버너 기술의 발전
의 에릭 프래차드와 토드 그럽, 미국 Zeeco 헥터 아얄라, 알로크 사르카, 미국 엑슨모빌 테크놀로지 앤 엔지니어링 컴퍼니의 HS 리는 초저 NOX버너 기술의 발전이 수소 점화 및 NOX배출에 미칠 수 있는 영향을 고려합니다.
ZEECO FREE JET 3세대 버너 점화 100% 수소
전 세계 탄소중립 공약을달성하려면석유와 가스 및 기타 중공업의 상당한 탈탄소화가 필요합니다. 탈탄소화 목표를 달성하는 한 가지 방법은 탄화수소 기반 연료 대신 수소를 부피 대비 100%에 가까운 농도로 프로세스 버너 연료로 사용하는 것입니다. 수소의 높은 화염 온도가 단열성 NOX생성을 증가시키기 때문에 현재의 초저 NOX버너 (ULNB)와 새로운 버너 설계는 플래시백 위험 증가와 NOX배출 관리 비용 상승으로 인해 높은 수소 농도로 인해 어려움을 겪을 수 있습니다. 탄소 및 NOX배출이 적은 더 나은 솔루션에 대한 수요가 증가함에 따라 업계는 100% 수소 점화 적합하면서도 훨씬 낮은 NOX배출을 유지하는 동시에 기존 연소 히터에 쉽게 개조할 수 있어 주요 정유 공정의 탈탄소화에 필요한 자본 지출을 최소화하는 ULNB를 필요로 하고 있습니다.
이러한 수요를 충족하기 위해 Zeeco 엑슨모빌은 협력하여 다양한 연료 가스 조성 외에 100% 수소를 연소할 수 있으면서도 복잡하거나 값비싼 추가 제어 시스템이나 배기 솔루션 없이도 질소산화물배출을 크게 낮추는 새로운 차세대 ULNB 설계를 설계, 개발, 테스트, 구현했습니다. 이 새로운 버너는 외부 연도 가스 재순환이나 린 프리믹스 기술을 사용하지 않으며, 주변 또는 예열된 연소 공기를 사용하는 자연 통풍 및 강제 통풍 시스템 모두에서 목표를 충족합니다.
양사는 광범위한 프로세스 조건에서 단일 및 다중 버너 구성에 대한 버너 테스트를 공동으로 수행했습니다. 테스트 결과 화염 안정성, 성능 및 배출량 감소가 우수했으며 화염 치수는 현재 설계된 ULNB와 유사한 것으로 나타났습니다. 엑슨모빌은 미국 텍사스 베이타운에 있는 자사 시설의 프로세스 히터에 새로운 버너인 FREE JET® Gen 3TM을 설치했습니다. 초기 운영 결과는 버너 성능 테스트와 일치했으며, 버너는 예상대로 배출량 감소와 운영 유연성을 제공하고 있습니다.
이 새로운 버너 설계의 대안으로 고려되는 현재의 신기술과 선택적 촉매 환원(SCR) 시스템은 복잡하고 비용이 많이 들며 추가적인 보호 시스템이나 운영 요구 사항이 필요할 수 있습니다.
수소를 80%까지 함유한 탄화수소 기반 연료를 연소하면이산화탄소 배출량이 절반으로 줄어듭니다. 탄소 배출량을 더 많이 줄이려면 순배출량 제로 목표를 달성하기 위해 95%에 가까운 더 높은 농도의 수소가 필요합니다. 따라서 탈탄소화에 대한 업계의 목표를 달성하려면 100%에 가까운 수소를 안전하고 비용 효율적으로 연소할 수 있는 프로세스 버너 설계가 상용화되어야 합니다.
오늘날 대부분의 연소 히터와 프로세스 탄화수소와 수소, 불활성 가스 및 미량의 기타 화합물이 포함된 천연가스 또는 정제 연료 가스를 점화 설계되었습니다. 일반적인 정유소 연료 가스의 수소 함량은 20~40% 사이입니다. 버너를 전환하여 고농도 수소를 연소할 때는 90~100%의 농도가 필요하며, 이는 버너의 작동 매개변수를 변경하여 최적의 버너 및 히터 작동을 보장하기 위해 설계를 조정해야 합니다.
