미요시화성공업㈜ - 탈취 장치 개선으로 에너지 절약, 가스 처리량에 따른 가변 시스템으로 탈취 장치 개선

미요시화성공업㈜는 1968년 2월 1일, 간사이 페인트㈜와 하리마화성㈜ 이 두 화학 회사가 가진 기술을 토대로 간사이페인트㈜, 하리마화성㈜, 닛쇼이와이㈜의 합병 회사로 설립됐다. 그 후 간 사이페인트㈜와 하리마화성㈜로부터 생산 위탁 받아 자동차용 도료 등의 주성분인 각종 합성수지를 제조하는 화학 회사로 성장했다.
미요시화성공업㈜는 2001년 3월 ISO 14001 인증을 취득하는 등 환경 부하 저감 활동에 힘쓰고 있다. 에너지 절약 면에서도 목표 달성을 위해 ISO 14001 내에서 활동한 결과 2005년 2월에 '2004년도 에너지 관리 우량 공장 등 표창 중부산업국장 표창'을, 2009년 2월에 '2008년도 에너지 관리 우량 공장 등 표창 자원에너지장관 표창'을 수상했다.
여기서 소개할 개선 사례는 여러 에너지 절약 활동 중에서도 탈취 장치를 대상으로 높은 에너지 절약 효과를 거둔 것이다.

에너지 사용 상황
<그림 1, 2>는 미요시화성공업㈜의 에너지 사용상황을 나타낸 것이다. <그림 1>은 2008년도 에너지 종류별 사용량을 CO₂비율로 나타낸 것이다.
CO₂배출량을 낮추고자 2008년 8월에 연료를 A중유에서 도시가스로 전환했다. <그림 2>는 설비별 전기 사용 비율을 나타낸 것이다. 화학 반응 장치가 주主라서 가열 냉각원이 에너지 사용의 대부분을 차지한다.

에너지 추진 체제
<그림 3>은 미요시화성공업㈜의 에너지 절약 추진 체제를 나타낸 그림이다. 사장의 '안전 → 품질 → 수량 → 비용 on 컴플라이언스Compliance'우선 방침 아래, ' 컴플라이언스=환경 부하 저감'으로 설정하고 종업원 개개인이 에너지 절약 개선에 적극 참여하는 구조다. 에너지 사용량을 시각화함으로써 현상 파악과 효과 확인을 한눈에 알기 쉽도록 환경을 조성했다.

개선 사례 소개
개선 개요 | 제조 공정에서 발생하는 취기臭氣가스를 처리하고자 탈취 장치 설치 계획을 세우고, 최대 농도와 최대 풍량에 맞춰 장치 용량을 설계했다. 그러나 어떤 공정은 가스 농도나 발생량이 낮아 장치 용량 고정 운전으로 하면 큰 에너지 손실로 이어질 수 밖에 없었다. 그래서 댐퍼의 가변 컨트롤화와 팬의 인버터화 등으로 가스 처리량에 따라 가변 운전하는 시스템을 도입하고 설계에 반영했다.

선정 이유 | 자동차 도료 업계는 대기 오염 방지 차원에서 VOC(Volatile Organic Compounds : 휘발성 유기 화합물) 배출량 저감을 환경 규제 사항 중 하나로 든다. 이러한 움직임을 따라 미국과 유럽을 중심으로 도료의 수성화水性化를 추진해 왔다(<그림 5> 참조). 그중에서도 VOC 함유량이 가장 많은 베이스코트Basecoat(<그림 6> 참조)를 수성화해 높은 효과를 얻었다.
미요시화성공업㈜는 2005년부터 자동차용 수성 베이스코트에 사용하는 수지를 제조하기 시작했다.
이 수지는 독특한 냄새를 가진 아크릴산에틸(이하, EA 모노머)을 주원료로 한다. EA 모노머 냄새는 공기보다 무거워 확산이 잘 되지 않는 데다 미량인 수ppb(10억 분의 1)에서도 악취로 느껴져 다량 흡입한 경우 구역질이나 두통, 어지럼증 등을 일으키는 성질이 있다.
당초 제조량은 십 수 톤/월 정도였으나, 수성 베이스코트 수요량과 함께 수지 제조도 매년 증가해 2007년이면 수백 톤/월에 이를 것으로 예측했다.
이와 더불어 대량으로 발생하게 될 EA 취기 가스가 회사 밖으로 방출되지 않도록 전용 탈취 장치를 설계, 설치하기로 했다.
당초 설계 단계에선 반응 공정 중에 나오는 가스의 최대 농도와 최대 발생량에 처리 능력을 맞췄다.
그러나 이 탈취 장치는 제조에 맞춰 연속 운전하기에, 초기 설계 단계에서 정한 처리 운전으로는 소비전력이 최대가 되어 버린다. 그래서 에너지 절약 대책을 반영해 설계를 새로 했다.

