물질 수지와 과잉 공기 요구량은 반응 화학양론과 측정된 공급물 및 배가스 조성을 결합하여 평가합니다. 열처리 파일럿 플랜트에서 운영자는 먼저 연료와 폐기물의 원소 조성을 결정한 다음 완전 산화에 필요한 이론적 산소량을 계산합니다. 일반적으로 O₂, CO₂, CO, 때로는 SO₂, HCl 및 탄화수소를 측정하는 건식 배가스 분석은 수지를 검증하고, 과잉 공기를 계산하며, 연소 완전성을 평가하고, 후단 가스 처리 설비의 크기를 결정하는 데 사용됩니다.

핵심 계산은 공기에 의해 공급되는 산소와 탄소, 수소, 황 및 기타 가연성 원소를 의도한 생성물로 산화시키는 데 필요한 순 산소량을 비교하는 것입니다. 신뢰할 수 있는 결과를 얻으려면 정의된 계산 기준, 일관된 습식 또는 건식 가스 측정, 그리고 전체 파일럿 플랜트에 걸친 성분 또는 원소 수지가 필요합니다.

물질 수지 기준 설정

공정 경계 정의

수지 경계는 일반적으로 폐기물 공급, 주 연료, 연소 공기, 재 또는 잔재물, 배가스를 포함하는 연소실을 둘러쌉니다.

정상 상태 작동의 경우, 축적량은 0으로 가정합니다:

[ \text{총 입력}=\text{총 출력} ]

공정 흐름도는 보조 연료, 산소 부하 공기, 급냉수, 스크러버액 및 고체 잔재물을 포함하여 경계를 넘는 모든 흐름을 식별해야 합니다.

계산 기준 선택

실용적인 기준은 1시간의 작동, 폐기물 1배치, 또는 100kg과 같은 고정된 폐기물 질량이 될 수 있습니다.

이 기준은 공급 속도, 가스 측정값, 잔재물 양 및 계산된 산소 요구량에 일관되게 적용되어야 합니다.

공급물 특성 분석

연료와 폐기물은 탄소, 수소, 산소, 질소, 황, 염소, 수분, 재 및 기타 관련 성분에 대해 분석됩니다.

PCB와 같은 유해 유기 폐기물의 경우, 충분한 수소가 존재할 때 완전 전환이 HCl을 생성할 수 있거나 반응 조건과 공급물 조성에 따라 다른 염소 함유 생성물을 생성할 수 있으므로 염소가 특히 중요합니다.

이론적 산소량 계산

완전 연소 반응식 작성

주요 가연성 원소에 대해, 의도된 완전 연소 생성물은 일반적으로 다음과 같습니다:

[ \mathrm{C \rightarrow CO_2} ]

[ \mathrm{H \rightarrow H_2O} ]

[ \mathrm{S \rightarrow SO_2} ]

탄소, 수소, 산소 및 황을 포함하는 일반적인 연료의 경우, 이론적 산소 요구량은 원소 인벤토리에서 계산됩니다.

일반적으로 사용되는 질량 기반 표현식은 다음과 같습니다:

[ m_{\mathrm{O_2,theoretical}}

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

m_O ]

여기서 원소 질량은 일관된 단위로 표현됩니다. 연료에 이미 결합된 산소는 산화에 기여하여 공기와 함께 들어와야 하는 산소량을 줄이므로 차감됩니다.

폐기물과 보조 연료를 함께 고려

산소 요구량에는 폐기물과 보조 연료 모두에서 나오는 가연성 물질이 포함되어야 합니다.

예를 들어, 헥산은 주 연료로 사용될 수 있고 폐기물은 추가적인 탄소, 수소 및 염소를 제공할 수 있습니다. 총 이론적 산소 요구량은 보조 연료만이 아닌 결합된 원소 공급물을 기준으로 합니다.

불완전 연소를 성능 결과로 처리

이론적 산소 요구량은 선택된 최종 생성물로의 완전 산화를 위해 정의됩니다. 측정된 CO, 그을음, 미연소 탄화수소 또는 잔류 탄소는 불완전 전환을 나타내지만, 이론적 산소 요구량을 재정의하지는 않습니다.

대신 이러한 종들은 연소 성능을 평가하고 혼합, 온도, 체류 시간 또는 공기 분배가 부적절한지 식별하는 데 사용됩니다.

공기 요구량 결정

이론적 공기량 계산

건조 공기는 일반적으로 20.99 mol% O₂ 및 78.03 mol% N₂와 소량의 아르곤, 이산화탄소 및 미량 가스를 포함하는 것으로 근사화됩니다.

