배기가스 열에너지 회수용 열교환기의 건전성 평가에 관한 연구

Abstract

내식성이 우수할 뿐만 아니라, 기계적 성질이 뛰어나고 용접성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강재는 각종 산업용 보일러의 공기예열기, 절탄기 및 탈황장치 등의 연도시스템에 사용되고 있다. 중유를 사용하는 산업용 보일러에서 연도시스템은 산노점 부식을 일으키며, 화력발전소의 절탄기로부터 응축된 응축수의 pH는 -0.9로 강산성인 경우도 있다. 이러한 부식환경 중에서 탄소강재의 부식은 심할 뿐만 아니라 스테인리스강의 경우도 산노점 부식으로 인한 두께감소가 일어나는 것으로 보고되고 있다. 또한 보일러 배기가스 중에는 그으름 및 이물질 등으로 인해 배기가스의 배출속도에 의해 열교환기의 셀이나 세관의 코팅재에 충격 마모-부식 손상이 일어남으로써 각종 설비 시스템의 수명을 단축시킬 수 있다. 이러한 보일러 배기가스 열교환기 세관의 코팅재에 충격 마모-부식 손상부는 산성인 응축수 중에서 소지금속의 노점부식이 더욱 가속되어 각종 설비 시스템의 수명이 더욱 단축되면서 열교환기의 건전성에 영향을 미친다. 각종 설비의 수명을 연장하기 위하여 공기예열기, 절탄기 및 탈황장치 등을 스테인리스강재로 제작하여 내식성, 내마모성, 경제성 등의 측면에서 금속계나 비금속계 코팅이나 라이닝이 실시되고 있으나, 산업용 보일러의 배기가스시스템 중 열교환기 노점부식을 방지하여 수명을 연장하기 위한 코팅재에 대한 내산부식성, 열충격성 및 내침식-부식 거동에 대한 배기가스 열에너지 회수용 열교환기의 건전성 평가에 관한 정량적인 연구는 거의 찾아 볼 수 없다. 따라서 본 연구에서는 산업용 보일러 배기가스 열에너지 회수용 열교환기의 건전성 평가에 관한 연구를 하기 위하여, STS 304 강재와 STS 304강재에 코팅을 실시한 각종 STS 304강 코팅재의 건전성 평가를 하기 위한 전기화학적 분극시험을 실시하였다. 또 각종 STS 304강 코팅재의 마모-부식 손상에 의한 건전성 평가를 위하여 마모-부식시험을 실시하고, 각종 STS 304강 코팅재의 노점부식 및 열충격 등의 손상에 의한 건전성 평가를 위해 내산성 및 열충격 시험을 실시하였다. 이러한 실험결과를 토대로 하여 보일러 급수 중에서 모재인 STS 304강재에 대한 부식손상에 의한 건전성, 각종 STS 304강 코팅재의 마모-부식, 노점부식 및 열충격 등의 손상 억제에 대한 건전성을 고찰함으로써 화력발전소, 열병합발전소와 산업용 보일러의 연도시스템, 소각로 그리고 각종 환경설비에 있어서 강산성환경 시스템 부위의 건전성에 대한 설계, 제작, 수명연장 및 보수 유지의 기초자료로 활용하는데 기여하고자 한다.

Austenite stainless steel characterized both excellent mechanical properties and good weldability as well as good anti-corrosion is used to air preheater, economizer, desulfication facilities, and so on. The flue gas systems of industrial boiler using heavy oils occurs dew point corrosion, and hydrogen ion concentration(pH) of water condensed from economizer of fire power plant is approximately -0.9, strong acid. It is reported that stainless steel as well as carbon steel lead to thickness loss due to dew point corrosion. As impingement erosion-corrosion damages to shell and tube coatings for heat exchanger are occurred by soot and different substances in the boiler flue gas, the life of each facilities are shortened. The parts of impingement erosion-corrosion damage accelerate dew point corrosion of coatings and, therefore that has an influence on integrity of heat exchanger. To extend life of each facilities, flue gas systems, such as air preheater, economizer, desulfication equipment, is manufactured by stainless steel, and then coating or lining in a view of corrosion resistance, anti-erosion, economic. To study on integrity assessment of heat exchanger for flue gas heat recovery systems, in this study, electrochemical polarization test for STS 304, tube of heat exchanger, was carried out in a variety of pH and specific resistance environment. Also, integrity tests, such as acid resistance test, erosion-corrosion test, thermal shock test, adhensive stress test, cathodic disbondment test etc. are carried out. As a result of the experiment, integrity by corrosion damages for STS 304 tube is considered in the boiler feed water, and integrity for dew point corrosion, erosion-corrosion and thermal shock etc. is considered. The main results obtained are as follows : 1) In tap water, the pitting aspect don't few appear, but that is gradually generated and the number of pits is increased more and more with lowering specific resistance. 2) The corrosive reaction of STS 304 tube depending on pH variation from corrosion potential(E)-corrosion current density(i) curves is considered as cathodic control mechanism. 3) The passive current density of ceramic coating is more increased than that of STS 304 due to surface cracks which are occurred by repetitive acid resistance tests 4) The integrity for corrosion resistance of tube coatings is good in order of enamel coating ≥ teflon coating > ceramic coating. 5) The integrity for erosion-corrosion damage of tube coatings is good in order of teflon coating ≥ enamel coating > ceramic coating. 6) The integrity for local corrosion of tube coatings by thermal shock is good in order of enamel coating ≥ teflon coating > ceramic coating. 7) The integrity for cathodic disbondment of tube coatings is good in order of enamel coating > teflon coating > ceramic coating.