특히 자동차를 비롯한 건축, 전자공학, 포장 등과 같은 산업에서의 알루미늄 재활용 비율은 매우 높아 적게는 67%에서 최고 92%까지 재활용이 가능한 것으로 알려져있다.
일반적으로 알루미늄을 재활용하기 위해서는 알루미늄 조각의 순도와 크기에 따라 다른 종류의 화로(furnace)가 사용되는데 용융을 통해 회수되는 알루미늄의 량에 의해 화로의 경제적 효율성이 결정된다.
이와관련 산소버너를 활용해 알루미늄 재활용시 산소 버너를 활용한 알루미늄 용융공정은 2차 알루미늄 산업(재활용)의 비용절감에 상당한 메리트를 제공한다.
최상의 효율을 올리기 위해서는 화로의 종류나 알루미늄의 량에 따라 각기 다른 종류의 솔루션이 필요하다.
이에따라 여기에서는 고효율을 얻기 위해 어떠한 방식으로 기존 알루미늄 재활용 화로를 개조 및 업그레이드해야 하는지에 대해 살펴보고자 한다.
최적의 화로가 갖는 조건
적은 중량과 우수한 공정능력을 지니고 있는 알루미늄은 현존하는 가장 중요한 필수금속중 하나이다.
보크사이트(bauxite) 광물로부터의 제1차 알루미늄 재생과정을 제외하면 재활용 공정은 현재 지속적으로 그 중요성을 넓혀가고 있는 상황이다. 이러한 공정이 지니는 경제성은 매우 높아 금속함유량이 적은 조각들은 물론 오염물질을 함유하고 있거나 코팅되어 있는 조각들까지도 경제적으로 용융(재활용)시킬 수 있다.
위에서 언급한 것처럼 1차 생산된 알루미늄이 어떠한 용도로 사용됐었는지에 따라 각각 다른 종류의 화로를 사용해 제2차 알루미늄 생산(재생)을 할 수 있다. 최적의 용융공정은 금속조각의 기하학적 형태나 금속함유량, 물질의 성질자체를 변화시킬 수 있는 합금과정을 거쳤는지 여부 그리고 화로의 작동방식 등에 따라 결정된다.
먼저 산화물을 미량 함유하고 있거나 유기물에 오염된 알루미늄 조각의 경우 염제(鹽劑, salt slag)를 사용하지 않는 반사로(反射爐, reverberatory furnace)가 가장 적합하다.
반사로에서는 알루미늄 조각들의 크기가 큰 경우 노상(爐床, 용광로의 도가니 부분)이나 별도의 2차 화로에서 용융공정이 진행된다. 또한 알루미늄의 산화작용은 용융시 알루미늄 조각이 액화되면서 화로로부터 넘쳐흐르는 현상을 방지하기도 한다.
이러한 이유로 반사식 재활용 화로에서는 알루미늄 부스러기까지 높은 산출율을 보이며 함께 용융될 수 있는 것이다.
이와는달리 만일 알루미늄 조각에 산화물이 다량 함유되어 있거나 합금형식을 취하고 있다면 로터리(rotary)식 화로를 사용하는 것이 좋다. 순수 알루미늄과 산화물 및 여타합금 재료들의 분리는 고정 또는 특정각도로 기울어진 로터리 화로(TTRFs)에서 이루어진다.
직접적인 용해는 염제(鹽劑) 슬래그(slag)하에서 진행되는데 이때 염제층은 산화물을 용해하고 불순물을 제거하는 역할을 수행한다.
회전식 경사로에서는 소량의 염제만을 사용하기 때문에 보다 적은 에너지와 염제 슬래그만으로 가동이 가능하다.
전반적으로 재활용을 위한 용해시 경제적 효율성은 산출되는 금속의 량에 따라 결정된다.
알루미늄은 산소와 화학적 친화력이 높기 때문에 신속하게 산화됨으로서 불순물 제거에 탁월한 효과를 나타낸다.
용해공정에서 최대한의 금속산출량을 얻어내기 위해서는 먼저 화로 내부의 산소량과 액체알루미늄의 온도, 고온에서의 용해시간, 금속의 크기, 금속조각에 함유된 불순물 등의 조건들이 가능한 최소화되어야 한다.
특히 이중 앞부분에 제시한 3가지 요건은 버너 시스템과 공정제어시스템을 어떻게 선택하는가에 따라 큰 영향을 미치게된다.
