化学プラント大全 
熱Ⅲの燃料の種類と試験法の論点（性状、ウォッベ指数、オクタン価とセタン価、発熱量の測り方）を、表と例題で並べました。着火・燃焼速度・すすなど燃え方のしくみは燃焼の基礎現象の論点の記事にあります。
気体燃料の性状と種類（天然ガス・LPG・都市ガス） ── 炭素が多いと重く高熱量
| ガス（主な可燃分） | 高発熱量〔MJ/m³N〕 | 比重（空気＝1） |
|---|---|---|
| 高炉ガス（CO） | 3.8以下 | ― |
| 水素 H₂ | 12.8 | 0.0695（ずっと軽い） |
| コークス炉ガス（炭化水素・H₂・CO） | 約21 | ― |
| メタン CH₄ | 39.9 | 0.554（軽い） |
| 天然ガス（CH₄ が主。これを原料とする都市ガス 13A は約46） | 36〜48 | ― |
| プロパン C₃H₈（LPG） | 101 | 1.550（重い） |
| ブタン n-C₄H₁₀（LPG） | 132 | 2.067（重い） |
同じ温度・圧力なら、気体は種類によらず同じ体積に同じ数の分子が入ります。だから 1 m³N あたりの発熱量と重さは、1分子に含まれる炭素と水素の数で決まります。メタン→エタン→プロパンと炭素が1つ増えるごとに、高発熱量はおよそ 30 MJ/m³N ずつ増えます。分子が重くなるので、比重も上がります。
| 問われる形 | 正誤 | ポイント |
|---|---|---|
| メタン・エタン・プロパンと炭素数が増えると、空気に対する比重は小さくなる | × | 大きくなる。エタン（1.049）から先は空気より重い |
| 1 m³N あたりの高発熱量は、炭素数の多い炭化水素ほど大きい | ○ | メタン39.9 → プロパン101 MJ/m³N |
| LPG の主成分はメタンとエタンで、加圧か冷却で液化しやすい | × | 主成分はプロパン・ブタン（C₃・C₄） |
| 高炉ガスのほうがコークス炉ガスより発熱量が大きい | × | 高炉ガス3.8以下、コークス炉ガス約21 MJ/m³N |
| 気体燃料は燃料自体も予熱できるので、発熱量の低いガスでも高温を得やすい | ○ | 空気と燃料の両方の顕熱を持ち込める |
- 長所：灰分を含まず、硫黄分もごく少ない。天然ガスは排ガスによる大気汚染がほかのどの燃料よりも少ない。燃焼量の調節・点火・消火も容易。
- 短所：単位熱量あたりの容積が大きいので輸送に不便で、貯蔵にはガスタンクなどの設備費がかかる。燃料費は液体燃料より高く、漏れると爆発の危険がある。
- 天然ガスは常圧で −162℃ に冷やして液化（LNG）し、海上を運ぶ。LPG は常温・常圧では気体だが、加圧か冷却で容易に液化する。
- 漏れたガスは、比重が1より小さければ上へ、大きければ下へたまる。LPG は低い所、メタンが主の 13A は高い所に気を配る。
ガスの互換性とウォッベ指数 ── WIと燃焼速度が近ければ置き換えられる
| ガス（高発熱量 H・比重 a） | WI＝H/√a〔MJ/m³N〕 | 燃焼速度〔cm/s〕 |
|---|---|---|
| 都市ガス 13A（H 約46） | 52.7〜57.8 | 遅いグループ（A） |
| メタン（39.9・0.554） | 53.6 | 37.4 |
| 水素（12.8・0.0695） | 48.6 | 292 |
| プロパン（101・1.550） | 81.1 | 43 |
同じノズルに同じ圧力でガスを送ると、出てくる体積は密度の平方根に反比例します（重いガスほど出にくい）。出てくる熱は「体積×1 m³N の発熱量」なので、熱の出方は H/√a に比例します。これがウォッベ指数です。炎が戻ったり飛んだりしないかは燃焼速度で決まるので、2つがそろえば同じ器具で燃やせます。
| 問われる形 | 正誤 | ポイント |
|---|---|---|
| ウォッベ指数は、総熱量 H を比重 a でそのまま割った H/a | × | 平方根で割る。WI＝H/√a |
| 同じノズル・同じ供給圧力なら、WI の大きいガスほどノズルから出る熱量が大きい | ○ | 熱量 ∝ H/√a |
| 都市ガス 13A の「A」は、燃焼速度の速いグループを表す | × | 遅いグループ。「13」は WI に対応 |
