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排気ガス煙突は、煙突、チムニースタック、または単にスタックとも呼ばれ、煙突の一種であり、燃焼生成ガスである排気ガスが外気中に排出される垂直のパイプ、チャネルまたは類似の構造です。排気ガスは、石炭、石油、天然ガス、木材、またはその他の燃料が工業用炉、発電所の蒸気発生ボイラー、またはその他の大型燃焼装置で燃焼するときに生成されます。排気ガスは通常、二酸化炭素(CO 2 ) と水蒸気、および吸入燃焼空気から残留する窒素と過剰酸素で構成されています。また、粒子状物質、一酸化炭素、窒素酸化物、硫黄酸化物などの汚染物質も少量含まれています。排気ガス煙突は、煙突効果と汚染物質の拡散を高めるために、最大 420 メートル (1,380 フィート) と非常に高いことがよくあります。
住宅、レストラン、ホテル、その他の公共の建物、小規模商業施設内のストーブ、オーブン、暖炉、暖房炉、ボイラー、またはその他の小規模な発生源から排気ガスが排出される場合、その排気ガススタックは煙突と呼ばれます。
歴史
最初の産業用煙突は17世紀半ばに建てられました。このとき、燃焼ゾーンへの空気の通風を増やすことで炉の燃焼を改善できることが初めて理解されました。 [2]そのため、煙突は反射炉と石炭ベースの冶金産業の発展に重要な役割を果たしました。この産業産業は、産業革命初期の主要部門の1つです。 18世紀の産業用煙突（現在では一般に煙突と呼ばれています）のほとんどは、家庭用の煙突と同様に、炉の壁に組み込まれていました。最初の独立した産業用煙突は、鉛の精錬に関連する長い凝縮煙道の端に建てられたものだったと考えられます。
産業革命期の煙突と煙が立ち込める特徴的な風景との強い結びつきは、ほとんどの製造工程に蒸気機関が広く採用されたことによる。煙突は蒸気発生ボイラーの一部であり、その進化は蒸気機関の出力増加と密接に関係している。トーマス・ニューコメンの蒸気機関の煙突は機関室の壁に組み込まれていた。19 世紀初頭に登場した背の高い自立型の産業用煙突は、ジェームズ・ワットの「二重動力」エンジンに関連するボイラー設計の変化と関連しており、ビクトリア朝時代を通じてその地位を高め続けた。1860 年代の多くの産業用煙突には、オーバーセイル キャップや模様のあるレンガ造りの装飾が特徴となっている。
20 世紀初頭のファンによる強制通風の発明により、蒸気発生ボイラーやその他の炉に空気を引き込むという産業用煙突本来の機能がなくなりました。蒸気エンジンが原動機としてディーゼル エンジンに、その後電気モーターに置き換えられると、初期の産業用煙突は産業の風景から姿を消し始めました。建築材料は石やレンガから鋼鉄、後に鉄筋コンクリートに変わり、産業用煙突の高さは、政府の大気汚染防止規制に準拠するために燃焼排ガスを拡散させる必要性によって決まりました。
煙突のドラフト
煙突内の燃焼排ガスは周囲の外気よりはるかに高温で、そのため周囲の空気より密度が低くなります。そのため、高温の煙突の垂直柱の底部の圧力は、対応する外気の柱の底部の圧力より低くなります。煙突の外側の高圧が、必要な燃焼空気を燃焼ゾーンに移動させ、また煙突から煙突外に排出させる原動力となります。燃焼空気と煙突のこの動きまたは流れは、「自然通風」、「自然換気」、「煙突効果」、または「煙突効果」と呼ばれます。煙突が高くなるほど、通風が大きくなります。
以下の式は、ドラフトによって生じる圧力差ΔP（煙道ガススタックの底部と上部の間）の近似値を示しています。[3] [4]
どこ：
上記の式は、排気ガスと外気のモル質量が等しく、排気ガススタックを通る圧力降下が非常に小さいことを前提としているため、近似値です。どちらの仮定もかなり適切ですが、正確ではありません。
通風による排気ガス流量
「最初の推測」の近似値として、次の式を使用して、排気ガススタックの通風によって誘発される排気ガス流量を推定できます。この式では、排気ガスと外気のモル質量が等しく、摩擦抵抗と熱損失が無視できると仮定しています。[5]
どこ：
- Q : 排気ガス流量、m³/s
- A : 煙突の断面積、m 2（断面積は一定であると仮定）
- C : 排出係数（通常は0.65～0.70）
- g :海面での重力加速度= 9.807 m/s²
- H : 煙突の高さ、m
- T i : 煙突内の排気ガスの絶対平均温度、K
- T o : 絶対外気温、K
