연도 가스 스택

카자흐스탄 에키바스투즈 GRES-2 발전소의 연도 가스 스택으로 세계에서 가장 높은 규모(420m)^[1]

연도 가스 스택은 연기 스택, 굴뚝 스택 또는 단순하게 연소로 알려진 굴뚝의 한 종류, 수직 파이프, 채널 또는 이와 유사한 구조로 연도 가스라고 불리는 연소 제품 가스가 외부 공기로 배출된다. 연도 가스는 석탄, 석유, 천연 가스, 목재 또는 기타 연료가 산업용 고로, 발전소의 증기 발생 보일러 또는 기타 대형 연소 장치에서 연소될 때 발생한다. 연도 가스는 보통 이산화탄소₂(CO)와 수증기, 그리고 흡입 연소 공기에서 남아 있는 질소와 과잉 산소로 구성되어 있다. 입자 물질, 일산화탄소, 질소산화물, 황산화물 등의 오염물질도 소량 함유하고 있다. 연도 가스 스택은 대개 배기 오염물질을 더 큰 지역에 분산시켜 오염물질의 농도를 정부 환경정책과 환경규제에 필요한 수준으로 낮추기 위해 400m(1300피트) 이상 상당히 높은 경우가 많다.

연도 가스가 스토브, 난로, 난로, 난로, 난로 및 보일러, 또는 주거용 건물, 식당, 호텔 또는 기타 공공 건물과 소규모 상업 기업 내의 기타 소량 공급원에서 소진되면 연도 가스 스택을 굴뚝이라고 부른다.

역사

최초의 산업용 굴뚝은 17세기 중반에 건설되었는데, 그 당시 연소 구역으로 공기의 초안을 늘려 용광로의 연소를 개선할 수 있는 방법을 처음 이해하였다.^[2] 이와 같이 이들은 초기 산업혁명의 핵심 분야 중 하나인 반향로와 석탄 기반 야금산업 발전에 중요한 역할을 했다. 대부분의 18세기 산업용 굴뚝들(현재는 일반적으로 연도 가스 스택이라고 부른다)은 가정용 굴뚝처럼 용광로 벽 속에 설치되었다. 최초의 독립된 산업용 굴뚝은 아마도 제련 납과 관련된 긴 응축 연조의 끝에 세워진 굴뚝이었을 것이다.

산업 굴뚝과 산업 혁명의 특징적인 연기가 가득한 풍경 사이의 강력한 연관성은 대부분의 제조 공정에 증기 엔진이 보편적으로 적용되었기 때문이다. 굴뚝은 증기를 발생시키는 보일러의 일부로서, 그 진화는 증기 엔진의 출력 증가와 밀접하게 연관되어 있다. 토마스 뉴코멘의 증기 기관차의 굴뚝이 엔진 하우스의 벽에 통합되었다. 19세기 초에 나타난 더 크고 자립적인 산업용 굴뚝은 제임스 와트의 "이중 동력" 엔진과 관련된 보일러 설계의 변화와 관련이 있었고, 빅토리아 시대 내내 키가 계속 자랐다. 장식적인 장식들은 1860년대부터 많은 산업용 굴뚝의 특징으로, 상수화 모자와 무늬가 있는 벽돌을 가지고 있다.

20세기 초 부채 지원 강제 징용안이 발명되면서 산업용 굴뚝의 본래 기능인 증기를 발생시키는 보일러나 다른 용광로에 공기를 끌어들이는 기능이 없어졌다. 증기기관을 프라임무버로 대체하면서 처음에는 디젤엔진, 다음에는 전기모터로 대체되면서 산업지형에서 초기 산업 굴뚝이 사라지기 시작했다. 건축자재는 돌과 벽돌에서 강철로 바뀌었고 이후 철근 콘크리트로 바뀌었으며, 산업용 굴뚝의 높이는 정부의 대기오염 관리규정을 준수하기 위해 연소 연도 가스를 분산시킬 필요성에 의해 결정되었다.

연도 가스 스택 드래프트

굴뚝에서의 스택 효과: 게이지는 절대 기압을 나타내며 기류는 옅은 회색 화살표로 표시된다. 게이지 다이얼은 압력을 증가시키면서 시계 방향으로 움직인다.

