KR20010017236A

KR20010017236A - 보일러 시스템의 부식 및 스케일 방지제와 그의 투입방법

Info

Publication number: KR20010017236A
Application number: KR1019990032631A
Authority: KR
Inventors: 심상희; 윤여인
Original assignee: 심상희; 애큐랩 주식회사
Priority date: 1999-08-09
Filing date: 1999-08-09
Publication date: 2001-03-05

Abstract

본 발명은 온수가 진행하는 각종 보일러 시스템의 부식 및 스케일 방지제와 그의 투입방법에 관한 것으로서, 이는 보일러 시스템 즉 산업용이나 가정용 보일러의 배관 및 지역 난방 시스템의 배관이나 판형 열 교환기 등에 발생하는 부식과 스케일 생성을 방지하기 위한 방지제를 조성하고, 그 조성된 방지제를 보일러 시스템의 수중에 적정 농도를 갖도록 투입하여 상기 보일러 시스템의 부식을 방지함으로서 그의 사용수명을 연장하고, 열전도율을 향상시켜 에너지를 절약할 수 있도록 함에 그 목적이 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 중량%로 아질산염 1% - 45%, 몰리브데이트 0.1% - 30%, 유기인산염 0.1% - 5%, 분산제 0.1% - 5%, 구리부식 방지제 0.1% - 5%, 나머지는 물로 이루어진 보일러 배관 내부의 부식 및 스케일 방지제와, 그 방지제를 보일러 시스템에 수중 농도 2000∼6000ppm이 되도록 투입함을 요지로 한다.

Description

보일러 시스템의 부식 및 스케일 방지제와 그의 투입방법{Corrosion and scale inhibitor and its feeding method in boiler system}

본 발명은 온수가 진행하는 각종 보일러 부품의 부식 및 스케일 생성을 방지하는 방지제와 그의 투입방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 산업용이나 가정용 보일러의 배관과 지역난방 시스템의 온수를 공급하는 배관 및 판형의 열 교환기(이하 보일러 시스템이라 통칭함) 등에 발생하는 부식과 스케일 생성을 방지하여 그들의 사용 수명을 연장시킬 수 있도록 한 것이다.

일반적으로 스팀이 발생되지 않는 난방용 온수 보일러에서 발생하는 문제는 보일러 시스템의 부식 및 수중의 경도 성분에 의한 스케일 생성이므로 이러한 부식 및 스케일의 생성은 보일러 시스템의 수명을 단축시키고 열 교환 능력을 저하시켜 에너지 소모를 증가시킨다.

따라서 종래에는 상기의 현상을 해소하기 위하여 보일러 시스템을 정기적으로 산 세척하여 금속 표면의 부착물을 제거하고 있으나 그 방법은 상기 산 세척으로 인해 발생되는 산 폐수가 환경에 악영향을 미칠 뿐만 아니라 타 설비에 묻었을 때에 그 설비의 부식을 촉진시켜 설비 수명을 단축시키는 문제점이 있었다.

또한 상기 보일러 시스템은 탄소강, 아연도금강, 동, 스테인레스강 등의 금속재료이며, 이러한 다양한 종류의 금속재질에서 나타나는 부식현상은 산소부식(산화부식), 갈바닉 부식, 하부 침전물 부식으로 나눌 수 있다.

상기 부식의 종류 중 산소부식은 하기와 같은 전기 화학적인 반응에 의해서 일어난다.

Fe → Fe²⁺+ 2e- (양극반응)

H₂O + ½O₂+ 2e- 2OH- (음극반응)

상기 갈바닉 부식은 두 가지의 서로 다른 금속이 물리적으로 연결되어 있을 때 이 두 가지 금속사이에 나타나는 전기 화학적 전위 차에 의하여 부식이 일어나는 현상을 말한다. 이러한 현상의 예로는 구리 또는 구리 합금이 강관과 연결되었을 때, 강관의 부식이 심하게 일어나는 경우이다.

또한 하부 침전물 부식은 금속의 표면이 스케일 또는 이물질 등으로 덮인 경우 그 침전물 하부의 산소농도가 다른 부위에 비하여 낮아져서 침전물 하부와 그 외 금속표면 사이에 전기 화학적 전위차가 발생하여 일어나는 부식을 말한다.

