본 연구에서는 급수예열기 및 공기예열기 등의 열교환장치의 구조 및 재질에 따른 열회수율 및 파울링 발생량 특성에 대해 조사하였다. 열교환기는 석탄화력발전소에서 일반적으로 구성된 급수예열기와 공기예열기를 대상으로 하였고, 소형소각로를 제작하여 모사실험을 수행하였다. 24시간동안 미분탄을 연소하면서 파울링 발생 및 열회수율의 변화를 관찰하였는데, 급수예열기의 구조에 따른 파울링 발생량은 핀(FIN) 튜브형 > 튜브 연결형 > 파이프형 > 자동세정형의 순서로 발생량이 많았으며, 그에 따른 열회수율은 핀튜브형 > 자동세정형 > 파이프형 > 튜브연결형 순으로 높게 나타났다. 공기예열기의 경우에는 구조에 따라 핀(FIN)튜브형 > 핀(FIN)판형 > 파이프형 > 테프론 파이프형 > 세라믹 파이프형 순으로 파울링 발생량이 많았으며, 열회수율도 같은 순서로 높게 나타났다. 재질의 내구성, 내산성, 내열성 등을 고려하여 세라믹이나 테플론 코팅을 할 경우에는 파울링량을 감소시킬 수는 있으나, 열회수율이 낮게 나타나 비효율적이었다.
본 연구에서는 급수예열기 및 공기예열기 등의 열교환장치의 구조 및 재질에 따른 열회수율 및 파울링 발생량 특성에 대해 조사하였다. 열교환기는 석탄화력발전소에서 일반적으로 구성된 급수예열기와 공기예열기를 대상으로 하였고, 소형소각로를 제작하여 모사실험을 수행하였다. 24시간동안 미분탄을 연소하면서 파울링 발생 및 열회수율의 변화를 관찰하였는데, 급수예열기의 구조에 따른 파울링 발생량은 핀(FIN) 튜브형 > 튜브 연결형 > 파이프형 > 자동세정형의 순서로 발생량이 많았으며, 그에 따른 열회수율은 핀튜브형 > 자동세정형 > 파이프형 > 튜브연결형 순으로 높게 나타났다. 공기예열기의 경우에는 구조에 따라 핀(FIN)튜브형 > 핀(FIN)판형 > 파이프형 > 테프론 파이프형 > 세라믹 파이프형 순으로 파울링 발생량이 많았으며, 열회수율도 같은 순서로 높게 나타났다. 재질의 내구성, 내산성, 내열성 등을 고려하여 세라믹이나 테플론 코팅을 할 경우에는 파울링량을 감소시킬 수는 있으나, 열회수율이 낮게 나타나 비효율적이었다.
We researched characteristics of heat recovery rate and fouling according to structures and materials in heat exchangers like water preheater and air preheater. Economizer and air preheater have used in thermal electric power plant. we made small incinerator and heat exchangers to carry out simulate...
We researched characteristics of heat recovery rate and fouling according to structures and materials in heat exchangers like water preheater and air preheater. Economizer and air preheater have used in thermal electric power plant. we made small incinerator and heat exchangers to carry out simulated experiment. We observed fouling formation and change of heat recovery rate, combusting powdered coal for 24 hr. In economizer, fin tube type had the largest amount of fouling formation, followed by tube line type > pipe type > auto washing type according to structures. As heat recovery rate, fin tube showed highest recovery rate, followed by auto washing type > pipe type > tube line type. In air preheater, fin tube type had the largest amount of fouling formation, followed by fin plate type > pipe type > pipe type coated by teflon > pipe type coated by ceramic according to structures. And then, heat recovery rate showed the same oder.
We researched characteristics of heat recovery rate and fouling according to structures and materials in heat exchangers like water preheater and air preheater. Economizer and air preheater have used in thermal electric power plant. we made small incinerator and heat exchangers to carry out simulated experiment. We observed fouling formation and change of heat recovery rate, combusting powdered coal for 24 hr. In economizer, fin tube type had the largest amount of fouling formation, followed by tube line type > pipe type > auto washing type according to structures. As heat recovery rate, fin tube showed highest recovery rate, followed by auto washing type > pipe type > tube line type. In air preheater, fin tube type had the largest amount of fouling formation, followed by fin plate type > pipe type > pipe type coated by teflon > pipe type coated by ceramic according to structures. And then, heat recovery rate showed the same oder.
