연소 장비의 기본 사항
Zeeco, Inc.의 스리람 크리슈난은 LNG 산업의 연소 설비용 안전 시스템을연구하고 있다 .
연소 장비는 업종을 불문하고 전 세계 대부분의 운영 시설에서 찾아볼 수 있습니다. 기술적으로 연소 장비란 연료의 연소를 통해 열이나 에너지를 발생시키는 모든 장치를 의미합니다. 이 기사에서는 특히 LNG 산업 내에서 안전, 프로세스 또는 배출 제어 장치로 흔히 사용되는 세 가지 유형의 연소 장비, 즉 플레어, 소각로, 연소식 가열기에 대해 중점적으로 다룰 것입니다. 이러한 각 연소 장치는 상류의 천연가스 생산 및 액화부터 하류의 수송, 저장, 재기화에 이르기까지 다양한 LNG 응용 분야에서 활용될 수 있습니다. 용도가 다양함에도 불구하고, 연소 장비는 운영 시설 내에서 비교적 전문적이고 복잡한 설비 중 하나로 여겨지는 경향이 있습니다.
그럼에도 불구하고, 이 장비들의 기본 설계 원리는 사실 매우 간단합니다. ‘화력 장비’라는 이름조차 꽤 직관적입니다. 말 그대로 불을 이용해 장비를 가동하기 때문입니다.
‘화재’라는 단어는 플랜트 운영 및 유지보수 분야에서 부정적인 의미를 내포할 수 있지만, 연소식 설비 시스템은 어떤 운영 시설 내에서든 가장 안전한 설비 중 하나입니다. 이 기사에서는 LNG 산업 내 플레어, 소각로, 연소식 가열기의 설계에 일반적으로 적용되는 구체적인 공학 규정, 표준 및 안전 기능을 다룰 것입니다. 또한 이 세 가지 주요 연소 장비 유형을 구분할 수 있는 능력이 중요하므로, 이 기사에서는 각 유형 간의 유사점과 차이점을 중점적으로 살펴볼 것입니다. 비록 유사한 용도로 사용되지만, 이러한 연소 장치는 전반적인 설계, 성능 및 작동 방식에서 차이가 있습니다.
플레어
밤에 LNG 공장을 지나가다 보면, 마치 공중에 떠 있는 듯한 붉은빛이 도는 노란색 불꽃을 볼 수 있을지도 모릅니다. 이 불꽃의 원인은 아마도 고공에 플레어 가능성이 높습니다.
전 세계 석유화학 플랜트와 LNG 시설에서는 매우 다양한 종류의 플레어 찾아볼 수 있습니다. 그럼에도 불구하고 가장 일반적인 유형은 고가 플레어, 다점 지상 플레어(MPGF), 밀폐형 지상 플레어(EGF)입니다. 일반적으로 플레어는 소각로나 연소 히터에 비해 반응성이 가장 뛰어나고 다용도로 활용 가능한 연소 설비로 간주됩니다. 플레어는 훨씬 더 높은 터다운 비율을 자랑할 뿐만 아니라, 98% 이상의 파괴 제거 효율(DRE)로 갑작스럽게 대량으로 발생하는 휘발성 가스나 액체를 연소 및 파괴할 수 있습니다. 이러한 이유로 플레어는 LNG 플랜트나 운영 시설에서 플랜트 자산과 인력을 보호하기 위한 백업 또는 비상 압력 방출 장치로 널리 사용됩니다.
