排ガスからの廃熱回収：ボイラーおよび炉用空気予熱器のサイズ選定

すべてのボイラーや炉は高温の排気ガスを排出するが、その熱の多くは失われることなく回収できる。排ガス廃熱回収プレート式空気予熱器で排熱を回収し、プロセスに戻すことは、業界で最も高い効率化策の一つです。このガイドでは、その可能性、回収装置の適切なサイズ選定方法、そして回収範囲を左右する重要な酸露点の制約条件について解説します。

廃熱回収は、産業の脱炭素化において極めて重要です。なぜなら、廃熱回収によって、根本的なプロセスを変更することなく燃料消費量と排出量を削減できるからです。SHPHE社は、高温の排ガスを捕捉してエネルギーを回収するプレート式空気予熱器を特注設計しており、最大回収率と腐食限界とのバランスを取りながら適切なサイズを選定することが、信頼性が高く収益性の高い設備を実現する鍵となります。

排気ガスにはどれくらいの熱が含まれていますか？

回収可能なエネルギーは、排ガス流量とその温度安全に冷却できる温度よりも高い温度。高温の炉煙突は低温の炉煙突よりもはるかに多くの回収可能な熱を運び、ガスの流量が多いほど、利用可能なエネルギーも多くなります。回収可能な熱量は、おおよそガスの質量流量に比熱と予熱器で達成できる温度降下を掛けた値になります。この温度降下の実際的な限界は、後述する酸露点です。煙突の状態から利用可能な熱量を定量化することは、回収プロジェクトの第一歩であり、それによって得られる利益の大きさが決まります。

空気回収用の予熱器のサイズはどのように決定すればよいですか？

サイジングは、ガス流に適用されるプレート式熱交換器と同じ熱ロジックに従います。入力は排ガス流量と入口温度、燃焼用空気（またはプロセスガス）の流れとその入口温度、目標予熱温度あなたが達成したいこと、そして許容圧力降下両面とも（ファン出力が重要なガス用途では特に重要）。これらの情報に基づいて、エンジニアは圧力損失の許容範囲内で必要な熱を伝達できるよう、波形プレートマトリックス（プレート面積、波形形状、流路配置）のサイズを決定します。ガス間用途は液体間用途よりも熱伝達係数が低いため、プレートの波形形状と面積は、実用的な設置面積内で乱流と熱回収を最大化するように選択されます。

酸性露点とは何ですか？また、なぜそれが回収率を制限するのでしょうか？

これは排ガス熱回収における最も重要な制約です。排ガスが冷えると、最終的には酸性露点露点とは、ガス中の硫酸やその他の酸が凝縮し始める温度のことです。この温度を下回ると、腐食性の液体が金属を侵食するため、ガスを冷却しすぎると予熱器の低温側が急速に腐食します。露点は燃料の硫黄含有量とガスの組成によって決まります。したがって、装置のサイジングでは2つの要素のバランスを取る必要があります。ガスをさらに冷却するとより多くの熱を回収できますが、酸の露点は最低温度であり、それ以下に冷却するか、腐食に強い材料を使用しなければ、この温度を下回ってはなりません。このバランスを適切に取ることが、耐久性のある回収装置と腐食して故障する装置を分ける決定的な要素となります。

低温側での腐食対策はどのように行われているのか？

設計上、より多くの熱を捕捉するために回収を露点付近またはそれ以下に押し下げると、コールドエンドは結露に耐えられるように設計する必要がある。SHPHEは、低温部に耐腐食性鋼板材料を選択し、最も脆弱な部分が保護されるように流路配置を設計することで、この課題に対処しています。これにより、信頼性を損なうことなく、保守的な設計よりも多くのエネルギーを回収することが可能になります。選択は用途に応じて異なります。低硫黄燃料の場合は露点が低く、より深い回収が安全です。高硫黄燃料の場合は、設計温度を高く保つか、より高度な冶金技術を使用します。材料と設計を特定の排ガスに適合させることが、優れた回収装置の本質です。

