プロセス設計、物質収支、熱収支、計算ソフト、エクセル、Excel

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この”プロセス設計の実務”では、プラントエンジニアリングの基幹となるプロセス設計の”イロハ”について説明しており、プラントエンジニアリングやプロセスエンジニアリングに興味がある社会人や学生を対象にしています。

この”プロセス設計の実務”では、基本に帰って「プロセス設計とは？」をもう少し掘り下げていきたいと考えています。その進め方については以下のように考えています。

  1. 「天然ガスを原料とする水素製造プラントのプロセス設計」を例題として設定いたします。
  2. プロセス設計というよりは基本設計＋詳細設計の一部を含めた範囲としますので、機器設計や配管設計などに言及することが多くなります。
  3. 実際の設計に使用するエンジニアリング・ツールなどを使用しながら説明いたします。
  4. 更新のインターバルは原則として週１回（月曜日）と考えていますが、他のテーマを優先することもあります。

2. 熱収支の計算（続き）

2.5 予熱空気と水蒸気改質炉

2.5.1 予熱空気と燃焼加熱炉

燃焼加熱炉の性能を示すパラメータの一つに炉効率という概念があります。
この炉効率は下記に示すように、インプットした燃料熱量に対する回収された熱量との比であり、炉効率が大きければ大きいほど排熱回収の度合いが高く、省エネ度が高いということになります。

炉効率＝回収熱量÷燃料熱量

この炉効率を改善するための方策としては、

  1. 高発熱量燃料の使用：高発熱量の燃料を使用することにより燃焼ガス量を減じることが出来るので、大気中に捨てられる燃焼排ガス熱量が減り、結果的に炉効率が改善できる。
  2. 熱損失の少ない炉構造の採用：燃焼加熱炉表面からの熱損失は小型炉で20％以上、中型で10～20%、大型の炉で2～10%と言われている。そこで炉表面からの熱損失が少なくなるように断熱材の厚みを増したり、表面積を最小にするような構造を採用することで炉効率を改善する。
  3. 予熱された燃焼空気の使用：燃焼用空気として予熱された空気を使用することで燃焼温度を上げ、その結果として大気中に捨てられる排ガスの所有熱量を減らし炉効率を改善できる。

そこで、今回の検討では燃焼用空気として予熱された空気を使用した場合の省エネ度（燃料原単位の改善度）を検討してみよう。

2.5.2 予熱空気使用による炉効率の改善度

一例として燃焼空気を350℃まで予熱した場合の燃料消費量を計算してみた。
この結果、以下に示すようにNG燃料が半減し、燃焼排ガス量は約20%弱削減されました。

  1. ＮＧ燃料消費量：110.84kmol/h（228.39kmol/h）
  2. 燃焼排ガス量　：6331kmol/h（7761kmol/h）

このNG燃料（CH4）の低発熱量を802.6kJ/mol（Perry's）とすれば、89.0GJ/hの削減となります。

以下は208.11.18に追加変更した分です。

これらの詳細結果をversion0.9に示しましたのでダウンロードしてご覧下さい。なお、このversion0.9を変更してversion0.91にバージョンアップしましたのでご利用下さい。

version0.91をダウンロードするLinkIcon

このダウンロード出来るversion0.91には、水蒸気改質炉の熱収支に関する三枚のシートが用意されており、それぞれの内容を説明します。

  1. FlueGasBal&0.1：最初に作成したFlue Gas Balanceの旧バージョンで、以降使用しない。
  2. FlueGasBal&0.2：予熱空気を採用したケースのFlue Gas Balanceで、予熱後の空気温度を350℃に設定した。炉効率を計算するために前回のversion0.9に低発熱量のデータを追加した。今後これをベースとして使用する。
  3. FlueGasBal&0.11：FlueGasBal&0.2において空気を予熱しないケース。空気を予熱した場合とそうでない場合の比較をするために便宜的に作成した。

そこで空気を予熱することにより、どの程度の省エネが達成できるのかを調べてみる。先ほども説明したように、FlueGasBal&0.2とFlueGasBal&0.11を使って水蒸気改質炉の燃焼系の熱収支と炉効率を計算し、予熱空気（350℃）を使用した場合と使用しない場合の性能を比較してみた。その結果を下表に示す。ただし、下図の水蒸気改質炉周りのフローを見るとわかるように、空気予熱器は水蒸気改質炉からの排気ガスにより予熱されるように、対流部末端に設置している。

  1. NG fuelの流量（熱量）が削減され、その削減量はNG feed（1000kmol/h）の約12%に相当する大きな数値である。
  2. それと共にFlue gas量も約20%弱削減された。
  3. 回収出来る熱量（Heat Recover）は大幅に減少し、その削減率は約40%である。
  4. 炉効率は両者とも90%程度で差は見られなかった。

この結果は以前説明した炉効率の改善策と矛盾するものである。なぜこのような結果が出てきたのであろうか。その背景には熱回収についての考え方があるが、それは次回に取っておくことにします。

なお、炉効率の計算に使用する回収熱量には空気予熱器の熱量を含めないことに注意して下さい。（もし含めて計算しますと、予熱温度350℃での炉効率は100%を超えてしまいます）

予熱空気 空気予熱せず 空気予熱あり 差
燃焼空気温度 25℃ 350℃ ----
燃焼排気ガス出口温度 164℃ 164℃ ----
NG fuek 流量 kmol/h 228.4 110.8 117.6
NG fuel 熱量 GJ/h -17.09 -8.30 -8.79
Flue gas 流量 kmol/h 7761 6331 1430
Reformer Furnace GJ/h 231.35 231.35 0.00
Heat Recovery GJ/h 213.64 126.59 87.05
Heat Loss GJ/h 13.35 12.22 1.13
Flue Gas GJ/h -792.97 -690.00 -102.97
炉効率 % 90.4 90.0 0.4

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予熱空気温度設定における注意事項

燃焼用空気温度は原単位の面や省エネの面から見れば高いほどよい。
しかし、高温になれば空気予熱器本体の材料の問題や、燃焼における窒素酸化物（Nox）増加、そして空気ダクト表面などからの熱損失の増大と周辺環境の悪化などのリスクが加速される。
筆者の経験では約400℃以上になれば、高温領域における材料の経時的変化（酸化など）や変形の問題が大きく浮上するので、メーカーの実績やトラブル対応をよくよくヒアリングして決める必要がある。

空気予熱器の型式と特徴

空気予熱器の型式と主な特徴を説明します。なお、型式の名称は「熱管理技術講義」による。

板状空気予熱器（プレート式）

燃焼排ガスと燃焼用空気が、板状の金属板を隔てて流れることにより熱交換を行う。大型装置に適しており、回転部分がないので、その点メンテナンスフリーである。また、互いに漏れることがないので熱効率が高い。ただし、予想以上の厳しい熱履歴が有った場合には、高熱による強度低下と変形とそれに伴う圧力損失の増大を伴う。また変形と圧損は相乗効果により加速度的に進行するリスクがある。

管型空気予熱器

燃焼排ガスが鋼管内を流れ、それらを囲む容器に燃焼用空気が流れることで熱交換を行う。小型装置に適している。

再生式空気予熱器

波鋼板を組み合わせた要素から構成された円盤状の装置。片側に燃焼排ガス、相反する側に燃焼用空気を流すことで熱交換を行う。伝熱係数が良いので小型化出来るので、小型から大型装置に適用可能である。ただし、要素内に燃焼排ガスと燃焼用空気が残留するために熱効率は数％低下する。また、回転部分があるので、停電などで停止した場合の熱変形が問題になる。