排ガス組成と過剰空気率は、ガス分析と燃焼ユニット周りの物質収支および元素収支を組み合わせることで評価されます。 パイロットプラントでは、オペレーターは通常、オルザット分析計または連続ガス分析計を使用して、CO₂、O₂、CO、SO₂、およびN₂の乾燥排ガス濃度を測定します。その後、燃料組成から理論酸素要求量を計算し、燃焼用空気として供給された実際の酸素量と比較します。

要点： 排ガス分析は燃焼後に残存する酸素量を示し、燃料および空気流量のデータは理論上の要求量を確定させます。供給された実際の空気量と化学量論的な空気量を比較し、その結果を測定された排ガス組成と照合することで、過剰空気率を算出し、燃焼の物質収支を検証します。

燃焼の基準の設定

燃料組成の定義

分析は、乾燥燃料または燃焼時の燃料組成から始まります。収支計算では、炭素、水素、硫黄、燃料中に既に結合している酸素、水分、灰分、およびその他の関連する窒素成分などを特定する必要があります。

ガス燃料の場合、組成はメタン、エタン、水素、一酸化炭素、二酸化炭素などのモル分率として表されます。固体または液体燃料の場合、元素分析は通常、炭素、水素、酸素、硫黄、窒素、灰分、水分の質量パーセントとして表されます。

一貫した基準の選択

計算は、燃料100 kmol、石炭100 kg、または測定されたパイロットプラントの運転期間など、定義された基準に基づいて行われます。すべての燃料、空気、排ガス、および残留物の量は、同じ基準を使用しなければなりません。

また、分析では、水蒸気を含む湿り排ガスと、水分を除去した乾き排ガスを区別します。ほとんどのオルザット分析や煙道ガス測定の結果は、乾き基準で報告されます。

理論酸素要求量の計算

完全燃焼の化学量論の適用

理論酸素要求量は、予想される最高酸化状態への完全酸化を想定して計算されます。

炭素はCO₂に変換されます。
水素はH₂Oに変換されます。
硫黄はSO₂に変換されます。

元素状の炭素、水素、硫黄、酸素を含む燃料の場合、必要な正味の酸素量は、質量基準で一般的に次のように記述されます：

[ n_{O_2,\text{net}}

n_C+\frac{n_H}{4}+n_S-\frac{n_O}{2} ]

ここで、(n_C)、(n_H)、(n_S)、および(n_O)は、一貫した原子単位で表された炭素、水素、硫黄、および燃料中の酸素の量です。

燃料中の酸素は酸化に寄与するため、差し引かれます。理論要求量は完全燃焼に基づいているため、測定された一酸化炭素や未燃燃料は、理論酸素要求量を再定義するものではありません。

酸素要求量を化学量論的空気量に変換

通常の乾燥空気の場合、酸素は体積またはモル分率で約21%であり、残りのほとんどは窒素です。したがって：

[ n_{\text{air,stoich}}

\frac{n_{O_2,\text{stoich}}}{y_{O_2,\text{air}}} ]

パイロットプラントで酸素富化空気、再循環排ガス、加湿空気、またはその他の酸化剤を使用する場合は、適切な実際の空気組成を使用することが重要です。

排ガス組成の測定

オルザット分析または機器分析の使用

伝統的なオルザット分析計は、二酸化炭素、酸素、および場合によっては一酸化炭素を選択的に吸収させることで、乾き排ガス成分を測定します。窒素は通常、差分法で求められます：

[ y_{N_2}

1-y_{CO_2}-y_{O_2}-y_{CO}-y_{\text{other}} ]

現代のパイロットプラントでは、磁気式酸素測定、赤外線による二酸化炭素および一酸化炭素測定、または紫外線による二酸化硫黄測定などの技術に基づいた連続分析計がよく使用されます。

