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エネルギー管理士熱分野!特製テキストシリーズ!!燃焼分析法とは?科学的分析計?物理的分析計?

そもそも燃焼ガス分析って一体どんなことをするのか、疑問に感じませんか?

説明しますと

ボイラーなどで使う材料がテクノロジーの発達により多くの機能を使えるようにしたり

高い性能にしたりする事により、組成はより複雑になっていきます。

万が一火災等が発生した時

燃焼による処分の際に発生するガスも、より複雑化しているので、出口戦略が求められます。

なので、想定外の出来事(有毒性のあるガスが予想外に発生する)が起こる恐れがあります。

なので、燃焼生成ガスを分析する事で、本当にこの材料は安全なのか?

や本当にこの材料は環境に影響しないのか?などを評価する目的で行うのです。

(関連記事)エネルギー管理士熱分野!合格者が教える!過去問から学ぶ超効率的勉強法とは?

※出口戦略とは?

排出手段ですね。大気汚染の観点から具体的にどのようにすれば、大気を汚染しないか考えて排出しないと、大変な世界になってしまいます。

四日市ぜんそくとか水俣病以上の物が発生してしまうので、考えて排出することが大事です。

では、続きまして、燃焼ガス分析法にいきます。

燃焼ガス分析法について

 測定方式
分析計の名称
測定成分
化学式ガス分析計溶液の吸収
ヘンペルガス分析計CO2,O2,CO,N2
オルザットガス分析計
CO2,O2,CO,N2
物理的ガス分析計熱伝導率法電気式CO2計
CO2
未燃ガス計
CO+H2
比重法(密度法)比重式CO2計
CO2
赤外線の吸収赤外線ガス分析計
CO2、CO、CH4、SO2、NO
紫外線の吸収紫外線ガス分析計
NO、NO2、SO2
化学発光方式 化学発光色分析計
NO、NOX
導電率SO2の自動記録計SO2
電気化学式ジルコニア式O2計O2
ガルバニ電池式のO2計
O2
磁気式磁気式O2計O2
ガスクロガスクロマトグラフCO2、N2、H2、O2<CO、CH4、SO2、NO
熱を熱源とする熱設備では燃焼が常に良好な状態で維持されているかどうかを監視して熱効率の向上を図るとともに大気汚染の防止にも努めなければいけません。

そのためには、燃焼排ガスの成分から燃焼状態および供給空気が適正なのかどうかを管理する必要があります。

燃焼排ガスの主成分は一般的に

 

窒素

二酸化炭素

水蒸気

酸素微量成分とした一酸化炭素

二酸化硫黄

窒素酸化物

未燃炭化水素などを含んでいます。

燃焼管理には、これら排ガスの成分の中から排ガス中の O2の体積百分率かCO2の体積百分率を測定することが一般的です。

CO2の量には最大値があり、同一のCO2に対して二つの空気があるので、CO2%だけでは空気比は分かりません。

一方、 O2の量は空気比が大きくなるほど増加するので、O2の量によって直接空気比を知ることができます。

また、CO2の量は同じ空気比でも燃料の種類によって変わりますが、O2の量はほとんど変わらないので、燃料の種類が変わる場合や混焼の場合、あるいは燃料の燃焼以外から排ガス中に CO2が混入してくる場合などにはO2の量を測定するのがいいです。

燃焼排ガス分析法の分類について

燃焼排ガス分析法の分類については、化学的分析法と物理的分析法に分類されます。

物理的分析法とは試料の物理的もしくは、物理化学的な性質を観測してその中に含まれる化学種の濃度を決定する分析方法です。

燃焼ガス分析法のほとんどが物理的分析法の分類になります。

化学的分析法は、オルザットガス分析法、ヘンペルガス分析表及び各種の滴定法などの容量分析のみです。

燃焼排ガスの分析に用いられている方法には連続的な濃度測定が可能なものと、回分的なサンプリングと分析の繰り返しになるものがあります。

化学的分析法は この回分的なサンプリングと分析の繰り返しの方に分類されます。

なので迅速性の点では物理的分析法に比べて劣っています。

物理的分析法の多くはその性質上、連続的な測定に適していますが、ガスクロマトグラフ法や発色操作を必要とする場合の吸光光度法のように連続測定に不適切なものもあります。

なので全部が全部、連続的分析測定に適しているわけではありません!!

