Korean Chemical Engineering Research

상용 순환 유동층 연소로 수관벽 전열관 마모속도

김태우·최정후^†·선도원*·손재익*·정봉진**·김수섭***·김상돈****

건국대학교화학공학과, 차세대환경기술센타

143-701 서울시광진구화양동 1

*한국에너지기술연구원

305-343 대전시유성구장동 71-2

**수원대학교환경공학과

445-743 경기도화성시봉당읍와우리산2-2

***SKC(주)

680-160 울산시남구황성동 600

****한국과학기술원생명화학공학과

305-701 대전시유성구구성동 373-1 (2005년 2월 18일접수, 2005년 4월 23일채택)

Tube Erosion Rate of Water Wall in a Commercial Circulating Fluidized Bed Combustor

Tae-Woo Kim, Jeong-Hoo Choi

, Do-Won Shun*, Jae-Ek Son*, Bongjin Jung**, Soo-Sup Kim*** and Sang-Done Kim****

Department of Chemical Engineering, Innovative Environmental Technology Center, Konkuk University, 1, Hwayang-dong, Gwangjin-gu, Seoul 143-701, Korea

*Korea Institute of Energy Research, 71-2, Jang-dong, Yuseong-gu, Daejeon 305-343, Korea

**Department of Environmental Engineering, Suwon University, San 2-2, Wau-ri, Bongdam-eup, Hwaseong-si, Gyeonggi-do, 445-743, Korea

***SK Chemical Co., 600, Hwangsung-dong, Nam-gu,Ulsan, 680-160, Korea

****Department of Molecular Biology and Chemical Engineering, KAIST, 373-1, Guseong-dong, Yuseong-gu, Daejeon 305-701, Korea (Received 18 February 2005; accepted 23 April 2005)

요 약

상용순환유동층연소로(200 ton steam/hr, 4.97×9.90×28.98 m)의수관벽에서전열관의마모속도를측정및고찰하 였다. 전열관의두께는초음파측정방법을이용하여측정되었다. Splash 영역에서윙월을포함한모든수관벽전열관 의마모속도가두드러졌다. 전열관의마모속도는분배기로부터높이가증가함에따라서감소한후다시증가하였다.

프리보드기체출구부근의윙월에서는기체및고체흐름의편향성으로인한마모속도의차이도나타났다. 윙월의마 모속도는연소로단면의중앙에위치할수록크게나타났다.

Abstract −The erosion rate of water wall tube has been measured and discussed in a commercial circulating fluidized bed combustor (200 ton steam/hr, 4.97 × 9.90 × 28.98 m height). Tube thickness was measured with ultrasonic method.

Severe tube erosion rate was observed in the splash region on all waterwalls including wingwalls. The tube erosion rate increased after an initial decrease as height from the distributor increased. The difference of erosion rate among wing walls was found due to unbalanced distribution of gas and solid flow rates. The erosion rate of the wing wall increased as location of the wing wall became closer to the center of combustor crosssection.

Key words: Tube Erosion Rate, Tube Erosion, Circulating Fluidized Bed, Combustor, Erosion

†To whom correspondence should be addressed.

E-mail: [email protected]

1. 서 론

순환유동층연소로는다양한연료를대상으로높은연소효율과 열전달속도를유지하면서설계될수있고, 석회석이나백운석등의 탈황제를유동매체인층물질로사용하여연소기체중 SO2를직접

흡수하여제거할수있으며, 연소온도가낮아서 NOx의생성을억 제할수있는장점이있어서중대형의보일러에널리사용되고있다.

유동층연소로에서는고체입자가격렬히혼합되고거동하므로 전열면의경계층을깨어서전열효과를극대화한다. 반면에전열관 과유동매체의충돌접촉으로인하여전열관표면에마모가발생한 다. 이로인하여층내에설치한전열관의계속적인보수및유지 관리가필요하다. 순환유동층연소로에서마모는층내전열관, 로

내수관벽, 로내과열기, 대류전열부에설치된전열관과연소로하 부(석탄주입구, 벽면양모서리, 벽면하부), 기체출구, 사이클론에 설치된내화물그리고분산판등에서주로발생된다. 이중가장중 요하게대두되는부분은로내수관벽이다.

