[논문]염화알칼리에 의한 과열기 소재의 고온부식 영향

김범종; 정수화; 김혜수; 류창국; 이은도

doi:10.7464/ksct.2018.24.4.339

염화알칼리에 의한 과열기 소재의 고온부식 영향
High Temperature Corrosion Effect of Superheater Materials by Alkali Chlorides 원문보기

청정기술 = Clean technology, v.24 no.4, 2018년, pp.339 - 347

김범종 (성균관대학교 기계공학과) , 정수화 (한국생산기술연구원 고온에너지시스템그룹) , 김혜수 (한국생산기술연구원 고온에너지시스템그룹) , 류창국 (성균관대학교 기계공학과) , 이은도 (한국생산기술연구원 고온에너지시스템그룹)

초록
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화석연료로 인한 환경문제 및 기후변화 대응을 위해 신재생에너지 공급비중은 매년 증가하고 있으며 현재 폐기물 에너지는 신재생에너지 생산량의 60% 가량을 차지하고 있다. 그러나 폐기물은 화석연료에 비해 낮은 발열량을 가지고 여러 유해물질이 포함되어 있어 발전용 보일러에 적용 시 다양한 문제를 발생시킨다. 특히 연료 내 염소성분은 보일러 열교환부에 슬래깅 및 파울링을 증가시켜 열효율 감소와 고온부식의 주요 원인이 되며 설비 가동률을 낮추고 운전비용을 증가시킨다. 본 연구에서는 염화알칼리에 의한 과열기 소재의 부식특성 분석을 위해 과열기용 주요 금속소재(ASME SA213/ASTM A213 T2, T12 and T22 합금)를 대상으로 고온부식 실험을 수행하고 무게 감량법과 주사전자현미경 에너지분산분광기(SEM-EDS)를 활용해 다양한 조건에 따른 부식특성을 분석하였다. 실험 결과 온도 및 염화물 함량이 높을수록 부식이 증가하였으며 NaCl보다 KCl의 부식성이 더 높음을 확인하였다. 또한 소재의 크롬함량이 높을수록 염화알카리에 대한 내부식 특성이 우수하게 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

In order to cope with environmental problems and climate change caused by fossil fuels, renewable energy supply is increasing year by year. Currently, waste energy accounts for 60% of renewable energy production. However, waste has a lower calorific value than fossil fuels and contains various harmful substances, which causes serious problems when applied to power generation boilers. In particular, the chlorine in the waste fuel increases slagging and fouling of boiler heat exchangers, leading to a reduction in thermal efficiency and the main cause of high temperature corrosion, lowering facility operation rate and increasing operating cost. In this study, the high temperature corrosion experiments of superheater materials (ASME SA213/ASTM A213 T2, T12 and T22 alloy steel) by alkali chlorides were conducted, and their corrosion characteristics were analyzed by the weight loss method and SEM-EDS. Experiments show that the higher the temperature and chloride content, the more corrosion occurs, and KCl further corrodes the materials compared to NaCl under the same condition. In addition, the higher the chromium content of the material, the better the corrosion resistance to the alkali chlorides.

주제어

표/그림 (13)

그림 Figure 1. Mechanism of high temperature corrosion by alkali chlorides(chlorine-cycle)[14].
표 Table 1. Previous studies on anti-corrosion technology as material aspects
그림 Figure 2. Photo of metal coupons.
표 Table 2. Characteristic of boiler tubes materials and their applications
그림 Figure 3. Procedure of high temperature corrosion experiment.
그림 Figure 4. Variation of weight loss using cleaning method according to ASTM G1-03.
표 Table 3. Chemical composition of coupons
그림 Figure 5. Rate of weight loss with respect to the alkali chlorides and coupons at 400 ℃.
그림 Figure 6. Rate of weight loss with respect to the alkali chlorides and coupons at 500 ℃.
표 Table 4. SEM photo with respect to temperature and kinds of alkali chlorides
그림 Figure 7. Surface morphology of the T2 coupons: (a) Reference, 400 ℃ (b) KCl, 400 ℃ (c) NaCl, 400 ℃ (d) Reference, 500 ℃ (e) KCl, 500 ℃ (f) NaCl, 500 ℃.
그림 Figure 8. Surface morphology of the T12 coupons: (a) Reference, 400 ℃ (b) KCl, 400 ℃ (c) NaCl, 400 ℃ (d) Reference, 500 ℃ (e) KCl, 500 ℃ (f) NaCl, 500 ℃.
그림 Figure 9. Surface morphology of the T22 coupons: (a) Reference, 400 ℃ (b) KCl, 400 ℃ (c) NaCl, 400 ℃ (d) Reference, 500 ℃ (e) KCl, 500 ℃ (f) NaCl, 500 ℃.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 과열기 소재에 따라 염화알칼리에 의한 부식영향을 관찰하기 위하여 과열기 재질로 많이 사용되는 ASME SA213/ASTM A213 T2, T12 and T22 합금을 시편으로 제작하여 온도 조건의 변화와 염화알칼리(NaCl과 KCl) 종류에 따른 부식 영향을 관찰하였다. 부식 시편의 표면을 분석하기 위하여 주사전자현미경 에너지분산분광기(Scanning Electron Microscope-Energy Dispersive Spectroscopy, SEM-EDS) 분석을 실시하여 표면의 부식 정도와 원소 분포를 관찰하였다.

