순환유동층보일러의 과열기 튜브 부식에 알칼리 금속과 염소가 미치는 영향 Effects of Alkali Metals and Chlorine on Corrosion of Super Heater Tube in Biomass Circulating Fluidized Bed Boiler원문보기
본 연구에서는 순환유동층 보일러 과열기 튜브의 부식 원인물질을 규명하여, 부식방지를 위한 방안을 모색하고자 하였다. 연료, 과열기 튜브 부식부위, 과열기 튜브에 부착된 재 및 보일러 재를 채취하여 성분분석을 수행하였다. 과열기 튜브 부식부위에서 산화로 인한 O성분이 함유되어 있는 것을 확인하였다. 과열기 튜브 부착 재 및 보일러 재에서 6.1% 및 4.3%의 Cl이 분석되었으며, 이는 설계값의 약 14-20배 정도 높은 수치이다. 또한 알칼리 금속물질(K, Na, Ca)의 함량이 매우 높게 분석되었다. XRF 데이터를 이용하여 보일러에서 재의 슬래깅과 파울링에 대한 영향을 예측하였다. Basicity는 과열기 튜브 부착 재 및 보일러 재에서 각각 3.62 및 2.72로 산정되었으며, 설계값인 0.35에 비하여 높은 수치를 갖는 것으로 확인되었다.
본 연구에서는 순환유동층 보일러 과열기 튜브의 부식 원인물질을 규명하여, 부식방지를 위한 방안을 모색하고자 하였다. 연료, 과열기 튜브 부식부위, 과열기 튜브에 부착된 재 및 보일러 재를 채취하여 성분분석을 수행하였다. 과열기 튜브 부식부위에서 산화로 인한 O성분이 함유되어 있는 것을 확인하였다. 과열기 튜브 부착 재 및 보일러 재에서 6.1% 및 4.3%의 Cl이 분석되었으며, 이는 설계값의 약 14-20배 정도 높은 수치이다. 또한 알칼리 금속물질(K, Na, Ca)의 함량이 매우 높게 분석되었다. XRF 데이터를 이용하여 보일러에서 재의 슬래깅과 파울링에 대한 영향을 예측하였다. Basicity는 과열기 튜브 부착 재 및 보일러 재에서 각각 3.62 및 2.72로 산정되었으며, 설계값인 0.35에 비하여 높은 수치를 갖는 것으로 확인되었다.
This study provides the identification of corrosion cause substances in super heater tube from a commercial scale circulating fluidized bed boiler. Electricity is produced by the combustion of biomass mainly wood waste. The biomass, super heater tube, super heater tube ash, and boiler ash were colle...
This study provides the identification of corrosion cause substances in super heater tube from a commercial scale circulating fluidized bed boiler. Electricity is produced by the combustion of biomass mainly wood waste. The biomass, super heater tube, super heater tube ash, and boiler ash were collected and components associated with corrosion were analyzed. A large amount of oxygen-containing material was found due to oxidation. The chlorine content was analyzed as 6.1% and 4.3% in super heater tube ash and boiler ash respectively which were approximately 20 and 14 times higher than those of designed values. Also, alkaline metal contents (K, Na, Ca) were very high in ash samples collected from super heater tube and boiler. The tendency of slagging and fouling was predicted based on X-Ray Fluorescence (XRF) results. Basicity that can lead to slagging was estimated as 3.62 and 2.72 in super heater tube and boiler ash, respectively. Slagging would occur with ash content when considering the designed value as 0.35.
This study provides the identification of corrosion cause substances in super heater tube from a commercial scale circulating fluidized bed boiler. Electricity is produced by the combustion of biomass mainly wood waste. The biomass, super heater tube, super heater tube ash, and boiler ash were collected and components associated with corrosion were analyzed. A large amount of oxygen-containing material was found due to oxidation. The chlorine content was analyzed as 6.1% and 4.3% in super heater tube ash and boiler ash respectively which were approximately 20 and 14 times higher than those of designed values. Also, alkaline metal contents (K, Na, Ca) were very high in ash samples collected from super heater tube and boiler. The tendency of slagging and fouling was predicted based on X-Ray Fluorescence (XRF) results. Basicity that can lead to slagging was estimated as 3.62 and 2.72 in super heater tube and boiler ash, respectively. Slagging would occur with ash content when considering the designed value as 0.35.