마모는여러가지원인에의해발생되며, 유속, 연소로및전열관 의온도등과같은운전변수의영향과석탄, 석탄회, 탈황제, 층물 질등의입자특성의영향과전열관의재질등의영향으로분류되어

생각될수있다. 전열관마모에영향을미치는인자로서 Seitzinger[2]

는 30 MWe(123 ton steam/hr)규모의 lurgi 형태의순환유동층연 소로에서운전조건의변화(증기생산량증가)와기체흐름분배에기 인한기체유속의증가가전열관마모의주원인이라고보고하였다.

Zhao 등[3]은가압유동층실험장치에서유동층내부에설치된관

의마모에미치는압력과유동화수(fluidization number)의영향에

대해보고하였다. 그들은마모의심각한정도는층내의유동화형 태가주원인이라고하였다. 그들은마모율(관표면의단위면적당,

단위시간당무게감량)은유동화수(유동화속도의최소유동화속도 에대한비)가증가함에따라증가하다가일정한유동화수에서최 대값을보인후감소하는것으로보고하였다. Han[12]은유동화속 도의증가에따라기포가합체되어크기가커져기포가안고있는 층물질이증가하고, 기포의빈도가커지며, 기포의상승속도가빨라 져그에따른운동량이증가하기때문에마모율이증가한다고보고 하였다.

고체입자의입경이증가하면마모속도가증가하는데이는입경

이증가하면입자의관성력(inertia force)이증가하여입자의운동

량이유지된채로전열관에충돌하게되고또충돌효과가증가하 기때문으로보고되었다[4]. 입자의구형도가작아지면전열관의마 모속도가증가되는것으로보고되었다[5]. Ninham 등[6]의보고에 따르면새층물질을사용하는것이기존에사용되던층물질을사 용하는것보다더큰마모성을나타내었다. 따라서층물질의교환 주기가긴것이마모를줄이는데효과적임을의미하였다.

Lindsley 등[5]은 전열관마모에영향을주는고체성분으로

(Si+Al)와 (Ca+S)의영향을보고하였다. 입자조성에 (Si+Al)이많

으면마모성이증가되며, 반면에 (Ca+S)가많으면마모성이감소되

었다. 입자내부에 (Si+Al)이분포하고, 표면에 (Ca+S)가분포하면 마모성이감소되는데, 이는 (Ca+S) 성분이많고입자표면에분포하

게되면전열관표면에 (Ca+S)의침적물이형성되고, 이의완충역

할로인해전열관의마모속도가감소되는것으로보고하였다.

석탄중의염소(Cl) 함량은채탄깊이가증가함에따라증가하는

것으로보고되었으며, 대부분의염소는석탄중의유기물에포함되

어있어서가열하면염산(HCl)의형태로증발되는것으로보고되었

다[7]. Hou 등[7]은전열관마모에대한염소의영향에관한실험에

서 HCl의농도가증가하면마모율이지수적으로증가하는것으로 보고하였다. 반면에 Sethi 등[8]은그들의보고에서염소함량이큰 석탄을사용하는경우에전열관의마모가 50％까지증가될수있음 을확인하였고, 이는미분탄연소에서얻어진결과와유사하였으나,

마모속도의증가가반드시석탄내염소함량의증가때문만으로 볼수없다고보고하였다.

Nimhan 등[6]은마모모사실험장치에서전열관재질의내마모

성및 내산성에대한 실험을수행하였다. Fe-5Cr-a ferritic alloy

(laboratory purity)는내마모성과내산성이모두나빴다. 상용등급

Fe-9Cr-1Mo-a martensitic alloy와 Fe-15Cr-a chromia-forming ferritic

alloy(laboratory purity)의 내마모성과 내산성은 중간급이었다.

Yamamoto 등[9]은가압유동층실험장치에서여러가지재질의전

열관을이용하여재질에따른마모도를보고하였다. High Cr ferric steel(ASME SA213-T91)과일반적인 18Cr-8Ni austenitic steel(MITI- SUS304J1HTB)는내마모성이좋았으나, 25Cr austenitic steel(MITI- SUS301J1TB)는온도 600^oC 가까이에서는좋으나, 550-600^oC에서 는나빴다. Ninham 등[6]과 Yamamoto 등[9]의보고에의하면조업 온도와전열관의재질에따라내마모성과내산성이다르게나타났다.

