탄소 배출 감소를 위한 세계적인 노력으로 인해 암모니아 연소 기술은 변화의 바람을 맞이하고 있습니다. 기후 변화에 집중하는 국가들은 화석 연료 사용을 줄이기 위한 법안을 시행하고 있으며, 이는 시설에서 이산화탄소(CO2) 생산에 대한 직접적인 세금, 가솔린 및 디젤과 같은 최종 사용 연료에 대한 세금 또는 암모니아 또는 수소와 같은 탄소 배출이 적은 연료를 사용하도록 유도하는 인센티브 등으로 구체화될 수 있습니다. 암모니아는 분자 내에 결합 된 탄소가 없기 때문에 향후 몇 년, 몇 십년 동안 직접 연소 가능한 액체 연료 또는 수소 공급 체인 내에서 수소 운반 매체로 더 큰 유용성을 발견 할 것입니다.
세계적인 탄소 배출 감소에 대한 사회적 압박으로 전통적인 암모니아 산업은 재생 가능 에너지원을 사용한 암모니아 생산에 대한 열기가 높아지고 있습니다. 이를 '그린 수소'또는 '그린 암모니아' 라고 부르며 이것은 생산, 운송 및 연료로서의 이용 과정에서 화석 연료를 필요로 하지 않습니다. 본격적인 생산은 불과 몇 년 안에 가능할 것으로 보이며, 한 공급 업체는 2025년까지 세계적 수준의 그린 수소 기반 암모니아를 출시하기 위해 수십억 달러를 투자하고 있습니다.
이미 온라인 상으로 진행되거나 앞으로 몇 년 안에 시작될 프로젝트들이 있으며, 이들은 화석 연료 연소의 대체재로서 '블루'암모니아 또는 수소를 사용합니다. 블루 암모니아는 기존의 화석 연료 기반 생산 방법을 통해 생산된다는 점에서 녹색 암모니아와 다르지만, 탄소 출처를 제한하고 오프셋을 이용해 탄소 방출을 줄입니다.
이러한 흐름이 연소 기술의 미래에 어떤 의미를 갖는 걸까요? 이는 매우 다양할 수 있습니다. 저탄소 발자국으로 전환하는 모든 시설에서는 암모니아 / 또는 수소가 발견됩니다. 최종 사용자들은 버너 또는 파일럿 연료로서 천연가스를 대체하는 수소를 요구하고 있습니다. 화학, 석유 화학 및 가스 처리 분야에 효과적인 파괴 효율(Disposal Efficiency, DE)을 제공하기 위한 연소 장비 설계는 '각각의 경우'에 대해 평가해야 하는 특별한 과제를 제기합니다. 높은 DE를 달성하기 어려운 암모니아를 비롯하여 화학 화합물을 생산하는 산업에서는 특정 플레어 설계 기법을 적용하여 깨끗하고 효율적인 연소를 보장해야 합니다.
암모니아 연소의 문제점
암모니아 연소가 어려운 여러가지 요인 : 질소 기반입니다.
화합물, 낮은 화염 전파 속도, 낮은 발열량 및 낮은 화염 온도를 가지고 있습니다. 이러한 문제를 해결하려면 암모니아 플레어에 대한 특정 설계 기준이 필요합니다. (그림 1 참조)
그림 1.암모니아 설비의 폐가스를 처리하도록 설계된 플레어 시스템의 예로, 효과적인 연소를 보조하기 위한 윈드 스크린이 특징
순도 (99% 이상)의 암모니아를 기술적으로 완전히 연소시키기 위해서는 암모니아가 높은 DE 연소를위한 적절한 체류 시간을 갖도록 폐가스의 배출 속도를 제한하여 충분한 연소 시간을 확보해야 합니다. Zeeco는 이러한 설계 철학을 뒷받침하는 암모니아 화염 안정성과 출구 속도 사이의 상관 관계를 보여주는 실험 데이터를 축적해왔습니다. 만약 플레어 시스템이 이 핵심적인 요소를 고려하지 않는다면, 완전한 연소가 이루어지지 않거나 폐가스가 점화되지 않고 방출될 수 있습니다.
그림 2. 일반적인 최대 설계 출구 속도 vs 명칭 플레어 팁 직경
그림 3. 전형적인 암모니아 시험 시 불꽃 색상
예시로, 그림 2는 암모니아를 포함하는 폐가스의 최대 설계 출구 속도가 플레어 팁 직경에 따라 달라짐을 보여줍니다. 일반적으로 플레어 팁 직경이 증가함에 따라 가스량이 증가하고 화염에서 더 높은 열 방출됩니다. 따라서 출구 속도 제어를 기반으로 플레어 팁 직경을 설계하면 암모니아의 점화 온도보다 높은 화염 온도를 유지하고 전반적인 화염 안정성을 개선하는데 도움이 됩니다.
