루∙스팀을 혼입하고 있습니다.
 
드레니지 시스템이란, 전술한 증기 공급과 드레인 배출, 나아가 배출 드레인과 브로우스루∙스팀의 분리, 재발생증기의 재이용까지가 일련의 흐름입니다. 건조 효율 향상은 당연하지만 효율이 좋은 드레인 배출, 드레인 증기 분리 및 재발생 증기의 사용 확대이며, 드라이어 증기 절감의 큰 포인트가 됩니다.
 
4.2 CD 섹션 나누기
4PM의 CD 구동군 및 드레니지 섹션 구분을 그림 2에 나타냅니다.
구동군으로는 프리 1군: 7개, 2군: 8개, 3군: 12개, 4군: 12개, 애프터 5군: 16개로 구성되어 있으며, 드레니지 섹션으로는 프리 1SEC: 4개, 2SEC: 3개, 3SEC: 4개, 4SEC: 4개, 5SEC: 24개, 애프터 6SEC: 2개, 7SEC: 2대, 8SEC: 6대, 9SEC: 6개로 구성되어 있습니다.

 
4.3 문제점
종래의 문제점은 크게 분류하면 아래와 같으며, 그 상세한 것에 대해서는 후술합니다.
①드레니지 밸런스 붕괴에 의한 재발생 증기의 재사용량 감소
②로터리 사이펀에 의한 고차압화, 브로우스루∙스팀량 증가
③CD내부 스포일러바 부족에 따른 건조효율 저하
 
4.3.1 드레니지 밸런스 (배수 균형)
4PM의 전반 드라이어부의 실린더 배치ᆞ캔버스런은, 1군 컨벤셔널ᆞ캔버스 싱글 런, 2군 컨벤셔널ᆞ캔버스 런 상하단으로 되어 있습니다. 이 2 군 드라이어에서의 종이 마리 주름이 들어가는 문제가 있었고, 전단 섹션의 증기 압력 상승에 의한 건조 강화가 필요한 상황 하에 있었습니다. 주름진 얇은 것으로 현저하고, 결과적으로 그림 3에 나타낸 바와 같이 전체 무늬 패턴으로 1~4SEC 동-증기압 설정이 되어 있었습니다.
4 PM 드레니지 시스템(배수 시스템) 플로우(흐름)는, 후단을 메인 섹션으로 하고, 재발생 증기를 전단으로 보내는 플로우(흐름)이었지만, 전술한 전단의 건조 강화는, 압력차에 의해, 메인섹션에서 전단으로의 재발생 증기 공급이 매우 어려운 상황이며, 큰 증기 손실의 요인이었습니다. 다음 섹션으로 재발생으로 보낼 수 없는 플러시 증기 및 최종단 섹션으로부터의 드레인은 냉각수와의 열교환으로 증기를 드레인화, 부압을 발생시키는 장치인 콘덴서로 보내지게 되어, 건조용 증기로서 사용할 수 없기 때문에 증기 손실이 됩니다. 당연히 열교환된 냉각수는 머신 샤워수 등에 사용하기 위해 온수 탱크 회수하는 플로우(흐름)로 되어 있지만, 콘덴서 이송 증기량이 과대하기 때문에 냉각수량은 필연적으로(불가피하게) 많아져, 수량(水量) 확보 목적으로 저압→중압 청수(清水)로의 전환도 실시, 결과적으로 온수 탱크는 오버플로우 되는 상황으로되어, 열회수 효율은 저하하고, 온도, 액면 콘트롤(조절)성도 저해하고 있었습니다.

 
4.3.2 로타리 사이펀
CD 55개 중, 49개는 모두 로타리 사이폰(이하, RS)을 채용하고 있었습니다. RS는 문자(말) 그대로 CD와 같이 회전하고 있으며, 드레인과의 속도차, CD입구와 출구의 차압으로 드레인을 배출하는 기구입니다. 드레인에는 원심력에 의한 CD 원주 내벽에 부착하는 힘이 작용하기 때문에 드레인 배출에는 원심력을 이기는 차압이 필요합니다.
이 드레인에 작용하는 원심력을 작게 하는 것이 드레인 배출에는 중요하고, 드레인에 증기를 혼입하여, 동일한 체적의 질량을 작게 할 필요가 있었습니다. 이 증기를 블로우 스루스팀이라고 하며, 블로우 스루스팀이 많을수록 드레인 배출에는 효과적이지만 증기 손실이 매우 큰 상황이 된다는 것입니다.
 
