🔥 보일러 효율을 극대화하는 비법: 절탄기 문제와 완벽 해결책!

🔥 보일러 효율을 극대화하는 비법: 절탄기 문제와 완벽 해결책!

 

목차

1. 보일러 절탄기란 무엇인가요?
   • 절탄기의 정의와 작동 원리
   • 절탄기 사용의 주요 이점
2. 절탄기에서 흔히 발생하는 문제점
   • 저온 부식 문제의 발생 원인과 영향
   • 열전달 효율 저하 문제
   • 기타 운전 및 유지보수 문제
3. 절탄기 문제 해결을 위한 구체적인 방법
   • 저온 부식 방지 대책
   • 열전달 효율 개선 방안
   • 운전 및 유지보수 최적화 전략

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1. 보일러 절탄기란 무엇인가요?

절탄기의 정의와 작동 원리

보일러 시스템에서 절탄기(Economizer)는 배기가스(연소 후 가스)의 잔열을 이용하여 보일러 드럼으로 공급되는 급수(Feed Water)를 미리 가열하는 열교환 장치입니다. 'Economizer'라는 이름처럼, 연료(탄, Oil, Gas 등)를 절약하여 보일러의 열효율을 높이는 핵심적인 역할을 수행합니다.

작동 원리는 비교적 간단합니다. 연소실을 통과한 후에도 여전히 높은 온도를 가진 배기가스는 보일러의 최종 연소 가스 통로를 지나게 되는데, 이 통로에 설치된 수많은 튜브 다발(Tube Bundles)이 바로 절탄기입니다. 차가운 급수가 이 튜브 내부를 흐르면서 외부를 흐르는 고온의 배기가스와 열교환을 하여 온도가 상승하게 됩니다. 이처럼 예열된 급수가 보일러 드럼(Drum)으로 유입되면, 증기를 생성하는 데 필요한 연료 투입량이 줄어들게 되어 보일러 효율이 크게 향상됩니다.

절탄기 사용의 주요 이점

절탄기를 사용함으로써 얻을 수 있는 가장 큰 이점은 보일러 열효율의 극대화입니다. 배기가스의 잔열을 회수하여 연료 소비를 절감하고, 같은 양의 연료로 더 많은 증기를 생산할 수 있습니다. 일반적으로 절탄기를 설치하면 보일러 효율이 5%에서 15% 가량 향상되는 것으로 알려져 있습니다.

또한, 급수를 예열함으로써 보일러 드럼이나 수관(Water Wall)에 유입되는 물과 기존의 증발 수 사이의 온도 차를 줄여 열응력(Thermal Stress) 발생을 완화하고, 보일러의 수명을 연장하며 안전성을 높이는 부가적인 효과도 있습니다. 급수 예열은 탈기 장치(Deaerator)의 부하를 줄이는 데도 도움을 주어 보일러 시스템 전체의 안정적인 운전을 지원합니다.

2. 절탄기에서 흔히 발생하는 문제점

저온 부식 문제의 발생 원인과 영향

절탄기에서 가장 흔하고 심각하게 발생하는 문제 중 하나는 저온 부식(Low-Temperature Corrosion)입니다. 이 문제는 주로 황(Sulfur) 성분이 포함된 연료(예: 중유, 석탄)를 사용할 때 발생합니다. 배기가스 내에 포함된 이산화황($\text{SO}_2$)이 산소와 결합하여 삼산화황($\text{SO}_3$)이 되고, 이 $\text{SO}_3$가 절탄기 튜브 표면 온도보다 낮은 온도에서 급수와 만나게 되면 황산($\text{H}_2\text{SO}_4$)으로 응축됩니다.

$$
\text{SO}_2 + \frac{1}{2}\text{O}_2 \rightarrow \text{SO}_3
$$
$$
\text{SO}_3 + \text{H}_2\text{O(g)} \rightarrow \text{H}_2\text{SO}_4
$$

이 황산이 절탄기 튜브의 금속 표면(주로 탄소강)을 부식시키는데, 특히 튜브 표면 온도가 황산의 노점 온도(Dew Point)보다 낮을 때 활발하게 진행됩니다. 이로 인해 튜브의 두께가 급격히 감소하고 결국에는 튜브 파열(Tube Rupture)로 이어져 보일러 가동이 중단되는 심각한 결과를 초래합니다. 연료 내의 황 성분 함량이 높을수록, 그리고 급수 온도가 낮을수록 부식 위험은 커집니다. 황산 노점은 일반적으로 $130^\circ\text{C}$~$160^\circ\text{C}$ 사이에 분포하지만, 농도에 따라 달라질 수 있습니다.

열전달 효율 저하 문제

또 다른 주요 문제는 절탄기 튜브 표면에 미연소 물질이나 재(Ash) 등의 이물질이 쌓여 발생하는 오염(Fouling) 및 스케일(Scale) 축적으로 인한 열전달 효율 저하입니다. 연료 연소 시 발생하는 미세한 분진(Dust)이나 회분(Ash)이 고온의 배기가스에 의해 운반되다가 절탄기 튜브 외벽에 달라붙어 열 흐름을 방해합니다.

이러한 오염층은 단열재 역할을 하여 배기가스와 급수 간의 효율적인 열교환을 가로막습니다. 결과적으로, 급수 온도의 상승 폭이 줄어들어 증기 생산을 위해 더 많은 연료를 투입해야 하며, 이는 다시 연료 소비 증가와 보일러 효율 저하로 이어집니다. 심할 경우 배기가스 통로를 막아 압력 강하(Draft Loss)를 증가시키고, 보일러 후단의 유인 통풍기(ID Fan)에 과부하를 유발할 수도 있습니다.

