산업용 가스란 무엇인가요?

산업계 사용자들 사이에서 천연가스는 다양한 용도로 사용됩니다. 주거용 및 상업용 고객과 마찬가지로 산업 사용자도 천연가스를 사용하여 공장과 작업장을 가열하고 냉각합니다. 그러나 산업용 보일러, 온수기, 용해기, 건조기 및 기타 제조 장비에는 대량의 천연가스가 사용됩니다. 엔지니어와 제조업체에게 천연가스의 산업적 활용은 "예상치 못한 일이며 불가능합니다."

미국의 천연가스 사용자는 수십 가지 범주로 나뉘지만 대부분의 천연가스는 열과 증기를 생성하는 데 사용됩니다. 금속, 플라스틱 및 유리 가공 및 성형. 종이 건조, 섬유 산업, 코팅 산업, 외부 포장, 유리 용해 및 기타 산업 프로젝트. 천연가스는 휘발유 등 석유로부터 화학 원료를 생산하기 위한 '산업용 원료' 또는 '원료'로도 사용된다.

제강 및 금속 제련

지난 20년 동안 철강 산업은 더 많은 고철을 재활용하기 시작했으며 이는 미국 철강 제품 종류의 약 40%를 차지합니다. 이 고철은 매우 비싼 공정인 전기 아크로에서 녹습니다. 열 발생 강도를 높이기 위해 철강 작업자는 고온 천연가스 산화로를 사용하여 고철 용해 효율과 생산량을 높일 수 있습니다. 이 "산소-천연가스" 노(그림 7.11)는 전기로의 냉점을 제거하는 데도 도움이 됩니다. 1990년대에는 미국 전기 아크로의 4분의 1 이상이 산소-천연가스 연소로를 사용했습니다. 이러한 유형의로는 유리 용해와 같은 다른 산업에서도 널리 사용됩니다.

그림 7.11 산소-천연가스 용해로(천연가스연구소 허가)

천연가스는 철광석을 녹이는 용광로의 추가 연료로도 사용됩니다. 강철을 생산할 수 있는 선철로. 코크스(석탄의 부산물)는 고로의 주요 연료이지만, 천연가스와 산소의 혼합물을 고로에 주입하는 경우에는 코크스가 많이 필요하지 않습니다. 천연가스를 추가하면 제철 비용이 절감되고 고로 생산량이 증가합니다.

천연가스는 철강을 만드는데도 사용되는데, 이는 철강 제조의 품질을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 철강 공장의 롤링 컨베이어 벨트에서 뜨거운 강철 막대를 내릴 때 강철의 끝이 중간보다 빨리 냉각됩니다. 제강 과정에서 강철을 냉각시키기 위해 천연가스를 사용합니다. 이 과정을 연속 바 가열 또는 "어닐링"이라고 합니다. 마찬가지로 강철 재가열로에 천연가스 용해로를 사용하면 철강 제품의 냉점을 제거할 수 있습니다.

특수 천연가스 용해로는 알루미늄 제련 산업과 기타 비철금속 제련에도 사용됩니다. 에너지를 절약하기 위해 미국의 모든 알루미늄 제조업체는 "재생" 천연 가스 용해로를 사용합니다. 용광로 내부에는 2개의 용광로 토글 스위치가 있습니다. "오프" 퍼니스는 "온" 퍼니스의 배기가스에서 열을 얻고 이를 퍼니스의 공기를 예열하는 데 사용하므로 연료 소비가 줄어듭니다(그림 7.12). 약 20초마다 이 작업이 반복됩니다. 축열로는 주조 및 열처리와 같은 다른 산업에서도 널리 사용됩니다.

그림 7.12 재생로(북미 제조회사 허가)

열처리

거의 모든 제조 산업에서는 열처리된 제품을 사용합니다. 산업 생산에서는 다른 제조 공정보다 열처리를 위해 훨씬 더 많은 용광로가 사용됩니다. 실제로 미국의 열처리로와 다른 공정로의 비율은 대략 3:1이다. 열처리(금속 또는 합금의 가열 및 냉각을 인위적으로 제어하는 ​​것을 의미)의 목적은 가공되는 재료에 특정 특성을 부여하는 것입니다. 예를 들어, 금속 제품을 열처리하면 제품이 더 단단해지고 내마모성이 높아지며 균열이 발생하는 것을 방지할 수 있습니다.