4. 3. 3 CD 내부 드레인 피막 상태
스포일러 바는, 드레인 피막의 두께를 억제하기 위해, CD 내벽에 바를 폭 방향으로 배열하고, 원주 방향으로 수열 배치하여, 드레인 피막을 무너뜨리는 목적의 장치입니다.
4PM에서는, 주로 수분 프로파일의 교정 목적으로 사용하고 있으며, 기존보다 귀가 내려가는 경향인 수분 프로파일을 바로잡기 위해 프레드라이어 3군, 4군의 10개에 대하여, 종이마리 귀부를 제외한 위치에 스포일러 바를 설치하고 있었습니다.
수분 증발량이 많은 전반군 설치가 효과적이라는 인식은 있었지만, 귀부 주름의 문제로부터 해당부에서의 수분구 파일 귀부분의 “상승”은 종합적으로 불가능하다고 판단하고, 결과적으로 전반군에서의 건조 효율은 나쁜 상태 그대로였습니다.
 
4.3.4 과거의 배수 시스템 개조
4 PM에서는,과거에도 재발생 증기의 유효 이용을 목적으로 한 개조를 실시하고 있었습니다.
개조 내용으로서는, 여러가지 드레니지 밸런스의 케이스를 상정하여, 재발생 증기의 이송처 변경을 목적으로 한 재발생 라인 추가 배관 공사나 승압용 플로어 설치 공사를 실시하고 있습니다.
그러나, 플로우(흐름) 복잡화, 배관 구배의 미비 및 플로워의 트러블 유발로 유효 활용에는 이르지 않아, 유익한 개조가 되지 않았습니다.
 
5. 드레니지 개조 개요
     2013년 12월에 실시한 개조 개요에 대해 서술합니다.
 
5.1 사전조사
전술한 문제점은, 개선해야 할 사항이라는 것은 인식하고 있었지만, 실제의 개조안 책정 및 개조 효과의 산출에 대해 정밀도를 높이지 못했습니다. 그래서 로터리 조인트 메이커인, 다수의 개조 실적이 있는 주식회사 일본 조인트, 모토야마 후미요 주식회사에 현지 조사를 의뢰. 대표 종목을 선정하고 각 압력 밸런스의 데이터를 제시함과 동시에 드레니지 플로우의 현지 확인을 실시했습니다. 이러한 조사결과를 바탕으로 설비개조안, 개조비용 및 증기절감량을 제시하여 개조공사에 착수하게 되었습니다.
 
5.2 개조 개요
개조 내용은 크게 나누면 다음과 같으며, 드레니지 각 섹션의 실린더 배치, 개수 및 각 섹션의 증 기압력 설정에 대해서는 변경 없음으로 했습니다.
① 스테이셔너리 사이폰(이하 SS)화 및 터뷰레이터 바 설치
② 메인섹션재발생증기의 자기순환화
③ 드레니지 배관 플로우(흐름) 적정화를 위한 고정오리피스식 스팀트랩(O-TRAP) 설치

 
5. 2. 1 스테이셔너리 사이펀화 및 터뷰레이터 바 설치
사진 2는, SS의 CD 내부 시야로, 파선가두리부에서 CD와 SS가 분리되어 있는 것을 확인할 수 있습니다.
RS를 채용하고 있던 CD49개에 대해, 이 CD의 회전에 동조하지 않는 SS를 채용, 전 55개를 SS로 했습니다.
초지기 속도에 따라 다르지만, RS의 경우, 스팀량의 20~30% 정도 블로우스루스팀이 필요하게됩니다.
한편, SS는 실린더의 회전과는 무관하며, 사이폰관 자체에 원심력의 영향은 받지 않기 때문에 초지기속도에 관계없이, 블로우스루스팀은 10~15%정도로 거둘 수 있습니다.
반면 SS는 회전체인 CD내면과 사이폰관 선단과의 틈이 5mm정도 필요하며, 건조효율을 낮추는 CD내면의 드레인막두께가 필연적으로 두꺼워짐에 따라 이 막두께의 파괴가 자연스럽게 필요합니다. 4PM에서는 스포일러바 미설치 부분에 대해, 새롭게 ㈜일본 조인트 에서 지급한 터뷰레이터바를 설치했습니다. 또, 블로우스루스팀 감소에는 차압의 감소, 사이폰관구경의 감소가 필요한데, 후자의 사이폰관구경 감소는 견고성 저하로 이어짐으로써 최소한의 강도를 유지한 구경으로 하고, 각 섹션의 드레인량에 맞춘 고정오리피스식 트랩(O-TRAP)을 CD출구배관에 플랜지식접속으로 설치하여, 블로우스루스팀 감소의 효과를 올리고 있습니다.
 