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문제 정의
국내 바이오매스 발전소 내 순환유동층 보일러 과열기 튜브의 부식으로 인한 파손을 방지하고자, 보일러 SH 튜브의 부식의 원인 및 물질을 확인하기 위한 연구를 수행하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
과열기 튜브 부식부위에서 2개의 시료를 채취하였으며, 과열기 튜브에 부착된 재와 보일러 재를 현장에서 채취하였다. 본 연구에서는 가스 접촉면에서 발생한 보일러 튜브의 부식 원인을 확인 하고자 하였다. 가스 접촉면에서 발생하는 부식은 일반적으로 배출가스 중 습윤 공기의 존재 하에 황산 및 기타 연료에서 기인한 오염물질들이 침적되어 발생한다[23,24].
국내 바이오매스 발전소 내 순환 유동층 보일러 과열기 튜브에서 부식으로 인한 파손이 발생한 사례가 있다. 본 연구에서는 보일러 과열기 튜브의 부식 원인물질을 규명하여, 부식방지를 위한 방안을 모색하고자 하였다.
제안 방법
바이오매스를 연료로써 사용하는 30 MW급 순환유동층 발전용 보일러에서 연료 및 과열기 튜브 부식부위(SH tube sample #1-2), 과열기 튜브에 부착된 재(SH tube ash), 보일러 재(Boiler ash)를 채취하였다. Cl 성분이 침식 및 부식에 미치는 영향을 확인하기 위하여 Biomass, SH tube ash, Boiler ash의 염소함량 분석을 수행하였다. SH tube sample의 성분을 확인하기 위하여 SEM-EDX 분석을 수행하였다.
28%로 분석되었으며, 정량적인 분석을 위하여 ASTM D7359:2008를 이용하여 추가 분석을 수행하였다. SH tube ash와 Boiler ash를 대상으로 ICP와 원소분석장치를 이용하여 재에 포함된 금속성분과 S, Cl을 정량분석을 하였다. 대부분의 금속의 함량이 설계값보다 매우 높았으며, 특히 알칼리 금속물질인 K, Na, Ca 성분의 함량이 매우 높게 분석되었다.
SH tube sample의 성분을 확인하기 위하여 SEM-EDX 분석을 수행하였다. SH tube ash의 조성을 확인하기 위해 SEM-EDX 및 XRF 분석을 수행하였으며, 표면의 부식반응을 확인하기 위해 금속성분 및 염소함량 분석을 수행하였다. 비교를 위한 자료로써 Boiler ash의 분석을 수행하였다.
Cl 성분이 침식 및 부식에 미치는 영향을 확인하기 위하여 Biomass, SH tube ash, Boiler ash의 염소함량 분석을 수행하였다. SH tube sample의 성분을 확인하기 위하여 SEM-EDX 분석을 수행하였다. SH tube ash의 조성을 확인하기 위해 SEM-EDX 및 XRF 분석을 수행하였으며, 표면의 부식반응을 확인하기 위해 금속성분 및 염소함량 분석을 수행하였다.
2. SH tube sample 및 SH tube ash의 SEM-EDX 분석 결과
과열기 튜브 부식의 원인물질을 규명하고자 SH tube sample #1, SH tube sample #2, SH tube ash의 SEM-EDX (Horiba, 7200H)분석을 수행하였다
. Table 4에 나타낸 것과 같이 SH tube sample #1에서 Cl 30.
재에 함유된 물질을 산화물 형태로 전환한 XRF 데이터를 이용하여보일러에서 재의 슬래깅과 파울링에 대한 영향을 예측하였으며 Table 6에 나타내었다. 배출가스가 보일러의 튜브와 접촉하고 냉각되면서 함유물질이 튜브 표면에 부착 및 퇴적하는 현상을 슬래깅으로 분류한다. 이 중, 회분 중 알칼리 및 휘발성 성분이 휘발하여 배출가스 중의 비산재와 함께 과열기 및 보일러 등에 응축 및 부착되는 현상을 파울링으로 분류한다.