플레어 설계할 플레어 두 가지 중요한 설계 요소를 고려해야 합니다 플레어 지속적인 퍼지(purging)와 안전하고 신뢰할 수 있는 파일럿 및 점화 시스템입니다. 산소 유입을 방지하기 위해 플레어 더 배관을 통해 질소나 연료 가스를 지속적으로 퍼지해야 합니다. 산소가 유입되면 플레어 내부에 인화성이 매우 높은 가스가 의도치 않게 축적될 수 있기 때문입니다. 만약 플레어파일럿 불꽃이 이러한 가스에 점화될 경우, 역화(flashback)나 폭발 사고가 발생할 수 있으며, 이는 플랜트 인력과 주변 장비에 추가적인 위험을 초래할 수 있습니다. 파일럿 시스템은 항상 지속적이고 안정적인 파일럿 불꽃을 유지해 주기 때문에, 안전하고 신뢰할 수 있는 파일럿 및 점화 시스템은 플레어지속적인 퍼지 기능만큼이나 중요합니다. 만약 파일럿 화염이 꺼진 상태에서 비상 플레어링이 발생하면, 프로세스 유해 폐기물 증기가 적절히 연소 및 소멸되지 않은 채 대기로 배출될 프로세스 . 이러한 증기는 폭발성이 매우 높고 독성이 강할 수 있어, 플랜트 직원과 인근 주민들에게 추가적인 안전 위험을 초래할 수 있습니다.
화염 소실을 방지하기 위해, ZEECO® 플레어 전 세계 가장 혹독한 기상 조건 하에서 개발 및 테스트를 거쳐, 허리케인급 강풍과 폭우 속에서도 항상 지속적이고 안정적인 화염을 생성하고 유지할 수 있도록 보장됩니다. 열전대 및 ZEECO 시스템과 같은 화염 감지 장치는 플레어파일럿 화염 유무를 감지하고 확인하는 데 가장 일반적으로 사용됩니다. 그러나 ZEECO 및 ViZion™과 같은 보다 정교한 장치를 사용하면 플레어파일럿 화염과 주 화염을 모두 감지할 수 있습니다. 또한 이러한 장치는 연소 효율 및 연기 불투명도와 같은 주요 성능 지표를 모니터링하고 제어할 수도 있습니다.
또한 플레어 Class I, Division II 위험 구역 내 사용이 인증되고 API-521 및 537 표준에 따라 설계된 점화 및 제어 시스템이 플레어 것이 일반적이며, 이를 통해 플랜트 작업자에게 장치를 점화하고 작동할 수 있는 본질 안전 방식을 제공합니다. 폭발 방지 장치나 연소 방지 장치와 같은 추가 안전 장치도 플레어 설계에 적용될 수 있습니다. 그러나 이러한 장치들은 앞서 논의한 다른 요소들만큼 중요하지는 않습니다. 그럼에도 불구하고, 각 플레어 대해 개별 프로세스 공급 조건을 바탕으로 이러한 장치의 전반적인 필요성을 평가하는 것이 중요합니다.
그림 1. 일반적인 비상 압력 방출 플레어 시스템.
소각로
사람들은 종종 소각로와 열산화장치의 차이가 있는지 궁금해하지만, 이 두 용어는 동일한 유형의 연소 설비를 지칭하는 데 서로 바꿔서 사용됩니다. 대낮에도 소각로를 식별하기 어려울 수 있는데, 밤에는 더더욱 그렇습니다. 플레어 노출된 화염과 달리, 소각로의 화염은 밀폐되어 있어 가동 중에는 외부에서 보이지 않기 때문에, 특정 정유소나 LNG 플랜트 내에서 이를 구별하기가 어렵습니다.
소각로는 일반적으로 플레어 히터에 비해 가장 복잡하고 고도로 자동화된 연소 설비로 간주됩니다. 소각로는 플레어도가 빠르지는 않지만, 지속적으로 발생하는 여러 가스 또는 액체 공급류를 매우 높은 온도에서 연소 및 파괴할 수 있어 99.9999% 이상의 인상적인 DRE(폐기물 소각 효율)를 자랑합니다. 또한 소각로에는 일반적으로 NFPA-86 규격을 준수하는 제어 및 계측 패키지와, 장치의 퍼지, 점화, 예열, 폐기물 투입 및 정지 순서를 제어하는 프로그래머블 로직 컨트롤러(PLC)가 탑재된 버너 관리 시스템(BMS)이 함께 제공됩니다. NFPA-86 표준은 API-537 표준이 플레어에 대해 수행하는 것과 동일한 일반적인 목적을 소각로에 제공하며, 즉 플랜트 운영 인력이 추가적인 위험을 감수하지 않고도 장치를 본질적으로 안전하고 쉽게 작동할 수 있는 방법을 제공합니다.
