클레이튼 에이 프란시스, Zeeco, USA 는 플레어링 장비로 인한 가장 큰 환경 영향이 종종 무해한 것처럼 보일 수있는 이유를 설명합니다.
때로는 무해한 것처럼 보이는 것들이 해로울 수 있습니다. 세계 보건기구 (WHO)에 따르면, 오늘날 더 많은 청소년들이 콘서트 및 음악 공연장의 볼륨보다 개인 오디오 장치로 인해 청력 손실의 위험에 처해 있습니다. 1 예상할 수 있듯이 드물게 폭발하는 것이 아니라 가장 큰 영향을 미치는 것은 평범하고 겉으로보기에는 중요하지 않은 노출입니다. 이 현상은 특정 공정 장비의 영향을 포함하여 일상 생활의 다른 측면에서 사실입니다.
지역 사회 구성원과 규제 전문가들은 때때로 플레어가 신뢰할 수 있고 안전하며 환경 적으로 책임있는 가스 처리에 효과적인지 궁금해했습니다. 사십 년에 걸친 광범위한 테스트를 통해 제대로 작동하는 플레어가 운영 시설 내의 장비 및 인력뿐만 아니라 환경을 안정적으로 보호한다는 것이 확인되었습니다. 테스트는 주로 플레어 팁과 유틸리티 흐름의 이상적인 작동 시나리오에서 수행되었습니다. 그러나 불충분 한 교육, 공정 측정 부족 또는 기타 운영 장애물과 같은 다양한 요인은 프로세스 플레어의 비효율적이고 비효율적 인 작동으로 쉽게 이어질 수 있습니다.
무연 플레어링 기술의 추가 복잡성을 고려할 때, 또 다른 작동 요소는 플레어 가스의 유량과 무연 주입 매체 사이의 중요한 관계입니다. 가장 일반적인 두 가지 무연 주입 매체 인 너무 많은 증기 또는 공기가 적용되면 연소 효율이 감소하거나 완전히 중단 될 때까지 연소 영역을 희석 할 수 있습니다. 초기 플레어 설계가 환경법을 준수하는지 확인하는 것 외에도, 플레어 설계는 플레어에 대한 정상적인 낮은 유량/퍼지 속도에서도 연소되지 않은 탄화수소의 방출에 대한 보호를 제공하는 것이 필수적입니다.
무연 플레어 기술의 고유한 어려움은 연소 장비를 열 손상으로부터 보호하기 위해 무연 주입 매체의 최소 유틸리티 흐름이 필요하다는 것입니다. 장비 제조업체로부터의 특정 유동 또는 장비의 실용적인 턴다운 제한이든 이러한 최소 유량은 플레어로 흐르는 최소 가연성 퍼지 가스와 비교할 때 다소 높습니다. 최소 플레어 속도와 비교적 큰 불활성 무연 매체 흐름 사이의 이러한 불균형은 연소 효율에 치명적일 수 있습니다. 플레어는 상당한 화율로 거의 흐르지 않기 때문에, 퍼지 속도에서의 이러한 번거로운 연소 비효율은 정상적인 시간별 작동을 구성합니다. 이런 식으로, 겉으로보기에는 무해한 것은 불타는 장비로 인한 가장 큰 환경 적 영향을 포함합니다.
무연 주입 매체와 플레어 가스 사이의 불균형의 위험은 연구자와 규제 기관에 의해 연구되고 확인되었으며, 이는 턴다운 시에도 적절한 연소를 보장하기 위해이 비율을 면밀히 모니터링하고 제어하는 미국의 규제로 이어졌습니다. 2,3 기존의 무연 플레어 팁 기술의 경우, 정상적인 비연소 작동에서 연소 효율에 대한 규정을 충족하기 위해 가연성 퍼지 속도의 증가가 필요하며, 이로 인해 연료 가스 소비가 증가하고 기존 운영 허가에 대한 어려움이 있습니다. 정상적인 작동 하에서 너무 많은 부정적인 영향이 발생할 수 있다는 계시와 함께, 최소 증기 주입과 플레어 가스 퍼지 속도 사이의 불균형이 완화되어야합니다.
스팀 소비 감소
플레어는 충분한 공기와 동반 산소를 사용할 수 있도록 보장하고 탄화수소 흐름과 혼합하여 모든 탄소 대 탄소 결합이 산화되도록 함으로써 무연으로 만들어집니다. 증기 플레어 기술을 사용하면 화염을 무연으로 만드는 것은 증기 자체가 아니라 주로 증기 흐름에 의해 추진되고 연행되는 공기입니다. 증기 소비 감소 또는 턴다운 시 연소 구역 성능 향상을 목표로 하는 스팀 플레어 기술의 발전은 증기에 의해 공기가 운반되는 효율을 높이는 것에서부터 시작됩니다.