따라서 이론적 공기 요구량은 다음과 같습니다:

[ n_{\mathrm{air,theoretical}}

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

산소 부하 공기를 사용하는 경우, 이 계산에서 0.2099를 공급물의 실제 산소 몰 분율로 대체해야 합니다.

실제 산소 입력량 계산

공기와 함께 들어오는 산소는 공기 유량과 그 조성으로부터 결정됩니다:

[ n_{\mathrm{O_2,in}}

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

공기 흐름의 경우, 대응하는 질소 입력량도 계산됩니다:

[ n_{\mathrm{N_2,in}}

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

질소는 질소 함유 연료나 열적 NOₓ 형성과 관련된 작은 영향을 제외하고는 일반적으로 연소 영역을 거의 변함없이 통과하기 때문에 수지 성분으로 유용합니다.

과잉 공기 백분율 계산

표준 정의는 다음과 같습니다:

[ %\text{ excess air}

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

동일하게, 산소를 사용하여:

[ %\text{ excess air}

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

여기서 (n_{\mathrm{O_2,required}})는 연료나 폐기물에 이미 존재하는 산소를 고려한 후 공기에서 필요한 순 산소량입니다.

배가스 분석을 이용한 수지 검증

일관된 건조 기준 측정

Orsat 분석기나 기기 가스 분석기는 일반적으로 O₂, CO₂, CO 및 때로는 SO₂의 건조 배가스 농도를 제공합니다.

수증기는 건조 분석에서 제거되거나 제외되므로 계산된 가스량도 건조 기준을 사용해야 합니다. 건조 측정값과 습식 이론 계산값을 비교하면 체계적인 오류가 발생합니다.

몰 분율과 돌턴의 법칙 사용

가스 분석기가 몰 분율을 보고하는 경우, 각 성분의 부분 압력은 다음과 같습니다:

[ p_i=y_iP ]

여기서 (y_i)는 성분 몰 분율이고 (P)는 총 압력입니다.

측정된 O₂ 농도는 연소 후 남은 산소량을 나타냅니다. 높은 잔류 O₂는 일반적으로 더 큰 과잉 공기에 해당하며, 매우 낮은 O₂는 측정값이 신뢰할 수 있고 공기 유입이 배제되었다는 전제하에 산소 부족을 나타낼 수 있습니다.

탄소 및 질소 수지 적용

탄소 수지는 연료와 폐기물로 들어오는 탄소를 다음과 같이 나가는 탄소와 비교합니다:

CO₂
CO
미연소 탄화수소
고체 잔재물의 그을음 또는 미연소 탄소

질소 수지는 공기와 연료로 들어오는 질소를 건조 배가스 및 질소 함유 생성물의 질소와 비교합니다.

이러한 수지는 누출, 공기 유입, 분석기 오류, 측정되지 않은 생성물 또는 부정확한 공급물 특성 분석을 식별하는 데 도움이 됩니다.

직접 측정이 신뢰할 수 없을 때 공기 유량 추론

고온 가스 유량 측정은 어렵고 오류가 발생하기 쉽습니다. 많은 파일럿 플랜트에서 공기 입력과 총 배가스 생성량은 측정된 연료 공급, 폐기물 조성, 잔재물 데이터 및 건조 배가스 분석을 사용하여 원소 수지로부터 추론됩니다.

이 간접적인 방법은 배가스가 뜨겁고 부식성이 있으며 입자가 많거나 조성이 가변적일 때 특히 유용합니다.

연소 및 처리 성능 평가

완전 연소와 불완전 연소 구분

완전 연소는 탄소질 및 수소 함유 물질로부터 주로 CO₂와 H₂O를 생성합니다.

CO, 그을음, 미연소 탄화수소 및 잔류 가연성 탄소는 불완전 연소를 나타냅니다. 온도, 난류 또는 체류 시간이 불충분하면 과잉 산소만으로는 완전 파괴를 보장할 수 없으므로, 이들의 존재는 과잉 공기 계산과 별도로 보고되어야 합니다.

수지를 열 성능과 연결

과잉 공기는 환경 성능과 에너지 효율 모두에 영향을 미칩니다.

공기가 너무 적으면 불완전 연소, 그을음, CO 생성 및 불안정한 작동을 유발할 수 있습니다. 공기가 너무 많으면 가열하고 배출해야 하는 가스 부피가 증가하여 현열 손실이 증가하고 열 효율이 잠재적으로 감소할 수 있습니다.

