Vol.1 No.3 2008

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研究論文:製造の全行程を考慮した資源及びエネルギー利用の合理化指針(北ほか)−215 Synthesiology Vol.1 No.3(2008)(46)−原燃料エクセルギーY2O3AI2O3Si3N4N2Fe2O3SiFeAICO2O2PVALPG47 kJ/mol0 kJ/mol1877 kJ/mol7×10-1 kJ/mol0 kJ/mol851 kJ/mol368 kJ/mol788 kJ/mol20 kJ/mol4 kJ/mol49 MJ/kg48 MJ/kg Ex(Xi)は物質Xiについてのエクセルギーを示す。(8)式の( )内は、空気の全圧と窒素の分圧の比である。以上より窒化ケイ素のエクセルギーは1877 kJ/molと算出された。同様にして主な原燃料のエクセルギー値を算出した(表)。3.3 工程別消費と効率 図7には窒化ケイ素による部材製造の工程と製造全体で出入りするエクセルギーの値を示す。なお窒化ケイ素の原料は、別の工場において酸化ケイ素を溶融還元し、さらに窒素と反応させて製造された人工物として本システムに投入されている。原料のエクセルギーは製品1本あたり291 MJと算出された。粉末を出発原料として混合、造粒、成形、脱脂、焼成を経て製品となるが、工程別でみると、造粒と焼成にそれぞれ2547 MJ、776 MJと多大なエクセルギーが投入され、これは投入エクセルギーの全体の約80 %に相当する。そしてそれらは廃熱としてほぼ全てが系外に排出されていること、一方、原材料の粉末は回収され、工程間でほとんど損失はないことが判った。全体で最終製品に固定されたエクセルギーは229 MJでこれは投入されたエクセルギー(4175 MJ)のわずか5.5 %に過ぎない。すなわち94.5 %に相当する3946 MJを廃棄しているという極めて効率の悪いプロセスである。 一方、図8には鉄部材製造における工程別のエクセルギーの出入りを示す。鉄の場合、原料は酸化鉄(Fe2O3)を出発原料としており、定義によりそのエクセルギーは0である。また還元反応等固体の反応を有効に利用して製造され、どの工程にも投入、廃棄されるエクセルギーは少なく、また平準化していることが判った。製品として固定化されたエクセルギーは126 MJで、投入されたエクセルギー(621 MJ)の20 %程度であって、投入エクセルギーの量はセラミックスの約1/7程度と極めて少ない。すなわち、1本の部品を製造するというシステムでみると、鉄に比べてセラミックス図7 セラミックス部品の工程、および製造におけるエクセルギーバランス(製品1本=重量19 kgあたり)排出 : 3946 MJ製品 : 229 MJ投入 : 4175 MJ混合廃熱 : 267 MJ電力 : 267 MJ原料 : 291 MJ電力 : 300 MJLPG : 2247 MJ中間材 :312 MJ造粒廃熱 : 2464 MJ廃物 :104 MJ成形廃熱 : 175 MJ電力 : 175 MJ中間材 :229 MJ中間材 :291 MJ中間材 :291 MJ廃熱 : 98 MJ廃物 : 62 MJ電力 : 98 MJ電力 : 776 MJ製品 : 229 MJ廃熱 : 776 MJ脱脂焼成は極めて多くのエクセルギーを消費し、効率も低いことが確認された。3.4 各過程でのエクセルギー解析3.4.1 使用①損耗と物質廃棄 鉄製ヒーターチューブをアルミニウム溶湯中で使用すると、アルミニウムに侵食され、時間経過 t に伴い減肉していく。減肉は下式によって進行するとの仮定をおいた。 D=D0･(2-exp(kt)) ･････(11) ここに、D:ヒーターチューブの厚さ(mm)、D0:初期厚さ(mm)、k:見かけの反応速度係数、Di:取替時の厚さ(mm)、である。上記に関してD0:3 mm(データより)、またDiとして:0.5 mmを仮定し、半年毎に交換という条件から反応定数kは0.067578となる。 この間の消費エクセルギーは次式で示される。 E=E0･exp(kt) ･････(12)表 関与する主な原燃料のエクセルギー計算結果移送製品 : 126 MJ投入 : 621 MJ排出 : 495 MJ廃熱 : 49 MJ廃熱 : 194 MJ廃物 : 30 MJ廃熱 : 3 MJ廃熱 : 94 MJ廃物 : 28 MJ廃熱 : 4 MJ燃料 : 211 MJ原料等 : 177 MJ中間材 :174 MJ銑鉄 :164 MJ還元圧延脱炭焼結燃料 : 49 MJ原料 : 0 MJ製品 : 126 MJ移送燃料 : 58 MJ原料等 : 238 MJ燃料等 : 49 MJ中間材 : 170 MJ廃熱 : 50 MJ廃物 : 43 MJ図8 鉄部品の工程および製造におけるエクセルギーバランス(製品1本=重量19 kgあたり)

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