이론적으로는 완전히 밀폐된 시스템에서는 물의 농축이 일어나지 않으므로 수중의 칼슘, 마그네슘 등의 경도성분이 증가하지 않는 것이 원칙이다. 그러나 대부분의 경우 팽창탱크 등을 통한 증발 또는 누수에 의하여 농축이 일어나며 이에 따른 경도성분의 석출에 의해 스케일이 생성된다.

또한 보일러 수의 가열 및 순환에 따라 수중의 탄산가스가 방출되기 때문에 그에 의한 물의 pH 상승이 나타나 수중의 경도성분이 용해되지 않음으로 석출 및 스케일이 발생하기도 한다.

이러한 스케일의 발생은 그것이 판형 열 교환기의 표면에 생성되었을 때 열 전도를 방해하여 에너지 손실을 초래하게 되고, 또한 앞에서 언급된 바와 같이 하부 침전물 부식의 원인이 되어 장비의 수명이 단축되기도 한다.

현재 국내의 모든 난방용 보일러 시스템은 부식에 의한 철분 스케일 또는 경도 성분에 의한 스케일을 제거하기 위하여 주기적으로 산 세척을 실시하고 있으나, 그로부터 발생하는 산 폐수에 의하여 환경오염과 산 세척으로 인한 비용발생 및 보일러의 수명이 단축되는 문제점이 있다.

종래의 부식 및 스케일 생성을 방지하기 위한 화학약품 처리제로는 무기인산염인 정인산 또는 중합인산이 주성분이고, 상기 무기인산염 계통의 제품은 수중의 산소 농도가 낮은 보일러의 경우 부식방지 효과가 적어 보일러 시스템의 부식을 일으키며 부식 생성물인 철분 스케일을 발생시킨다.

또한 상기 무기인산염은 구리 또는 구리합금의 부식방지 효과가 없고, 물 속에 상당량의 칼슘 이온이 존재하는 경우 이 무기인산염은 인산칼슘 스케일의 생성을 유발하기도 한다.

상기의 무기인산염 외에도 다른 종류의 금속부식 및 스케일 방지제로서는 규산염이 있다. 그러나 이 규산염 역시 산소 농도가 낮은 온수 보일러 시스템의 경우 부식방지 효과가 미약하고, 과다한 양의 규산염이 사용될 경우 실리카가 석출되어 문제를 야기 시키기도 한다.

본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위하여 발명한 것으로서, 그 목적은 아질산염, 몰리브데이트, 유기인산염, 분산제, 구리부식 방지제, 물로 이루어진 방지제를 조성하고 그 조성된 방지제를 보일러 시스템의 수중에 적정 농도를 갖도록 투입하여 상기 보일러 시스템의 부식을 방지함으로서 그의 수명을 연장하고, 열전도율을 향상시켜 에너지를 절약할 수 있도록 한 보일러 시스템의 부식 및 스케일 방지제와 그의 투입방법을 제공함에 있다.

도 1은 본 발명의 보일러 시스템 부식 및 스케일 방지제 성능을 시험하기 위한 실험장치의 개략도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10 : 가열 바

20 : 시편

30 : 아이 글래스

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 보일러 시스템 부식 및 스케일 방지제는 중량%로 아질산염 1% - 45%, 몰리브데이트 0.1% - 30%, 유기인산염 0.1% - 5%, 분산제 0.1% - 5%, 구리부식 방지제 0.1% - 5%,나머지는 물로 이루어짐을 특징으로 한다.

한편 상기 아질산염은 아질산나트륨(NaNO₂), 아질산칼륨(KNO₂), 아질산수소 (HNO₂) 중 선택된 1종을 사용하고, 상기 몰리브데이트는 몰리브덴나트륨(Na₂MoO₄), 몰리브덴칼륨(K₂MoO₄) 중 선택된 1종을 사용하며, 상기 유기인산염은 아미노트리스메틸렌포스포닉산, 1-하이드록시에틸리덴-1,1-디포스포닉산, 2- 포스포노부탄-1,2,4-트리카복실린산 중 선택된 1종을 사용하고, 상기 분산제는 중합체 또는 공중합체인 폴리머로 이루어지며, 상기 구리부식 방지제는 메켑토벤조티아졸, 벤조트리아졸, 톨리트리아졸 중 선택된 1종을 사용함을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 보일러 시스템 부식 및 스케일 방지제 투입방법은 중량%로 아질산염 1% - 45%, 몰리브데이트 0.1% - 30%, 유기인산염 0.1% - 5%, 분산제 0.1% - 5%, 구리부식 방지제 0.1% - 5%,나머지는 물로 이루어진 방지제를 보일러 시스템 내부의 수중 농도 2000ppm - 6000ppm이 되도록 투입함을 특징으로 한다.