알루미늄 용해를 위한 산소 버너
공기버너 대신 산소 버너를 사용할 경우 용해로의 열(熱) 효율성을 증가시킬 수 있다.
일반적으로 산소연료 버너는 강력한 화염을 동반하기 때문에 스테인리스 스틸로 제작하는데 세라믹 소재의 방화벽을 갖춘 세라믹 버너를 사용하기도 한다.
이러한 산소버너에는 천연가스, 프로판, 합성가스(sasol gas), LPG, 경유, 중유 등 거의 모든 연료를 사용할 수 있다.
스테인리스 재질의 산소연료 버너중 하나인 M社 ‘Oxipyr버너’는 전통적인 산소버너와는 조금 변형된 제품으로 제2차 알루미늄 산업체들의 화로로 많이 사용되고 있다. 이 제품은 반사로는 물론 탑(tower)형 화로, 로터리식 화로 등에서 용융공정을 수행할 수 있으며 주변 공기의 흐름으로 화로를 냉각시키는 공랭식(空冷式)이기 때문에 별도의 수랭식(水冷式) 장치가 필요없다.
특히 Oxipyr버너는 가스연료의 사용이 용이한 간결한 구조, 완벽한 점화와 UV모니터링, 특수 디자인한 노즐을 통한 특화된 형태의 화염 등이 특징으로 오일버너 사용시에는 화염의 길이를 조절할 수도 있다.
반면 스테인리스 스틸과 화로 내부에 설치된 세라믹 블럭(block)으로 구성되는 세라믹 산소버너의 경우 반사로에 적합한 것으로 알려지고 있다. 세라믹 버너 역시 외형적으로는 화염이 버너의 앞부분에 형성되지만 세라믹 블럭이 열기를 차단함으로서 과열방지 장치의 역할을 하기 때문에 별도의 냉각장치는 필요치 않다. 또한 1차.2차 산소공급에 따라 화염의 변화도 다양하게 발생한다. 낮은 운동량에 의해 화염은 더욱 길어지며 용액화되는 범위도 증가된다.
구체적으로 Oxipyr버너는 추진력의 고저, 화염의 장단, 화염의 모양이 원형인지 평평한지 등의 조건에 따라 가동중에 화염의 형태를 다양하게 조절할수 있으며 별도의 파일럿버너가 필요없이 직접점화가 가능하고 냉각장치가 필요없다는 점이 메리트로 지적된다.
더욱이 이 버너는 화염이 연속적으로 움직이는 유연성을 지니고 있어 화로내부에서 지엽적(枝葉的)으로 발생할 수 있는 과열이나 이로인한 알루미늄의 과다한 산화작용을 방지할 수 있다. 또 일시적으로 산소를 과다하게 주입하거나 고온가스 순환장치를 활용해 배기가스를 재활용함으로서 일산화탄소, 탄화수소, 질소산화물의 배출량을 줄일 수 있다는 것도 장점이다.
고정식 로터리 화로의 용해공정
현재 유럽에서는 알루미늄 조각들을 용해하기 위해 다수의 로터리식 화로가 사용되고 있다. 1990년대초 독일의 Metallwake Bender社가 알루미늄의 재활용을 위해 최초의 오일-산소버너를 설치했는데 이 회사는 에너지 비용절감을 위해 기존 버너를 산소버너로 개조한 후에야 중유를 연료로 사용했다.
이러한 중유-산소버너에 사용됐던 제어기술은 로터리식 화로를 위해 특별히 디자인되었고 被용해물질의 선적량에 따른 산출량 등과 같은 여타 사전 설정들을 조절할수 있었다.
이후 중유-산소버너는 산소버너로서 성공적으로 전환하기 위해 과열로부터 알루미늄을 보호하기 위한 버너출력의 전환, 버너외부의 공기와 차단시키기 위한 고도로 밀봉된 투입구 및 압력제어 그리고 버너의 위치와 화학량론(stoichiometry) 등에 중점적인 개선이 이루어졌다.
또한 에너지소비 및 매출가스를 줄이기 위해 버너는 <그림-1>과 같이 가스 수송관 옆의 배출가스 측면에 위치했다. 일산화탄소와 탄화수소 배출량은 화염의 화학량을 제어함으로서 감소시킬수 있도록 제작되었으며 산소버너로부터 발생하는 배출가스의 량이 상대적으로 적었기 때문에 그만큼 화로내부에서 배출가스가 흘러가는 속도도 저하됐다.