수소의 화염 속도는 일반적인 탄화수소 연료보다 훨씬 빠르기 때문에 연소 속도가 빠르고 단위 부피당 열 방출량이 증가합니다. 수소 연소의 화염 속도는 약 1.7m/s(5.6ft/s)인 반면 천연가스의 화염 속도는 0.4m/s(1.3ft/s)에 불과해 훨씬 느립니다. 또한 수소의 화학량론적 단열 화염 온도(2182°C 또는 3960°F)는 천연가스(1937°C 또는 3520°F)보다 높습니다. 수소의 높은 화염 속도는 천연가스를 점화 때보다 연소가 더 빠르게 일어나게 합니다. 이러한 빠른 연소 프로세스 더 적은 부피로 연소 에너지를 방출하여 국부적으로 화염에 가까운 온도를 상승시키고, 이는 본질적으로 높은 단열 피크 화염 온도가 NOX배출률에 미치는 영향을 더욱 가중시킵니다. 760°C(1370°F) 이상의 온도가 상승하는 모든 영역은 소량의 NOX형성에 도움이 되며, 1100°C(2000°F) 이상의 온도에서는 NOX가 기하급수적으로증가합니다 .1
현재 ULNB는 저수소에서 고수소로 연료를 전환할 때 종종 NOX배출량이 50% 더 증가합니다. NOX배출 제한에 대한 현지 규제 요건은 수소 점화 관계없이 계속 증가할 것으로 예상됩니다. 따라서 100% 수소 점화 적합한 차세대 ULNB 설계는 현재 세대의 ULNB보다 NOX배출을 더욱 줄여야 합니다.
현재 ULNB 기술
프로세스 버너 설계는 수십 년에 걸쳐 개선되어 왔으며, 피크 화염 온도를 낮추고 NOX형성을 줄이기 위해 공기/연료 혼합물의 국소 영역을 조작하여 연료가 풍부하거나 연료가 적은 연소 구역을 만드는 데 중점을 둔 다양한 기술이 NOX배출을 낮추기 위해 배포되었습니다. 공기 스테이징, 연료 스테이징, 내부 연도 가스 재순환(IFGR), 희박 사전 혼합은 현재 사용 가능한ULNB에서 NOX를 줄이기 위한 주요 기술입니다. 그러나 이러한 기술로는 NOX배출을 제한 범위 내에서 유지하면서 높은 수소 점화 요구 사항을 충족할 수 없습니다.
새로운 기술에서는 이러한 방법을 조합하여 사용하려는 시도가 있었고, '무화염 연소'와 같은 개념이 어느 정도 가능성을 보였습니다. 하지만 이러한 버너 설계는 기존 장비에 복잡한 하드웨어, 정교한 제어 및 보호 시스템을 추가해야 합니다. 또한 이러한 버너는 일반적으로 강제 통풍 설치로 제한되기 때문에 대부분의 연소 히터가 자연 통풍이기 때문에 큰 투자 없이 대부분의 개조에는 적합하지 않습니다. 또한 이러한 설계 중 일부는 린-프리믹스 기술을 사용하는데, 이는 특히 버너 열 방출의 하부(즉, 버너 턴다운이 높을 때)에서 높은 수소 연료를 점화 때 잠재적인 역화 제한이 있을 수 있습니다.
SCR 장치를 설치하는 것은 높은 수소 점화 인한 높은 질소산화물배출을 해결하기 위한 대안입니다. SCR은 대류 섹션 하류의 연도 가스 덕트에 설치되는 연소 후 시스템입니다. SCR은 질소산화물배출을 최대 95%까지 줄일 수 있지만, 설치에는 상당한 자본 지출과 장기적인 운영 문제가 수반됩니다. 또한 SCR의 추가 공간 요구 사항은 특히 기존 장비를 개조할 때 까다로울 수 있습니다. 마지막으로, SCR은 촉매층의 열화 및/또는 암모니아가 대기로 유출되지 않도록 지정된 연도 가스 온도 및 암모니아/요소 주입률 내에서 작동해야 합니다.
고급 ULNB 기술
이러한 산업 과제를 해결하려면 복잡한 제어, 추가 시스템 또는 고유한 공간 및 형태 요구 사항 없이 100% 수소를 사용할 수 있는 프로세스 버너가 필요합니다. 엑슨모빌과 Zeeco 위의 요구 사항을 충족하고 다양한 연료 혼합에서 100% 수소로 또는 그 반대로 전환할 수 있는 새로운 버너 설계를 위해 협력했습니다. 그 결과 탄생한 버너는 새로운 정사각형 버너 타일 구성과 검증된 ULNB 기술을 적용하여 질소산화물배출을 크게 줄인 특허 출원 중인 디자인입니다. 두 회사는 설계, 성능 테스트, 현장 테스트를 함께 진행하여 안전하고 비용 효율적으로 성능 및 배출 목표를 달성할 수 있는지 검증했습니다.
프리제트 이론을 사용하는 이전 세대의 프로세스 버너에는 단일 연료 포트가 있는 개별 버너 단계별 연료 팁이 있었습니다. 이는 연료 혼합물을 희박하게 하는 IFGR의 이점을 최적화했으며, 둥근 타일 모양과 결합하면 버너 점화 선반을 따라 거의 보편적인 희박한 연료 혼합물 구성을 생성했습니다. 버너 목구멍의 내경을 따라 위치한 1차 점화 팁은 버너 안정성을 보장했으며, 연료 혼합물로 인한 균일한 화염 온도는 20년 이상 긍정적인 NOX성능을 생성했습니다.