基準とサンプリング条件の報告

排ガスの結果は、濃度が乾き基準か湿り基準か、体積分率かモル分率か、そしてサンプリング時の温度と圧力を明記する必要があります。サンプリングラインには、ろ過、冷却、結露制御、水分補正が必要な場合があります。

サンプリングが不適切だと、誤った結果を招く可能性があります。凝縮水、漏れ、微粒子負荷、分析計の交差感度、または代表性のないサンプリング位置はすべて、見かけのガス組成を歪める可能性があります。

主要成分の解釈

CO₂は炭素の酸化を示し、炭素収支を確認するのに役立ちます。CO₂濃度が低い場合、過剰空気量が多い、不完全燃焼、燃料の希釈、またはサンプリングガスに含まれていない炭素などが原因である可能性があります。

O₂は燃焼反応後に残存する酸素を表します。過剰空気を制御するための最も一般的な排ガス指標ですが、COや未燃燃料の測定値と合わせて解釈する必要があります。

COおよび残留炭化水素は不完全燃焼を示します。これらが存在する場合、空気不足、燃料と空気の混合不良、滞留時間の不足、低温、またはバーナーの不安定な運転が原因である可能性があります。

SO₂は主に硫黄の転換に関連しており、硫黄収支や下流の酸性ガス処理を評価するのに役立ちます。窒素は主に燃焼用空気から持ち込まれますが、燃料中の窒素や窒素酸化物の生成には追加の分析が必要になる場合があります。

過剰空気率の決定

空気流量データからの計算

実際の空気供給量が測定されている場合、過剰空気率は次のようになります：

[ %\text{ excess air}

\frac{n_{\text{air,actual}}-n_{\text{air,stoich}}} {n_{\text{air,stoich}}} \times 100 ]

同様に、空気から供給される酸素を使用する場合：

[ %\text{ excess air}

\frac{n_{O_2,\text{actual}}-n_{O_2,\text{stoich}}} {n_{O_2,\text{stoich}}} \times 100 ]

過剰空気係数は次の通りです：

[ \lambda

\frac{n_{\text{air,actual}}}{n_{\text{air,stoich}}}

1+\frac{%\text{ excess air}}{100} ]

したがって、15%の過剰空気は(\lambda=1.15)に対応します。

乾き排ガス中の酸素からの推定

通常の空気を用いた完全燃焼で、燃料中の酸素が無視できる場合、乾き排ガス中の酸素に基づく一般的な近似式は次の通りです：

[ %\text{ excess air} \approx \frac{y_{O_2,\text{dry}}} {0.21-y_{O_2,\text{dry}}} \times 100 ]

この関係式は、測定された酸素が過剰酸化剤の主要な指標であり、空気組成が既知であることを前提としています。

一酸化炭素、未燃燃料、酸素富化、空気漏れ、排ガス再循環、または燃料中の酸素が有意に存在する場合、この近似の信頼性は低下します。

完全物質収支によるクロスチェック

最も確実なパイロットプラントの手順は、2つの独立した推定値を比較することです：

燃料の元素分析から理論空気量を計算する。
測定された空気流量から実際の空気量を計算する。
乾き排ガスを分析する。
炭素、水素、硫黄、酸素、窒素の収支を用いて出口ストリームを再構築する。
計算値と測定値を比較する。

一致すれば運転データの妥当性が裏付けられます。大きな不一致がある場合は、分析計の誤差、空気の混入、不正確な燃料組成、測定されていない固体残留物、または不完全燃焼を示している可能性があります。

トレードオフの理解

空気不足は不完全燃焼を引き起こす

化学量論的な空気要求量を下回って運転すると、CO、すす、煙、水素、メタン、またはその他の未燃炭化水素が発生する可能性があります。また、燃料の化学エネルギーの一部が排気や残留物に残るため、回収可能な熱も低下します。

