연도 가스 조성과 과잉 공기는 연소 장치 주변의 가스 분석과 물질 및 원소 수지를 결합하여 평가합니다. 파일럿 플랜트에서 작업자는 일반적으로 오르잣(Orsat) 장치나 연속 가스 분석기를 사용하여 CO₂, O₂, CO, SO₂ 및 N₂의 건조 연도 가스 농도를 측정합니다. 그런 다음 연료 조성으로부터 이론적 산소 요구량을 계산하고 이를 연소용 공기로 공급된 실제 산소량과 비교합니다.

핵심 요약: 연도 가스 분석은 연소 후 남은 산소의 양을 나타내며, 연료 및 공기 흐름 데이터는 이론적 요구량을 설정합니다. 실제 공급된 공기를 화학양론적 공기와 비교하고 그 결과를 측정된 연도 가스 조성과 대조함으로써 과잉 공기 비율을 구하고 연소 물질 수지를 검증할 수 있습니다.

연소 기준 설정

연료 조성 정의

분석은 건조 연료 또는 공급된 그대로의 연료 조성에서 시작합니다. 수지 계산 시 탄소, 수소, 황, 연료에 이미 결합된 산소, 수분, 회분 및 기타 관련 성분을 식별해야 합니다.

기체 연료의 경우 메탄, 에탄, 수소, 일산화탄소, 이산화탄소 및 기타 성분의 몰 분율로 조성을 나타낼 수 있습니다. 고체 또는 액체 연료의 경우, 원소 분석은 일반적으로 탄소, 수소, 산소, 황, 질소, 회분 및 수분의 질량 백분율로 표현됩니다.

일관된 기준 선택

계산은 연료 100 kmol, 석탄 100 kg 또는 측정된 파일럿 플랜트 가동 기간과 같이 정의된 기준에 따라 수행됩니다. 모든 연료, 공기, 연도 가스 및 잔류물 양은 동일한 기준을 사용해야 합니다.

또한 분석 시 수증기를 포함하는 습윤 연도 가스와 수분이 제거된 건조 연도 가스를 구분합니다. 대부분의 오르잣 및 굴뚝 가스 결과는 건조 기준으로 보고됩니다.

이론적 산소 요구량 계산

완전 연소 화학양론 적용

이론적 산소 요구량은 예상되는 최고 산화 상태까지의 완전 산화를 기준으로 계산합니다:

• 탄소는 CO₂로 전환됩니다.
• 수소는 H₂O로 전환됩니다.
• 황은 SO₂로 전환됩니다.

원소 탄소, 수소, 황 및 산소를 포함하는 연료의 경우, 순 산소 요구량은 일반적으로 질량 기준으로 다음과 같이 작성됩니다:

[ n_{O_2,\text{net}}

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

여기서 (n_C), (n_H), (n_S) 및 (n_O)는 일관된 원자 단위로 표현된 탄소, 수소, 황 및 연료 결합 산소의 양입니다.

연료 결합 산소는 산화에 기여하므로 차감합니다. 이론적 요구량은 완전 연소를 기준으로 하므로, 측정된 일산화탄소나 미연소 연료가 이론적 산소 요구량을 재정의하지는 않습니다.

산소 요구량을 화학양론적 공기로 변환

일반적인 건조 공기의 경우 산소는 부피 또는 몰 분율로 약 21%이며, 나머지는 대부분 질소입니다. 따라서:

[ n_{\text{air,stoich}}

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

파일럿 플랜트에서 산소 부화 공기, 재순환 연도 가스, 가습 공기 또는 기타 산화제를 사용하는 경우 적절한 실제 공기 조성을 사용하는 것이 중요합니다.

연도 가스 조성 측정

오르잣 또는 기기 분석 사용

전통적인 오르잣 분석기는 이산화탄소, 산소, 때로는 일산화탄소를 선택적으로 흡수하여 건조 연도 가스 성분을 측정합니다. 질소는 일반적으로 차감법으로 구합니다:

[ y_{N_2}

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

현대적인 파일럿 플랜트는 상자성 산소 측정, 적외선 이산화탄소 및 일산화탄소 측정, 또는 자외선 이산화황 측정과 같은 기술을 기반으로 하는 연속 분석기를 자주 사용합니다.