그리고 상기 2000ppm - 6000ppm의 방지제 농도를 갖는 수중에는 아질산염의 농도가 300ppm - 1000ppm이 유지되도록 하고, 몰리브데이트의 농도는 1ppm - 700ppm이 유지되도록 하며, 유기인산염의 농도는 0.5ppm - 20ppm이 유지되도록 하고, 분산제의 농도는 0.5ppm - 20ppm이 유지되도록 하며, 구리부식 방지제의 농도는 0.5ppm - 20ppm이 유지됨을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 구체적인 구성과 그 실시예를 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 먼저 보일러 시스템의 부식 및 스케일 방지제로 사용되는 아질산염, 몰리브데이트, 유기인산염, 분산제, 구리부식 방지제의 작용과 효능에 대하여 설명한다.

첫 번째로 아질산염은 아질산나트륨(NaNO₂), 아질산칼륨(KNO₂), 아질산수소 (HNO₂) 등을 예로 들 수 있으며, 이는 탄소강 표면에 ??-Fe₂O₃의 치밀한 피막을 형성시켜 부식을 방지하는 역할을 한다.

두 번째로 몰리브데이트는 몰리브덴나트륨(Na₂MoO₄), 몰리브덴칼륨(K₂MoO₄) 등을 예로 들 수 있으며, 이는 산소 농도가 상대적으로 낮은 난방용 온수 보일러 내부에서 단독으로 사용될 때는 금속의 부식방지 효과가 미약하나 아질산염과 같이 사용될 경우에는 시너지 효과에 의하여 금속 부식을 방지하는 역할을 한다.

세 번째로 유기인산염은 아미노트리스메틸렌포스포닉산(aminotrismethylene phosphonic acid : AMP), 1-하이드록시에틸리덴-1,1-디포스포닉산(1-hydroxyethylidene-1,1-diphosphonic acid : HEDP), 2- 포스포노부탄-1,2,4-트리카복실린산(2-phosphonobutane-1,2,4-tricarboxylic acid :PBTC) 등을 예로 들을 수 있으며, 이는 경도 성분 스케일의 생성 및 부착을 방지하기 위하여 탄산칼슘 방지제인 유기인산염을 사용하는데, 이는 탄산칼슘의 생성을 방지할 뿐만 아니라 아질산염에 의하여 생성되는 금속의 부식방지 피막형성을 보장하는 역할을 한다.

또한 탄산칼슘 입자에 화학 흡착되어 스케일의 결정 구조를 변화시켜 스케일의 생성 및 성장되는 것을 방지한다.

네 번째로 분산제는 다양한 중합체 또는 공중합체(co, ter-polymer)인 폴리머로 이루어지며, 난방용 보일러 수에서 생성되어지는 철 산화물 또는 탄산칼슘 등의 입자가 판형의 열 교환기 표면에 부착되는 것을 방지해 주는 역할을 한다.

다섯 번째로 구리부식 방지제는 메켑토벤조티아졸(mecaptobenzothiazole), 벤조트리아졸(benzotriazole), 톨릴트리아졸(tollytriazole) 등을 예로 들 수 있으며, 이는 동관의 부식에 의하여 생성되는 구리 이온이 다른 부위의 탄소강 표면에 석출되어서 탄소강의 국부 부식을 초래하는 것을 방지하는 역할을 한다.

이와 같은 역할을 하는 상기 각각의 화학 성분을 이용하여 보일러 시스템의 부식 및 스케일 방지제를 조성하는 방법은 아질산나트륨, 아질산칼륨, 아질산수소 중 어느 하나로 이루어진 아질산염 1% -45%와; 몰리브덴나트륨, 몰리브덴칼륨 중 어느 하나로 이루어진 몰리브데이트 0.1% - 30%와; 아미노트리스메틸렌포스포닉산 ,1-하이드록시에틸렌-1,1-디포스포닉산, 2-포스노부탄-1,2,4-트리카복실린산 중 어느 하나로 이루어진 유기인산염 0.1% - 5%와; 중합체 또는 공중합체인 폴리머로 이루어진 분산제 0.1% - 2%와; 메켑토벤조티아졸, 벤조트리아졸, 톨릴트라아졸 중 어느 하나로 이루어진 구리부식 방지제 0.1% - 5%와; 나머지 물을 사용하여 만든다.