천연가스는 전통적으로 열처리 장비의 우수한 연료이다. 제품을 가열하는 것 외에도 천연 가스는 용광로 내에 "제어된 공기"를 생성하는 데 사용됩니다. 이는 금속을 산화로부터 보호하고 화학 반응을 향상시켜 제품의 품질을 향상시킵니다. 대부분의 열처리로는 공기 제어식이며, 많은 공정에서 재생 천연가스로를 사용하여 열처리 효율을 향상시킵니다. 일부 소규모 열처리 공장에서는 백열 천연가스로를 사용합니다. 이 스토브는 전기 스토브보다 제품을 훨씬 빠르게 가열하고 재활용이 가능하며 상대적으로 열 효율이 높습니다. 백열 천연가스로는 금속이나 세라믹으로 만들 수 있으며 다른 산업 분야의 열처리 산업에 사용할 수 있습니다.

금속이 산화되는 것을 방지하기 위해 진공 내부 환경을 조성할 수 있는 열처리로도 있습니다. 용광로. 진공열처리는 공기제어 방식에 비해 더 높은 품질의 제품을 생산할 수 있지만 가격도 더 비쌉니다. 진공로는 공기 제어식로만큼 대중적이지는 않지만 점차 인기를 얻고 있습니다. 과거에는 거의 모든 진공열처리로가 전기로 가열되었습니다. 1980년대 후반에는 천연가스 진공로도 사용되기 시작했으며, 이후 천연가스 진공 기술은 많은 열처리 제품에서 요구되는 고온(1900°F 또는 1040°C 이상)을 달성하기 위해 급속히 발전했습니다.

유리 제조

천연가스는 유리 산업에서 사용되는 주요 연료입니다. 유리는 하루에 수백만 톤의 유리 제품을 생산할 수 있는 거대한 천연 가스 용광로에서 1,540°C(2,800°F)까지 가열됩니다. 이러한 퍼니스에는 배기열을 흡수하도록 설계된 장치가 있으며, 이는 연소 공기를 예열하는 데 사용할 수 있습니다. 많은 유리 제조업체는 생산 효율성을 향상시키기 위해 산소-천연 가스 용해로를 설치했습니다. 그러나 유리 가공에는 더 높은 온도가 필요하기 때문에 유리 용해로는 다량의 질소 산화물을 생성합니다. 이러한 휘발성 물질이 넓은 지역에 퍼지지는 않지만 캘리포니아 남부의 유리 산업은 여전히 ​​이 질소 산화물 배출을 줄여야 합니다.

이 요구 사항을 달성하는 방법을 "산소가 풍부한 스테이징"이라고 합니다(그림 7.13). 이 기술의 과정은 먼저 용광로의 화염을 굶겨서 산소 공급을 줄이는 것인데, 이는 질소 산화물의 형성을 방지할 수 있습니다. 그런 다음 후속 작업에서 산소가 풍부한 공기를 용광로에 주입하여 남은 연료나 일산화탄소를 연소시킵니다. 유리 용해로는 몇 개의 산소 유량계와 주입기를 설치하여 산소가 풍부한 공기 단계 처리에 쉽게 적용할 수 있습니다. 천연가스 산업은 질소산화물 배출을 더욱 줄일 수 있는 펄스 연소라는 신기술을 개발했습니다.

그림 7.13 유리 용해로에서 산소가 풍부한 공기의 단계적 처리(Combustion Technology의 허가를 받아)

유리 또는 유리 플레이크(파유리)의 원료도 이전에 처리됩니다. 예열될 수 있습니다. 예열은 용해 과정 전반에 걸쳐 필요한 연료와 산소의 양을 줄입니다. 이 장치는 용해로에서 폐열을 흡수하여 유리를 480~500°C(900~1100°F)로 예열하는 데 사용합니다.

