플레어스택 시스템 설계

"플레어스택 시스템"은 공정으로부터 배출되는 가스를 포집하는 헤더(Gas collection header), 기액분리기(Knock-out drum), 역화방지기(Water seal drum 또는 Purge gas supply), 점화장치(Burner unit) 및 본체(Flare stack) 등으로 구성된 설비 일체를 말한다.

 

 

 

플레어스택(Flare stack) 시스템 설계 

플레어스택은 배출물의 물리화학적 특성에 따른 설비의 경제성 및 안전성 즉, 복사열 등을 고려한 설비 크기, 재질선정, 백연(Smoke) 문제, 열팽창 및 응축 문제, 가스 유동을 위한 압력 강하문제, 대기오염 문제, 소음문제, 허용 복사열, 주민과의 사회적 문제 등을 해결하여야 한다.

 

 

플레어스택(Flare stack) 시스템에 영향을 미치는 인자

○ 플레어스택 시스템에 영향을 미치는 인자들을 이해하는 것이 매우 중요하고, 크게 방출되는 배출물의 특성과 관련된 인자와 법규상으로 준수해야하는 인자로 대별할 수 있고 관련주요 인자들은 다음과 같다.

- 배출물 유량(Flow rate)

- 배출물 조성(Gas composition)

- 배출물 온도 및 압력(Gas temperature and pressure)

- 유티리티 가용 및 경제성(Utility costs and availability)

- 안전관련 요구사항(Safety requirements)

- 환경관련 요구사항(Environmental requirements)

- 사회적 요구사항(Social requirements)

 

 

플레어스택 설계 기준

○ 플레어스택과 단위공정시설 및 설비, 위험물질 저장탱크 또는 위험물질 하역설비의 사이에는 플레어스택으로부터 반경 20m 이상의 안전거리를 두어야 한다. 다만, 단위공정시설 등이 불연재로 시공될 경우에는 제외한다.

○ 플레어스택의 직경은 단기간 최대유량의 방출일 경우에는 최대유속이 음속의 50% 이내가 되도록 하고, 정상속도의 경우에는 음속의 20% 이내가 되도록 설계해야 한다.

○ 플레어스택의 높이는 냄새, 독성의 연소생성물을 확산시키기 위해 200m 높이까지 설치할 수 있으나 복사열과 소음을 고려하여야 한다. 일반적으로 스택의 높이는 스택 바로 밑의 지표면에서 복사열이 4,000 ㎉/㎡․h 이하가 되도록 하여야 한다. 이 수치는 보통 작업복을 착용한 근로자가 복사열에 노출된 후 13~14초에서 통증을 느끼는 크기에 해당한다.

○ 방출이 일어날 때는 언제나 불꽃이 있어야 하며 이의 감지를 위하여 모니터를 설치해야 한다. 발열량에 따른 버너팁에서 방출속도의 설계기준은 다음을 따른다.

- 발열량이 3, 000 kcal/㎥ 미만인 경우 방출속도는 20 m/s 이하

- 발열량이 9, 000 kcal/㎥ 이상인 경우 방출속도는 120 m/s 이하

- 발열량이 3, 000 kcal/㎥ 이상 9, 000 kcal/㎥ 미만인 경우 별도의 계산식을 이용한다.

- 발열량이 3, 000 kcal/㎥ 이상이면 수증기 등의 공급이 필요하며, 발열량이 2, 000 kcal/㎥ 미만이면 수증기가 없어도 무방하다.

○ 플레어스택에서 그을음 발생을 최소화하기 위한 스팀공급량은 플레어량, 분자량 및 플레어 가스에 포함되어 있는 불포화탄화수소의 비율에 의하여 결정한다.

○ 파이럿 점화장치 및 조절장치가 안전한 곳에 위치하여야 한다.

○ 플레어헤더를 연료가스 또는 불활성가스로 치환할 수 있는 장치를 설치하여야 한다.

○ 불꽃이 꺼지지 않도록 유속 산정에 주의하여야 한다.

○ 파이럿 버너에 공급하는 연료가스는 가스압력, 유량, 품질 등이 변하지 않는 신뢰성이 높은 것이어야 한다.