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문제 정의
본 연구에서는 bench scale 규모로 소규모의 보일러(가연성 연소장치), 급수예열기, 공기예열기, 집진설비, 냉각 설비 등을 포함하는 석탄화력발전 계통의 일부 실험장치를 모사하여 설계 제작하였으며, 주요 전열판의 재질 및 구조를 고려한 급수예열기와 공기예열기 등의 폐열회수장치를 다양하게 설계 제작하여 이에 대한 파울링량 및 열회수율의 특성을 파악하고자 하였다.
본 연구에서는 bench scale 시스템의 여건상 실험실 내에서 총괄열전달계수를 측정하기 어려운 관계로 열저항성을 오염도계수로 측정하였다. 오염도계수는 파울링의 열저항성이 오염물질의 점착두께와 열전달계수에 각각 비례 및 반비례한다는 전제 하에 도입한 개념이다.
가설 설정
교환매질측(물, 공기)에는 오염물질은 오랜 시간 가동할 경우 주로 발생하므로, 본 실험에서는 발생하지 않는다고 가정하고 배가스측 오염물질 발생량만 고려하였으며, 고온고압의 실험 운전 조건 하에 가동 중인 열교환기의 열전도율 측정이 현실적으로 어렵다는 점을 감안하여 열전도율이 온도차에 따른 변화 또한 없다고 가정하였다. 이에 부착물의 두께에 대해서만 파울링의 측정 기준으로 삼고 열교환기 사용 전후의 두께를 간접법으로 산정시 식 (2)와 같이 나타낼 수 있다.
제안 방법
소형 소각시스템을 제작하고, 급수예열기와 공기예열기의 형태와 재질에 따른 파울링 발생량과 열회수율을 조사하여 비교해 보았다. 24시간동안 미분탄을 연소하면서 파울링 발생 및 열회수율의 변화를 관찰하였고, 본 연구를 통하여 얻은 결론은 다음과 같다.
냉각설비에는 급수예열기로의 물의 유출입량을 일정하게 조절할 수 있는 펌프 및 유량계를 설치하여 운영하였다(Table 2). 또한, 배가스 처리 설비(전기집진기)를 설치하여 실험 후, 깨끗한 공기가 외부로 배출되도록 구성하여 운영하였다.
본 연구에서는 형태별 열교환기를 비교 대상으로 하여 열교환기의 이론적 회수에너지를 해당 열교환기에 투입된 에너지로 간주하고, 실측을 통한 회수에너지와 비교하여 해당 열교환기의 에너지효율(에너지회수율)을 산정하는 방법을 선택하였다. 또한 측정의 재현성을 확보하기 위하여 모든 측정은 3회 이상 이루어졌다.
소형 소각시스템을 제작하고, 급수예열기와 공기예열기의 형태와 재질에 따른 파울링 발생량과 열회수율을 조사하여 비교해 보았다. 24시간동안 미분탄을 연소하면서 파울링 발생 및 열회수율의 변화를 관찰하였고, 본 연구를 통하여 얻은 결론은 다음과 같다.
3은 본 연구에 적용된 시험장치의 개요도를 나타낸 것이다. 소형소각보일러, 급수예열기, 공기에열기, 배가스 처리설비, 냉각설비 및 팬 등으로 구성되어 있 으며, bench scale 규모로 제작 설치하여 실험을 수행 하였다. 소형소각 보일러 내부에는 주요 지점을 고려하여 온도를 측정할 수 있는 K-type의 열전대가 5개 설비되어 있다.
파이프형은 하부에서 냉각수가 공급되어 각 냉각관으로 분기되고, 열교환 후 냉각수가 다시 상부로 모여서 배출되는 형식이며, 튜브형은 냉각수가 하나의 관으로 유입되고 배출되는 형식이다. 핀튜브형은 튜브형의 열교환관에 핀을 장착하여 전열면적을 넓게 한 것이고, 자동세정형은 튜브형에 노즐을 설치하고 일정 시간마다 노즐을 통하여 물을 분사하여 스케일을 제거하는 형식으로 제작하였다. 사용된 재질은 주로 고온에서의 안정성, 부식성 및 내 산성, 내구성 등을 고려하여 Cr과 Mo 등이 함유된 합금강(KSD 3573)과 STS(스테인리스강)304로 구분 하였다.
