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열교환장치의 구조 및 재질에 따른 열회수율과 파울링의 발생 특성
Characteristics of Heat Recovery Rate and Fouling according to Structures and Materials in Heat Exchangers 원문보기

資源리싸이클링 = Journal of the Korean Institute of Resources Recycling, v.24 no.2, 2015년, pp.3 - 12  

김현상 (유니엔스(주)) ,  김용구 ((주)그린솔루스) ,  봉춘근 ((주)그린솔루스) ,  이명화 (한국생산기술연구원 고온에너지시스템연구 실용화그룹)

초록
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본 연구에서는 급수예열기 및 공기예열기 등의 열교환장치의 구조 및 재질에 따른 열회수율파울링 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.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

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...

주제어

AI 본문요약
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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.
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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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참고문헌 (10)

  1. K. S. Kang et al, 2012 : An Experimental Study on Slagging/Fouling Characteristics for Various Coals in a 50KWth Pulverized Coal Combustion System, the 45th KOSCO Symposium, The Korea Society of Combustion, pp 107-109 

  2. H. D. Lee, J. K. Kim, 2010 : Combustion characteristics of two imported Indonesia coals as a pulverized fuel of thermal power plants, J. of Energy Engineering, 19(2), pp. 136-147 

  3. S. M. Baek, W. J. Choi, J. I. Yoon and W. S. Seol, 2010 : Charanteristics of Decrease Effect in Fouling on Plate Heat Exchanger Using Air Bubble, The Korea Society for Power System Engineering, 14(1), pp. 22-26. 

  4. S. K. Sung et al,. 2003 : A Study on the Formation of Fouling in a Heat Exchanging System for Han-River Water as Cooling Water, Trans. of the KSME (B), pp. 1473-1478. 

  5. S. K. Sung, S. H. Suh and H. W. Roh, 2003 : A Comparative Study on the Fouling Characteristics of River and Tap Water in a Heat Exchanging Model, Trans. of the KSME (B), pp. 49-54. 

  6. Sun Kyung Sung, Sang Ho Suh and Hyung Woon Roh, 2004 : Fouling Characteristics & Mitigation Methods in Plate-Type Heat Exchanger, Extend Abstract of The Third National Congress on Fluid Engineering, August 26-28. 

  7. S. J. Na, C. H. Song, W. J. Kim and S. H. Yoon, 2014 : A comparison on characteristic of fouling deposition with chevron angle in a plate heat exchanger, Spring Symposium of Heat Engineering Part in KSME, pp. 293-294. 

  8. S. H. Suh, S. K. Sung, 2007 : Effect of fouling mitigation for Ceramic Ball in Cooling Water System of Heat Exchanger, Trans. of the KSME (B), Vol. 31, No. 4, pp. 330-334. 

  9. J. D. Kim, 2009 : An Experimental Study of Operating Characteristics on Fouling Auto Removal Apparatus of Multi Pass Type Heat Exchanger using Ejector, The Korea Society for Power System Engineering, 13(6), pp. 63-69. 

  10. Jung-In Yoon, Seung-Moon Beak, Won-Sil Seol and Jae-Dol Kim, 2012 : An Experimental Study of Fouling Removal in Plate Heat Exchanger with Auto-cleaning System, Symposium of The Korean Society of Marine Engineering. 

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