🔥 보일러 효율 200% 올리는 마법: 절탄기 문제, 이렇게 초간단 해결!

🔥 보일러 효율 200% 올리는 마법: 절탄기 문제, 이렇게 초간단 해결!

 

목차

1. 보일러 절탄기, 왜 중요할까요?
2. 절탄기 문제의 주요 원인: 슬래그, 부식, 그리고 효율 저하
3. 슬래그(Ash Fouling) 문제, 완벽하게 해결하는 3단계 전략
4. 저온 부식(Low-Temperature Corrosion) 방지 및 관리
5. 정기적인 진단과 관리: 절탄기 수명 연장의 핵심

---

1. 보일러 절탄기, 왜 중요할까요?

보일러 시스템에서 절탄기(Economizer)는 보일러의 전체 열효율을 극대화하는 데 결정적인 역할을 하는 핵심 장치입니다. 절탄기의 기본적인 기능은 보일러 연소 후 배출되는 고온의 연소가스가 가진 잔열을 그냥 버리지 않고, 보일러 드럼으로 유입되는 급수(Feedwater)를 예열하는 데 사용하는 것입니다. 급수가 이미 높은 온도로 예열된 상태에서 보일러 드럼에 들어가면, 보일러가 물을 증기로 만드는 데 필요한 연료 소모량이 크게 줄어들게 됩니다.

예를 들어, 급수 온도를 $10^\circ\text{C}$ 상승시킬 때마다 보일러 효율은 약 1% 정도 향상된다는 것이 일반적인 계산입니다. 절탄기는 이처럼 버려질 열을 회수하여 보일러 시스템을 더욱 경제적이고 친환경적으로 운영할 수 있게 합니다. 따라서 절탄기에 문제가 생기면 곧바로 연료비 상승과 배기가스 온도 증가, 그리고 심각한 경우 운전 정지까지 초래할 수 있으므로, 그 중요성은 아무리 강조해도 지나치지 않습니다.

---

2. 절탄기 문제의 주요 원인: 슬래그, 부식, 그리고 효율 저하

절탄기는 고온의 연소가스와 상대적으로 낮은 온도의 급수가 흐르는 급수관(튜브)이 만나는 곳이기 때문에, 다양한 문제에 취약할 수밖에 없습니다. 절탄기에서 가장 흔하게 발생하는 주요 문제는 크게 슬래그 형성(Ash Fouling)과 저온 부식(Low-Temperature Corrosion), 그리고 이로 인한 열전달 효율 저하입니다.

• 슬래그(Ash Fouling): 석탄, 바이오매스 등 고체 연료나 중유 등을 사용하는 경우, 연소 후 발생하는 미세한 재(Ash) 입자가 절탄기 튜브 표면에 달라붙어 단단한 층을 형성합니다. 이 슬래그 층은 단열재 역할을 하여 연소가스에서 급수로의 열전달을 심각하게 방해합니다. 슬래그가 두꺼워지면 연소가스 통로가 좁아져 통풍 저항이 커지고, 보일러의 출력이 떨어지며, 심지어 튜브가 과열되어 파손될 위험도 증가합니다.
• 저온 부식(Low-Temperature Corrosion): 절탄기 입구 쪽 급수 온도가 낮을 때 발생하기 쉽습니다. 연소가스에 포함된 황산 가스($\text{SO}_3$)가 절탄기 튜브 표면에서 이슬점 이하로 냉각된 수증기와 만나 황산($\text{H}_2\text{SO}_4$)으로 응축되면서 튜브 금속을 공격합니다. 이 부식은 절탄기 튜브의 수명을 급격히 단축시키는 주범입니다.
• 열전달 효율 저하: 슬래그 형성이나 부식으로 인해 튜브 표면 상태가 나빠지면, 애초에 절탄기가 설계된 높은 열전달 성능을 발휘할 수 없게 됩니다. 이는 결국 배기가스 온도를 상승시키고, 보일러의 운전 효율을 떨어뜨려 연료비를 낭비하게 만듭니다.

---

3. 슬래그(Ash Fouling) 문제, 완벽하게 해결하는 3단계 전략

절탄기 슬래그 문제를 해결하는 것은 곧 보일러의 지속적인 고효율 운전을 보장하는 핵심입니다. 다음은 슬래그 문제를 매우 쉽고 효과적으로 해결하는 3단계 전략입니다.

3.1. 1단계: 온라인 클리닝 시스템의 최적화 (Soot Blower Management)

가장 기본적이면서도 중요한 조치는 온라인 클리닝(On-line Cleaning) 시스템인 수트 블로어(Soot Blower)의 최적 운영입니다. 수트 블로어는 증기나 압축공기를 고속으로 분사하여 튜브 표면의 슬래그를 강제로 제거하는 장치입니다.

• 운전 주기 및 시간 조정: 연료의 종류, 부하 변동, 슬래그 축적 속도 등을 면밀히 분석하여 수트 블로어의 작동 주기와 분사 시간을 최적화해야 합니다. 너무 자주 작동하면 증기/공기 소모가 늘어나고 튜브 마모를 가속화할 수 있으며, 너무 뜸하게 작동하면 슬래그가 단단해져 제거가 어렵습니다. 이상적인 운전은 슬래그가 아직 무르고 쉽게 떨어질 때 이루어지도록 설정하는 것입니다.
• 정기적인 노즐 점검: 수트 블로어의 노즐이 막히거나 손상되면 제 역할을 못 하므로, 정기적인 점검과 교체를 통해 최적의 분사 압력과 방향성을 유지해야 합니다.

