S사 순환 유동층 연소로에서 전열관 마모

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

김태우1), 문영섭1), 최정후1), 선도원2), 정봉진3), 김수섭4), 한기홍5), 우형관6), 서영태7)

건국대학교 화학공학과1), 한국에너지기술연구원2), 수원대학교 환경공학과3),

SK 화학(주)4), LG 화학(주)5), 부산염색(협)6), 두산중공업(주)7)

Tube Erosion in the S Company's Circulating Fluidized Bed Combustor

Tae-Woo Kim1), Young-Sub Moon1), Jeong-Hoo Choi1), Do-Won Shun2), Bong-Jin Jung3), Soo-Sup Kim4), Gi-Hong Han5), Hyeong-Kwan Woo6) and Yeong-Tae Seo7)

1)Department of Chemical Engineering, Konkuk University, Seoul 143-701

2)Korea Institute of Energy Research, Taejeon 305-343

3)Department of Environmental Engineering, Suwon University, Suwon 445-743

4)SK Chemical Co., 5)LG Chemical Co., 6)Pusan Dyeing Co., 7)Doosan Heavy Ind.

서론

유동층 연소로에서는 고체 입자의 격렬한 운동으로 전열 효과를 극대화 할 수 있는 장점이 있다. 반면에 층 내 전열관과 유동 매체의 충돌로 인하여 전열관에 마모가 발생하여 전열면의 수명이 짧아지고 이의 보수 및 유지 관리에 어려움을 겪는 단점이 있다. 순환 유동층 연소로에서 로 내 전열관 마모 완화 기술은 보일러의 운영에 있어서 아직도 더 개선되어야 할 중요한 기술이며, 계속적인 연구에 따른 장치 수명의 연장과 더 안정적인 조업 조건의 도출이 요구되는 분야이다. 본 연구에서는 기존에 보고된 전열관 마모에 대한 고찰과 더불어 실증적으로 국내 S사 순환 유동층 보일러에서 1999년도와 2001년도에 측정된 전열관 두께 자료를 분석 및 고찰하였다.

문헌고찰

전열관 마모에 영향을 주는 인자로서 유속의 영향[1, 2, 3 4], 고체 입경의 영향[1, 3], 입자형상의 영향[1, 5], 입자조성의 영향[5], 석탄 중 Cl 함량의 영향[6, 7], 전열관 재질의 영향[1, 8, 9], 전열관 표면 온도의 영향[10]이 보고되었으며, 기존 보고를 종합하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다. 기존 문헌을 종합한 결과 석탄 중의 Cl함량, 층 물질로서 석탄회, 석회석, 모래의 특성분석과 이의 검토가 필요한 것으로 사료되었으며, 층 물질의 경우에 입도별 조성(Si+Al, Ca+S), 밀도, 형상인자, 강도와 같은 특성들이 세부적으로 고려되어야 할 것으로 사료되었다. 층 물질은 가능한 입도가 작고, (Si+Al)의 함량이 작으며, 밀도가 작고, 구형도가 크며, 강도가 작은 것으로 선택되어야 한다. 운전 조건에서는 가능한 낮은 유동화 속도와 온도를 유지하고, 층 물질을 새 것으로 교체하기보다는 기존의 것을 계속 사용하는 것이 바람직한 것으로 사료되었다.

전열관 자료 분석

본 연구는 2001년 발표된 S사 순환 유동층 전열관 마모에 대한 보고[11]의 보완 연구로서 1999년도와 2001년도에 측정된 S사 순환유동층 연소로 내 전열관 두께 자료를 분석하였다. Fig. 1은 본 연구에서 고찰한 S사 순환 유동층 보일러의 개략도와 함께 수관벽(water wall) 전열관 배치를 나타내고 있다. 전열관은 연소로 내부에 총 372개가 설치되어 있으며, 전면에는 9개의 전열관으로 구성된 wing wall이 4 set가 위치해 있다. 뒷면(남측벽)의 상부에는 사이클론으로 나가는 기체 출구가 2개 있고, 하부에는 사이클론에서 포집된 입자의 재순환 주입구가 4개 있다. 수관벽을 구성하고 있는 전열관의 자세한 규격은 Table 1에 나타내었다.

본 연구에서는 1999년과 2001년에 측정된 전열관 자료를 분석하였으며 두께 자료는 각 벽면에 대해서 나타내었다. 기준 높이는 연소로 바닥이며, 전열관 마모 정도는 새 전열관을 기준으로 상대적으로 나타내었다. 따라서 두께 분포 자료에서 음(-)의 값은 마모에 의해서 새 전열관 두께보다 얇아졌음을 의미한다. 측정된 자료에는 양(+)의 값을 나타내는 부분도 많이 있다. 이는 새 전열관의 생산과정에서 있어서 두께 분포의 영향, 보수 유지 과정에서 변화된 두께 분포의 영향 때문인 것으로 볼 수 있다. 따라서 두께 분포 자료의 평가는 이들의 영향을 염두에 두고 고려되어야 할 것으로 사료되었다.