연도 가스 스택 내부의 연소 연도 가스는 주변 외부 공기보다 훨씬 뜨겁고 따라서 주변 공기보다 밀도가 낮다. 그것은 고온 연도 기체의 수직 기둥의 바닥이 해당 외부 공기 기둥의 바닥의 압력보다 낮은 압력을 갖게 한다. 굴뚝 외부의 압력이 높은 것은 필요한 연소 공기를 연소 구역으로 이동시키고 연도 가스를 굴뚝 위와 밖으로 이동시키는 원동력이다. 연소 공기 및 연도 가스의 움직임이나 흐름을 "자연초기", "자연환기", "치미 효과" 또는 "스택 효과"라고 부른다. 스택이 클수록 더 많은 드래프트가 생성된다.

아래 방정식은 초안에 의해 생성되는 압력차 ΔP의 근사치(연가스의 바닥과 상단 사이)를 제공한다.^[3]^[4]

\Delta P=Cah{\bigg (}{\frac {1}{T_{o}}-{\frac {1}{T_{i}}{\bigg )}}}

여기서:

ΔP: 가용 압력 차이(Pa)
C = 0.0342
a: 대기압, Pa
h: 연도 가스 스택 높이(m)
T_o: 절대 외부 공기 온도(K)
T_i: 스택 내부의 연도 가스의 절대 평균 온도(K).

위의 방정식은 연도 가스와 외부 공기의 어금니 질량이 같고 연도 가스 스택을 통한 압력 강하가 상당히 작다고 가정하기 때문에 근사치라고 할 수 있다. 두 가정 모두 상당히 좋지만 정확하게는 정확하지 않다.

드래프트에 의해 유도된 연도 가스 유량

"첫 번째 추측" 근사치로, 연도 가스 스택의 초안에 의해 유도되는 연도 가스 흐름 속도를 추정하기 위해 다음 방정식을 사용할 수 있다. 이 방정식은 연도 가스와 외부 공기의 어금니 질량이 같으며 마찰 저항과 열 손실은 무시할 수 있다고 가정한다.^[5]

Q=CA{\sqrt{2gH{\frac {T_{i}-T_{o}}}}{{o}}}}{{{o}}}}}}}}{{}}}}}}}T_{i}}}}}

여기서:

Q: 연도 가스 유량, m³/s
A: 굴뚝 단면적, m²(단면이 일정하다고 가정)
C : 배출계수(보통 0.65–0.70으로 측정)
g: 해수면에서의 중력 가속도 = 9.807m/s²
H : 굴뚝 높이, m
T_i : 스택 내 연도 가스의 절대 평균 온도 K
T_o : 절대 외기 온도 K

또한 이 방정식은 초안 흐름에 대한 저항이 방출 계수 C로 특징지어지는 단일 오리피스에 의해 야기될 때만 유효하다. 대부분의 상황은 아닐지라도 저항은 주로 연도 스택 자체에 의해 부과된다. 이 경우 저항은 스택 높이 H에 비례한다. 이로 인해 위 방정식에서 연도 높이에 대해 Q가 불변할 것으로 예측하는 H가 취소된다.

정확한 양의 자연 드래프트를 제공하기 위해 굴뚝과 스택을 설계하는 것은 다음과 같은 많은 요인을 포함한다.

스택의 높이 및 지름.
완전한 연소를 보장하는 데 필요한 양의 초과 연소 공기.
연소 영역에서 배출되는 연도 가스의 온도.
연도 가스 밀도를 결정하는 연소 연도 가스 구성.
굴뚝이나 스택을 통한 연도 가스의 흐름에 대한 마찰저항은 굴뚝이나 스택을 건설하는 데 사용되는 재료에 따라 달라진다.
연도 가스가 굴뚝이나 스택을 통해 흐를 때 발생하는 열 손실.
해수면 위의 국부 상승에 의해 결정되는 주변 공기의 국부 대기 압력.

위의 설계 요인 중 다수를 계산하려면 시행착오 반복 방법이 필요하다.

대부분의 국가의 정부 기관은 그러한 설계 계산이 수행되어야 하는 방법을 관리하는 구체적인 코드를 가지고 있다. 많은 비정부기구들 또한 굴뚝과 스택의 설계를 지배하는 코드를 가지고 있다.

스택 설계

굴뚝에 난 나선 계단

대형 스택의 설계는 상당한 엔지니어링 과제를 내포하고 있다. 강풍에 흩날리는 소용돌이는 스택에 위험한 진동을 일으킬 수 있으며, 그 붕괴로 이어질 수 있다. 헬리컬 스트레이크의 사용은 이 과정이 스택의 공명 주파수에서 또는 가까운 곳에서 발생하는 것을 방지하기 위해 흔히 사용된다.