Vincent 등[10]은 TVA의상압유동층연소로내의금속마모에

대해고찰하였다. 그들은탄소강의마모지수를 1.0으로기준하여다 른재질의전열관의상대적인마모지수를나타내었다. Chromized 210과 WC18943 coating이 0.1로가장낮았으며, 304 Co-extrusion은

1.3이었다. Holtzer와 Redmarkers[11]은전열관의표면온도가일정 값이상에서는온도가증가함에따라서전열관의마모속도는감소 하는것으로보고하였다.

한편수관벽에서발생되는마모속도의분포를전체적으로보여주 는자료는마모형태에대한이해를돕고보일러의운전및유지에 큰도움을줄수있으나아직제시된바없다. 본연구에서는국내 에서조업중인 S사의열병합발전용순환유동층보일러의연소로에 서수관벽의마모속도분포를고찰하였다. 측정된수관벽전열관의 두께자료를분석하여마모속도분포를구하고연소로내에서발생하 는마모속도에대한정량적인분석을수행하였다.

2. S사 순환 유동층 연소로

본연구에서고찰한 S사순환유동층연소로(200 ton steam/hr,

4.97×9.90×28.98 m height)는 loopseal 방식으로회재를재순환하는

Ahlstrom사형태이다. 보일러공정은연소로, 2개의고온사이클론, 루

프실(loopseal) 그리고대류전열부로구성되며, 외부열교환기를사

용하지않고연소로의벽면을통하여주된전열을하는것이특징

이다. Fig. 1은수관벽으로이루어진연소실의모양을나타낸다. 순

환유동층연소실의전체높이는 28.98 m이며, 로바닥으로부터 3.5 m

지점까지 80 mm의두께로내화물이설치되어있고, 전면(북측벽)

과후면(남측벽)은로상부로부터 25.75 m 지점부터안쪽으로 21^o

기울어져있는구조이다. 연소로내벽은총 372개의전열관이횡방 향으로연결되어구성된다. 전면에는 9개의전열관으로구성된윙

월(wing wall) 4세트가설치되어있다. 연소로내벽을구성하는전

열관의사양은 Table 1에나타나있다. 후면(남측벽)의상부에는사 이클론으로나가는기체출구가 2개있고, 하부에는사이클론에서 포집된입자의재순환주입구가 4개있으며, 주입되는석탄은재순

환주입구로함께공급된다. Fig. 1에나타난바와같이연소로의전

열관은전면(북측벽)의좌편끝전열관부터시작하여동측→남측→

서측방향으로번호가부여되어있다. 전열관의위치에따른횡방

향거리는 Table 2에의해서환산될수있다.

전열관두께측정에는초음파측정방법이사용되었다. 전열관단 면에서측정위치는내측정면으로하였고, 연소로의각면에있는 모든전열관을대상으로하여축방향으로여러위치에서측정하여 높이에따른전열관두께분포를관찰하였다. 1998년정기보수시에

측정된전열관두께에서 2002년정기보수시에측정된전열관두께

를뺀차이를가지고전열관의마모속도를결정하였다. 연소로의평 균운전조건은 Table 3과같이요약된다. 전열관의마모속도는연례

보수가이루어지지않는연소로바닥으로부터높이 7 m 이상의전 열관에대해서고찰하였다.

3. 결과 및 고찰

전열관마모속도자료는 Fig. 1과같은순서로매겨진전열관번

호와측정위치를각각 x축과 y축으로하고, 전열관두께를 z축으로 하여측정높이와전열관번호에따른마모속도분포로나타내었다.

x축방향으로거리는 Table 2의요령으로환산하여구할수있다.

한편, 유동층연소로에서마모에의해문제가발생되어운전정 지및보수, 수리를하게되는경우는가장극심하게마모된부위에 문제가발생한경우이다. 따라서전열관의마모속도는연소로의유 지관리측면에서볼때가장빠른마모속도를기준으로예측하는 것이타당한것으로사료되었다. 따라서본연구에서는각각의측 정높이에서여러개의전열관중최대마모속도를고찰하였다.