Zeeco 엔지니어는 SteamForce HC 플레어 기술은 효율적인 증기 주입 메커니즘을 통해 환경 문제를 해결합니다. 증기 소비를 줄이면 운영 비용, 환경 영향 및 운영 준수에 많은 긍정적 인 영향을 미칩니다. 새로운 설계에서는 플레어 가스의 단일 라이저가 여러 증기 노즐에 분산됩니다. 노즐 어셈블리는 플레어 가스 환부로 동심원으로 둘러싸인 공기 유도 벤츄리로 구성됩니다(그림 1). 각 노즐은 증기 분사를 베이스의 원동력으로 사용하며 제트 링으로 둘레에 둘러싸여 플레어 가스와 연기 감소 연소 공기 간의 완전한 혼합과 상호 작용을 보장합니다.
증기 주입 기술
초기 증기 주입 기술에서 인젝터는 주변 공기를 연소 구역으로 밀어 넣으며, 대부분 팁 둘레에 다양한 인젝터가 있습니다. 스팀/공기(S/A) 튜브를 사용하면 입구 벨로 공기를 수집한 다음 튜브를 통해 해당 공기 볼륨을 연소 구역의 코어로 운반하여 공기 대 증기 주입 효율을 높입니다. 공기량의 증가와 플레어 가스의 접근하기 어려운 지역으로의 배치는 수십 년 동안 대부분의 대용량 증기 플레어 팁의 기초였습니다. 그러나 S/A 튜브는 흐름을 올바르게 지시하기 위해 밋밋 또는 벤드가 필요했기 때문에 효율성이 떨어지고 튜브는 길이에 걸쳐 일관된 직경입니다 (그림 2, 왼쪽).
S/A 튜브의 속도가 높으면 고용량으로 작동하면 드래그 및 압력 강하 손실이 발생하여 각 튜브의 전체 공기 전달이 제한됩니다. 몇 가지 새로운 기술은 더 나은 성능을 위해 직선 튜브를 통합하고 있습니다. 그러나 흐름은 여전히 제한적이며 일관된 직경 구성에서는 효율성이 제한됩니다(그림 2, 오른쪽). 벤츄리스는 잘 알려진 장치이며 공정 플랜트 전체의 장비에서 흐름을 압축, 추진 또는 증식하는 데 사용되었습니다.
진정한 벤츄리스는 최근에야 공기 추진을 위한 스팀 플레어 팁에 통합되었습니다. 벤츄리의 압축 섹션의 하류로 확장되는 원뿔은 직선 직경 튜브 설계의 항력과 제약을 방지합니다(그림 3).
일반적으로, 증기 노즐 (두 장치 모두에서)에서 분출 된 증기로부터의 운동량은 주변 공기를 입구 벨로 끌어 당깁니다. 공기와 증기의 혼합물은 흐름이 발달하면서 직선 섹션을 통해 흐릅니다. 벤츄리 설계에서 흐름은 출구 벨을 통해 이동하여 출구 영역이 점차 증가하여 압력을 낮추어 더 많은 흐름이 시스템을 통해 이동할 수 있도록합니다. 경험적 테스트를 통해 이 튜브 설계는 비슷한 크기의 S/A 튜브에 대해 동일한 증기 흐름에 대해 공기 부피가 최대 80% 증가하는 것으로 입증되었습니다(그림 4). 이러한 증가된 공기 추진력은 무연(화가난) 용량에서 상당한 증기 절감을 가져오지만, 더 중요한 것은 감소된 증기 소비가 정상적인 일일 퍼지 속도에서도 적용될 수 있다는 것입니다.
그림 4. 3427 lbs/hr의 증기 유량의 경우, 사전 혼합이 없는 벤츄리 설계는 플레어 가스, 증기 및 공기가 미리 혼합된 직선 튜브 장치의 경우 27,468lbs/hr의 공기와 비교하여 49,572lbs/hr의 공기를 끌어들일 수 있습니다. 또한, 벤츄리 장치는 직선 튜브 장치의 경우 1lb 증기당 8.06lbs 공기와 비교하여 1lb 증기당 14.47lbs의 공기비를 달성했습니다.