제안 방법

반응 온도는 일반적인 폐기물 소각로의 열교환기 주변온도인 400 그리고 500 ℃로 선정하였다. 실험은 전기로를 이용하여 설정 온도로 승온 후 염화알칼리를 도포하지 않은 시편과 각각의 염화알칼리 수용액 도포 후 건조한 시편을 함께 투입하였다. 실험 시간은 시편 투입 후 50 h 동안 진행하였다.

대상 데이터

염화알칼리에 의한 고온부식의 영향을 분석하기 위하여 과열기 튜브로 사용되는 3종의 소재(T2, T12, T22)를 선정하였으며 각 시편 사진을 Figure 2에, 각 시편별 성분은 Table 3에 나타내었다. 각 시편은 탄소(C)와 망간(Mn) 성분의 함유량의 경우 유사하였으며 크롬(Cr)의 함량에 차이가 있었다.

데이터처리

침전과 세척을 반복하며 질량 변화를 분석하여 Figure 4와 같이 질량의 변화량이 급격하게 낮아지는 A 지점을 산화물이 제거된 시편의 질량으로 정의하였다. 시편의 표면 변화를 관찰하기 위하여 SEM (scanning electron microscope, JSM-6701F, JEOL) 그리고 EDS (energy dispersive x-ray spectroscope, INCA pentaFET - x3, OXFORD)를 활용하여 시편 표면에 형성된 scale의 조성, 미세조직 및 성분 분포 등을 분석하였다.

성능/효과

시편의 온도가 증가함에 따라 부식도가 증가하는 경향을 나타내었다. 소재에 따른 특성은 Cr의 함량이 높은 소재의 내부식성이 높게 나타났다(T22 > T12 > T2). EDS를 통한 분석결과 O/Fe 분율이 염화알칼리 도포 및 온도증가에 따라 2~5배 증가하지만 염화알칼리의 종류에 따른 차이는 나타나지 않았다.
KCl의 부식성이 높은 이유는 Na보다 K의 이온화 경향이 높고 SEM 분석결과 낮은 온도 조건인 400 ℃에서 분해되지 않은 NaCl이 관측되었다. 시편의 온도가 증가함에 따라 부식도가 증가하는 경향을 나타내었다. 소재에 따른 특성은 Cr의 함량이 높은 소재의 내부식성이 높게 나타났다(T22 > T12 > T2).
실험 및 분석을 통해 얻은 결론은 아래와 같다. 염화알칼리를 도포한 시편이 염화알칼리를 도포하지 않은 시편 보다 부식량이 증가하는 경향을 나타내었고, NaCl보다 KCl의 부식성이 높게 나타났다. KCl의 부식성이 높은 이유는 Na보다 K의 이온화 경향이 높고 SEM 분석결과 낮은 온도 조건인 400 ℃에서 분해되지 않은 NaCl이 관측되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	염소에 의해 발생하는 부식의 종류는 어떻게 나눠지는가?	특히 연료 내 포함된 염소(Cl)성분에 의한 고온부식은 환경에 따라 열교환기에 심각한 손상을 발생시켜 수주에서 수개월 이내에 수관의 파열로 인한 설비의 가동정지를 초래할 수 있다. 염소에 의해 발생하는 부식은 가스 상에 의한 부식과 부착(deposition)에 의한 부식으로 나뉜다. 가스 상에 의한 부식은 주로 염화수소(HCl) 그리고 염소(Cl2)에 의해 발생되며 염화수소보다 염소의 부식성이 강한 것으로 알려져 있다.
	폐기물을 연료로 사용할 때, 연료 내 염소성분은 발전용 보일러에 어떠한 영향을 미치는가?	그러나 폐기물은 화석연료에 비해 낮은 발열량을 가지고 여러 유해물질이 포함되어 있어 발전용 보일러에 적용 시 다양한 문제를 발생시킨다. 특히 연료 내 염소성분은 보일러 열교환부에 슬래깅 및 파울링을 증가시켜 열효율 감소와 고온부식의 주요 원인이 되며 설비 가동률을 낮추고 운전비용을 증가시킨다. 본 연구에서는 염화알칼리에 의한 과열기 소재의 부식특성 분석을 위해 과열기용 주요 금속소재(ASME SA213/ASTM A213 T2, T12 and T22 합금)를 대상으로 고온부식 실험을 수행하고 무게 감량법과 주사전자현미경 에너지분산분광기(SEM-EDS)를 활용해 다양한 조건에 따른 부식특성을 분석하였다.
	폐기물을 발전용 보일러에 적용시 다양한 문제를 발생시키는 이유는 무엇인가?	화석연료로 인한 환경문제 및 기후변화 대응을 위해 신재생에너지 공급비중은 매년 증가하고 있으며 현재 폐기물 에너지는 신재생에너지 생산량의 60% 가량을 차지하고 있다. 그러나 폐기물은 화석연료에 비해 낮은 발열량을 가지고 여러 유해물질이 포함되어 있어 발전용 보일러에 적용 시 다양한 문제를 발생시킨다. 특히 연료 내 염소성분은 보일러 열교환부에 슬래깅 및 파울링을 증가시켜 열효율 감소와 고온부식의 주요 원인이 되며 설비 가동률을 낮추고 운전비용을 증가시킨다.

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저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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