酸素濃度が低いことだけで効率的な運転とは言えません。CO濃度の上昇を伴う低O₂排ガスは、酸素不足や混合不良を示している可能性があります。

過剰な空気は熱効率を低下させる

過剰な空気は完全燃焼を促進しますが、同時に炉で加熱される窒素や未使用の酸素の量も増加させます。これらのガスは煙道から排出され、プロセスから顕熱を持ち去ります。

そのため、過剰な空気は熱効率を低下させ、ファンやダクトの要件を増大させ、汚染物質濃度を希釈します。適切な運転ポイントは、安定した完全燃焼を維持し、安全性と排出要件を満たす最小の過剰空気レベルです。

空気漏れは計算を損なう可能性がある

炉のシール、点検口、ダクトの継ぎ目、またはサンプリングポイントから侵入する空気は、バーナーに供給される燃焼用空気を必ずしも表していないにもかかわらず、測定される排ガス中の酸素濃度を上昇させます。これにより、計算上の過剰空気率がバーナー設定よりも高く見えることがあります。

したがって、パイロットプラントの収支計算では、可能な限り燃焼用空気と制御不能な希釈空気を区別する必要があります。

水分と露点を考慮する必要がある

燃料の水分や水素の燃焼によって生成される水は、湿り排ガスには現れますが、乾きオルザット分析の結果には現れません。この区別は、測定された濃度を全流量に変換したり、酸素収支を行ったりする場合に重要です。

また、結露を意図的に管理する場合を除き、排ガスは熱回収装置において関連する水または酸の露点以上に保たれる必要があります。硫黄を含む燃料は、硫黄酸化物と水が一緒に凝縮すると、酸性の凝縮物や腐食のリスクを生じさせる可能性があります。

パイロットプラントへの適用方法

適切な方法は、実験の目的と利用可能な計装機器によって異なります。

主な焦点が燃焼効率にある場合： 乾きO₂、CO₂、COを連続的に測定し、燃料組成から理論空気量を計算し、COおよび未燃燃料を許容範囲内に保つ最小の過剰空気量で運転します。
主な焦点が物質収支の検証にある場合： 固定された燃料基準を使用し、空気および排ガスの流量を測定し、乾きガスを分析し、炭素、水素、硫黄、酸素、および窒素の収支を閉じます。
主な焦点がバーナーまたは炉の制御にある場合： 排ガス中のO₂を制御指標として使用しますが、CO、空気漏れ、燃料流量、および定期的な分析計の校正と照らし合わせて検証します。
主な焦点が排出物または排気処理にある場合： スクラバーやその他の処理装置のサイズ決定や評価を行う前に、CO₂、CO、SO₂、酸素、水分、および関連する汚染物質を、明確に定義された乾きまたは湿り基準で追跡します。

信頼性の高い過剰空気率の評価には、正確な排ガス測定と化学量論的に一貫した燃焼収支の両方が必要です。

要約表：

評価項目	主要な手法	主な考慮事項
燃料基準	炭素、水素、硫黄、酸素、水分、灰分の分析	一貫した質量またはモル基準を使用する
理論酸素量	完全燃焼の化学量論の適用	燃料中の酸素を差し引く
化学量論的空気量	酸素需要量を空気中の酸素分率で割る	富化、加湿、再循環空気の場合は調整する
排ガス分析	乾きO₂、CO₂、CO、SO₂、N₂の測定	乾き/湿り基準とサンプリング条件を明記する
流量データからの過剰空気	実際の空気量と化学量論的空気量の比較	%過剰空気 = (実空気量 - 理論空気量) / 理論空気量 x 100
O₂からの過剰空気	乾き排ガス中の酸素濃度を使用	近似式: O₂ / (0.21 - O₂) x 100
収支検証	炭素、水素、硫黄、酸素、窒素の照合	漏れ、分析計誤差、水分、未燃燃料を確認する
運転のトレードオフ	完全燃焼を維持しつつ過剰空気を最小化	O₂をCOや未燃炭化水素と合わせて監視する

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