JP2022124672A - 物質の組成計算装置及び物質の組成計算方法 - Google Patents

物質の組成計算装置及び物質の組成計算方法 Download PDF

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Abstract

【課題】酸化性ガスとの反応によって生じる反応物質の内部の組成を高精度に計算できる物質の組成計算装置を提供する。【解決手段】本発明に係る物質の組成計算装置は、反応物質の内部の組成を予測する装置であって、反応物質の内部を、その表面から一次元に分割する分割部と、分割した各位置での温度を計算する温度分布計算部と、分割した各位置に拡散するガスの濃度を計算するガス濃度計算部と、所定の物質の組成の初期値又は前回の計算値のうち、時間刻み内での反応量を算出する反応量計算部と、分割した各位置で熱力学平衡計算を行う熱力学平衡計算部と、反応物質内の各位置の温度を修正する温度修正部と、反応物質内の各位置のガス濃度を修正するガス濃度修正部とを備え、温度分布計算部、ガス濃度計算部、反応量量計算部、熱力学平衡計算部、温度修正部及びガス濃度修正部が、所定の計算時間まで繰り返される。【選択図】図２

Description

本発明は、物質の組成計算装置及び物質の組成計算方法に関する。
酸化鉱石の一種であるリモナイト鉱石及びサプロライト鉱石等のラテライト鉱石（ニッケル酸化鉱石）の製錬方法として、移動炉床炉、ロータリーキルン等を使用して、鉄とニッケルを主成分とする合金であるフェロニッケルを製造する乾式製錬方法等が知られている。
移動炉床炉による乾式製錬方法として、ペレット状に形成したニッケル酸化鉱を還元加熱することによって、鉄－ニッケル合金を得るニッケル酸化鉱の製錬方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
このニッケル酸化鉱の製錬方法では、ニッケル酸化鉱と炭素質還元剤とを含む混合物を塊状化して形成したペレットを移動炉床炉において加熱還元処理する際、ペレットの表面から熱が伝わって加熱されることにより、ペレット表面から順にメタルに還元している。
特許第６４４７４２９号公報
しかしながら、特許文献１のニッケル酸化鉱の製錬方法は、ペレットの表面から還元反応が進行してメタル化する場合の組成変化しか考慮していない。製錬炉内に存在する酸化性ガスがペレット内に侵入して内部に拡散すると、炭素質還元剤の消費及び還元反応により表面で生成したメタルの酸化が生じ、組成変化が生じる可能性がある。また、ペレット等のように厚みを有し、ペレット内部での組成が酸化性ガスの拡散の影響を受け易い場合には、ペレット内部での濃度分布及び温度分布の影響も考慮して、還元反応等を計算する必要がある。
よって、ペレットのような反応物質が酸化性ガスと接触する際の反応物質の組成変化を予測する際には、反応物質初期組成のみによる反応での組成変化のみならず、拡散により侵入する酸化性物ガスとの反応で生じる組成変化も考慮しなければ、移動炉床炉内での反応物質の組成変化を詳細に把握することができない。
本発明の一態様は、酸化性ガスとの反応によって生じる反応物質の内部の組成を高精度に計算できる物質の組成計算装置を提供することを目的とする。
本発明に係る物質の組成計算装置の一態様は、ペレット状又は平板状に形成された反応物質をガスと接触させて加熱する時の、前記反応物質の内部の組成を予測する、物質の組成計算装置であって、
前記反応物質の内部を、前記反応物質の表面から一次元に分割する分割部と、
前記分割部において分割した各位置での温度を計算し、前記反応物質の内部の温度分布を計算する温度分布計算部と、
前記表面から、前記分割部で分割した各位置に拡散するガスの濃度を計算し、前記反応物質の内部のガス濃度の分布を計算するガス濃度計算部と、
前記温度分布計算部で得られた前記反応物質内の各位置での温度と、所定の物質に関する反応速度を用いて、所定の物質の、組成の初期値又は前回の計算値のうち、時間刻み内での反応量を算出する反応量計算部と、
前記温度分布計算部で得られた前記反応物質内の各位置での温度と、前記ガス濃度計算部で得られた前記反応物質内の各位置でのガス濃度と、前記反応物質の組成の初期値又は前回の計算値と、前記反応量計算部で得られた時間刻み内での反応量とを用いて、前記反応物質内の分割した各位置及び各時間刻みで熱力学平衡が生じていると仮定して熱力学平衡計算を行い、前記反応物質の組成変化を計算する熱力学平衡計算部と、
前記熱力学平衡による前記反応物質の発熱量及び吸熱量の少なくとも一方に基づいて、前記温度分布計算部において得られた、前記反応物質内の各位置の温度を修正し、温度分布を修正する温度修正部と、
前記熱力学平衡による前記ガスの消費量に基づいて、前記ガス濃度計算部において得られた、前記反応物質内の各位置のガス濃度を修正し、前記ガスの濃度分布を修正するガス濃度修正部と、
を備え、
前記温度分布計算部、前記ガス濃度計算部、前記反応量計算部、前記熱力学平衡計算部、前記温度修正部及び前記ガス濃度修正部が、所定の計算時間以上になるまで繰り返される。
本発明に係る物質の組成計算方法の一態様は、ペレット状又は平板状に形成された反応物質をガスと接触させて加熱する時の、前記反応物質の内部の組成を予測する、物質の組成計算方法であって、
前記反応物質の内部を、前記反応物質の表面から一次元に分割する分割工程と、
前記分割工程において分割した各位置での温度を計算し、前記反応物質の内部の温度分布を計算する温度分布計算工程と、
前記表面から、前記分割工程にて分割した各位置に拡散するガスの濃度を計算し、前記反応物質の内部のガス濃度の分布を計算するガス濃度計算工程と、
前記温度分布計算工程で得られた前記反応物質内の各位置での温度と、所定の物質に関する反応速度を用いて、所定の物質の、組成の初期値又は前回の計算値のうち、時間刻み内での反応量を算出する反応量計算工程と、
