액상 중유 연료를 사용하는 고용량 증기 보일러에서 발생되어 연소기기 내부에 침적되는 슈트, 슬래그, 크랭커, 회분, 산화물의 on-line 세정을 위한 세정제 제조에 대한 연구를 수행하였다. 액상 중유 연료를 사용하는 보일러 및 가열로에 생성되는 슈트, 슬래그, 크랭커, 회분, 산화물을 제거하는 기존 기술은 보일러 및 가열로의 가동 중단 후 작업자들에 의한 기계적인 처리를 통하여 침적물을 제거하는 기술을 사용하고 있다. 기존 기술을 대치할 수 있고 보일러의 중단이 없는 상태에서 침적물을 세정할 수 있는 세정제의 최적 조성을 도출하였다. 질산암모늄과 질산마그네슘의 혼합물이 주 세정제로 도출되었으며, 각종 전이금속 화합물에 의한 영향을 영향을 연구하여, 세정에 의한 부식을 방지할 수 있으며, 연소효율의 증대를 얻을 수 있는 전이금속화합불 첨가제를 도출하였다.
액상 중유 연료를 사용하는 고용량 증기 보일러에서 발생되어 연소기기 내부에 침적되는 슈트, 슬래그, 크랭커, 회분, 산화물의 on-line 세정을 위한 세정제 제조에 대한 연구를 수행하였다. 액상 중유 연료를 사용하는 보일러 및 가열로에 생성되는 슈트, 슬래그, 크랭커, 회분, 산화물을 제거하는 기존 기술은 보일러 및 가열로의 가동 중단 후 작업자들에 의한 기계적인 처리를 통하여 침적물을 제거하는 기술을 사용하고 있다. 기존 기술을 대치할 수 있고 보일러의 중단이 없는 상태에서 침적물을 세정할 수 있는 세정제의 최적 조성을 도출하였다. 질산암모늄과 질산마그네슘의 혼합물이 주 세정제로 도출되었으며, 각종 전이금속 화합물에 의한 영향을 영향을 연구하여, 세정에 의한 부식을 방지할 수 있으며, 연소효율의 증대를 얻을 수 있는 전이금속화합불 첨가제를 도출하였다.
An Experimental study of cleaning solution has been performed on a high capacity steam boiler burning heavy fuel oil to on-line cleaning of deposit. The deposit is mixture of soot, slag, ash, metal oxide and clinker. The traditional technology of deposit cleaning was carried hand-crafted. The conven...
An Experimental study of cleaning solution has been performed on a high capacity steam boiler burning heavy fuel oil to on-line cleaning of deposit. The deposit is mixture of soot, slag, ash, metal oxide and clinker. The traditional technology of deposit cleaning was carried hand-crafted. The conventional technology of boiler cleaning method is mechanical removal by the worker while the boiler shut down operation. In this experiment, the deposit of mixture of soot, slag, ash, metal oxide and clinker has been removed by the cleaning agents without shut down of boiler burning. This study found out the optimum cleaning solution composition. The best results have been obtained when the mixture of ammonium nitrate and $MgNO_3$ were used in cleaning solution. The various transition metal effect was investigated for optimum mixing condition. In this research, the metal compound additive of the clean solution compoition was obtained. The combustion efficiency was improved by on-line cleaning with derived clean solution compoition. On-line cleaning method prevents the fouling and corrosion in the boiler and heat exchanger.
An Experimental study of cleaning solution has been performed on a high capacity steam boiler burning heavy fuel oil to on-line cleaning of deposit. The deposit is mixture of soot, slag, ash, metal oxide and clinker. The traditional technology of deposit cleaning was carried hand-crafted. The conventional technology of boiler cleaning method is mechanical removal by the worker while the boiler shut down operation. In this experiment, the deposit of mixture of soot, slag, ash, metal oxide and clinker has been removed by the cleaning agents without shut down of boiler burning. This study found out the optimum cleaning solution composition. The best results have been obtained when the mixture of ammonium nitrate and $MgNO_3$ were used in cleaning solution. The various transition metal effect was investigated for optimum mixing condition. In this research, the metal compound additive of the clean solution compoition was obtained. The combustion efficiency was improved by on-line cleaning with derived clean solution compoition. On-line cleaning method prevents the fouling and corrosion in the boiler and heat exchanger.
