SRU 열 반응기 설계
Zeeco .의 스리람 크리슈난이 SRU 열 반응기 패키지의 기본 설계 원칙을설명한다
S황은 인체에서 11번째로 많이 존재하는 원소이며, 우주에서는 10번째로 많이 존재하는 원소이다(Hobart M. King, 2025). 그러나 전 세계 원소 황의 상당 부분은 황화수소(H2S) 부산물에서 회수된다. 이러한 시설들은 클라우스 프로세스 (Claus 프로세스 으로 알려진 전환 방법을 활용하여 황을 함유한 배기가스에서 원소 황을 프로세스 . 프로세스 회수된 원소 황은 이후 비료나 화학 제품 생산 등 다양한 용도로 프로세스 .
배경 정보
클라우스 프로세스 황 회수 장치(SRU)를 통해 프로세스 , 이 장치는 다양한 프로세스 장비 패키지로 구성되어 있습니다. 이 장비들은 산소 결핍 연소 프로세스 통해H₂S가스를 원소 황으로 변환한 후, 최종적으로 액체 상태로 응축시켜 황 저장조에 저장하고 최종 유통에 이르게 합니다. 클라우스 SRU는 일반적으로 그림 1에 표시된 바와 같이 열 반응기, 인라인 가열기, 잔류 가스 소각로 등 여러 종류의 연소 장비를 활용합니다.
그림 1. 전형적인 클라우스식 황 회수 설비(SRU).
그림 1에는 나타나지 않았지만, 클라우스 황회수 장치(SRU) 내부에도 감압 가스 발생기(RGG)가 설치되어 있습니다. RGG는 일반적으로 쉘 클라우스 오프가스 처리(SCOT) 프로세스 같이 더 복잡한 회수 및 처리 시스템에서 활용되며, 이러한 시스템은 대개 더 높은 수준의 황 회수율(≥ 99.9%)과 더 낮은 수준의SO₂ 배출량 (≤ 150mg/Nm³)이 요구되는 시설에 도입됩니다.
그러나 이 글에서는 일반적인 Claus SRU 열원자로 패키지(그림 1에서 빨간색으로 표시된 요소들)와 관련된 기본적인 설계 원칙과, 이러한 설계 원칙을 활용하여 모든 장비가 가능한 한 가장 안전하고 효율적인 방식으로 가동되도록 보장하는 방법에 초점을 맞출 것이다.
프로세스
클라우스 SRU에서 처리되는 가장 일반적인H₂S함유 폐가스 중 두 가지는 산성 가스와 사워 워터 스트리퍼(SWS) 가스입니다. 그림 2와 3은 이러한 폐유체의 일반적인 성분을 보여줍니다.
그림 2. 전형적인 산성 가스의 조성.
그림 3. 전형적인 산성수 스트리퍼(SWS)의 가스 조성.
단, 그림 2와 3에 표시된 가스 조성은 개별 적용 사례에 따라 달라질 수 있다는 점에 유의해야 합니다. 이 그림들의 목적은 각 폐가스 내에 일반적으로존재하는 높은 농도의H₂S및NH₃를 강조하는 데 있습니다.
클라우스 SRU 열반응기 패키지 내에서H₂S를원소 황으로 변환시키는 주요 반응은 다음과 같은 화학 반응으로 설명할 수 있다:
- 반응 1: 유입되는 산성 가스 내의H₂S의 ⅓을 SO₂와 H₂O로연소시키기에 충분한 양의 공기를 시스템에 주입하며, 동시에 유체 내에 존재할 수 있는 모든 오염 물질(예:NH₃, BTEX 등)을 제거한다.
H2S+ 3O2 → SO2 + H2O
- 반응 2: 남은H₂S의 ⅔가 반응 1에서생성된 SO₂ 와 반응하여 원소 황 증기(S₂)를 생성한다.