前記温度分布計算工程で得られた前記反応物質内の各位置での温度と、前記ガス濃度計算工程で得られた前記反応物質内の各位置でのガス濃度と、前記反応物質の組成の初期値又は前回の計算値と、前記反応量計算工程で得られた時間刻み内での反応量とを用いて、前記反応物質内の分割した各位置及び各時間刻みで熱力学平衡が生じていると仮定して熱力学平衡計算を行い、前記反応物質の組成変化を計算する熱力学平衡計算工程と、
前記熱力学平衡による前記反応物質の発熱量及び吸熱量の少なくとも一方に基づいて、前記温度分布計算工程において得られた、前記反応物質内の各位置の温度を修正し、温度分布を修正する温度修正工程と、
前記熱力学平衡による前記ガスの消費量に基づいて、前記ガス濃度計算工程において得られた、前記反応物質内の各位置のガス濃度を修正し、前記ガスの濃度分布を修正するガス濃度修正工程と、
を含み、
前記温度分布計算工程、前記ガス濃度計算工程、前記反応量計算工程、前記熱力学平衡計算工程、前記温度修正工程及び前記ガス濃度修正工程が、所定の計算時間以上になるまで繰り返される。
本発明に係る物質の組成計算装置の一態様は、酸化性ガスとの反応によって生じる反応物質の内部の組成を高精度に計算できる。
本発明の実施形態に係る物質の組成計算装置が適用される移動炉床炉の軸方向視における概略構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る物質の組成計算装置の機能を示すブロック図である。 反応物質の内部を分割した状態を示す説明図である。 本発明の実施形態に係る物質の組成計算方法を説明するフローチャートである。 物質の組成計算装置のハードウェア構成図である。
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。なお、説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の符号を付して、重複する説明は省略する。また、図面における各部材の縮尺は実際とは異なる場合がある。本明細書において数値範囲を示す「～」は、別段の断わりがない限り、その前後に記載された数値を下限値及び上限値として含むことを意味する。
本実施形態に係る物質の組成計算装置について説明するに当たり、本実施形態に係る物質の組成計算装置が適用される乾式製錬炉の構成について説明する。なお、本実施形態では、乾式製錬炉が移動炉床炉である場合について説明するが、内容物を熱処理できる熱処理炉であればよく、例えばロータリーキルン等でもよい。また、本実施形態では、移動炉床炉のうち回転炉床炉の場合について説明するが、他の形状を有する移動炉床炉、例えば、ローラーハースキルン等でもよい。なお、回転炉床炉は、一つの設備で省スペースを実現できると共に、各処理領域の面積を十分に確保することができるため、より好ましい。
＜移動炉床炉＞
図１は、本実施形態に係る物質の組成計算装置が適用される移動炉床炉の軸方向視における概略構成を示す図である。図１に示すように、移動炉床炉１は、ペレットＰを装入する装入領域１１ａと、ペレットに含まれる結晶水を除去するためにペレットＰを４００℃～６００℃程度でか焼するか焼領域１１ｂと、還元加熱処理に先立ち還元加熱温度まで炉内を昇温する昇温領域１１ｃと、還元加熱温度でペレットＰを還元加熱処理する還元領域１１ｄと、還元加熱後に再加熱処理に先立ち再加熱温度まで炉内を昇温する再昇温領域１１ｅと、再加熱温度でペレットＰを再加熱する再加熱領域１１ｆと、再加熱後に冷却ガスなどを炉内に吹き込んでペレットＰを１０００℃以下程度まで冷却する冷却領域１１ｇと、ペレットＰを排出する排出領域１１ｈを有する。
移動炉床炉１へ供給するペレットＰは、原料鉱石であるニッケル酸化鉱と、バインダー等の、例えば、粒径が０．２ｍｍ～０．８ｍｍ程度の原料粉末とを混合した混合物である。
バインダーとしては、例えば、ベントナイト、多糖類、樹脂、水ガラス、脱水ケーキ等を挙げることができる。
ペレットＰを製造するにあたり、所定量の炭素質還元剤を混合して混合物とし、その混合物によりペレットを形成する。
炭素質還元剤としては特に限定されないが、例えば、石炭粉、コークス粉等が挙げられる。なお、この炭素質還元剤は、原料のニッケル酸化鉱の粒度と同等のものであることが好ましい。
なお、本実施形態では、ペレットＰは移動炉床炉１内を移動できるものであればよく、球状、ペレット状、平板状等、その形状は特に限定されない。
移動炉床炉１では、図中の矢印の方向に回転しながら、各領域（１１ａ～１１ｈ）においてそれぞれの処理を行う。そのとき、各領域（１１ａ～１１ｈ）の温度を所定の温度に調整すると共に、各領域（１１ａ～１１ｈ）を通過する際の時間（移動時間、回転時間）を制御することによって、それぞれの領域（１１ａ～１１ｈ）での処理温度を調整する。そして、回転炉床炉が１回転するごとに、ペレットＰが製錬処理される。
装入領域１１ａでは、ペレットＰが装入される。
か焼領域１１ｂでは、装入領域１１ａで装入したペレットＰ中に含まれる結晶水を除去するために、ペレットＰを４００℃～６００℃でか焼する。
昇温領域１１ｃでは、還元領域１１ｄに先立ち、還元加熱温度まで炉内を昇温する。還元加熱温度としては、１０００℃～１３００℃とすることが好ましい。
還元領域１１ｄでは、還元加熱温度で、ペレットＰが還元加熱される。還元領域１１ｄでは、下記反応式に示すような還元反応が進行する。
Ｆｅ2Ｏ3＋Ｃ→Ｆｅ3Ｏ4＋ＣＯ ・・・（I）
下記式（II）に示すように、還元が進行してＦｅ3Ｏ4がＦｅＯまで還元されると、ＮｉＯ－ＳｉＯ2として結合していたニッケル酸化物ＮｉＯとＦｅＯとの置換が進み、下記式（III）に示すように、Ｎｉの還元が始まる。
Ｆｅ3Ｏ4＋Ｃ→ＦｅＯ＋ＣＯ ・・・（II）
ＮｉＯ＋ＣＯ→Ｎｉ＋ＣＯ2 ・・・（III）
このようにして、ニッケル酸化物の還元が進むと共に、例えば、下記反応式（IV）に示すような鉄酸化物の還元反応が進行することにより、メタル化が進行して鉄－ニッケル合金（フェロニッケル）が生成される。
ＦｅＯ＋ＣＯ→Ｆｅ＋ＣＯ2 ・・・（IV）
ペレットＰ中に含まれる炭素質還元材が消費され尽くすと、Ｆｅのメタル化が止まり、メタル化しなかったＦｅはＦｅＯ（一部はＦｅ3Ｏ4）の形態で残留する。
