Make-up water내 존재하는 산소나 이산화탄소 등 inert gas를 제거하기 위해 스팀을 이용하는 설비로서 산소는 boiler tube에서 급격한 국부적 부식이나 scaling을 야기하며, 이산화탄소는 pH를 낮추어 부식적인 carbonic acid를 만들어, boiler system을 통해 심각한 acid attack에 따른 수명 저하 및 안전에도 크게 영향을 줄 수 있다.
용존 가스의 양이나 pH는 chemical을 주입하여 control하거나 제거할 수 있지만, 화학적인 방법보다는 물리적인 방법으로 제거하는 것이 경제적이고 열적 효율이 좋으며, 스팀 시스템의 life time을 늘릴 수 있다. (boiler capacity가 매우 작다면 chemical방법이 더 경제적일 수도 있음에 따라 비교 분석이 필요함.)
Deaeration은 2개의 원리에 토대를 두며 그 중 하나가 헨리 법칙이다. 즉, 용액 위의 가스 분압이 감소할수록 용액내 가스의 용해도도 감소한다는 원리로서 유입되는 make-up water에 스팀을 주입하여, O2나 CO2의 가스 분압을 낮추어, 결국 물속의 용해도를 낮추고, 두 번째는 가스 용해도와 온도와의 관계로서 스팀과의 contact에 의해 물의 온도가 상승하여 포화온도에 접근할수록 물 속의 가스 용해도는 감소한다. 예를 들어 산소의 용해도는 150F에서는 5ppm이지만, 190F에서는 2ppm이다. CO2의 경우 온도가 170F이상이 되면 모두 제거가 될 수 있다. 결국 가스를 제거하기 위해서는 가스의 용해도를 감소하는 분위기를 만들어야 원하는 수준으로 O2, CO2 및 비응축 가스를 제거할 수 있다.
운전방법으로는 make-up water가 steam속으로 미세 분사되어 빠른 시간 내에 포화온도로 가열이 되며, 이 과정에서 스팀과 접촉하는 물의 표면적을 늘려서 더 많은 가스를 빠른 시간 내에 제거할 수 있으며, 용존 산소를 7ppb 이하로 줄이고 CO2는 완전히 제거할 수 있다.
Deaeration을 수행한 이후 storage는 보통 BFW 유량 기준 10분 정도 holding을 적용하며, 최대 30분 혹은 10분 이하일 수도 있으니 spec을 참조하면 되고, 필요로 하는 스팀은 HMB를 통해 결정한다. 스팀은 wet steam이든 superheated steam이든 available한 것을 이용하며, 스팀의 엔탈피를 이용하여 balance를 통해 양을 계산할 수 있고 대기로 vent되는 양도 고려해야 한다. Deaerator storage elevation은 pump의 NPSHR을 감안하여 높게 설치한다. (마진은 HI standard를 참조)
산소의 용해도는 이론적으로 boiling point (212F)에서는 0이지만, 격렬한 mechanical scrubbing이 없이는 완벽한 제거가 쉽지 않다.
들어오는 물을 일정 압력하의 스팀 속으로 spraying하여 스팀의 포화온도보다 약간 낮은 온도까지 가열이 되며, 이 때 물속의 비응축 가스 대부분이 스팀 쪽으로 release된 후 venting에 의해 시스템에서 퍼지된다. 잔여 trace gas는 packing, tray를 이용하여 미세 입자나 film으로 broken되어 물로부터 scrubbing되며, 스팀과 물의 최적 접촉에 의해 운전압력에서의 포화온도보다 1~4F 낮은 온도로 까지 BFW온도가 올라간다.
이를 위해 물과 증기의 접촉하는 표면적을 증가시키기 위해, 내부 packing이나 tray등 internal이 설치되며 이러한 공정을 통해 용존 산소를 7ppb미만으로 감소시키고 CO2를 완전히 제거할 수 있다.