대상 데이터
본 연구에 사용된 연료로는 미분탄(국내 업체 J사로부터 구입, 중국산)으로써 이에 대한 특성을 Table 3에 나타내었으며, 배가스량을 3m3/min으로 일정하게 유지 하였다. 구조 및 재질을 고려하여 bench scale 규모의 급수예열기 4종류과 공기예열기 6종류를 설계 제작한 것을 나타내었다(Table 4와 5).
핀튜브형은 튜브형의 열교환관에 핀을 장착하여 전열면적을 넓게 한 것이고, 자동세정형은 튜브형에 노즐을 설치하고 일정 시간마다 노즐을 통하여 물을 분사하여 스케일을 제거하는 형식으로 제작하였다. 사용된 재질은 주로 고온에서의 안정성, 부식성 및 내 산성, 내구성 등을 고려하여 Cr과 Mo 등이 함유된 합금강(KSD 3573)과 STS(스테인리스강)304로 구분 하였다.
성능/효과
1) 그러나, 최근 중국 및 전세계 경제 악화로 인하여 석탄 수요 증가와 석탄 시장의 여건 변화 등으로 인하여 공급되는 석탄의 품질이 매우 저급해지고 있으며, 최근 국내의 대다수 대용량 발전소에서는 고수분, 고휘발분 함량을 가진 저품위탄 사용이 급격히 늘고 있는 상태이다.2) 이에 따라 연소가스 내에 SOx, NOx, 미세먼지, 미량의 중금속 등 다양한 입자상/가스상 오염물질이 다량 함유되어 배출되고 있으며, 이러한 오염물질은 급수예열기(Economizer), 공기예열기 (Air Preheater) 등 열교환기의 열전달 표면에 열전달을 방해하는 침전물의 층이 형성되는데, 이러한 물리화학적 현상을 오염(fouling)이라고 한다.
1) 급수예열기나 공기예열기 등은 구조적으로 전열면적이 클수록 연소가스와 전열면과의 접촉면적의 증가로 인해 파울링되는 양은 증가하며, 파울링되는 양이 많을수록 열교환장치의 열회수율에 부정적인 요소로 작용되어 폐열회수장치의 효율증대 및 부착물 최소화를 위해서는 기술적/구조적/재질적 개선을 고려한 설계제작이 필요할 것으로 판단된다.
2) 공기예열기의 경우에는 대체적으로 재질에 따른 파울링량은 파이프형을 비교했을 때, 합금강 재질로 만든 것이 43.9 g (0.22 mm), STS 재질로 만든 것이 41.9 g(0.21 mm)로 파울링이 발생하여 합금강 재질이 다소 높은 것으로 나타났다. 세라믹 파이프형과 테크론 파이프 형은 파울링 발생량이 각각 35.
3) 공기예열기의 경우, 파이프형을 비교했을 때 합금강 재질의 열회수율과 STS304 재질의 열회수율이 6.4%로 같게 나타났으며, 세라믹이나 테플론으로 코팅한 경우의 열회수율은 각각 5.6%와 6.1%로 낮게 나타났다. 이것은 전열면에 세라믹이나 테프론으로 코팅할 경우, 전열면의 내구성이나 내산성, 파울링 발생 저감에 도움이 될 수는 있으나, 열회수율에는 나쁜 영향을 줄 수 있음을 알 수 있었다.
2) 이에 따라 연소가스 내에 SOx, NOx, 미세먼지, 미량의 중금속 등 다양한 입자상/가스상 오염물질이 다량 함유되어 배출되고 있으며, 이러한 오염물질은 급수예열기(Economizer), 공기예열기 (Air Preheater) 등 열교환기의 열전달 표면에 열전달을 방해하는 침전물의 층이 형성되는데, 이러한 물리화학적 현상을 오염(fouling)이라고 한다.3) 파울링이 생성되는 경우 열저항이 증가하게 되어 열교환 성능이 현저히 저하된다. 따라서, 열교환기 내의 유체의 흐름을 방해하여 압력 저하를 일으키게 되어 동일한 성능을 유지하도록 하기 위해서는 시스템에 걸리는 부하가 증가할 수밖에 없다.