결과 및 고찰

측정된 전열관 자료는 전열관 번호와 측정위치를 각각 x축과 y축으로 하고, 상대적인 전열관 두께를 z축으로 하여 3차원으로 나타내었다. Fig. 2부터 Fig. 5는 1999년에 측정된 자료를 각 벽면에 따라 나타내고 있다. 북측벽(Fig. 2)에서는 연소로 바닥으로부터 약 5m지점까지 전열관의 두께가 기준 두께보다 얇게 나타나고 있으며, 동측벽(Fig. 3)에서도 역시 약 7m 지점 이하에서 전열관 두께가 얇게 형성되고 있음을 알 수 있다. 남측벽(Fig. 4)에서는 벽면의 양쪽 모서리 하부에 마모가 심하게 발생하고 있음에 관심을 집중할 필요가 있다. Fig. 5에서는 서측벽의 전열관을 나타내는데 역시 전열관 하부가 상대적으로 얇음을 알 수 있다.

Fig. 6부터 Fig. 9는 2001년의 자료를 나타낸다. 2001년 북측벽(Fig. 6)의 경우 1998년과 2000년에 측정 높이 10∼15m에서 두께가 얇은 부분이 형성되어 있던 현상은 발견되지 않았으나, 전열관 하부(10m 이하)에서는 각 연도마다 발견된 바와 동일하게 전열관이 얇게 형성되어 있었다. 동측벽(Fig. 7)에서도 전열관 하부에서 전열관이 얇게 형성되어 있다. 2001년의 자료 중에서 가장 주목할 벽면으로서 남측벽(Fig. 8)은 벽면의 양 모서리 하부에 심각한 마모가 발생하고 있음을 알 수 있으며, 이 현상은 1998년, 1999년, 2000년, 2001년에 모두 발생하고 있는 현상이다. 서측벽(Fig. 9)은 남측벽과 근접한 전열관의 두께가 더 얇게 형성되고 있으며, 높이는 약 10m 이하이다.

결론

전열관 두께 자료를 분석한 결과 1998년, 2000년에는 약 10∼15m의 높이에서 수평방향으로 전열관 두께가 얇은 부분이 있었으나, 1999년과 2001년에서는 발견되지 않았다. 그러나 전열관 하부에서 두께가 얇게 나타나는 현상은 매년 같았다. 전체적으로 전열벽의 하부에서 전열관의 두께가 얇은 것은 입자 거동이 격렬한 splash 영역의 영향으로 사료된다. 또한 매년 남측벽에서는 전열관의 양 모서리 부분에서 마모가 더욱 가중되었다. 이것은 사이클론으로 나가는 기체출구와 사이클론에서 포집된 입자의 재순환을 위한  주입구가 설치되어 있는 순환 유동층의 기하학적인 형태에 기인한 것으로 사료되었다.

감사

본 연구는 청정에너지개발사업의 일환으로 수행되었습니다. 연구비지원에 감사드립니다.

참고문헌

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2. Seitizinger, D. L.: Proc. of the 13th Int. Conf. on FBC, 585 (1995).

3. Rogers, W. A. and Boyle, E. J.:Proc. of the 12th Int. Conf. on FBC, 811 (1993).

4. Zhao C., Chang Z., Jin H. and Zhang L.:Proc. of the 16th Int. Conf. on FBC, FBC01-0181 (2001)

5. Lindsley, B. A., Marder, A. R. and Lewnard, J. J.: Proc. of the 12th Int. Conf. on FBC, 803 (1993).

6. Hou, P. Y., Sum, J. T., Niu, Y. and Stringer, J.: Proc. of the 15th Int. Conf. on FBC, paper No, FBC 99-0137 (1999)

7. Sethi, V. K., Barber, S. A., Sherman, S. K., Gonzalez, R. A., Puentes, E. and Stencel, J. M.: Proc. of the 10th Int. Conf. on FBC, 563 (1989)

8. Yamamoto, K., Kajigaya I., Sonoya  K. and Tsuji Y.: Proc. of the 16th Int. Conf. on FBC, FBC01-0191 (2001).

9. Vincent R. Q., Canonico D. A. and Wheeldon J. M.: Proc. of the 1989 Int. Conf. on FBC, 927 (1989).

10. Holtzer G. J. and Redmarkers P. L. F.:Proc. of the 1991 Int. Conf. on FBC, 743 (1991).

11. Kim T. W., Moon Y. S., Choi J. H., Shun D. W., Jung B. J., Kim S. S., Han G. H., Woo H. K. and Seo Y. T., Theories and Applications of Chem. Eng., 7(2), pp. 3843 (2001).

Table 1. Tube specifications

Type	Membrane wall
Tube O.D	63.5mm
Thickness	6.1mm
Material	A210A1
Tube pitch	88mm
Total tube number	372 EA
Wing wall	4set (each set has 9 tubes)

Fig. 1. Water wall.

Fig. 3 Relative tube thickness.

Left side(east) wall, 1999.

Fig. 2 Relative tube thickness.

Front(north) wall, 1999.

Fig. 4 Relative tube thickness.

Rear(south) wall, 1999.

Fig. 5 Relative tube thickness.

Right side(west) wall, 1999.

Fig. 6 Relative tube thickness.

Front(north) wall, 2001.

Fig. 7 Relative tube thickness.

Left side(wall), 2001.

Fig. 8 Relative tube thickness.

Rear(south) wall, 2001.

Fig. 9 Relative tube thickness.

Right side(west) wall, 2001.