KR20110138928A - 브라운가스 혼합연소를 이용한 플레어 시스템 제어장치 및 제어방법 - Google Patents

브라운가스 혼합연소를 이용한 플레어 시스템 제어장치 및 제어방법 Download PDF

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Abstract

브라운가스 혼합연소를 이용한 플레어 시스템 제어장치 및 제어방법이 개시된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플레어 시스템에는, 연소실과; 연소실에 폐가스를 공급하는 공급관과; 상기 연소실에 브라운가스를 공급하는 브라운가스 공급노즐부; 상기 연소실로 유입되는 폐가스 량을 고려하여 상기 공급노즐부로 공급되는 브라운가스 공급량을 제어하는 브라운가스 제어부; 상기 브라운가스 제어부로 브라운가스를 공급하는 브라운가스 발생장치가 포함될 수 있다.

Description

브라운가스 혼합연소를 이용한 플레어 시스템 제어장치 및 제어방법{Apparatus and method for controlling flare system using brown gas mixed combustion}
본 발명은 플레어 시스템 제어장치 및 제어방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 브라운가스 혼합연소를 이용한 플레어 시스템 제어장치 및 제어방법에 관한 것이다.
석유 또는 천연가스의 생산과정에서 발생되는 폐가스 속에는 다양한 화학종의 탄화수소계 물질들이 포함되어 있어 이를 대기중에 그대로 배출하는 경우에는 대기오염을 야기할 수 있다. 그래서 통상적으로는 이 폐가스를 연소시켜 배출시키는 방법으로 처리하고 있다. 하지만, 이 과정에서도 다량의 질소산화물(NOx) 및 황산화물(SOx)을 생성하여 배출할 뿐아니라 폐가스 중에 포함되어 있는 일부의 탄화수소계 화합물은 여전히 연소되지 않고 배출되어 대기오염을 일으키게 된다.
그러므로 통상적으로는 폐가스를 공기와 함께 연소시켜 대기로 배출하는 플레어 시스템을 사용하게 된다.
본 발명의 실시예들이 해결하고자 하는 기술적 과제는 브라운가스를 폐가스에 혼합하여 완전연소시킴으로써 대기오염을 감소시키고자 한다. 폐가스 중에 포함된 탄화수소계 물질을 분해하여 이산화탄소와 물로 만들기 위해 공급된 브라운가스는 연소과정에서 고열을 발생시키게 되는데 이 고열은 공기중에 포함된 질소와 산소의 반응을 촉진시켜 질소산화물을 형성하게 되는 문제점을 야기한다. 따라서 탄화수소계 물질을 저감시킴과 동시에 질소산화물의 형성을 막기 위해서는 배기가스의 온도를 낮추어야 한다.
따라서, 본 발명은 탄화수소계 물질과 함께 질소산화물 등의 발생을 저감하는 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일측면에 따르면, 플레어 시스템에 있어서, 연소실과; 연소실에 폐가스를 공급하는 공급관과; 상기 연소실에 브라운가스를 공급하는 브라운가스 공급노즐부; 상기 연소실로 유입되는 폐가스 량을 고려하여 상기 공급노즐부로 공급되는 브라운가스 공급량을 제어하는 브라운가스 제어부; 상기 브라운가스 제어부로 브라운가스를 공급하는 브라운가스 발생장치를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 브라운가스 혼합연소를 이용한 플레어 시스템 제어장치가 제공될 수 있다.
또한, 상기의 구성에 상기 연소실에서 연소 후 배출되는 배기가스를 연소실로 재순환시킬 수 있는 바이패스라인; 상기 바이패스 라인에 배기가스의 재순환 량을 조절할 수 있는 제어수단을 추가적으로 포함시킴으로써 질소산화물의 생성을 억제하는 시스템이 포함될 수도 있다.
또한, 상기의 시스템들은 상기 바이패스 라인에는 연소실로 재순환시킬 배기가스의 량을 제어하기 위한 제어수단으로 신호를 제공하는 제어유닛; 상기 제어유닛에 배기가스 재순환량을 결정하는데 필요한 신호를 제공하는 배기가스 온도측정부; 상기 제어유닛에 연소가스의 상태를 제공할 수 있는 신호를 제공하는 배기가스 성분 측정부가 추가적으로 포함되어 배기가스 재순환량을 조절할 수 있다.
또한, 상기 제어유닛은 상기 온도측정부에서 측정된 배기가스의 온도가 1500℃를 초과하지 않도록 배기가스 재순환량을 제어하는 시스템이 제공될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 아울러 플레어스시템을 제어하는 방법에 있어서, a) 폐가스가 연소실로 공급되는 단계; b) 측정된 폐가스량을 기준으로 연소 유입공기량을 결정하여 제어하는 단계; c) 브라운가스 제어부를 통하여 결정된 브라운가스를 연소실로 공급하는 단계; d) 배출되는 배기가스의 온도와 성분을 측정하여 배기가스 재순환량을 결정하여 제어하는 단계를 포함하여 이루어지는 플레어 시스템 제어방법이 제공될 수 있다.
