物質収支と過剰空気の必要量は、反応化学量論と測定された供給物および排ガス組成を組み合わせることで評価されます。 熱処理パイロットプラントでは、オペレーターはまず燃料と廃棄物の元素組成を決定し、次に完全酸化に必要な理論酸素量を計算します。通常、O₂、CO₂、CO、および場合によってはSO₂、HCl、炭化水素を測定する乾式排ガス分析を用いて、収支の検証、過剰空気量の計算、燃焼完全性の評価、および下流のガス処理設備のサイズ決定を行います。

中心となる計算は、空気から供給される酸素と、炭素、水素、硫黄、その他の可燃性元素を目的の生成物に酸化するために必要な正味の酸素量を比較するものです。信頼できる結果を得るには、明確な計算基準、一貫した湿式または乾式ガス測定、およびパイロットプラント全体にわたる成分または元素収支が必要です。

物質収支の基準の設定

プロセス境界の定義

収支境界は通常、燃焼室を囲むように設定され、廃棄物供給、補助燃料、燃焼用空気、灰または残留物、および排ガスを含みます。

定常状態の運転では、蓄積はゼロと仮定されます：

[ \text{全入力}=\text{全出力} ]

プロセスフロー図には、補助燃料、酸素富化空気、クエンチ水、スクラバー液、固体残留物など、境界を横切るすべてのストリームを特定する必要があります。

計算基準の選択

実用的な基準としては、1時間の運転、1バッチの廃棄物、または100kgなどの一定量の廃棄物などが挙げられます。

この基準は、供給速度、ガス測定値、残留物量、および計算された酸素必要量に対して一貫して適用されなければなりません。

供給物の特性評価

燃料と廃棄物は、炭素、水素、酸素、窒素、硫黄、塩素、水分、灰分、およびその他の関連成分について分析されます。

PCBのような有害な有機廃棄物の場合、塩素は特に重要です。これは、十分な水素が存在すれば完全転換によってHClが生成される可能性がある一方、反応条件や供給組成が異なれば他の塩素含有生成物が生成される可能性があるためです。

理論酸素量の計算

完全燃焼反応式の記述

主要な可燃性元素について、意図される完全燃焼生成物は一般に以下の通りです：

[ \mathrm{C \rightarrow CO_2} ]

[ \mathrm{H \rightarrow H_2O} ]

[ \mathrm{S \rightarrow SO_2} ]

炭素、水素、酸素、硫黄を含む一般的な燃料について、理論酸素必要量は元素インベントリから計算されます。

一般的に使用される質量ベースの式は以下の通りです：

[ m_{\mathrm{O_2,theoretical}}

\frac{32}{12}m_C + 8m_H + m_S

m_O ]

ここで、元素質量は一貫した単位で表されます。燃料中に既に結合している酸素は、酸化に寄与し、したがって空気から供給すべき酸素量を減らすため、差し引かれます。

廃棄物と補助燃料を合わせて考慮する

酸素必要量には、廃棄物と補助燃料の両方からの可燃性物質を含める必要があります。

例えば、ヘキサンを主燃料として使用し、廃棄物が追加の炭素、水素、塩素を寄与する場合などです。全理論酸素需要量は、補助燃料単独ではなく、合算された供給元素に基づいて計算されます。

不完全燃焼を性能結果として扱う

理論酸素必要量は、選択された最終生成物への完全酸化に対して定義されます。測定されたCO、すす、未燃炭化水素、または残留炭素は不完全転換を示しますが、これらは理論酸素必要量を再定義するものではありません。

これらの種は、代わりに燃焼性能を評価し、混合、温度、滞留時間、または空気分配が不適切であるかどうかを特定するために使用されます。

空気必要量の決定

理論空気量の計算

乾燥空気は、一般的に約20.99 mol%のO₂と78.03 mol%のN₂を含み、少量のアルゴン、二酸化炭素、微量ガスを含むものと近似されます。

したがって、理論空気必要量は以下の通りです：

[ n_{\mathrm{air,theoretical}}

\frac{n_{\mathrm{O_2,theoretical}}}{0.2099} ]

