KR20040100596A - 첨가제를 이용한 발전소 부식 방지 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 온도 영향에 의한 발전소 부식 방지 방법에 관한 것으로, 발전소의 부식을 야기하는 불순물의 종류에 따라 화학적 첨가제 또는 오일 첨가제를 결정하는 단계와; 상기 불순물의 양에 대응하는 양의 상기 결정된 첨가제를 연료에 주입하여 바나듐 및 황에 의한 기기의 부식을 방지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 함으로써, 첨가제를 사용하여 바나듐(V)으로 인한 부식을 방지하고, 다량의 황(S) 성분을 제거하여 보일러 뿐만 아니라 연소 가스가 지나가는 모든 기기와 덕트에 황으로 인한 부식을 억제하여 경제적으로 배출 제어 장비(Emission Control Equipments)를 설계할 수 있는 효과가 있다.

Description

첨가제를 이용한 발전소 부식 방지 방법{Method for Preventing Corrosion of Power Plant Using Additive}

본 발명은 온도 영향에 의한 발전소 부식 방지 방법에 관한 것으로, 특히 첨가제를 사용하여 바나듐(V)으로 인한 부식을 방지하고, 다량의 황(S) 성분을 제거하여 보일러 뿐만 아니라 연소 가스가 지나가는 모든 기기와 덕트에 황으로 인한 부식을 억제하여 경제적으로 배출 제어 장비(Emission Control Equipments)를 설계할 수 있도록 하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 국내의 발전소에서 사용하는 양질의 연료와는 달리 해외의 발전소에서는 매우 저질의 연료를 주연료로 하여 발전소를 가동하는 경우가 많다. 이러한 저질의 연료는 발열량에 있어서 뿐만 아니라 다량의 환경 오염 물질과 발전소의성능 유지에 있어서 심각한 영향을 주는 불순물을 다량 함유하고 있는 경우도 있는데 이러한 성분들로는 황, 바나듐 등을 들 수 있다.

상기 바나듐은 은백색 혹은 회색의 금속으로 철보다 가볍고 알루미늄보다는 약간 무거운 비교적 가벼운 원소이다. 또한, 실온에서 습기, 공기, 심지어 산, 알칼리에 의한 부식에 잘 견딜 수 있지만 온도를 높이면 그 성질이 변하게 된다. 바나듐은 여러 가지의 산화 상태를 갖고 거의 모든 금속과 결합한다.

상기 황은 순수한 원소 그 자체로도 상당히 잘 알려진 고체이다. 우리가 아는 황은 상당히 독특한 자극적인 냄새를 가지고 있는데 이는 황의 냄새가 아니라 공기중의 산소 및 수분과 반응하여 생기는 미량의 이산화황에서 나는 냄새이며 실제로 순수한 황은 냄새가 없다. 이산화황은 대기오염을 일으키는 위험한 물질로서 산성비의 중요 요소 중의 하나이다.

전술한 바나듐과 황 성분이 보일러에 미치는 영향에 대해 설명하면, 먼저 바나듐은 오일 속에서 용융상태의 유기 복합물로서 존재하는데 이 성분은 연소 중에 분해된다.

바나듐 연소의 초기에는 V₂O₃, V₂O₄가 생성되는데 이 성분의 녹는점은 대략 1970°C 로서 보일러 내에서 별 문제시 되지 않는다. 그러나, 과잉 공기의 공급에 의하여 생성되는 녹는점이 800°C 가량인 저용융점의 V₂O₅산화물과 V₂O₅가 황, 니켈, 철 등의 성분과 결합하여 생성되는 녹는점이 낮은 다른 바나듐 화합물을 생성한다.

녹는점이 보일러내의 연소온도 보다 낮은 이러한 화합물들이 튜브를 지나면서 세미리퀴드(Semiliquid) 상태로 튜브 표면에 부착된다.

이러한, 바나듐 부착물들은 보일러 슈퍼히트(Superheat)의 온도를 낮추고 드래프트 로스(Draft Loss)와 스택(Stack)의 온도를 증가시켜서 결과적으로 플랜트 전체의 성능에 영향을 미치게 된다.

또한, 이러한 부착물들이 수년 동안 누적되면서 딱딱하고 떨어지지 않는 바나듐 슬래그를 형성시키는데 이를 제거하기 위해서는 엄청난 보수 비용의 부담을 안겨 주는 결과를 초래한다. 부착물에 의한 문제와 별도로 바나듐 화합물은 보일러 튜브의 침식을 야기하는데, 이러한 침식은 금속 표면의 산화방지 코팅이 액화된 바나듐 화합물에 의해 분해됨으로써 발생한다.

