今回は煙突・排気筒について取り上げます。まあ、ケミカルプラントであればスチームボイラーとか熱媒加熱炉が有りますが、そうなると煙突とか排気筒がドカーンと建ってますね。まあ、高いので目立ちますよね。これまでに いくつも煙突を見てきましたが、まあ自分で設計する事は無かったですよね、さすがに。ボイラーとか加熱炉の本体は専門業者が設計して建設しますが、煙突はそれに付随して設置されますよね。とは言っても、「ここに煙突を設置したら排ガスは建屋に影響するかな？ 」とかは検討した事が有りますね。そんなに大きくは無い 熱媒加熱用のガス焚き貫流ボイラーでしたけど。また、重油焚き熱媒ボイラーとかもいくつか見たことが有りますが、ボイラー本体の上に煙突が直接設置されているタイプで これはこれでデカいですよね。
そんなこんなで、今回は煙突内排ガスの温度変化を計算し、その結果に基づいて通風力を求めてみたりしようかと。
煙突通風力 Stack Draft
加熱炉や燃焼炉では燃料を継続的に燃焼させる為に、まずは必要な空気量を流入させ、かつ発生した燃焼排ガスを煙突から排出させる必要が有りますね。で、その為には 煙突内の流動抵抗に打ち勝つだけの通風力が必要になります。特に自然通風の場合には、流動抵抗 ＜ 通風力でなければ 正常な運転が出来ませんね。
✔ 通風力 計算式 Stack Draft
煙突の自然通風における通気力は、排ガスと外気との密度差に起因する浮力によって発生します。式①で計算できますが、この場合の通気力の単位は [mmH2O] となりますね。密度と高さを掛け算すると その単位は [kg/m2] となりますが、これは [mmH2O] と同じですね。式②は 重力加速度を更に掛け算したものですが、これは [Pa] ですね。これは静水圧の計算式と同じですね。
✔ 排ガス温度 Gas Temperature
式①と②には密度が含まれていますが、排ガス組成が分かっていれば分子量が計算出来ます。気体の状態方程式 PV=nRT からガス密度が計算出来ますが、圧力と温度が必要ですね。圧力はほぼ大気圧として良いですね。それよりも影響が大きいのは温度ですね。なので、排ガス温度を計算して求める必要があります。
で、以下の式③で計算出来ますね。これは 投稿 No.4 「物体の冷却 媒体温度一定」で取り上げた式と同じですね。煙突の微小高さにおける熱損失を考えて、それを煙突全体で足し合わせれば 全熱損失となるので、その結果としてガス温度が求められますね。そして、排ガス 入口温度と出口温度の平均が 式④から計算されます。
計算例 example
✔ 計算条件
- 煙突 内径 500 [mm]
- 煙突 高さ 5 ～ 30 [m]
- 保温材 無し、有り 30[mm]
- 排ガス 分子量 29 [g/mol]
- 排ガス 入口温度 250 [℃]
- 排ガス 流速 5 [m/sec]
- 大気圧 101.3 [kPa]
- 外気温度 15 [℃]
✔ 計算結果
まずは排ガス温度ですが、下図 上段グラフです。当然ですが、煙突が高くなれば放熱によって排ガス 出口温度は低下します。それと、保温材の効果ですが まあ 30[mm] ほどではそれほどでは無いですね。で、入口温度と出口温度との平均値から密度を求め、それを使って通風力を計算しますね。平均温度とすると、保温材有無の効果は更に小さくなりますね。
また、通風力は以下のような結果となります(下段グラフ)。通風力は煙突が高くなれば増加しますね。で、保温材の効果はやはりそれほどでは無いですね。ついでに煙突の圧力損失も計算していますが、煙突が高くなれば (＝長い) その分圧力損失は大きくなりますね。ですが、結果を見る限りでは 通風力 ＞ 圧力損失なので問題は無いですね。
✔ 必要通風力
- バーナー圧力損失 6 ～ 10 [mmH2O]
- 対流部加熱管群 圧力損失 5 [mmH2O] 裸管の場合
- ダンパー 圧力損失 2.5 [mmH2O] 全開時
- 煙突出口 速度損失 1 ～ 3 [mmH2O]
圧力損失を全部 合計すると、14.5 ～ 20.5 [mmH2O] となりますが、この値は 煙突高さ 30[m] における通風力 計算結果とまあ同程度ですね。とまあ、この辺りはボイラー屋さんがきちんと検討してくれるんだろうなとは思いますね。
まとめ
煙突の通風力について計算してみましたが、十分な通風力を有する様に煙突高さを決定する必要がありますね。さすがに低すぎる煙突ではアレですね。とは言っても、自然通風では無くて、押込み/誘引送風機などが設置されているのであれば この限りでは無いですね。となると、煙突高さは別の方法で決定されます。参考書籍には、大気汚染防止法による計算法や建築基準法による煙突高さ 計算法が有りますね。また、煙突にも慣用流速が有って 4 ～ 8 [m/sec] となるように内径を決定する事も出来ますね。
余談ですが、煙突では無いですが 似たようなものにフレアスタックが有りますね。オフガスを燃焼させる煙突ですが、麗水コンプレックスにはデカいリファイナリー Refinery (石油精製所) が有って、何本かこれまた高いフレアスタックが有りましたね。で、時々 ものすごい勢いで燃焼させてる時が有ったんですね。冬だと朝の出勤時にはまだだいぶ暗いんですが、フレアスタックの炎が辺りを照らすぐらいに燃えてるんですね。音も結構しますね、部屋の中に居ても分かるくらいにゴゴゴーっと。最初は面食らいましたけど、慣れると 「あ～、また燃やしてるな～」くらいに思ってましたね。で、フレームの色は大抵 明るいオレンジ色だったんですが、炭化水素の不完全燃焼なんですね、多分。まあ、リファイナリーのオフガスなんで そうなるんでしょうけど。
参考文献・書籍
- 「化学装置 プラント・エンジニアリングメモ 第127回」 2018年 5月号 工業通信
- 「熱媒システムハンドブック」 工業調査会 1996年刊
- 「化学プラント建設便覧」 丸善 1992年刊
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