기준 및 샘플링 조건 보고

연도 가스 결과는 농도가 건조 기준인지 습윤 기준인지, 부피 분율인지 몰 분율인지, 그리고 샘플링 온도와 압력을 명시해야 합니다. 샘플링 라인에는 여과, 냉각, 응축 제어 및 수분 보정이 필요할 수 있습니다.

부적절한 샘플링은 잘못된 결과를 초래할 수 있습니다. 응축수, 누출, 입자 부하, 분석기 교차 감도 또는 대표성이 없는 샘플링 위치는 모두 가스 조성을 왜곡할 수 있습니다.

주요 성분 해석

CO₂는 탄소 산화를 나타내며 탄소 수지를 확인하는 데 유용합니다. 낮은 CO₂ 농도는 높은 과잉 공기, 불완전 연소, 연료 희석 또는 샘플링된 가스에 포함되지 않은 탄소로 인해 발생할 수 있습니다.

O₂는 연소 반응 후 남은 산소를 나타냅니다. 과잉 공기를 제어하기 위해 가장 일반적으로 사용되는 연도 가스 지표이지만, CO 및 미연소 연료 측정값과 함께 해석해야 합니다.

CO 및 잔류 탄화수소는 불완전 연소를 나타냅니다. 이들의 존재는 공기 부족, 연료-공기 혼합 불량, 체류 시간 부족, 낮은 온도 또는 불안정한 버너 작동으로 인해 발생할 수 있습니다.

SO₂는 주로 황 전환과 관련이 있으며 황 수지 및 하류의 산성 가스 처리를 평가하는 데 도움이 됩니다. 질소는 주로 연소 공기에서 유입되지만, 연료 결합 질소 및 질소 산화물 형성은 추가 분석이 필요할 수 있습니다.

과잉 공기 비율 결정

공기 흐름 데이터로부터 계산

실제 공기 공급량이 측정되는 경우, 과잉 공기 비율은 다음과 같습니다:

[ %\text{ excess air}

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

동일하게, 공기에서 공급된 산소를 사용하는 경우:

[ %\text{ excess air}

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

과잉 공기 계수는 다음과 같습니다:

[ \lambda

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

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

따라서 15% 과잉 공기는 (\lambda=1.15)에 해당합니다.

건조 연도 가스 산소로부터 추정

일반 공기를 사용한 완전 연소와 연료 내 산소가 무시할 수준일 때, 건조 연도 가스 산소를 기반으로 한 일반적인 근사식은 다음과 같습니다:

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

이 관계식은 측정된 산소가 과잉 산화제의 주요 지표이며 공기 조성을 알고 있다고 가정합니다.

일산화탄소, 미연소 연료, 산소 부화, 공기 누출, 연도 가스 재순환 또는 상당한 연료 결합 산소가 존재할 경우 이 근사식의 신뢰도는 떨어집니다.

전체 물질 수지로 교차 검증

가장 확실한 파일럿 플랜트 절차는 두 가지 독립적인 추정치를 비교하는 것입니다:

1. 연료 원소 분석으로부터 이론적 공기를 계산합니다.
2. 측정된 공기 흐름으로부터 실제 공기를 계산합니다.
3. 건조 연도 가스를 분석합니다.
4. 탄소, 수소, 황, 산소 및 질소 수지를 사용하여 배출 흐름을 재구성합니다.
5. 계산된 조성과 측정된 조성을 비교합니다.

일치하는 결과는 운영 데이터의 타당성을 뒷받침합니다. 상당한 불일치가 발생하면 분석기 오류, 공기 침투, 부정확한 연료 조성, 측정되지 않은 고체 잔류물 또는 불완전 연소를 나타낼 수 있습니다.