NFPA-86에서 규정하는 가장 중요한 안전 기능 중 하나는 점화 전 퍼지(pre-ignition purge)로, 이는 점화 전에 소각로 내의 잠재적 가연성 화합물을 제거하는 과정입니다. 화염 감지기는 점화 시 및 폐기물 투입 후 파일럿 버너와 메인 버너의 화염이 모두 정상적으로 유지되는지 확인하는 일반적인 안전 기능입니다. 송풍기/팬 가동 신호, 연소 공기 유량 스위치, 설정 온도 및 연료 압력 트립 또한 NFPA-86에 의해 규정되는 중요한 안전 기능이며, 인력과 장비의 안전을 더욱 확보하기 위해 소각로의 BMS(빌딩 관리 시스템)에 일반적으로 구현됩니다.
전 세계에서 가장 규모가 크고 복잡한 소각 시스템 중 일부는 천연가스 액화 플랜트에 설치되어 있습니다. 이러한 시스템에는 소각로가 더욱 엄격해진SOX,NOX 및 CO 대기 배출 허가 요건을 충족할 수 있도록 하는 다양한 연소 후 처리 장치가 장착될 수 있습니다. 또한 이러한 시스템에는 소각로에서 발생하는 고온 연도 가스를 활용하여 전체 연료 소비량을 줄이고, 하류 LNG 공정에 필요한 유틸리티를 생산하는 폐열 회수 장치(WHRU)가 설치되는 것이 일반적입니다.
복합 소각 시스템은 최종 사용자에게 상당한 이점을 제공하지만, 그에 따른 대가도 따릅니다. 규모가 크고 다양한 장비 패키지는 대개 인력과 장비의 안전을 더욱 철저히 보장하기 위해 더 엄격한 엔지니어링 규범 및 표준을 준수해야 하며, 이 때문에 프로세스 분석(PHA) 또는 위험 및 가동성 연구(HAZOP) 완료 후 일반적으로 안전 무결성 수준(SIL) 2 또는 3 등급이 부여됩니다. 연소 후 처리 장치와 폐열 회수 장치(WHRU)는 일반적으로 내부 정적 운전 압력 및 설계 압력을 높이는 요인이 되며, 이로 인해 ASME 제8편 및 제1편 설계 규격에 명시된 것과 같은 더 엄격한 기계적 및 구조적 설계 기준이 요구되는 경우가 많습니다. 또한 이러한 시스템 내의 송풍기/팬은 API-560 또는 673 표준에 따라 설계되는 경우가 많은데, 이 표준들은 설계 유량과 압력 모두에 대해 더 높은 안전 여유를 요구하며, 모니터링 및 제어 목적을 위한 추가 계측 장비가 필요합니다. 이러한 설계 규격 및 표준이 LNG 산업 내의 모든 복합 소각 시스템에 반드시 적용되는 것은 아니지만, 모든 시스템은 그 특정 용도와 작동 조건에 따라 평가되어야 한다는 점을 유의해야 합니다.
그림 2. 산성 가스 및 공기 예열기(WHRU)가 장착된 복합 소각 시스템.
연소식 히터
연소식 가열기는 설계와 전반적인 복잡성 면에서 소각로와 매우 유사하며, 글리콜 탈수 및 재기화 등 LNG 후공정에서도 널리 사용됩니다.