유리가 녹은 후 천연가스를 사용하여 유리 제품을 강화할 수도 있습니다. 템퍼링은 자동차 및 건축용 유리 생산의 핵심 가공 단계입니다. 일반적으로 유리를 어닐링하는 데는 전자 복사열이 사용됩니다. 최근 연구자들은 가스 대류 열 템퍼링을 실험하여 우수한 결과를 얻었습니다.

산업용 건조 및 가공

종이, 페인트, 직물, 플라스틱 및 일부 과일 가공을 포함하여 많은 제품의 제조 공정에는 건조가 필요합니다. 전자 적외선 가열 기술은 이러한 제품의 가공에 널리 사용되어 왔지만 최근에는 천연가스 적외선 가열로가 이 시장에서 강력한 경쟁자가 되었습니다. 제지 산업에서는 세라믹과 금속으로 만들어진 천연가스 적외선 오븐을 사용하여 종이와 보드의 코팅을 건조합니다. 현재 이러한 스토브는 종이 제품의 품질을 향상시키고 생산 병목 현상을 극복하기 위해 종이 생산 라인에 설치되고 있습니다. 천연가스 적외선 오븐을 사용하여 축축한 종이가 기존 건조기에 들어가기 전에 예열하면 처리량을 늘리고 건조기의 작동 속도와 용량을 늘리며 처리 효율성을 향상시킬 수 있습니다. 또한 새로운 천연가스 적외선 건조기와 히터 조합이 개발 중이며 제지 기계에 사용될 예정입니다.

천연가스 적외선 가열은 자동차 페인트 수리를 위한 자동화 제조에도 사용됩니다. 용매 액체를 분말 재료로 대체하면서 자동차 코팅의 사용이 증가하고 있습니다. 분체도료는 휘발성 화학물질을 쉽게 제거할 수 있지만, 완벽한 결과를 얻으려면 작동 시간과 온도를 정밀하게 제어해야 합니다. 자동차가 경화 오븐에 들어가기 전에 천연 가스 적외선로는 수리가 필요한 부위의 분말 코팅을 "시멘트"할 수 있습니다. 천연가스로 예열하면 자동차가 경화로를 더 빨리 통과할 수 있어 생산량이 늘어납니다.

플라스틱 산업에서 전기 건조기는 플라스틱 제품을 성형하기 전에 건조하거나 플라스틱을 나일론, 폴리에스테르와 같은 최종 제품으로 압출 및 신장하는 데 사용됩니다. 최근 천연가스 산업에서는 플라스틱 수지 가공용으로 설계된 다양한 산업용 건조기를 개발하여 도입했습니다.

이러한 플라스틱 건조기는 물을 흡수하거나 물을 흡수하지 않는 수지를 처리할 수 있으며, 음료수 캔이나 기타 제품에 압축되기 전에 폴리에스테르 플라스틱의 분자 구조를 변경하는 데에도 사용할 수 있습니다.

보일러 및 증기 생산

생산업체는 다양한 산업 공정에서 증기열을 사용합니다. 예를 들어, 화학 물질, 종이, 제약 산업의 생산에는 많은 양의 증기가 필요합니다. 인공 증기는 천연가스, 석유, 석탄, 목재(나무 줄기) 또는 혼합 연료를 연료로 사용하는 대형 산업용 보일러에서 생산됩니다. 다른 산업 공정과 마찬가지로 에너지 가격 상승으로 인해 보일러 효율이 향상되었으며 공기 질의 변화로 인해 보일러의 배출량을 줄여야 했습니다.

보일러 제조업체는 매우 효율적이고 매우 낮은 수준의 휘발성 질소산화물(25/1,000,000 미만)을 생성하는 천연가스 연소 보일러의 개발 및 도입을 통해 이러한 요구 사항을 충족할 수 있었습니다. 이러한 산업용 보일러의 출력은 3000hp(2240kW)에 달할 수 있습니다. 석탄 및 기타 주요 연료를 보충하기 위해 천연가스를 사용함으로써 대기 오염 물질이 크게 감소됩니다.