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문제 정의
본 연구에서는 이러한 문제점을 해결하기 위하여 화학 세정제에 의하여 연소로 및 가열로의 중단 없이 on-line으로 세정 작업을 수행 할 수 있는 세정제의 조성에 대하여 연구를 수행하였다. 가열로 및 보일러에 침적되어 연소효율을 감소시키는 슈트, 슬래그, 크랭커, 회분, 산화물 등을 제거할 수 있는 화학세정제의 최적 조성에 대한 연구를 수행하였으며, 이때 세정효과와 더불어 대기오염을 최소화할 수 있는 조성에 대한 연구를 수행하였다.
본 연구에서는 이러한 문제점을 해결하기 위하여 화학 세정제에 의하여 연소로 및 가열로의 중단 없이 on-line으로 세정 작업을 수행 할 수 있는 세정제의 조성에 대하여 연구를 수행하였다. 가열로 및 보일러에 침적되어 연소효율을 감소시키는 슈트, 슬래그, 크랭커, 회분, 산화물 등을 제거할 수 있는 화학세정제의 최적 조성에 대한 연구를 수행하였으며, 이때 세정효과와 더불어 대기오염을 최소화할 수 있는 조성에 대한 연구를 수행하였다.
에너지 이용 효율성 증대는 화석연료를 사용하는 공정의 이산화탄소 발생을 감소시키므로써 화석 연료 사용을 줄이고 공정운전 비용 절감을 이룰 수 있다. 본 연구에서는 정유 및 석유화학공정을 비롯한 다양한 공정에서 사용되는 가열로 및 보일러의 내부에 침적되는 슈트, 슬래그, 크랭커, 회분, 산화물 등을 제거하므로써 보일러의 효율을 증진시킬 수 있는 방안을 연구하였다 [3,4]. 액상 화석연료를 사용하는 보일러의 경우 연료에 함유된 바나듐, 나트륨, 칼륨, 황 등에 의하여 슈트, 슬래그, 회분, 코크 등이 침적되어 열교환기에 막을 형성하여 연소효율을 감소시키고 황에 의하여 형성되는 Na2SO4, K2SO4 등은 매우 부식성이 높은 화합물로써 보일러 및 열교환기의 수명을 단축시킨다[5,6].
제안 방법
침적물의 두께가 1/64 inch인 경우 5%정도의 효율의 감소를 나타내며, 3/8 inch에서 약 50%의 효율의 감소가 나타난다. 따라서 세정 효과에 의한 열전달의 상승을 가열로내 온도, 대류부 온도, 배출구 온도를 측정하여 나타내었다. 가열로내의 온도는 세정제의 주입 후 5시간 이후 온도의 감소효과가 나타나기 시작하였으며, 가열로내의 온도가 급격히 감소함을 알 수 있었다.
특히 바나듐과 나트륨에 의하여 형성되는 NaVO3, Na3O3V2O5는 480℃의 낮은 녹는점을 지니고 있으므로 보일러내에서 액상의 막을 형성하고 형성된 막에 슈트, 슬래그, 회분, 코크 등이 침적되어 열교환기 효율을 저하시킨다[7]. 따라서 이러한 오염물질을 제거하는 기술로는 보일러 또는 가열로의 조 업을 중단하고 보일러 내부에 작업자가 기계적인 방법으로 침적물을 제거하는 방법을 사용하였다. 이러한 방법의 사용은 많은 문제점을 안고 있다.
그림 2에 입체적인 형상을 나타내었으며, 그림 3에 배면도를 나타내었다. 보일러에서 세정실험용 노즐의 설치위치는 보일러 및 가열로의 개조 없이 연소상태를 관찰하기 위하여 설치된 관찰구를 이용하여 노즐을 설치하여 방사하였다. 연소효율에 가장 큰 영향을 나타내는 열 교환기에 사가이 없이 분사되도록 측면과 하부에서 분사가 이루어질 수 있도록 설치하여 분사하였다.