플레어 구성에서 주변 공기 공급에 대한 접근성을 향상시키는 것은 다중 지점 지상 플레어, 다중 무장 음파 기술 등에서 작동하는 것으로 입증 된 개념입니다. 추가 주입 지점이 있으면 플레어 가스와 사용 가능한 산소 사이의 상호 작용 경계가 증가하므로 더 많은 산소가 연소 영역으로 끌어 당겨집니다. 최근에야 이 개념이 증기 플레어에 적용되었는데, 이는 전통적으로 하나의 큰 배럴이었기 때문입니다. 여러 노즐 어셈블리 간에 탄화수소 흐름을 할당하면 플레어의 탄화수소 흐름과 접촉하는 주변 공기의 비율이 곱해집니다. 이 구성은 플레어 가스에 대한 환형 흐름을 생성합니다(그림 1), 즉 플레어 가스는 내부 및 외부 둘레에 공기로 둘러싸여 있습니다. 이러한 방식으로 가스를 캡슐화하면 우수한 증기 및 공기 상호 작용이 보장되어 무연 용량이 더욱 향상됩니다. 궁극적으로, 스팀 플레어 기술은 개별 가스 조성물을 무연으로 만드는 데 필요한 증기 대 탄화수소 질량 주입 비율 (S / HC)에 의해 비교됩니다. 프로필렌을 테스트 가스 매질로 사용할 때 예상되는 S/HC 비율은 기존의 상부 주입 전용 스팀 플레어 구성의 경우 0.55이고 구부러진 S/A 튜브 설계의 경우 0.38입니다. 반대로 환형 설계에는 무연으로 연소된 프로필렌 1kg당 0.25kg의 증기 속도가 필요합니다(그림 5).
그림 5. 위의 내용은 다음을 사용하여 증기 소비량을 절감 한 것을 보여줍니다. SteamForce HC 플레어는 기존의 구부러진 S/A 튜브 또는 상부 스팀 플레어 팁의 사용과 비교됩니다.
플레어 성능은 일반적으로 최소 유량보다 높은 유량에 최적화되며, 크로스윈드와 같은 외부 영향을 극복할 수 있을 만큼 충분히 높은 속도와 난기류를 사용합니다. 에 SteamForce HC 팁은, 연소 공기와 플레어 가스 사이의 적절한 상호작용을 보장하기 위해 노즐의 둘레에 제트 링이 설치되어 최소 유량에서 플레어 가스이다. 일부 공급업체는 약속된 성능 파라미터를 달성하기 위해 2 – 5 psi와 같이 상대적으로 높은 작동 플레어 압력을 지정합니다. 이러한 기술은 성능을 최적화하기 위해 비상 또는 전복 속도에서 가스의 운동 에너지에 의존합니다. 그러나 다수의 증기 플레어는 더 낮은 최대 압력에서 작동하며, 이러한 팁의 성능은 일반적으로 낮은 턴다운에서 크게 저하됩니다. 대조적으로, 제트 링은 플레어 흐름의 모양을 양치기하여 교육받은 공기의 핵심과 올바르게 상호 작용하고 작동 범위 전반에 걸쳐 팁의 성능을 유지하며, 특히 전체 턴다운에서 특히 그렇습니다.
비용 및 운영 고려 사항
플레어링 이벤트는 드물고 일반적으로 짧은 지속 시간이기 때문에 일정한 냉각 증기 흐름은 매년 플레어 팁에 의해 소비되는 증기의 대부분을 구성합니다. 증기의 냉각 흐름은 연소 구역의 열의 영향을 완화하여 인젝터의 무결성을 보호합니다. 이 흐름과 그 부정적인 영향은 추운 기후에서 악화됩니다. 와 함께 SteamForce HC 설계는, 본질적으로 모든 무연 공기 유도가 팁의 기저부에서 발생한다. 결과적으로 인젝터는 열 손상의 영향을받지 않습니다. 더 중요한 것은, 벤츄리 튜브에 의해 추진되는 공기의 양이 많을수록 장비를 보호하는 데 필요한 최소 증기 흐름이 더욱 감소한다는 것입니다. 유사한 무연 용량을 달성하기 위해 벤츄리 노즐이 거의 필요하지 않으므로 퍼지 증기 요구 사항이 다시 줄어 듭니다 (표 1).
플레어가 퍼지 흐름에서 소비되는 시간과 큰 릴리프 하중의 일반적인 근사치로서 95 % ~ 5 %의 비율이 업계에서 합리적으로 사용되었습니다. 최종 사용자는 플레어 장비의 최대 증기 주입 속도와 최소 증기 흐름에 대한 기록을 가지고 있으므로 여러 기술 간의 기본 분석을 통해 플레어 팁의 운영 비용이 일반적이고 최소 사례에 의해 어떻게 지배 될 수 있는지를 보여줍니다. 증기 생성에 US$12/1000 lbs의 일반 값을 사용하면 새로운 스팀 플레어 기술의 비용 절감 기능이 강조됩니다(표 2).
