ガス焚きボギー炉の運転費用の中で、エネルギーコストは最大の単一費用です。出力5MWの炉を年間6000時間稼働させ、天然ガス価格が1立方メートルあたり0.35ドルの場合、年間ガス料金は約40万ドルから50万ドルになります。これを15～25%削減することで、年間6万ドルから12万5000ドルを運転予算に回すことができ、2～3年以内に制御システムの全面的なアップグレード費用を賄うことができます。
モンテ・インテリジェンスは、現場で数十基の台車式炉を対象にエネルギー監査を実施してきました。その結果、5年以上経過した炉のほとんどに、オペレーターが気づいていないエネルギー効率改善の機会が存在することが分かりました。この記事では、当社の監査方法と、最もよく見られる発見について説明します。
エネルギー監査は、熱収支計算から始まります。1サイクルあたり1つの負荷を処理するバッチ式炉の場合、熱入力は、燃料燃焼によるエネルギー、燃焼空気の顕熱（予熱されている場合）、および負荷の酸化によって放出される熱（小さいため、通常は無視されます）です。熱出力は、負荷によって吸収される有効熱、排ガス中に失われる熱、炉の壁と扉を通して失われる熱、空気の侵入によって失われる熱、炉構造に蓄積される熱（冷却中に放出されますが、サイクル間で失われます）、および開口部、シール、その他の経路を通して失われる熱です。
有効熱量（実際に加工物を加熱するエネルギー）は、加工物の質量、比熱、および温度上昇から計算されます。平均比熱が0.55 kJ/kg・Kの鋼材20トンを20℃から850℃まで加熱した場合、有効熱量は20,000 × 0.55 × 830 = 9,130 MJ、つまり約2536 kWhとなり、これは天然ガス換算で約260立方メートルに相当します。
サイクル全体のガス消費量は、炉のガスメーターで計測されます。メーターが520立方メートルの消費量を示した場合、炉の効率は260/520 = 50%となります。残りの260立方メートル（1サイクルあたり約90ドル相当のガス）は、様々な熱損失経路によって失われます。監査では、これらの損失経路を特定し、その量を定量化することで、節約の機会がある箇所を特定します。
排ガスによる熱損失は通常、最大の損失経路であり、総ガス消費量の30～50%を占めます。排ガスは炉の運転温度に近い温度で炉から排出されます。例えば、炉が1000℃の場合、排ガス温度は900～950℃程度となり、大量の顕熱を運び去ります。熱量は、排ガスの流量、温度、組成から計算できます。
排気ガスの損失を減らすには、過剰空気の削減と排気ガスからの熱回収という2つの戦略があります。過剰空気とは、燃焼に必要な化学量論的空気量を超えて供給される空気のことです。一般的な設定である50%の過剰空気では、排気ガスの体積は10%の過剰空気の場合よりも約30%多くなり、余分な空気は周囲温度から排気ガス温度まで加熱する必要があります。過剰空気を50%から10%に減らすことで、炉の効率を3～5%向上させることができます。これには、バーナーの酸素トリム制御が必要です。これは、排気ガスダクト内のラムダセンサーが燃焼空気ダンパーにリアルタイムのフィードバックを提供するものです。
廃熱回収では、熱交換器または再生器を使用して、排ガスから燃焼用空気へ熱を伝達します。燃焼用空気を400℃に予熱することで、燃焼温度に達するために必要な燃料の量が減るため、炉の効率を15～25%向上させることができます。熱交換器（ガス対ガス熱交換器、一般的にはシェルアンドチューブ式またはプレート式）は最も一般的な技術であり、50～60%の熱回収効率を達成できます。セラミック媒体層を使用して熱を交互に吸収および放出する再生式バーナーは、80～90%の回収率を達成できますが、初期投資コストが高くなります。
壁からの熱損失は、耐火材の厚さ、熱伝導率、および外壁温度によって決まります。1000℃で稼働する炉で、300mmのセラミックファイバー断熱材（平均温度での熱伝導率0.15W/m・K）を使用した場合、壁からの熱損失は約500W/平方メートルです。壁面積が100平方メートルの炉の場合、これは50kWの連続損失に相当し、1時間あたり約4.3立方メートルのガス、または1時間あたり約1.50ドルの損失となります。
赤外線温度計で外壁表面温度を測定することは、簡単な点検方法です。壁面温度が平均温度より20℃以上高い箇所があれば、断熱材の隙間、アンカーの不具合、または内部バーナーの炎が壁に当たって発生したホットスポットを示しています。これらのホットスポットは、定期点検時に該当の断熱材を交換することで修理できます。
ドアやシールからの漏れは、損失量を定量化するのが最も難しい経路であると同時に、修理が最も簡単な場合も多い。4メートル×3メートルのドアの周囲に3mmの隙間があると、面積は約0.042平方メートルになる。炉内の圧力が10Paの場合、この隙間から漏れる高温ガスは、1000℃の炉であれば約10～15kWものエネルギーを奪ってしまう。修理方法はドアシールの交換で、メンテナンス作業員が約4時間かけて行い、材料費は数百ドル程度で済む。
空気の侵入、つまり構造体の隙間、ドア周辺、バーナーの周囲、点検口などから炉内に漏れ込む冷気は、隠れたエネルギー泥棒です。侵入した空気は熱を運び去るだけでなく（冷気が流入することで排出されるべき高温ガスが押し出される）、燃焼物の酸化を引き起こし、温度ムラを生じさせる可能性があります。燃焼分析は空気の侵入を間接的に示します。排気ガス中の酸素濃度がバーナー設定に基づいて予想される値よりも高い場合、余分な酸素は空気の侵入によるものです。
監査報告書には、エネルギー節約対策（ECM）の優先順位リスト、推定コスト、推定節約額、および単純回収期間を含める必要があります。ボギーハース炉の一般的なECMは、回収期間が短い順に、ドアシールの修理（回収期間1か月未満）、バーナーの空気/ガス比の調整（回収期間3か月未満）、耐火物のホットスポットの修理（回収期間3～6か月）、酸素トリム制御の設置（回収期間6～12か月）、および熱交換器の設置（回収期間12～24か月）です。
MONTE INTELLIGENCEは、現場での測定、熱収支計算、エネルギー効率改善策（ECM）の特定、および導入支援を含むエネルギー監査サービスを提供しています。
台車式炉床炉のエネルギー監査をご希望の場合は、helenxu@cnlymonte.comまでご連絡ください。