보일러에서 세정실험용 노즐의 설치위치는 보일러 및 가열로의 개조 없이 연소상태를 관찰하기 위하여 설치된 관찰구를 이용하여 노즐을 설치하여 방사하였다. 연소효율에 가장 큰 영향을 나타내는 열 교환기에 사가이 없이 분사되도록 측면과 하부에서 분사가 이루어질 수 있도록 설치하여 분사하였다.
이러한 상태에서 본 연구의 세정제의 분사방법은 세정 효과에 영향을 미치게 되므로 세정제의 분사 노즐의 설치와 분사방향은 그림 2, 3에 나타난 바와 같이 수행하였다. 그림 2에 입체적인 형상을 나타내었으며, 그림 3에 배면도를 나타내었다.
대상 데이터
표 3은 본 연구에서 사용된 on-line 세정제의 조성을 나타내었다. 본 세정제의 대부분의 성분은 물이며, 물을 사용하여 용액 상태로 제조하였다. 세정제 조성 중 물을 제외하고 가장 많은 양이 포함된 것은 질산암모늄으로써 질산암모늄은 연소가스 중에 포함된 황산화물과 황합합물을 중화시키는 작용을 하여 노 내의 분위기를 산성에서 중성으로 전환시킨다.
본 연구에서 사용된 세정제는 주성분은 암모늄계를 이용하였으며, 보조성분으로써 바나듐과 반응 고화시킬 수 있는 알카리 금속 및 슈트의 연소를 발생시킬 수 있는 전이금속계열 및 암모늄의 사용에 의하여 발생되는 질소화합물을 처리할 수 있는 우레아를 사용하였으며, 자세한 성분과 조성은 결과 및 고찰에 나타내었다.
성능/효과
따라서 세정 효과에 의한 열전달의 상승을 가열로내 온도, 대류부 온도, 배출구 온도를 측정하여 나타내었다. 가열로내의 온도는 세정제의 주입 후 5시간 이후 온도의 감소효과가 나타나기 시작하였으며, 가열로내의 온도가 급격히 감소함을 알 수 있었다. 즉, 가열로 내에 설치된 열교환기 표면의 침적물이 제거되어 열교환 효율이 상승되고 가열로 내의 온도가 급격히 감소함을 알 수 있었다.
본 세정법에 의한 에너지 절감 효과를 표 4에 나타내었다. 따라서 본 기술을 기존의 가열로와 보일러의 적용 시 녹색기술의 실현을 얻을 수 있음을 알 수 있었다.
또한 슈트를 연소시킬 수 있는 전이금속계열 촉매 성분과 우레아의 혼합 사용에 의하여 가열로 내부에 침적된 침적물의 제거 및 질소산화물의 발생을 억제할 수 있었다. 따라서 본 연구 조성의 세정제를 사용하여 연소과정 중 on-line으로 가열로의 세정을 이룰 수 있음을 알 수 있었으며, 세정제 주입 후 20시간 이내에 완전한 세정을 이룰 수 있었다.
이러한 경향은 스텍 온도의 두 번째 감소폭이 크게 나타나는 것으로 설명된다. 따라서 세정제의 주입 후 20시간 이내에 대류영역까지의 세정이 이루어짐을 알 수 있었다. 또한 알카리 금속과 전이금속이 표면에 존재하므로써 세정 후 새로운 침적물 침적속도를 감소시킬 수 있었다.
즉, 가열로 내에 설치된 열교환기 표면의 침적물이 제거되어 열교환 효율이 상승되고 가열로 내의 온도가 급격히 감소함을 알 수 있었다. 또한 대류영역애서는 가열로내의 온도 감소와 다른 형태의 온도의 감소가 일어남을 알 수 있었다. 이는 가열로 온도가 감소되어 대류영역 유입가스 온도 감소와 대류영역에서도 세정이 일어나므로 열전달율이 상승하여 온도 감소로 나타는 것으로 사료된다.