3.2. 2단계: 특수 첨가제 및 코팅 활용 (Fuel Additives and Surface Treatment)

슬래그의 화학적 성질을 변화시켜 부착력을 낮추고 제거를 쉽게 만드는 연료 첨가제를 사용하는 것도 매우 효과적입니다.

• 마그네슘 기반 첨가제: 연소 과정에서 발생하는 재와 반응하여 재의 용융 온도(Fusion Temperature)를 높여 슬래그가 튜브 표면에 액체 상태로 녹아 달라붙는 현상을 방지합니다. 재가 끈적거리는 대신 건조하고 푸석푸석한 상태(Dry Ash)로 배출되도록 유도합니다.
• 표면 코팅: 절탄기 튜브 표면에 세라믹이나 특수 내열 코팅을 적용하여 슬래그의 부착력 자체를 감소시키는 방법도 장기적인 해결책이 될 수 있습니다. 코팅된 표면은 슬래그가 단단하게 고착화되는 것을 막아 수트 블로어의 효과를 극대화합니다.

3.3. 3단계: 오프라인(Off-line) 고압수 세척 (Water Lancing)

장기간 운전으로 수트 블로어로 제거하기 어려운 단단하고 두꺼운 슬래그 층이 형성되었을 경우, 보일러를 정지시킨 후 고압수(Water Lancing)를 이용해 물리적으로 슬래그를 제거해야 합니다.

• 주기적인 계획: 운전 주기(예: 1년 또는 2년)에 맞춰 정기적인 보일러 정비(Overhaul) 기간에 고압수 세척을 계획해야 합니다.
• 안전 및 철저한 건조: 고압수를 사용할 때는 튜브 손상에 주의해야 하며, 세척 후에는 튜브와 내부를 완벽하게 건조시켜 수분 잔류로 인한 부식이나 재시동 시 문제가 발생하지 않도록 철저히 확인해야 합니다.

---

4. 저온 부식(Low-Temperature Corrosion) 방지 및 관리

저온 부식은 절탄기 튜브의 금속을 직접적으로 손상시켜 누설(Leakage)을 유발하는 치명적인 문제입니다. 부식 문제를 해결하는 핵심은 '황산 이슬점 이하로 표면 온도가 떨어지는 것을 막는 것'입니다.

• 급수 온도 상승: 가장 직접적이고 효과적인 방법은 절탄기로 유입되는 급수의 온도를 설계 기준 이상으로 유지하는 것입니다. 이를 위해 절탄기 입구 바이패스(Bypass) 밸브를 조정하거나, 보일러 드럼에서 증기를 뽑아 급수를 예열하는 증기 예열기(Steam Preheater)를 설치하여 절탄기 입구 튜브 벽 온도가 연소가스 이슬점(일반적으로 $130^\circ\text{C}$~$150^\circ\text{C}$ 수준) 이하로 떨어지지 않도록 관리해야 합니다.
• 연료의 황 함량 관리: 부식의 주요 원인인 황산($\text{H}_2\text{SO}_4$) 생성을 줄이기 위해 저유황 연료를 사용하는 것이 근본적인 대책입니다. 연료 교체가 어렵다면, 연소 과정에서 $\text{SO}_3$ 생성을 억제하거나 중화시키는 석회석($\text{CaCO}_3$)이나 다른 부식 방지 첨가제를 투입할 수 있습니다.
• 튜브 재질 변경: 초기 설계 시 저온 부식에 강한 내식성 재질의 튜브(예: Cr-Mo 합금강)를 적용하거나, 심각한 부식 구간의 튜브를 내식성 재질로 교체하는 것도 장기적인 해결책이 될 수 있습니다.

---

5. 정기적인 진단과 관리: 절탄기 수명 연장의 핵심

문제 발생 후의 대응보다 예방적인 관리가 절탄기 수명 연장의 가장 확실한 방법입니다.

• 배기가스 온도 모니터링: 절탄기 입구와 출구의 배기가스 온도를 지속적으로 측정하는 것은 슬래그 축적 여부를 판단하는 가장 쉬운 방법입니다. 절탄기 출구 온도가 설계치보다 지속적으로 상승한다면, 슬래그로 인해 열전달이 제대로 이루어지지 않고 있다는 명확한 신호입니다.
• 급수 및 연소가스 압력 손실 측정: 슬래그가 심하게 쌓이면 연소가스가 지나가는 통로가 좁아져 연소가스 압력 손실(Draft Loss)이 증가합니다. 또한 급수 라인에 스케일이나 이물질이 쌓이면 급수 압력 손실이 증가할 수 있습니다. 이 두 압력 손실을 정기적으로 기록하고 기준치와 비교해야 합니다.
• 비파괴 검사(NDT): 정비 기간에는 초음파 두께 측정(UT)과 같은 비파괴 검사를 통해 튜브의 두께 감소율을 정기적으로 측정해야 합니다. 이를 통해 부식이 얼마나 진행되었는지 정량적으로 파악하고, 파손 위험이 높은 튜브를 미리 교체하여 대형 사고를 예방할 수 있습니다.

이처럼 절탄기의 문제를 초간단하게 해결하는 방법은 '슬래그의 부착을 막고', '저온 부식을 예방하며', '정기적인 진단으로 이상을 조기에 발견'하는 세 가지 원칙을 철저히 지키는 데 있습니다. 이러한 체계적인 관리를 통해 보일러의 효율을 극대화하고 안정적인 운전을 지속할 수 있습니다.