5.2.2 대형 써모컴프레셔 채택으로 인한 재발생증 기의 자기 섹션 순환
그림 4에 개조 전 드레니지 플로우, 그림 5에 개조 후의 드레니지 플로우 약도를 나타냅니다.
수분 컨트롤용 메인 섹션으로, CD 24개를 가진 5SEC의 재발생증기의 유효 이용을 목적으로 5SEC에 대형 서모 컴프레서를 도입. 재발생 증기는, 다른 섹션 이송에서 자기 섹션으로의 순환 방식으로 변경되었습니다. 이것에 의해, 종래 얇은 것, 두꺼운 것에서의 필요 증기 압력의 변화로부터 콘덴서 이송량의 제어로 적정한 차압을 확보하고 있었지만, 상기 방식 채용에서 다른 섹션으로의 재발생증기 이송이 없어져, 군간 차압을 고려할 필요가 없기 때문에 안정적인 재발생증기의 사용에 이릅니다. 또, 동시에 종래의 서모콤프레서 3대를 철거하였으며, 중압증기의 총 사용량에서는 감소하였습니다.

 
5.2.3 드레니지 플로우 적정화
메인 섹션 이외에 대해서는, 현재 설정 증기압, 드레인량에서 재발생 증기 흐름을 변경.
구체적으로는 2,3,4 SEC에서 저압설정인 1SEC로 재발생 증기를 보내는 플로우로 했습니다. 또한, 각 섹션의 차압 압력 컨트롤 밸브의 설치 위치를 드레인 세퍼레이터 탱크 입구와 출구로 나누어 각각의 탱크에 압력차를 설치하여, 연결에 의한 드레인 이송을 실시하였으며, 드레인 펌프의 철거도 실시하였다. 또한 배관 루트 등에서의 구배 확보, 고임 방지 및 적정 구경을 위한 수정을 실시하고 있습니다. 콘덴서의 사양은 40m3(냉각수 유량 115t/h), 25m³(냉각수유량 40t/h)의 2기이나, 이번 개조에 의해 통상 운전중에서는 25㎡사양 1기만으로 각 섹션 의 차압을 충분히 확보할 수 있는 설계로 되었습니다.
 
6. 개조 후 상황
개조 후, 터뷸레이터 바 설치에 의한 건조 효율 향상은 상정하고 있었지만, 전반군에서의 종이마리 주행성의 안정도 도모하고자 증기압은 20kPa 정도 낮춘 설정으로 스타트했습니다. 또한 각 섹션 차압에 대해서는 30~35 kPa로 약간 여유를 가진 설정으로 했습니다. 개조 직후, 중물 초조시의 CD 표면 온도 구배 측정 결과에서는, 그림 6에 나타낸 바와 같이, 약 8℃의 상승이 되었읍니다.
또한, 개조 직후의 초조에서는, 박물~중물에 있어서 드라이어 1군, 2군내에서의 단지가 증가했습니다. 단지 상황에서 드라이어부의 문제라고 판단하여, 종이마리의 주행상태를 보면서 증기압 설정의 낮추는 방향 조절(내림방향조절)을 실시한 결과, 약 70kPa~100kPa 정도 낮은 저 증기압 설정으로 종래 동등한 온도가 되어, 해당부에서의 단지도 없어졌습니다.
개조 후의 종목별 설정 증기압 상황을 그림 7에 나타냅니다. 단지대책으로서 1~4SEC의 표면온도를 같은 레벨(수준)으로 한 후에도 건조능력은 충분히 향상되고 있어, 10% 이상의 증속능력을 얻고 있지만, 실조업에서는 원료계 ᆞ정선계의 한계능력치까지의 증속에 그치고 있습니다.
수분 프로파일에 대해서는, 종래 기존의 이하(耳下)로부터 거의 플랫에 가까워지고 있지만, 증기 취입측인 BK측의 귀상(耳上)이 현저해지고 있습니다. 이것은 종래 기존에 수분 교정으로서 배치 된 기존의 스포일러 바 위치의 영향으로 추정하고 있으며, 순차적으로 해당 귀부(耳部 귓가)에 바셋을 실시해 나갈 예정입니다.
또한, 사이폰관축에 로터리 조인트를 채용하고 있는데, 종래의 박물초조시(薄物抄造時)와 같이 건조 여력으로부터 메인 섹션인 5 SEC의 CD 몇 개를 전폐(全閉)시켰더니, 카본부의 윤활 불량에 의한 마모 및 찌꺼기 발생에 이르렀습니다. 대책으로서는, 종래 기존의 전폐(全閉)로부터 반개 사용(半開使用)을 표준화하고 있습니다. 이 반개(半開 반열림) 사용은 5SEC의 저압 설정을 의미하지만, 개조에서 5SEC에로의 서모 컴프레서 배치로 의해 충분한 차압 밸런스가 유지되고 있습니다.
콘덴서 냉각수도 개조 후에는 설계대로 콘덴서 1기를 거의 사용하지 않은 상태로 조업할 수 있어, 냉각수는 대폭 감소하여 온수 탱크로 전량 회수하는 것이 가능해졌습니다. 겨울철에는 온수탱크 보급수로의 승온증기가 필요하기 때문에 증기 절감량으로서는 줄어들지만, 온수절수 이퀄증기(equal steam)의 구도가 확립되었습니다.