酸素富化空気を使用する場合は、この計算の0.2099を供給物の実際の酸素モル分率に置き換える必要があります。

実際の酸素入力の計算

空気と共に流入する酸素は、空気流量とその組成から決定されます：

[ n_{\mathrm{O_2,in}}

y_{\mathrm{O_2,air}}n_{\mathrm{air,in}} ]

空気ストリームについては、対応する窒素入力も計算されます：

[ n_{\mathrm{N_2,in}}

y_{\mathrm{N_2,air}}n_{\mathrm{air,in}} ]

窒素は、窒素含有燃料や熱的NOₓ生成に関連する小さな影響を除けば、通常燃焼ゾーンをほぼそのまま通過するため、収支成分として有用です。

過剰空気率の計算

標準的な定義は以下の通りです：

[ %\text{ 過剰空気}

\frac{n_{\mathrm{air,actual}}-n_{\mathrm{air,theoretical}}} {n_{\mathrm{air,theoretical}}} \times 100 ]

同様に、酸素を使用して表すと：

[ %\text{ 過剰空気}

\frac{n_{\mathrm{O_2,in}}-n_{\mathrm{O_2,required}}} {n_{\mathrm{O_2,required}}} \times 100 ]

ここで、(n_{\mathrm{O_2,required}}) は、燃料や廃棄物に既に存在する酸素を考慮した後の、空気から必要な正味の酸素量です。

排ガス分析を用いた収支の検証

一貫した乾式基準で測定する

オルザット分析計や機器分析計は、通常、O₂、CO₂、CO、および場合によってはSO₂の乾式排ガス濃度を提供します。

水蒸気は乾式分析から除去または除外されるため、計算されるガス量も乾式基準を使用する必要があります。乾式測定値と湿式理論計算値を比較すると、系統的な誤差が生じます。

モル分率とドルトンの法則を使用する

ガス分析計がモル分率を報告する場合、各成分の分圧は以下の通りです：

[ p_i=y_iP ]

ここで、(y_i) は成分モル分率、(P) は全圧です。

測定されたO₂濃度は、燃焼後にどれだけの酸素が残っているかを示します。高い残留O₂は一般に過剰空気量が多いことに対応し、非常に低いO₂は、測定が信頼でき、空気の混入が除外されていると仮定すれば、酸素不足を示している可能性があります。

炭素および窒素収支を適用する

炭素収支は、燃料および廃棄物として入る炭素と、以下として出る炭素を比較します：

CO₂
CO
未燃炭化水素
固体残留物中のすすまたは未燃炭素

窒素収支は、空気および燃料として入る窒素と、乾式排ガスおよび窒素含有生成物中の窒素を比較します。

これらの収支は、漏れ、空気の混入、分析計の誤差、測定されていない生成物、または不正確な供給特性評価を特定するのに役立ちます。

直接測定が信頼できない場合の空気流量の推定

高温のガス流量測定は困難で誤差が生じやすいものです。多くのパイロットプラントでは、空気入力と全排ガス生成量は、測定された燃料供給量、廃棄物組成、残留物データ、および乾式排ガス分析を用いた元素収支から推定されます。

この間接的な方法は、排ガスが高温、腐食性、粒子状物質を含んでいる、または組成が変動する場合に特に有用です。

燃焼および処理性能の評価

完全燃焼と不完全燃焼の区別

完全燃焼は、炭素質および水素含有物質から主にCO₂とH₂Oを生成します。

CO、すす、未燃炭化水素、および残留可燃性炭素は不完全燃焼を示します。温度、乱流、または滞留時間が不十分な場合、過剰酸素だけでは完全な分解が保証されないため、これらの存在は過剰空気の計算とは別に報告されるべきです。

収支と熱性能の関連付け

過剰空気は、環境性能とエネルギー効率の両方に影響を与えます。

空気不足は、不完全燃焼、すす、CO生成、および不安定な運転を引き起こす可能性があります。過剰な空気は、加熱および排出が必要なガス量を増加させ、顕熱損失を増加させ、熱効率を低下させる可能性があります。