또한, 바나듐은 버너의 쓰로트(throat)에도 심각한 문제를 일으킬 수 있는데 만약 버너가 적절히 설치되지 않았다면 내화성의 버너 쓰로트에 바나듐 증기가 확산되어 흡수됨으로써 슬래그 부착물과 내화물질이 서로 다른 비율로 팽창 및 접촉되어 쓰로트 부위에 균열을 반복적으로 일으킨다.

나아가, 오일속에 바나듐과 나트륨의 비율이 일정치 이상이 될 때 연소과정에서 생성된 Na₂O, SO₃그리고 V₂O₅성분이 많은 양의 Na₂SO₄를 형성하는데 이 성분들이 프라이머리 슈퍼히터(Primary superheater)와 이코노마이저(Economizer) 등에 많은 부착물을 형성시켜 튜브 스페이싱(spacing)을 줄이고 파울링(fouling)과 플러그(plug)를 일으킨다.

다음으로, 황은 저온 영역에 문제를 일으키는 주요 원인이 되는 성분이다. 황은 S, H₂S 또는 황 유기물 상태로 존재하는데 이는 연료의 연소과정에 산화되어 SO₂를 생성한다. SO₂성분 중 일부는 더욱 많은 산소를 공급받아 SO₃로 되며 이렇게 형성되는 SO₃의 양은 보일러의 구조, 튜브 내부의 금속 온도, 연료의 불순물 등 많은 요인에 의해서 결정되어 지지만 가장 큰 요인은 보일러에 공급되는 과잉 공기의 양이다.

이렇게 생성되는 SO₃는 플랜트에 부식, 에어 프리히터 플러깅(air preheater plugging) 그리고 에시드-스머트(acid-smut) 형성 등의 문제를 일으킨다. 저온 부식은 연소 가스에 존재하는 수분이 SO₃와 반응하여 황산 증기를 형성하는데 이 성분은 보일러의 이코노마이저, 에어 프리히터 그리고 가스 덕트(gas duct) 등의 저온 영역에서 응축되어 부식을 일으킨다. 여러 황 화합물 중 황산이 금속 표면과 만나는 곳에서 일반적으로 가장 많은 부식을 일으킨다.

플러깅은 부식의 정도가 심할 때 나타나며 에시드 스머트는 재가 보일러 내부에서 금속온도가 에시드 듀포인트(dewpoint)보다 낮은 곳에서 응축된 황산을 흡수함으로써 생긴 부분을 말하는데 이러한 에시드 스머트가 대기로 방출되면 발전소 주변의 환경에 심각한 영향을 미친다.

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로 그 목적은, 첨가제를 사용하여 바나듐(V)으로 인한 부식을 방지하고, 다량의 황(S) 성분을 제거하여 보일러 뿐만 아니라 연소 가스가 지나가는 모든 기기와 덕트에 황으로 인한 부식을 방지하도록 하는데 있다.

도 1은 본 발명에 따른 발전소 부식 방지의 개략적인 개념도.

상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은, 발전소의 부식을 야기하는 불순물의 종류에 따라 화학적 첨가제 또는 오일 첨가제를 결정하는 단계와; 상기 불순물의 양에 대응하는 양의 상기 결정된 첨가제를 연료에 주입하여 바나듐 및 황에 의한 기기의 부식을 방지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 첨가제를 이용한 발전소 부식 방지 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 첨가제를 이용한 발전소 부식 방지 방법은 첨부한 도면 도 1에 도시된 바와 같이, 발전소의 부식을 야기하는 불순물의 종류와 양에 따라 연료에 주입할 첨가제의 종류와 양을 결정하고(S1,S2), 상기 결정된 종류와 양의 첨가제를 보일러 연료에 주입하여(S3) 보일러의 수명과 성능에 치명적인 영향을 미치는 고온, 저온 부식을 방지한다. 상기 부식 방지를 위해 사용되는 첨가제로는 화학적 첨가제와 오일 첨가제가 있다.

먼저, 화학적 첨가제 중에서 주로 사용하는 첨가제는 MgO 이다. MgO는 재(ash)에 함유되어 있는 저용융점의 화합물과 화학적으로 반응하여 높은 고용융점의 화합물로 변화시켜서 보일러 튜브내의 부착과 부식을 막아준다.

