SRU incinerator 이해

SRU(Sulfur Recovery Unit)의 소각로(Incinerator)는 공정의 가장 마지막 단계에서 미처 회수되지 못한 황 화합물(H2S, COS, CS2 등)을 완전히 산화시켜 SO2로 변환하는 핵심 장치이다.

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일반적으로 클라우스(Claus) 공정과 테일 가스 처리 장치(TGTU)를 거친 후에도 소량의 유해 물질이 남게 되는데, 이를 처리하는 원리는 다음과 같다.

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독성이 강하고 냄새가 지독한 미반응 유해 가스들을 고온에서 산화시켜 상대적으로 덜 위험한 성분인 CO2나 SO2로 변환시키며, SRU 및 TGTU 공정에서 넘어온 미량의 수소, 일산화탄소, 원소 황(Sulfur Vapor) 등을 완전히 연소시키고, 아울러 소각로의 고열을 이용해 배출 가스의 온도를 높임으로써, 굴뚝(Stack)을 통해 나가는 가스의 부력을 높여 대기 중으로 멀리 확산되도록 돕는다.

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소각로는 완벽한 연소를 위해 다음 세 가지 조건(3T)을 충족해야 한다. 즉, Temperature, Time, Turbulence로서 유해 가스가 완전히 분해될 수 있는 고온 (보통 650~850도)을 유지하고, 가스가 소각로 내부에 충분히 머물며 반응할 시간 (보통 0.5~1초 이상)을 제공하고, 공기와 유해 가스가 잘 섞이도록 와류를 형성한다.

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주요 구성요소는 main burner, combustion chamber, stack 그리고 optional로서 WHB가 있다. burner에서는 fuel gas와 공기를 연소시켜 고온의 화염을 형성하고, combustion chamber에서는 고온 하에서 유해 가스의 실제 연소 반응이 일어나는 refractory 처리된 공간을 제공하며, 정화된 가스를 대기중으로 방출하는 stack이 있다. 필요시 소각로에서 발생하는 고온의 열을 WHB에서 회수하여 스팀을 생산할 수도 있다.

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최근 환경 규제가 강화됨에 따라, 소각로 후단에 SOx 스크러버(Scrubber)를 추가로 설치하여

SO2 배출량까지 엄격하게 관리하는 추세이며, 소각로가 제대로 작동하지 않으면 기준치 이상의

H2S가 배출되어 심각한 악취 민원 및 법적 처벌의 원인이 된다.

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시뮬레이션 과정에서 일반적인 연소 반응과는 다른 몇 가지 중요한 특징이 있다.

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1. 화학 반응식의 복잡성​

일반적인 탄화수소 연소 외에도 황 화합물의 산화 반응을 정확하게 simulation해야 한다.

• 주요 반응:

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• 부반응: 고온에서 소량의 SO3가 생성될 수 있으며, 이는 Dew point corrosion 계산에 중요하다.

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2. Gibbs Reactor 모델 활용

SRU 소각로는 대개 650~850°C 이상의 고온에서 운전되므로, 특정 반응 속도(Kinetics)를 일일이 입력하기보다 Gibbs Free Energy 최소화 모델을 주로 사용한다.

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• 특징: 유입되는 모든 성분이 화학 평형에 도달한다고 가정하여 출구 조성을 결정한다.
• 장점: 복잡한 황 화합물의 분해와 산화 반응을 열역학적으로 안정적으로 예측할 수 있다.

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3. Thermal Stage와 Waste Heat Boiler(WHB)의 연계

시뮬레이션 상에서 소각로 본체(Burner/Chamber)와 이후의 WHB를 분리하여 설계한다.

• Adiabatic Flame Temperature: 연소실 내의 단열 화염 온도를 계산하여 내화물(Refractory)의 내열 한계를 확인한다.
• Steam Generation: 소각 후 발생하는 고온의 배가스를 이용해 스팀을 얼마나 생산할 수 있는지 에너지 수지를 맞추는 것이 핵심이다.

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4. 과잉 산소(Excess O2) 제어

환경 규제치를 만족하기 위해 H2S가 완전히 제거되었는지 확인하는 것이 시뮬레이션의 목적 중 하나이다.

• 보통 2~3% 수준의 Excess O2를 유지하도록 공기 유량을 조절(Adjust) 기능을 통해 설정한다.
• 산소 농도가 너무 낮으면 H2S가 남고, 너무 높으면 보조 연료(Fuel Gas) 소모량이 불필요하게 늘어난다.

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5. 물성 모델(Property Method)의 선택

SRU 시뮬레이션에서 가장 주의해야 할 점이다.