再昇温領域１１ｅでは、再加熱領域１１ｆに先立ち、再加熱温度まで炉内を昇温する。再加熱温度としては、還元加熱処理の温度以上であることが必要であり、好ましくは１２００℃～１５００℃とする。
再加熱領域１１ｆでは、再加熱温度でペレットＰを再加熱する。再加熱処理を施すことによって、ペレット内スラグの溶融が進行して半溶融状態又は溶融状態のスラグとなる。そして、スラグ中に分散していた細かい粒径のメタル粒同士が結合し、大きな粒径のメタル粒となる。
冷却領域１１ｇでは、再加熱後に冷却ガス等を炉内に吹き込んで、ペレットＰを１０００℃以下程度まで冷却する。
排出領域１１ｈでは、冷却領域１１ｇで冷却されたペレットＰが炉外に排出される。
＜物質の組成計算装置＞
本発明の実施形態に係る物質の組成計算装置について説明する。本実施形態では、図１に示すペレットＰがペレット状の反応物質Ｍであるものとして説明する。
図２は、本実施形態に係る物質の組成計算装置の機能を示すブロック図である。図２に示すように、本実施形態に係る物質の組成計算装置２０は、入力部２１、分割部２２、初期値設定部２３、境界条件設定部２４、温度分布計算部２５、ガス濃度計算部２６、反応量計算部２７、熱力学平衡計算部２８、温度修正部２９、ガス濃度修正部３０、計算時間判定部３１、再計算部３２及び出力部３３を備え、ペレット状の反応物質Ｍを酸化性ガスと接触させて加熱する時の、反応物質Ｍの内部の組成を計算する。
なお、明細書において、ペレット状とは、球状、円柱状、楕円柱状、多角柱（例えば、三角柱、四角柱、五角柱、六角柱等）等の略一定の厚みを有する粒状をいう。本実施形態では、球状である場合について説明する。なお、反応物質Ｍの表面は凹凸があってもよい。ペレット径とは、短径と長径の平均値であり、ペレット長とは反応物質Ｍの断面に対して垂直な方向の反応物質Ｍの最大長さである。また、本実施形態では、反応物質Ｍの形状がペレット状である場合について説明するが、反応物質Ｍの形状は、ペレット状以外に、平板状でもよい。平板状とは、シート状等をいう。
物質の組成計算装置２０は、反応物質Ｍ内の部位で局所的に反応物質Ｍと酸化性ガスとの熱力学平衡計算を行って求めた計算結果に基づいて、反応物質Ｍ内の局所的な部位及び分割した時間刻みΔｔ毎に予め予測した温度分布及びガス濃度分布を修正し、反応物質Ｍ内の組成を計算するものである。
熱力学平衡計算は、物質の平衡到達時の状態を定量的に知ることができ、乾式製錬等の非鉄金属製錬のプロセスの解析に非常に有用であり、乾式製錬炉での、原料組成、操業条件等の変更に伴う生成物変化の予測等に広く使用されている。乾式製錬炉における反応は、比較的高温下で行われる反応であるため、反応速度が大きく、一般的には、均一かつ平衡な状態を仮定した解析が可能な系であることが多い。しかし、ペレットＰの内部の分布の考慮が必要な系も多い。このような系は、ペレットＰの平均温度や単一濃度を用いて熱力学平衡計算を１回行っただけでは表現できない不均一な系である。
例えば、ペレットＰと酸化性ガスとの反応等、不均一系の反応では、ペレットＰの内部への酸化性ガスの拡散が律速となることによってペレットＰの内部と表面とでは酸化性ガスの濃度が異なるため、反応挙動又は反応量がペレットＰの内部と表面で異なる場合がある。また、ペレットＰを熱源により加熱する系では、ペレットＰ内での温度差に起因して、ペレットＰの内部と表面で平衡状態が異なる場合がある。これらの場合、外部からの酸化性ガスの拡散量及び熱移動量を考慮する必要がある。ペレットＰのガス濃度及び温度を単一のガス濃度又は平均温度として扱った１回の熱力学平衡計算、即ちペレットＰ内のガス濃度及び温度を均一な状態であるとして熱力学平衡計算を行っても、反応挙動を詳細に表現できない。
そのため、ガス濃度及び温度が均一な系であると仮定して熱力学平衡計算したり、人為的にペレットＰの内部のガス濃度や温度を仮定して熱力学平衡計算を行っても、求められるペレットＰの内部の各位置での反応挙動を詳細に把握することは困難である。また、ペレットＰの表面からの加熱、即ち、ペレットＰ内の各位置での温度分布を考慮せずに、ペレットＰの平均温度を用いて平衡計算を実施すると、ペレットＰ内の反応率、即ちメタル化率は異なる値となる可能性が高い。
物質の組成計算装置２０は、温度分布計算部２５及びガス濃度計算部２６で予め予測した反応物質Ｍ内の温度分布及びガス濃度分布を、熱力学平衡計算部２８で求めた反応物質Ｍと酸化性ガスとの熱力学平衡計算の計算結果を用いて、温度修正部２９及びガス濃度修正部３０で修正する。そして、物質の組成計算装置２０は、温度分布計算部２５、ガス濃度計算部２６、反応量計算部２７、熱力学平衡計算部２８、温度修正部２９及びガス濃度修正部３０を、所定の計算時間以上になるまで繰り返す。これにより、物質の組成計算装置２０は、反応物質Ｍ内の各位置での組成変化を計算でき、最終的に得られる反応物質Ｍ内の組成の計算精度を高めることができる。
入力部２１は、反応物質Ｍの内部の各位置における、温度、ガス濃度、反応物質Ｍの組成の初期値に関する情報、移動炉床炉１内の圧力、ガス雰囲気等の移動炉床炉１内の各種条件に関する情報等を入力する。
分割部２２は、反応物質Ｍの内部を、反応物質Ｍの表面から一次元に分割する。即ち、分割部２２は、図３に示すように、反応物質Ｍの内部を反応物質Ｍの中心から表面に向かって一次元に分割する。これにより、反応物質Ｍは、その内部を複数のセルに分割できる。なお、セルとは、反応物質Ｍの内部を一次元に分割した時の、分割された反応物質Ｍの内部の領域をいう。
分割の間隔は、等間隔でもよいし、等間隔でなくてもよく、反応物質Ｍの温度変化、濃度変化等に応じて適宜設定してもよい。例えば、反応物質Ｍの温度変化及び濃度変化が大きい箇所では、細かく分割して、各セルを細かく配置しても構わない。
本実施形態では、反応物質Ｍを等間隔に分割したものとし、分割された各セル同士の分割間隔をΔｒとし、反応物質Ｍの半径Ｒを分割間隔ΔｒにＮ（整数）を乗じた値（Ｒ＝Ｎ・Δｒ）とする。
