증기는 다양한 산업 분야에서 사용됩니다. 일반적인 증기의 애플리케이션으로는 플랜트 및 공장에서의 가열 공정과 발전소에서의 증기 구동 터빈이 있지만, 산업계에서의 증기 용도는 이 범위를 훨씬 넘어섭니다.

다음은 산업계에서의 대표적인 증기 애플리케이션입니다.

• 가열/살균
• 추진/가동
• 구동(Motive)
• 분무(Atomization)
• 세척
• 보습
• 가습

다음 부분에서는 증기의 다양한 애플리케이션을 논의하고 이를 설명하기 위해 증기 사용 장치의 예를 들어보겠습니다.

양압 증기

일반적으로 증기는 생성된 뒤 양압 상태로 분배됩니다. 대부분의 경우 이는 0 MPaG 이상의 압력과 100 ℃ 이상의 온도에서 장비로 공급됨을 의미합니다.

양압 증기의 가열 애플리케이션으로는 식품 가공 공장, 석유 정제, 화학 공장을 들 수 있습니다. 포화 증기는 공정 유체 열교환기, 리보일러, 반응기, 연소 공기 예열기 등 다양한 열전달 장비의 주요 가열원으로 사용됩니다.

열교환기에서 증기는 열을 전달하여 제품의 온도를 높인 뒤 응축수로 변해 스팀 트랩을 통해 배출됩니다.

대기압에서 200 ~ 800 ℃로 가열된 과열 증기는 특히 취급이 용이하며, 오늘날 시장에서 볼 수 있는 가정용 스팀 오븐에서 사용됩니다.

진공 증기

주로 뜨거운 물이 쓰이는 100 ℃ 이하의 가열 과정에서 증기의 활용은 최근 몇 년 사이 급격히 늘었습니다.

진공 포화 증기를 양압 포화 증기와 동일한 방식으로 활용하면, 압력 조절만으로 증기의 온도를 신속하게 제어할 수 있어 뜨거운 물 가열과 달리 정밀한 온도 제어가 가능합니다. 다만 압력만 낮춰서는 대기압 이하로 떨어뜨릴 수 없으므로, 가열 장비와 함께 진공 펌프를 병행해야 합니다.

온수 가열 시스템과 비교하면, 이 시스템은 더욱 빠르고 균일하게 가열됩니다. 설정 온도까지 온도 변동 없이 신속하게 도달합니다.

증기는 증기 터빈과 같은 장치에서 구동력을 얻는 데 주로 활용됩니다. 증기 터빈은 화력 발전소의 발전 과정에서 핵심적인 역할을 담당합니다. 효율 향상을 위해 고압・고온 증기를 사용하는 방향으로 공정이 발전해 왔으며, 일부 화력 발전소에서는 25 MPa abs, 610 ℃의 과열 초임계압 증기를 터빈에 적용하고 있습니다.

과열 증기는 응축수 유입으로 인한 장비 손상을 막기 위해 증기 터빈에 활용됩니다. 하지만 일부 원자력 발전소는 터빈 장치에 사용되는 재질의 한계로 인해 고온의 과열 증기를 사용할 수 없어, 대신 고압 포화 증기를 채택합니다. 포화 증기를 사용할 때는 응축수를 제거하기 위해 공급 배관에 세퍼레이터를 설치합니다. 발전 이외에도 대표적인 추진・가동 사례로는 터빈 구동 컴프레서, 펌프, 가스 컴프레서, 쿨링 타워 펌프 등이 있습니다.

증기의 구동력은 핀을 돌려 발전기의 회전자를 회전시키며, 이 과정에서 전기가 발생합니다.

증기는 배관 내에서 액체와 가스 흐름을 직접 이동시키는 "구동" 힘으로 활용될 수 있습니다. 스팀 제트 이젝터는 증류 타워와 같은 공정 장비에서 진공을 형성해 프로세스 가스를 분리・정제하는데 쓰입니다. 또한 진공 터빈에서 원하는 진공 상태를 유지하기 위해 표면 응축기(Surface Condenser)에서 공기를 지속적으로 제거하는 데 사용됩니다.

고압 구동 증기는 입구 노즐을 통해 이젝터로 유입된 후 확산됩니다. 이 과정에서 표면 응축기(Surface Condenser)에서 공기를 흡입해 저압 영역을 만들어냅니다.

리시버 탱크, 플래시 배셀, 또는 스톨 조건이 발생하는 증기 장치와 같은 유사한 응용 분야에서는 응축수를 압송하기 위해 구동용 증기가 활용됩니다.

분무용 증기(Steam Atomization)는 증기를 이용해 유체를 미세하게 분리・분사하는 공정입니다. 예를 들어 일부 버너에서는 연소 효율을 높이고 그을음 같은 탄화수소 생성을 최소화하기 위해 연료에 증기를 분사합니다. 연료유를 사용하는 증기 보일러와 발전기는 이 방식을 통해 점성이 큰 기름을 작은 방울로 분해하여 안정적이고 효율적인 연소를 달성합니다. 또한 플레어 시스템에서도 배기 가스의 오염 물질을 줄이기 위해 Steam Atomization이 널리 활용됩니다.

플레어에서는 증기가 일반적으로 연소 전에 폐가스와 섞여 사용됩니다.

증기는 다양한 표면을 세척하기 위해 활용됩니다. 대표적인 산업 현장의 사례로는 수트 플로워가 있습니다. 석유나 석탄을 연료로 사용하는 보일러는 용량과 효율, 신뢰성을 유지하기 위해 노벽을 정기적으로 청소하고, 대류 표면에 쌓인 연소 침전물을 제거하기 위해 수트 블로워를 장착해야 합니다.

수트 블로워 노즐에서 분사된 증기는 건조하거나 응착된 재와 슬래그를 제거해 호퍼로 떨어뜨리거나 연소 가스 흐름에 실어 보냅니다.

증기는 열을 공급하는 동시에 공정에 수분을 더하는 역할을 하기도 합니다. 예를 들어 종이 생산 과정에서는 종이가 롤 위를 고속으로 이동할 때 미세한 파손이나 찢어짐을 방지하기 위해 적절한 습도를 유지합니다. 또 다른 사례로 펠릿 밀에서는, 동물 사료를 알갱이 형태로 생산하는 분쇄기의 컨디셔너 구간에서 증기를 직접 분사해 가열과 함께 추가적인 수분을 제공합니다.

사료에 증기를 통한 보습을 가하면 사료가 부드러워지고, 성분 중 전분이 부분적으로 젤라틴화되어 더 단단한 펠릿 형태로 만들어 집니다.

대규모 상업 및 산업 시설, 특히 추운 지역에서는 실내 난방의 주요 열원으로 저압 포화 증기를 활용합니다. 일반적으로 증기 가습기와 결합된 HVAC코일은 실내 쾌적성 유지, 도서 및 기록물 보존, 감염 관리에 사용됩니다. 스팁 코일로 차가운 공기를 가열하면 상대 습도가 낮아지므로, 하류에서 건조 포화 증기를 분사해 정상 습도로 조정해야 합니다.

건물 내 다른 공간으로 공기가 전달되기 전에, 덕트 내부에서 증기를 이용해 공기를 가습합니다.