마그네슘화합물을 보조제로 첨가하여 가열로 내부 표면에 액상으로 존재하는 바나듐과 반응하여 생성된 바나듐 화합물의 녹는점을 상승시켜 고상화 제거시킬 수 있었다. 또한 슈트를 연소시킬 수 있는 전이금속계열 촉매 성분과 우레아의 혼합 사용에 의하여 가열로 내부에 침적된 침적물의 제거 및 질소산화물의 발생을 억제할 수 있었다. 따라서 본 연구 조성의 세정제를 사용하여 연소과정 중 on-line으로 가열로의 세정을 이룰 수 있음을 알 수 있었으며, 세정제 주입 후 20시간 이내에 완전한 세정을 이룰 수 있었다.
가열로내의 온도는 세정제의 주입 후 5시간 이후 온도의 감소효과가 나타나기 시작하였으며, 가열로내의 온도가 급격히 감소함을 알 수 있었다. 즉, 가열로 내에 설치된 열교환기 표면의 침적물이 제거되어 열교환 효율이 상승되고 가열로 내의 온도가 급격히 감소함을 알 수 있었다. 또한 대류영역애서는 가열로내의 온도 감소와 다른 형태의 온도의 감소가 일어남을 알 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
액상 화석연료를 사용하는 보일러는 어떤 단점이 있는가?
본 연구에서는 정유 및 석유화학공정을 비롯한 다양한 공정에서 사용되는 가열로 및 보일러의 내부에 침적되는 슈트, 슬래그, 크랭커, 회분, 산화물 등을 제거하므로써 보일러의 효율을 증진시킬 수 있는 방안을 연구하였다 [3,4]. 액상 화석연료를 사용하는 보일러의 경우 연료에 함유된 바나듐, 나트륨, 칼륨, 황 등에 의하여 슈트, 슬래그, 회분, 코크 등이 침적되어 열교환기에 막을 형성하여 연소효율을 감소시키고 황에 의하여 형성되는 Na2SO4, K2SO4 등은 매우 부식성이 높은 화합물로써 보일러 및 열교환기의 수명을 단축시킨다[5,6]. 특히 바나듐과 나트륨에 의하여 형성되는 NaVO3, Na3O3V2O5는 480℃의 낮은 녹는점을 지니고 있으므로 보일러내에서 액상의 막을 형성하고 형성된 막에 슈트, 슬래그, 회분, 코크 등이 침적되어 열교환기 효율을 저하시킨다[7]. 따라서 이러한 오염물질을 제거하는 기술로는 보일러 또는 가열로의 조 업을 중단하고 보일러 내부에 작업자가 기계적인 방법으로 침적물을 제거하는 방법을 사용하였다.
에너지 이용 효율성 증대의 장점은?
최근 온실가스에 의한 기후 변화에 대응하기 위하여 에너지의 효율적 사용에 대한 연구개발이 활발히 진행되고 있다[1,2]. 에너지 이용 효율성 증대는 화석연료를 사용하는 공정의 이산화탄소 발생을 감소시키므로써 화석 연료 사용을 줄이고 공정운전 비용 절감을 이룰 수 있다. 본 연구에서는 정유 및 석유화학공정을 비롯한 다양한 공정에서 사용되는 가열로 및 보일러의 내부에 침적되는 슈트, 슬래그, 크랭커, 회분, 산화물 등을 제거하므로써 보일러의 효율을 증진시킬 수 있는 방안을 연구하였다 [3,4].
보일러 내부에 작업자가 기계적인 방법으로 침적물을 제거하는 방법은 어떤 문제점이 있는가?
이러한 방법의 사용은 많은 문제점을 안고 있다. 보일러, 가열로의 조업을 중단하고 내부의 온도가 상온으로 강하할 때까지 방치한 후 작업을 수행하며 이때 보일러 내부에 남아있는 연소가스에 포함된 유해가스의 배출을 완전히 이룬 후 작업을 수행한다. 또한 작업과정에서 보일러 내부에 침적된 FeS가 작업자들이 사용하는 공구의 마찰열로 인하여 인화되어 폭발 및 화재사고가 발생하기도 한다. 따라서 침적물에 의하여 연소효율 감소가 발생한 상태에서 계속 조업하므로써 연료 사용량 증대가 발생한다. 실제 가열로 내부의 기계적 청소비용에 대비하여 침적물에 의한 부가적 연료비용이 낮은 경우에는 조업을 수행하므로 전체적인 연료비용이 상승된다.
참고문헌 (12)
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