2H2S+SO2 ⇄ 3 S2 + 2H2O
열 반응기에서 생산된 원소 황은 폐열 보일러에서 급냉된 후 응축기를 통과하여 액화되며, 이후 분배되기 전에 덮개가 있는 황 저장조에 모아집니다. 열 반응기에서 배출되는 나머지 연도 가스는 여전히 상당량의 회수 가능한 원소 황을 함유하고 있으며, 이 가스는 일련의 하류 인라인 가열기, 촉매 반응기 및 응축기를 통과하면서 추가적인 황이 회수됩니다.
클라우스 SRU는 처리된 배기가스 흐름 내의 유황 대부분을 제거할 수 있지만, 일반적으로 ‘테일 가스’라고 불리는 부산물 가스 흐름을 추가로 연소시켜 완전히 제거해야 합니다. 테일 가스 흐름에는 잔류량의 황 결합 화합물은 물론 일산화탄소와 수소가 포함되어 있으며, 이 모든 성분은 배출 전에 완전히 산화되어야 합니다. 이 프로세스 테일 가스 소각로를 통해 프로세스 , 이 소각로는 부산물을 대기 중으로 방출하기 전에 허용 가능한 배출 수준까지 완전히 연소 및 제거합니다.
설계 시 고려해야 할 핵심 사항
전체 클라우스 SRU의 전반적인 효율과 성능을 최적화하기 위해서는 열 반응기 패키지 내에서 다음과 같은 핵심 설계 요소들을 평가하고 구현해야 합니다.
믹싱의 역학
클라우스 SRU의 전반적인 성능을 보장하기 위해서는 열 반응기 패키지 설계 시 강력한 혼합 장치를 고려해야 합니다. 화학량론적 비율 미달(산소 결핍) 조건에서 가동해야 하므로, 혼합 효율 저하를 보정하기 위해 과도한 양의 공기를 사용할 수 없습니다. 앞서 설명한 반응 1과 2는 원소 황의 수율을극대화하기 위해 H₂S와 SO₂의 최적 비율을 얻기 위해 정밀하게 균형 잡힌 화학량론적 비율에서 일어나야 합니다. 혼합이 불량할 경우 층화가 발생하여 각 구역마다H₂S와SO₂의 균형이깨질 수 있으며 , 이로 인해 원소 황으로의 이상적인 전환이 저해될수 있습니다 .
이러한 이유로, 초크 링 및/또는 체커 월과 같은 정적 혼합 장치가 열 반응기 용로 내에 일반적으로 설치됩니다. 또한, 적절한 혼합과 난류를 더욱 확실하게 확보하기 위해 SRU 열 반응기 버너 내부에는 산성 가스 및 연소 공기용 회전 안정화 베인 어셈블리와 같은 추가적인 혼합 장치도 일반적으로 고려됩니다. 그림 4에 표시된 바와 같이, 혼합 역학을 더욱 정확하게 검증하기 위해서는 열 반응기 패키지 내부의 속도 분포를 평가하기 위한 추가적인 CFD 분석을 수행하는 것이 권장됩니다.
그림 4. SRU 열 반응기 내부의 속도 분포를 나타낸 CFD 모델.
그을음 생성
그을음 형성은 열 반응기 패키지 내부의 혼합 역학이 불량할 때 발생할 수 있는 잠재적인 부정적 결과입니다. 부적절한 혼합은 열 반응기 내부에 탄화수소가 포함된 구역이나 영역이 형성되어, 이 탄화수소가 불충분한 양의산소(O₂)에 노출되게 할 수 있습니다. 그 결과, 이러한 탄화수소는이산화탄소(CO₂) 로 완전히산화되거나 일산화탄소(CO)로 부분적으로 산화되지 못하게되어 , 그을음 형성 가능성이 높아질 수 있습니다. 하류 SRU 촉매 반응기 내부의 그을음 침적물은 전체 클라우스 SRU의 전반적인 효율을 저하시켜, 결과적으로 황 회수 잠재력을 전반적으로 감소시킬 수도 있습니다. 과도한 그을음 침적물은 응축된 액상 황 제품의 눈에 띄는 변색을 유발하여, 유통이나 판매에 적합하지 않게 만들 수도 있습니다.