 

 

녹아웃드럼 설계 기준

○ 녹아웃드럼에서 회수된 액체는 처리설비로 보내지거나 증발시켜 기화시킨 후 플레어시스템으로 보내야 한다.

○ 드럼 내에 증기공간을 충분히 확보하여 분리된 가스(증기)에 액체가 딸려가는 현상(비말동반)이 발생하지 않도록 해야 한다.

○ 드럼은 버너팁 부분에서 폭발이 발생하거나 불꽃의 꺼짐 또는 불꽃 튀김 현상이 유발되지 않도록 설계하여야 한다.

○ 드럼에는 고점도의 액체가 그 상태로 배수 또는 이송되는 것을 방지하기 위하여 스팀코일, 자켓 또는 기타 가열장치를 설치하여야 한다.

○ 수분이 함유된 유체의 경우 추운 날씨에 동결될 수 있으므로 이의 방지를 위한 수단을 고려하여야 한다.

○ 모든 화학물질은 외부 열원에 의해 반응성을 가질 수 있으므로 특히 유의하여야 한다.

 

* 기액분리기(Knock-out drum) 설계에 대한 세부 내용은 기 포스팅한 다음 링크 자료 참조

 

https://sec-9070.tistory.com/223

기액분리기(Knock-out drum) 설계

 

 

밀봉드럼 설계 기준

○ 밀봉드럼의 지름은 최소한 드럼으로 인입되는 플레어헤더 지름의 2배 이상이어야 하며, 길이는 드럼 지름의 3배로 한다.

○ 특히 수직밀봉드럼인 경우 기액의 원활한 분리를 위하여 밀봉액면으로부터 증기 공간까지의 수직 높이는 밀봉드럼 지름의 0.5~1배가 되도록 하여야 하며 수직높이는 최소한 1m가 유지되도록 한다.

○ 밀봉액에 잠기는 플레어헤더의 출구 측 배압을 이용하여 계산한다.

○ 일반적으로 플레어헤더의 밀봉높이는 밀봉액의 정상 액면으로부터 10㎝ 내지 30㎝의 높이를 유지한다.

○ 플레어헤더에 진공이 형성되는 경우 밀봉액이 플레어헤더로 역류되는 것을 방지할 수 있도록 밀봉드럼의 액면으로부터 플레어헤더의 중앙까지의 높이는 최소한 3m 이상을 유지하도록 하며 수직이어야 한다.

○ 밀봉드럼에서 폐수처리장으로 배출되는 밀봉액 배수 배관의 높이는 최소한 밀봉드럼의 운전압력을 수두로 환산한 값의 1.75배가 되도록 한다.

○ 내부 폭발을 고려하여 설계압력이 최소한 3.5㎏f/㎠G 이상 되어야 한다.

○ 밀봉액의 비말동반을 방지하기 위하여 드럼 내에 충분한 공간을 유지하여야 한다.

○ 액체의 동결, 액체의 인화성과 반응성을 고려하여야 한다.

 

 

플레어스택 용량 결정

○ 플레어스택 용량 결정 과정은 크게 “플레어스택의 지름 결정”, ”화염의 길이 결정“, ”플레어스택의 높이 결정“으로 나누어 볼 수 있다.

”플레어스택의 지름 결정“은 플레어가스의 속도에 의해 결정되지만 반드시 압력손실을 확인하여야 한다.

”화염길이 결정“은 플레어팁에서의 방출 속도를 구하여 플레어가스의 폭발하한농도 계수를 보정하고, 제트추력 및 바람추력 계수를 결정하여 플레어스택으로부터 화염 중앙까지의 수평·수직 거리를 구하여 결정한다.

”플레어스택의 높이 결정“은 화염의 중앙에서 지면의 관심지점까지의 거리를 최대허용 복사열량을 고려하여 결정한 후, 스택의 바로 밑을 제외한 지표면 어느 곳에서도 최대허용 복사열량을 넘지 않도록 플레어스택의 최소 높이를 결정하는 순으로 결정한다.

 

Reference : KOSHA 기술자료