分割部２２は、反応物質Ｍの内部を、反応物質Ｍの表面からの酸化性ガスの拡散距離に基づいて分割することが好ましい。これにより、反応物質Ｍの内部を酸化性ガスの拡散距離を考慮してより適切に分割できる。
初期値設定部２３は、反応物質Ｍの内部の各位置における、温度、ガス濃度、反応物質Ｍの組成の初期値を設定する。初期値設定部２３は、反応物質Ｍの内部の、温度、圧力、ガス濃度、ガス雰囲気、反応物質Ｍの組成の初期値が入力されることで、設定できる。
境界条件設定部２４は、反応物質Ｍの内部の、温度、ガス濃度等の境界条件を設定する。境界条件設定部２４は、反応物質Ｍの内部の、温度、ガス濃度等の境界条件が入力されることで、設定できる。
温度分布計算部２５は、分割部２２において分割した各位置の温度を計算し、反応物質Ｍの内部の温度分布を計算する。
温度分布計算部２５は、分割部２２において分割した各位置での温度を、差分化した非定常一次元熱伝導方程式を用いて計算することが好ましい。本実施形態では、反応物質Ｍがペレット状であると仮定しているため、差分化した非定常一次元熱伝導方程式を用いることで適切に計算できる。
温度分布計算部２５は、下記式（１）に示す非定常一次元熱伝導方程式を差分化した下記式（２）を用いて、分割部２２で分割した各位置での温度を計算できる。即ち、下記式（２）を用いることで、所定のセルの位置（ｐ番目）での温度Ｔi Pを求めることができるため、次の（ｐ＋１）番目のセルにおける温度Ｔi P+1を順次求めることができる。よって、反応前の反応物質Ｍの内部の温度分布が予測される。
Figure 2022124672000002
Figure 2022124672000003
式（１）及び（２）中、ρは密度であり、ＣPは比熱、kは熱伝導率、Ｔは温度、tは計算時間、ｉ及びｐは整数である。p番目の計算での計算時間tは、時間刻みをΔtとして、p番目に時間刻みΔtを乗じた値（ｔ＝ｐΔｔ）とする。式（１）の熱伝導率kは、温度依存性を有しないと仮定し、式（２）では、簡素化のために、下記式（３）とする。
Figure 2022124672000004
上記式（２）では、反応物質Ｍの表面、即ち、ｒ＝Ｒ（図３参照）における境界条件Ｔr=R＝Ｔbulk（Ｔbulkは、反応物質Ｍが接しているガスのバルク温度である)と、ｒ＝０（図３参照）における境界条件（ｄＴ／ｄｒ＝０）と、初期条件Ｔ0 i＝Ｔini（ｉは、反応物質Ｍ内の位置（１≦ｉ≦Ｎ）、Ｔiniは反応物質Ｍの初期温度)を用いることにより、反応物質Ｍ内の分割した各位置の温度ＴP iを用いて、次のセル（ｐ＋１）番目における温度ＴP+1 iを求めることができる。
なお、上記式（１）～（３）では、反応物質Ｍの中心（図３中、ｒ＝０）から表面（図３中、ｒ＝Ｒ）にかけて計算が進行している状態を示すが、反応物質Ｍの表面（図３中、ｒ＝Ｒ）から中心（図３中、ｒ＝０）にかけて計算が進行していると見なしてもよい。この場合、ｒが０であること（ｒ＝０）は、各式での反応物質Ｍの中心を意味し、ｒが半径Ｒであること（ｒ＝Ｒ）は、各式での反応物質Ｍの表面（即ち、反応物質Ｍの半径）を意味するため、（Ｒ－ｒ）をｒ'とした時（Ｒ－ｒ＝ｒ'）、各式中のｒは、（Ｒ－ｒ'）と置き換える。また、ｉが０であること（ｉ＝０）は、位置が各式で反応物質Ｍの中心にあることを意味し、ｉがＮであること（ｉ＝Ｎ）は、位置が各式で反応物質Ｍの表面（即ち、反応物質Ｍの半径）にあることを意味するため、（Ｎ－ｉ）をｉ'とした時（Ｎ－ｉ＝ｉ'）、各式中のｉは、Ｎ－ｉ'と置き換える。
ガス濃度計算部２６は、反応物質Ｍの表面から、分割部２２で分割した各位置に拡散する酸化性ガスの濃度を計算し、反応物質Ｍの内部のガス濃度の分布を計算する。
ガス濃度計算部２６は、分割部２２において分割した各位置での温度を、差分化した非定常一次元拡散方程式を用いて計算することが好ましい。本実施形態では、反応物質Ｍがペレット状であると仮定しているため、差分化した非定常一次元拡散方程式を用いることで適切に計算できる。
ガス濃度計算部２６は、下記式（４）に示す非定常一次元拡散方程式を差分化した下記式（５）を用いて、分割部２２で分割した各セルの位置（ｐ番目）でのガス濃度を算出できる。即ち、下記式（５）を用いることで、所定のセルの位置（ｐ番目）でのガス濃度ＣP A,iを求めることができるため、次の（ｐ＋１）番目のセルにおけるガス濃度ＣP+1 A,iを順次求めることができる。よって、反応前の反応物質Ｍの内部のガス濃度の分布が予測される。
Figure 2022124672000005
Figure 2022124672000006
式（４）及び（５)中、ＣAはある特定のガスＡのモル濃度、ＤABはガスＡ中の他の特定のガスＢ中での拡散係数である。式（５）では、簡素化のために、下記式（６）とした。拡散係数ＤABは、温度依存性はないと仮定した。
Figure 2022124672000007
式（５）では、反応物質Ｍの表面、即ち、ｒ＝Ｒ（図３参照）における境界条件ＣA(r=R)=ＣA,bulk（ＣA,bulkは反応物質Ｍが接しているガスＡの濃度）と、ｒ＝０（図３参照）における境界条件（ｄＣA／ｄｒ＝０）と、初期条件Ｃ0 A,i＝０を用いることにより、反応物質Ｍ内の分割した各位置のガスＡのガス濃度ＣP A,iを用いて、次のセル（ｐ＋１）番目における濃度Ｃ(P+1) A,iを求めることができる。
なお、上記式（４）～（６）では、反応物質Ｍの中心（図３中、ｒ＝０）から表面（図３中、ｒ＝Ｒ）にかけて計算が進行している状態を示すが、上記式（１）～（３）と同様、反応物質Ｍの表面（図３中、ｒ＝Ｒ）から中心（図３中、ｒ＝０）にかけて計算が進行していると見なしてもよい。この場合、上記式（１）～（３）と同様、（Ｒ－ｒ）をｒ'とした時（Ｒ－ｒ＝ｒ'）、各式中のｒは、Ｒ－ｒ'と置き換える。また、（Ｎ－ｉ）をｉ'とした時（Ｎ－ｉ＝ｉ'）、各式中のｉは、Ｎ－ｉ'と置き換える。
反応量計算部２７は、温度分布計算部２５で得られた反応物質Ｍ内の各位置での温度と、所定の物質に関する反応速度を用いて、所定の物質の、組成の初期値又は前回の計算値のうち、時間刻みΔｔ内で反応すると見込まれる量（以下、反応量）を算出する。