酸性ガス制御のための塩素収支の使用

塩素系廃棄物の場合、塩素収支はHCl生成量の推定に役立ち、酸性ガススクラバーの設計をサポートします。

収支には、廃棄物中の塩素、排ガス中のHCl、固体中に保持された塩素、およびその他測定または予想される塩素含有生成物を考慮する必要があります。

トレードオフの理解

過剰空気は完全分解と同じではない

高い過剰空気値は酸素の利用可能性を向上させる可能性がありますが、不十分な燃焼温度、不適切な混合、または不十分な滞留時間を補うことはできません。

したがって、熱分解性能は、温度、滞留時間、混合条件、CO、未燃炭化水素、および該当する場合は分解除去効率の測定値を用いて評価する必要があります。

排ガス中の酸素は誤解を招く可能性がある

残留O₂は、炉やサンプリングシステムへの空気漏れによって増加する可能性があります。混入が特定されない場合、計算された過剰空気量は過大評価されます。

分析計の校正、リークテスト、サンプリングラインのコンディショニング、および希釈の補正は、意味のある結果を得るために不可欠です。

酸素富化空気には修正計算が必要

酸素富化空気を使用すると、酸素流量と全ガス流量の関係が変わります。乾燥空気の標準的な20.99%の酸素含有量を富化供給物に適用すると、実際の空気必要量を過小評価したり、誤って表現したりすることになります。

代わりに、富化ストリームの測定された、または指定された酸素濃度を使用する必要があります。

測定基準を一致させる必要がある

燃料組成は「受入ベース」、廃棄物組成は「乾式ベース」、排ガスは「乾式・酸素補正ベース」で報告される場合があります。

これらの基準を直接組み合わせることはできません。物質収支や排出量を計算する前に、水分、灰分、燃料中の酸素、酸素富化、および希釈を調整する必要があります。

目標に合わせた正しい選択

正しい評価方法は、パイロットプラントが何を実証することを意図しているかによって異なります：

主な焦点が燃焼化学量論にある場合： 組み合わされた供給元素を決定し、理論酸素必要量と正味の酸素必要量を計算し、燃料と空気から供給される酸素と比較します。
主な焦点が過剰空気制御にある場合： 校正された乾式排ガスO₂分析を空気供給組成と共に使用し、窒素および炭素収支で結果を検証します。
主な焦点が分解性能にある場合： 計算された過剰空気率に加えて、CO、未燃炭化水素、すす、温度、滞留時間、および混合状態を評価します。
主な焦点が排出ガス処理設計にある場合： CO₂、HCl、SO₂、灰分、およびスクラバー負荷を推定するために、炭素、塩素、硫黄、および粒子状物質の収支を完了させます。
主な焦点がパイロットプラントのデータ品質にある場合： すべてのストリームを1つの基準に調整し、間接的な元素収支を使用して流量計、分析計、漏れ、および測定されていない出力をチェックします。

説得力のあるパイロットプラント評価は、化学量論的計算、測定された排ガス組成、運転条件、および排出ガス制御要件を1つの一貫した物質収支にリンクさせるものです。

要約表：

評価領域	主要な入力	主な結果
物質収支	供給物、燃料、空気、残留物、および排ガスデータ	検証済みの入出力質量収支
理論酸素量	供給物中の炭素、水素、硫黄、酸素	完全燃焼に必要なO₂量
過剰空気	実際の空気またはO₂入力対理論需要量	過剰空気率
排ガス検証	乾式O₂、CO₂、CO、SO₂、および窒素データ	燃焼および測定の妥当性確認
分解性能	CO、炭化水素、すす、温度、および滞留時間	燃焼完全性の評価
排出ガス処理	塩素、硫黄、炭素、灰分、および粒子状物質収支	スクラバー負荷および処理要件
データ品質	一貫した湿式/乾式および受入/乾式基準	説得力のあるパイロットプラント結果

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