순환 유동층 연소로에서 전열관 마모 현상

김태우1), 문영섭1), 최정후1), 선도원2), 정봉진3), 김수섭4), 한기홍5), 우형관6), 서영태7)

1)건국대학교 화학공학과, 2)한국에너지기술연구원,3)수원대학교 환경공학과,

4)SKC(주), 5)LG화학(주), 6)부산경남염색(협), 7)두산중공업(주)

Tube Erosion in a Circulating Fluidized Bed Combustor

1)Tae-Woo Kim, 1)Young-Sub Moon, 1)Jeong-Hoo Choi, 2)Do-Won Shun, 3)Bongjin Jung, 4)Soo-Sup Kim, 5)Gi-Hong Han, 6)Hyeong-Kwan Woo, and 7)Yeong-Tae Seo

1)Department of Chemical Engineering, Konkuk University, Seoul 143-701

2)Korea Institute of Energy Research, Taejeon 305-343

3)Department of Environmental Engineering, Suwon University, Suwon 445-743

4)SKC Co., 5)LG Chemistry Co., 6)Pusan Dyeing Co., 7)Doosan Heavy Ind.

서론

유동층 연소로에서는 고체 입자의 격렬한 운동으로 전열 효과를 극대화 할 수 있는 장점이 있다. 반면에 층 내 전열관과 유동 매체의 충돌로 인하여 전열관에 마모가 발생하여 전열면의 수명이 짧아지고 이의 보수 및 유지 관리에 어려움을 겪는 단점이 있다. 순환 유동층 연소로에서 로 내 전열관 마모 완화 기술은 보일러의 운영에 있어서 아직도 더 개선되어야 할 중요한 기술이며, 계속적인 연구에 따른 장치 수명의 연장과 더 안정적인 조업 조건의 도출이 요구되는 분야이다. 본 연구에서는 기존에 보고된 전열관 마모에 대한 고찰과 더불어 실증적으로 국내 S사 순환 유동층 보일러 내 전열관 두께 자료에 대한 분석을 통해 전열관 마모에 대한 정성적인 이해를 돕고자 하였다.

전열관 마모에 영향 인자

순환 유동층 연소로 내 전열관 마모는 여러 가지 원인에 의해 복합적으로 발생되는 현상이다. 전열관 마모에 관련된 변수들의 영향에 대한 기존의 보고를 요약하면 다음과 같다.

1) 유속의 영향

Seitizinger[1]의 보고에 의하면 마모 증가의 원인은 운전 조건 변화와 기체 흐름 분배에 기인하여 기체 유속이 증가했기 때문이라고 보고하였다. 또 유속이 증가하면 유동층 내의 유동화 형태가 변화하게 되어 마모 속도를 증가시키는 것으로 보고하였다. Zhao 등[2]은 가압 유동층 실험 장치에서 전열관 마모에 미치는 유동화 수(fluidization number)의 영향을 고찰하였는데, 유동화 수가 증가함에 따라 마모율이 증가하다가 일정한 유동화 수에서 최대 값을 보인 후 감소하는 것으로 보고하였다.

2) 입경의 영향

입경이 증가하면 마모 속도가 증가하는데 이는 입경이 증가하면 입자의 관성력(inertia force)이 증가하여 운동량이 유지된 채로 전열관에 충돌하게 되고 또 충돌 효율이 증가하기 때문이다[3]. 입자의 밀도가 증가하는 경우에도 입경이 증가하는 경우와 유사한 효과를 기대할 수 있다.

3) 입자 형상의 영향

입자의 구형도가 작아지면(angular) 마모 속도가 증가되는 것으로 보고되었다[4].  또 Ninham 등[5]의 보고에 따르면 새 층 물질을 사용하는 것이 기존에 사용되던 층 물질을 사용하는 것보다 더 큰 마모성을 나타내며, 층 물질의 교환 주기가 긴 것이 마모를 줄이는데 효과적이다.

4) 입자조성의 영향

Lindsley 등[4]은 전열관 마모에 영향을 주는 고체 성분으로 (Si+Al)와 (Ca+S)의 영향을 보고하였다. 입자 조성에 (Si+Al)이 많으면 마모성이 증가되며, 반면에 (Ca+S)가 많으면 마모성이 감소되었다. 입자 내부에 (Si+Al)이 분포하고, 표면에 (Ca+S)가 분포하면 마모성이 감소되는데, 이는 (Ca+S) 성분이 많고 입자표면에 분포하게 되면 전열관 표면에 (Ca+S)의 침적물이 형성되고, 이의 완충역할로 인해 전열관의 마모 속도가 감소되는 것으로 보고하였다.

5) 석탄 중 Cl 함량의 영향

석탄중의 Cl 함량은 채탄 깊이가 증가함에 따라 증가하는 것으로 보고되었으며, 대부분의 Cl은 석탄중의 유기물에 포함되어 있어서 가열하면 HCl의 형태로 증발되는 것으로 보고되었다[6].  Hou 등[6]은 전열관 마모에 대한 Cl의 영향에 관한 실험에서 HCl의 농도가 증가하면 마모율이 지수적으로 증가하는 것으로 보고하였다. 반면에 Sethi 등[7]은 그들의 보고에서 염소 함량이 큰 석탄을 사용하는 경우에 전열관의 마모가 50%까지 증가될 수 있음을 확인하였고, 이는 미분탄 연소에서 얻어진 결과와 유사하였으나, 마모 속도의 증가가 반드시 석탄 내 Cl 함량의 증가 때문만으로 볼 수 없다고 보고하였다.