Fig. 2부터 Fig. 5은본연구에서결정된최대마모속도를각벽

면별로나타낸그림이다. 기준높이(연소로바닥)로부터 7 m까지는 심한마모로전열관이주기적으로코팅제로보수되어정확한마모 속도를결정할수없었으므로, 기준높이로부터 7 m 이하의높이에 서측정된자료는전열관마모속도고려대상에서제외하였다.

Fig. 2은전면(북측벽)에서각측정높이에서결정된최대마모속

도를나타내고있다. 벽의하부(높이 7 m)에서 1.85×10⁻³ mm/day를 보이고높이가증가함에따라서마모속도는지수적으로감소한후 높이약 17 m에서 0.32×10⁻³ mm/day를보이고다시증가하여프 리보드정상의기체출구근처에서 1.05×10⁻³ mm/day를나타내었다.

기체분배기로부터높이 3.5 m까지는내화물벽으로전열관이보 호되어있으며, 이상의높이에서는전열관벽이노출되어있다. 측정

Fig. 1. Layout of water wall tubes in the combustor.

Table 1. Tube specifications

Type Outside diameter of tube Tube thickness Material Tube pitch Total number of tubes Wing wall

Membrane wall 63.5 mm 6.1 mm A210A1 88 mm 372 EA 4 set (each set has 9 tubes)

Table 2. Equations for horizontal distance of center of a tube in Fig. 1(b)

Wall Direction Range of tube no. Equation for horizontal distance in mm.

North A^→B 1-14 (tube no. -1)×88+44

24-50 (tube no. -24)×88+1,232

60-90 (tube no. -60)×88+3,696

100-126 (tube no. -100)×88+6,424

136-148 (tube no. -136)×88+8,800

Wing From north wall to inside 14-23 (tube no. -14)×88

50-59 (tube no. -50)×88

90-99 (tube no. -90)×88

126-135 (tube no. -126)×88

East B^→C 149-204 (tube no. -149)×88+44

South C^→D 205-316 (tube no. -205)×88+44

West D^→A 317-372 (tube no. -317)×88+44

Table 3. Average operation condition Operation

days [day]

Steam generation

[ton/h]

Mean bed temperature

[^oC]

Total air flow

[Nm³/s] Gas velocity [m/s]

1228 159 820 53.56 4.35

범위에서하부는유동층의 splash 영역에해당되며, 이영역에서는 고체가격렬하게튀어오르고전열관에충돌하여전열관의마모를 가중시킨다. 결과적으로이이유로전열벽의하부에서전열관의마

모속도가크며, 높이가증가함에따라서 splash 영역의고체농도가

감소하기때문에마모속도는감소한다. 한편, 프리보드기체출구부 근에서는기체흐름방향의변화로고체의재순환현상이나타나고 이로인하여고체농도가증가되며, 고체농도는높이가낮아짐에따 라서감소된다. 결과적으로이로인하여기체출구부근의전열관의 마모속도가커지는것으로사료되며, 이영향은높이가낮아짐에따 라서감소하는것으로사료된다.

Fig. 3은연소로의동측벽에서각측정높이에서결정된최대마

모속도를나타내고있다. 북측벽과유사하게연소로하부(0.97×10⁻³ mm/day)와프리보드기체출구부근(0.97×10⁻³ mm/day)에서큰마모 속도를나타내며, 중간높이에서는대략적으로최소값을나타내는

경향이다. 연소로하부는유동층의 splash 영역으로고체입자의격

렬한거동으로전열관의마모가심하게발생하는것으로사료되었

다. 높이가증가함에따라서 splash 영역의고체농도가감소하기때

문에마모속도는감소한다. 한편, 프리보드기체출구부근에서는기 체흐름방향의변화로고체의재순환현상이나타나고이로인하여 고체농도가증가되며, 고체농도는높이가낮아짐에따라서감소된 다. 결과적으로이로인하여기체출구부근의전열관의마모속도가 커지는것으로사료되며, 이영향은높이가낮아짐에따라서감소 하는것으로사료된다. 사이클론으로향하는기체출구는벽상부오 른쪽에접한다.