새로운 사각 타일 버너 디자인은 잘 정립된 프리젯 개념을 기반으로 하면서도 연료와 공기를 스테이징하는 새로운 방식을 도입하여 열적 NOX발생을 더욱 줄였습니다. 새로운 버너는 단계별 연료 팁의 수를 줄이는 대신 타일 표면을 따라 연료 혼합물을 전달하는 각 팁에 여러 개의 포트를 추가했습니다. 연료 주입 지점이 줄어들고 새로운 정사각형 타일 모양으로 인해 풍부하고 희박한 연료 혼합물의 불균일 영역이 생성됩니다. 이러한 균일하지 않은 영역은 다음을 생성하는 주요 팁을 의미합니다.
더 높은 수준의 열 NOX는 희박한 연료 영역에 위치하여 1차 연료와 단계 연료에서 생성되는 결합 화염 온도를 낮출수 있습니다 . 1차 팁 사이에 위치한 영역에는 1차 팁의 도움 없이도 안정적으로 유지되는 연료가 더 풍부한 혼합물이 있습니다.
새로운 사각 타일 설계는 일반적인 정유 연료를 점화 때 한 자릿수 NOX성능을 제공하며, 100% 수소를 점화 때도 강력한 성능을 유지합니다. 다양한 연료에 대한 안정적이고 신뢰할 수 있으며 실용적인 성능은 작업자가 100% 수소, 다양한 정유/석유화학 연료 가스 조성, 100% 천연 가스 및 대량의 저BTU 가스(LBG)를 연소하고 다양한 연료 간에 보다 쉽게 전환할 수 있음을 의미합니다. 버너는 5:1의 열 방출 턴다운이 가능합니다. 버너 타일 크기는 비슷한 열 방출을 가진 기존 버너와 비슷하며, 버너에 단일 주 연료 가스를 연결하여 연료 가스 배관 수정을 제한합니다. 이 설계는 추가적인 연료, 공기 제어 또는 보호 시스템이 필요하지 않습니다. 그림 1은 거의 1년 동안 작동한 운영 장치에 설치된 새로운 버너 설계를 보여줍니다.
그림 1: 운영 장치에 설치된 새 버너
이 설계는 기존의 린 프리믹스 방식을 사용하지 않으므로 버너 플래시백 우려가 없습니다. 외부 연도 가스 재순환이 필요하지 않습니다. 또한 버너는 강제 통풍 또는 자연 통풍 모드와 주변 또는 예열된 연소 공기로 작동할 수 있습니다.
그림 2는 최신 ULNB와 비교한 NOX배출 성능을 보여줍니다. 이 새로운 버너 설계는 화염 안정성 저하 없이 최대 100%의 수소를 연소할 수 있는 기능을 제공하면서 NOX배출을 약 50% 감소시킵니다.
그림 2: 다양한 수소 연료 혼합에 대한 FREE JET 3세대 NOx 성능의 버너 테스트 결과와 다양한 최신 세대 UNLB의 측정된 NOx 결과 비교
성능 테스트 결과
새로운 버너 설계는 다양한 작동 조건에서 엄격한 테스트를 거쳐 성능을 검증하고 설계를 발전시켰습니다. 단일 버너 테스트, 다중 버너 테스트, 대기 및 예열 공기, 강제 통풍 및 자연 통풍 적용, 천연 가스, 정유/석유화학 연료 가스의 일반적인 혼합 가스, 100% 수소 및 LPG 폐가스 점화 등 광범위한 개발 프로그램이 포함되었습니다. 최종 설계의 테스트 결과 다양한 연료 가스 구성에 걸쳐 우수한 성능과 화염 안정성을 보여주었습니다. 표 1 - 4에는 다양한 조건에 대한 버너 테스트 결과가 요약되어 있습니다.
그림 3은 연료 혼합물의 수소 농도 범위에 따른 단일 버너 테스트를 보여줍니다. 그림에서 볼 수 있듯이 테스트한 버너에는 LBG 연료 연소용 노즐(버너 중앙의 큰 원형 노즐)이 포함되어 있지만, 사진이 촬영될 당시 LBG는 사용 중이 아니었습니다.