4종류 모두 시간이 경과함에 따라 열회수율이 감소하는 경향으로 나타났으며, 그 값들은 24시간 경과후의 경우에 핀이 부착된 핀튜브형이 약 52.3%로 가장 높고, 자동세정형 약 50.7%, 파이프형 약 48.7%, 튜브연결형약 48.5% 순으로 나타났다. 핀튜브형의 경우 4시간 때의 약 53.
7에 나타내었다. 6종류 모두 시간이 경과함에 따라 열회수율이 감소하는 경향으로 나타났으며, 24시간 경과후의 경우에 핀 튜브형이 7.0%로 가장 높고, 핀 판형 6.5%, 합금강 파이프형 6.4%, 파이프SUS형 6.4%, 테플론 파이프형(테프론코팅) 6.1%, 세라믹 파이프형(세라믹코팅) 5.6% 순으로 나타났다. 핀 튜브형의 경우 4시간 때의 약 8.
6에 나타내었다. 6종류 모두 시간이 경과함에 따라 파울링 발생량이 증가하는 경향으로 나타났으며, 24시간 경과후의 경우에 핀이 부착된핀 튜브형 0.24 mm로 가장 높고, 핀 판형 0.23 mm, 파이프형(합금강) 0.22 mm, 파이프형(STS) 0.21 mm, 테플론 파이프형 0.20 mm, 세라믹 파이프형 0.18 mm 순으로 나타났다. 핀 튜브형이 가장 파울링 발생량이 많았으며, 테플론과 세라믹 코팅이 된 경우에는 파울링 발생량이 약 10 ~ 20% 정도 적게 나타났다.
21 mm)로 파울링이 발생하여 합금강 재질이 다소 높은 것으로 나타났다. 세라믹 파이프형과 테크론 파이프 형은 파울링 발생량이 각각 35.9 g (0.18 mm), 39.9 g(0.20 mm)로 낮게 나타나 열교환 파이프의 표면처리가 파울링 발생을 저감시킬 수 있음을 알 수 있었다.
실험조건으로는 형태별로 미분탄(100%)을 시간당 2 kg 씩 총 24시간 동안 연소시켰으며, 4종류 모두 시간이 경과함에 따라 파울링 발생량이 증가하는 경향으로 나타났으며, 24시간 경과후의 경우에 핀이 부착된 핀튜브형이 0.92 mm로 가장 높고, 튜브연결형 0.89 mm, 파이프형 0.88 mm, 자동세정형 0.83 mm 순으로 나타났다.
일반적으로 합금강 재질에 비해 STS304 재질로 만든 공기예열기의 열회수율이 다소 높게 나타났으며, 세라믹이나 테플론으로 코팅한 경우의 열회수율이 낮게 나타났다. 이것은 전열면에 세라믹이나 테프론으로 코팅을 할 경우, 전열면의 내구성이나 내산성, 파울링 저감에는 도움이 될 수는 있으나, 열회수율에는 나쁜 영향을 줄 수 있음을 알 수 있었다.
재질에 따른 파울링 발생량의 특징은 STS 재질이 합금강 재질보다 파울링량이 다소 높은 것으로 나타났으나(파이프형), 재질에 따른 영향보다는 구조에 따른 영향이 파울링 발생량에 더 크게 작용하는 것으로 판단된다.
전열면적당 열회수율을 비교해 보면, 자동세정형 137.12%/m2, 튜브연결형 131.20%/m2, 파이프형 113.18%/ m2, 핀튜브형 100.51%/m2 순으로, 핀튜브형이 다른 구조에 비해 적게 나타났다. 이는 전열면적이 다른 구조에 비해 넓기 때문에 상대적으로 낮은 값을 나타낸 것으로 판단된다(파이프형의 전열면적은 상부와 하부의 표면적은 포함되지 않고 오직 파이프의 표면적만 계산하였다.