SH tube ash의 조성을 확인하기 위해 SEM-EDX 및 XRF 분석을 수행하였으며, 표면의 부식반응을 확인하기 위해 금속성분 및 염소함량 분석을 수행하였다. 비교를 위한 자료로써 Boiler ash의 분석을 수행하였다. 금속 및 염소 함량 분석에 있어 연료의 경우 EN 15297 및 EN 15289를 이용하였으며, 재의 경우 EPA 3052 및 ASTM D 7359를 이용하였다.
배출가스가 보일러의 튜브와 접촉하고 냉각되면서 함유물질이 튜브 표면에 부착 및 퇴적하는 현상을 슬래깅으로 분류한다. 이 중, 회분 중 알칼리 및 휘발성 성분이 휘발하여 배출가스 중의 비산재와 함께 과열기 및 보일러 등에 응축 및 부착되는 현상을 파울링으로 분류한다. 회분 내 철, 나트륨, 칼슘 등의 성분은 산소와 결합하여 고분자 사슬을 끊어 회분의 용융온도와 점도를 감소시키며, 이와 반대로 실리카, 알루미늄 등은 고분자물질을 형성하여 회분의 용융온도를 높이는 역할을 한다[33,34].
대상 데이터
대상 발전시설에서 사용되는 연료는 80 mm 입경으로 투입되도록 설계되었고, 본 연구에서는 반입되는 출처가 다른 3종의 바이오매스 시료를 채취하였다. 과열기 튜브 부식부위에서 2개의 시료를 채취하였으며, 과열기 튜브에 부착된 재와 보일러 재를 현장에서 채취하였다. 본 연구에서는 가스 접촉면에서 발생한 보일러 튜브의 부식 원인을 확인 하고자 하였다.
비교를 위한 자료로써 Boiler ash의 분석을 수행하였다. 금속 및 염소 함량 분석에 있어 연료의 경우 EN 15297 및 EN 15289를 이용하였으며, 재의 경우 EPA 3052 및 ASTM D 7359를 이용하였다. 침식 및 부식의 원인을 확인하기 위하여 수행한 분석항목을 Table 2에 나타내었다.
부식이 발생한 보일러 튜브의 사양은 Table 1과 같으며, 부식의 원인을 확인하기 위하여 총 4종 7개의 시료(바이오매스시료(폐목재) 3개, 과열기 튜브 부식부위(SH tube sample) 2개, 과열기 튜브에 부착된 재(SH tube ash) 1개, 보일러 재(Boiler ash) 1개)를 채취하였다. 대상 발전시설에서 사용되는 연료는 80 mm 입경으로 투입되도록 설계되었고, 본 연구에서는 반입되는 출처가 다른 3종의 바이오매스 시료를 채취하였다. 과열기 튜브 부식부위에서 2개의 시료를 채취하였으며, 과열기 튜브에 부착된 재와 보일러 재를 현장에서 채취하였다.
바이오매스를 연료로써 사용하는 30 MW급 순환유동층 발전용 보일러에서 연료 및 과열기 튜브 부식부위(SH tube sample #1-2), 과열기 튜브에 부착된 재(SH tube ash), 보일러 재(Boiler ash)를 채취하였다. Cl 성분이 침식 및 부식에 미치는 영향을 확인하기 위하여 Biomass, SH tube ash, Boiler ash의 염소함량 분석을 수행하였다.
부식이 발생한 보일러 튜브의 사양은 Table 1과 같으며, 부식의 원인을 확인하기 위하여 총 4종 7개의 시료(바이오매스시료(폐목재) 3개, 과열기 튜브 부식부위(SH tube sample) 2개, 과열기 튜브에 부착된 재(SH tube ash) 1개, 보일러 재(Boiler ash) 1개)를 채취하였다. 대상 발전시설에서 사용되는 연료는 80 mm 입경으로 투입되도록 설계되었고, 본 연구에서는 반입되는 출처가 다른 3종의 바이오매스 시료를 채취하였다.
이론/모형
염기계 물질은 Cl 성분과 반응하여 녹는점을 낮추어 슬래깅 또는 파울링을 유발할 수 있는 물질이다. Cl 함량은 최대 설계값 0.3%보다 높은 8.03%와 5.28%로 분석되었으며, 정량적인 분석을 위하여 ASTM D7359:2008를 이용하여 추가 분석을 수행하였다. SH tube ash와 Boiler ash를 대상으로 ICP와 원소분석장치를 이용하여 재에 포함된 금속성분과 S, Cl을 정량분석을 하였다.
