에너지 절감을 위한 분쇄기 활용법

용도에 가장 적합한 분쇄기 설계와 모터 용량을 적용하면 에너지 소비량 최소

그 동안 분쇄기는 에너지를 잡아 먹는 기계로 악명이 높았지만 최근 모터와 설계 등의 개선으로 에너지 효율이 크게 향상되고 있다. 또한 적절한 기계를 선택하고 올바른 정비를 실시함으로써 상당한 에너지를 절약할 수 있다.

플라스틱 가공업체에 있어서 그 중요성이 점차 커지고 있는 2개의 원가 항목은 에너지 이용과 원료비다. 이 두 항목을 효율적으로 관리하기 위해서는 적절한 분쇄기를 선택하여 효율적으로 운전하는 것이 필요하다.

고가의 스크랩 재료를 재사용하기 위해 분쇄하고 사이즈를 감소시키는 것은 플라스틱 가공산업에서 거의 전반적으로 증가하고 있다. 분쇄기가 소비하는 대량의 에너지를 최소화할 수 있는 4가지 방안을 다음과 같이 설명한다.

방안 1: 모터 및 제어장치
플라스틱 가공에서 소비되는 전력의 거의 절반은 모터 구동에 사용되며 이것은 분쇄기에서도 마찬가지다. 정비를 포함한 공무 담당자에게 모터의 효율은 항상 가장 중요한 관심사 중 하나다. 분쇄기를 구동하는 모터가 대량의 에너지를 소비하고 있다는 사

미국과 서구의 경우 약 30년 전부터 새로 제작되는 모터의 효율을 법규로 규제해오고 있으므로 기존 분쇄기의 모터가 이런 기준을 만족하는지 확인할 필요가 있다.

여기에 2016년 중반부터는 미국 에너지청에서 새로 제작되는 모터의 최저 효율을 더 높이도록 규제하는 규정이 시행될 예정이다. 모터의 사용 수명은 사이즈에 따라서 차이가 있지만 대략 5~15년 사이다. 이 기간이 경과한 후에 고장이 난 모터는 수리하거나 교체된다.

모터의 수리는 거의 대부분의 경우 새로 권선하는 것을 말하며, 새로 권선한 모터는 그 효율이 낮아지는 것이 보통이다. 대형의 모터는 소형 모터에 비해 효율이 더 높으며 또한 일정 기간 동안의 평균 가동시간도 더 길다.

개별 모터의 효율보다 모터 구동 시스템 전체의 효율을 높이는 것이 기계 전체의 전력 소비량을 감소시키는데 더 큰 도움이 될 수 있다. 미국 에너지청 전문가들이 분석한 바에 의하면 모터 구동 시스템에서 절약할 수 있는 전력의 약 70%는 시스템의 부하를 최소화하거나, 모터 속도를 낮추거나 제어한다.

부하에 적합한 사이즈의 부품을 사용하고, 설비의 효율을 높이며, 정비관리 체제를 개선하고, 가급적 모터의 용량을 낮추는 등의 조치에 의해서 달성할 수 있다.

분쇄기와 모터 사이즈에 따라 기동기 또는 제어장치가 에너지 소비량 및 그 효율에 큰 영향을 미칠 수 있다. 중간 내지 소형의 분쇄기는 대부분 직접기동기(Across-The-Line Starter)를 사용하고 있는데 이 방식의 기동기는 모터가 기동할 때 최대의 전류를 소비한다.

50hp 이상의 모터를 사용하는 대형 분쇄기는 감전압 기동기(Reduced-Voltage Starter)를 사용하여 모터에 전력을 점진적으로 공급하여 직접기동 방식에서 나타나는 높은 돌입 전류를 감소시키고 있다. 전력회사에서는 대부분 피크 전력을 기준하여 전기요금을 부과하므로 대형 모터에는 감전압 기동 시스템을 설치하여 최고 피크 전력을 억제할 필요가 있는 것이다.

모터의 피크 전류를 낮출 수 있는 또 다른 방법은 과전류 제어장치와 정해진 시간 동안 분쇄기에 원료가 투입되지 않으면 기계 가동을 정지하는 것이다.

과전류 제어장치는 모터의 전류를 모니터하여 최대 부하시 전류에 도달하거나 초과하면 운전자에게 경고를 발신한다. 최고 부하 전류는 모터 사이즈에 따라서 다르지만 전류에 비례하여 원료를 분쇄기에 투입하면 에너지 소비를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 원료가 과다 투입되어 분쇄기가 막히는 것을 방지할 수 있다.

