순환유동층 보일러 과열기 튜브 부식원인

1. 개요

 순환유동층 보일러 과열기 튜브의 부식 원인물질을 규명하여, 부식방지를 위한 방안을 모색하고자 함.

연료, 과열기 튜브 부식부위, 과열기 튜브에 부착된 재 및 보일러 재를 채취하여 성분 확인 필요.

과열기 튜브 부식부위에서 산화로 인한 O성분이 함유되어 있는 것 확인

과열기 튜브 부착 및 재 및 보일러 재에서 6.1% 및 4.3%의 Cl 분석/ 설계값과 비교 필요

알칼리 금속 물질 (K, Na, Ca) 함량이 높게 나오는 지 확인

 

2. 서론

 고온에서 운전되는 보일러는 사용조건과 사용연료에 따라 다양한 형태로 고온손상을 받는다. 보일러에서 발생하는 고온부식, 침식은 연료의 종류, 연소조건 등에 따른 보일러의 구조, 전열관 온도, 재료, 열부하 등에 의해 발생한다. 침식은 유체가 고체에 반복적으로 충돌함으로서 생기는 손상으로 물리적 마찰과 화학적 반응이 원인으로 작용한다. 또한 침식과 부식이 복합적으로 작용하여 부식에 의하여 침식이 가속화 된다.

 

 유동층 보일러의 경우 배출가스 내에 존재하는 가스상 알칼리염이 유동매체 및 보일러 내 전열관에 부착되어 침식 및 부식을 발생 시킨다. 부식작용 없이 침식이 일어나기 위해서는 침심성 입자들이 금속재료에 직접적으로 손상을 줄 수 있을 정도로 강한 영향을 미쳐야 한다. 따라서 손상 부위에 그 주변부 산화층의 표면에서 금속 재료가 직접 침식된 흔적이 없다면 부식의 영향을 무시할 수 없다.

 

 부식의 영향이 없는 환경에서 침식이 발생하면 충돌각 30도 전후로 침식이 크게 발생됨을 볼수 있다. 부식의 영향이 없는 조건에서 금속 소재의 침식이 발생하게 되면 특정 부위에 손상이 생긴다. 철이 고온의 산화분위기에 노출되면 열역학적으로 안정한 철산화막이 형성된다. 배출가스 중의 염소성분과 반응하여 금속의 표면에 금속염화물이 생성된다. 바이오매스 연료가 사용되는 보일러는 배출가스 중의 알칼리 금속이 보일러 부식의 원인으로 작용한다.

 

 연료에 포함된 KCl 성분이 가스상으로 전환되면서 보일러관의 Cr 및 Cr2O3 산화막과 반응하여 K2CrO4 와 Cl을 생성한다. 이렇게 생성된 Cl은 대부분 배출가스로 배출되지만, 일부는 금속과 반응하여 CrCl2를 생성하여 염소가스 부식을 일으킨다. 생활폐기물을 연료로 사용하는 소각용 보일러에는 주로 NaCl, KCl이 주로 응착된다.

 

3. 본론

 과열기 튜브 부식의 원인물질을 규명하고자 SH tube 샘플 1, SH tube 샘플 2, SH tube ash의 분석을 수행함.

산화로 인한 O 성분이 다량 함유된것을 알수 있다. 튜브및 과열기 튜브에 부착된 재에 Cl 성분이 다량 함유된것을 알수 있다. 부식으로 인하여 산화철이 형성되었기 때문에 튜브샘플에서 Fe와 O 성분이 분석된것을 알수 있다. 튜브 샘플에서 Cr함량을 포함한 1번이 CrO3, CrCl2등의 성분이 생성되어 부식이 발생한 것으로 판단할수 있다. 또한 금속 표면에 점착성 회분이 퇴적되어 있는 경우 300~600도 범위에서 부식이 진행 될 수 있다. SH tube ash의 분석결과 11.95%의 Cl이 존재하기 때문에 금속층과 반응하여 부식이 진행되었을 가능성이 있다.