Fig. 4는연소로의후면(남측벽)에서각측정높이에서결정된최

대마모속도를나타내고있다. 북측벽과유사하게하부(1.45×10⁻³ mm/day)와프리보드기체출구(0.97×10⁻³ mm/day)에서마모속도가 상대적으로크게나타났고, 중간높이에서는최소값을갖는경향을 나타내었다. 이는유동층의 splash 영역에서입자의격렬한거동으 로전열관의마모가심하게발생하기때문이며, 높이가증가할수록 입자의농도가감소하기때문에마모속도는감소한다. 프리보드기 체출구부근에서는기체흐름방향의변화로고체의재순환현상이나

타나고이로인하여고체농도가증가되며, 고체농도는높이가낮아 짐에따라서감소된다. 결과적으로이로인하여기체출구부근의전 열관의마모속도가커지는것으로사료되며, 이영향은높이가낮 아짐에따라서감소하는것으로사료된다. 사이클론으로향하는두 개의기체출구는전열벽상부양쪽모서리에위치한다. 벽상부의큰 마모속도는모두각기체출구에인접한전열관에서발생하였다.

Fig. 5는연소로의서측벽에서각측정높이에서결정된최대마

모속도를나타내고있다. 북측벽, 동측벽, 남측벽과유사하게전열

벽하부(1.3×10⁻³ mm/day)와 프리보드기체출구부근의전열관

(1.05×10⁻³ mm/day)의마모속도가크며중간높이에서는최소값을

나타내고있다. 다른벽들과유사하게 splash 영역에서고체의격렬

한거동으로전열관의마모가심하게발생하며, 프리보드기체출구

Fig. 2. Maximum tube erosion rate profile of front(north) water wall. Fig. 3. Maximum tube erosion rate profile of east water wall.

Fig. 4. Maximum tube erosion rate profile of rear(south) water wall.

부근에서는기체흐름방향의변화에따른고체농도의증가로마모가 심하게발생하는것으로사료된다. 하부에서는높이가증가함에따 라서고체농도가감소하기때문에마모속도가감소하며, 프리보드 기체출구부근에서는높이가감소함에따라서고체농도가감소하기 때문에마모속도는감소한다. 벽의상부좌측에사이클론으로향하 는기체출구가인접해있다.

Fig. 6은연소로의전면(북측벽)에설치된 wing wall에서최대마 모속도를나타낸다. 첫번째윙월에서는하부에서마모속도가큰값 을보이며, 높이가증가할수록감소하는경향을보였다. 그러나 2, 3, 4번째윙월에서는하부에서마모속도가큰값을보이며, 높이가 증가할수록감소한후다시증가하여프리보드기체출구에서큰값 을보이는경향을나타내었다. 결과적으로유동층의 splash 영역에 서는입자의격렬한거동으로전열관의마모가심하게발생하는것 으로나타났다. 한편, 프리보드기체출구부근에서는기체흐름방향 의변화에따른고체농도의증가로마모가심하게발생하는데이의 영향은윙월에따라차이가있는것으로나타났다. 즉두개의기체 출구로향하는기체및고체의편향흐름으로인하여횡방향으로고 체농도의차이가발생하며, 이의영향으로(동측벽에인접한출구로 향하는유량이더크기때문에) 첫번째윙월보다는 2, 3, 4번째윙 월에서마모속도가더큰것으로예측되었다. 한편, 중앙에위치하

고있는두번째와세번째 wing wall의최대마모속도값이전체높

이에서다소크게나타나고있는점이주목할만하다. 이것은기체 속도가양측벽에가까운단면에서보다는중앙단면에서더빨라서 마모속도가더크기때문인것으로설명될수있었다.

5. 결 론

상용순환유동층연소로의수관벽에서전열관의마모속도를측 정및분석하였다. Splash 영역에서전열관의마모가심하게발생하 며, 이영역에서마모속도는높이가증가함에따라서감소한다. 그 러나마모속도는다시증가하여프리보드기체출구에서큰값을나 타낸다. 윙월(wing wall)에서도 splash 영역에서마모속도가크게나

타났고, 높이가증가함에따라서감소하였으며, 프리보드기체출구 에서는기체및고체흐름의편향성으로인하여마모속도의차이가 나타나는것으로사료되었다. 연소로단면의중앙에위치한수관벽 에서마모속도가더크게나타났다.

감 사

본연구는산업자원부에너지관리공단의청정에너지기술개발사 업의지원으로수행된과제임을밝힙니다.

참고문헌

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