또한, 상기 제어방법에서 배기가스의 온도가 1500℃를 초과하지 않도록 배기가스 재순환량을 제어함으로써 효과적으로 질소산화물의 생성을 억제하는 제어방법이 제공될 수도 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 석유나 천연가스의 정제과정에서 발생되는 폐가스를 처리하는 플레어 시스템에서 브라운가스를 폐가스에 혼합하여 연소시킴으로써 배기가스를 효율적으로 완전 연소를 시킬 수 있는 효과가 있다. 브라운 가스가 연소됨에 따라 발생된 고열에 의해 폐가스에 포함된 탄소산화물을 효과적으로 제거할 수 있을 뿐아니라, 특히 연소 배기가스를 재순환시키는 것에 의해 연소온도를 제어하므로써 질소산화물의 발생도 제어할 수 있다.
도1은 통상적인 플레어시스템의 한 예에 따른 구성도
도2는 본 발명에 따른 브라운가스 혼합연소를 이용한 플레어 시스템 제어장치의 구성도
도3은 본 발명에 따른 버너부와 브라운가스 공급부의 계통도
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하기로 한다. 도1은 통상적인 플레어시스템의 한 예에 따른 구성도이고, 도2는 본 발명에 따른 브라운가스 혼합연소를 이용한 플레어 시스템 제어장치의 구성도이다. 또한, 도3은 본 발명에 따른 버너부와 브라운가스 공급부의 계통도이다.
석유 또는 천연가스를 생산하는 플랜트 설비에서는 그 제품의 생산과정에서 다량의 폐가스가 발생된다. 이러한 폐가스를 적절한 처리를 거쳐 배출하지 않으면 높아진 압력으로 인하여 폭발 등을 일으킬 수 있다. 하지만, 이 폐가스는 탄화수소계 화합물로서 대기중으로 그냥 배출하는 경우에는 환경오염 문제를 야기할 수 있다. 그래서 이 폐가스는 연소를 통하여 대기중으로 배출하게 되는데 불완전 연소로 인하여 여전히 대기오염 문제가 발생될 소지가 크다.
도1을 참고하여 설명하면, 폐가스는 정제된 석유류 제품보다 훨씬 더 높은 탄소계수를 갖고 있는데 이러한 높은 탄소계수로 인하여 불완전연소의 가능성이 상대적으로 높게 된다. 통상의 플레어 시스템은 이러한 탄소계수가 높은 폐가스를 연소시켜 대기로 배기가스를 배출하게 된다.
따라서 완전 연소를 유도하기 위하여 적절한 연소환경을 만들어 주어야 하는데 본 발명에서는 브라운가스를 폐가스와 혼입하여 연소시킴으로써 탄화수소계 폐가스를 완전연소시키고자 한다.
브라운가스는 통상적으로 물을 전기분해시킴으로써 얻어지는 기체상의 물질로서 수소와 산소의 비율이 2:1로 혼합되어 있는 가스상의 물질을 말한다. 물을 전기분해시켜 산소와 수소를 분리하여 포집함으로써 각각의 기체를 얻는 방법에 비하여 혼합된 상태로 그대로 포집함으로써 생산단가도 낮아질 뿐만아니라 연소특성도 산소와 수소와는 또다른 형태를 띠게 된다.
브라운가스를 폐가스에 공급하여 연소시키면 연소온도가 상승되며, 이에 따라 폐가스 중의 미연 탄화수소의 해리를 촉진하게 된다. 그리고 수소와 탄소로 해리된 폐가스는 공기중에 들어있는 산소 뿐아니라 브라운가스에 들어있는 산소와 결합함으로써 완전연소에 가까와지게 된다.
브라운가스 생산장치에 관한 기술적 내용은 이 발명의 출원 당시에 이 기술이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하거나 공개되어 있는 모든 구성을 포함한다.
도2를 참고하여 설명하는 본 발명의 일 실시예는 석유 또는 천연가스를 생산하는 플랜트 설비에서 발생된 폐가스를 연소시켜 배출하는 플레어 시스템에 있어서, 연소실(13); 연소실로 폐가스를 공급하는 공급관(14); 상기 연소실에 브라운가스를 공급하는 브라운가스 공급노즐부(12); 상기 연소실로 유입되는 폐가스 량을 고려하여 상기 공급노즐부(12)에 공급되는 브라운가스 공급량을 제어하는 브라운가스 제어부(6); 상기 브라운가스 제어부로 브라운가스를 공급하는 브라운가스 발생장치(5)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 브라운가스 혼합연소를 이용한 플레어 시스템 제어장치를 제공하는 것이다.