時間刻みΔｔ内での所定の物質の反応量を算出することによって、続く熱力学平衡計算部２８での反応進行を、時間刻み相当分にすることが可能となる。反応量を算出する物質の数は、反応物質Ｍ内の全ての物質でも構わないし、限定した数種類でもよい。例えば、還元剤である炭素の時間刻みΔｔ内での反応量を設定することによって、還元の進行量を規定することができるので、時間の進行に伴う反応物質Ｍ全体での反応の進行度合いを表現することが可能となる。反応速度の与え方の例としては、例えばアレニウス型の反応速度式で与える方法がある。
熱力学平衡計算部２８は、温度分布計算部２５で得られた反応物質Ｍ内の各位置での温度と、ガス濃度計算部２６で得られた反応物質Ｍ内の各位置でのガス濃度と、反応物質Ｍの組成の初期値又は前回の計算値と、反応量計算部２７で得られた時間刻みΔｔ内での反応量とを用いて、反応物質Ｍ内の分割した各位置で熱力学平衡が生じていると仮定して熱力学平衡計算を行い、反応物質Ｍの組成変化を計算する。
熱力学平衡計算部２８は、反応物質Ｍ内の位置と、反応物質Ｍ内の各位置での温度と、反応物質Ｍ内の各位置でのガス濃度と、移動炉床炉１内の圧力、ガス雰囲気等を予め設定しておくことにより、反応物質Ｍ内の分割した各位置で生じる生成物質の自由エネルギーが最小となるように、熱力学平衡計算を行って、反応物質Ｍ内の組成を決定し、組成変化に伴う発熱量、吸熱量、及び生成物の比熱等を算出する機能を有する。
熱力学平衡計算は、例えば、市販の熱力学平衡計算ソフトウェアFactSage等を用いて行うことができる。
温度修正部２９は、熱力学平衡計算部２８の熱力学平衡で発生した発熱量及び吸熱量の少なくとも一方に基づいて、温度分布計算部２５において得られた、反応物質Ｍ内の各位置の温度を修正し、温度分布を修正する。
ガス濃度修正部３０は、熱力学平衡計算部２８の熱力学平衡で発生したガスの消費量に基づいて、ガス濃度計算部２６において得られた、反応物質Ｍ内の各位置のガス濃度を修正し、ガスの濃度分布を修正する。
計算時間判定部３１は、計算時間が所定値以上か判定する。計算時間判定部３１は、計算時間が所定値未満である場合には、境界条件設定部２４、温度分布計算部２５、ガス濃度計算部２６、反応量計算部２７、熱力学平衡計算部２８、温度修正部２９及びガス濃度修正部３０を、所定の計算時間まで繰り返し行う。
所定の計算時間は、特に限定されるものではなく、反応物質Ｍの種類、大きさ等に応じて適宜設定でき、例えば１０分～２０分の間で設定されてもよい。
再計算部３２は、計算時間判定部３１の判定結果に基づいて、計算時間が所定値未満である場合には、境界条件設定部２４、温度分布計算部２５、ガス濃度計算部２６、反応量計算部２７、熱力学平衡計算部２８、温度修正部２９及びガス濃度修正部３０を、この順番に所定の計算時間以上になるまで繰り返し行わせる。
出力部３３は、温度修正部２９において修正された温度分布の結果、ガス濃度修正部３０において修正されたガスの濃度分布の結果、計算時間判定部３１における計算時間の判定結果等を表示する。出力部３３としては、具体的には、モニター等を挙げられる。
なお、本実施形態においては、温度分布計算部２５及びガス濃度計算部２６において、反応物質Ｍの内部での熱伝導方程式、拡散方程式を球座標系にて記述し、差分化して数値解を求めたが、反応物質Ｍが平板状である場合には、直交座標系による熱伝導方程式、拡散方程式を差分化して数値解を求めてもよい。
本実施形態では、温度分布計算部２５及びガス濃度計算部２６は、差分法に基づいて、反応物質Ｍ内を離散化して各位置での温度及びガス濃度を算出したが、反応物質Ｍ内を離散化する方法は、これに限定されず、例えば、有限体積法等の他の方法でもよい。
＜物質の組成計算方法＞
次に、本実施形態に係る物質の組成計算装置を用いて、本実施形態に係る物質の組成計算方法について説明する。図４は、本実施形態に係る物質の組成計算方法を説明するフローチャートである。図４に示すように、物質の組成計算装置２０は、分割部２２により、反応物質Ｍの内部を、反応物質Ｍの表面から一次元に分割する（分割工程：ステップＳ１１）。
分割工程（ステップＳ１１）では、反応物質Ｍの内部を、反応物質Ｍの表面からの酸化性ガスの拡散距離に基づいて分割することが好ましい。酸化性ガスの拡散距離は、反応物質Ｍの大きさ、内部の形状、空隙率等、反応物質Ｍの位置によって異なる。そのため、反応物質Ｍの内部を酸化性ガスの拡散距離に基づいて分割することで、反応物質Ｍの内部は、実際の状態に近づけて、より適切に分割できる。
次に、物質の組成計算装置２０は、初期値設定部２３により、反応物質Ｍの内部の各位置における、温度、ガス濃度、反応物質Ｍの組成の初期値を設定する（初期値設定工程：ステップＳ１２）。
次に、物質の組成計算装置２０は、境界条件設定部２４により、反応物質Ｍの内部の、温度、ガス濃度等の境界条件を設定する（境界条件設定工程：ステップＳ１３）。
次に、物質の組成計算装置２０は、温度分布計算部２５により、分割工程（ステップＳ１１）において分割した各位置での温度を計算し、反応物質Ｍの内部の温度分布を計算する（温度分布計算工程：ステップＳ１４）。
本実施形態では、反応物質Ｍがペレット状であると仮定しているため、差分化した非定常一次元熱伝導方程式を用いて、反応物質Ｍの内部の温度分布を計算することが好ましい。
次に、物質の組成計算装置２０は、ガス濃度計算部２６により、反応物質Ｍの表面から、分割工程（ステップＳ１１）で分割した各位置に拡散する酸化性ガスの濃度を計算し、反応物質Ｍの内部のガス濃度の分布を計算する（ガス濃度計算工程：ステップＳ１５）。
本実施形態では、反応物質Ｍがペレット状であると仮定しているため、分割工程（ステップＳ１１）で分割した各位置での温度を、差分化した非定常一次元拡散方程式を用いて計算することが好ましい。
次に、物質の組成計算装置２０は、反応量計算部２７により、温度分布計算工程（ステップＳ１４）で得られた反応物質Ｍ内の各位置での温度と、所定の物質に関する反応速度を用いて、所定の物質の、組成の初期値又は前回の計算値のうち、時間刻みΔｔ内での反応量を算出する（反応量計算工程：ステップＳ１６）。