작동 비용을 계산하기 위한 표 2에 나타낸 방법은 단순화되고 증기 공급 절감액만을 포착한다.4 규제 기관과 사용자가 연소 구역의 견고성을 추가로 고려할 때, 때로는 연소 구역 순 발열량(NHVcz)으로 표현되는 경우, 건강한 연소를 보장하기 위해 최소 퍼지 속도로 농축 연료 흐름을 추가해야 합니다. 필요한 연료 가스 분사량은 최소 증기 속도와 직접 관련이 있으므로 연료 비용 및 현지 규정에 따라 회사의 플레어링 기술의 운영 절감을 더욱 확대 할 수 있습니다. 특히, 이러한 설계는 플레어 팁 출구 및 파일럿 위치 이전에 유도 공기 및 플레어 가스를 의도적으로 미리 혼합하지 않는다. 프리믹싱이 없다는 것은 미국 환경 보호국 (EPA) 연방 규정 코드, 1 장, 하위 장 C, 파트 63, 하위 파트 CC.3에 설명 된 바와 같이 NHVcz 계산에 유도 공기를 포함 할 필요가 없음을 의미합니다.3 연소 공기가 출구 전에 플레어 가스와 사전 혼합되면 증기 자체보다 연소 구역 성능을 훨씬 더 희석시키는 효과가 있습니다. 플레어 팁이 빠져나갈 때까지 연소 공기를 유입시키지 않음으로써 증기 흐름만 농축되어야 하므로 작업자에게 상당한 농축 연료 가스 비용을 절감할 수 있습니다.
플레어 팁 수명도 향상시킬 수 있습니다. 증기 및 공기 주입 벡터는 수직이므로 화염 캡핑의 가능성을 완화합니다. 이전의 증기 주입 기술은 증기 궤적에 수평 경사를 가졌습니다. 플레어 가스 흐름이 최소 속도일 때, 증기 흐름은 가연성 흐름보다 더 많은 압력, 속도 및 운동량을 부여합니다. 흐름의 불균형은 플레어 팁 출구에 효과적인 '캡'을 초래하며,이 캡핑은 종종 플레어 팁 배럴 내에서 연소를 밀어 내립니다. 팁 내부의 화학 반응을 감소시키는 고온은 시간이 지남에 따라 돌이킬 수없는 손상을 일으키며 증기 보조 팁의 일반적인 고장 모드입니다. 여러 개의 제어 밸브가 필요한 여러 증기 주입 소스는 S/A 튜브를 통해 적용된 레벨에 비해 너무 공격적으로 상부 증기 주입을 적용할 수 있기 때문에 이러한 손상을 악화시킬 수 있습니다. 그러나 단일 증기 소스 및 제어만 사용되는 경우 상향 주입 벡터와 단일 지점 제어의 조합은 플레어 팁의 내부 연소를 제거하고 시간이 지남에 따라 시설에 더 긴 수명과 가치를 제공합니다.
결론
대중은 플레어 스택에서 나오는 크고 밝은 불꽃을 가장 큰 건강 및 환경 적 위험으로 간주합니다. 아이러니하게도, 이러한 화염은 높은 파괴 효율을 나타내며 플레어가 탄화수소를 안전한 성분으로 정확하게 분해하고 있음을 나타냅니다. 오해 된 것은 분, 거의 눈에 띄지 않는 흐름이 증기와 공기의 과다 적용에 가장 취약하다는 것입니다. 폭기 초과는 더 큰 환경 피해의 원인이며, 정류는 자본 및 운영 비용을 크게 향상시킵니다. 보다 효과적인 증기 주입 메커니즘을 생성함으로써, 연소 영역은 낮은 유량의 우세한 사용 사례 동안 향상되는 동시에 높은 유량 또는 전복 조건에서 더 적은 증기를 사용합니다.
참조
- '듣기를 안전하게 하라', 세계보건기구(WHO), https://www. who.int/pbd/deafness/activities/MLS_Brochure_English_lowres_ for_web.pdf, (2019년 1월 14일에 액세스).
- '적절하게 설계되고 작동하는 플레어에 대한 매개 변수', 대기 질 계획 및 표준의 미국 EPA 사무소, https://www3. epa.gov/airtoxics/flare/2012flaretechreport.pdf, (2019 년 1 월 14 일에 액세스).
- EPA 40CFR 63.671.
- 'Benchmark the Fuel Cost of Steam Generation', 미국 에너지부, https://www.energy.gov/sites/prod/files/2014/05/f16/ steam15_benchmark.pdf, (2019년 1월 14일 액세스).