과전류 제어장치를 원료 투입 컨베이어에 연동시키면 분쇄기의 부하에 따라서 컨베이어를 정지-가동할 수 있게 된다. 분쇄기의 부하가 일정할수록 에너지 효율이 높아지는 것은 물론이다.

분쇄기가 하루 중 무작위로, 즉 임의의 시간에 가동되는 경우 일정 시간 동안 부하가 없을 때 가동이 자동적으로 정지되도록 할 수도 있다. 또한 정해진 시간 동안 가동을 중단하는 운전 방식에서도 과전류 제어장치를 사용하여 모터 전류를 모니터하고 분쇄기가 일정 시간 동안 가동되지 않을 때는 신호를 보내어 완전히 정지하도록 할 수 있다.

이 방법은 분쇄기에 원료가 투입되지 않는 시간, 즉 사용되지 않는 시간이 길 경우에 가장 효과적인 방식이다. 분쇄기를 빈번하게 정지시키는 것과 부하 없이 가동하도록 두는 것 중 어느 쪽이 에너지 소비가 더 작은지 계산해보는 것이 가장 바람직하다. 모터를 빈번하게 시동/정지하는 것은 에너지 소비를 증가시킬 뿐만 아니라 모터와 기동기에도 상당한 무리가 주어지기 때문이다.

분쇄기에 에너지 효율이 높은 모터와 제어장치를 사용하면 모터 사이즈에 따라서 평균 약 20~30% 정도의 에너지를 절약할 수 있게 된다. 분쇄기에서 에너지를 가장 많이 절약할 수 있는 것은 에너지 효율이 높은 모터와 기동기를 사용하는 것과 함께 적절한 사이즈의 모터를 사용하는 것이다.

방안 2: 분쇄기의 설계와 용도
분쇄기의 크기는 사용 여건에 따라서 달라지므로 일괄적으로 최적의 크기를 정할 수 없다. 많은 플라스틱 가공업체의 경우 용량이 너무 큰 분쇄기와 모터를 사용하는 것을 흔히 볼 수 있다. 실제로 대부분의 가공 업체에서는 가급적이면 대형의 설비를 선호하고 있는 것이다.

이것은 한 공장 내에서도 분쇄기를 여러 가지 용도로 사용하는 경우가 많으므로 일면 타당한 결정이라 할 수 있다. 그러나 용도에 가장 적합한 분쇄기 설계와 모터 용량을 적용하면 분쇄기의 에너지 소비량을 최소화할 수 있다는 것도 사실이다.

어떤 용도에 가장 적합한 분쇄기 설계와 용량을 결정할 때 고려해야 할 시항은 가공 공정, 원료의 크기와 형태, 스크랩의 두께, 투입 방식, 시간당 처리능력, 스크린 사이즈 등이다. 분쇄기의 사이즈를 적절하게 결정하면 효율이 높아지고 설치 면적을 최소화할 수 있으며, 에너지 소비량도 최소화할 수 있다.

각 분쇄기마다 서로 다른 형태와 크기로 설계된 절단실을 가지고 있으며 로터 역시 그 종류와 스타일이 다양하다. 절단실과 절단 로터를 적절하게 조합하면 스크랩을 신속하고 효율적으로 처리할 수 있으며 따라서 에너지 효율을 높일 수 있게 된다. 또한 스크랩 원료를 절단실로 투입하는 호퍼의 종류 역시 분쇄기의 성능에 큰 영향을 미친다. 원료를 빨리 가공할수록 에너지 효율이 높아지기 때문이다.

부피면적 용적이 크고 두께가 얇은 스크랩은 보통 이런 종류의 스크랩을 잘 처리할 수 있고 절단실 내부에서 튀어 오르지 않는 절단실를 사용하게 된다. 절단실 내에서 스크랩 원료가 튀어 오르면 그에 비례하여 에너지 소비량이 증가한다.

하지만 두껍거나 무거운 스크랩을 절단할 때에는 로터가 한꺼번에 많은 양의 스크랩을 물고 들어가지 않도록 해야 하며 따라서 적절한 제한 장치가 있는 절단실이 좋다.

제한된 절단실은 로터가 다량의 원료를 처리하지 않고 조금씩 베어 먹는 형태로 절단한다. 두껍거나 무거운 원료를 부피 밀도가 높은, 즉 밀도에 비해 부피가 큰 원료에 적합한 절단실에 투입하는 경우 우선 모터 용량이 훨씬 더 커져야 하며 분쇄기 사이즈와 에너지 소비량도 그만큼 더 커져야 한다.