次に、物質の組成計算装置２０は、熱力学平衡計算部２８により、温度分布計算工程（ステップＳ１４）で得られた反応物質Ｍ内の各位置での温度と、ガス濃度計算工程（ステップＳ１５）で得られた反応物質Ｍ内の各位置でのガス濃度と、反応物質Ｍの組成の前回の計算値又は前回の計算値と、反応量計算部２７で得られた時間刻みΔｔ内での反応量とを用いて、反応物質Ｍ内の分割した各位置で熱力学平衡が生じていると仮定して熱力学平衡計算を行い、反応物質Ｍの組成変化を計算する（熱力学平衡計算工程：ステップＳ１７）。
次に、物質の組成計算装置２０は、温度修正部２９により、熱力学平衡計算工程（ステップＳ１７）の熱力学平衡で発生した発熱量及び吸熱量の少なくとも一方に基づいて、温度分布計算工程（ステップＳ１４）において得られた、反応物質Ｍ内の各位置の温度を修正し、温度分布を修正する（温度修正工程：ステップＳ１８）。
次に、物質の組成計算装置２０は、ガス濃度修正部３０により、熱力学平衡計算工程（ステップＳ１７）の熱力学平衡で発生したガスの消費量に基づいて、ガス濃度計算工程（ステップＳ１５）において得られた、反応物質Ｍ内の各位置のガス濃度を修正し、ガスの濃度分布を修正する（濃度修正工程：ステップＳ１９）。
次に、物質の組成計算装置２０は、計算時間判定部３１により、計算時間が所定値以上か判定する（計算時間判定工程：ステップＳ２０）。
計算時間が所定値以上である場合には（ステップＳ２０：Ｙｅｓ）、計算が所定の計算時間まで実施されたと判断し、終了する。これにより、物質の組成計算装置２０は、反応物質Ｍ内の各位置での組成変化を計算でき、反応物質Ｍ内の組成変化を求めることができる。
一方、計算時間が所定値未満である場合には（ステップＳ２０：Ｎｏ）、計算が所定の計算時間までまだ行われていないと判断し、境界条件設定工程（ステップＳ１３）に戻り、温度分布計算工程（ステップＳ１４）～濃度修正工程（ステップＳ１９）を繰り返す。そして、物質の組成計算装置２０は、境界条件設定工程（ステップＳ１３）～濃度修正工程（ステップＳ１９）を、所定の計算時間以上になるまで繰り返す。
物質の組成計算装置２０は、出力部３３により、温度修正工程（ステップＳ１８）において修正された温度分布の結果、濃度修正工程（ステップＳ１９）において修正されたガスの濃度分布の結果、計算時間判定工程（ステップＳ２０）における計算時間の判定結果、反応物質Ｍ内の各位置での組成変化量、反応物質Ｍ内の組成等を表示する。
＜物質の組成計算装置のハードウェア構成＞
次に、物質の組成計算装置のハードウェア構成の一例について説明する。図５は、物質の組成計算装置のハードウェア構成図である。図５に示すように、物質の組成計算装置２０は、情報処理装置（コンピュータ）で構成され、物理的には、演算処理部であるＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ：プロセッサ）２０１、主記憶装置であるＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）２０２及びＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）２０３、入力デバイスである入力装置２０４、出力装置２０５、通信装置２０６並びにハードディスク等の補助記憶装置２０７等を含むコンピュータシステムとして構成することができる。これらは、バス２０８で相互に接続されている。なお、出力装置２０５及び補助記憶装置２０７は、外部に設けられていてもよい。
ＣＰＵ２０１は、物質の組成計算装置２０の全体の動作を制御し、各種の情報処理を行う。ＣＰＵ２０１は、ＲＯＭ２０３又は補助記憶装置２０７に格納された物質の組成計算プログラム（以下、単に計算プログラムという。）を実行して、測定収録画面と解析画面の表示動作を制御する。
ＲＡＭ２０２は、ＣＰＵ２０１のワークエリアとして用いられ、主要な制御パラメータや情報を記憶する不揮発ＲＡＭを含んでもよい。
ＲＯＭ２０３は、基本入出力プログラム等を記憶する。予測プログラムはＲＯＭ２０３に保存されてもよい。
入力装置２０４は、キーボード、マウス、操作ボタン、タッチパネル等である。
出力装置２０５は、モニタディスプレイ等である。出力装置２０５では、測定入力情報、予測結果等が表示され、入力装置２０４や通信装置２０６を介した入出力操作に応じて画面が更新される。
通信装置２０６は、ネットワークカード等のデータ送受信デバイスであり、外部のデータ収録サーバ等からの情報を取り込み、他の電子機器に解析情報を出力する通信インタフェースとして機能する。
補助記憶装置２０７は、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）、及びＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）等の記憶装置であり、例えば、予測プログラムや物質の組成計算装置２０の動作に必要な各種のデータ、ファイル等を格納する。
図３に示す物質の組成計算装置２０の各機能は、ＣＰＵ２０１、ＲＡＭ２０２等の主記憶装置又は補助記憶装置２０７に所定のコンピュータソフトウェア（予測プログラムを含む）を読み込ませ、ＲＡＭ２０２、ＲＯＭ２０３又は補助記憶装置２０７に格納された予測プログラム等をＣＰＵ２０１により実行する。これにより、ＲＡＭ２０２、ＲＯＭ２０３及び補助記憶装置２０７等におけるデータの読み出し及び書き込みを行うと共に、入力装置２０４、出力装置２０５及び通信装置２０６を動作させることで、物質の組成計算装置２０の各機能は、実現される。即ち、本実施形態に係る物質の組成計算プログラムをコンピュータ上で実行させることで、物質の組成計算装置２０は、図２の、分割部２２、温度分布計算部２５、ガス濃度計算部２６、反応量計算部２７、熱力学平衡計算部２８、温度修正部２９及びガス濃度修正部３０等として機能する。
物質の組成計算プログラムは、以下の構成のプログラムを用いることができる。
即ち、物質の組成計算プログラムは、ペレット状又は平板状に形成された反応物質をガスと接触させて加熱する時の、前記反応物質の内部の組成を予測する、物質の組成計算を少なくともコンピュータに実行させるプログラムであって、
