비철금속 · 제련 · Fumer · 석탄 · 산소 · 전기

비철금속 제련 Fumer 원료배합·연료·산소 통합 에너지 최적화

두 제련 Fumer의 원료 배합비와 에너지원단위, 원료처리량·석탄·산소 사용량의 상관관계를 분석하고, 원료 배분 최적화와 배가스 O₂/CO 실시간 제어를 통해 대규모 에너지 절감 잠재량을 도출한 사례입니다.

비철금속아연제련Fumer석탄산소O₂/CO원단위공정최적화

01 · CHALLENGE

현장에서 확인한 주요 과제

대형 비철금속 제련공정에서 석탄과 산소 사용비용이 매우 커 원료처리 조건과 Utility 투입량의 동시 최적화가 필요
두 Fumer의 원료 배합비와 에너지원단위가 서로 크게 달라 설비별 원료 배분 최적화 여지가 존재
원료 성상 변화에 따라 연소상태가 변하지만 기존 Utility 제어만으로는 즉각 대응이 어려워 연료·산소 과잉투입 가능성이 존재
배가스 O₂와 CO 농도가 시간대·설비별로 변동하여 연소효율과 미연손실, 산소과잉 손실을 실시간으로 관리할 필요

02 · DATA

분석에 사용한 데이터

4계절 대표월의 10분 간격 운전데이터
원료 성분·원료 투입상태·석탄·산소 등 에너지 소비상태
제품 품질상태·설비 열화상태·배기가스 환경상태
원료처리량과 석탄소비량·산소소비량 간 상관관계
Slag 투입비율과 에너지원단위의 상관관계
배가스 O₂·CO 농도와 연료·산소 투입패턴

03 · BASELINE / MODEL

제련공정 에너지원단위와 Utility 최적화 기준

원료 배합비율과 에너지원단위Energy Intensity = Energy Input / Raw Material Throughput

방법: 두 Fumer의 Slag 투입비율과 원료처리 에너지원단위를 비교하여 배합비와 효율의 관계를 분석
성능·해석: Slag 투입비율이 증가할수록 에너지원단위가 감소하는 경향을 확인

설비별 에너지원단위 변동성Seasonal Variation = (Max UPI − Min UPI) / Min UPI × 100

방법: 4계절 대표 운전기간의 시간대별·계절별 원단위 변동폭을 비교
성능·해석: 한 설비는 최대 계절별 원단위 차이가 약 40.2%, 다른 설비는 약 4.4%로 큰 편차를 보임

원료처리량-석탄 상관관계Coal Demand = f(Material Throughput)

방법: 원료처리량 변화에 따른 석탄소비량의 상관관계를 분석하여 과잉 연료투입 구간을 진단
성능·해석: 원료처리량 증가에 따라 석탄소비가 증가하며 설비별 운전특성 차이가 존재

석탄-산소 상관관계Oxygen Demand = f(Coal Input, Combustion State)

방법: 석탄투입과 산소사용량의 상관관계 및 배가스 O₂/CO 상태를 함께 분석
성능·해석: 원료 성상과 연료투입 변화에 따라 배가스 O₂/CO가 시간대별로 변동

실시간 연소상태 제어O₂/CO Analyzer → Control Logic → Fuel/Oxygen Set Point

방법: 배가스 O₂/CO를 실시간 측정하여 연료·산소 제어값을 보정하는 폐루프 제어개념을 제시
성능·해석: 연료과잉에 따른 미연손실과 산소과잉에 따른 고가 산소 손실을 동시에 억제하는 구조

04 · SAVING OPPORTUNITY

1차 절감 잠재량 시나리오

개선 시나리오	Baseline	목표	1차 잠재량
원료 배합비 최적화보고서 시뮬레이션 기준. Slag 이송비용은 별도 고려하지 않은 예상 절감효과	두 Fumer의 서로 다른 Slag 배합비와 에너지원단위	Slag/원료 배합비를 약 30% 수준으로 재배분하면서 총 처리량 유지	약 28억원/년
배가스 O₂/CO 기반 연료·산소 최적제어석탄 절감률 약 1.8%, 산소 절감률 약 7%를 적용한 보고서 예상효과	원료 성상 변화에 대한 Utility 제어의 즉시 대응 한계	실시간 배가스 분석을 이용해 연료·산소 투입량을 연소상태에 따라 보정	약 5억원/년
배가스 제어 투자경제성보고서 당시 단가·사용량·가동률 조건에 따른 경제성	O₂/CO 분석기 및 제어시스템 미적용	2기 대상 실시간 분석·PLC 제어 시스템 구축	투자비 약 8억원 · 회수기간 약 1.8년
종합 절감 잠재량28억원/년 + 약 5억원/년의 컨설팅 예상효과를 합산한 잠재량으로 확정 절감실적이 아님	원료배분과 연료·산소 제어를 개별적으로 관리	원료 Mass Balance + 실시간 연소제어를 통합 적용	약 33억원/년

검증 조건

본 사례의 약 33억원/년은 개선 후 확정된 실적이 아니라 컨설팅 보고서에서 제시한 두 개선안의 예상 절감효과를 합산한 값입니다. 실제 적용 시에는 원료 조성, 처리량, Slag 이송조건, 석탄·산소 단가, 배가스 O₂/CO, 생산품질 및 설비가동률을 반영한 Baseline을 구축하고, 개선 전·후 M&V를 통해 절감성과를 확정해야 합니다.

자료 기준: 국내 대형 비철금속(아연) 제조시설의 제련 Fumer 에너지절감 컨설팅 완료보고 기반 · 고객사명·사업장명·지역명·개별 설비 고유명칭 비식별 처리

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배경·기술적 맥락

산업 공정가열은 열원, 재료, 운전조건, 열손실과 제어를 시스템 관점에서 함께 분석해야 하며 운전 최적화와 폐열회수 등이 주요 개선 축이다.

Engineering Interpretation

공정가열 설비에서는 생산량·Batch·가열시간·온도조건이 에너지사용과 직접 연결되므로, 절대 사용량과 함께 생산기준 원단위와 운전조건을 동시에 해석하는 것이 중요하다.

응용 가능 분야

열처리·주조·제련·유리·세라믹·건조 공정 등 온도와 생산량이 에너지사용을 좌우하는 공정에 응용할 수 있다.

M&V 실무 고려사항

향후 성과검증에서는 에너지사용량과 함께 생산량 또는 생산중량, Batch, 가동시간, 주요 온도조건과 제품 Mix를 기록하는 것이 적절하다. 생산조건이 다른 기간은 에너지 원단위 또는 보정 Baseline을 이용해 비교하고, 실적과 잠재량을 분리해 관리해야 한다.

Consultant's Point

공정가열은 에너지사용량과 생산조건을 분리해서 볼 수 없다. 생산량·Batch·가동시간과 온도조건을 함께 보아야 원단위 변화가 생산조건 때문인지 운전개선 때문인지 구분할 수 있다.

AI·데이터 활용 확장

운전·생산 데이터가 충분히 축적되고 반복패턴이 확인되는 경우에 한해 예측 또는 이상탐지 적용 가능성을 검토할 수 있다. AI는 선택적 확장수단이며 원래 CASE의 검증 실적이 아니다.

International / External Reference

U.S. Department of Energy의 「Process Heating Systems」는 이 CASE와 관련된 시스템 효율화의 일반적 기술 배경을 제공한다. 이 자료는 원래 CASE의 현장 실적이나 Evidence가 아니라 외부 참고자료이다. Reference

Additional technical reference: U.S. Department of Energy / Better Plants — Process Heating Systems / Process Heating