이와 같이 분쇄기의 종류와 모터 용량은 그 용도에 따라서 적절하게 평가하여 결정할 필요가 있는 것이다. 일부 분쇄기 제작사들이 보통 옵션으로 적용하고 있는 다른 기능으로서 이차 또는 추가 플라이휠이 있다. 플라이휠은 보통 절단 장치의 질량을 증가시켜주는 고체 부품이다.

플라이휠을 구동부 반대측 절단 로터 축에 설치하면 로터의 관성이 증가하게 된다. 이렇게 증가된 관성은 모터 용량을 증가시키지 않고 로터의 절단력을 높여준다. 추가 플라이휠을 사용하는 목적은 주로 단면이 두꺼운 스크랩 등 절단과 가공이 어려운 원료를 처리하기 위한 것이다.

스크린 사이즈도 에너지 효율에 영향을 준다. 스크린의 망목 크기가 작을수록 원료가 절단실 내부에 체류하는 시간이 길어지며 따라서 에너지 소비량이 증가하게 된다.

그러므로 용도에 맞는 분쇄기를 제조할 수 있는 한도 내에서 최대한 큰 망목을 가진 스크린을 사용하는 것이 이상적이다. 필요한 것보다 더 작은 망목의 스크린을 사용하면 에너지 소비량이 증가할 뿐만 아니라 원료 가공에 더 긴 시간이 소요되므로 그만큼 기계의 마모와 균열도 증가하게 된다.

분쇄기에서 분쇄재를 적절하게 배출시키면 에너지 효율을 높이고 분쇄기의 성능과 함께 분쇄재의 품질도 향상시킬 수 있다. 분쇄기에서 절단된 원료를 적절하게 배출시키지 못하면 절단실 내부에 분쇄재가 오랜 시간 동안 체류하게 되어 분쇄기에 불필요한 부하를 주게 된다.

또한 절단실 내에 오래 남아 있는 분쇄재는 마찰열에 의해 녹게 될 염려가 있으며 기계에 큰 손상을 입힐 수도 있다. 그러므로 분쇄기의 에너지 효율을 관리하기 위해서는 분쇄재를 배출하는 시스템이 분쇄기의 최대 용량을 처리할 수 있도록 신속한 처리가 매우 중요하다.

방안 3: 적절한 정비 관리
분쇄기의 정비를 부실하게 하면 에너지 효율도 당연히 낮아진다. 분쇄기에서 가장 중요한 부분은 스크랩 원료를 절단하는 절단실이다. 용도에 적합한 분쇄기를 선택한 후에는 항상 새 것과 같은 상태를 유지하여 최상의 효율을 발휘할 수 있도록 하는 것이 필수적이다.

예방정비 작업 중에서도 가장 중요한 것은 분쇄 칼날을 최대한 예리한 상태로 유지하는 것이다. 분쇄기의 분쇄칼날은 고르게 닳는 것이 아니라 닳는 속도에 차이가 있다. 둔해진 칼날을 사용하면 분진과 분말이 많이 발생할 뿐만 아니라 입도 차이가 커지게 되고 나아가서 원료를 절단하는데 소비되는 에너지도 증가하게 된다.

다시 말해 분쇄 칼날이 둔해질수록 그에 비례하여 구동 모터의 전류는 증가한다. 또한 같은 양의 원료를 처리하더라도 분쇄기 자체의 부하가 증가하게 되는 결과가 된다.

칼날의 최적 교체주기는 용도, 원료의 종류, 스크린 망목 사이즈, 듀티 사이클, 칼날의 금속 재료 및 가공, 그리고 분쇄기의 구성 등에 따라서 달라진다. 분쇄기를 최상의 상태로 유지하기 위해서는 일정 주기로 분쇄칼날을 교체하는 것이 필요하다.

분쇄칼날의 예리한 정도와 함께 분쇄칼날 사이의 간격도 분쇄기의 효율과 에너지 소비량을 최적으로 유지하는데 큰 영향을 미친다. 분쇄기 제작사에서는 각 기계 별로 그리고 용도 별로 적절한 칼날 간격을 추천하고 있다.

분쇄기에서 칼날의 간격은 회전 칼날와 고정 칼날 사이의 간격을 말한다. 최상의 결과를 얻기 위해서는 칼날를 교체할 때마다 항상 간격을 일정하게 유지하도록 해야 한다.

