절탄기

왜 배우는가: 보일러 연료의 상당 부분은 배기가스로 그냥 버려지는 열이다. 절탄기는 이 열을 급수 예열에 되돌려 쓰는 대표 설비라서 에너지절약과 보일러 설계 문제에서 반복해 출제된다. 설치 위치, 구조, 저온부식 한계를 함께 알아야 답안을 완성할 수 있다.

출제 이력: 제100회 1교시 9번, 제97회 1교시 12번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

절탄기(Economizer)는 보일러 연도의 배기가스 잔열로 급수를 예열하여 보일러 효율을 높이는 열교환기이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 절탄기(Economizer)
• 급수 예열
• 배기가스 잔열
• 연도
• 열교환기
• 보일러 효율
• 배기가스 온도
• 저온부식

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 절탄기는 보일러가 열을 쓰고 남은 가스의 열로 물을 데우는 장치다. 연돌로 빠져나갈 열을 다시 보일러 안으로 들여보내는 것이다. 연료가 낸 열 가운데 버려지던 부분을 회수하므로 같은 연료로 더 많은 증기를 만들 수 있다.

정식으로 정의하면 절탄기는 보일러 연소가스 통로인 연도에 설치되어 배기가스와 급수 사이에서 열을 교환하는 열교환기다. 급수를 보일러 본체로 들어가기 전에 포화온도에 가깝게 예열한다. 절탄기에는 증기가 관여하지 않는다. 배기가스의 현열을 물에 직접 전달하는 구조다.

급수 예열은 보일러 본체에 들어가기 전에 급수를 미리 데우는 것이다. 본체에서 물을 증기로 바꾸는 데 필요한 열량이 줄어든다. 절탄기 설치의 직접적인 목적이다.

배기가스 잔열은 연소가 끝난 뒤에도 가스가 가지고 있는 열이다. 가스 온도가 높을수록 잔열이 많다. 절탄기는 이 열을 온도 차를 이용해 물로 옮긴다.

연도는 연소가스가 흐르는 통로다. 절탄기 전열관은 연도 내부에 배치되어 가스와 접촉한다. 가스 쪽 전열면적을 늘리기 위해 전열관 외면에 핀(fin)을 붙이는 경우가 많다.

열교환 원리는 고온의 가스에서 저온의 물로 열이 흐르는 것이다. 열은 가스에서 관벽으로 대류와 전도로 전달되고, 관벽을 지나 관 내부의 물로 대류 전달된다. 가스 온도는 물의 포화온도 근처까지 내려가고, 물은 가스 입구 쪽 온도에 가깝게 데워진다. 열교환 효율은 가스 유량, 온도 차, 전열면적에 따라 달라진다.

3. 등장 배경과 필요성

보일러는 연료의 화학에너지를 열로 바꾸어 물을 증기로 만든다. 그러나 연소 배기가스는 높은 온도로 연돌을 통해 빠져나간다. 배기가스가 가져간 열은 열 손실이 되어 보일러 효율을 떨어뜨린다. 이 손실을 줄이려고 배기가스 열을 회수하는 설비가 필요해졌다.

과거 화력 발전소와 보일러에서는 배기가스 열을 회수하는 설비가 없어서 높은 온도의 가스를 그대로 대기로 배출했다. 연료 가격이 오르고 에너지 효율 기준이 강화되면서 배기가스 열을 되돌리는 절탄기가 보편화되었다. 같은 연료량에서 더 많은 열을 얻는 것이 경제성의 핵심이다.

배기가스 온도를 낮추면 보일러 효율이 올라간다. 배기가스 온도를 낮추면 보일러 효율은 그만큼 향상된다. 연료 사용량이 큰 대형 보일러일수록 이 효과가 누적되어 연간 연료비 절감이 커진다. 절탄기는 배기가스 온도를 낮추는 가장 직접적인 수단이다.

급수 예열은 보일러 운전 안정성에도 도움이 된다. 급수 온도가 낮으면 드럼과 물이 차가운 물이 들어올 때 금속 부재에 큰 온도 차가 생긴다. 급수를 어느 정도 데워 넣으면 이러한 열응력이 줄어든다. 고압 보일러에서 절탄기 전열면이 더 크게 설계되는 이유도 여기에 있다.

한편 배기가스 온도를 무제한으로 낮출 수는 없다. 배기가스 속 황 성분이 수분과 만나면 황산이 생겨 전열면을 부식시킨다. 이를 저온부식이라고 한다. 전열면 온도가 노점 이하로 내려가면 결로가 생기므로 배기가스 온도를 저온부식 한계 이하로 떨어뜨리지 않는 것이 중요하다. 통상 결로가 생기는 전열면 온도는 약 60℃ 이하로 본다.