なので、仮に試験で

 

物理的分析法はすべて連続的な測定に適している

などの問題があった場合は、これは×になりますので、気をつけてください。

化学的分析装置について

化学的分析装置ではヘンペル方など古くから色々な方法が採用されていますが、今はオルザットガス分析装置が主流となっています。

【ヘンペルガス分析計】

CO2.O2.COの順に吸収液に吸収させる。

※この順番が肝なので暗記必須です。

測定できるガス成分

CO2=二酸化炭素

O2=酸素分子

CO=一酸化炭素

N2=窒素分子

【オルザットガス分析計】

CO2.O2.COの順に吸収液に吸収させる。

※ここも肝です。ちゃんと暗記しているか、試験で狙われますよ!

測定できるガス成分

CO2.O2.CO.N2

※ヘンペルガス分析もオルザットガス分析もどちらも、同じ溶液の吸収方式です

用いられる溶液は

水酸化カリウム溶液

O2

アルカリ性ピロガロール溶液

CO

塩化第一銅のアンモニア溶液

が用いられています!

なので二酸化炭素の吸収瓶には二酸化硫黄や二酸化窒素などの酸性ガスも吸収される可能性があります。

また一酸化炭素の吸収瓶には

アセチレン

エチレンなども吸収される可能性がありますので、あらかじめ資料ガスから、これらのガスを除去しておかなければ誤差は大きくなってしまいます。

※ここは過去の問題で頻繁に出題されています。吸収液に吸収させる順番は特に要暗記です!重要なので何度も書きますが、この三つの成分は確実に覚えて下さい!過去の問題で成分に関する問題が出ています。

要暗記です!

化学的分析計の吸収させる順番は

CO2.O2.COの順に吸収液に吸収させる。

呪文のように唱えてください!

物理的ガス分析装置について

物理的ガス分析計については、物理的な性質、例えば電磁波(可視光、紫外、赤外)の吸収及びふく射、熱伝導率、密度、知性などを観測しています。

一つ一つ特徴がありますのでご紹介していきます。

【電気式CO2計】

CO2の熱伝達率が空気より小さいことを利用しています!

空気の熱伝導率=0.0239

二酸化炭素の熱伝導率=0.014

こんなに差があるんですね!

確か火災消火の手段で二酸化炭素消火ってありますよね?

起動釦を押したらサイレンが鳴って「二酸化炭素が放出されるので逃げて下さい!」ってアナウンスが流れますよね!

という消火方法です。二酸化炭素なので人間が中に居たら死んでしまうのアナウンスが流れるんですね!

それを利用した測定方法もあるんです!

測定できるガス成分

CO2=二酸化炭素

【比重式CO2計】

流出時間が√気体密度に比例することを利用しているよ!

測定できるガス成分

CO2

【赤外線ガス分析計】

赤外線の吸収量を測定しています!

測定できるガス成分

CO2.CO.CH4.SO2.NO

【紫外線分析計】

紫外線の吸収量を測定します!

測定できるガス成分

NO.NO2.SO2

【化学発光方式分析計】

hvのエネルギー放出時の発光を利用する

測定できるガス成分

NO.NOX

※紫外線、赤外線、化学発光といかにも物理らしい分析計ですね!

【SO2の自動記録計】

測定できるガス成分

SO2

【ジルコニア式O2計】

ガルバニ電池O2計
酸素濃度により電圧を測定するよ。測定できるガス成分O2

【磁気式O2計】

酸素分子が高い常磁性を示すことを利用しているよ。

測定できるガス成分

O2

【ガスクロマトグラフ】

排ガス中の多成分分析ができるよ

測定できるガス成分

CO2、O2、N2、H2、CO、CH4、SO2、NO2

以上が物理的分析計です。
ちなみに、
化学的分析と物理的分析の2種類あります。

その中で、分析計の種類があり化学的分析は2種類物理的分析は9種類の分析計があります!

※物理的分析計が明らかに多いですよね!なので、化学的分析計は2種類と圧倒的に少ないので確実に覚えておきましょう!

過去の問題で、この分析計は物理的分析計なのか?化学的分析計なのか?を聞いてくるのがあります。

化学的分析計は2種類しかないので、この2種類以外であれば物理的分析計に該当しますね!

なので、取りこぼさないように気を付けましょう!ここで取りこぼすと本当に勿体ないです。では、それぞれの分析計について説明していきます。

各物質の成分分析についてご紹介

過去の試験には、物理的分析計で酸素の測定ができるのは、どの分析計か?

