상용 순환 유동층 연소로 전열관 마모 속도

김태우1, 문영섭1, 최정후*1, 선도원2, 정봉진3, 김수섭4, 한기홍5, 우형관6, 서영태7

건국대학교 화학공학과1, 한국에너지기술연구원2, 수원대학교 환경공학과3, SK 화학(주)4, LG 화학(주)5, 부산염색(협)6, 두산중공업(주)7

choijhoo@konkuk.ac.kr

Erosion rate of Water Wall Tubes in Commercial Circulating Fluidized Bed Combustor

Tae-Woo Kim1, Young-Sub Moon1, Jeong-Hoo Choi1, Do-Won Shun2, Bong-Jin Jung3, Soo-Sup Kim4, Gi-Hong Han5, Hyeong-Kwan Woo6 and Yeong-Tae Seo7

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

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

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

4SK Chemical Co., 5LG Chemical Co., 6Pusan Dyeing Co., 7Doosan Heavy Ind.

choijhoo@konkuk.ac.kr

서론

순환 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 전열관의 수명이 짧아지고 이의 보수 및 유지 관리에 어려움을 겪는 단점이 있다. 마모에 대한 대책은 정기적 점검과 발견 후 수리 및 교체 수준에 머물고 있다. 연소로 기술 측면에서 마모 발생 특성에 대한 체계적인 규명과 대응책에 대한 연구는 없는 실정이다. 따라서 전열관 마모에 대한 체계적인 연구를 통한 마모 특성에 대한 종합적인 이해가 절실하다. 또한 더 안정적인 조업 조건의 도출과 적절한 조치에 의한 유지 및 보수 상의 경제적 비용의 축소, 장치 수명의 연장, 경제성의 제고가 요구되는 연구이다.

전열관 마모속도

본 연구에서 고려한 S사 순환 유동층 연소로와 전열관의 규격에 대한 자세한 내용은 김 등[1]의 보고에 자세히 나타나 있다. 전열관 마모 속도를 결정하기 위해 다년간 측정된 전열관 두께 자료와 각 연도별 가동 일수로부터 전열관의 마모 속도를 결정하였다.  Fig.1부터 Fig. 4는 S사 순환 유동층 연소로 네 벽면에 설치된 전열관의 마모 속도를 기준 높이로부터 높이방향과 전열관 번호에 따른 수평방향의 위치에 따라 3차원으로 나타내어 전열벽의 위치에 따른 마모 속도의 분포를 나타내었다. 전면(북측벽)의 마모 속도(Fig. 1)는 주로 측정 높이가 15m 이하에서 크게 나타나고 있으며, 측정 높이가 증가함에 따라 마모 속도의 값은 감소하다가 높은 측정 높이에서 다소 증가하는 경향을 나타내고 있다. Fig. 2, 3, 4는 각각 좌(동)측벽, 후면(남측벽), 우(서)측벽의 전열관 마모 속도를 나타낸다. 좌(동)측벽, 후면(남측벽), 우(서)측벽의 마모 속도 분포는 전면(북측벽)의 마모 속도 분포와 유사하게 낮은 측정 높이에서는 큰 마모 속도 분포를 나타내다가 측정 높이가 증가하면 마모 속도는 감소하지만 높은 측정 높이에서는 마모 속도가 다소 증가하는 경향을 나타내었다. 마모 속도의 분포는 전열관의 두께 분포(마모 지도)와 연계하여 설명될 수 있었다. 즉, 전열관 마모 지도에서 전열관 두께가 얇게 형성되는 연소로의 하부의 전열관 마모 속도가 가장 큰 값을 가지는 분포를 나타내었다. 측정 높이가 낮은 곳에서 가장 높게 분포되어 있으며, 측정 높이가 증가함에 따라 마모 속도는 감소하는 분포를 나타내었다.

Fig. 1 Erosion rate of North wall.

Fig. 2 Erosion rate of East wall.

Fig. 3 Erosion rate of South wall.

Fig. 4 Erosion rate of West wall.

