부식 현상은 발전소 및 대규모 난방가동시설 등의 각종 산업 현장에서 해결해야할 중대한 문제 중 하나이다. 특히 보일러 시스템의 높은 가동 온도 조건은 부식의 주된 원인으로 이러한 고온 부식 현상을 억제하기 위한 다양한 재료 및 방법들에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 연구에서 우리는 직접 개발한 세라믹 코팅을 현장 보일러 시스템에 적용하는 실험을 통해 보일러 가동조건에 따른 내부식성에 대해 고찰해보았다. 특히, 현장 보일러 시스템에 적용하는 연구를 통해 고온 환경에서의 내부식성 뿐만 아니라 연소 후 발생하는 각종 생성물에 의한 보일러 관 부착 현상에 대해서도 상대적으로 평가할 수 있었다. 또한, 세라믹 코팅의 내부식성에 대한 효과로 인해 발생하는 보일러 관의 수명연장효과(잔여 수명 분석)에 대해서도 정량적으로 분석하였다.

신재생 에너지의 활용 및 폐기물 순환을 통한 재활용에 주목하는 전세계적인 요구에 힘입어 바이오매스 및 생활환경 폐기물을 연료로 발전하는 SRF 발전에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 특히 화석연료의 고갈과 각종 폐기물의 증가로 SRF 발전에 대한 수요는 점차 증가할 것이라 예상된다. 다만, 정제된 화석연료의 사용 대신 각종 폐기물을 연로로 활용하기 때문에 이로 인해 발생하는 연소 생성물에 의해서 다양한 문제들이 발생되고 있다. 특히 보일러 시스템 내에서의 보일러 관에 각종 연소 생성물이 부착되는 파울링 현상은 연속 운전 시간 및 에너지 효율 측면에서 극복해야할 대표적 난제이다. 본 연구에서 우리는 현장에서 채취한 각종 소각재 및 파울링 현상으로 인해 발생하는 보일러 관 표면의 클링커에 대한 구성 물질 분석결과들을 통한 회귀분석과 동시에 시뮬레이션을 통해 각 구성 물질의 함량 변화에 따른 소각재 및 클링커의 녹는점 변화에 대해 분석하였다. 이를 통해 파울링 현상에 영향을 미치는 인자들을 구별하고 이에 따른 해결법을 제시하고자 한다.

보일러 시스템에서의 부식 현상은 다양한 산업 분야에서 중대한 문제 중 하나로 인식되어왔다. 부식에 주된 원인으로는 높은 온도와 염소 가스와 같은 부식을 촉진시키는 특정한 가스인자들을 꼽을 수 있다. 많은 연구자들은 부식 현상을 억제하기 위한 재료 개발과 방법들에 대해 주목해서 연구해왔지만 각각의 내부식방법들을 비교 분석한 연구 사례는 흔치 않다. 이번 연구에서 우리는 보일러 시스템 고유의 온도 및 가스 조건을 구현할 수 있는 장치를 고안하여 각각의 내부식 방법들을 평가해보았다. 대부분의 보일러 시스템에서는 보일러 관의 외부(~800℃)와 내부(~500℃)가 내부의 스팀생성으로 인해 온도가 다르게 구현되는 독특한 특징이 있다. 우리가 새롭게 고안된 장치를 이용하면 내부식 방법들(ceramic coating, silica taping, plasma coating, high velocity oxygen fuel coating and overlay Inconel welding)에 대한 평가뿐만 아니라 부식을 유발시키는 염소 가스에 대한 영향도 구분해서 분석할 수 있다. 본 연구를 통해 보일러 튜브 표면에서 발생하는 고온 부식의 메커니즘에 대한 분석 및 고찰을 비롯해 각각의 내부식 방법들에 대한 보일러 튜브의 수명연장효과(잔여 수명 분석)을 FE-SEM, EDS, 무게감량법들을 통해 비교･평가할 수 있었다.

A coating system derived from the combination of a sodium and a potassium water glass was developed to apply for steel in oxidizing and humidity environments at elevated temperature. Parameters such as filler volume, viscosity or coating thickness were varied to optimize the coatings. The coated specimens were investigated by TGA, SEM/EDS, and XRD to clarify the microstructure morphology and anti-oxidation behavior. Finally, oxidation tests, adhesion tests, thermal shock resistance tests and humidity resistance tests were performed to evaluate the performance of developed coating.

보일러 관의 부식 현상은 오랫동안 다양한 산업분야 걸쳐 제기되어 오는 주요한 문제 중의 하나이다. 특히, 온도는 보일러 관의 부식 현상을 야기시키는 주요한 영향 인자 중에 하나이다. 하지만, 기존의 보일러 시스템의 경우 장기간의 운전으로 인해 온도에 따른 부식 발현을 면밀히 관찰하기에는 부적합한 부분이 있다. 따라서 우리는 기존의 보일러 설비처럼 보일러 관의 내부와 외부 온도조건을 달리하여 제어할 수 있는 장비를 구축하였다. 이를 통해서 다양한 온도 및 환경조건에서 보일러 관의 고온 부식에 대한 실험을 진행할 수 있었다. 결국 FE-SEM(field emission scanning electron microscope), EDS(energy dispersive spectrometer), XRD(X-ray diffraction)를 통한 분석결과로부터 다각적으로 고온 조건에 인한 부식발생기작에 대해 유추할 수 있었다. 뿐만 아니라 weight loss method를 통해서 고온에 따른 부식으로 인한 보일러 관의 두께 및 무게 감량 결과를 통해서 해당 조건에서의 보일러 관의 수명 또한 예측할 수 있었다.

This study describes development of high performance environmental barrier coating for steel in oxidizing and humidity environments at elevated temperature. Parameters like pre-treatment of the steel substrates, filler systems, particle size of the fillers or coating thickness were varied to optimize the coatings. The resulting coating investigated by TGA, SEM/EDS, and XRD to clarify the possible protective mechanism. Oxidation tests, adhesion tests, thermal shock resistance tests and humidity resistance tests were performed to evaluation the high performance of developed coatings.