などの問題が出てきます。

そこで、各物質の成分分析についてご紹介したします。

酸素の分析 (JIS B 7983)

エネルギー管理士試験に出てくる酸素の分析計は

酸素の常磁性を利用する磁気式酸素計

電気化学的性質を利用する電気化学式酸素

になりますので、その二つをご紹介します。

磁気式酸素計について

通常のガスは反磁性であるのに対し、酸素分子は二つの分子軌道に電子が一個ずつ分かれて入り、不対電子が二個あるため高い常磁性を示します。

この磁気式酸素計は一酸化窒素よりも高い常磁性を有していることを利用して、一酸化窒素の影響を無視できる場合に適用されます。

検出方法には磁気風方式と磁気力方式があります。

磁気風方式の特徴について

磁気風による冷却効果の影響で熱線素子の電気抵抗が変化しブリッジ回路によって測定します。

磁気力方式について

磁気力方式はダンベル形と圧力検出形に分かれます。

ダンベル形は 鹿の強さの差によって生じるダンベルの偏位量を検出する方式です。
圧力検出形は、 電磁コイルにより測定するの一部に断続的な不均等磁場を発生させ、これによって試料ガス中の酸素濃度に応じて生じる断続的な吸引力を補助ガス用絞りの背圧の差として検出するものです。

電気化学式酸素計について

酸素の電気化学的酸化還元反応を利用して大津濃度を連続的に求めるもので、ジルコニア方式と電極方式があります。

ジルコニア方式の特徴

ジルコニア方式は高温に加熱されたジルコニア素子の両端に電極を設け、一方に試料ガス 、他方に空気を流して酸素濃度差を与え両極間に生じる起電力を検出するものです。

その起電力は、ネルンスト式を満足させます。

ジルコニア方式は高温の状況で、酸素と反応する一酸化炭素、メタンなどの可燃性ガス及び二酸化硫黄などのジルコニアを腐食するガスの影響を無視できる場合に使用できます 。

電極方式の特徴

電極方式はガス透過性隔膜を通して 電解槽中に拡散吸収された酸素が固体電極表面上で還元される際に生じる電界電流を検出するものです。

一酸化炭素の分析について(JIS K 0098)

分析方法の種類としては

ガスクロマトグラフ法

検知管法

ヘンペル式分析法

赤外線吸収法

定電位電解法があります。

二酸化炭素の分析について

二酸化炭素の分析方法では

密度法(密度が異なれば跳ね車が動く仕組みになっております)

熱伝導率法(水素は熱伝導率が空気に比べて非常に大きいので、混入すると誤差要因になります)

赤外線吸収法などがあります。

全炭化水素の分析について

水素炎イオン化検出器(FID)を用いた全炭化水素の分析方法があります。

窒素酸化物の分析 (JIS B 7982)

化学発光方式(共存するCO2の影響を無視できる場合に使用できる)

赤外線吸収方式(共存するCO2、SO2、水分炭化水素の影響を無視できる場合に使用できる)

紫外線吸収方式(共存するSO2、炭化水素の影響を無視できる場合使用できる。NO2に関してはこの方式でしか分析できません)があります。

この中では主に化学発光方式が使用されます。

硫黄酸化物の分析について( JIS B 7981)

溶液導電率方式(共存する二酸化炭素、アンモニア、塩化水素、二酸化窒素の影響をできる場合に使用できる)

赤外線吸収方式(共存する水分、二酸化炭素、炭化水素の影響を無視できる場合に使用できる)

紫外線吸収方式(共存する二酸化窒素の影響を無視できる場合に使用できる)

紫外線蛍光方式(共存する炭化水素の影響を無視できる場合に使用できる)

以上が各物質の分析方法になります。

なので、どの成分はなんの分析計で測れるのか?を常に考えながら暗記した方が良いです。

具体的な暗記の技術に関しては前に書いた記事で書いてますので、参考にしてください。

ここで、暗記は技術だと書きましたが、よく会社の人にある言葉を言われるます。

「一発でエネルギー管理士の試験合格したんだから、記憶力がいいんだね!」とか「俺はもう年寄だから中々覚えられなくて、諦めたとか」

私は高卒だし、勉強に関しては全然だめでしたが、暗記の技術を体得して一発合格を手に入れました。

暗記は技術です。エピングハウスの忘却曲線を理解して、実践すれば必ず結果が出てきます!

間違いないです!まずは行動をしてみましょう!エネルギー管理士を取得する事により、

変わると思います。

絶対に自信に繋がり、仕事やプライベートでも波及して幸福になれます。

自分の心が豊かになれば人にも与えられます。実際に私がそうでした。

私は、ビル管理の仕事をして資格を取得する事がきっかけで自信に繋がり、プライベートも充実しました。

勉強法を知って、それを教えることにより相手も成長できて自分も成長できます。

まさに、正のスパイラルです!

この体験をしてみて下さい!やみつきになります!

まとめ

燃焼熱を熱源とする熱設備では、燃焼がつねに良好な状態で維持され、且つ熱効率の向上を図り大気汚染防止にも努めなければならないので、燃焼排ガスの成分から燃焼状態および供給空気量を適宜推定し判断するための知識として、燃焼生成物の測定が大事ですね。