이에따라 기존 알루미늄 재활용버너들에 비해 용해후 발생하는 잔해물이나 염분의 량은 대폭 감소했다. 물론 최선의 결과를 도출해내기 위해 외부공기의 침입을 막을수 있는 압력제어시스템과 화로 도어(door)의 완전밀폐가 갖는 중요성이 한층 커지게 됐음은 당연한 결과이다.
<그림-2>는 바로 이러한 조건을 충족시키기 위해 개발된 로터리식 화로용 완전밀폐 도어를 보여준다.
TTRFs용 산소버너
위에서도 언급했듯이 TTRFs(Tilt Type Rotary Furnaces)는 고정식 로터리 화로와 달리 일정 각도로 기울어진 로터리 화로를 의미한다.
TTRFs의 경우 화로의 경사를 만들기 위해 수압을 사용하게 되며 금속 및 염제(鹽劑)는 <그림-3>에서처럼 화로의 도어를 통해 지속적으로 배출된다. 이러한 TTRFs는 반드시 건조한 염제를 사용해야만 하는데 일반적인 용융공정과 비교할때 화로내에서 사용되는 염제의 량을 줄일 수 있다. 특히 TTRFs의 소금 광재에는 상대적으로 적은 량의 알루미늄만이 함유되어 있다.
이같은 TTRFs에서 산소버너를 적용하면 최적의 결실을 얻어낼 수 있는 가장 이상적인 공정제어가 가능하다. 또한 온도 측정 모델을 채용함으로서 복사에너지를 집약시킬수 있는 산소 화염과 화로의 기하학적 배열 등을 최적화 할 수 있다. 여기에 특별히 디자인된 화로의 도어는 산소버너와 가스 도관에 외부의 공기가 침입하는 것을 막아준다.
이에따라 고정식 로터리 화로와 비교한 <도표-1>에서 볼수 있듯이 에너지소비량은 알루미늄 조각 1톤당 4백kWh 미만인 반면 산출량은 매우 높다.
반면 TTRFs와 같이 용융과정에서 적은 량의 소금만을 사용할 경우 알루미늄의 산화작용에 의해 상당한 위험이 발생할 수도 있다. 특히 버너의 작동이 제어되지 않는다거나 화로내부에 산소가 잔존해 있다면 그 위험성은 더욱 커진다.
이에따라 TTRFs에서는 화로를 운영하는 사람을 도와줄수 있도록 별도의 자동화된 제어시스템이 반드시 요구된다. 자동제어시스템은 용해될 알루미늄이 화로에 적재되면 컴퓨터로 가장 적합한 염재의 량과 필요한 에너지량을 즉시 계산해 조작자에게 알려준다. 이때 조작자는 자동제어시스템이 제공하는 배출가스 온도, 에너지소비량, 화로의 화학량, 회전률 등의 정보를 모니터로 확인, 정확한 테핑 시간(tappingtime)을 결정하게 된다.
다시말해 공정제어는 염제와 에너지 사용량을 최소화하면서 최대의 산출율을 얻어내도록 도와주는 것이다.
사용자의 입장에서도 TTRFs의 이러한 비용절감 요인들은 화로의 개조에 사용된 투자비를 단시간내에 회수할 수 있다는 점에서 많은 관심을 끌고 있다.
반사형 화로와 산소버너 기술
산소버너는 반사로(reverberatory furnace)에서도 성공적으로 운용될 수 있다.
반사로에서는 버너나 배기가스 배출구의 위치는 물론 자동 버너제어시스템이 무엇보다도 중요한 역할을 수행하고 있는데 사전에 입력한 컴퓨터 모델링에 의해 산소버너 반사형 화로를 위한 최적의 매개변수들이 계산된다.
자동 버너제어 시스템은 용융공정의 효율성을 높이기 위해 화로의 온도를 감지.기록하고 이후 공정에 반영함은 물론 자동 화로압력제어 시스템과 함께 최소 에너지로 최대 산출량을 얻을 수 있는 토대를 제공한다.
하지만 반사형 화로의 경우 각 사업장의 용도에 따라 종류가 천차만별이므로 산소버너를 통해 효과적으로 개조하기 위해서는 적합한 솔루션을 개별적으로 채용해야만 한다는 점을 잊지 말아야 한다.
