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보일러는 물을 가열하여 증기를 생산하는 장치로, 고온 및 고압의 가혹한 환경에서 운전됩니다. 공급되는 물(보급수 또는 급수)에는 다양한 불순물이 포함되어 있으며, 이러한 불순물들은 보일러 내부에서 심각한 장해를 일으켜 보일러의 효율 저하, 수명 단축, 안전 사고의 원인이 됩니다.
주요 물 속 불순물의 종류와 각각의 장해는 다음과 같습니다.
1. 경도 성분 (Hardness Constituents: 칼슘, 마그네슘 등)
- 종류: 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg) 이온을 포함하는 염(예: 탄산칼슘(CaCO3), 황산칼슘(CaSO4), 탄산마그네슘(MgCO3) 등). 물의 경도를 유발하는 성분입니다.
- 장해 (Scale Formation):
- 스케일 형성: 보일러 고온부(특히 전열면)에서 물이 증발하면서 경도 성분들이 물에 용해되지 않는 침전물(스케일)로 석출됩니다. 이는 단단하고 고착성이 강한 피막을 형성합니다.
- 열전달 효율 저하: 스케일은 열 전도율이 매우 낮아 전열면에서의 열 전달을 방해합니다. 이는 연료 소비량 증가 및 보일러 효율 저하의 주된 원인이 됩니다.
- 과열 및 손상: 스케일이 두껍게 형성되면 전열면에서 생성된 열이 물로 제대로 전달되지 못하고 금속에 축적되어 튜브의 과열 및 팽창을 유발합니다. 심하면 튜브가 파열되는 사고로 이어질 수 있습니다.
- 순환 방해: 배관이나 튜브 내경이 스케일로 인해 좁아져 물의 순환을 방해하고 압력 손실을 증가시킵니다.
2. 실리카 (Silica: SiO2)
- 종류: 규산(Silicic Acid) 또는 규산염 형태로 물 속에 용해되어 있거나 부유하는 실리카 성분입니다.
- 장해 (Scale & Carryover):
- 고경도 스케일 형성: 경도 성분과 결합하거나 단독으로 매우 단단하고 제거하기 어려운 실리카 스케일을 형성합니다. 특히 고압 보일러에서 문제가 됩니다.
- 캐리오버 (Carryover): 고압 보일러에서는 실리카가 증기와 함께 비산(증기 속으로 딸려 들어감)되는 경향이 있습니다. 증기 속의 실리카는 터빈 블레이드나 증기 사용 설비에 침착되어 성능을 저하시키고 손상을 유발합니다.
3. 용존 가스 (Dissolved Gases: 산소, 이산화탄소 등)
- 종류: 물 속에 녹아 있는 산소(O2), 이산화탄소(CO2) 등.
- 장해 (Corrosion):
- 산소 부식: 용존 산소는 보일러 금속(주로 철)과 반응하여 산화철(녹)을 생성하는 부식의 주범입니다. 특히 고온 환경에서 부식이 가속화되며, 국부적인 구멍(점식, Pitting Corrosion)을 유발하여 금속을 빠르게 관통시킬 수 있습니다.
- 이산화탄소 부식: 이산화탄소가 응축수 라인에서 물에 용해되면 탄산(H2CO3)을 형성합니다. 탄산은 산성을 띠어 응축수 배관의 부식을 일으키며, 특히 배관 하부를 깎아내는 형태(Grooving Corrosion)의 부식을 유발합니다. 부식 생성물은 다시 보일러로 유입되어 다른 문제를 일으킬 수 있습니다.
4. 총 용존 고형물 (Total Dissolved Solids, TDS) 및 알칼리도, 염化物, 황산염
- 종류: 물 속에 용해되어 있는 모든 고형 물질의 총량(TDS). 알칼리도(탄산염, 중탄산염, 수산화물), 염소 이온(Cl-), 황산 이온(SO4^2-) 등 다양한 이온 성분.
- 장해 (Foaming, Carryover, Corrosion, etc.):
- 포밍 (Foaming): TDS, 알칼리도, 부유 물질 등의 농도가 높으면 보일러 수면에서 생성되는 증기 기포가 안정화되어 거품을 형성합니다. 이는 보일러 수위 지시를 부정확하게 하고 캐리오버를 유발합니다.
- 캐리오버 (Carryover): 심한 포밍으로 인해 물방울이 증기와 함께 증기 사용 설비로 딸려 들어가는 현상입니다. 증기 순도를 저하시키고 열교환 효율을 떨어뜨리며, 워터 해머(Water Hammer) 현상을 유발하거나 제어 밸브, 터빈 등을 손상시킬 수 있습니다.
- 알칼리도 장해: 과도한 알칼리도는 포밍과 캐리오버를 유발하며, 특정 조건(고압, 응력 집중 부위)에서는 캐스케이드 취화(Caustic Embrittlement, 금속의 균열)를 일으킬 위험이 있습니다.
- 염化物 장해: 염화물은 금속 표면의 부동태 피막을 파괴하여 **점식(Pitting Corrosion)**을 유발하는 주요 원인 중 하나입니다. 스테인리스강 등에서도 응력 부식 균열을 일으킬 수 있습니다.
5. 부유 물질 (Suspended Solids: 실트, 진흙, 유기물)
- 종류: 물 속에 녹아 있지 않고 떠 있거나 침전되는 미세한 고형 입자들.
- 장해 (Sludge, Foaming):
- 슬러지 형성: 보일러 내부, 특히 유속이 느린 드럼 하부 등에 침전되어 부드러운 진흙 형태의 슬러지를 형성합니다.
- 스케일/침전물 기여: 슬러지가 전열면에 부착되거나 경도 성분과 함께 스케일 형성을 촉진하기도 합니다.
- 포밍 유발: 부유 물질은 수면의 증기 기포를 안정화시켜 포밍 발생에 기여합니다.
- 순환 방해: 슬러지가 쌓이면 보일러 내부의 물 순환을 방해할 수 있습니다.
이러한 불순물들로 인한 장해를 방지하고 보일러의 안전하고 효율적인 운전을 위해서는 적절한 보일러 수처리가 필수적입니다. 이는 급수 전처리(연수화, 탈기 등), 보일러 내 약품 주입(스케일 방지제, 부식 억제제 등), 주기적인 블로우다운(Blowdown, 보일러 물 배출을 통해 불순물 농도 조절) 등을 통해 이루어집니다.
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