이러한 유형의 연소 설비는 복사 구역 내에서 연료를 연소시켜 고온의 연도 가스를 생성하며, 이 연도 가스는 대류 구역 내의 일련의 관이나 코일로 열을 전달합니다. 이러한 코일에는 일반적으로 Therminol®과 같은 액체 열전달 유체가 포함되어 있으며, 이 유체는 최종적으로 하류의 다양한 LNG 공정으로 공급됩니다. 화력 히터는 다른 공정에서 발생하는 폐기 부산물을 연소시킬 수도 있지만, 소각로와 달리 일반적으로 전체 시스템 열 방출량의 최대 약 10%만을 차지하는 단일 발열성 폐가스로만 제한됩니다. 이는 항상 지속적이고 안정적인 버너 화염이 유지되도록 하기 위함입니다. 연소식 히터 출구에서 배출되는 연도 가스는 99.9% 이상의 DRE(배출 감소율)를 달성하여 대기로 배출되며, 소각로와 마찬가지로 연소식 히터에도 선택적 촉매 환원(SCR) 장치를 장착하여 NO를 추가로 저감할 수 있습니다.X 배출을 추가로 저감할 수 있습니다.
연소식 히터는 일반적으로 API-560 표준에 따라 설계되며, 대개 NFPA-87을 준수하는 제어 및 계측 패키지와 BMS PLC와 함께 공급됩니다. NFPA-87은 연소식 히터에 특화되어 있지만, NFPA-86과 유사합니다. 두 표준 모두 몇 가지 차이점을 제외하고는 동일한 일반적인 작동 순서와 안전 요구 사항을 다루고 있습니다. 스킨형 열전대는 화염식 히터 내부의 튜브 코일에 일반적으로 설치되는 추가 안전 장치입니다. 이 장치는 튜브 코일의 온도를 모니터링하여 과열이나 파열을 방지하는 데 사용되며, 이러한 현상은 위험한 탄화수소의 안전하지 않고 계획되지 않은 유출로 이어질 수 있습니다. 차압 트랜스미터도 유사한 이유로 사용될 수 있습니다. 이 장치는 화염식 가열기 케이스 내부에서 과압 사고가 발생할 전반적인 가능성을 줄여주어, 이로 인해 발생할 수 있는 유해 탄화수소의 계획되지 않은 누출을 방지합니다.
인력과 장비의 안전을 더욱 확보하기 위해, 연소식 가열기의 BMS에 추가적인 제어 및 계측 장치를 도입할 수 있습니다. 예를 들어, 산소 분석기를 트림 제어 장치로 사용하여 장치 내부에서 최소 산소 농도(일반적으로 ≥3 vol. %)가 항상 유지되도록 할 수 있습니다. 또한 가연성 물질 및/또는 메탄 분석기를 도입하여 배연 내 휘발성 유기 화합물의 농도를 모니터링함으로써, 유해 탄화수소의 잠재적 방출, 축적 또는 발화를 방지할 수 있습니다. 이러한 기능은 화염 가열기 용도에만 국한되지 않으며, 동일한 일반적인 목적을 위해 소각로 시스템에서도 활용될 수 있습니다.
그림 3. 일반적인 직접 연소식 히터의 구성 요소.
결론
화재는 위험할 수 있지만, 그렇다고 해서 연소식 설비 자체가 본질적으로 위험하다는 뜻은 아닙니다. 신뢰할 수 있는 설계 및 제조 파트너와 함께라면 이러한 선택을 훨씬 수월하게 할 수 있습니다. 예를 들어, Zeeco 전문가들은 맞춤형 플레어, 소각로 및 연소식 가열기를 설계한 50년 가까운 경험을 보유하고 있습니다.
이 장치들은 전 세계 수많은 운영 시설에서 매일 안전하게 가동되고 있습니다. 이 장치들은 매우 효과적인 배기가스 제어 장치일 뿐만 아니라, 최종 사용자에게 추가적인 이점을 제공하며 후단 공정에 필요한 유틸리티를 생산하거나 회수하는 데에도 활용될 수 있습니다.