미국 텍사스 주 휴스턴의 화학 공장에서 100% 암모니아 가스에 대해 실험 결과가 이를 더욱 명확히 보여줍니다. 가스 유량을 변화시켜 플레어 팁 배출 시 출구 속도가 연소 효율성에 미치는 영향을 평가했습니다. 전체 화염 유지 링이 장착된 명칭 12인치 직경의 유틸리티형 플레어 팁을 사용하여 테스트를 수행했습니다.
다음은 평가의 일환으로 팁에 장착된 옵션입니다.
- 플레어 팁 및 파일럿을 포함하는 확장형 대직경 윈드쉴드 어셈블리
- 가스 분사 보조 링으로 난기류를 생성하고 연소 구역 내부로 공기를 더 많이 공급합니다.
- 최대 3개의 파일럿을 사용하여 점화 화염이 연소 과정에 미치는 영향을 파악할 수 있습니다.
테스트에는 다양한 암모니아 유량, 1-3 개의 파일럿, 가스 분사 링, 확장형 윈드실드 등을 사용하여 플레어 팁 어셈블리의 성능 분석이 포함합니다. 플레어에서 발생한 암모니아의 양은 측정된 온도와 관련된 위치에서 샘플링된 가열된 프로브를 사용하여 (프로브가 기둥의 가장 뜨거운 부분에 있는지 확인하기 위해) 측정했습니다. 일반적인 암모니아 테스트에서의 화염 색상은 그림 3.을 참조하십시오.
테스트의 결론은 다음과 같습니다.
- 암모니아는 플레어 팁 배출점에서 매우 낮은 배출속도를 유지한다면 기술적으로 완전한 연소(99% 이상)가 가능합니다. 허용 가능한 속도는 명목적인 플레어 팁 직경의 함수입니다 (그림 2. 참조)
- 플레어 가스 배출 속도가 높을수록 연소 구역으로 너무 많은 주변 공기가 유입되어 암모니아/공기 혼합물이 가연성 한계 미만으로 희석됩니다. 암모니아는 공기 중 폭발성/가연성 한계치인 16%에 비해 다른 대부분의 탄화수소들의 연소 가능한 하한값 (LEL) 값이 1~3%에 해당합니다.
이것은 암모니아와 공기 혼합물이 쉽게 희석되어 암모니아가 연소하지 않게 될 수 있음을 의미합니다. - 암모니아는 신뢰할 수 있는 점화원이 있어야 합니다. 대게 매우 안정적인 파일럿 화염과 플레어 팁 주변에 충분한 수의 파일럿이 제공됩니다. 테스트 중에 점화원을 제거하면 암모니아는 안정적인 화염을 유지하지 못합니다.
- 윈드실드는 측풍으로부터 보호되는 지역에서 가스의 점화를 촉진하기 위해 암모니아 플레어 가스 스트림으로 유입되는 공기의 양을 제한하는 데 매우 유용합니다.
- 암모니아 증기가 연소되면 암모니아 냄새가 제거됩니다. 이 과정은 NOx를 생성합니다. 암모니아 한 몰은 한 몰의 NOx를 생성합니다. 암모니아의 연소 온도는 탄화수소 연소 온도보다 훨씬 낮습니다. 생성된 NOx는 일반적으로 무색 질소 산화물 (NO)과 이산화질소 (NO2)입니다.
이러한 결과에 따르면, 플레어 시스템이 올바르게 설계된 경우 암모니아를 매우 높은 효율로 연소시킬 수 있습니다.
암모니아 연소를 위한 설계 고려 사항
Zeeco의 테스트 시설에서 수행된 광범위한 시험과 검증은 암모니아 공정 가스 연소 설계 고려 사항에 대해 혁신적인 발전을 가져왔습니다.
팁 폐가스 분배
일반적으로 '플레어 팁'이라고 하는 플레어 부분은 플레어 시스템의 상단 10피트에 위치합니다. 암모니아 폐가스가 플레어 팁 본체로 유입됨에 따라, 연소를 촉진하기 위한 공기 접근 및 균일한 혼합이 완전한 연소에 중요한 역할을 합니다. 암모니아 폐가스를 전체 플레어 팁 본체에 걸쳐 균일하게 분배하기 위해서는, 암모니아 플레어 팁에는 흐름 분배 장치가 포함되어야 합니다.이러한 장치는 폐가스를 적절하게 분산시켜 연소 소스에 노출시키고 연소 공기에 대한 접근성을 높이는 역할을 합니다.
높은 안정성 설계 및 화염 안정화
예를 들어, 일반적인 유틸리티 플레어 팁에서는 윈드실드가 플레어 팁 출구와 함께 있으며 파일럿은 윈드실드의 외부 테두리에 설치됩니다. 불안정한 회염을 안정적으로 유지하기 위해 화염 안정화 시스템이 초기 점화 후에도 고온 가슬르 쉽게 연소시킬 수 있도록 일관된 안정성을 제공합니다. 하지만, 암모니아 연소의 경우 바람의 영향을 최소화하고 발화점, 공기 및 연료 간의 상호 작용을 해당 영역에 집중되도록 윈드실드 설계를 수정해야합니다.
