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  가열로(Furnace) 관련 질문
  글쓴이 : 마동쓰   고유ID : com2356     날짜 : 19-05-09 15:35     조회 : 141    
   유첨 그림.PNG (20.8K), Down : 7, 2019-05-09 15:35:37
안녕하십니까,

저희 공정에는 가열로(Furnace)가 있으며 Study 중 질문사항이 있어 글을 남깁니다.
질문과 관련된 간단한 Spec은 아래와 같습니다.

- Natural Draft 형식
- 연료 : LNG
- Furnace Stack 온도 : 230℃
- 유첨 그림 참고

질문은 아래와 같습니다.
1. Furnace Stack(굴뚝)에 draft 조절을 위한 damper가 설치되어 있으며, Furnace 내부 양압(10mmH20) 형성 시
   Interlock이 구성되어 있습니다. 따라서 양압이 어떠한 위험이 있다는 의미인데 그 의미가 궁금합니다. 
   제가 생각한 이유는 2가지 이며 혹시 다른 사항이 있다면 말씀을 부탁드립니다.
     ㄱ. 양압 형성 시 Furnace 내부 Draft 형성이 안 되어 불꽃이 배관에 직접 닿아 손상을 입힐 수 있음
     ㄴ. 양압이 형성되면 외부 공기가 Furnace 내부로 들어갈 수 없어 연소가 원활하지 않음(산소 공급 X)

2. 이론적으로 Furnace에 투입해야 하는 연료(LNG)의 양을 어떻게 계산해야 하는지 궁금합니다. 제가 생각한
   방법은 아래와 같으며 혹시 틀리다면 지적을 부탁드립니다.
    - Q1 : Furnace Feed를 열분해 반응 온도까지 승온하는데 필요한 열량
    - Q2 : 열분해 반응에 필요한 열량
   - 총 필요 열량 : Q1 + Q2 = YYY GJ = ZZZ GJ/KNCM(LNG 평균열량) * 'XXX KNCM(LNG 투입량)'

3. 이론적으로 현재 주입하고 있는 외기(공기)를 승온시킨 후 Furnace에 투입한다면 연료(LNG) 사용량을 줄일 수
   있을지 궁급합니다. 가능하다면 현재 Stack으로 배출되는 기체와 열교환을 시킨 후 Furnace에 투입하는 방안을
   생각하고자 합니다.
   (어렴풋이 기억하기로는 공기의 열전도도가 낮다고 기억하는 데 해당 방안이 효율적일지 의문이긴 합니다)

감사합니다.
        

Stefano    19-05-09 22:03
(A1) 일반적으로 Furnace들은 부피가 아주 큽니다. 또한 직육면체 모양으로 되어 있습니다. 10 mmH2O의 압력이 작은 값으로 보이지만 벽체 전체의 면적에 작용하면 아주 큰 힘이 작용되기 때문에 Furnace Wall 보호차원에서 Interlock이 되어있겠지요.

양압으로 상승하는 원인들이 주로 Tube의 누설에 의한 원인일 수 있으므로 미세한 압력상승도 감지하여 보호하여야 하겠지요.
양압뿐 만 아니라 음압의 경우에도 위험한 일입니다.  가연성 가스가 채우져 있는 상태에서 음압에 의해 공기가 새어들어간다면 폭발위험이 있으므로 더욱 큰 위험요소가 됩니다.

ㄱ의 원인, 즉 주로 불꽃이 배관에 직접 닿는 경우는 액의 분사가 편심되거나 점도가 높아 화염의 길이가 질어지는 경우입니다.
ㄴ의 경우는 위의 설명대로 더욱 위험한 상황이 됩니다.  차라리 가연성가스가 Furnace 밖으로 새어나오는 것이 그보다는 안전한
편입니다.

(A2) Furnace에 필요한 LNG 사용량은  ( Furnace 열분해열량 + Feed 가열을 위한 현열량 + Steam 발생을 위한 잠열량+ Steam 과열을 위한 현열량 + Economizer 급수 가열을 위한 현열량 + 공기예열기 현열량)/(LNG 저위 발열량)/(Fired Heater 연소효율) 으로 계산합니다.

이는 Radiation Zone에 가해진 열량과 Convection Zone에서 가해진 열량을 모두 더한 후 이를 발열량과 연소효율로 나누면 됩니다.  열손실이 있기때문에 가열부하에 대해 약 1~3% 정도 추가해야 합니다.  열손실일 포함된 열효율이라면 이중계산될 요소가 있으므로 열전산시 확인이 필요합니다. 

연소효율이 100%가 되지 않는 이유는 과잉공기를 사용해야 하고 질소도 가열해야 하고 배가스도 어쩔 수 없이 덥혀진 채로 버려야 하기 때문입니다.   

(A3) Air Preheater에서 공기를 예열하는 것은 연소가 잘되도록 하기위해 필요하기도 한데 가열한 열량이 다시 방출한다면 열량은 동일합니다.  그러나 연소가스를 상온이 될때까지 냉각시키면서 연소열량을 회수하는 것이 (경제적으로) 불가능하기 때문에 공기와 연소가스가 가열된 상태로 배출되어야 하므로 연소가스가 (상온으로부터) 가열되어 배출되는 만큼 손실이 일어나지요.  Stack에 배출되는 연소가스의 온도를 낮출수 있는 만큼 열을 회수한다면 그만큼 열효율은 올라가게 되지요.

열회수에 장치와 동력이 들어간다면  감가상각비 유틸리티비 인건비, 보수유지비 등과 견주어 평가하는 것이 바로 "경제성 검토(Feasiblity Study)"입니다.    "Feasible"하지 않으면  경제성이 없다는 것.
     
마동쓰 com2356   19-05-15 10:35
항상 상세한 답변 감사합니다. 답변해주신 내용 중 (A3)에 대해 추가적으로 이해가 필요한 부분이 있어 재질문 드립니다.

1. Furnace Stack으로 배출되는 flue gas와 Combustion Air를 열교환한 후 예열된 Air를 Furnace로 공급할 때, 어떠한 Mechanism으로 연소가 잘 된다는 말씀이신지 궁금합니다. 단순히 연소 반응의 반응물(산소, 공기)의 온도가 올라가서 연소반응온도까지 승온시키는 데 필요한 열량(현열)이 줄어드는 걸로 이해하면 되는지 궁금합니다.

2. 해당 사안에 대해 경제성 검토를 실시하려면 Air Preheating에 따른 예상 연료 절감량이 계산되어야 할 것입니다. 예상 연료 절감량을 계산하려고 하는데 시작점을 어디서 잡아야할 지 궁금합니다. 제 생각은 예열된 공기의 열량만큼의 LNG가 줄 것으로 예상되는 데, 단순히 이같은 방법으로 시작해도 될지 궁금합니다.

감사합니다.
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