Deaerator type
Tray type
Tray type deaerator는 cascade type이라고도 하며, dome이라고 불리는 top section 내부에 perforated tray가 설치되며 bottom section은 storage기능을 한다. Tray는 들어오는 물을 even distribution하고, 아래에서 올라오는 스팀에 의해 물로부터 용존 산소를 strip한다. 아울러 tray는 충분한 체류시간을 제공함으로서 물과 스팀의 접촉시간을 늘려 물질 및 열 전달을 극대화한다. 이후 storage에 저장된 물 속으로 스팀을 주입하여 추가적으로 물을 가열하고 산소의 용해도를 낮추어 잔여 용존 산소를 제거한다.
Spray type
Spray type은 먼저 스팀을 이용하여 E section에서 예열이 된다. 예열과 탈기 영역 사이에 baffle이 있어서 예열하는데 체류시간을 증가시킨다. 예열되고 level이 증가하면 탈기 영역으로 물이 이동하여, 탈기 영역에서 스팀에 의해 물의 온도가 올라가 산소의 용해도는 감소하면서 추가적인 가스 제거가 이루어진다.
spray type
tray type
가끔 cold make-up water와 hot condensate가 combine된 후 deaerating section으로 주입될 수 있으며, hot condensate가 cold make-up water와 mixing될 때 cold water의 온도가 올라가 내부에 녹아 있던 용존 산소가 나올 수 있어서 후단이 SS재질이 아니라면 배관의 pitting 부식을 야기할 수 있다.
또한 surge tank가 SS재질이 아니라면 부식문제를 효과적으로 control하기 위해, O2 scavenger를 주입해야 하며, 이는 곧 chemical사용량이 증가되어 비경제적일 수 있다. 따라서 deaerator전에 cold make-up water와 hot condensate를 혼합하여 주입하지 않고, 각각 개별 배관을 통해 deaerator에 주입하여 deaerating chamber내에서 mixing하는 것이 좋다.
산소는 CS 재질의 tank, 배관, 펌프, 보일러의 부식을 유발하며, CO2가 존재시 pH가 낮아져서 물이 acidic하여 부식 속도가 증가한다. 부식의 유형은 pitting type으로서 비록 metal loss는 크지 않지만, 짧은 시간내 deep penetration과 perforation이 일어날 수 있다.
용존 산소의 제거는 화학적 혹은 물리적 방법을 통해 가능하며 두 가지를 동시에 적용할 수도 있다. 부식을 줄이기 위한 pH범위는 적어도 8.5~9를 유지해야 하며, 이는 CO2가 없고, O2의 모든 trace가 제거되는 가장 낮은 값이다.
plant로부터 return되는 Condensate는 뜨겁고 이미 화학적 처리되어 더 많은 condensate가 return될수록 가스를 제거해 주어야 할 make-up양이 줄어들어 전체적으로 보면 BFW처리를 위한 steam사용과 chemical사용은 줄어들게 된다.
공기에 접촉된 make-up water는 산소로 포화될 수 있으며, 물 속의 용존 산소 농도는 온도에 따라 변하여, 온도가 높을수록 용존 산소량은 줄어든다.
BFW treating의 1 단계는 물을 가열하여 산소를 제거하는 것이다. Boiler feed tank가 85~90도로 운전될 경우 산소는 약 2ppm (mg/l)를 포함하며, 대기압 조건에서 더 높은 온도는 O2를 더 많이 제거하지만 포화온도에 가까워져서 feed tank가 충분히 높은 곳에 설치되지 않는다면 pump cavitation을 야기할 수도 있다. 여기에 O2 scavenger (sodium sulphite, hydrazine등)을 주입하면 잔여 O2를 제거하여 부식을 방지할 수 있다. 하지만 공장 규모가 커서 chemical 소모량이 급격하게 많을 경우 chemical주입량을 줄이기 위해 pressurized deaerator를 적용한다.
