증기 응축기 코팅으로 4억 6천만 톤 절약 가능

일리노이대학교 그레인저 공과대학

이미지: F-DLC로 코팅된 구리 증기 응축기 파이프(상단)와 코팅이 없는 구리 파이프(하단). F-DLC 코팅을 사용하면 응축된 물이 파이프를 덮는 얇은 막이 아닌 물방울로 형성될 수 있습니다.더보기

출처: 일리노이 대학교 어바나-샴페인 대학교 그레인저 공과대학

석탄과 천연가스 발전 효율이 2% 더 높다면, 매년 방출되는 이산화탄소의 양은 4억 6천만 톤, 물 사용량은 2조 갤런이 줄어들 수 있습니다. 화석 연료 발전에 사용되는 증기 사이클에 대한 최근의 혁신이 이를 달성할 수 있습니다.

일리노이 대학교 어바나-샴페인(Urban-Champaign) 연구진은 F-DLC(불소화 다이아몬드 유사 탄소)로 만든 화석 연료 증기 사이클 발전에 사용되는 증기 응축기용 코팅을 개발했습니다. 연구원들은 Nature Communications 저널에 이 코팅이 전체 공정 효율성을 2% 향상시킬 수 있다고 보고했습니다. 또한, 지금까지 보고된 것 중 가장 긴 내구성 테스트를 수행하여 산업용 코팅의 적합성을 입증했습니다.

UIUC의 기계 과학 및 공학 교수이자 프로젝트 책임자인 Nenad Miljkovic은 “현실은 화석 연료가 적어도 100년 동안 사라지지 않는다는 것입니다.”라고 말했습니다. “우리가 재생 에너지에 의존할 수 있는 곳에 도달하기 전에 많은 CO2가 배출될 것입니다. 우리의 F-DLC 코팅이 전 세계적으로 채택된다면 기존 전력 인프라의 탄소 배출과 물 사용량이 눈에 띄게 줄어들 것입니다.”

화석연료 발전은 연료를 태워 물을 끓이고, 생성된 증기로 터빈을 돌리고 터빈이 발전기를 구동하는 증기 사이클이라는 과정에 의존합니다. 그런 다음 증기는 증기에서 물을 회수하고 증기가 흐르도록 터빈 전체에 압력 차이를 유지하는 응축기에 도달합니다. 응축기의 열 전달 특성을 개선하면 연료 연소를 줄이면서 압력 차이를 유지할 수 있습니다.

연구진의 새로운 F-DLC 코팅은 재료가 소수성이므로 열 전달을 향상시킵니다. 증기가 물로 응축될 때, 물이 많은 깨끗한 금속과 그 산화물에 코팅되는 것처럼 표면을 코팅하는 얇은 필름을 형성하지 않습니다. 대신, 물은 F-DLC 표면에 물방울을 형성하여 증기가 응축기와 직접 접촉하게 하고 열이 직접 전달되도록 합니다. 연구진은 이로 인해 열 전달 특성이 20배 향상되었으며 이는 전체 공정이 2% 향상되었음을 발견했습니다.

“탄소, 플루오렌 및 약간의 실리콘만 사용하는 F-DLC를 사용하여 이를 달성할 수 있다는 것은 놀라운 일입니다.”라고 박사후 연구원이자 해당 연구의 주요 저자인 Muhammad Hoque가 말했습니다. "그리고 구리, 청동, 알루미늄, 티타늄을 포함한 거의 모든 일반적인 금속을 코팅할 수 있습니다."

F-DLC의 내구성을 입증하기 위해 연구원들은 코팅된 금속을 1,095일 동안 증기 응축기 조건에 두었습니다. 이는 문헌에 보고된 가장 긴 테스트입니다. 코팅된 금속은 이 전체 시간 동안 소수성을 유지했습니다. 연구진은 또한 마모 테스트에서 5,000회 긁힌 후에도 코팅된 금속이 소수성을 유지한다는 사실을 발견했습니다.

연구팀은 현재 UIUC의 Abbott Power Plant와 협력하여 산업 환경에서 6개월간 지속적인 응축 노출에 대한 코팅 성능을 연구하고 있습니다.

Miljkovic은 "만약 모든 일이 순조롭게 진행된다면 이것이 경제적으로 실행 가능한 효과적인 솔루션이라는 것을 모든 사람에게 보여줄 수 있기를 바랍니다"라고 말했습니다. "우리는 우리의 솔루션이 채택되기를 원합니다. 왜냐하면 재생 가능 에너지의 개발이 절대적으로 우선순위여야 하지만 현재 우리가 가지고 있는 것을 계속해서 개선하는 것은 여전히 ​​매우 가치 있는 일이기 때문입니다."

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연구진의 기사 "초탄력 다층 불소화 다이아몬드형 탄소 소수성 표면"은 온라인에서 볼 수 있습니다. DOI: 10.1038/s41467-023-40229-6.