자동차 엔진이든 가스레인지든 연료를 태울 때는 공기가 필요하다.
그렇다면 이런 생각이 들 수 있다.
"공기를 많이 넣으면 연소가 더 잘 되는 것 아닐까?"
실제로 정유공장의 거대한 가열로(Heater)도 연료를 태우기 위해 공기를 공급한다.
그런데 흥미롭게도 정유공장 엔지니어들은 공기를 너무 많이 넣는 것을 오히려 경계한다.
공기가 많아질수록 연료가 낭비되기 때문이다.
오늘은 정유공장에서 연료비의 큰 비중을 차지하는 Excess O₂(과잉 산소) 관리와 Heater 효율에 대해 알아보자.
Heater는 무엇을 하는 설비일까?
정유공장에서는 원유와 다양한 공정 유체를 높은 온도까지 가열해야 한다.
이를 위해 사용하는 설비가 Fired Heater다.
쉽게 말하면 산업용 초대형 가스레인지라고 생각하면 된다.
정유공장에서는 수십 대의 Heater가 24시간 가동되며 막대한 양의 연료를 소비한다.
실제로 대부분의 정유공장에서 Heater는 전체 에너지 사용량의 가장 큰 비중을 차지한다.
따라서 Heater 효율이 1%만 개선되어도 연간 수십억 원 이상의 연료비 절감 효과가 발생할 수 있다.
산소를 많이 넣으면 좋은 것 아닐까?
연료를 완전히 태우려면 산소가 필요하다.
하지만 산소가 너무 많아도 문제가 발생한다.
예를 들어
이론적으로 필요한 공기량이 100인데
실제로 120을 공급했다고 가정해보자.
추가로 공급된 20의 공기는 연소에는 거의 기여하지 않는다.
그런데 이 공기는 연소실에서 수백 도까지 가열된 후 그대로 굴뚝(Stack)으로 배출된다.
즉 불필요한 공기를 데워서 버리는 셈이다.
결국 연료를 사용해 공기를 가열하고 굴뚝으로 버리는 상황이 발생한다.
그래서 정유사는 Excess O₂를 관리한다
정유공장에서는 배기가스 중 산소 농도를 지속적으로 측정한다.
이를 Excess O₂라고 부른다.
Excess O₂가 너무 낮으면
- 불완전 연소
- CO 발생
- 안전 문제
가 발생할 수 있다.
반대로 Excess O₂가 너무 높으면
- 연료 낭비
- 배기가스 손실 증가
- Heater 효율 저하
가 발생한다.
따라서 적정 수준의 Excess O₂를 유지하는 것이 중요하다.
Heater 효율은 어떻게 계산할까?
흥미롭게도 정유업계에는 Heater 효율을 계산하는 방법이 하나만 있는 것이 아니다.
대표적으로
- Direct Method
- Indirect Method
두 가지 방식이 사용된다.
Direct Method : 실제 열수지를 계산하는 방법
Direct Method는 가장 직관적인 방법이다.
연료로 투입된 열량과 공정 유체에 실제 전달된 열량을 비교하여 효율을 계산한다.
쉽게 말하면
"넣은 열 중 실제로 얼마를 사용했는가"
를 계산하는 방식이다.
이 방법은 Heat Balance 기반이기 때문에 물리적 정확도가 높다.
이 방식은 실제 열수지(Heat Balance)를 기반으로 계산되기 때문에 물리적 정확도가 높다.
다만 유량계, 온도계, 분석 데이터 등 다양한 계측값에 의존하기 때문에 데이터 신뢰도에 따라 계산 결과가 달라질 수 있다는 특징이 있다.
센서 오차가 발생하면 계산 결과도 함께 변할 수 있다.
Indirect Method : 손실을 계산하는 방법
반면 현장에서는 Indirect Method도 널리 활용된다.
이 방식은
100%에서 손실을 차감하는 방식이다.
즉
효율 = 100 - Heat Loss - Exhaust Gas Loss
형태로 계산된다.
왜 배기가스 온도가 중요할까?
배기가스 손실(Exhaust Gas Loss)은 크게 두 부분으로 구성된다.
첫 번째는 연소가 정상적으로 이루어져도 반드시 발생하는 기본 손실이다.
연소 후에는 CO₂, H₂O, N₂ 등의 배기가스가 생성되는데 이들이 열을 가지고 굴뚝으로 배출되기 때문이다.
두 번째는 Excess Air 때문에 발생하는 추가 손실이다.
공기가 많아질수록 굴뚝으로 빠져나가는 배기가스량이 증가한다.
그리고 그 배기가스를 가열하는 데 사용된 열도 함께 손실된다.
따라서
- Stack Temperature 상승
- Excess Air 증가
는 모두 Heater 효율을 떨어뜨리는 요인이 된다.
그렇다면 어떤 계산 방식이 더 좋을까?
실제로 비교해 보면 두 방식 모두 장단점이 존재한다.
ECOS 방식 (Direct Method)
장점
- Heat Balance 기반
- 물리적 정확도 우수
- 실제 에너지 흐름 반영
단점
- 계측 데이터 의존성 높음
- 센서 신뢰도 영향
Solomon / GME 방식 (Indirect Method)
장점
- 계산이 간단함
- 현장 관리가 용이함
- 조직 간 소통이 쉬움
- 업계 Benchmark 활용 가능
단점
- 경험식 기반
- 절대 정확도는 상대적으로 낮음
즉 어느 한쪽이 절대적으로 우수하다기보다는 목적에 따라 활용 방식이 다르다고 볼 수 있다.
정유사가 실제로 중요하게 보는 것은?
결국 중요한 것은 계산 방식 자체가 아니다.
효율을 지속적으로 개선하는 것이다.
실제 정유공장에서는
- Excess O₂
- Stack Temperature
- Fuel Consumption
등을 지속적으로 모니터링한다.
그리고 작은 개선을 통해서도 상당한 연료 절감 효과를 얻는다.
산소를 조금만 줄여도 수억 원의 연료비를 절약할 수 있는 이유가 여기에 있다.
정리
많은 사람들이 공기를 많이 넣으면 연소가 잘 된다고 생각한다.
하지만 정유공장에서는 공기가 너무 많아도 문제가 된다.
불필요한 공기를 가열해 굴뚝으로 버리기 때문이다.
그래서 정유사들은 Excess O₂와 Heater 효율을 지속적으로 관리한다.
결국 연료 절감의 핵심은 더 많은 연료를 태우는 것이 아니라, 필요한 만큼만 태우고 손실을 줄이는 것이다.
자주 묻는 질문 (FAQ)
Q. Excess O₂는 왜 필요한가요?
완전 연소를 확보하기 위해서다. 다만 너무 많으면 효율이 떨어진다.
Q. Stack Temperature가 높으면 왜 안 좋은가요?
열이 공정에 전달되지 못하고 굴뚝으로 빠져나간다는 의미이기 때문이다.
Q. Direct Method와 Indirect Method 중 어느 것이 더 정확한가요?
일반적으로 Direct Method가 물리적 정확도는 높지만 계측 신뢰도 영향을 많이 받는다.
Q. Heater 효율이 1% 개선되면 효과가 큰가요?
대형 정유공장에서는 연간 수십억 원 이상의 연료 절감 효과로 이어질 수 있다.
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