기체연료는 황분과 회분이 거의 없어 저온부식 가능성이 낮다. 그래서 가스 연료 보일러에서는 배기가스 열을 더 많이 회수하는 것이 가능하다. 다만 열 회수 온도도 노점 근처 아래로 내려가지 않도록 설계해야 한다. 이 두 조건의 균형이 절탄기 설계의 출발점이다.

이처럼 절탄기는 연료 절약, 효율 향상, 급수 열응력 완화라는 필요에서 등장했다. 설계와 운전에서는 저온부식 한계라는 제약이 함께 따른다. 답안에서는 이 배경을 에너지 손실과 부식 제약의 두 축으로 정리하면 된다.

4. 구성요소·원리·절차

절탄기는 열교환기 한 종류이며, 배기가스 쪽 전열면과 급수 쪽 관군으로 이루어진다. 배기가스 흐름 방향과 급수 흐름 방향이 서로 반대인 향류(counter flow) 배치가 일반적이다. 배기가스 출구 온도를 급수 입구 온도 근처까지 낮출 수 있어 열회수율이 높다.

절탄기는 보일러 배기가스의 잔열로 급수를 예열하여 연료 사용량을 줄이는 열교환기다.

전열관 재료는 배기가스 성분과 온도에 맞춘다. 가스측 휜은 전열 면적을 크게 늘리므로 같은 체적에서 열교환량을 키운다. 바이패스 댐퍼는 절탄기 가스 출구 온도가 저온부식 한계 아래로 내려가지 않도록 운전 조건에 따라 가스 흐름을 나눈다.

원리는 다음과 같다. 배기가스가 전열관 외부를 지나며 열을 잃고, 관 내부의 급수가 그 열을 얻어 온도가 오른다. 두 유체 사이 온도차가 열전달의 구동력이므로, 가스 출구 온도를 낮출수록 회수열이 늘어난다. 열교환량은 다음과 같이 표현한다.

$Q = \dot{m}_w \, c_p \, (T_{w,out} - T_{w,in})$

여기서 Q는 회수열량(kW), \dot{m}_w는 급수 질량유량(kg/s), c_p는 물의 정압비열(kJ/kg·K), T_{w,in}, T_{w,out}은 급수 입·출구 온도(℃)다.

절차는 다음 순서로 진행된다.

• 보일러 연소실에서 나온 배기가스가 과열기·재열기를 거쳐 절탄기 입구로 들어온다.
• 급수펌프가 탈기기에서 받은 급수를 절탄기 관군으로 보낸다.
• 배기가스가 관 외부를 지나며 열을 주고, 급수가 가열되어 출구로 나간다.
• 가열된 급수가 보일러 드럼으로 공급되어 증발 열량이 줄어든다.
• 배기가스는 공기예열기 또는 연돌로 배출된다.
• 전열면 오염이 쌓이면 매연 제거기로 주기적으로 청소한다.

효율 측면에서 배기가스 온도를 낮추면 보일러 효율이 오른다. 배기가스 온도가 낮아질 때마다 효율이 오른다. 그 크기는 설계 계산으로 확인한다. 다만 저온부식과 결로를 피하려면 가스 출구 온도를 노점 이상으로 유지해야 한다.

5. 관련 법령·기준·표준

절탄기 자체의 설계·설치 기준은 보일러 설계기준(ASME Section I, KS B 6204 등 보일러 구조 기준) 과 보일러 및 압력용기 안전관리 관련 법령에 따른다. 설치 시 압력부 설계 압력(MPa) 과 급수 온도(℃) 가 기준이 된다.

개정 연혁으로는 보일러 설치·검사 관련 법령이 설치 검사와 안전 관리 기준을 단계적으로 보완해 왔다. 절탄기가 압력 부품이므로 제작·설치 시 관련 검사 절차를 거친다. 열회수 방식은 고온 배기가스 쪽에서 설치되는 연도 설치형과 가스 흐름을 나누는 바이패스형으로 나뉘며, 이 구분은 법령보다 설계 관행에서 정해진다.

유사 설비인 폐열보일러(WHB) 와 열회수 증기 발생기(HRSG) 는 고온 가스로 증기를 만드는 설비이고, 절탄기는 증기를 만들지 않고 급수만 예열한다는 점이 다르다.

6. 유형과 비교

절탄기는 열원(연소가스)과 급수의 접촉 방식, 튜브 배열, 열회수 대상에 따라 나눈다. 같은 목적이라도 구조가 달라 설치 조건과 효율이 다르므로 비교표로 정리해 둔다.