Sulfate계 첨가제를 이용한 과열기의 고온부식 방지 최적화 연구

국문 초록 (Abstract)

화석연료의 고갈 및 환경오염에 대비하여 바이오매스 및 폐기물 연료로 대체하는 신재생연료 발전시스템 관련 시장이 크게 확장되고 있으며 국내의 경우 2012년 RPS(Renewable Portfolio Standard)제도 시행이후 신재생연료 전용발전 시장이 늘어나고 있다. 바이오매스와 폐기물은 화석연료에 비해 발열량이 낮고 가연성분 이외에 포함된 ash성분에 의해 연소장애 현상이 보고되고 있으며 특히 염소(Cl)는 다른 화합물과 반응하여 배기가스로 배출되어 열교환부에 슬래깅, 파울링 및 고온부식 문제를 발생시킨다.
염소에 의한 고온부식을 방지하기 위하여 재료적, 구조적, 연료적 측면에서 그동안 많은 연구가 진행되어 왔지만 원천적인 문제를 해결하지 못하였다. 이를 해결하기 위해 유럽을 중심으로 첨가제를 이용한 고온부식 방지 기술이 많은 연구가 진행 중이다. 그중 sulfate계 첨가제는 가장 효율이 좋은 것으로 알려져 있고 상용급 설비를 개발하여 판매중이다. 하지만 국내에는 관련 기술에 대한 노하우와 전문가가 없어 외국의 기술을 도입해야하는 실정이다.
본 연구는 폐기물 및 바이오매스를 연료로 사용하는 소각설비에서 발생하는 고온부식을 방지하기 위하여 염화알칼리에 의한 과열기 튜브의 부식특성을 분석하고 sulfate계 첨가제인 Ammonium sulfate를 이용하여 50T/D 폐기물 보일러에 적용을 통해 첨가제의 성능평가 및 최적화 조건을 도출하기 위하여 수행되었다.
염화알칼리의 부식특성을 알아보기 위하여 염화알칼리의 양과 온도에 따른 과열기 튜브로 사용되는 5 종류의 시편의 부식특성을 알아보았다. 그 결과 온도에 증가에 따라 부식량이 증가하는 경향을 확인하였고 염화알칼리에 의한 부식가속화현상을 확인하였다. 또 KCl의 부식성이 NaCl보다 강한 것을 확인하였다.
50T/D 폐기물 보일러의 부식저감 실험은 연료의 염소농도에 대비하여 Ammonium sulfate투입량을 조절하여 배가스 와 Test probe를 이용하여 부식저감 성능을 측정하였다. 첨가제의 투입영향으로 첨가제가 다량으로 투입될 시 다량의 수분이 투입으로 인한 보일러의 온도하락의 영향으로 열효율 감소 및 후단설비의 문제점이 발생되었다. 염화알칼리의 전환율을 분석하기 위하여 배가스 내 HCl을 측정한 결과 S/Cl ratio가 증가함에 따라 HCl이 증가하는 경향을 나타내었다. 투입위치는 750℃보다 800℃에서 염화알칼리의 높은 전환율을 보였다. Test probe의 결과 첨가제 투입에 따른 Ash의 deposition 량이 최대 78% 저감되었다. 또한 튜브의 주변온도가 높을수록 부식량이 증가하는 경향을 나타내었고 S/Cl ratio 증가에 따라 부식률이 낮아지는 것을 확인하였다. 재질의 특성은 대체로 Cr의 함량이 높은 재질의 내부식성이 높은 것으로 나타났다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The power systems market using renewable fuels, which replace biomass and waste fuels in preparation for depletion of fossil fuels and environmental pollution, has been greatly expanded. In Korea, the power generation market with renewable fuels has been rise due to the Renewable Portfolio Standard (RPS) system from 2012. Biomass and wastes fuel have lower calorific value and various hazardous materials than fossil fuels. In particular, The chlorine plays a major role in slagging and fouling at heat exchanger part of boiler that can lead to reduction of capacity ratio and increase the operation costs by high temperature corrosion.
Chlorine is mainly responsible for the High Temperature corrosion issues, which typically occur in the surface of high temperature heat exchanger like a superheater or reheater. In order to mitigate the problem, various approaches have been proposed in therms of design modification, uese more corrosion-resistant materials, fuel pre-treatment and additive utilization.
In this study, investigates the corrosive effect of alkali chlorides according to superheater tube materials and the effect of using sulfate based additives by laboratory and field exposures. And reduction effect of NOx by ammonium sulfate was analyzed in field.
The laboratory results show that KCl and NaCl strongly accelerate the high temperature corrosion. And additive is selected to ammonium sulfate due to feature of solubility and decomposition. The field study shows that the addition of additive to the fuel mitigates corrosion in the superheater region.
The NOx reduction performance of ammonium sulfate was similar to SNCR system. In addition, when the amount of additive was increased, NOx decreased to 5 ppm.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서 론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 연구 목적 3
• 1.3 연구 방법 4
• 제2장 과련 이론 및 기존연구 5
• 2.1 폐기물 이용기술 5
• 2.2 고온부식 9
• 2.3 고온부식 방지기술 12
• 2.4 첨가제를 이용한 고온부식 방지기술 14
• 2.5 Sulfate계 첨가제 19
• 제3장 실험내용 및 방법 28
• 3.1 첨가제 선정 28
• 3.1.1 용해도 28
• 3.1.2 열분해 특성 분석 29
• 3.2 염화알칼리에 의한 시편의 부식 실험 34
• 3.2.1 시편의 종류 34
• 3.2.2 실험 방법 35
• 3.2.3 분석 방법 36
• 3.3 50T/D 폐기물 소각설비의 부식저감 실험 38
• 3.3.1 폐기물 38
• 3.3.2 50T/D 폐기물 소각 설비 39
• 3.3.3 첨가제 투입 설비 41
• 3.3.4 실험 조건 및 분석 방법 43
• 제4장 결과 및 고찰 49
• 4.1 염화알칼리에 의한 시편의 부식 특성 49
• 4.2 50T/D 폐기물 소각설비의 부식저감 특성 53
• 4.2.1 첨가제 투입에 다른 보일러 운전영향 53
• 4.2.2 첨가제 투입에 다른 HCl의 거동 특성 54
• 4.2.3 첨가제 투입에 따른 ash 거동 특성 55
• 4.2.4 첨가제 투입에 따른 시편의 부식 특성 58
• 4.3 첨가제에 의한 NOx 저감 특성 60
• 제5장 결 론 62
• 참고문헌 64
• 부록 68
• Abstract 77