만약 액체가 포화온도에 있으며 충분히 교반되고 boiling된다면 이론적으로 가스의 용해도는 0이다. 이를 위해 deaerator로 들어오는 물은 가능한 미세하게 분사하여 droplet주위를 스팀과 접촉하게 한다. Contact area가 커지고 빠른 열전달이 되면서 물은 스팀의 포화온도에 접근하게 된다. 이 과정에서 매우 짧은 체류시간에 release된 가스는 excess steam과 함께 vent out된다. 아울러 탈기되어 storage로 떨어지는 BFW에 다시 가스가 흡수되지 않도록 storage위를 스팀으로 blanket해야 한다. 들어오는 물을 작은 미세입자로 만드는 device는 아래와 같은 종류가 있다.
장단점 및 cost 비교는 아래와 같다.
Make-up water는 storage liquid level을 조절하면서 유입이 되며, 스팀은 deaerator내 압력을 조절하면서 물과 반대인 counter current의 방향으로 유입이 된다. 특히 스팀 압력이 매우 중요하여 용존 가스 및 BFW 온도에 직접 영향을 준다. Pneumatic control valve를 적용하며, load가 거의 일정한 경우라면 self acting diaphragm regulator를 사용할 수도 있다. 스팀은 diffuser를 통해 원활한 distribution으로 공급되어 물의 온도를 올리며 분압을 낮추는 역할 외에도 release gas를 vent하는 driving force역할과 blanket 역할도 한다.
85도의 물에는 물 1,000kg당 산소가 3.5g이 포함되어, 이 산소가 CS에 contact하여 oxide나 rust, scale을 야기하며 CO2와 반응하여 고온에서 carbonic acid를 만들며 결국 metal을 부식시킨다.
LP나 MP 스팀의 경우 온도에 따른 부식율이 severe하지 않아 상압에서 운전하는 deaerator를 안정적으로 운전을 할 수 있고, 잔여 용존 산소는 chemical로 제거할 수 있다. 하지만 boiler에서 만들어지는 고압 스팀이나 과열 증기의 경우 용존 산소는 7ppb이하로 유지해야 하며 따라서 온도에 따라 부식율이 커짐에 따라 pressurized deaerator를 적용해야 한다.
대기압에서 운전하는 deaerator온도가 100도가 되면 이론적으로 용존 가스가 없지만 실제적으로는 약간 존재하며 더 중요한 것은 vent를 통한 스팀 손실이 너무 커서 일반적으로 20barg의 고압 스팀일 경우에는 pressurized deaerator를 적용한다.
Pressurized deaerator는 보통 0.2barg로 운전이 되며 이 때 포화온도는 105도이다. 이 경우에도 약간의 스팀이 대기로 손실되지만 대기압에서 운전되는 경우보다는 훨씬 작다. Venting은 산소 외에 질소, CO2도 포함됨에 따라 물 1,000kg으로부터 산소 3.5g 이상의 가스가 배출되며, 실제 대기압하에서 80도의 1,000kg 물로부터 5.9g의 가스가 배출된다. 여기에 스팀이 mixing되어 대기로 나가며, 필요로 하는 스팀양은 달톤의 분압 법칙과 헨리 법칙을 통해 예측할 수 있다.
0.2barg의 운전압력이더라도 스팀과 공기의 분압 효과에 따라 vent steam/gas는 100도이다.
스팀의 분압은 1.013barA이므로 전압에서 이 값을 빼면 공기의 분압은 0.186 bar a이다.
그러나 BFW 온도를 정확히 측정하는 것이 쉽지 않으며, deaerator 운전압력과 대기압력의 차이가 미미하고 vent rate가 작아서 보통은 vent line에 자동 venting mechanism 대신 orifice를 설치한다. 계산상으로 물 1ton에 대해 가스는 22.4g이 배출되지만 실제적으로 측정하거나 regulation하는 것은 불가능하다. 그래서 실제적 경험에 따라 deaerator vendor들은 venting rate를 deaerator capacity (BFW) 1,000 kg/h당 0.5~2 kg/h를 recommend하여, typical하게 vent는 3/4” 배관에 RO와 ball valve를 설치하여 throttling하도록 설계한다.