식품 가공

식품 가공 산업은 미국에서 가장 큰 제조 산업 중 하나이자 가장 큰 에너지 소비 산업 중 하나입니다. 식품 가공에서 천연가스 소비는 주로 증기를 생성하는 보일러에서 발생합니다. 이러한 증기는 살균, 살균, 통조림 제조, 조리, 건조, 포장, 장비 청소 및 기타 가공 공정에서 수요가 높습니다. 식품 가공 산업은 효율적인 저배출 천연가스 보일러를 사용하는 최초의 대규모 에너지 소비자 중 하나였습니다.

식품가공업 역시 세척, 표백, 발포, 살균 등의 공정에서 다량의 뜨거운 물을 사용한다. 천연가스는 식품 산업에서 물과 기타 액체를 가열하기 위해 사용하는 중요한 산업용 연료 중 하나입니다. 식품 및 기타 환경을 위해 특별히 제작된 매우 효율적인 일부 산업용 온수기가 개발되었습니다(그림 7.14). 또한 식품 공장에서는 건조, 요리, 베이킹, 냉장, 제빙 및 제습을 위해 천연가스를 사용합니다.

그림 7.14 직접 접촉식 온수기(QuikWater 허가)

열병합 발전

천연 가스는 발전 산업에서도 널리 사용됩니다. 보일러는 증기를 생성하여 전기를 생성하는 데에도 사용할 수 있습니다. 제조업에 증기가 필요하지 않은 경우 보일러는 정지되지 않고 계속 작동됩니다. 보일러에서 생성된 증기는 증기 터빈으로 보내져 전기를 생산할 수 있습니다. 일부 대형 산업용 보일러는 수천 킬로와트의 전기를 생산할 수 있습니다.

1980년대 미국 연방법은 지방 공공 당국이 천연가스 사용자로부터 전기를 구매하도록 장려했으며, 많은 생산업체는 공장과 작업장에 "현장" 발전 장비를 설치했습니다. 이러한 시설은 종종 "현장 소비" 또는 분산형 발전소라고도 합니다. 전기와 열(증기 또는 온수)이 동시에 생산되는 경우를 '열병합 발전'이라고 합니다. 열병합 발전은 폐열을 회수하여 사용할 수 있기 때문에 순수 발전보다 더 효율적입니다. 열병합발전은 '열과 전기의 결합'이라고도 알려져 있으며, 1970년대에는 이를 '총에너지 시스템'이라고 불렀습니다.

대규모 산업용 천연가스 사용자는 현장 발전 및 열병합 발전을 처음으로 사용했지만 최근 몇 년 동안 천연가스 산업에서는 소규모 산업용 및 상업용 사용자를 위한 소형 장치를 개발했습니다. 일반적으로 이러한 시스템은 50MW 미만을 생성합니다. 소규모 열병합 발전 시스템에서는 터빈 대신 왕복 엔진을 사용하여 전기를 생산하고, 복사열 흐름과 함께 엔진에서 제거된 열을 회수할 수 있습니다. 이들 시설의 발전 용량은 5MW를 초과하지 않습니다.

일반적으로 이러한 소규모 상업 시설은 사용자가 수영장, 세탁실, 실내 온수기 또는 대형 건물의 난방 및 에어컨과 같은 재활용 열을 사용하는 경우에만 경제적으로 실행 가능합니다(열 재활용이 적합함). 전동식 흡수식 냉각기의 경우). 이러한 상황에서 열병합 발전 시스템의 전체 효율은 70%에 달할 수 있으며 이는 기존 에너지 소비 장비보다 높습니다. 소규모 열병합 발전 시스템은 시장에서 성공률이 낮지만, 전력 장비 산업을 위한 이 비전통적인 시스템은 천연가스 분배 플랜트나 화력발전소 등의 상업용 사용자와 소규모 천연가스 산업 사용자에게 다양한 기회를 제공할 수 있습니다. 발전소. 공동 전력 시스템에서 자체 전력을 생산합니다.