한편, 순환 유동층 연소로에서 마모에 의해 문제가 발생되어 운전 정지 및 보수, 수리를 하게 되는 경우는 가장 극심하게 마모된 부위에 문제가 발생한 경우이다. 따라서 전열관의 마모 속도는 연소로의 유지 관리 측면에서 볼 때 가장 빠른 마모 속도를 기준으로 예측하는 것이 타당한 것으로 사료되었다. 따라서 본 연구에서는 각각의 측정 높이에서 여러 개의 전열관 중 마모 속도 값이 가장 큰 값을 해당 측정 높이에서의 최대 마모 속도로 결정하였다. Fig. 5부터 Fig. 8은 본 연구에서 결정된 최대 마모 속도를 각 벽면별로 나타낸 그림이다. 기준 높이로부터 7m까지는 극심한 마모 때문에 주기적으로 코팅제로 보수되어 정확한 마모 속도를 결정할 수 없었으므로, 기준 높이로부터 7m 이하의 높이에서 측정된 자료는 전열관 마모 속도 고려 대상에서 제외하였다. Fig. 5는 전면(북측벽)에서 각 측정 높이에서 결정된 최대 마모 속도를 나타내고 있다. 최대 마모 속도의 경향은 마모 속도 분포에서 유추될 수 있는 경향과 유사하였다. 즉, 전열관 마모 속도는 전열관 마모 속도 분포의 값이 가장 크게 나타나는 연소로의 하부에서 최대 마모 속도 역시 가장 빠르게 나타났다. Fig. 6, Fig. 7과 Fig. 8은 각각 연소로의 좌(동)측벽, 후면(남측벽), 우(서)측벽을 나타낸다. 약간의 편차가 있지만 큰 경향은 위의 설명과 같이 낮은 측정 높이에서 최대 마모 속도가 가장 큰 값을 가지며, 최대 마모 속도 값은 점차 감소하다가 높은 측정 높이에서 다소 증가하는 경향을 나타내었다.

Fig. 5 Maximum erosion rate of

north wall.

Fig, 6 Maximum erosion rate of

east wall.

Fig. 7 Maximum erosion rate of

south-wall.

Fig. 8 Maximum erosion rate of

west-wall.

Fig. 9는 전면(북측벽)에 설치된 wing wall의 최대 마모 속도를 나타낸다. 각 wing wall의 최대 마모 속도 분포는 각 벽면의 최대 마모 속도 분포와 유사한 경향을 나타내었다. 그러나 각 wing wall의 최대 마모 속도의 값 중에서 전면(북측벽)의 중앙에 위치하고 있는 두 번째와 세 번째 wing wall의 최대 마모 속도 값이 다소 크게 나타나고 있는 점이 주목할 만하다. 이것은 기체 속도가 양 측벽에 가까운 단면에서 보다는 중앙에서 더 빠르기 때문인 것으로 사료되었다.

Fig. 10과 Fig. 11은 Table 1과 같이 연소로를 전면과 후면은 5구역, 좌측면과 우측면은 3구역으로 나누어 마주보는 구역끼리 최대 마모 속도를 비교한 그림을 나타낸다. 그림에서 나타내는 것과 같이 마주보는 벽에서 전열관의 최대 마모 속도는 서로 유사한 경향을 나타내었다.

Table 1 Definition of sections

전면(북측벽)		후면(남측벽)
구역	전열관 번호	구역	전열관 번호
#N1	#1 ∼ #13	#S1	#304 ∼ #316
#N2	#24 ∼ #49	#S2	#217 ∼ #302
#N3	#60 ∼ #89	#S3	#246 ∼ #275
#N4	#100 ∼ #125	#S4	#219 ∼ #244
#N5	#136 ∼ #148	#S5	#205 ∼ #217
동측벽		서측벽
구역	전열관 번호	구역	전열관 번호
#E1	#149 ∼ #166	#W1	#355 ∼ #372
#E2	#167 ∼ #186	#W2	#335 ∼ #354
#E3	#187 ∼ #204	#W3	#317 ∼ #334

Fig. 9 Maximum erosion rate of wing walls.

Fig. 11 Maximum erosion rate

in section E1 and W1.

Fig. 10 Maximum erosion rate

in section N1 and S1.

결론

상용 순환 유동층 연소로 전열관 두께 자료로부터 전열관 마모 속도를 결정하였다. 결정된 마모 속도는 낮은 측정 높이에서는 높은 마모 속도를 나타내었으며, 마모 속도는 점차 감소하다가 높은 측정 위치에서 다소 증가하는 경향을 나타내었다. Wing wall의 마모 속도는 단면의 중앙에 위치하고 있는 wing wall의 마모속도가 양 측벽에 위치한 wing wall의 마모 속도보다 다소 크게 나타났다. 이는 단면의 중앙에서 기체 속도가 가장자리의 단면에서 보다 더 빠르기 때문으로 사료되었다.

참고 문헌

1. Kim, T. W., Moon Y. S., Choi, J. H., Shun, D. W., Jung, B. J., Kim, S. S., Han, K. H., Woo, H. K. and Seo, Y. T., Theories and applications of Chem. Eng., 8(1) p.1009 (2002).

2. Choi, J. H., Kim, T. W. and Moon, Y. S., Research Report, Konkuk University, (2001).