상기의 시스템을 사용하여 폐가스를 연소시키는 경우에 연소실로 공급되는 외부 공기와 함께 브라운가스에 포함된 산소와 수소의 연소가 급격하게 일어나 배기가스의 연소온도가 급격히 상승하게 된다. 이러한 연소온도의 급격한 상승은 배기가스 중에 포함된 질소의 해리를 촉진하여 질소산화물이 많이 생성되는 결과가 발생되는데 이 역시 대기오염 물질로서 바람직스럽지 못한 결과가 발생된다.
따라서, 질소산화물의 생성을 억제하기 위해서는 배기가스의 온도를 특정온도 이하로 낮추어주어야 하는데, 연소실로 공급되는 산소의 밀도를 낮추기 위해 이미 연소가 끝나 산소 밀도가 매우 낮은 배기가스를 재순환시켜 연소실로 투입하는 방법을 적용하였다.
통상적으로 질소산화물은 연소화합물의 온도가 1500℃ 이상인 경우에 급격히 발생하는 것으로 알려져 있어 배기가스의 온도를 1500℃ 이하로 낮추어 줄 필요가 있다.
이를 위하여 상기의 시스템에 추가하여 상기 연소실에서 연소 후 배출되는 배기가스를 연소실로 재순환시킬 수 있는 바이패스라인(15); 상기 바이패스 라인에 배기가스의 재순환 량을 조절할 수 있는 제어수단(9)을 포함하는 것을 특징으로 하는 브라운가스 혼합연소를 이용한 플레어 시스템 제어장치를 구성하였다.
바이패스 라인(15)을 포함한 상기 플레어 시스템 제어장치가 효율적으로 작동하기 위해서는 적절한 량의 브라운가스가 시스템에 공급되어야 할 뿐아니라 적당량의 배기가스가 연소실로 재순환되어야 하는데 이를 위해서는 다양한 센서들로부터 다양한 물리량 들이 측정되어 제어유닛(8)으로 공급되어야 하고, 전기적 신호로 공급된 물리량들은 미리 프로그래밍되어 있는 로직에 따라 출력신호를 생성하고 이에따라 액츄에이터 들이 작동하여 제어를 수행하게 된다.
이러한 일련의 과정을 포함하여 제어가 이루어질 수 있도록 상기 플레어 시스템 제어장치 중에는 상기 바이패스 라인(15)에는 연소실로 재순환시킬 배기가스의 량을 제어하기 위한 제어수단(9)으로 신호를 제공하는 제어유닛(8); 상기 제어유닛(8)에 신호를 제공하는 배기가스 재순환량을 결정하는데 필요한 배기가스 온도측정부(10); 상기 제어유닛(8)에 신호를 제공하는 연소가스의 상태를 제공할 수 있는 배기가스 성분 측정부(11)가 추가적으로 설치되어질 수 있다.
적당량의 브라운가스 공급량 및 배기가스 재순환량의 결정은 수치적인 계산이나, 단순한 실험을 통하여 결정할 수 있으며, 그 결과를 프로그래밍 하여 이용할 수 있는 것으로 본 말명의 출원시에 이 기술이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 기술이다.
본 발명의 다른 실시예는 상기와 같은 플레어 시스템 뿐만아니라 그 제어방법도 포함하고 있는데 a) 폐가스가 연소실로 공급되는 단계; b) 측정된 폐가스량을 기준으로 연소 유입공기량을 결정하여 제어하는 단계; c) 브라운가스 제어부를 통하여 결정된 브라운가스를 연소실로 공급하는 단계; d) 배출되는 배기가스의 온도와 성분을 측정하여 배기가스 재순환량을 결정하여 제어하는 단계를 포함하여 이루어지는 플레어 시스템 제어방법도 제공한다.
상기 제어방법 중 "c) 단계"에서 적정량의 브라운가스의 량을 제어하기 위해서는 공기량 신호 이외에도 배기가스 온도 신호, 배기가스 성분 신호 등 다양한 물리적 량을 사용할 수 있고, 이 신호량은 제어유닛(8)을 통해서 공급받거나 센서들로부터 직접 공급받을 수 있다. 그리고, 공급된 신호들을 통하여 적정량의 브라운가스를 결정하는 것은 실험을 통하여 얻어진 데이터나 계산에 의하여 구하여진 값들을 프로그래밍하여 이용할 수 있다.
그리고 상기 d) 단계 중 배기가스의 온도는 1500℃를 초과하지 않도록 배기가스 재순환량이 결정되는 경우에 질소산화물의 생성을 크게 억제할 수 있다.
지금까지 도2를 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였다. 그러나, 이는 본 발명의 이해와 편의를 도모하기 위한 일 실시예에 불과하며, 본 발명은 이에 한정되지 아니한다.
예를 들어, 도 2의 배기가스제어수단(9)에는 밸브 또는 팬 등의 다양한 유량제어수단이 포함될 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 명백할 것이다.
1: 폐가스 2: 공기
3: 유량센서 4: 공기량 제어수단
5: 브라운가스 발생장치 6: 브라운가스 제어부
7: 재순환가스 8: 제어유닛
9: 재순환가스 제어수단 10: 온도센서
11: 배기가스 성분센서 12: 브라운가스 공급노즐부
13: 연소실 14: 브라운가스 공급관
15: 재순환가스 바이패스 라인(바이패스 라인)