이러한 결과를 방지하기 위해, 신뢰할 수 있는 SRU 설계 업체들은 SRU 열 반응기 패키지 내부 단면 전반에 걸친 아세틸렌(C2H2) 농도에 대한 CFD 분석을 수행합니다. 과거 실험 데이터에 따르면, 장치 내에서 육안으로 확인 가능한 그을음 형성이 일어나기 위해서는C2H2의 몰분율이 10-8 이상이어야 하는 것으로 나타났습니다.
산소 층화
SRU 열 반응기 또는 인라인 히터 패키지의출구에서 반응하지 않은O₂는 클라우스 SRU의 하류 단계에서H₂S또는 응축된 황과 반응할 가능성이 있어, 이로 인해SO₂ 농도가 높아지고 황 회수 효율이 저하될 수 있으므로 바람직하지 않습니다. 또한 미반응 산소는 시스템 내에서 유황 화재를 유발할 수 있어 인력과 장비 안전에 추가적인 위험을 초래합니다. 이러한 이유로, SRU 열 반응기 패키지 내부 전체에 걸친산소 농도를 시뮬레이션하기 위해 추가적인 CFD 분석을 수행하는 것이 권장됩니다.
균일한 온도 분포
클라우스 SRU의 전반적인 성능을 최적화하기 위해서는 SRU 열반응로 내부의 온도 분포 양상을 평가하는 것이 중요합니다. 제1반응과 제2반응은 각 반응을 완료하기에 적합한 온도와 체류 시간에서 이루어져야 합니다. 온도는 각 반응의 평형 생성물에 영향을 미치며, 이로 인해 시스템 전반에 걸친 원소 황의 전체 회수율에도 영향을 줍니다.
열 반응기 내의 특정 구역이나 영역, 특히 버너 면 근처에서 발생하는 온도 층화는 혼합이 부적절하거나 불충분하게 이루어지게 하여 원소 황의 잠재적 수율을 저하시킬 수 있습니다. 열 반응기 용광로 내의 특정 위치에서 측정되는 연도 가스 온도는 해당 지역의 반응물 화학량론적 평형 온도에 의해 결정됩니다. 발열 반응 에너지의 방출은 또한 산소 공급량에 의해 제한됩니다. 산소 농도가 높은 구역은 온도가 더 높아지기 쉬우며, 이로 인해 내부 내화물 및/또는 버너 구성 요소가 손상될 가능성이 있습니다. 시스템 내 균일한 최대 화염 온도 관리는 주로 열 반응기 버너 내의 혼합 장치에 기반을 둡니다. 버너의 공기 역학 및 불활성 가스 주입은 특히 산소가 풍부한 공기 흐름으로 작동될 수 있는 시스템에서 최대 온도를 완화하는 데 사용됩니다. CFD 모델을 사용하여 열 반응기 버너 및 용광로 전체에 걸쳐 균일한 온도 분포를 검증할 수 있으며, 이는 그림 5에 자세히 반영되어 있습니다.
그림 5. SRU 열 반응기 내부의 온도 등고선 CFD 모델.
오염물질 분해 제거 효율(DRE)
NH3, BTEX 및 기타 잔류 탄화수소와 같은 바람직하지 않은 오염 물질은 클라우스 SRU의 하류 공정에서 손상을 방지하기 위해 열 반응기 내에서 반드시 제거되어야 합니다. 열 반응기출구에서 NH3는 SO2와 반응하여 황산암모늄 염을 형성할 가능성이 있습니다. 이러한 염은 침전되어 하류 촉매 반응기를 막거나 오염시킬 수 있으며, 앞서 논의한 그을음 형성의 경우와 유사한 결과를 초래할 수 있습니다. 이러한 이유로, 오염 물질은 산소 공급이 제한된 환원성 분위기 내에서 제거되어야 합니다.
