플레어 스택 (Flare Stack)의 개념과 구조

플래어 스택(Flare Stack)의 개념과 구조

플래어 스택(Flare Stack)이란 정유/석유화학 공장, 매립지 등에서 발생된 VOCs(Volatile Organic Compounds), Toxic Gas, Corrosive Vapor 등을 처리하기 위해 이를 연소시켜 처리할 용도로 만들어진 굴뚝을 말한다.

 

인천, 여수, 울산 등 정유업체와 석유화학업체가 있는 곳에는 공업단지에는 항상 불이 붙어 있는 굴뚝이 보이는데 이를 플레어 스택이라고 하며, 겉으로 보기에는 불이 붙어 있고 연기도 발생해서 매연에 의해 환경에 오염을 준다고 생각하기 쉽다.

 

하지만 여기서 발생하는 연기는 완전연소를 돕기 위한 스팀이고, 가스를 완전연소 후 배출되기 때문에 환경에 대한 오염은 최소한 할 수 있어 대기오염을 막는데 필요한 설비로 볼 수 있다.

 

Flare System의 구조

① 플레어 헤더(Flare Header)

② 녹아웃 드럼(K.O Drum, Knock-Out Drum)

③ 몰레큘러 씰(Molecular Seal)

④ 밀봉 드럼((Water) Seal Drum)

⑤ 플레어 스택(Flare Stack)

⑥ 연료, 공기, 점화라인 등 부속설비

Flare System, 그리느라 힘들었다.

① 플레어헤더(Flare Header)

Flare Header란 Process에서 발생된 가스 및 액체를 Flare System으로 보내주는 주 배관을 말한다. 여기서 Flare Header에서는 취급 유체에 따라 건식 플레어 헤더(Dry Flare Header), 습식 플레어헤더(Wet Flare Header), 저온 플레어헤더(Cold Flare Header), 고온 플레어헤더(Hot Flare Header), 산성가스 플레어 헤더, 가성소다 플레어 헤더 등으로 나뉜다.

 

 

② 녹아웃드럼(K.O Drum, Knock-Out Drum)

K.O Drum은 Flaring Gas 중 Condensate(Liquid Particle(450 micron 이상))를 제거하는 장치다. 기체, 액체를 분리하는 장치로, Bottom에 모인 액체는 펌프에 의해 이송되어 재사용되거나 일부 Process에서는 증발시켜 Flare로 보내진다. Liquid Particle이 450micron 이하인 경우 별다른 위험요소 없이 Flare Stack에서 연소가 되지만 이를 초과한 상태로 Flaring 될 경우 Fire Rain이 비산되어 Flare System 주위 설비에 화염이 전파되어 폭발이 발생할 수 있기 때문이다.

 

K.O Drum설계가 중요한 이유는 여기에 있다. K.O Drum은 Emergency를 대비하여 최적으로 설계하고, 철저히 준비하여야 한다.

 

Flare Header System에 Vacuum 발생을 방지하기 위해 Emergency Purging이 필요하다. Emergency 발생 시 Process에서 Hot Gas가 유입된 후 Cooling 되어 응축될 경우 System 내에 Vacuum이 형성되어 외부 공기가 유입될 수 있다. 외부 공기 유입 후System 내에서 Explosion Limit에 도달할 경우 미지의 점화원에 의해 화재 또는 폭발이 발생될 수 있으므로 이를 대비해야 한다.

녹아웃드럼(Knock-Out Drum)

③ 몰레큘러 씰(Molecular Seal)

몰레큘러 씰(Molecular Seal)은 Flare Stack의 화염이 역류하는 Flash Back 현상을 방지하기 위해 설치한다. 몰레큘러 씰(Molecular Seal)에 부식이 발생하여 손상될 경우 Air가 Stack내로 유입되어 Flare Stack 내에서 화재가 발생하거나 폭발할 수 있으므로 System 내 안전장치로 활용된다.

 

몰레큘러 씰(Molecular Seal)은 Gas Seal Type으로 분자량 28 이하의 공기보다 가벼운 Purge Gas인 N2 등을 사용하고, 연료가스인 CH4 또는 Off-Gas를 이용할 경우 폭발 범위에 들지 않도록 하는 관리가 필요하다.

 

일반적으로 Stack 내 Oxygen Concentration은 1000ppm 이하가 되도록 관리한다. Gas Seal은 Purge Gas를 지속적으로 Purge 하여 Stack 내에 대기압 이상의 Zone을 만들어 대기 중의 공기 유입을 막는다.

 

④ 밀봉 드럼((Water) Seal Drum)

앞서 말한 몰레큘러 씰(Molecular Seal)은 Gas Seal Type이며, 밀봉 드럼(Seal Drum)은 Liquid Seal Type이다. 밀봉 드럼(Seal Drum)은 녹아웃 드럼(K.O Drum, Knock-Out Drum) 후단, 플레어 스택(Flare Stack) 사이에 설치하는 Drum으로 Air를 Flare System 내부로 유입되는 것을 방지하기 위해 설치한다.

 

Flare Header의 Vacuum 발생이나 Flare Stack의 양압에 의해 공기가 Flare System 내로 유입되지 않도록 설치한다. Seal Drum의 액위에 따라 플레어 헤더(Flare Header)를 양압으로 유지할 수 있으므로 내부 Water 관리가 필수적이다.

 

밀봉 드럼((Water) Seal Drum)은 일반적으로 Horizontal Type, Vertical Type으로 이용되며, 밀봉 드럼((Water) Seal Drum)을 별도로 설치하지 않고 Flare Stack 하부에 Seal Pipe를 설치하기도 한다.

 

⑤ 플레어 스택(Flare Stack)

Flare System에서 Stack형태의 소각탑으로 Stack Support, Pilot burner, Burner tip, Ignition System, Steam Jet 등으로 구성된다. Flare Stack은 설계 오류 시VOCs(Volatile Organic Compounds), Toxic Gas, Corrosive Vapor 등이 대기로 방출될 수 있으므로, 화재, Cooling Water System Error 등 Emergency 한 상황에 동시 배출될 경우를 대비해야 한다.

 

⑥ 연료, 공기, 점화 라인 등 부속설비

Flare System을 구성하는 요소로 Fuel Gas, Air, Steam Line 등이 추가로 있으며, 부대설비로 화염 감지기, 역화방지기, 연기 억제 조절기, 경보기 등이 있다. Flare System에서 Flaring을 지속하는 것은 매우 중요하다.

 

따라서 상시 Pilot Burner의 점화 상황, Flare Stack의 연소상황을 점검하여야 한다. 이를 위해 Fuel Gas, Air의 안정적인 공급이 중요하며, Pilot Burner는 상시 점화 상태를 유지해야 하므로 기상변화(폭우, 폭설, 강풍 등)에 의해 소화될 경우 즉시 재점화할 수 있어야 한다.

 

플레어 스택(Flare Stack)의 기본적인 개념과 구조, 각 구조별 역할에 대해 알아보았다. 이 분야에 대해서 공부를 하며 알아보다 보니 ①~⑤항목에 대해 집중적으로 설명했는데, 기회가 된다면 ⑥항목을 집중적으로 공략해 봐야겠다.