Claims (6)

  1. 플레어 시스템에 있어서,
    연소실과; 연소실에 폐가스를 공급하는 공급관과; 상기 연소실에 브라운가스를 공급하는 브라운가스 공급노즐부; 상기 연소실로 유입되는 폐가스 량을 고려하여 상기 공급노즐부로 공급되는 브라운가스 공급량을 제어하는 브라운가스 제어부; 상기 브라운가스 제어부로 브라운가스를 공급하는 브라운가스 발생장치를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 브라운가스 혼합연소를 이용한 플레어 시스템 제어장치
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연소실에서 연소 후 배출되는 배기가스를 연소실로 재순환시킬 수 있는 재순환가스 바이패스 라인; 상기 바이패스 라인에 배기가스의 재순환 량을 조절할 수 있는 제어수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 브라운가스 혼합연소를 이용한 플레어 시스템 제어장치
  3. 제2항에 있어서,
    상기 바이패스 라인에는 연소실로 재순환시킬 배기가스의 량을 제어하기 위한 제어수단으로 신호를 제공하는 제어유닛; 상기 제어유닛에 배기가스 재순환량을 결정하는데 필요한 신호를 제공하는 배기가스 온도측정부; 상기 제어유닛에 연소가스의 상태를 제공할 수 있는 신호를 제공하는 배기가스 성분 측정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 브라운가스 혼합연소를 이용한 플레어 시스템 제어장치
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어유닛은 상기 배기가스 온도측정부에서 측정된 배기가스의 온도가 1500℃를 초과하지 않도록 제어하는 것을 특징으로 하는 브라운가스 혼합연소를 이용한 플레어 시스템 제어장치
  5. 플레어 시스템에 있어서,
    a) 폐가스가 연소실로 공급되는 단계; b) 측정된 폐가스량을 기준으로 연소 유입공기량을 결정하여 제어하는 단계; c) 브라운가스 제어부를 통하여 결정된 브라운가스를 연소실로 공급하는 단계; d) 배출되는 배기가스의 온도와 성분을 측정하여 배기가스 재순환량을 결정하여 제어하는 단계를 포함하여 이루어지는 플레어 시스템 제어방법
  6. 제5항에 있어서,
    상기 배출되는 배기가스의 온도가 1500℃를 초과하지 않도록 배기가스 재순환량을 결정하여 제어하는 단계를 포함하여 이루어지는 플레어 시스템 제어방법
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