排ガス流中の酸素測定について理解する

化学量論的に過剰な O2 量の方が重要な測定値であるため、ガス流中の O2 の総量を見ると誤解を招く可能性があります。

自動化された燃焼プロセスは、住宅用電化製品や HVAC システムから大型の産業用ボイラー、加熱ヒーター、発電所に至るまで、私たちの周りのいたるところにあります。 規模や目的はすべて異なりますが、共通して達成しようとする要素は、効果的な燃焼制御による高効率です。 燃料コストが主要な要素であるため、効率が重視されますが、安全性と排出ガス、特に産業用途の場合は、安全性と排出ガスに関する考慮事項も最優先に考慮されます。 この記事で説明する燃焼の種類は、燃料と酸素 (O2) の間の化学反応であるため、基本的な化学量論的要因の影響を受けます。 対応する数の燃料分子と反応するには、正しい数の O2 分子が利用可能でなければなりません。 実際問題として、ほとんどの燃焼器は大気を使用し、空気流量を測定して O2 供給を制御します。 どちらの方向でも空気の流れが不均衡になると問題が発生します。 空気が不十分な場合（化学量論的要件を下回る場合、または燃料が豊富な燃焼の場合）、未燃の燃料がスタックから排出されます。 これにより燃料が無駄になり、排出ガスや有害な大気汚染物質が発生します。 また、十分な量の燃料がその後 O2 と混合して発火した場合には、潜在的な安全上の問題も生じます。 さらに問題を複雑にしているのは、現実世界では燃焼が 100% 完了することはほとんどありません。 通常、煙道ガス中にはある程度の未燃焼燃料が存在しますが、微量であっても O2 レベルの総量と過剰量に重大な影響を与えることはありません。 しかし、かなりのレベルの未燃燃料が施設の運用寿命のある時点で発生する可能性があり、それは実感されているよりも一般的です。 これは、最も効率の高いバーナーであっても避けられません。 これが何を意味するかについては、後ほど詳しく説明します。 空気が多すぎると（化学量論的要件を超えて燃料希薄燃焼が発生する）、不必要な量の空気を加熱するためにエネルギーが浪費されるため、効率が低下します。 空気の約 80% が窒素であるため、これはある程度避けられませんが、過剰な空気が増加すると窒素酸化物 (NOx) の排出量が増加する可能性がありますが、過剰な空気は効率上の問題が少なく、動作の安全性が高くなります。 ほとんどの燃焼器には、良好な燃焼、低排出ガス、高効率を達成するための理想的な過剰空気が存在します。 過剰な空気と過剰な燃料はどちらも効率を低下させますが、過剰な空気は同じ量の過剰な燃料ほど効率を低下させません。

昔ながらのガスストーブやヒーターを使ったことがある人なら誰でも、バーナーの空気取り入れ口を調整して完全に青い炎を実現する混合プロセスが機能しているのを見ることができます。 しかし、安全性、効率、排出量を考慮して大規模燃焼を最適化する最も現実的な方法は何だろうか、という疑問が生じます。 最も一般的な答えは、燃焼排ガス中に残留する O2 の量を測定して制御することですが、何が理想的なのでしょうか? 先ほど述べたように、燃焼は完全に完了していないことが多いため、たとえバーナーに入る空気と燃料の混合物が適切であったとしても、一部の未燃燃料と O2 がスタックから排出されます。 問題となるのは、燃料の燃焼に必要な量を超える O2 の量ですが、オペレータが測定値が何を表しているのかを十分に理解していなければ、排ガス流中の総 O2 含有量を調べることは誤った結果となる可能性があります。 課題は、煙道ガス中の O2 が化学量論量をどれだけ超えているかを判断することです。 空気流量を化学量論量 (図 1) よりも減らすことは望ましくないため、オペレーターは通常、ある程度の過剰な O2 を必要としますが、正確な量は燃料と燃焼システムによって異なります。 ほとんどの状況では、燃料が豊富な状態で運転するよりも、燃料が少ない側で失敗する方が望ましいです。

産業用設備には、幅広い制御戦略があります。 少なくとも、燃料流量を監視する計器が存在します。 空気流量は燃料流量に応じて計測されるか、少なくとも制御されます。 このタイプのスキームは、大まかな計算に何らかの式 (燃料単位あたりの空気量) を使用して実装できますが、さまざまな燃料源からの酸素要求量の変動や、燃料と空気の流量測定の精度により、実際の空気流量を監視する必要があります。排ガスの O2 含有量も同様です。 排ガス O2 測定には、チューナブル ダイオード レーザー (TDL) アナライザーとジルコニア センサー アナライザーという 2 つの技術が一般的に適用されます。 TDL アナライザは、レーザー光源と検出器という 2 つのセンシング コンポーネント (図 2) を使用します。

ボイラー、加熱ヒーター、その他の燃焼プロセスの制御装置は、過剰ではない適切な空気での動作を保証するために燃焼用空気を調整するように構築されています。 ジルコニウムセンサーは、過剰空気に直接関係する総 O2 ではなく、過剰 O2 を測定します。 TDL などの他の技術は総 O2 を測定しますが、未燃燃料が存在する場合の過剰空気の直接的な測定はできません。 総 O2 は、燃焼が 100% 完了し、未燃燃料が存在しない場合にのみ過剰 O2 と等しくなります。 未燃焼燃料を使用して操作することは決して意図されていませんが、リスクは残り、事実上すべての用途である程度発生します。 したがって、TDL 分析装置を使用する場合、その総 O2 測定により、オペレーターまたは自動コントローラーが危険な燃料過多状態で運転する可能性があります。 シンプルで耐久性のあるジルコニウムセンサーは、過剰なO2のみを測定することでこの問題に対処し、オペレーターが安全で最適な状態を維持しながら燃焼プロセスを制御できるようにします。

Neil Widmer は、エマソンの燃焼事業開発マネージャーです。 彼は燃焼および熱エネルギー業界で 30 年の経験があります。 ニールは 13 件の米国特許と 2 件の査読済み出版物を所有しており、多数の論文やプレゼンテーションを執筆しています。 カリフォルニア大学デービス校で BSME の学位を取得しています。Jesse Sumstad は、エマソンの測定ソリューション ビジネスのグローバル プロダクト マネージャーです。 彼は、現場酸素分析装置、抽出酸素および可燃性の送信機、付属品で構成される分析機器の燃焼ポートフォリオを管理しています。 ジェシーはアイオワ大学で産業工学の理学士号を取得し、セント トーマス大学で MBA を取得しました。

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