산성 가스 제어를 위한 염소 수지 사용

염소화 폐기물의 경우, 염소 수지는 HCl 생성을 추정하고 산성 가스 스크러버 설계를 지원하는 데 도움이 됩니다.

수지는 폐기물의 염소, 배가스의 HCl, 고체에 잔류하는 염소 및 기타 측정되거나 예상되는 염소 함유 생성물을 고려해야 합니다.

트레이드 오프 이해

과잉 공기는 완전 파괴와 같지 않음

높은 과잉 공기 값은 산소 가용성을 향상시킬 수 있지만 부적절한 연소 온도, 불량한 혼합 또는 불충분한 체류 시간을 보상할 수는 없습니다.

따라서 열 파괴 성능은 온도, 체류 시간, 혼합 조건, CO, 미연소 탄화수소 및 해당되는 경우 파괴 및 제거 효율 측정을 사용하여 평가해야 합니다.

배가스 산소는 오해의 소지가 있을 수 있음

잔류 O₂는 노나 샘플링 시스템으로의 공기 누출로 인해 증가할 수 있습니다. 유입이 식별되지 않으면 계산된 과잉 공기가 과대평가됩니다.

분석기 교정, 누출 테스트, 샘플링 라인 컨디셔닝 및 희석 보정은 의미 있는 결과를 위해 필수적입니다.

산소 부하 공기는 수정된 계산이 필요함

산소 부하 공기를 사용하면 산소 유량과 총 가스 유량 사이의 관계가 변경됩니다. 건조 공기의 표준 20.99% 산소 함량을 부하 공급물에 적용하면 실제 공기 요구량을 과소평가하거나 잘못 나타내게 됩니다.

대신 부하 스트림의 측정되거나 지정된 산소 농도를 사용해야 합니다.

측정 기준이 일치해야 함

연료 조성은 수령 기준, 폐기물 조성은 건조 기준, 배가스는 건조 및 산소 보정 기준으로 보고될 수 있습니다.

이러한 기준은 직접 결합할 수 없습니다. 물질 수지나 배출량을 계산하기 전에 연료의 수분, 재, 산소, 산소 부하 및 희석을 조정해야 합니다.

목표에 맞는 올바른 선택

올바른 평가 방법은 파일럿 플랜트가 무엇을 입증하기 위한 것인지에 따라 다릅니다:

주된 초점이 연소 화학양론인 경우: 결합된 원소 공급물을 결정하고, 이론적 및 순 산소 요구량을 계산하며, 연료와 공기에 의해 공급된 산소와 비교합니다.
주된 초점이 과잉 공기 제어인 경우: 교정된 건조 배가스 O₂ 분석을 공기 공급 조성과 함께 사용하고 질소 및 탄소 수지로 결과를 검증합니다.
주된 초점이 파괴 성능인 경우: 계산된 과잉 공기 백분율 외에도 CO, 미연소 탄화수소, 그을음, 온도, 체류 시간 및 혼합을 평가합니다.
주된 초점이 배출 처리 설계인 경우: CO₂, HCl, SO₂, 재 및 스크러버 부하를 추정하기 위해 탄소, 염소, 황 및 입자상 물질 수지를 완료합니다.
주된 초점이 파일럿 플랜트 데이터 품질인 경우: 모든 흐름을 하나의 기준으로 조정하고 간접적인 원소 수지를 사용하여 유량계, 분석기, 누출 및 측정되지 않은 출력을 확인합니다.

방어 가능한 파일럿 플랜트 평가는 화학양론적 계산, 측정된 배가스 조성, 작동 조건 및 배출 제어 요구 사항을 하나의 일관된 물질 수지로 연결합니다.

요약 표:

평가 영역	주요 입력	주요 결과
물질 수지	공급물, 연료, 공기, 잔재물 및 배가스 데이터	검증된 입출력 질량 수지
이론적 산소량	공급물의 탄소, 수소, 황 및 산소	완전 연소 O₂ 요구량
과잉 공기	실제 공기 또는 O₂ 입력 대 이론적 수요	과잉 공기 백분율
배가스 검증	건조 O₂, CO₂, CO, SO₂ 및 질소 데이터	연소 및 측정 검증
파괴 성능	CO, 탄화수소, 그을음, 온도 및 체류 시간	연소 완전성 평가
배출 처리	염소, 황, 탄소, 재 및 입자상 물질 수지	스크러버 부하 및 처리 요구 사항
데이터 품질	일관된 습식/건식 및 수령/건조 기준	방어 가능한 파일럿 플랜트 결과

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