전열관 마모 결과 및 고찰

Fig. 1은 S사 순환 유동층 보일러의 연소로 개략도와 함께 수관벽(water wall) 전열관 배치를 나타내고 있다. 전열관은 북측벽의 좌편끝 전열관부터 번호를 매겨 동측→남측→서측 방향으로 번호가 부여되어 있다. 튜브의 사양은 Table 1에 요약되어 있다. 연소로 하부의 tapered section은 내화물(castable)로 내장되어 있고, 내화물 상부 끝 이상의 높이는 모두 노출된 전열벽이다. 북측벽에는 9개의 전열관으로 구성된 wing wall이 4개가 있고, 하부 내화물 벽에는 4개의 석탄 주입구가 설치되어 있다. 남측벽 상부에는 사이클론으로 나가는 기체출구가 2개 있고, 하부에는 사이클론에서 포집된 입자의 재순환 주입구가 4개 있다.

Fig. 2부터 9까지는 1998년과 2000년에 측정된 전열관의 두께 분포를 각 면에 따라 나타내고 있다. Fig. 2와 Fig. 3에서는 연소로 북측벽의 전열관 두께 분포를 나타내고 있는데, 측정 높이 10∼15 m 근처에서 두께가 상대적으로 얇은 부분이 형성되어 있으며 하부의 두께가 상부에 비해 얇게 나타났다.  Fig. 4와 Fig. 5는 연소로의 동측벽을 나타내고 있다.  북측벽과 유사하게 측정높이 10∼15 m 근처에서 상대적으로 얇은 부분이 형성되고 있으며, 하부의 두께가 더 얇은 것으로 나타났다. Fig. 6과 Fig. 7은 연소로의 남측벽 전열관을 나타내고 있다. 남측벽 역시 북측벽, 동측벽과 유사하게 하부의 두께가 상대적으로 얇게 나타났고, 다른 벽들과는 달리 양쪽 하부 모서리가 더 얇은 경향을 보였다. Fig. 8과 Fig. 9는 연소로의 서측벽 전열관을 나타내고 있다. 측정높이 약 15 m 근처에서 상대적으로 얇은 부분이 형성되어 있으며, 북측벽, 동측벽, 남측벽과 유사하게 하부의 두께가 상대적으로 얇게 형성되어 있음을 알 수 있었다.

전열관의 두께가 얇은 것은 전열관이 크게 마모되었음을 나타낸다. 전열관 하부에 마모가 심한 것은 유동층의 splash 영역이 이 부근에 형성되기 때문으로 사료된다. 남측벽의 하부 양 모서리 부분에서 마모가 심한 것은 사이클론 출구와 재순환 고체 유입구의 영향으로 사료된다.

결론

순환 유동층 연소로 내 수관벽에서 전열관의 마모는 splash 영역이 형성되는 부분에서 가중되는 것으로 나타났다. 사이클론으로 나가는 기체출구와 사이클론에서 포집된 입자의 재순환 주입구가 설치된 수관벽에서는 기체출구가 설치된 양 모서리의 하부에서 전열관 마모가 가중됨을 보였다.

참고문헌

1. Seitizinger, D. L.: Proc. of the 13th Int. Conf. on FBC, 585(1995).

2. Zhao, C., Chang Z., Jin, H. and Zhang, L.: Proc. of the 16th Int. Conf. on FBC, FBC01-0181(2001).

3. Rogers, W. A. and Boyle, E. J.:Proc. of the 12th Int. Conf. on FBC, 811(1993).

4. Lindsley, B. A., Marder, A. R. and Lewnard, J. J.: Proc. of the 12th Int. Conf. on FBC, 803(1993).

5. Ninham, A. J., Entwisle, M. J., Hutchings, I. M. and Little, J. A.: Proc. of the 10th Int. Conf. on FBC, 583(1989).

6. Hou, P. Y., Sum, J. T., Niu, Y. and Stringer, J.: Proc. of the 15th Int. Conf. on FBC, paper No, FBC 99-0137 (1999)

7. Sethi, V. K., Barber, S. A., Sherman, S. K., Gonzalez, R. A., Puentes, E. and Stencel, J. M.: Proc. of the 10th Int. Conf. on FBC, 563(1989)

감사

Table 1. Tube specifications

Type	Membrane wall
Tube O.D	63.5mm
Thickness	6.1mm
Material	A210A1
Tube pitch	88mm
Total tube number	372 EA
Wing wall	4set (each set has 9 tubes)

본 연구는 청정에너지기술개발사업의 일환으로 수행되었습니다.  연구비 지원에 감사드립니다.

Fig. 1. Water wall.

Fig. 2. North wall('1998).

Fig. 3. North wall('2000).

Fig. 4. East wall('1998).

Fig. 5. East wall('2000).

Fig. 6. South wall('1998).

Fig. 7. South wall('2000).

Fig. 8. West wall('1998).

Fig. 9. West wall('2000).