前記反応物質の内部を、前記反応物質の表面から一次元に分割する分割工程と、
前記分割工程において分割した各位置での温度を計算し、前記反応物質の内部の温度分布を計算する温度分布計算工程と、
前記表面から、前記分割工程にて分割した各位置に拡散するガスの濃度を計算し、前記反応物質の内部のガス濃度の分布を計算するガス濃度計算工程と、
前記温度分布計算工程で得られた前記反応物質内の各位置での温度と、所定の物質に関する反応速度を用いて、所定の物質の、組成の初期値又は前回の計算値のうち、時間刻み内での反応量を算出する反応量計算工程と、
前記温度分布計算工程で得られた前記反応物質内の各位置での温度と、前記ガス濃度計算工程で得られた前記反応物質内の各位置でのガス濃度と、前記反応物質の組成の初期値又は前回の計算値と、前記反応量計算工程で得られた時間刻み内での反応量とを用いて、前記反応物質内の分割した各位置及び各時間刻みで熱力学平衡が生じていると仮定して熱力学平衡計算を行い、前記反応物質の組成変化を計算する熱力学平衡計算工程と、
前記熱力学平衡による前記反応物質の発熱量及び吸熱量の少なくとも一方に基づいて、前記温度分布計算工程において得られた、前記反応物質内の各位置の温度を修正し、温度分布を修正する温度修正工程と、
前記熱力学平衡による前記ガスの消費量に基づいて、前記ガス濃度計算工程において得られた、前記反応物質内の各位置のガス濃度を修正し、前記ガスの濃度分布を修正するガス濃度修正工程と、
を含み、
前記温度分布計算工程、前記ガス濃度計算工程、前記反応量計算工程、前記熱力学平衡計算工程、前記温度修正工程及び前記ガス濃度修正工程が、所定の計算時間以上になるまで繰り返される、物質の組成計算を少なくともコンピュータに実行させるプログラムを用いることができる。
物質内部の組成の計算プログラムは、例えば、ＲＡＭ２０２やＲＯＭ２０３の主記憶装置又は補助記憶装置２０７等のコンピュータが備える記憶装置内に格納される。なお、物質の組成計算プログラムは、その一部又は全部が、通信回線等の伝送媒体を介して伝送され、コンピュータが備える通信装置２０６等により受信されて記録（インストールを含む）される構成としてもよい。また、物質の組成計算プログラムは、その一部又は全部が、ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ－ＲＯＭ、フラッシュメモリ等の携帯可能な記憶媒体に格納された状態から、コンピュータ内に記録（インストールを含む）される構成としてもよい。
以上の通り、本実施形態に係る物質の組成計算装置２０は、上記構成を備え、反応物質Ｍの内部の温度分布、反応物質Ｍの内部に侵入して拡散する酸化性ガスのガス濃度分布を予め予測した後、反応物質Ｍの内部の各位置で熱力学平衡計算を行って反応物質Ｍの内部の組成変化を計算し、反応物質Ｍ内の温度分布及びガス濃度分布を修正する。そして、物質の組成計算装置２０は、計算時間が所定値以上になるまで繰り返し、反応物質Ｍ内の反応による組成変化を計算する。
即ち、物質の組成計算装置２０は、反応物質Ｍの内部で局所的に、設定した時間刻みΔｔ内で熱力学平衡が生じていると仮定して、予め予測した反応物質Ｍ内の温度分布及びガス濃度分布と、反応物質Ｍの組成の初期値又は前回の計算値と、時間刻みΔｔ内での反応量とを用いて熱力学平衡計算を行い、組成変化を計算する。そして、物質の組成計算装置２０は、この組成変化の際に生じる、発熱量、吸熱量、酸化性ガスの消費量に基づいて、反応物質Ｍ内の温度分布及びガス濃度分布を修正し、反応物質Ｍ内の反応による組成変化を計算する。
よって、物質の組成計算装置２０は、反応物質Ｍの内部の温度分布、反応物質Ｍの内部に侵入して拡散する酸化性ガスのガス濃度分布等を考慮しつつ、反応物質Ｍの内部の各位置での、反応による組成変化をより詳細に解析できる。したがって、物質の組成計算装置２０は、反応物質Ｍの反応による物質内部の組成を高精度に計算できる。
物質の組成計算装置２０は、分割部２２で、反応物質Ｍの内部を、その表面からの酸化性ガスの拡散距離に基づいて分割できる。これにより、物質の組成計算装置２０は、実際の反応物質Ｍ内の酸化性ガスの拡散割合の状態に近づけて、反応物質Ｍ内を分割できるため、反応物質Ｍ内の各位置での熱力学平衡計算をより適切に行い、反応物質Ｍ内の反応による組成変化を計算できる。よって、物質の組成計算装置２０は、反応物質Ｍ内の反応による組成の計算精度を高めることができる。
物質の組成計算装置２０は、温度分布計算部２５で、分割部２２において分割した各位置での温度を、差分化した非定常一次元拡散方程式を用いて計算できる。これにより、物質の組成計算装置２０は、反応物質Ｍがペレット状、特に球状である時に、温度分布計算部２５で、反応物質Ｍ内の分割した各位置での温度をより適切に計算できる。そのため、物質の組成計算装置２０は、反応物質Ｍ内の各位置での熱力学平衡計算をより適切に行い、反応物質Ｍ内の反応による組成変化をより高精度に計算できるため、反応物質Ｍ内の反応による組成の計算精度を高めることができる。
物質の組成計算装置２０は、ガス濃度計算部２６で、分割部２２において分割した各位置でのガス濃度を、差分化した非定常一次元拡散方程式を用いて計算できる。これにより、物質の組成計算装置２０は、反応物質Ｍがペレット状、特に球状である時に、ガス濃度計算部２６で、反応物質Ｍ内の分割した各位置でのガス濃度をより適切に計算できる。そのため、物質の組成計算装置２０は、反応物質Ｍ内の各位置での熱力学平衡計算をより適切に行い、反応物質Ｍ内の反応による組成変化をより高精度に計算できるため、反応物質Ｍ内の反応による組成の計算精度を高めることができる。
物質の組成計算装置２０は、反応物質ＭとしてペレットＰ（図１参照）を用いることができる。これにより、移動炉床炉１（図１参照）等の乾式製錬炉に、反応物質Ｍとして投入されるペレットＰ（図１参照）の炉内の反応を予測するのに有効に用いることができる。