이하에서는 상기 화학성분들의 사용범위를 한정한 이유에 대하여 설명한다.

아질산염을 1%이하로 사용하는 경우 탄소강 표면에 ??-Fe₂O₃의 치밀한 피막을 형성시키지 못해 부식방지 효과가 미약하고, 45%이상 사용할 경우 그 투입량의 일부가 석출될 수 있다.

몰리브데이트는 1%이하로 사용할 경우 아질산염과의 시너지 효과를 발휘하지 못해 금속 부식방지 효과가 미약하고, 30%이상 사용할 경우 그 투입량의 일부가 석출될 수 있다.

유기인산염은 0.1%이하로 사용할 경우 탄산칼슘의 생성을 방지할 수 없을 뿐만 아니라 아질산염에 의하여 생성되는 금속의 부식방지 피막형성이 미약하고, 5%이상 사용할 경우 수중의 Ca와 결합하여 스케일을 생성시킬 수 있으며 투입량의 증가에 따른 비용만 증대된다.

분산제는 0.1%이하로 사용할 경우 난방용 보일러 수에서 생성되어지는 철 산화물 또는 탄산칼슘 등의 입자가 판형의 열 교환기 표면에 부착되는 것을 방지할 수 없고, 5%이상 사용할 경우 투입량의 증가에 따른 효과의 상승 없이 비용만 증대된다.

구리부식 방지제는 0.1%이하로 사용할 경우 보호 피막이 완전하게 형성되기 어려워 그 효과가 미약하며, 5%이상 사용할 경우 투입량의 증가에 따른 효과의 상승 없이 비용만 증대된다.

이와 같은 작용을 하는 각 화학성분들의 조성에 의해 만들어진 방지제를 보일러 시스템의 수중에 투입할 때에는 상기 보일러 시스템의 수중에 방지제의 농도가 2000ppm - 6000ppm이 되도록 투입한다.

상기와 같이하여 투입된 온수 보일러 시스템의 수중에는 아질산염의 농도가 300ppm - 1000ppm, 몰리브데이트의 농도는 1ppm - 700ppm, 유기인산염의 농도는 0.5 - 20ppm, 분산제의 농도는 0.5 - 20ppm, 구리부식 방지제의 농도가 0.5ppm - 20ppm이 유지되도록 한다.

상기 보일러 시스템의 수중에 방지제의 농도가 정해진 양만큼 존재해야 되는 이유와 그의 작용 및 효능은 상기 화학 약품들의 사용범위와 그 한정 이유에 대하여 설명한 바와 동일하기 때문에 더 이상의 구체적인 설명은 생략한다.

이하에서는 본 발명의 보일러 시스템 부식 및 스케일 방지제 효과를 실시 예를 들어 설명한다.

도 1은 본 발명을 실험하기 위하여 만든 장치로서, 이 장치는 열 교환이 일어나는 금속 표면의 부식 및 스케일 형성을 실제 보일러 상황과 근사한 조건에서 관찰할 수 있도록 제조하였다.

열전도 표면을 가지는 금속 시편은 외부 직경이 1/2in의 튜브로서 실험 목적에 따라 탄소강 또는 동 재질을 사용할 수 있다.

[실시예1]

하기 표 1은 서울시의 시수를 사용하여 60℃에서 도 1에 나타난 장치를 사용하여 측정된 탄소강 시편의 부식율과 스케일 발생율을 나타내었고, 측정기간은 7일 동안이었다.

구분	부식도(MDD)	스케일 부착도(MCM)	비고
1	0.2	4.7	시수
2	1.5	3	시수+본 발명약품

상기 표 1에서와 같이 본 발명의 약품이 사용되지 않은 경우는 시편 표면 전면에 붉은 색의 부식 생성물이 도포 되었으며 순환수의 색도 붉은 색으로 변하였다.

이에 반하여 본 발명의 약품을 사용하였을 경우에는 시편은 본래의 표면 색을 유지하였으며 무게 변화가 거의 없었고, 순환수도 맑은 상태를 계속 유지하였다.

[실시예2]

하기 표 2는 서울시의 시수를 사용하여 60℃에서 도 1에 나타난 장치를 사용하여 측정된 구리 시편의 부식율과 스케일 발생율을 나타내었고, 측정기간은 7일 동안이었다.