이러한 오염 물질이 열 반응기 패키지의 출구에서 충분히 분해되도록 더욱 확실히 보장하기 위해서는 우수한 혼합 장치와 1250°C(2370°F) 이상의 열 반응기 작동 온도를 사용하는 것이 권장됩니다. 또한NH3를 분해해야 하는 구역의 용광로 온도를 높이기 위해점화 프로세스 주입을 용광로의 여러 구역으로 분할하는 방법도 사용할 수 있습니다.
버너의 출력 조절 범위
열 반응기 내부의 버너 압력 강하는 가스를 적절하게 혼합하는 데 필요한 혼합 에너지를 제공합니다. 앞서 언급한 바와 같이, 혼합이 불충분할 경우 성능에 제한이 발생할 수 있습니다. 시스템에 가장 많은 질량을 공급하는 유류는 연소 공기와 프로세스 유류입니다. 이 두 유류는 해당 클라우스 SRU에서 일반적으로 나타나는 유량 및 조성의 변동 범위 내에서, 어떤 운전 조건에서도 원활한 가동을 위해 충분한 혼합 에너지를 제공해야 합니다.
역화 방지
번백(burn-back)은 열반응기 패키지 내의 낮은 가동률과 관련된 또 다른 일반적인 문제입니다. 버너 목 부분에서 적절한 유속을 유지하면 하류 열반응기 용광로에서 발생하는 우발적인 복사선에 대한 노출을 제한함으로써 버너 내부 구성 요소의 손상을 방지할 수 있습니다.
회전 안정화 버너의 공기역학적 특성상, 토네이도나 태풍의 눈과 유사한 중앙 재순환 구역이 자연스럽게 형성됩니다. 이 재순환 구역은 용광로 가스를 버너 전면으로 다시 끌어당기게 되어 내부 부품에 손상을 줄 수 있습니다. 인젝터를 통한 최소 유량을 유지하면 버너 목을 통과하는 속도와 관계없이 손상을 방지하는 데 도움이 됩니다.
경우에 따라 열 반응기 패키지 내부의 작동 조건으로 인해 연료 가스 노즐이나 산성 가스 주입기를 통과하는 유량이 거의 없거나 아예 없을 수 있습니다. 이러한 상황이 발생할 경우, 프로세스 연료 가스 대신 증기를 사용하여 주입기를 통과하는 최소 유속을 유지하는 대체 방법으로 활용할 수 있습니다. 또한, 그림 6에 표시된 바와 같이, SRU 열 반응기 용광로(PFurnace) 및 버너의 연소 공기 흡입 노즐(PCombustion Air)에 설치된 차압 트랜스미터를 사용하여 버너를 통과하는 압력 강하를 모니터링함으로써 역화 현상을 예방하는 추가적인 조치를 취할 수 있습니다.
그림 6. SRU 열 반응기 버너 및 용광로 내부의 임계 압력 측정.
결론
SRU 열 반응기 패키지는 특정 정유소나 천연가스 처리 시설에서 클라우스 SRU에 의해 발생하는 황 회수율을 극대화하고SOx 배출량을 최소화해야 합니다. 클라우스 SRU 내의 모든 패키지는 프로세스 규정한 대로 작동할 수 있도록 신중하게 설계 및 운영되어야 합니다. SRU 열 반응기 패키지에 대해 특별히 고려해야 할 중요한 설계 원칙과 특징을 감안할 때, SRU 패키지의 상세 설계, 제조 또는 운영과 관련된 구체적인 문의 사항이 있을 경우 신뢰할 수 있고 실적이 입증된 SRU 공급업체와 상담하는 것이 중요합니다.