정유공장 에너지 절감 이야기를 하다 보면 가장 자주 등장하는 설비가 있다.
바로 Fired Heater(가열로) 이다.
에너지를 관리하는 팀에서 Fuel Gas 사용량을 분석할 때도, 공정팀이 에너지 절감 아이템을 발굴할 때도, 대부분의 논의는 Fired Heater에서 시작된다.
실제로 정유공장에서 사용하는 Fuel Gas의 상당 부분은 Fired Heater에서 소비된다.
그렇다면 Fired Heater는 무엇이며 왜 이렇게 많은 에너지를 사용하는 것일까?
정유공장에서 Fired Heater가 필요한 이유
원유는 상온에서는 단순한 액체 혼합물이다.
하지만 정유공장은 원유를 가솔린, 등유, 경유, 항공유 등 다양한 제품으로 분리해야 한다.
이를 위해서는 원유를 높은 온도까지 가열해야 한다.
예를 들어,
- CDU (Crude Distillation Unit)
- Vacuum Distillation Unit
- Hydrotreater
- Hydrocracker
- Reformer
- Delayed Coker
와 같은 대부분의 주요 공정은 공정 유체를 수백 ℃까지 가열해야 한다.
이 역할을 수행하는 설비가 Fired Heater이다.
쉽게 말하면,
Fired Heater는 공정 유체를 가열하기 위한 초대형 산업용 보일러라고 생각하면 된다.
다만 보일러가 물을 가열하는 설비라면,
Fired Heater는 원유나 석유제품, 수소 혼합유체 등을 가열하는 설비라는 차이가 있다.
Fired Heater는 어떻게 생겼을까?
Fired Heater는 크게 두 영역으로 구성된다.
① Radiant Section
버너(Burner)가 설치되어 실제 연소가 일어나는 공간이다.
여기서 발생한 화염과 고온 복사열(Radiant Heat)이 튜브에 직접 전달된다.
실제 Heater에서 전달되는 열의 대부분은 이 Radiant Section에서 발생한다.
쉽게 말하면
"직화구역"
이라고 생각하면 된다.
② Convection Section
Radiant Section을 통과한 배기가스는 여전히 높은 온도를 가지고 있다.
이 열을 버리지 않고 추가 회수하기 위해 설치된 부분이 Convection Section이다.
배기가스가 튜브를 지나가면서 남아 있는 열을 공정 유체에 전달한다.
자동차 엔진의 폐열 회수 개념과 비슷하다.
Fired Heater는 사실 거대한 열교환기다
많은 사람들이 Fired Heater를 단순히 "불을 때는 설비"로 생각한다.
하지만 Heater 전문가들은 Fired Heater를
"연소를 이용하는 거대한 열교환기"
라고 설명한다.
실제로 Heater 내부에는 수백 m에서 수 km 길이의 튜브가 설치되어 있으며,
공정 유체는 이 튜브 내부를 흐른다.
연소열은 튜브 외부에서 전달되고,
공정 유체는 튜브 내부에서 가열된다.
즉,
연료의 화학에너지
↓
연소열
↓
튜브
↓
공정 유체
순서로 에너지가 전달된다.
Heater는 어떻게 발전해 왔을까?
과거 1920~1930년대 초기 Heater의 효율은 20% 이하 수준이었다.
배기가스 열을 거의 회수하지 못했고 공기량 제어도 매우 부정확했다.
이후
- Convection Section 적용
- Fin Tube 적용
- APH(Air Preheater) 적용
- Low NOx Burner 적용
- 자동 연소제어 적용
등을 통해 효율이 지속적으로 향상되었다.
현재 최신 Fired Heater는 90% 수준 이상의 효율도 가능하다.
Combustion Air란?
연료가 연소하려면 산소가 필요하다.
이때 외부에서 공급되는 공기를
Combustion Air(연소공기)
라고 한다.
예를 들어 Fuel Gas 1 Nm³를 연소하기 위해서는 일정량의 공기가 반드시 필요하다.
공기가 부족하면
- 불완전 연소
- CO 발생
- 화염 불안정
문제가 발생한다.
반대로 공기가 너무 많으면
- Excess O₂ 증가
- Stack Loss 증가
- 효율 저하
가 발생한다.
그래서 적절한 공기량 유지가 매우 중요하다.
Natural Draft와 Forced Draft는 무엇일까?
Natural Draft
초기의 Heater는 대부분 Natural Draft 방식이었다.
굴뚝(Stack)에서 뜨거운 배기가스가 상승하면서 자연적으로 음압이 형성된다.
이 힘으로 외부 공기가 Heater 내부로 유입된다.
즉,
굴뚝이 공기를 빨아들이는 방식
이다.
구조가 단순하고 유지보수가 쉽다.
Forced Draft
하지만 Heater가 커질수록 필요한 공기량도 증가한다.
또한 Convection Section이 커지고 APH가 설치되면 공기 저항도 증가한다.
이 경우 Natural Draft만으로는 충분한 공기를 공급하기 어렵다.
그래서 FD Fan(Forced Draft Fan)을 설치한다.
FD Fan은 공기를 강제로 밀어 넣어
- 안정적인 연소
- 공기량 제어
- Excess O₂ 최적화
를 가능하게 만든다.
대형 CDU Heater나 Vacuum Heater 대부분은 이런 개념이 적용되어 있다.
APH(Air Preheater)는 무엇일까?
에너지관리 관점에서 가장 중요한 설비 중 하나다.
APH는
배기가스가 가지고 있는 열을 회수하여
연소공기(Combustion Air)를 미리 가열하는 설비이다.
예를 들어
배기가스 온도 350℃
↓
APH 통과
↓
연소공기 30℃ → 180℃
가 될 수 있다.
그러면 버너가 공기를 가열하는 데 필요한 연료가 줄어든다.
즉
Fuel Gas 절감
↓
Heater 효율 향상
↓
CO₂ 감소
효과를 얻을 수 있다.
왜 에너지를 관리하는 팀이 Heater에 집착할까?
정유공장의 에너지 소비를 보면
전기보다 연료 사용량이 훨씬 큰 경우가 많다.
그리고 그 연료의 상당 부분이 Fired Heater에서 소비된다.
그래서
- Excess O₂ 최적화
- APH 적용
- Burner Upgrade
- Stack Temperature 저감
- Draft 최적화
등은 대표적인 에너지 절감 활동이 된다.
실제로 글로벌 정유사 Energy Assessment에서도 Fired Heater 효율 개선은 가장 자주 등장하는 Recommendation 중 하나다.
마무리
정유공장에서 Fired Heater는 단순한 가열설비가 아니다.
원유를 제품으로 바꾸기 위해 반드시 필요한 핵심 설비이며, 동시에 공장 전체 에너지 소비의 상당 부분을 차지하는 설비이다.
그래서 에너지관리팀과 공정팀은 Heater 효율 개선에 많은 관심을 가진다.
다음 글에서는 실제 에너지 절감 활동과 직접 연결되는
"Heater 효율은 어떻게 계산할까? Excess O₂와 Stack Temperature가 중요한 이유"
에 대해 알아보도록 하겠다.
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