다음 내용은 typical한 것으로 project마다 달리 적용될 수도 있으니 참조로만 활용해야 한다.
운전압력은 0.2barg이며 이 때 포화온도는 105도이다. 이 압력에 deaerator elevation을 감안한 static head를 포함한 압력이 steam trap의 back pressure이거나 pumped condensate return압력이다. Storage의 holding time은 10~20분을 적용하며 물의 distribution을 원활하게 하기 위해 spray nozzle의 차압을 고려하며 적어도 2barg이상이어야 한다. 스팀 공급 배관의 control valve 전단은 5~10barg를 고려하고 Deaerator의 turn down은 약 5:1이다. T/D시 process로부터 condensate 회수 유량이 부족할 경우 압력이 충분하지 않아 nozzle이나 distributor에서 atomizing하는데 문제가 될 수 있다. T/D에 문제가 된다면 deaerator를 multiple로 고려하여 2X50%로 설치할 수도 있다. Start-up시 storage section에 heating이 필요할 수 있으며 이는 coil이나 직접 스팀을 주입일 수 있다.
Heat balance는 typical하게 들어오는 물의 온도보다 20도 높여 BFW로 공급한다. 즉 85도의 물이 deaerator로 공급되고, 만약 이 온도보다 높게 들어올 경우 운전압력을 맞추기 위해 요구되는 스팀의 양은 줄어들 것이다. 스팀 유량이 너무 낮을 경우 nozzle에서 distribution에 문제가 될 수도 있으니 이 점은 주의 깊게 검토해야 한다. 따라서 설계 대비 많은 양의 고온의 condensate가 유입될 경우 deaerator 전단에 cooler를 설치하여 온도를 적절히 조절한다.
에너지 측면에서 고온의 스팀이 물을 처리함에 따라 heat loss를 최소화하기 위해 insulation을 적용해야 하며 아울러 released gas를 대기로 vent시 excess steam이 배출됨에 따라 이 양을 최소화해야 한다.
Pressurized deaerator를 적용하는 이유로는 chemical의 사용 없이 용존 산소 level을 최소화하기 위함이며, 대용량 boiler system에서 chemical 사용이 최소화됨에 따라 TDS도 1,000ppm이하로 낮출 수 있다. Chemical 주입에 비례하여 blow down을 해야 함에 따라 chemical 사용이 최소화됨으로서 blow down도 줄일 수 있으며 water loss를 최소화할 수 있다. 아울러 스팀이 살균이나 음식에 직접 사용될 경우 chemical 주입 최소화를 통해 이들에 오염을 방지할 수 있다.
Deaerator heat balance
정확한 스팀 양의 예상 및 control valve의 적절한 sizing을 위해 heat balance가 중요하며 들어오는 water의 온도를 올려 용존 산소를 제거하기 위한 스팀 양을 balance를 통해 확정할 수 있다. 유입되는 물의 열량과 스팀의 열량의 합은 BFW의 열량과 유입 스팀의 응축을 통한 열량의 합과 같아야 한다.
Chemical 사용량의 최소화를 위해 적용된 pressurized deaerator는 0.2barg에서 운전하고 운전온도는 105도로 유지하여, 용존 산소는 부식 방지를 위한 허용 범위 내로 최소화할 수 있고, Distributor spray nozzle의 차압을 1.5~2bar 고려한다.
아래는 deaerator의 주요 문제점 및 이에 대한 원인을 나열하였으니 좋은 reference가 될 듯 하다.
대기압하 물속의 N2와 O2의 용해도 곡선
수직형 deaerator는 중소용량에 적합하여 보통 220t/h미만에 적용한다.
수평형 deaerator는 대용량에 적합하여 보통 220t/h이상에 적용한다.
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