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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	15.44GJ/h	25～370℃
原料＋スチームの加熱	MG Heater	33.92GJ/h	364～560℃
スチームの発生	WHB	77.24GJ/h	252～350℃
合計	---	126.59GJ/h	---

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

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	プロセス側温度	燃焼系排ガス温度
MG Heater	364～560℃	950～808℃
WHB	252～350℃	808～471℃
NG Heater	25～370℃	471～400℃
CA Heater	25～350℃	400～164℃