• Sour PR (Peng-Robinson): 황 화합물이 포함된 산성 가스의 거동을 묘사하기 위해 수정된 Peng-Robinson 모델을 사용한다.
• Sulfur Tool: 원소 황(S1~S8까지)의 다양한 동소체와 기-액 평형을 정확히 계산할 수 있는 전용 패키지를 적용해야 한다.

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특징	시뮬레이션 구현 방법
반응기 모델	Equilibrium Reactor 또는 Gibbs Reactor 사용
온도 제어	보조 연료(Fuel Gas) 유량을 조절하여 Target 온도(약 650~850°C) 설정
배출가스 기준	출구의 H2S 농도가 10ppm 이하(또는 지역 규제치)인지 확인
열 회수	배가스 온도를 Dew point 이상으로 유지하며 스팀 생산량 극대화

 

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HYSYS를 이용하여 SRU Incinerator를 시뮬레이션할 때 효율적인 셋팅은 아래와 같다.

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1. 반응기 모델: Gibbs Reactor vs Equilibrium Reactor

• Gibbs Reactor 추천: SRU 소각로는 고온(650~850°C)에서 반응이 일어나 평형에 도달하기 때문에, 개별 반응식을 일일이 입력할 필요 없는 Gibbs Reactor가 가장 적합하다.
• 컴포넌트 설정: H2S, SO2, S6, S8, COS, CS2 등 황 화합물을 모두 Component List에 넣어야 Gibbs 에너지를 기반으로 정확한 출구 조성을 계산한다.

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2. Fluid Package 선택

일반 PR(Peng-Robinson) 대신 SRU 전용 패키지를 사용해야 한다.

• Sulsim Sulfur Package: HYSYS 내부에 통합된 Sulsim 엔진을 활성화하면 원소 황(S1~S8)의 거동을 정확히 묘사할 수 있다.
• 만약 Sulsim 라이선스가 없다면, Sour PR을 사용하되 황 동소체 간 변환 효율을 수동으로 점검해야 한다.

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3. 시뮬레이션 구성 특징

• Adjust 매니저 활용:
• 목적: 출구 배가스의 Excess O2 농도(보통 2~3 mol%)를 맞추기 위해 유입되는 Air 유량을 자동으로 조절하도록 설정한다.
• 온도 제어: 소각로 온도(Burner Temp)를 유지하기 위해 Fuel Gas 유량을 조절하는 Adjust를 추가로 설치한다.
• Reaction Set 비활성화: Gibbs Reactor를 사용한다면 별도의 Reaction Set을 연결하지 않아도 된다. (물질 수지만 맞으면 Gibbs Free Energy 최소화 지점을 알아서 찾는다.)

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4. Incinerator 특징적 Workflow

1. Air/Fuel Mixer: 공기와 연료 가스를 혼합하여 소각로로 보낸다.
2. Incinerator (Gibbs Reactor): 단열(Adiabatic) 조건으로 설정하여 Flame Temperature를 확인한다.
3. Waste Heat Boiler (Heat Exchanger): 소각로 출구 가스를 냉각하며 HP/MP Steam을 생산한다. 이때 배가스 온도가 Sulfur Dew Point 이하로 떨어져 부식이 발생하지 않는지 확인하는 것이 설계 핵심이다.

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5. 결과 분석 시 체크포인트

• Conversion 확인: H2S가 SO2로 99.9% 이상 전환되었는지, 미반응 황 성분이 규제치 이하인지 Simulation Workbook에서 실시간으로 모니터링한다.
• Heat Loss: 실제 현장 데이터를 모사할 때는 반응기 파라미터에서 약 1~2% 정도의 Heat Loss를 수동으로 입력해주면 실제 출구 온도와 더 유사해진다.

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fluid package는 Sulsim을 선택한다.

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Sulsim을 적용하기 위해서 추가적으로 요구되는 성분이 입력되도록 한다.

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incinerator인 sub flow sheet를 추가한다.

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아래와 같은 flow sheet가 나오며 여기에서 new tab으로서 flowsheet를 open하기 위해 마우시 오른쪽버튼을 click 한다.

 

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아래 palette에서 incinerator를 선택한다.

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아래와 같이 stream을 지정한다.

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각 feed조성과 유량을 입력한 결과 아래와 같은 warning을 보여준다.

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그래서 fuel gas유량과 combustion air 유량을 삭제후 exit vent gas내 excess O2가 2mol%가 되도록 define하면 아래와 같다.

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최종 vent gas의 mol fraction은 아래와 같다.

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