구분	부식도(MDD)	스케일 부착도(MCM)	비고
1	1.4	2.5	시수
2	0.1	0.2	시수+본발명약품

상기 표 2에서는 발명된 약품이 사용되지 않는 경우 시편의 표면에 검은 산화구리가 생성되어 피복 되는 것이 발견되었으며, 본 발명의 약품을 사용하였을 경우에는 실험이 끝날 때까지 붉은 색의 구리 금속의 색깔이 변색되지 않았다.

이상과 같이 보일러 시스템의 부식 및 스케일 생성을 방지하는 아질산염, 몰리브데이트, 유기인산염, 분산제, 구리부식 방지제, 물, 등으로 이루어진 방지제를 보일러 시스템의 수중에 적정 농도를 갖도록 투입하면 상기 보일러 시스템의 부식을 방지하여 사용수명을 연장하고, 열전도율을 향상시켜 에너지를 절약할 수 있는 효과가 있다.

Claims

난방용 온수 보일러 시스템의 부식 및 스케일 방지제를 형성함에 있어서, 중량%로 아질산염 1% - 45%, 몰리브데이트 0.1% - 30%, 유기인산염 0.1% - 5%, 분산제 0.1% - 5%, 구리 부식 방지제 0.1% - 5%,나머지는 물로 이루어짐을 특징으로 하는 보일러 시스템의 부식 및 스케일 방지제.
제 1항에 있어서, 상기 아질산염은 아질산나트륨, 아질산칼륨, 아질산수소 중 선택된 1종임을 특징으로 하는 보일러 시스템의 부식 및 스케일 방지제.
제1항에 있어서, 상기 몰리브데이트는 몰리브덴 나트륨, 몰리브덴 칼륨 중 선택된 1종임을 특징으로 하는 보일러 시스템의 부식 및 스케일 방지제
제 1항에 있어서, 상기 유기인산염은 아미노트리스메틸렌포스포닉산, 1-하이드록시에틸렌-1,1-디포스포닉산, 2-포스포노부탄-1,2,4,-트리카복실린산 중 선택된 1종임을 특징으로 하는 보일러 시스템의 부식 및 스케일 방지제.
제 1항에 있어서, 상기 분산제는 중합체 또는 공중합체인 폴리머로 이루어짐을 특징으로 하는 보일러 시스템의 부식 및 스케일 방지제.
제1항에 있어서, 상기 구리부식 방지제는 메켑토벤조티아졸, 벤조트리아졸, 톨릴트리아졸 중 선택된 1종임을 특징으로 하는 보일러 시스템의 부식 및 스케일 방지제.
중랑%로 아질산염 1% - 45%, 몰리브데이트 0.1% - 30%, 유기인산염 0.1% - 5%, 분산제 0.1% - 5%, 구리부식 방지제 0.1% - 5%,나머지는 물로 이루어진 방지제를 온수 보일러 시스템의 수중 농도 2000ppm - 6000ppm이 되도록 투입하여 됨을 특징으로 하는 보일러 시스템의 부식 및 스케일 방지제 투입방법
제 7항에 있어서, 상기 2000ppm - 6000ppm의 방지제 농도를 갖는 온수 보일러 시스템의 수중에 아질산염의 농도가 300ppm - 1000ppm이 됨을 특징으로 하는 보일러 시스템의 부식 및 스케일 방지제 투입방법
제 7항에 있어서, 상기 2000ppm - 6000ppm의 방지제 농도를 갖는 온수 보일러 시스템의 수중에 몰리브데이트의 농도가 1ppm - 700ppm이 됨을 특징으로 하는 보일러 시스템의 부식 및 스케일 방지제 투입방법.
제 7항에 있어서, 상기 2000ppm - 6000ppm의 방지제 농도를 갖는 온수 보일러 시스템의 수중에 유기인산염의 농도가 0.5ppm - 20ppm이 됨을 특징으로 하는 보일러 시스템의 부식 및 스케일 방지제 투입방법.
제 7항에 있어서, 상기 2000ppm - 6000ppm의 방지제 농도를 갖는 온수 보일러 시스템의 수중에 분산제의 농도가 0.5ppm - 20ppm이 됨을 특징으로 하는 보일러 시스템의 부식 및 스케일 방지제 투입방법.
제 7항에 있어서, 상기 2000ppm - 6000ppm의 방지제 농도를 갖는 온수 보일러 시스템의 수중에 구리부식 방지제의 농도가 0.5ppm - 20ppm이 됨을 특징으로 하는 보일러 시스템의 부식 및 스케일 방지제 투입방법.