기타관심항목

일부 연료소모 산업기기는 자연채취에 의존하지 않는다. 그러한 많은 장비 항목은 연소실로의 연소 공기 흐름과 굴뚝이나 스택에서 나오는 뜨거운 연도 가스의 흐름과 같은 목표를 달성하기 위해 대형 팬이나 블로어를 사용한다.

많은 발전소는 아황산가스(즉, 연도 가스 탈황), 질소산화물(예: 선택적 촉매 감소, 배기 가스 재순환, 열 디NOx 또는 낮은 NOx 버너) 및 입자 물질(즉, 정전기 침전기)을 제거하기 위한 시설을 갖추고 있다. 이런 발전소에서는 냉각탑을 연도 가스 스택으로 사용할 수 있다. 예를 들어, 독일에서는 Staudinger Groskrotzenburg에서, 로스토크 발전소에서 볼 수 있다. 연도 가스 정화 장치가 없는 발전소는 그러한 스택에서 심각한 부식을 경험할 것이다.

미국과 많은 다른 국가에서 대기 확산 모델링^[6] 연구는 현지 대기 오염 규정을 준수하는 데 필요한 연도 가스 스택 높이를 결정하기 위해 필요하다. 미국은 또한 연도 가스 스택의 최대 높이를 "GEP(Good Engineering Practice)" 스택 높이로 제한한다.^[7]^[8] GEP 스택 높이를 초과하는 기존 연도 가스 스택의 경우, 그러한 스택에 대한 모든 대기오염 분산 모델링 연구는 실제 스택 높이보다는 GEP 스택 높이를 사용해야 한다.

참고 항목

참조

^ 전 세계에서 가장 높은 25개의 연도 가스 스택 다이어그램
^ 듀엣, 제임스(1988) Smoke에서 상승:영국 런던 빅토리아 소사이어티 산업 굴뚝의 역사 Victorian Society 사례 보고서 2006-09-25 웨이백 머신에 보관
^ 자연환기 강의 2 웨이백 기계에 2006-05-12 보관
^ Perry, R.H.; Green, Don W. (1984). Perry's Chemical Engineers' Handbook (6th Edition (page 9-72) ed.). McGraw-Hill Book Company. ISBN 0-07-049479-7.
^ 자연 환기 강의 3 웨이백 기계에 2006-07-02 보관
^ Beychok, Milton R. (2005). Fundamentals Of Stack Gas Dispersion (4th ed.). author-published. ISBN 0-9644588-0-2. www.air-dispersion.com
^ 우수 엔지니어링 스택 높이 결정에 대한 지침(Stack Height Regulations에 대한 기술 지원 문서), 개정(1985), EPA 간행물 No. EPA–450/4–80–023R, 미국 환경 보호청(NTIS No. PB 85–225241)
^ 로슨 주니어, R.E.와 W.H. 스나이더(1983). 우수 엔지니어링 사례 스택 높이 결정: EPA 간행물 No. EPA-600/3–83–024 발전소 실증 연구 미국 환경보호청(NTIS No. PB 83–207407)

외부 링크

[1] 전 세계에서 가장 높은 25개의 연도 가스 스택 다이어그램

[2] 듀엣, 제임스(1988) Smoke에서 상승:영국 런던 빅토리아 소사이어티 산업 굴뚝의 역사 Victorian Society 사례 보고서 2006-09-25 웨이백 머신에 보관

[3] 자연환기 강의 2 웨이백 기계에 2006-05-12 보관

[4] Perry, R.H.; Green, Don W. (1984). Perry's Chemical Engineers' Handbook (6th Edition (page 9-72) ed.). McGraw-Hill Book Company. ISBN 0-07-049479-7.

[5] 자연 환기 강의 3 웨이백 기계에 2006-07-02 보관

[6] Beychok, Milton R. (2005). Fundamentals Of Stack Gas Dispersion (4th ed.). author-published. ISBN 0-9644588-0-2. www.air-dispersion.com

[7] 우수 엔지니어링 스택 높이 결정에 대한 지침(Stack Height Regulations에 대한 기술 지원 문서), 개정(1985), EPA 간행물 No. EPA–450/4–80–023R, 미국 환경 보호청(NTIS No. PB 85–225241)

[8] 로슨 주니어, R.E.와 W.H. 스나이더(1983). 우수 엔지니어링 사례 스택 높이 결정: EPA 간행물 No. EPA-600/3–83–024 발전소 실증 연구 미국 환경보호청(NTIS No. PB 83–207407)

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