그림 3: 천연가스 내 수소 농도별 단일 버너 테스트
테스트 결과, 버너는 100% 수소 연소를 완전히 수행할 수 있으며, NOX 배출량을 약 50% 감소시키며 천연가스 연소 시 한 자릿수 수준의 NOX 배출 성능을 보여줍니다. 100% 수소 연소 시에도 자연 통풍 시 약 10ppm(v), 강제 통풍 시 9ppm(v)의 NOX 배출량이 관찰되었으며, 이는 3% 산소건조 조건으로 보정된 값입니다. 그림 3의 연료 C 데이터에서 볼 수 있듯이 연료 가스의 수소 함량이 증가함에 따라 NOX 배출량이 증가하지만 약 80% 수소에서 정점을 찍은 후 100% 수소 연소까지는 감소하는 것으로 관찰되었습니다. CO 측정과 O2 프로파일링을 통해 화염의 길이와 너비가 현세대의 ULNB와 유사함을 확인했습니다. CO 테스트를 통해 연료 구성에 관계없이 버너의 안정성이 검증되었습니다.
화염 간 상호작용이 NOX 배출에 미치는 잠재적인 악영향을 조사하기 위해 다중 버너 테스트를 수행했으며, 그 영향은 무시할 수 있는 수준으로 확인되었습니다. 기존의 많은 구형 연소 히터에는 API 560 권장 사항보다 버너 간격이 더 좁은 버너가 있기 때문에 API 560 권장 사항보다 더 좁은 버너 간격에서 추가 버너 테스트를 수행했습니다. 연료 연소 조건이 100% 수소를 포함한 광범위한 범위에 대해 버너 간격을 API 560 권장 간격의 75%로 줄였을 때 NOX 배출량 증가율은 20% 미만이었습니다.
현장 테스트 결과
엑슨모빌은 2024년 초 현장 적용을 위해 베이타운 시설의 수직 원통형 히터 중 하나에 Zeeco FREE JET 3세대 버너 12대를 설치했습니다. 이 버너들은 강제 통풍식으로 사전 예열된 공기를 사용하며 자연 통풍식 주변 공기 운영에도 적합하며 각 버너의 설계 열 방출량은 각각 9.8백만 Btu/hr(LHV 기준)입니다. 시운전 기간 중에도 추가적인 배출 저감 조치를 취하지 않고도 CO 배출량 기준을 준수했습니다.
CO 배출량은 시동 운전 중에도 시간당 이동 평균 50ppm 이하를 유지했습니다. 현장 보고서에 따르면 낮은 연소율과 최대 10 vol%(습식)의 과잉 산소 조건에서도 안정적인 상태를 유지한 것으로 확인되었습니다. 초기 배출 테스트는 연소기가 설계된 열 방출량의 60~75% 사이에서 연소되며, 연료 가스 내 수소 농도가 45~60% 범위, 연소 공기 온도가 135~230°F 범위에서 수행되었습니다. 3% 산소(건식) 및 1600°F 브리지월 온도로 보정했을 때 측정된 NOX 배출량은 12ppm 이하로 유지되었습니다. 이는 성능 테스트 결과와 일치했습니다.
결론
향후 몇 년 내에 100% 수소 연소에 적합하면서도 NOX 배출량이 훨씬 낮은 차세대 ULNB에 대한 수요가 증가할 것입니다. 이러한 버너는 기존 연소 히터를 쉽게 개조할 수 있어야 하고, 신규 연소 히터에도 설치하기 쉬워야 하며, 하드웨어/제어 요구사항을 충족해야 합니다.
새로 개발된 이 차세대 ULNB는 업계의 요구를 충족하며 다가오는 연료 전환에 대비하여 시설을 수소화할 수 있습니다. 이 버너는 자연 통풍 및 강제 통풍 애플리케이션, 주변 공기 및 예열된 공기 모두에 적합하며 100% 수소를 포함한 광범위한 연료 가스 구성을 처리할 수 있으며 현장 설치에서 성능이 입증되었습니다. 이 버너는 현 세대 ULNB의 성능과 화염 치수를 유지하면서 NOX 배출을 크게 줄였습니다.
참고
모든 수소 함량(%)은 부피(%) 기준으로 표시됩니다.
ExxonMobil Technology and Engineering Company는 수많은 계열사를 보유하고 있으며, 이들 중 다수는 ExxonMobil, Exxon, Mobil, Esso, XTO 등이 포함된 명칭을 사용합니다. 편의성과 간단함을 위해 이러한 용어들과 "법인", "회사", "당사의", "당사", "해당 회사의" 등의 용어들이 때때로 하나 이상의 특정 계열사 또는 계열사 그룹을 지칭하는 축약된 표현으로 사용됩니다. 편의성과 간단함을 위해 글로벌 또는 지역별 운영 조직, 그리고 글로벌 또는 지역별 사업 부문을 설명하는 축약된 표현들도 때때로 사용됩니다. 본 문서에 포함된 어떠한 내용도 계열사들이 각각 별개의 법인임을 무효화하려는 의도는 없습니다.
참조
- '기술 게시판: 질소산화물(NOx), 왜 그리고 어떻게 관리되는가', 미국 환경 보호국, (1999년 11월), https://www3.epa.gov/ttn/catc/dir1/fnoxdoc.pdf