기존에 운영중인 10톤 규모의 반사형 화로에 산소버너기술을 적용, 성공적인 효과를 나타낸 A社의 사례를 살펴보자면 이 회사는 산소버너의 채용이후 단시일내에 보다 저렴한 비용으로 과거에 비해 높은 산출량을 얻을 수 있었다.<표-2>
화염의 영향으로 화로의 천정부위가 과열되는 것을 방지할수 있도록 이론적 계산에 기초해 공기와 산소를 혼합했으며 버너의 출력을 제한하기 위해 화염의 윗부분에 공기층을 형성시켰다.
특히 A社는 알루미늄 적재시나 용융된 알루미늄을 배출할때와 같이 화로가 용융공정을 수행하지 않는 동안에는 산소사용량 감소(비용절감)를 위해 공기만으로도 화염을 유지할수 있도록 설계했다.
최근에는 기존 화로의 지붕부위에 산소버너를 장착하는 일명 ‘Oxial-Tower 공정기술’도 개발됐다.(그림-4) 이를통해 열기의 배분을 증진시킴으로서 과열로 인해 화로 표면 및 지붕의 온도가 상승하는 현상을 방지한다. 또한 화염은 조작자가 상황에 따라 제공하는 산소의 량에 의해 조절되고 화염의 각도 및 움직임도 정확하게 제어할 수 있다.
<표-3>은 40톤 용량의 반사형 화로에 각각 공기버너, 산소버너, Oxial-Tower버너를 적용했을때를 현장실험을 거쳐 비교한 것이다.
일반적으로 재활용하려는 알루미늄 조각들은 부분적이지만 도료나 플라스틱으로 덮혀져있다. 과거에는 이러한 물질들이 소각되면서 발생하는 탄화수소를 제어할수 없었기 때문에 배출가스의 온도가 급격히 상승돼 종종 냉각을 위해 화로 자체를 정지시켜야하는 상황이 초래되기도 했다.
그러나 현재에는 버너의 개조를 통해 배기가스의 흐름 또한 많은 변화가 나타났는데 저온의 탄화가스는 화염을 그대로 통과해 별도로 마련된 프로그램에 의해 사전연소를 거치게 된다.
또한 배출가스 및 화로 천정의 온도를 조절할수 있게되면서 버너의 출력도 자연스럽게 제어가 가능해졌으며 이로써 과열현상은 더이상 발생하지 않게 됐다.
탑형 화로와 산소버너
이외에도 산소버너는 탑(tower)형 버너를 사용하고 있는 산업체들에게도 산출량 증진이라는 잇점을 제공한다.
탑형 버너에서 알루미늄은 자동운반시스템에 의해 화로내부로 적재되는데 바로 직전에 진행된 용융과정에서 발생한 배기가스가 새로이 적재된 고체 알루미늄을 예열하는 공정에 사용된다. 이러한 예열을 거친 후에야 본격적으로 버너가 알루미늄을 용융하게 되는 것이다.
탑형 버너에서는 볼 수 있는 전형적인 데이터로는 산출량이 시간당 1.5～2톤이며 예열온도 200～400℃, 에너지소비량은 알루미늄 1톤당 900～1,000kWh 등이다.
최근 Hengelmolen Furnaces社와 Messer그룹은 공동으로 만족할만한 수준의 새로운 산소버너의 개발에 성공했다.
양사가 개발한 새로운 산소버너는 보다 빠르고 쉽게 산출량을 높이기 위해 용해공정이 직접 진행되고 있는 화로내부에 설치된다. 실험결과 산출량이 무려 최고 50%까지 증가했으며 용융공정에서 발생하는 불순물들도 큰 폭으로 감소했다. 이 산소버너는 기존에 장착된 화로제어시스템과 함께 작동되는데 그만큼 투자비용 회수기간도 빠르다.
단지 알루미늄을 효과적으로 예열하기 위해서는 여타 버너들보다도 많은 량의 배기가스가 요구되기 때문에 산소버너가 화로내에서 용융공정에 사용될때 별도의 고온가스순환장치가 필요하다.
가스순환장치는 또 저온의 탄화가스를 필요에 따라 연소시킬수 있고 이로인해 과거대비 50%정도의 에너지만으로 산출량은 거의 2배가까이 늘리는 효과를 얻었다.<표-4> 금속산출량은 높은 출력과 화로의 개선을 발판으로 20～40%가량 향상됐다.
즉 가스순황장치를 첨가함으로서 화로를 교체하는 등의 대대적인 투자없이도 효율성 증진이 가능하다는 것이다.