| 13A の「13」は、WI を Mcal/m³N で表したおよその値 | ○ | 52.7〜57.8 MJ/m³N≒13 Mcal/m³N |
| 都市ガスはガスの種類で WI や燃焼速度が違うので、そのガスに合った器具を使う | ○ | 器具はガスの種類に合わせる |
例題
同じノズル・同じ圧力のまま、ガスAをガスBに替えます（値は仮のもの）。A は H 45 MJ/m³N・a 0.64、B は H 63 MJ/m³N・a 1.21 です。出てくる熱は何倍になるかを求めます。
①平方根を出す：√0.64＝0.80、√1.21＝1.10。
②WI を出す：A は 45/0.80＝56.3、B は 63/1.10＝57.3 MJ/m³N。
③熱の比：57.3/56.3＝1.02。発熱量は1.4倍なのに、出てくる熱は約2%しか増えない。
④別の道で確かめる：B は重いので、同じノズルから出る体積は 0.80/1.10＝0.73倍。1.4×0.73＝1.02 で一致。
- 水素は WI が 48.6 で 13A に近いが、燃焼速度はメタンの約8倍で逆火しやすい。WI だけでは置き換えられない。
- プロパンの WI はメタンの約1.5倍。同じ器具に入れると熱が出すぎる。
- 式を H√a（掛け算）と印刷した資料もあるが誤植で、正しくは H/√a。13A の組成の例（メタン88%・エタン5.8%・プロパン4.5%・ブタン1.7%）で確かめられる。H/√a は約57で 52.7〜57.8 に入り、H√a は約37で入らない。
関連：予混合燃焼と燃焼速度
液体燃料と重油の性状 ── 重い油ほど粘く、予熱して粘度を下げて噴く
| 重油（JIS）・要る粘度 | 動粘度〔mm²/s〕 | 使うときの加熱 |
|---|---|---|
| 1種（A重油） | 50℃で20以下 | 多くは不要 |
| 2種（B重油） | 50℃で50以下 | 多くは不要 |
| 3種（C重油） | 50℃で1,000以下 | 送油で20〜30℃、噴霧で80〜90℃ |
| 送油に要る粘度 | 500〜1,000 | ― |
| バーナで霧にするのに要る粘度 | 15〜45 | ― |
C 重油は 50℃ でも最大 1,000 mm²/s と粘く、そのままでは霧になりません。粘度は温度で下がるので、送るときは少し、噴くときはさらに温めて粘度を合わせます。密度の大きい重油ほど炭素の割合（C/H 比）が大きく、水素が少ない分だけ質量あたりの発熱量は低くなります。
| 問われる形 | 正誤 | ポイント |
|---|---|---|
| 重油は密度が大きいほど C/H 比が大きく、質量あたりの発熱量も高い | × | C/H 比が大きいほど発熱量は低い |
| 引火点は、重油の噴霧のしやすさを判断するいちばんの指標 | × | 引火点は保安（火気に対する危険性）の尺度。噴霧に効くのは粘度 |
| 残留炭素分は空気を断って加熱したとき炭になって残る量で、金属化合物の灰分とは別 | ○ | 多いとバーナの炭化物やすすが増える |
| 灯油の煙点は、値が小さいほどすすが出にくい | × | 大きいほど出にくい |
| 硫黄分からできる硫酸による低温腐食は、伝熱面を酸露点より高い温度に保てば防げる | ○ | 露点以下で水と反応して硫酸になる |
- 灰分中のバナジウムは、燃焼時にナトリウムなどと低融点の化合物をつくる。これがボイラの加熱管などを腐食する（高温腐食・バナジウムアタック）。硫酸による低温腐食とは別の現象。
- 引火点（JIS）は A・B 重油が 60℃以上、C 重油が 70℃以上。密度は A 0.83〜0.88、B 0.91〜0.93、C 0.94〜0.97 g/cm³ 程度。
- 重油の種類は、どの国でも粘度を分類の基準にしている。残渣油の多い重油は残留炭素が多く、小型の装置には向かない。
- 流動点は低温での流れやすさの尺度で、冬期や寒冷地での取扱いに効く。粘度の高い重油ほど高い。
- 市販重油の高発熱量は 42〜46 MJ/kg 程度。同じ密度ならほぼ同じで、硫黄分が多いと若干下がる。
オクタン価とセタン価 ── ガソリンはオクタン価、軽油はセタン価が高いほど良い