[그림 7] 주요 품목의 제조 공정 중 발생하는 취기 가스 유량과 농도 측정

현상 파악 | 실제 반응 공정에서 나오는 취기 가스 농도와 발생량을 측정했다(<그림 7> 참조). 그 결과 반응 공정 중 발생하는 EA 취기 가스의 최대 농도는 1만 7100ppm, 최대 가스 유량은 약 0.6㎥/min이었다.

현상 분석, 문제점 | 탈취 장치 설계 시 발생 가스 농도와 가스 발생량의 상한 값을 이용했다. 측정 결과를 통해 최대 농도는 아크릴산에틸 환산으로 1만 7100ppm, 최대 가스 풍량은 향후 증설을 고려해 1.0㎥/min으로 했다.
또한, 미요시화성공업㈜의 제조 체제는 월요일 오전 6시부터 토요일 오전 6시까지 3조 3교대로 연속 조업하는데, 위 능력으로 일주일간 고정 운전한 경우 사용 전력량은 <그림 8>과 같다. 이 그림에서 일주일간 소비 전력은 약 4076㎾h, 1년간 소비 전력은 약 19만 5634㎾h로 산출됐다.
<그림 7>을 보면 가스 농도와 유량에 폭이 있으며, 모든 제조공정에서 최대 가스 처리 능력을 필요로 하는 것도 아니다. 불필요한 전력 소비가 발생하지 않도록 운전 방법과 장치를 검토해야 했다.

에너지 절약 대책 내용
첫째, 컨트롤 댐퍼 설치다. 탈취 장치의 최대 처리능력을 억제하기 위해 희석용 공기 도입부와 반응조反應槽배기가스 도입부 두 곳에 유량 조절용 컨트롤댐퍼를 설치했다.
둘째, 팬의 인버터화다. 배기가스와 희석용 공기가 합쳐진 희석 가스를 열 교환기로 보내는 팬 출력(3.7㎾)을 인버터화했다.
셋째, 히터 출력 조정이다. 히터 출력(53㎾)을 조정할 수 있도록 전류 조절기를 도입했다.
이상 세 가지 대책을 실시해(<그림 9> 참조) 가스처리량을 0.07㎥/min~1.0㎥/min으로 바꾸도록했다. 이로써 필요에 따라 처리 능력을 바꾸는 가변 운전이 가능해졌으며, 에너지 절약 효과에도 크게 기여할 것으로 기대했다.
게다가 위 세 가지 가변 기능을 효과적으로 활용하기 위해 각각의 설정 값을 조합한 5개의 패턴으로 설정할 수 있으며, 각 반응 공정에서 원하는 다른 가스 처리 능력에 대응하도록 했다(<표> 참조).

[그림 9] 에너지 절약 대책

이 패턴들을 제조 공정 프로그램(공정 데이터를 데이터베이스화해 공정 진척을 컴퓨터에서 자동으로 행하는 시스템)에 넣음으로써 공수工겤를 곱하지 않고 자동으로 반응 공정에 대응하는 패턴으로 변경 조작할 수 있다.
지금까지 ▲컨트롤 댐퍼 설치 ▲팬의 인버터화 ▲히터 출력 조정 ▲처리 패턴화 등 이 네 가지 대책 강구를 통해 에너지 절약 효과, 공수 삭감 효과를 동시에 얻었다.

* 위 이미지를 클릭하시면 크게 보실 수 있습니다.

대책 후 효과
<그림 8>의 고정 운전 시 사용 전력량과 가변 운전을 한 일주일간 사용 전력량을 실측 비교해 <그림 10>으로 나타냈다. 가변 운전을 한 일주일간 전력량을 실측했더니 710㎾h였다. 이를 바탕으로 1년간 전력량을 산출하면 3만 4080㎾h다. 따라서 탈취 장치 개선으로 지금까지 저감한 전력량은 16만 1554㎾h/년으로, 목표를 크게 웃도는 82.6%의 저감 효과가 있었음을 확인했다.

*

대책 강구 결과 탈취 장치의 가스 처리 능력을 자동으로 가변하는 것이 가능하며, 이로써 대폭적인 에너지 절약 효과도 얻을 수 있었다. 또한, 제조 품목이 바뀌고 가스 농도가 달라지는 상황에서도 가변 장치 덕분에 에너지 절약 운전을 유지하고 확실히 처리할 수 있는 방법을 찾아냈다.
화학 공장은 환경에 부정적인 이미지가 강한 것이 사실이나 앞으로도 친환경 기업을 모토로 에너지 절약 활동에 더욱 힘쓰고 지구 온난화 방지에 매진할 방침이다.

정리 전화영 기자