排ガス回収はどのような場面で適用されるのか？

どのようなリターンが期待できますか？

回収熱は毎時間燃料を置き換えるため、通常は大きな利益が得られます。年間燃料節約額は、回収熱量×運転時間×燃料費から、予熱器の設備投資費用と圧力損失のための追加ファン動力を差し引いた額に等しくなります。高温・長時間燃焼プラントでは、投資回収はわずか数年であることが多く、排出量削減炭素価格制度の下では、さらに付加価値が高まります。排ガス温度が高く、プラントの稼働時間が長いほど経済性が向上するため、エネルギー集約型の連続プロセスが最適な候補となります。専門家は、特定の煙突における回収率、露点制約、および投資回収期間をモデル化することができます。

排ガス回収でよくある間違いは何ですか？

回避可能ないくつかのミスが排ガス回収プロジェクトを阻害している。最初のミスは酸性露点を無視して― 熱回収を最大化することだけを目的として設計した結果、適切な材料を使用せずにガスを凝縮温度以下に冷却したために、低温側腐食が急速に進行した。2つ目は圧力降下を過小評価する予熱器を追加すると、ガス側と空気側の抵抗が上昇し、ファンが追加の圧力を供給できない場合、ドラフトと燃焼に悪影響が出ます。3つ目は間違った冶金法を使用する燃料に関しては、高硫黄燃料はクリーンガスよりも耐腐食性の高い低温端を必要とする。4つ目はユニットを汎用として扱う実際の煙突の状態に合わせてサイズを決めるのではなく、回収の可能性を考慮せずに設計してしまうと、問題が生じます。こうした問題を回避するには、実際の燃料、ガス組成、システムに基づいた適切な設計を行う必要があり、まさに専門家が提供するサービスがそれです。

ガス対ガス回収にプレート技術を用いる理由とは？

気体間の熱伝達は、気体の熱伝達係数が低いため、液体間の熱伝達よりも本質的に難しく、一定量の熱を回収するために熱交換器はより多くのエネルギーを消費する必要があります。プレート式熱交換器は、波状の表面を採用することで乱流を発生させ、大きな伝熱面積をコンパクトな溶接構造に詰め込むことで、この問題を解決します。これにより、単純な管状予熱器よりも単位体積あたりのエネルギー回収量が多くなります。また、完全に溶接されているため、回転式再生予熱器の効率を低下させる流体間の漏れも発生せず、回収された熱はすべて燃焼用空気に供給されます。コンパクトで信頼性が高く、漏れのないユニットで最大限のエネルギー回収を目指すプラントにとって、プレート式熱交換器は最適な選択肢です。SHPHEが空気予熱器を、自社製品群全体の基盤となっている波状溶接プレート技術に基づいて製造しているのもそのためです。

プレート式熱交換器の専門メーカーとして、シュフェ（上海熱伝達設備有限公司）は、ASME/NB/CE/BV/SGS認証および30件以上の特許に裏付けられた、排ガス廃熱回収システムおよび空気予熱システムをカスタム設計しています。

復興プロジェクトはどのように始めればよいのでしょうか？

排ガス回収プロジェクトは、機器ではなくデータから始まります。スタック条件— ガス流量、温度、組成 —燃料の種類と硫黄含有量（露点を設定する）燃焼空気流量と目標予熱さらに、プラントの稼働時間と燃料費も考慮する必要があります。これらの情報に基づいて、専門家は回収可能な熱量を定量化し、燃料と排出量の削減効果をモデル化し、安全な冷却限界を特定し、露点が許容する最大のエネルギーを回収できるプレート式空気予熱器のサイズを決定できます。その結果として、設計図、投資回収期間の見積もり、そして改修工事の全体像が明確に示されます。節約効果は継続的で投資回収率も高いため、このデータを収集することは、燃焼プラントにとって最も価値の高い効率化投資の一つを実現するための小さな一歩となります。

よくある質問

出典および参考資料：SHPHE製品情報、一般的な排ガス廃熱回収方法。酸性露点と回収率は燃料とガスの組成によって異なりますので、熱設計でご確認ください。