[논문]폐가스 회수장치를 이용한 플레어스택의 복사열 감소

이헌석; 이동혁; 유진환; 박철환; 고재욱

doi:10.7842/kigas.2011.15.1.040

폐가스 회수장치를 이용한 플레어스택의 복사열 감소
Reduction of Thermal Radiation from Flare Stack by Flare Gas Recovery Unit 원문보기

한국가스학회지 = Journal of the Korean institute of gas, v.15 no.1, 2011년, pp.40 - 45

이헌석 (광운대학교 화학공학과) , 이동혁 (광운대학교 화학공학과) , 유진환 (SK건설 플랜트설계 HSE팀) , 박철환 (광운대학교 화학공학과) , 고재욱 (광운대학교 화학공학과)

초록
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공정운전 중 운전자의 실수나 장치의 고장 등으로 형성되는 과압을 방지하기 위해 blowdown system을 통해 가스를 방출시켜 과압을 해소한다. 방출된 가스는 대부분 탄화수소 혼합물로서 가연성과 독성을 가지고 있으므로 플레어스택에서 연소시킨 후, 공기 중으로 배출시킨다. 그러나 화학공장의 규모가 증가하고 복잡해지면서 폐가스의 양이 증가하여 안전상의 이유로 플레어스택의 높이를 높이거나 추가적인 플레어시스템을 설치하여야 하는 문제가 발생하였다. 이 논문에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 버려지는 폐가스를 회수하여 연료로 사용하는 Flare Gas Recovery System을 도입한 해결방안을 제시하고자 하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

During process operations, overpressure can be caused by operator's error or malfunction of the device. To prevent this overpressure, gas was released through blowdown system. Because most of released gases are the hydrocarbon mixture and have flammable and toxic properties, the gas is released after burning in flare stack. The increase of scale and complexity of plant requires higher or additional flare stacks. This study tried to solve this problem through flare gas recovery system.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이 논문에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 폐가스의 일부를 회수하여 원료 및 연료로 사용함으로 인해 경제성을 향상시킴과 동시에 폐가스의 양을 줄여 안전성을 높일 수 있는 FGRU (Flare Gas Recovery Unit)을 도입하여 플레어시스템의 처리량 감소를 확인하고자 하였다.
앞서 상술한 바와 같이 플레어스택의 높이는 폐가스의 양이 가장 많이 발생하는 경우(전원공급중단, 냉각수공급중단 등)의 flare load 값으로 계산된다. 이 논문에서는 현재 운영 중인 GCDU (General crude distillation unit)를 대상으로 기존의 발생하는 폐가스의 양과 공정의 증설로 인해 폐가스의 양이 현재 발생량 보다 2배 증가하였을 때 플레어스택의 높이를 비교하였고, FGRU의 존재 유무에 따른 플레어스택의 높이를 비교하고자 하였다. 폐가스의 조성 및 물성은 Table 2.

제안 방법

이 문제를 효과적으로 해결하기 위해 버려지는 폐가스를 자원으로 회수하는 FGRU를 설치하여 복사열 감소를 시도해보았다. FGRU의 존재 유무에 따른 효율을 비교해 보기 위해 현재 가동 중인 GCDU를 대상으로 기존의 폐가스 방출량에 따른 플레어스택의 높이와 공정증설로 인해 폐가스 방출량이 2배 증가했을 때 FGRU의 존재 유무에 따른 플레어스택의 높이를 비교하였다. 그 결과 공정증설시 FGRU가 없는 경우에 화염의 중심으로부터 복사열이 4.
석유화학플랜트 설비가 고도화되고 복잡해지면서 폐가스의 양이 증가함에 따라 플레어스택에서 발생하는 복사열이 허용범위를 초과하여 주변 사람이나 시설에 피해를 주는 문제가 발생하였다. 이 문제를 효과적으로 해결하기 위해 버려지는 폐가스를 자원으로 회수하는 FGRU를 설치하여 복사열 감소를 시도해보았다. FGRU의 존재 유무에 따른 효율을 비교해 보기 위해 현재 가동 중인 GCDU를 대상으로 기존의 폐가스 방출량에 따른 플레어스택의 높이와 공정증설로 인해 폐가스 방출량이 2배 증가했을 때 FGRU의 존재 유무에 따른 플레어스택의 높이를 비교하였다.