また、この式は、ドラフト フローの抵抗が、排出係数 C によって特徴付けられる単一のオリフィスによって発生する場合にのみ有効です。ほとんどの場合ではないにしても、多くの場合、抵抗は主に煙突自体によって発生します。これらの場合、抵抗は煙突の高さ H に比例します。これにより、上記の式の H がキャンセルされ、Q は煙突の高さに対して不変であると予測されます。
適切な量の自然通風を提供する煙突と排気筒の設計には、次のような多くの要素が関係します。
- スタックの高さと直径。
- 完全燃焼を保証するために必要な過剰燃焼空気の所望量。
- 燃焼ゾーンから排出される排気ガスの温度。
- 燃焼排ガスの組成。これによって排ガス密度が決まります。
- 煙突または排気筒を通る排気ガスの流れに対する摩擦抵抗。煙突または排気筒の構築に使用される材料によって異なります。
- 煙突または排気管を通って流れる排気ガスからの熱損失。
- 周囲の空気の局所的な大気圧。これは、局所的な海抜高度によって決まります。
上記の設計要素の多くを計算するには、試行錯誤の反復的な方法が必要です。
ほとんどの国の政府機関には、このような設計計算の実行方法を規定する特定の規則があります。多くの非政府組織にも、煙突や排気筒の設計を規定する規則があります (特にASME規則)。
スタック設計
大型煙突の設計には、かなりの技術的課題が伴います。 強風時に渦が放出されると、煙突に危険な振動が生じ、煙突の崩壊につながる可能性があります。このプロセスが煙突の共振周波数またはその近くで発生するのを防ぐため、らせん状のストレーキが一般的に使用されています。
その他の興味深い項目
燃料燃焼産業機器の中には、自然通風に依存しないものもあります。こうした機器の多くは、燃焼空気を燃焼室に送り込み、高温の排気ガスを煙突から排出するという同じ目的を達成するために、大型のファンや送風機を使用しています。
非常に多くの発電所には、二酸化硫黄（排ガス脱硫）、窒素酸化物（選択接触還元、排ガス再循環、熱脱硝、または低NOxバーナー）、および粒子状物質（電気集塵機）を除去するための設備が装備されています。このような発電所では、冷却塔を排ガス煙突として使用することができます。ドイツのシュタウディンガー・グロスクロッツェンブルク発電所とロストック発電所がその例です。排ガス浄化を行わない発電所では、このような煙突で深刻な腐食が発生します。
米国および他の多くの国では、地域の大気汚染規制に準拠するために必要な煙突の高さを決定するために、大気拡散モデリング[6]研究が必要です。米国では、煙突の最大高さを「適正エンジニアリング基準」(GEP) 煙突高さに制限しています。[7] [8] 既存の煙突が GEP 煙突高さを超える場合、そのような煙突の大気汚染拡散モデリング研究では、実際の煙突高さではなく GEP 煙突高さを使用する必要があります。
参照
参考文献
- ^ 世界で最も高い煙突トップ25の図
- ^ Douet, James (1988)。『煙の中を昇る：産業煙突の歴史』、ビクトリア協会、ロンドン、イギリス。ビクトリア協会ケースワークレポート、2006年9月25日アーカイブ、Wayback Machine
- ^ 自然換気講義 2 2006-05-12ウェイバックマシンにアーカイブ
- ^ ペリー、RH; グリーン、ドン W. (1984)。ペリーの化学技術者ハンドブック（第 6 版（ 9-72ページ）編集）。McGraw-Hill Book Company。ISBN 0-07-049479-7。
- ^ 自然換気講義 3 2006-07-02ウェイバックマシンにアーカイブ
- ^ Beychok, Milton R. (2005).煙道ガス拡散の基礎(第 4 版). 著者出版. ISBN 0-9644588-0-2。空気分散
- ^ 適正エンジニアリング基準の煙突高さの決定に関するガイドライン（煙突高さ規制の技術サポート文書）、改訂版（1985 年）、EPA 出版物番号 EPA–450/4–80–023R、米国環境保護庁（NTIS No. PB 85–225241）
- ^ Lawson, Jr., RE および WH Snyder (1983)。適正エンジニアリング基準の煙突高さの決定: 発電所の実証研究、EPA 出版物番号 EPA–600/3–83–024。米国環境保護庁 (NTIS No. PB 83–207407)
外部リンク
- ASHRAEの基礎ハンドブックは、ASHRAEからこちらから入手できます。
- ASMEから入手可能なASMEコードと規格