物質の組成計算装置２０は、上記のような特性を有することから、乾式製錬炉等の熱処理炉で酸化性ガス等を用いて熱処理する反応物質Ｍの炉内反応を予め予測するのに有効に用いることができる。そのため、物質の組成計算装置２０は、移動炉床炉１等の熱処理炉の運転条件（例えば、熱処理炉の大きさや、原料鉱石の種類、供給量、移動速度）等を変えながら、熱処理炉内の各物質の挙動をより正確に解析できる。よって、物質の組成計算装置２０は、ペレットの種類及び供給量の変更、熱処理炉の設備改善の事前検討、操業条件等による影響調査等に有効に活用することが可能である。
以上の通り、実施形態を説明したが、上記実施形態は、例として提示したものであり、上記実施形態により本発明が限定されるものではない。上記実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の組み合わせ、省略、置き換え、変更などを行うことが可能である。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１ 移動炉床炉
２０ 物質の組成計算装置
２２ 分割部
２３ 初期値設定部
２４ 境界条件設定部
２５ 温度分布計算部
２６ ガス濃度計算部
２７ 反応量計算部
２８ 熱力学平衡計算部
２９ 温度修正部
３０ ガス濃度修正部
３１ 計算時間判定部
Ｍ 反応物質
Ｐ ペレット

Claims (6)

  1. ペレット状又は平板状に形成された反応物質をガスと接触させて加熱する時の、前記反応物質の内部の組成を予測する、物質の組成計算装置であって、
    前記反応物質の内部を、前記反応物質の表面から一次元に分割する分割部と、
    前記分割部において分割した各位置での温度を計算し、前記反応物質の内部の温度分布を計算する温度分布計算部と、
    前記表面から、前記分割部で分割した各位置に拡散するガスの濃度を計算し、前記反応物質の内部のガス濃度の分布を計算するガス濃度計算部と、
    前記温度分布計算部で得られた前記反応物質内の各位置での温度と、所定の物質に関する反応速度を用いて、所定の物質の、組成の初期値又は前回の計算値のうち、時間刻み内での反応量を算出する反応量計算部と、
    前記温度分布計算部で得られた前記反応物質内の各位置での温度と、前記ガス濃度計算部で得られた前記反応物質内の各位置でのガス濃度と、前記反応物質の組成の初期値又は前回の計算値と、前記反応量計算部で得られた時間刻み内での反応量とを用いて、前記反応物質内の分割した各位置及び各時間刻みで熱力学平衡が生じていると仮定して熱力学平衡計算を行い、前記反応物質の組成変化を計算する熱力学平衡計算部と、
    前記熱力学平衡による前記反応物質の発熱量及び吸熱量の少なくとも一方に基づいて、前記温度分布計算部において得られた、前記反応物質内の各位置の温度を修正し、温度分布を修正する温度修正部と、
    前記熱力学平衡による前記ガスの消費量に基づいて、前記ガス濃度計算部において得られた、前記反応物質内の各位置のガス濃度を修正し、前記ガスの濃度分布を修正するガス濃度修正部と、
    を備え、
    前記温度分布計算部、前記ガス濃度計算部、前記反応量計算部、前記熱力学平衡計算部、前記温度修正部及び前記ガス濃度修正部が、所定の計算時間以上になるまで繰り返される、物質の組成計算装置。
  2. 前記分割部は、前記反応物質の内部を、前記反応物質の前記表面からの前記ガスの拡散距離に基づいて分割する請求項１に記載の物質の組成計算装置。
  3. 前記温度分布計算部は、前記分割部において分割した各位置での温度を、差分化した非定常一次元拡散方程式を用いて計算する請求項１又は２に記載の物質の組成計算装置。
  4. 前記ガス濃度計算部は、前記表面から、前記分割部で分割した各位置に拡散する前記ガスの濃度を、差分化した非定常一次元拡散方程式を用いて計算する請求項１～３の何れか一項に記載の物質の組成計算装置。
  5. 前記反応物質が、ペレットである請求項１～４の何れか一項に記載の物質の組成計算装置。
  6. ペレット状又は平板状に形成された反応物質をガスと接触させて加熱する時の、前記反応物質の内部の組成を予測する、物質の組成計算方法であって、
    前記反応物質の内部を、前記反応物質の表面から一次元に分割する分割工程と、
    前記分割工程において分割した各位置での温度を計算し、前記反応物質の内部の温度分布を計算する温度分布計算工程と、
    前記表面から、前記分割工程にて分割した各位置に拡散するガスの濃度を計算し、前記反応物質の内部のガス濃度の分布を計算するガス濃度計算工程と、
    前記温度分布計算工程で得られた前記反応物質内の各位置での温度と、所定の物質に関する反応速度を用いて、所定の物質の、組成の初期値又は前回の計算値のうち、時間刻み内での反応量を算出する反応量計算工程と、
    前記温度分布計算工程で得られた前記反応物質内の各位置での温度と、前記ガス濃度計算工程で得られた前記反応物質内の各位置でのガス濃度と、前記反応物質の組成の初期値又は前回の計算値と、前記反応量計算工程で得られた時間刻み内での反応量とを用いて、前記反応物質内の分割した各位置及び各時間刻みで熱力学平衡が生じていると仮定して熱力学平衡計算を行い、前記反応物質の組成変化を計算する熱力学平衡計算工程と、
    前記熱力学平衡による前記反応物質の発熱量及び吸熱量の少なくとも一方に基づいて、前記温度分布計算工程において得られた、前記反応物質内の各位置の温度を修正し、温度分布を修正する温度修正工程と、
    前記熱力学平衡による前記ガスの消費量に基づいて、前記ガス濃度計算工程において得られた、前記反応物質内の各位置のガス濃度を修正し、前記ガスの濃度分布を修正するガス濃度修正工程と、
    を含み、
    前記温度分布計算工程、前記ガス濃度計算工程、前記反応量計算工程、前記熱力学平衡計算工程、前記温度修正工程及び前記ガス濃度修正工程が、所定の計算時間以上になるまで繰り返される、物質の組成計算方法。
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