LNG 산업은 전기 생산에서 수소 생산을 위한 공급 원료 및 운송을 위한 깨끗한 대안에 이르기까지 다양한 요구를 제공합니다. 산업이 확장됨에 따라 LNG 가치 사슬 전반에 걸친 기술 개발은 이러한 성장을 지원하는데 가장 중요합니다.
일반적인 액화 시설에서 천연가스는 -259°F (-162°C)에서 액화됩니다. 그 결과 LNG는 천연가스 거래량의 1/600을 차지하므로 천연가스를 쉽게 구할 수 없는 주요 시장으로 운송하는 것이 더 효율적입니다. 또한 LNG는 파이프라인에 접근하지 않고 멀리 떨어진 곳에 천연가스를 공급하는 데 매우 중요합니다.
LNG 산업은 천연가스 생산, 액화 시설, 운송 및 해운, 저장, 가스화 등 LNG 가치 사슬을 구성하는 다양한 부문으로 구성되어 있습니다. 이러한 시설의 대부분은 유지관리, 프로세스 장애 또는 비상 구호로 인해 폐기물 흐름의 처리를 위해 플레어 시스템이 필요합니다.
플레어 시스템은 이러한 폐기물 스트림을 안전하게 연소시켜 시설의 환경적 영향을 줄이도록 설계되었습니다. 일반적인 시설에서 생산되는 메탄의 효율적인 연소는 중요합니다. 연소 생성물 중 하나인 이산화탄소의 연소에 비해 미연소 메탄이 25GWP(Global Warming Potential)를 갖기 때문입니다. 보통 이러한 플레어 시스템은 기체 폐기물 스트림만 효율적으로 처리하도록 설계되었습니다. API(521)는 "큰 액체 방울과 액체 하중은 연기, 액체 방울(연소 또는 연소되지 않음)이 플레어로부터 방출되거나 기계적 손상을 일으킬 수 있다"고 명시하고 있습니다.
연소는 허용된 가시적 방출 요구 사항의 달성, 소음 및 방사선 요구 사항 충족, 플레어 시스템 및 멸균 구역을 위한 적절한 플롯 공간 할당의 시설 문제 등과 같은 다양한 규정 준수 문제를 제시합니다. 다양한 규정 준수 과제를 제시합니다. 멸균 구역은 과도한 화염 방사 또는 소음 수준으로 인해 접근이 제한되었습니다. 또한 플레어는 예상되는 릴리프 용량 시나리오 범위에서 작동하도록 설계되어야 합니다. 일반적인 가스 플레어링 시스템에서 LNG 시설과 같은 액체 공정 스트림은 가스 스트림을 플레어로 보내기 전에 먼저 녹아웃 드럼 형태를 사용하여 기화되거나 분리되어야 합니다. 이것은 시스템에 추가적인 복잡성과 비용이 발생할 수 있습니다.
이 기사의 나머지 부분에서 살펴보겠지만 Zeeco는 액체 폐기물 스트림을 효율적으로 처리하는 플레어를 설계 및 테스트하여 시설 비용 절감, 플랜트 및 인력 안전 개선, 환경 영향 감소와 같은 몇 가지 이점을 제공합니다.
성공적인 본격 테스트
고객의 액체 폐기물 처리를 위한 플레어 시스템 요청에 대응하여 Zeeco는 압력 분무식 플레어 시스템을 개발하고 미국 오클라호마의 Broken Arrow 본사에서 LNG를 사용하여 본격적인 대규모 테스트를 수행했습니다. 플레어 테스트는 성공적이었으며 이 기술을 LNG 산업에서 많은 새로운 기회와 응용 분야로 이어가게 되었습니다.
LNG는 이중벽 진공 절연 트레일러에서 Zeeco로 전달되었으며, 이후 테스트 플레어 헤더에 연결되었습니다. 트레일러의 내장 펌프가 스테인리스 스틸 헤더와 플레어 팁을 통해 LNG를 플레어 팁으로 보냈습니다. 폐기물 스트림의 온도 및 압력을 기록하여 상태 (즉, 가스, 이상, 액체)를 결정했습니다. 테스트가 시작되고 플레어 헤더가 주변 온도에 있었을 때 폐기물 스트림은 가스 상태였습니다. 헤더가 냉각됨에 따라 폐기물 흐름은 이상 상태로 전환된 다음 액체로 전환되어 전체 과정에서 안정적이고 무연 화염을 유지했습니다. 플레어 설계가 전체 작동 조건 범위에 걸쳐 효율적인 연소를 입증했다는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 플레어 팁은 여러 예비 테스트를 통해 고객에게 제기된 최종 테스트에서 극한의 조건과 열 사이클링을 견뎌내며 기계적 손상 없이 견뎌냈습니다. Zeeco는 열 영향 구역의 용접 수를 줄이고 기계적 분무 요구 사항을 충족하기 위해 캐스팅을 사용하여 가장 견고한 액체 플레어 팁 디자인을 제공했습니다.