데이터처리

이 논문에서는 현재 운영 중인 GCDU (General crude distillation unit)를 대상으로 기존의 발생하는 폐가스의 양과 공정의 증설로 인해 폐가스의 양이 현재 발생량 보다 2배 증가하였을 때 플레어스택의 높이를 비교하였고, FGRU의 존재 유무에 따른 플레어스택의 높이를 비교하고자 하였다. 폐가스의 조성 및 물성은 Table 2.에 나타내었으며 원활한 계산 및 비교를 위하여 공정모사프로그램인 Hysys를 사용하였다.

성능/효과

FGRU의 존재 유무에 따른 효율을 비교해 보기 위해 현재 가동 중인 GCDU를 대상으로 기존의 폐가스 방출량에 따른 플레어스택의 높이와 공정증설로 인해 폐가스 방출량이 2배 증가했을 때 FGRU의 존재 유무에 따른 플레어스택의 높이를 비교하였다. 그 결과 공정증설시 FGRU가 없는 경우에 화염의 중심으로부터 복사열이 4.73 kw/㎡이하가 되는 지점은 플레어스택으로부터 약 102 m떨어진 곳으로 계산되었다. 따라서 플레어스택 주변의 사람이나 시설이 복사열로 인해 문제가 발생할 수 있음을 확인하였다.
73 kw/㎡이하가 되는 거리는 약 162 m로 계산되었다. 플레어스택의 높이는 약 115 m로 기존의 플레어스택의 높이보다 약 34 m가 증가한다는 것을 확인할 수 있었다. Case3은 공정의 증설로 인해 폐가스의 양이 2배 증가함에 따라 FGRU의 설치를 통해 연소되는 폐가스를 감소시킨 결과이다.
Case2는 공정의 증설로 인해 폐가스의 양이 2배 증가하였으나 추가적인 플레어스택의 설치나 FGRU없이 기존의 설치된 플레어스택만으로 폐가스를 연소시킨 결과이다. 화염의 길이는 143 m로 증가하며 화염의 중심으로부터 지면까지의 복사열이 4.73 kw/㎡이하가 되는 거리는 약 162 m로 계산되었다. 플레어스택의 높이는 약 115 m로 기존의 플레어스택의 높이보다 약 34 m가 증가한다는 것을 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	정유·화학플랜트는 무엇을 생산하는가?	정유·화학플랜트는 원유 또는 천연가스 등을 원료로 에틸렌, BTX, 합성수지, 합성섬유원료 등과 같은 석유화학제품을 생산한다. 화학공정에서는 생산성을 높이기 위하여 고온, 고압으로 운전되며 모든 물질이 배관과 탱크와 같은 시설 내부에서 반응, 합성, 분리, 이송 및 저장된다.
	신규 건설되는 정유 화학플랜트의 특징은?	신규 건설되는 정유·화학플랜트의 경우, 폐가스 처리용량에 따라 플레어스택을 설계하기 때문에 폐가스 처리 운전에 위험성은 적으나, 국내의 대부분 정유·화학플랜트의 경우, 1990년대 이전에 설계·시공되어 운전중에 있으며, 업계 전망에 따라 공정에 대한 고도화와 증설이 많이 이루어져 있다. 하지만 플레어스택의 경우 생산성 향상에는 다소 상관이 없으며, 비공정 지역에서 관리되는 경우가 많다.
	정유·화학플랜트에 가장 위험한 상황은 무엇인가?	정유·화학플랜트의 정상운전 중에 최적화된 안전장치에도 불구하고 운전자의 실수나, 장치의 고장으로 인해 공정 내의 문제점을 야기시킨다. 그 중에서 가장 위험한 상황은 공정 내 이상과압이 형성되는 경우이다.

참고문헌 (3)

KOSHA CODE, "플레어시스템의 공정설계 기술 지침", 한국산업안전공단 (2003)
API Recommended practice 521 Fourth edition, "Guide for Pressure-Relieving and Depressuring Systems", American Petroleum Institute, March (1997)
O. Zadakbar, "Flare gas recovery in oil and gas refineries", Oil & Gas Science and Technology, Vol. 63 , No. 6, pp. 705-711, (2008)

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