化学プラントでは、ボイラーや加熱炉などで燃焼計算を行う場面がよくあります。
燃料の種類や組成によって必要な空気量や排ガス量が変わるため、正しく計算できることがとても大切です。
この記事では、実際の燃料組成を使った例をもとに、ボイラーの燃焼計算の考え方と手順をわかりやすく解説します。初心者の方でも理解しやすいよう、基本用語の意味から順を追って説明していきます。
ボイラー技士試験の燃焼計算は、試験中の計算問題の中でも間違えやすい問題でしょう。定義や用語がいろいろあるのに、数式だけで表現しようとするから、すぐに理解するのは多少難しいです。
そこで、燃焼計算に登場する定義のうち理解を妨げる要因である、空気量と燃焼ガス量についてイメージで理解できるように説明していきます。
燃焼計算の定義
ボイラーの燃焼計算において、重要な定義が６つあります。
これらの定義をしっかりおさえていないと、間違えた計算をしてしまうパターンがあります。
空気量
燃焼では以下の反応が行われます。
燃料＋空気→燃焼ガス
空気と燃焼ガスそれぞれを見ていきましょう。
まずは空気から。
理論酸素量
理論酸素量は、理論計算である化学反応式から導出される酸素量のことです。
理論酸素量の計算は、排ガス中の元素分析が最初にあります。
燃料にはC,H,Sなどの可燃成分がある割合で含まれています。
この割合は燃料の硬いで知ることは難しいです。
というのも、色々な化合物の組み合わせで含まれているからですね。
これを簡単に知るためには燃やせばいいだろう、と考えるわけです。
燃焼反応では、マクロ的には以下の反応が行われます。
- C+O2→CO2
- H2+1/2O2→H2O
- S+O2→SO2
C,H,Sの化合物がどんな形であれ、C,H,Sのモル数に比例した分だけＯ2を反応で使用します。
このC,H,Sの量を分析できれば、逆にO2の量を計算できますよね。
液体・固体燃料1kgあたりの炭素・水素・硫黄の質量(kg)をc,h,sとすると、それぞれの酸素量(m3)は
- c*22.4/12
- h*22.4/4
- s*22.4/32
と表現できます。
これは上記の反応式からモル比に従って、酸素の体積に変換しただけです。
実際には水素hには酸素分を除かないといけませんが、そこは省略します。
理論空気量
理論空気量はかんたんですね。
理論酸素量を1/0.21倍したものです。
空気中に窒素：酸素が0.79：0.21の割合で含まれているからです。
実際空気量
実際空気量は理論空気量に空気比を掛けたものです。
実際に燃焼に必要な空気量は、理論計算で決まる空気量より多くなるのが普通で、
これを空気比という係数で一般化しましょうという意味です。
一般的な化学反応でもモル比を若干ずらして最適な反応速度を得ますが、これと同じですね。
m=A/A0
という比で決まります。
過剰空気量がA-A0=(m-1)A0と定義されます。
この分の空気（つまり窒素と酸素）は反応には寄与しないと計算されます。
燃焼ガス量
空気に対して次は燃焼ガスを見ていきましょう。
理論乾き燃焼ガス量
理論乾き燃焼ガス量は燃焼ガスから水蒸気成分を除いて、理論計算から求まる完全燃焼した燃焼ガス量のことです。
分かりにくいですよね。
理論酸素量と同じく、化学反応式から決める理論式です。
Vdo=0.79Ao+c*22.4/12+s*22.4/32+n*22.4/28
こんな定義です。
式を眺めると、理論燃焼ガス量は以下の組み合わせで成り立っていることが分かりますね。
- 理論空気量-理論酸素量（ほぼ理論窒素量。N2）
- CO2の体積
- SO2の体積
- N2の体積
燃焼ガスというとややこしく見えるかもしれませんが、実際にはCO2,SO2,N2という形で現れるので、その出所を抑えれば良いですね。
空気中のN2をちゃんと忘れないでいることがポイントです。
乾き燃焼ガス量
乾き燃焼ガス量は、実際空気量に対する理論空気量の関係と同じです。
燃焼に寄与しないガスが過剰空気量に含まれています。
これも燃焼ガスとして排出されますので、カウントが必要ですね。
燃焼ガス量
最後に燃焼ガス全体を考えます。
乾き燃焼ガスに対する全体燃焼ガスです。
何が含まれているかというと水蒸気ですね。
燃料に含まれる水素hや水分wに由来するものです。
湿り燃焼ガスという言い方をしても良いと思います。
Vw=Vd+h*22.4/2+w*22.4/18
燃料中のhは分かりやすいと思いますが、水分があることも忘れたくはないですね。
参考
ボイラー技士試験はプラントエンジニア関係では難易度はあまり高くはなく、書籍も大量に揃っています。
当サイトの記事に合わせて、どれか1つをしっかり見るだけでも、かなり理解を深めることができるでしょう。
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最後に
ボイラーや加熱炉の燃焼計算は、化学プラントの設計・運転において基本的かつ重要なスキルです。
燃料組成さえわかれば、空気量や排ガス量をある程度簡単に見積もることができます。
初心者のうちは、まず「燃焼＝酸素との反応」という原則をおさえ、空気比と排ガス構成のイメージを持つことから始めてみましょう。
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