설계 시 고려 사항
액체 플레어 팁의 주요 우려사항은 액체 폐기물 스트림이 지면까지 도달하여 안전 위험을 초래할 수 있다는 점입니다. 액체 폐기물 스트림을 효과적으로 분무하는 것은 액체 스트림을 작은 물방울로 분해하여 액체의 표면적과 연소 속도를 높임으로써 이 문제를 해결합니다. 표면 장력, 점도 및 밀도는 생성된 액체 물방울 크기와 분사 패턴 특성에 영향을 미치는 주요 유체 특성입니다. 플레어 시스템은 특정 폐기물 스트림의 특성에 대해 적절한 압력 유도 분무화가 달성되도록 모델링됩니다.
압력의 원자화는 폐기물 스트림 자체의 에너지에 의해 생성되며 증기나 압축 공기와 같은 원자화 매체가 필요하지 않음을 의미합니다. 원자화의 또 다른 일반적인 방법은 고압 가스 분무입니다. 여기에는 공기, 증기 또는 천연가스를 액체 스트림에 주입하여 작은 물방울로 분해하는 것이 포함됩니다. 압력 원자화의 주요 이점은 추가 유틸리티 및 해당 인프라가 필요하지 않아 플레어 시스템과 관련된 자본 및 운영 비용을 절감할 수 있다는 것입니다.
화염 안정성은 플레어 시스템의 안전한 작동과 폐기물 스트림의 적절한 파괴에 매우 중요합니다. 안정적인 화염은 플레어가 운영 및 환경 설계 조건 전반에 걸쳐 점화 된 상태로 유지된다는 것을 의미합니다. 희박한 폐기물 스트림 (즉, 낮은 발열값) 및 / 또는 높은 폐기물 스트림 출구 속도는 불안정한 화염의 전형적인 원인입니다. 화염 안정성의 손실은 연소되지 않은 폐기물 스트림, 부정적인 환경 영향 및 안전 문제를 초래할 수 있습니다. 이 응용 분야를 위해 개발된 압력 원자화 액체 플레어 시스템은 독점적인 Zeeco 메커니즘을 사용하여 안정적인 화염을 보장합니다. API(521), 섹션 5.7.2.4에서는 화염의 안정성을 결정하기 위한 다양한 관찰 방법에 대해 설명합니다. (즉, 불안정한 화염은 화염 전면이 파동을 일으킬 때 낮은 주파수의 펑킹 소음과 관련됩니다.) 테스트 중에 기록된 시각적 및 청각적 관찰을 바탕으로, 플레어 시스템은 천연가스에서 이상 천연가스/액체 및 과냉각 LNG로 전환하면서 안정적인 화염을 유지했습니다.
추가 이점
플레어 시스템의 개발은 새로운 시설을 건설하거나 기존 시설을 개조할 때 다양한 이점을 제공할 수 있습니다. 중요한 고려사항 중 하나는 장비에서 발생하는 소음입니다. 블로어, 압축기, 공기 건조기, 히터, 플레어 및 기타 소스들은 모두 적절한 개인 보호 장비 및 표지판 사용이 필요한 직업적인 소음 수준에 기여합니다. 일부 경우에는 플레어의 높이나 플레어 주위의 안전 반경이 소음 제한에 따라 결정되므로, 플레어 소음 수준을 낮추는 것은 작업자의 건강에 큰 이점을 제공하며 잠재적인 비용 절감 기회가 될 수 있습니다.
실제로 OSHA는 "시끄러운 소음은 신체적, 정신적 스트레스를 유발하고, 생산성을 저하시키며, 의사 소통과 집중을 방해하고, 경고 신호를 듣기 어렵게 만들어 작업사고와 부상을 야기할 수 있습니다."고 보고했습니다. 특히 인구 밀도가 높은 지역에서 소음 공해를 줄이는 것은 이웃 기업 및 지역 사회와의 긍정적인 관계를 유지하는데 도움이 되며, 이는 시설에 긍정적인 영향을 미칩니다. 지코(Zeeco)의 액체 연소 기술은 기존의 기체 연소보다 소음 공해를 줄이면서 폐기물 스트림을 안전하게 처리하는 것으로 입증되어 즉각적인 시설 내 소음 감소와 장기적인 지역 사회 이익을 가져올 수 있습니다.