상충 관계 이해

공기 부족은 불완전 연소를 유발

화학양론적 공기 요구량 미만으로 작동하면 CO, 그을음, 연기, 수소, 메탄 또는 기타 미연소 탄화수소가 생성될 수 있습니다. 또한 연료의 화학적 에너지 일부가 배기가스나 잔류물에 남아 있기 때문에 회수 가능한 열이 감소합니다.

낮은 산소 측정값만으로는 효율적인 작동을 증명할 수 없습니다. CO 농도가 높은 상태에서 낮은 O₂ 연도 가스는 산소 부족이나 혼합 불량을 나타낼 수 있습니다.

과도한 공기는 열효율을 감소

과잉 공기는 완전 연소를 촉진하는 데 도움이 되지만, 노(furnace)에서 가열되는 질소와 사용되지 않는 산소의 양을 증가시킵니다. 이 가스들은 굴뚝을 통해 배출되면서 공정에서 현열을 빼앗아 갑니다.

따라서 과도한 공기는 열효율을 낮추고, 팬 및 덕트 요구량을 증가시키며, 오염 물질 농도를 희석할 수 있습니다. 적절한 작동 지점은 안정적이고 완전한 연소를 유지하면서 안전 및 배출 요구 사항을 충족하는 최소 과잉 공기 수준입니다.

공기 누출은 계산을 왜곡할 수 있음

노 씰, 검사 포트, 덕트 조인트 또는 샘플링 지점을 통해 유입되는 공기는 버너에 공급되는 연소 공기를 반드시 대표하지 않으면서도 측정된 연도 가스 산소 농도를 증가시킵니다. 이로 인해 계산된 과잉 공기가 버너 설정보다 높게 나타날 수 있습니다.

따라서 파일럿 플랜트 수지 계산 시 가능한 한 연소 공기와 제어되지 않은 희석 공기를 구분해야 합니다.

수분 및 이슬점 고려 필수

연료 수분과 수소 연소로 생성된 물은 습윤 연도 가스에는 나타나지만 건조 오르잣 결과에는 없습니다. 이 구분은 측정된 농도를 총 유량으로 변환하거나 산소 수지를 수행할 때 중요합니다.

또한 응축을 의도적으로 관리하지 않는 한, 열 회수 장비에서 연도 가스는 관련 물 또는 산 이슬점 이상으로 유지되어야 합니다. 황 함유 연료는 황 산화물과 물이 함께 응축될 때 산성 응축수와 부식 위험을 초래할 수 있습니다.

파일럿 플랜트에 적용하는 방법

적절한 방법은 실험의 목적과 사용 가능한 계측기에 따라 다릅니다.

• 주요 초점이 연소 효율인 경우: 건조 O₂, CO₂, CO를 연속적으로 측정하고, 연료 조성으로부터 이론적 공기를 계산하며, CO와 미연소 연료를 허용 가능한 수준으로 낮게 유지하는 최소 과잉 공기량에서 작동하십시오.
• 주요 초점이 물질 수지 검증인 경우: 고정된 연료 기준을 사용하고, 공기 및 연도 가스 유량을 측정하며, 건조 가스를 분석하고, 탄소, 수소, 황, 산소 및 질소 수지를 닫으십시오.
• 주요 초점이 버너 또는 노 제어인 경우: 연도 가스 O₂를 제어 지표로 사용하되, CO, 공기 누출, 연료 흐름 및 주기적인 분석기 교정과 대조하여 검증하십시오.
• 주요 초점이 배출물 또는 배기 처리인 경우: 스크러버 및 기타 처리 장비의 크기를 결정하거나 평가하기 전에 명확하게 명시된 건조 또는 습윤 기준으로 CO₂, CO, SO₂, 산소, 수분 및 관련 오염 물질을 추적하십시오.

신뢰할 수 있는 과잉 공기 평가는 정확한 연도 가스 측정과 화학양론적으로 일관된 연소 수지가 모두 필요합니다.

요약 표:

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