| 項目 | ガソリン | 軽油（ディーゼル燃料） |
|---|---|---|
| エンジン | 火花で点火する | 圧縮して自己着火させる |
| 指標 | オクタン価（アンチノック性） | セタン価（自己着火性） |
| 良い燃料 | 自己着火しにくい | 自己着火しやすい |
| 標準燃料 | イソオクタンとヘプタン | セタン（100）とヘプタメチルノナン（15） |
| 値の決め方 | 同じアンチノック性の標準燃料に含まれるイソオクタンの容量% | 同じ着火性の標準燃料の組成から |
| 新燃料の例 | メタノール（オクタン価がガソリンより高い） | GTL 90前後、DME 60前後（軽油より高い） |
火花点火エンジンは点火した炎で混合気を燃やすので、炎が届く前に未燃の混合気が自分で燃えだすとノッキングになります。だからガソリンは自己着火しにくいほど良い。ディーゼルエンジンは圧縮した空気に噴いた燃料が自分で着火しないと動かないので、軽油は自己着火しやすいほど良い。求める性質が逆なので、指標も逆向きです。
| 問われる形 | 正誤 | ポイント |
|---|---|---|
| ガソリンのオクタン価が高いほど良いのは、炎が届く前の未燃混合気の自己着火（ノッキング）を防げるから | ○ | アンチノック性の尺度 |
| 軽油（ディーゼル燃料）の着火性は、オクタン価で表す | × | セタン価で表す |
| セタン価の高い燃料ほど、自己着火しにくい | × | しやすい |
| イソオクタン80%・ヘプタン20%（容量）の標準燃料と同じアンチノック性なら、オクタン価は80 | ○ | 標準燃料中のイソオクタンの容量% |
- オクタン価の試験は、単気筒の CFR エンジンで試料と標準燃料のノック強度を比べる。リサーチ法とモータ法がある。
- 自動車ガソリン（JIS）はリサーチ法オクタン価で 1号系統 96.0以上、2号系統 89.0以上。
- 100を超えるオクタン価は、イソオクタンに四エチル鉛を添加したものを基準にして定める。
- セタン指数は、15℃ の密度と蒸留の留出温度からセタン価との相関式で出す値。
石炭・コークスと新しい燃料 ── 燃料比（固定炭素÷揮発分）で石炭化度を見る
| 燃料（石炭化度） | 燃料比（固定炭素÷揮発分） | 着火温度〔℃〕 |
|---|---|---|
| 褐炭（低い＝揮発分が多い） | 小さい | 250〜300 |
| れき青炭（中くらい） | 1.5前後（B₁ 1.5以上、B₂ 1.5未満） | 300〜400 |
| 無煙炭（高い＝固定炭素が多い） | 4.0以上 | 400〜500 |
| ガスコークス（石炭を乾留したもの） | ― | 500〜600 |
石炭は樹木が地熱・地圧を受けて変わったもので、この変化（石炭化）が進むほど酸素や揮発しやすい成分が抜けて炭素が残ります。工業分析では固定炭素が増え揮発分が減るので、その比の燃料比が大きいほど石炭化の進んだ石炭です。揮発分は熱で先に出て燃えるガスなので、揮発分の少ない無煙炭ほど着火温度が高くなります。
| 問われる形 | 正誤 | ポイント |
|---|---|---|
| 石炭の燃料比は、揮発分を固定炭素で割った値 | × | 固定炭素÷揮発分 |
| 石炭化が進むほど、工業分析の固定炭素は増え揮発分は減る | ○ | だから燃料比は大きくなる |
| 燃えて二酸化硫黄になって出ていく硫黄を、不燃焼性硫黄という | × | それは燃焼性硫黄。灰に残るのが不燃焼性硫黄で、合わせて全硫黄 |
| ジメチルエーテル（DME）のセタン価は軽油より低い | × | 60前後で軽油より高い |
| メタノールをディーゼルエンジンに使うには、自己着火しにくいので改良が要る | ○ | セタン価が低い（オクタン価は高い） |
例題
気乾試料の工業分析が、水分4%・灰分11%・揮発分30% の石炭の燃料比を求めます（値は仮のもの）。
①固定炭素は直接は測らず、100 から引く：100−(4＋11＋30)＝55%。
②燃料比＝固定炭素÷揮発分＝55/30＝1.83。
③位置を確かめる：無煙炭（4.0以上）よりずっと小さく、揮発分の多い石炭の側。
④逆に割ると 30/55＝0.55。分母と分子を取り違えると、石炭化度の読みが逆になる。