회전 및 고정 칼날을 조절할 수 있는 분쇄기는 칼날의 회전 반경을 일정하게 유지할 수 있으므로 칼날의 설정 효율을 최고 수준으로 유지할 수 있게 된다. 회전 반경이 일정하면 회전 칼날과 스크린 사이의 간격이 일정하게 유지되고 그 결과로 가공 효율과 함께 에너지 효율을 높게 유지할 수 있는 것이다.

이 기능은 지속적으로 날카롭게 연마하지 않는 칼날도 그 간격을 적절하게 유지할 수 있도록 해준다.

그러나 분쇄기의 에너지 효율을 최고 수준으로 유지하기 위해서는 칼날를 적절하게 연마하는 것이 필수적이다. 칼날의 각도를 정확하게 유지하지 못하면 분쇄재의 품질이 저하되고 칼날 간격이 불균일해 에너지 효율이 저하된다. 구동 벨트가 마모되거나 늘어나면 분쇄기에 불필요한 응력을 주게 되고 절단 효율이 저하돼 에너지 소비량이 증가한다.


그러므로 구동 벨트의 장력을 정기적으로 점검 조절하여 동력이 모터에서 로터로 정상적으로 전달되도록 해야 한다. 벨트가 마모되거나, 느슨해지거나, 탈락되면 모터 또는 로터의 풀리에 미끄럼이 발생하여 분쇄기가 막히거나 손상을 입게 된다. 벨트가 미끄러지거나 동력이 제대로 전달되지 못하면 에너지 소비량이 크게 증가한다.

베어링의 적절한 윤활도 분쇄기의 효율적인 가동을 위해 필수적인 사항이다. 베어링에 그리스가 부족하면 열이 발생하고 불필요한 에너지가 소비되며, 모터는 로터를 회전시키기 위해 더 많은 전류를 소비하게 된다.

이런 문제를 방지하기 위해 일부 분쇄기에서는 주유가 필요 없는 밀봉 베어링을 사용하고 있다. 제작사의 지침에 따라서 적합한 종류의 그리스를 지정된 주기로 주유하는 것은 에너지 효율을 유지하는데 반드시 필요한 사항이다.

방안 4: 2단 분쇄
지난 10여년 동안 플라스틱 가공산업에서 파쇄기의 사용이 크게 증가했다. 파쇄기를 사용하는 라인에서는 분쇄 사이즈를 최종적으로 조절하기 위해 분쇄기를 사용하는 경우가 대부분이다. 이렇게 파쇄기-분쇄기로 라인을 구성하는 방식을 2단 분쇄라 부른다.

대형 모터를 구비한 대형 분쇄기 1대를 사용하는 것보다 소형의 파쇄기를 분쇄기와 연결 사용하면 에너지 소비량을 대폭 감소시킬 수 있는 경우가 많다. 두껍고 강도가 높은 퍼징 스크랩을 재가공하는 작업이 여기에 해당한다.

퍼징 스크랩은 그 사이즈와 두께 때문에 150~200hp, 또는 그 이상의 분쇄기를 사용하는 것이 보통이지만, 그 대신 40~50hp 파쇄기와 15~20hp 분쇄기를 연결하여 같은 작업을 할 수 있는 것이다.

그러므로 파쇄기와 분쇄기를 조합 사용하면 대형의 분쇄기를 사용하는데 비해 에너지 효율을 훨씬 더 높일 수 있다.

현재 플라스틱 가공산업에서 주로 사용되고 있는 파쇄기 종류는 램을 사용하여 스크랩을 회전 로터에 투입하는 일축(Single-Shaft)형이다. 램의 압력은 로터를 구동하는 모터의 전류를 제어하여 적절하게 조절해준다.

파쇄기와 분쇄기의 제어장치는 분쇄기의 고전압 피드백을 통해 서로 연결되어 파쇄기의 배출량을 조절한다. 즉 2개의 제어장치는 서로 동기화되어서 에너지 효율을 최대한 높이고 있다.

파쇄기/분쇄기를 적절한 용량으로 조합하는 것은 해당 용도에 따라서 달라지며 반드시 가격대비 성능이나 에너지 효율이 가장 우수한 방식이 되는 것은 아니다. 유능한 파쇄기/분쇄기 제작사나 판매대리점에 문의하면 용도별로 가장 적합한 조합을 추천받을 수 있을 것이다.

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