보일러의 고온 부식에 가장 큰 문제인 바나듐을 살펴보면, 바나듐의 산화물 중에서 V₂O₅가 가장 낮은 용융점인 800°C이다. 이를 고용융점의 물질로 바꾸기 위해 융점이 2800°C인 마그네슘 산화물을 주입하면 화학 반응을 통하여 융점이 1200°C 이상인 3MgOV₂O₅가 생성되며 이는 보일러 내에서 용융되지 않고 재로 남게 되어 튜브에 부착을 막아준다.

한편, 연소 가스 중의 V₂O₅성분은 과잉 공기의 양에 의해 결정되는데 이러한 과잉 공기의 양을 줄여주면 바나듐 산화물이 고용융점의 V₂O₃, V₂O₄로만 되고 V₂O₅로는 거의 변하지 않아 고온 부식을 막을 수 있다.

다음으로 황에 대해 살펴보면, 저온 부식은 SO₃에 의하여 발생하는데 연료 속에 첨가제를 주입하면 비촉매 화합물이 생성되어 황이 SO₂에서 SO₃로 산화되는 것을 억제시킨다. 그리고, 과잉 공급되는 첨가제에 의해 연소 가스 중의 SO₃와 반응을 일으켜 이를 흡수함으로써 저온 부식을 방지한다.

상기 오일 첨가제로는 금속 산화물들이 다양한 형태로 사용되는데, 마그네슘 산화물(magnesium oxide), 칼슘(calcium) 산화물, 알루미늄(aluminum) 산화물, 아연(zinc) 산화물 또는 망간(manganese) 산화물 등이 널리 사용되고 있는데 이 중 마그네슘 산화물이 주로 사용된다.

마그네슘 첨가제가 산화물의 융점을 높여 방식효과를 크게 하나 연료 중에나트륨(Na) 성분이 있을 때는 바나듐(V) 화합물의 융점 상승이 크지 않으므로 나트륨 성분을 최대한 제거하면 더욱 효과적이다.

상기 마그네슘 첨가제의 종류로는 오일 솔루블(Soluble) 타입과 오일 슬러리(Slurry), 물 슬러리 타입 및 분말 타입이 있다. 오일 솔루블 타입은 마그네슘계 금속을 유용성의 유기염으로 하여 석유계의 용제에 녹인 것으로 이는 미립자가 아닌 원자 상태로 반응하기 때문에 가장 효과적이다.

오일 슬러리 타입은 마그네슘계 금속을 미세하게 분쇄하여 석유계의 용제와 섞은 것이고, 물 슬러리 타입은 마그네슘계 금속 분말과 물을 혼합하여 슬러리 상으로 만든 것이며, 분말 타입은 마그네슘계 금속을 분말화 한 것으로 반응성이 가장 나쁘다.

한편, 연소 과정 중 첨가제인 MgO가 이상적으로 연소 쳄버(Chamber) 내에 분포될 수 없고 또는 MgO의 일부는 Al₂O₅와도 반응하므로 바나듐 산화물은 연소 과정 중에 100% 3MgOV₂O₅로 반응하지는 못한다. 그러므로, V₂O₅가 모두 3MgOV₂O₅로 바뀌기 위해서는 과정의 마그네슘 공급이 필요한 바, 정확한 반응은 보일러의 종류와 연료 그리고 많은 변수들로 인하여 정확한 계산이 어렵지만 MgO를 V₂O₅에 대하여 일대일의 질량 비율로 공급하는 것이 바람직하다.

전술한 첨가제는 주 연료계통의 히터 다운 스트림(Heater down stream) 쪽이나 경우에 따라서는 연료 오일 탱크 또는 보일러에 직접 분사하는 경우도 있다.

또한, 본 발명에 따른 실시 예는 상술한 것으로 한정되지 않고, 본 발명과 관련하여 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 범위 내에서 여러 가지의 대안, 수정 및 변경하여 실시할 수 있다.

이상과 같이, 본 발명은 첨가제를 사용함으로써, 바나듐으로 인한 부식 문제를 해결할 뿐만 아니라 부가적으로 다량의 황 성분을 제거하여 보일러 뿐만 아니라 연소 가스가 지나가는 모든 기기와 덕트에 황으로 인한 부식을 억제하며 배출 제어 장비(Emission Control Equipments)를 경제적으로 설계할 수 있는 효과가 있다.

Claims (1)

1. 발전소의 부식을 야기하는 불순물의 종류에 따라 화학적 첨가제 또는 오일 첨가제를 결정하는 단계와;

   상기 불순물의 양에 대응하는 양의 상기 결정된 첨가제를 연료에 주입하여 바나듐 및 황에 의한 기기의 부식을 방지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 첨가제를 이용한 발전소 부식 방지 방법.