Zeeco는 안정성을 높이기 위해 파일럿을 전략적인 위치에 놓고 점화를 위해 가능한 한 플레어 팁 둘레에 가까이 배치합니다. Zeeco는 암모니아와 같은 저열량 가스에 대한 특수한 화염 안정화 시스템을 설계하고 사용합니다. 이 시스템을 사용하면 플레어 팁, 파일럿 및 화염 안정화 탭이 최대한 안정화된 화염을 유지하도록 동기화됩니다. 이런 모든 구성 요소가 상호 작용하여 매우 안정적인 연소 영역을 제공하므로 암모니아가 자유롭게 연소되고 플레어 시스템은 높은 DE를 달성합니다.
배출 속도 전략
암모니아를 연소할 때 가스의 물리적 움직임을 수정할 수 있습니다. 앞서 언급했듯, 출구 속도가 암모니아 폐가스 연소에 미치는 영향은 극적이며, 안정적인 연소를 촉진하기 위해 설계 제약 조건을 적용할 수 있습니다. Zeeco는 일반적으로 암모니아 응용 분야에 확산 장치를 사용하면서 플레어 팁 배럴 직경을 증가시키는 방법을 선택합니다. 그렇게 함으로써 암모니아를 적합한 출구 속도로 감속시키고 플레어 팁 전체에 확산되어 균일한 영역에서 적절한 혼합과 안정적인 연소를 촉진할 수 있습니다.
이러한 시스템은 시설에서 화재가 발생할 경우 선박을 환기시킬 수있는 능력이 필요합니다. 따라서 플레어 시스템은 이러한 유체에 맞게 크기를 조정하고 설계할 수 있어야 합니다. 이러한 가스를 전통적인 방식으로 설계된 새로운 저압 플레어 시스템으로 배출해야 하는지 아니면 기존 시스템 내에서 배출해야 하는지 여부는 각각의 사례에 따라 결정됩니다.
제품을 사용하는 운영자들이 가장 걱정하는 것은 사회적 수용성입니다. 암모니아 제품의 낮은 냄새 농도 임계치는 누출이나 성능이 좋지 않은 플레어 시스템을 빠르게 운영자들과 주변 지역 주민들에게 알리게 됩니다. 이러한 문제를 FEED 단계에서 처리함으로써, 중요한 첫 번째 단계에서 장비를 올바른 방향으로 시작할 수 있습니다.
토론
암모니아 시설의 연소 설계 외에도 부속 장비는 평가되어야 합니다. 예를 들어, 액체 밀봉 드럼(Liquid Seal Drum, LSD)은 일반적으로 플레어 시스템을 업스트림 헤더와 장비에서 분리하는 안전 장치로 사용됩니다. 암모니아는 물에 용해되기 때문에 암모니아를 포함된 확장 스트림이 LSD를 통해 흐를 때 물은 암모니아의 일부를 흡수하여 부식성 암모니아 용액을 형성합니다. 종종 LSD는 연소 활동 동안 폐가스와 함께 모든 물이 제거되도록 설계되어 있으며 LSD는 연소 후에 다시 채워집니다. 이 경우 암모니아 수용액으로 인한 부식이 발생하지 않습니다.
그러나 물이 제거되어 교체하지 않을 것으로 예상되는 유량이 있는 경우에는 추가적인 검토가 필요할 수 있습니다. LSD를 특수 재료로 만들도록 요구하고, LSD 내부를 코팅하거나, 물의 품질을 유지하기 위해 지속적으로 건져내고 주기적으로 배수/재충전하는 방법 등을 사용하여 LSD를 통한 암모니아 스트림의 영향을 줄일 수 있습니다.
암모니아 플레어는 출구 속도와 열 방출량이 낮게 설계되어있기 때문에 플레어 자체에서 발생하는 소음을 최소화됩니다. 그러나 암모니아 스트림은 일반적으로 플랜트 내의 업스트림 장비에서 발생하는 고압 스트림입니다. 이 압력 강하의 일부는 플랜트의 폐기물 흐름 배관을 통해 이동하는 소음으로 변환됩니다. 폐기 스트림이 유일한 출구이기 때문에 플레어 팁은 상류 배관에서 발생하는 소음의 증폭기 역할을 할 수 있습니다. 암모니아 플레어의 출구 지점에서 예기치 않은 소음 수준을 경험하는 작업자는 업스트림 배관이나 방출원에서 발생하는 고압강하를 고려해야 합니다.
결론
암모니아 폐기물 처리를 위한 플레어 시스템 및 보조 장비를 설계할 때 고려해야 할 설계 측면이 많이 있습니다. 보다 엄격한 배출 규제의 영향을 받으면서 폐기물을 방출하기 위한 플레어 시스템의 건전한 내제적 설계를 향한 진전이 더욱 중요해질 것입니다. 더 많은 추가 테스트와 혁신을 통해 Zeeco와 같은 플레어 시스템 제공업체는 암모니아 및 요소 플랜트를 위한 깨끗하고 효율적이며 효과적인 연소 솔루션을 제공하기 위한 새로운 솔루션을 개발할 수 있는 기회를 가질 것입니다.