보일러 수처리(스케일 방지)

보일러 운전 중 야기될 수 있는 장애 요인은 크게 부식과 스케일로 분류할 수 있으며, 금번 스케일에 대해 한국스파이렉스사코의 Steam People에 게재된 내용을 공유하고자 한다.

 

 

 

보일러 수처리(스케일 방지)

보일러 수처리의 중요성

보일러의 과열 및 보일러 드럼 저수위로 인한 폭발 사고가 발생하였고, 그 원인으로 보일러 수처리 미흡에 기인한다고 의견을 제시하고 있다.

1. 스팀의 압력이 높은 보일러에서는 물에 포함되어 있는 불순물이 기수분리 표면에 기포의 형성을 촉진시켜 거품현상 (foaming), 비등현상 (priming)을 유발한다. 이로 인해 불순물이 스팀으로 이동하게 되어 실린더 헤더의 누출을 유발하기 때문에, 수중 불순물을 제거하는 것이 중요하다.

2. 비교적 낮은 압력에서 스팀을 생산하는 조건에서도, 양질의 물을 급수하고, 보일러수를 정기적으로 배수해야 한다.

 

 

스케일(Scale) 발생 원인

스케일(Scale)은 수중에 이온 상태로 녹아 있던 물질이 온도 등의 영향으로 석출되는 현상이다.

일반적으로, 화합물은 온도가 상승하면 용해도가 증가하는데, 경도 성분(Ca, Mg)은 그와 반대로 온도가 높아 질수록 용해도가 감소하여 석출되는 성질이 있다.

예를 들어, 급수에 유입된 경도 성분(Ca, Mg)은 상온, 상압의 상태에서는 수중에 용해되어 이온 상태로 존재하지만, 고온 고압의 보일러 환경에서는 용해도가 낮아져 석출되는 것이다.

또한, 보일러 수를 순환시켜 운전함으로써, 수중에 녹아있던 물질이 농축되어, 경도 성분의 농도가 높아 지므로 스케일 발생 속도가 더욱 가속화 된다.

 

 

스케일이 보일러 운전에 미치는 영향

1. 열 전달을 방해

보일러 스케일의 주 성분들은 탄산칼슘 , 인산칼슘, 마그네슘 실리케이트 등이 있다. 이들 스케일 성분은 탄소강이 주 성분인 배관에 비하여 열 전도율이 작기 때문에, 스케일이 형성되었을 경우 열 전달을 방해합니다. 

<그림 1> 스케일 형태에 따른 열 전도율

 

 

그로 인해, 동일 규격의 스팀 생산을 위해서는 더 많은 양의 연료를 사용해야 한다.

 

<그림 2> 스케일 두께에 따른 열 손실율

 

● 연료 사용액을 절감 사례

스팀 생산 15T/h로 디자인된 보일러를 사용하는 [A사]의 경우, 월 평균 250,000 Nm3 의 LNG를 사용하는데, 스케일 두께가 0.8mm에서 0.2mm로 0.6mm감소 시, 연료 손실율이 2.4% 절감되어 월 4,320,000원의 연료 사용액을 절감하였다.

- LNG 가격 : 720원/Nm3 (출처 : 한국가스공사 2010.2)

- 연료 절감 : 2.4%

- 연료 사용 금액 : 250,000 Nm3 x 720원/ Nm3 = 180,000,000원/월

• 연료 절감 금액 : 180,000,000원/월 x 0.024 = 4,320,000원/월

• 무형의 절감 효과 : 보일러의 수명 연장

 

 

2. 국부적인 튜브 과열 현상

스케일 형성에 따른 열 전도율 저하는 상대적으로 금속 튜브 표면의 온도(Skin Temperature)를 상승시켜 국부적인 튜브 과열 현상을 나타낸다.

 

<그림 3> 국부적인 튜브 과열 현상(그림 출처: Steam People Vol. 111)

 

이로 인해 튜브의 국부 팽창(Bulging)이 일어나고, 더욱 더 진행되면 급기야 튜브가 파열 되기에 이른다.

 

 

스케일 방지를 위한 방안

스케일 없이, 보다 효율적인 보일러를 유지하기 위한 방안으로 다음 세가지 방법이 있다.

① 보일러 급수의 전처리에 만전을 기해 스케일 발생 성분을 원천 봉쇄

연수기, RO 또는 이온교환수지 관리를 철저히 하여 Ca2+, Mg2+ 등 경도 성분의 유입을 급수전 단계에서 차단해야 한다.

② 청관제를 사용하여 경도 성분의 스케일 형성을 사전에 방지

한번 스케일이 형성되면 그것을 제거하기 위해서는 화학적 또는 물리적으로 세정 작업을 해야 하므로 많은 시간과 돈이 필요하다. 따라서 약품 처리를 하여 경도 성분을 무른 성질의 부유물로 만들어 단단한 스케일로 형성되는 것을 방지하는 것이 중요하다.

③ 적절한 블로우다운관리로 관수 내 이물질들이 축적되는 것을 방지

적절한 블로우다운을 통해, 관수 내 존재하는 스케일 유발 물질을 밖으로 배출하여 관수를 깨끗이 유지하는 것이다.

 

적절한 블로우다운(Blow Down)이란?
너무 많은 양의 블로우다운은 에너지 (열, 용수, 수처리 비용) 손실을 초래하고 너무 적은 양의 블로우다운은 수중 용존 고형물의 과농축으로 인한 스케일, 캐리오버의 위험이 증대되기 때문에 적절한 블로우다운이 매우 중요하다.
블로우다운 공식 = {급수 TDS농도 (μs/cm) x 보일러 스팀 발생량 (kg/h) }/{보일러수 TDS농도(μs/cm) - 급수 TDS농도(μs/cm)}
정기적으로 TDS(총용존고형물)농도를 확인하여, 현재 보일러 수 상태를 점검하고 알맞은 양의 블로우다운이 이루어 지는지 확인하는 것 또한 중요하다.

 

Reference : 한국스파이렉스사코(주), Steam People Vol. 111(Jul, 2016)