- 固体燃料は燃焼速度が遅く、野積み・バラ積みができる。一方で乾燥・粉砕などの前処理が要り、灰が多く、パイプで送れず、燃焼管理が難しい。
- コークスは石炭を乾留してつくり、主成分は炭素。製鉄用は回転強度指数 90以上の強さが要る。
- 新燃料：GTL は天然ガスなどから FT 反応で合成した液体燃料。DME は少し加圧すると液化し、物性はプロパンに似る。エタノールはバイオマスからつくる。
- 可燃性廃棄物燃料：RDF（ごみを粉砕・乾燥し生石灰を混ぜて圧縮・固化）、RPF（古紙と廃プラスチック。RDF より発熱量も均一性も高い）、紙パルプの蒸解廃液、廃タイヤ。RDF は貯蔵中にメタンが出ることがある。
関連：固体燃料の燃焼方式
発熱量・組成・性状の試験法 ── 熱量計は生成水まで凝縮させ高発熱量を測る
| 測るもの | 方法 | 要点 |
|---|---|---|
| 気体燃料の発熱量 | ユンカース式流水形ガス熱量計 | 燃えた熱を流れる水に移し、流水量と出入口の温度差から高発熱量 |
| 固体・液体燃料の発熱量 | ボンブ式（ボンベ形）熱量計 | 高圧の酸素中で燃やし（石炭類は約2.5 MPa）、内筒水の温度上昇から高発熱量 |
| 低発熱量 | 計算 | Hh−2,500(9h＋w)/100〔kJ/kg〕（h・w は質量%） |
| 引火点 | 密閉式・開放式 | 密閉式はタグ・迅速平衡法・ペンスキーマルテンス、開放式はクリーブランド |
| 石炭の工業分析 | 水分・灰分・揮発分を定量 | 固定炭素は 100 から引いて出す |
| オクタン価・セタン価 | 標準燃料と比べる | オクタン価は CFR エンジンでノック強度を比べる |
どちらの熱量計も、燃えた熱を水に移し、試料が燃えてできた水蒸気も水に戻る温度で測ります。だから測れるのは凝縮潜熱まで含む高発熱量で、低発熱量はできた水（9h＋w）の潜熱を引いて計算で出します。装置そのものが吸う熱は、同じ熱容量の水の量（水当量）に置き換えて内筒水に足します。
| 問われる形 | 正誤 | ポイント |
|---|---|---|
| ユンカース式で測った高発熱量から出した低発熱量は、凝縮水の潜熱の分だけ小さい | ○ | 凝縮潜熱を引いて計算する |
| 高発熱量から低発熱量に直すとき、h・w を質量%で入れて 2,500(9h＋w) kJ/kg を引く | × | 100で割る。2,500(9h＋w)/100 |
| 石炭の工業分析では、水分・灰分・揮発分・固定炭素の4つをどれも直接測る | × | 固定炭素は差で出す |
| クリーブランド式は、試料を密閉して加熱する引火点の試験 | × | 開放式。密閉式はタグなど |
| ボンブ式で水当量の補正が要るのは、出た熱の一部をボンブや容器が吸うから | ○ | 装置の熱容量を水の量で表す |
例題
石炭 1.000 g をボンブ式熱量計で燃やすと、内筒水 2,000 g の温度が 2.60 K 上がりました。水当量 400 g、水の比熱 4.19 J/(g·K)、水素 4%・水分 8%（質量）とします（値は仮のもの）。
①高発熱量：(2,000＋400)×4.19×2.60÷1.000＝26,146 J/g＝26,146 kJ/kg。
②引く潜熱：2,500×(9×4＋8)/100＝2,500×44/100＝1,100 kJ/kg。
③低発熱量：26,146−1,100＝25,046 kJ/kg≒25.0 MJ/kg。
④桁を確かめる：石炭の高発熱量は 19〜31 MJ/kg 程度で、26.1 MJ/kg はその中。差は高発熱量の約4%。
- 水当量は、発熱量の分かっている安息香酸（26.46 kJ/g）を同じ条件で燃やして求める。
- 液体の動粘度は、一定量の液が一定温度で毛管を自然に流れ落ちる時間から求める。
- LPG や天然ガスの発熱量は、ガスクロマトグラフで出した組成に成分の発熱量を掛けて足す計算でも求められる。
関連：高発熱量と低発熱量
出典：エネルギー管理士試験講座（省エネルギーセンター）熱分野Ⅲ「燃料と燃焼」1編 1〜2章、3章（着火温度）
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