연소 과정에서 발생하는 소음은 연소 소음과 제트 소음 두 가지로 나눌 수 있습니다. 연소 소음은 화염 전체에 걸친 열 방출의 지역적 변동으로 생긴 연소 생성물의 팽창 및 수축에 의해 발생합니다. 이러한 팽창과 수축 압력 파동을 생성하며, 이는 인간의 귀에 의해 소음으로 인식됩니다. 제트 소음 (즉, 배출 소음)은 관통구를 통해 유체 속도가 증가함으로써 발생합니다. 제트 소음은 난류에 의한 유동 스트림의 파동과 피폭속도가 음속에 달하여 충격파 소음(즉, 흐름 억제)이 발생하는 것으로 더 구체적으로 특징 지어 질 수 있습니다.
액체 플레어 시스템의 장점은 가스에 비해 훨씬 높은 음속을 가지고 있다는 점에서 기인합니다. 예를 들어, 메탄가스의 음속은 925ft/sec(-259°F에서)인 반면, 액체 메탄의 경우 4658ft/sec(-274°F에서)입니다. 또한 액체는 기체보다 밀도가 높기 때문에 같은 질량 유량에서 액체의 배출 속도는 더 낮습니다. 액체에 대한 높은 음속과 주어진 질량 유량에 대한 낮은 배출 속도를 고려하면, 액체 플레어 시스템은 최소한의 제트 소음을 생성합니다. 이는 지코(Zeeco)에 의한 플레어 테스트에서 확인되었으며, 해당 테스트에서는 압력 원자화 된 액체 플레어가 동일한 질량 유량에서 기체 플레어보다 훨씬 적은 소음을 생성한다는 것을 보여주었습니다. 표 1은 압력 원자화 액체 시험 결과와 전통적인 기체 플레어 시스템의 예측 결과를 비교한 것입니다.
시설에 대한 또 다른 고려 사항은 장비의 평면적 설치 공간과 관련된 설비 비용입니다. 이 비용에는 배관, 지지대 및 기타 부속품 등이 포함됩니다. 예를 들어, 파이프 직경을 줄이는 것은 총 배관 재료 중량 감소, 크게 줄어든 배관 랙 요구사항, 설치 용이성 (더 적은 재료 처리 및 작은 파이프 직경으로 인한 더 적은 용접)등 여러가지 이점을 가지고 있습니다. 또한 관련된 부속품(밸브 및 플랜지 등)의 크기를 줄이고, 전체 장비 평먼적 차지 공간을 감소시킵니다.배관 직경을 줄이는 장점은 플레어 라이저에도 적용될 수 있으며, 플레어 시스템의 자본 비용을 줄이는데 도움이 되는 공급량 감소와 바람 영역 감소 등의 이점이 있습니다. 앞에서 언급한 대로, 높은 밀도를 가진 액체 폐기물 스트림은 주어진 질량 유량에 대해 기체 스트림보다 작은 직경의 배관을 사용할 수 있습니다.
이러한 잠재적인 시스템 절감효과를 고려할 때, 액체 연소용 LNG 시스템과 기체 연소용 LNG 시스템을 비교하는 것이 유용한 예시입니다. 700,000 lb/hr의 유량을 사용할 경우 액체 연소를 위한 LNG 시스템의 예상 비용은 US$750,000입니다. 한편, 동일 공정 조건 하에서 기체 연소를 위한 LNG 시스템은 US $900,000로 추정됩니다. 이러한 비용은 플레어 시스템 공급에 대한 추정치이며 헤더 및 헤더 지원에 따른 절감액은 포함되지 않습니다. 자본 비용 절감 외에도 압력 원자화 액체 LNG 연소 시스템은 시간이 지남에 따라 소음과 전반적인 소유 비용을 줄일 수 있습니다.
결론
기술적 발전은 지난 50년 동안 LNG 산업이 이룬 진전을 유지하고 미래 발전을 촉진하는 데 매우 중요합니다. 지코(Zeeco)가 설계하고 테스트한 압력 원자화 액체 LNG 플레어 시스템은 산업 발전에 기여하는 최신 개발 중 하나로, 극심한 저온 작동 조건에서 안정적으로 과냉각 천연가스를 처리할 수 있는 LNG 연소 솔루션을 제공합니다. LNG는 다른 화석 연료에 대한 청정하고 경제적인 대안으로 계속 인기를 얻으면서, LNG 산업이 다음 개발 단계로 나아가는 데 필연적으로 더 많은 발전이 이루어질 것입니다.
참고 문헌
- ‘Pressure-Relieving and Depressuring Systems: API Standard 521’, American Petroleum Institute, (2014).
- ‘Liquefied Natural Gas: Understanding the Basic Facts’, US Department of Energy, (August 2005)
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- ‘Atomization Concept and Theory’, GRACO, wwwd.graco.com/ training/concept_and_theory/Atomization%20v2.pdf.
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- Climate Change Connection, climatechangeconnection.org/ emissions/co2-equivalents/.
- BIES, D.A., and HANSEN, C.H., ‘Engineering Noise Control Theory and Practice’, Spon Press/Taylor & Francis, (2009).
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