전열면적당 열회수율을 비교해 보면, 합금강파이프형 42.78%/m2, 파이프STS형 42.56%/m2, 테프론 파이프형 40.33%/m2, 핀 튜브형 38.89%/m2, 핀 판형 38.33%/m2, 세라믹 파이프형 37.44%/m2 순으로, 세라믹파이프형이 다른 재질 및 구조에 비해 가장 적게 나타났다. 이는 전열면적이 6종류 모두 0.
18 mm 순으로 나타났다. 핀 튜브형이 가장 파울링 발생량이 많았으며, 테플론과 세라믹 코팅이 된 경우에는 파울링 발생량이 약 10 ~ 20% 정도 적게 나타났다.
후속연구
4,5) 그러나 이와 같은 방법은 세정시 장치운전을 정지해야 하며, 열교환기를 분해하여 세정하고 다시 조립해야 한다는 불편한 점이 있으며, 특히 화학약품을 사용하는 경우에는 환경오염의 우려가 있다. 그러므로 고온배가스, 저급연료 등의 사용에 따른 부식성 연소배가스 등에 적용가능하고, 파울링 발생량이 적고 폐열회수를 저하시키지 않는 고내마모성/고내식성의 재질 및 구조를 고려한 열교환장치의 개발에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
파울링이 생성될 경우 나타나는 증상은 무엇인가?
2) 이에 따라 연소가스 내에 SOx, NOx, 미세먼지, 미량의 중금속 등 다양한 입자상/가스상 오염물질이 다량 함유되어 배출되고 있으며, 이러한 오염물질은 급수예열기(Economizer), 공기예열기 (Air Preheater) 등 열교환기의 열전달 표면에 열전달을 방해하는 침전물의 층이 형성되는데, 이러한 물리화학적 현상을 오염(fouling)이라고 한다.3) 파울링이 생성되는 경우 열저항이 증가하게 되어 열교환 성능이 현저히 저하된다. 따라서, 열교환기 내의 유체의 흐름을 방해하여 압력 저하를 일으키게 되어 동일한 성능을 유지하도록 하기 위해서는 시스템에 걸리는 부하가 증가할 수밖에 없다.
발전소에서 발생하는 입자상/가스상 오염물질이 야기하는 문제는 무엇인가?
1) 그러나, 최근 중국 및 전세계 경제 악화로 인하여 석탄 수요 증가와 석탄 시장의 여건 변화 등으로 인하여 공급되는 석탄의 품질이 매우 저급해지고 있으며, 최근 국내의 대다수 대용량 발전소에서는 고수분, 고휘발분 함량을 가진 저품위탄 사용이 급격히 늘고 있는 상태이다.2) 이에 따라 연소가스 내에 SOx, NOx, 미세먼지, 미량의 중금속 등 다양한 입자상/가스상 오염물질이 다량 함유되어 배출되고 있으며, 이러한 오염물질은 급수예열기(Economizer), 공기예열기 (Air Preheater) 등 열교환기의 열전달 표면에 열전달을 방해하는 침전물의 층이 형성되는데, 이러한 물리화학적 현상을 오염(fouling)이라고 한다.3) 파울링이 생성되는 경우 열저항이 증가하게 되어 열교환 성능이 현저히 저하된다. 따라서, 열교환기 내의 유체의 흐름을 방해하여 압력 저하를 일으키게 되어 동일한 성능을 유지하도록 하기 위해서는 시스템에 걸리는 부하가 증가할 수밖에 없다.
기존의 파울링 제거 방법이 갖는 한계점은 무엇인가?
파울링을 제거하기 위하여 지금까지는 장치의 운전을 정지하고, 열교환기를 분해하여 오염물질을 수작업에 의해 브러시 등으로 닦거나 화학약품에 침지하여 세정하였다.4,5) 그러나 이와 같은 방법은 세정시 장치운전을 정지해야 하며, 열교환기를 분해하여 세정하고 다시 조립해야 한다는 불편한 점이 있으며, 특히 화학약품을 사용하는 경우에는 환경오염의 우려가 있다. 그러므로 고온배가스, 저급연료 등의 사용에 따른 부식성 연소배가스 등에 적용가능하고, 파울링 발생량이 적고 폐열회수를 저하시키지 않는 고내마모성/고내식성의 재질 및 구조를 고려한 열교환장치의 개발에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
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