성능/효과
1) 보일러의 고온 부식을 유발할 수 있는 염소성분이 설계 최대값인 0.3%보다 매우 높은 1.32% (최대 2.61%)의 바이오매스를 연료로 사용하고 있는 것으로 확인되었다. 보일러 튜브에 부착된 재와 보일러 재를 분석한 결과, Cl 함량이 각각 6.
2) 융점이 낮아 튜브에 집적되기 쉬운 알칼리 금속인 Ca, K, Na 성분이 다량 검출된 것으로 판단할 때, 보일러 튜브에 쉽게 집적되는 알칼리 금속과 Cl 성분이 결함되어 고온부식에 크게 기여한 것으로 판단된다.
3) 연료의 Cl 함량이 높기 때문에 과열기 및 노즐에 부식이 발생할 위험성이 크다. 또한 과열기 튜브의 부식 부위의 분석 결과 Cl의 함량이 높은 것으로 확인되었다.
18%가 함유되어 있다. SEM-EDX 분석결과 SH tube sample #1에서 3.62%의 Cr 성분이 분석된 것으로 보아 Cr2O3, CrCl2 등의 성분이 생성되어 부식이 발생한 것으로 판단된다. 또한, 금속 표면에 점착성 회분이 퇴적되어 있는 경우 300-600 ℃ 범위에서 부식이 진행될 수 있다[32].
SH tube ash와 Boiler ash의 조성을 XRF 분석결과를 통해 Table 5와 같이 비교한 결과 산성 특성을 보이는 SiO2 등의 물질이 설계값보다 매우 낮게 분석되었으며, 염기계 물질의 함량이 매우 높게 분석되었다. 특히 CaO는 설계기준치 2.
대부분의 금속의 함량이 설계값보다 매우 높았으며, 특히 알칼리 금속물질인 K, Na, Ca 성분의 함량이 매우 높게 분석되었다. 그중에 Cl 함량은 6.1% 및 4.3%로 최대 설계치 보다 약 20배 및 14배 높은 것으로 확인되었다. NaCl의 형성에 의한 염소부식을 방지하기 위하여, 연소공기를 충분하게 예열한 후 투입하는 등 보일러 튜브의 표면온도를 노점 이상으로 유지하는 것이 필요하다.
SH tube ash와 Boiler ash를 대상으로 ICP와 원소분석장치를 이용하여 재에 포함된 금속성분과 S, Cl을 정량분석을 하였다. 대부분의 금속의 함량이 설계값보다 매우 높았으며, 특히 알칼리 금속물질인 K, Na, Ca 성분의 함량이 매우 높게 분석되었다. 그중에 Cl 함량은 6.
튜브 표면에 산화물 층이 형성되기 시작하면 다량의 FeO 및 Fe2O3가 생성되어 부식이 진행된다[25]. 대상 보일러 튜브의 주요 성분은 Fe로써 95% 이상 함유되어 있으며, Cr이 2.18% 함유되어 있는 것으로 확인되었다. Figure 1에 나타낸 것과 같이 가스상의 Cl 및 HCl의 존재하에서 조건에 따라 FeO, Fe2O3, FeCl2, FeCl3, Cr2O3 및 CrCl2가 생성될 가능성이 있으며, 다음과 같은 반응기작에 따라 형성된다[26-28].
산화로 인한 O 성분이 다량 함유되어 있는 것을 확인하였다. 또한 SH tube ash의 분석결과 Cl 11.95%, O 40.65%, Ca 17.90%가 확인되었다. 이와 같이 과열기 튜브 부식부위(SH tube sample #1, #2)와 과열기 튜브에 부착된 재(SH tube ash)에 다량의 Cl 성분이 함유되어 있는 것을 확인하였다.
3) 연료의 Cl 함량이 높기 때문에 과열기 및 노즐에 부식이 발생할 위험성이 크다. 또한 과열기 튜브의 부식 부위의 분석 결과 Cl의 함량이 높은 것으로 확인되었다. 이는 연료에 함유된 고농도 Cl의 영향인 것으로 판단된다.