 
7. 증기 절감 효과
이번 드레니지 개조 공사에서는 설비면에서의 재검토 등은 거의 없고, 수직 기동에 의해 곧바로 큰 증기 효과를 얻을 수 있습니다.
단지, 휴전, 트러블 등의 외란을 제외한 안정시의 박·중·후물별로의 초지 드라이어 건조 증기의 원단위를 그림 8에 나타냅니다. 모두 0.3 t/t 이상의 향상으로 되어 있으며, 연간 증기원 단위에서도 그림 9에 나타낸 바와 같이 크게 향상되어 타호기와 같은 수준에 이르고 있습니다.
연간 증기 삭감량으로는 52,598t가 되었고, 석탄 삭감량에서는 6,824t, 연간 CO₂ 배출량으로는 약 15,900t 삭감할 수 있었습니다.

 
8. 마무리 요약
박·중·후물  이번 드라이어 증기 절감을 목적으로 드레니지(배수) 관계의 설비 개조를 실시해, 큰 효과를 올릴 수 있었지만, 포인트로서는, 머신 건설 당초의 설비 설계 사상과 실조업 설정(実操業設定)과의 불일치를 설비측에서 해소한 점입니다.
한편으로 프레스 개조 등을 계기로 설비 설계 사상에 조업 설정을 근접시켜 큰 증기 절감 효과를 낳은 경우도 있습니다. 각 조업설정(操業設定)은 품질 및 조업성 확보를 우선으로 하여 에너지 절약을 고려하여 구축되어 가는 것으로 생각하지만, 오랜 기간 동안에 “결정”, “이전부터”, “당연하다” 등의 이유로 바뀌어 버려, 종목 구성의 변화, 기계 개조가 있었을 경우에 에너지 절약의 관점에서 잘 따라가지 못하고 있는 경우가 많습니다.
우선 각 머신, 각 파트의 설비 사양을 파악하고, 타이밍을 보고 조업 설정과의 괴리 유무 점검, 괴리에 이르게 된 경위를 충분히 파악한 다음, 현재 상태에서 효과적인 에너지 절약 수단을 선택해야 한다고 보고 있습니다.
또한 건조 설비인 드라이어 파트에서는 드레니지 관계 이외에도 포인트가되는 점이 많습니다. 이 공장 기존 설비에서도 노후화에 의한 후드 열회수장치의 미비가 산견(散見)되고 있습니다. 드라이어 급기와 배기와의 열교환기 튜브 이탈에 의한 급기측으로의 배기의 재유입, 온도 조절용 증기핀 파손, 증기 누설에 의한 급기로의 유입 등이 있어, 드라이어 후드 내 이슬점의 상승으로 이어지고 있습니다.
그 결과, 건조 효율의 저하와 겨울철의 후드 이슬 등의 트랩플을 조장하고 있습니다. 이러한 결함들은 오래된 기계일수록 더 위험이 높고, 더 자주 휴전 빈도에도 영향을 받게 됩니다. 열교환기 등은 일상 점검에서의 내부 파악이 어려워 정기 점검이 필요합니다. 최근 기계에 대한 큰 투자, 개조를 하지 못하는 가운데, 점검, 보전 활동은 매우 중요하며, 점검에 의한 미비의 조기 발견, 조기 복구가 안정된 에너지 효율의 유지에 기여할 것으로 생각합니다.
마지막으로, 이번 고정오리피스식 스팀트랩(O-TRAP) 개조에 즈음하여, 지도, 협조해 주신 관계자 및 관계 각 사의 여러분에게 감사드립니다.

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O-TRAP 관련 상담 문의 ;

전화 상담 : 070-7747-8290
이메일 상담:  http://tjchung@daum.net
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