기타 운전 및 유지보수 문제

저온 부식과 효율 저하 외에도, 절탄기에서는 다음과 같은 문제들이 발생할 수 있습니다.

• 급수 유량 불균형(Uneven Flow Distribution): 절탄기 튜브 다발 내에서 각 튜브로 공급되는 급수의 유량이 균일하지 않으면 특정 튜브에 과열(Overheating)이나 부식 위험이 집중될 수 있습니다.
• 진동 및 마모(Vibration and Erosion): 고속의 배기가스 흐름이 절탄기 튜브를 통과하면서 진동을 유발할 수 있으며, 배기가스 내의 고형 입자가 튜브를 마모(Erosion)시켜 수명을 단축시킬 수 있습니다.
• 증발 및 과열(Steaming and Overheating): 급수 온도가 너무 높아져 절탄기 내에서 물이 증발(Steaming)하게 되면 튜브 내부에 스케일이 형성되거나 과열이 발생하여 튜브가 손상될 위험이 있습니다. 이는 주로 부하 변동이 심할 때 발생합니다.

3. 절탄기 문제 해결을 위한 구체적인 방법

저온 부식 방지 대책

저온 부식 문제를 해결하는 핵심은 절탄기 튜브 표면 온도를 황산 노점 온도 이상으로 유지하는 것입니다. 이를 위한 구체적인 방법은 다음과 같습니다.

1. 급수 온도 상승(Increasing Feed Water Temperature): 가장 효과적인 방법입니다. 절탄기로 들어가는 급수의 온도를 강제적으로 올리면 튜브 외벽 온도가 상승하여 황산 응축을 막을 수 있습니다.
   • 증기 인출 및 혼합: 보일러 드럼에서 증기를 인출하여 절탄기로 들어가는 급수에 직접 분사하거나 열교환기(Steam Heater)를 통해 급수를 예열하는 방식을 사용합니다.
   • 순환펌프 이용: 절탄기 출구의 고온수를 일부 다시 입구로 순환시키는 급수 바이패스 순환(Feedwater Bypass Recirculation) 시스템을 구축하여 입구 온도를 조절합니다.
2. 저황 연료 사용: 황 함량이 낮은 연료(예: 천연가스, 저유황유)를 사용하면 배기가스 내 $\text{SO}_3$ 생성을 근본적으로 줄여 황산 노점 온도를 낮출 수 있습니다.
3. 부식 저항성 재료 사용: 부식 위험이 높은 절탄기 입구부에는 탄소강 대신 스테인리스강(Stainless Steel)이나 내식성이 강화된 합금강 튜브를 사용합니다.

열전달 효율 개선 방안

오염으로 인한 효율 저하를 방지하고 개선하기 위한 방안은 다음과 같습니다.

1. 정기적인 세정(Soot Blowing): 보일러 운전 중에 튜브 외벽에 쌓인 재와 분진을 제거하기 위해 증기나 압축 공기를 분사하는 수트 블로어(Soot Blower)를 정기적으로 작동해야 합니다. 오염 정도에 따라 블로어 작동 횟수와 시간을 최적화하는 것이 중요합니다.
2. 연소 조건 최적화: 불완전 연소는 그을음(Soot)과 미연소 탄소(Unburnt Carbon) 생성을 증가시켜 오염을 가속화합니다. 공기-연료 비율(Air-Fuel Ratio)을 정밀하게 조절하고, 버너를 최적의 상태로 유지하여 완전 연소를 유도해야 합니다.
3. 물 세정(Water Washing): 운전 정지 시 절탄기 표면의 딱딱하게 굳은 오염 물질을 제거하기 위해 고압수를 이용한 세정을 실시합니다. 단, 세정 후 잔류하는 수분이 부식을 일으키지 않도록 충분한 건조가 필수적입니다.
4. 핀 튜브 설계 검토: 튜브 표면에 핀(Fin)을 부착하여 전열 면적을 넓힌 핀 튜브(Finned Tube)는 일반 튜브보다 효율은 높지만, 재가 쉽게 쌓일 수 있으므로 사용 연료 특성에 맞는 적절한 핀 간격과 형태를 적용해야 합니다.

운전 및 유지보수 최적화 전략

절탄기의 안정적인 운전과 수명 연장을 위한 기타 전략입니다.

• 온도 및 압력 모니터링: 급수 입/출구 온도, 배기가스 입/출구 온도, 압력 강하 등을 실시간으로 정밀하게 모니터링하여 효율 저하 또는 부식 발생의 징후를 조기에 포착합니다. 절탄기 출구 온도가 증발 온도에 너무 근접하지 않도록 관리하여 증발(Steaming)을 방지해야 합니다.
• 급수 수질 관리: 급수 내 용존 산소(Dissolved Oxygen) 및 불순물 함량을 엄격하게 관리하여 튜브 내부의 부식 및 스케일 형성을 최소화합니다.
• 정기적인 비파괴 검사(NDT): 운전 정지 기간을 활용하여 초음파 검사(UT) 등을 통해 튜브의 잔여 두께를 측정하고 마모 또는 부식으로 인한 손상 여부를 확인하여, 문제가 심각해지기 전에 교체 등의 조치를 취합니다.

이러한 포괄적인 접근 방식을 통해 보일러 절탄기의 문제를 효과적으로 해결하고, 보일러 시스템의 안정성과 에너지 효율을 장기간 유지할 수 있습니다.