 

 배출가스가 보일러 튜브와 접촉하고 냉각되면서 함유물질이 튜브 표면에 부착 및 퇴적하는 현상을 슬래깅으로 분류한다. 이중 회분 중 알칼리 및 휘발성 성분이 휘발하여 배출가스 중의 비산재와함께 과열기 및 보얼러 등에 응축 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. 이는 재의 용융점이 낮아 보일러 튜브에 부착 될 수 있음을 의미한다.

 

4. 결론

 보일러의 고온 부식을 유발 할 수 있는 염소성분의 설계치를 확인하고, 만일설계 값보다 높은 연료를 사용한다면 연료 변경을 고려 및 이를 저감하여 연소실에 투입하는 방안 고려

융점이 낮아 튜브에 집적되기 쉬운 알칼리 금속인 Ca, K, Na성분이 다량으로 검출되었다면, 알칼리 금속과 Cl 성분의 결합으로 고온부식에 더 크게 기여할 수 있음을 인지.

연료의 Cl함량이 높기 때문에 과열기 및 노즐에 부식이 발생할 위험이 크니, 과열기 튜브의 부식 부위의 부석 결과 Cl 함량이 높은지 확인필요

알칼리 금속의 영향으로 보일러 운전과정에서 튜브에 부식이 발생할 위험성이 존재한다. 부식성이 강한 HCl, NaCl등의 물질은 노점 이하의 온도에서 염소부식을 일으킬 수 있다. 이를 방지하기 위하여 연소공기를 충분히 예열하여 노점온도 이상으로 유지하는것이 필요하며, 완전연소를 위한 충분한 공기의 투입과 함께 가스의 흐름이 균일하도록 운전해야한다.

 

Summary

• 보일러에서 발생하는 고온부식, 침식은 연료의 종류, 연소조건 등에 따른 보일러의 구조, 전열관 온도, 재료, 열부하등으로 인해 발생한다.
• 침식은 유체가 고체에 반복적으로 충돌함으로 생기는손상으로써 물리적 마찰과 화학적  반응이 원인으로 작용한다. 또한 침식과 부식이 복합적으로 작용하여 부식에 의한 침식이 가속화된다.
• 유동층 보일러의 경우 배출가스 내에 존재하는 가스상 알칼리염이 유동매체 및 보일러내 전열관에 부착되어 침식 및 부식을 발생시킨다. 부식작용 없이 침식이 일어나기 위해서는 침식성 입자들이 금속재료에 직접적으로 손상을 줄 수 있을 정도로 강한 영향을 미쳐야 한다. 
• K, Na 및 Cl은 KaCl 및 KCl을 형성하며, 이는 배출가스중의 SO2과 반응하여 황산염을 생성하여 튜브 표면에 응축된다.
• 배출가스의 Cl성분이 금속 표면과 반응하여 FeCl2, FeCl3가 형성되며, 이후 O2성분과 반응하여 Fe2O3 및 Fe2O4가 형성된다. 따라서 Cl성분에 기인한 부식이 발생한 가능성이 높다.
• 배출가스가 보일러의 튜브와 접촉하고 냉각되면서 함유물질이 튜브표면에 부착 및 퇴적하는 현상을 슬래깅으로 분류
• 회분중 알카리 및 휘발성 성분이 휘발하여 배출가스 중의 비산재와 함께 과열기 및 보일러 등에 응축 및 부착되는 현상을 파울링으로 분류
• 알칼리 금속의 영향으로 보일러의 운전과정에서 튜브에 부식이 발생할 위험이 존재함. 부식성이 강한 HCl, NaCl등의 물질은 노점이하의 온도에서 염소부식을 일으킬수 있다. 이를 방지하기 위해 연소공기를 충분히 예열하여 노점온도 이상으로 유지하는것이 필요하며, 완전연소를 위한 충분한 공기의 투입과 함께 가스의 흐름이 균일하도록 운전해야한다.