수분과 재의 함량이 설계기준 보다 낮은 것으로 확인되었다. 또한, 금속부식에 큰 영향을 미치는 염소의 함량은 설계기준인 0.3%보다 높은 1.32% (0.12-2.16%)로 분석되었다. K, Na 및 Cl은 NaCl 및 KCl을 형성하며 이는 배출가스 중의 SO2과 반응하여 황산염을 생성하여 튜브 표면에 응축된다[29,30].
61%)의 바이오매스를 연료로 사용하고 있는 것으로 확인되었다. 보일러 튜브에 부착된 재와 보일러 재를 분석한 결과, Cl 함량이 각각 6.1% 및 4.3%로 매우 높은 것으로 확인되었다.
4-973 mg/kg)에 함유된 Na의 함량과 839 mg/kg (381-2066 mg/kg) 및 777 mg/kg (167-9833 mg/kg)에 함유된 K의 함량을 확인하였다[31]. 본 연구에서 채취 및 분석된 투입시료 2와 3에서는 Cl 함량이 설계기준치 이상으로 확인되었다. 배출가스의 Cl 성분이 금속 표면과 반응하여 FeCl2, FeCl3가 형성되며, 이후 O2 성분과 반응하여 Fe2O3 및 Fe3O4가 형성된다[30].
01%가 함유된 것으로 확인되었다. 산화로 인한 O 성분이 다량 함유되어 있는 것을 확인하였다. 또한 SH tube ash의 분석결과 Cl 11.
투입되는 연료의 성상을 분석하여 설계기준과 비교하여 Table 3에나타내었다. 수분과 재의 함량이 설계기준 보다 낮은 것으로 확인되었다. 또한, 금속부식에 큰 영향을 미치는 염소의 함량은 설계기준인 0.
90%가 확인되었다. 이와 같이 과열기 튜브 부식부위(SH tube sample #1, #2)와 과열기 튜브에 부착된 재(SH tube ash)에 다량의 Cl 성분이 함유되어 있는 것을 확인하였다. 부식으로 인하여 산화철이 형성되었기 때문에 SH tube sample #1과 #2에서 Fe와 O 성분이 분석된 것으로 판단된다.
SH tube ash의 경우 sulfur ratio가 매우 크게 나타났다. 파울링에 영향을 미치는 TA 값은 설계기준치 미만으로 확인되었으며, XRF 분석결과 파울링을 유발하는데 크게 기여할 수 있는 물질인 Na2O 성분은 확인되지 않았다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
침식의 발생 원인은 무엇인가?
보일러에서 발생하는 고온부식, 침식은 연료의 종류, 연소조건 등에 따른 보일러의 구조,전열관 온도, 재료, 열부하 등으로 인하여 발생한다[7]. 침식은 유체가 고체에 반복적으로 충돌함으로 생기는 손상으로써 물리적 마찰과 화학적 반응이 원인으로 작용한다. 또한 침식과 부식이 복합적으로 작용하여 부식에 의하여 침식이 가속화된다[8-10].
순환유동층 연소 방법의 작동 메커니즘은 어떠한가?
스토커형, 선회류형, 유동층 등 다양한 형태의 연로소가 바이오매스 연소발전에 적용되고 있다. 이 중 순환유동층 연소 방법을 적용하는 경우, 연소로 출구에 위치한 사이클론에서는 연소가스에 함유된 분진 및 유동사가 포집되며, 포집된 유동사는 사이클론 하부에 위치한 외부 열교환기를 거쳐 연소로에 재투입된다. 배출가스는 과열기와 접촉하게 되는데 열교환기에서 생성된 증기를 보다 고온의 증기로 만들어 발전용 터빈에 투입한다.
바이오매스 연소공정은 미국 및 일본 등에서 어떻게 적용되고 있는가?
바이오매스 연소공정은 유럽의 지역난방, 동남아시아 등 바이오매스 자원이 풍부한 국가의 발전 등에 주로 적용되고 있다. 또한, 미국 및 일본 등에서는 석탄발전소 및 소각로에서 혼합 연소하고 있다[5]. 전 세계 바이오매스 발전 용량은 약 93GW 수준이며, 발전량도 증가하여 2013년 396 TWh에서 2014년 433TWh로 증가하였다[6].
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