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基本設計を開始する際の出発点がプロセス設計です。化学工学についてある程度知っており、プロセス設計を学びたい方を対象としています。「プロセス設計の実務」はプロセス設計への実務編としてもご利用下さい。

プロセスエンジニアリングの計算ルール

ガスの圧力損失計算液体の圧力損失計算水スチームのフラッシュ計算縦型円筒容器の容量計算 前のページへ
ガス放出の必要時間液体ドレンの必要時間圧縮機の軸馬力計算ポンプの軸馬力計算 次のページへ

2.6 燃焼系熱回収とスチーム発生
2.6.1 燃焼系での熱回収

水蒸気改質炉から発生する燃焼ガスは出口で約1000℃の高温であり、そこからの排熱回収をどのように行うかが、水素設備の原単位を大きく左右します。
すでに述べたように燃焼用空気として予熱空気を使用する場合には、その熱源として燃焼ガスを使用しますが、それだけでは大量の排熱(約125GJ/h)が余ってしまします。そこで水素設備のプロセス側(GasBal0.8)に戻って、燃焼ガスの排熱の使い道を考えてみます。
まず、気が付くのが、原料天然ガスの加熱と原料天然ガスとスチームとの混合気の加熱です。つまり、

  1. NG Heater:原料天然ガスの加熱。加熱温度370℃は原料天然ガスの脱硫触媒の運転温度を考慮して設定。
  2. MG Heater:原料天然ガスとスチームとの混合気の加熱。加熱温度560℃は原料天然ガスのカーボン析出を考慮して設定。


この両者の加熱量はそれぞれ15.44GJ/hと33.92GJ/hであり、燃焼系からの排熱で十分に補うことが可能です。それでも約80GJ/hの排熱が余剰となります。

2.6.2 余剰排熱の利用

余剰排熱の利用法には先ほども説明したように、他のシステムの熱源として利用する以外に以下のような方法があります。

  1. スチームを発生させ、プロセス用スチームや蒸留系の熱源として利用する。
  2. 同じくスチームを発生させ、そのスチームを動力に発電機をまわして電気を得る。→スチームタービン発電機
  3. 同じくスチームを発生させ、暖房用熱源として利用する。
  4. 冷凍機の蒸発器の熱源として利用する。
  5. その他


もし、自設備および関連設備にて大量のスチームを必要とする場合には、スチームを発生させて自家消費し、残りを関連設備に供給する方法が最も安価であり、総合的なエネルギー効率を改善する方法となります。
水素設備の場合、石油精製などのユーティリティーセンターとしての役割を果たしているので、発生したスチームを有効に利用出来る素地があります。そこで、ここではスチームを発生させることで排熱回収を行うことにします。

まず、プロセス側の温度と必要な熱量を表にまとめてみます。なお、スチーム発生用の機器をWHB(Waste Heat Boiler)とし、その所要熱量つまり使用可能熱量は、燃焼系全体の余剰熱量(126.59GJ/h)からNG Heater & MG Heater熱量を差し引いた数値としました。

目的 機器名 所要熱量 温度範囲
原料天然ガスの加熱 NG Heater
(natural gas)
15.44 25~370
原料スチーム混合ガスの加熱 MG Heater
(mixed gas)
33.92 364~560
スチームの発生 W.H.B
(waste heat boiler)
77.24 252~350
合計   126.59  

なお、スチーム発生の温度範囲(252~350℃)は、スチーム圧力(4.1MPa)の飽和温度252℃と実際に供給している温度350℃を併記したもので、供給されるスチームは252℃から350℃まで過熱されていることになります。
ここで使用した計算をversion0.92に示しましたのでダウンロードしてご覧下さい。version0.92をダウンロードするLinkIcon

この結果と燃焼系の排ガス温度を比較し、以下の順番にさきほどの加熱器などを並べ、それを下図に示しました。

機器名 被加熱流体

プロセス流体
温度範囲

燃焼ガス
温度範囲

MG Heater Mixed gas 364~560 950~808
W.H.B Boiler water 252~350 808~471
NG Heater Natural gas 25~370 471~400
CA Heater  Combustion air 25~350 400~164 

スチーム発生システム

スチームを発生させるためには適応した水と機器が必要となります。適応した水とはスチームの圧力に対応した品質という意味で、JISなどに規定されています。この水を得るためには水処理設備、その中でも高圧スチーム発生には純水製造設備が必要となります。
適応した水(ボイラ給水)の供給が可能になれば、スチーム発生に必要な以下の設備が必要となります。

設備と機器

純水給水ポンプ:純水設備からスチーム発生システムへ純水を供給するポンプ。

純水予熱器:低圧エコノマイザとも言う。供給される純水を脱気器に供給する前に予熱する熱交換器。

脱気器:純水中の酸素を除去するための機器で脱気用に低圧スチームが必要。

ボイラ給水ポンプ:脱気器を出た給水を昇圧しボイラに供給するためのポンプ。

ボイラ給水加熱器:高圧エコノマイザとも言う。ボイラ給水の加熱器。

ボイラ:スチーム発生器で加熱方式や蒸発方式により多種多様。

スチーム加熱器:発生したスチームの過熱器。