燃焼の熱計算の論点｜発熱量・燃焼ガス温度・排ガス損失・空気予熱・CO₂【エネ管・熱Ⅲ】

熱Ⅲの燃焼計算のうち、発熱量・燃焼ガス温度・排ガス損失・空気予熱・CO₂排出量の論点を、表と例題で並べました。理論空気量・燃焼ガス量・空気比は燃焼計算の論点の記事にあります。

高発熱量と低発熱量 ── 差は燃焼でできた水と水分の凝縮潜熱

例題

水素12%・水分2%（質量割合）で、高発熱量 44.0 MJ/kg の液体燃料の低発熱量を求めます（値は仮のもの）。

①できる水：9h＋w＝9×0.12＋0.02＝1.10 kg/kg。

②凝縮潜熱：2.44×1.10＝2.68 MJ/kg。

③低発熱量：H_l＝44.0−2.68＝41.32 MJ/kg。

④桁を確かめる：差は高発熱量の約6%。水素の多い燃料ほど差が開く。

• 水素 1 kg から水 9 kg ができるのは、水素 2 kg に酸素 16 kg が付いて水 18 kg になるから。
• 2.44 MJ/kg は 25℃での水の凝縮潜熱。概略値として 2.5 MJ/kg を使うこともある。
• 気体燃料では 1 m³N あたりで H_l＝H_h−1.96{h₂＋Σ(n/2)cₘhₙ}。{ } の中はできる水蒸気の体積。

関連：発熱量・組成・性状の試験法

組成から発熱量を求める ── 気体は成分の発熱量×体積割合の和

例題

メタン90%・エタン10%（体積割合）の燃料ガスの高発熱量と低発熱量を求めます。

①高発熱量：0.90×39.82＋0.10×70.33＝35.84＋7.03＝42.87 MJ/m³N。

②できる水蒸気：0.90×2＋0.10×3＝2.10 m³N/m³N。

③低発熱量：42.87−1.96×2.10＝42.87−4.12＝38.75 MJ/m³N。

④確かめる：低発熱量どうしを足しても 0.90×35.88＋0.10×64.38＝38.73 で、ほぼ一致。

• 気体燃料の発熱量もユンカース式流水形熱量計で測るのが原則で、測れるのは高発熱量。
• 石炭は水分の条件で、使用時・気乾・無水のベースを分けて表す。使用時ベースの高発熱量は H_h＝H_h*(1−w₂)。
• 水素は体積あたりの発熱量がメタンの約3分の1。体積で混ぜた割合ほどには熱量は変わらない。

関連：固体・液体燃料の理論酸素量と理論空気量

燃焼前後の熱収支と理論燃焼ガス温度 ── 空気比1で最高、外すと下がる

例題

燃焼ガス量の例題の液体燃料（A₀ 11.73、G₀ 12.63 m³N/kg）を使います。低発熱量は 43 MJ/kg とします（仮の値）。基準温度の空気で完全燃焼させ、放熱はなく、cpm は 1.6 kJ/(m³N·K) で一定とみなします。

①空気比1.2：G＝12.63＋0.2×11.73＝14.98 m³N/kg。温度上昇は 43,000÷(14.98×1.6)＝1,794 K。

②空気比1.5：G＝12.63＋0.5×11.73＝18.50 m³N/kg。温度上昇は 43,000÷(18.50×1.6)＝1,453 K。

③単位を確かめる：kJ/kg ÷ {m³N/kg×kJ/(m³N·K)}＝K。MJ を kJ に直す1,000倍を落とすと桁が3つずれる。

④比べる：空気比を 1.2 から 1.5 にすると、約340 K 下がる。

• 断熱（Qr＝0）・完全燃焼（ηc＝1）・予熱なし（Qp＝0）のとき Tth＝H_l/(G·cpm)＋T₀。燃料の種類と空気比だけで決まる。
• 燃焼効率は ηc＝1−(未燃物の発熱量)/(燃料の発熱量)。熱効率（被熱物に渡った割合）とは別。
• 実際の比熱は温度で変わるので、正確に求めるときは温度を仮定して繰り返し計算する。

関連：燃焼温度と熱解離

排ガス損失と顕熱・潜熱の回収 ── ガス量と温度を下げ、潜熱まで回収

例題

前の論点の燃料（低発熱量 43 MJ/kg）を使います。排ガスの平均定圧比熱は 1.40 kJ/(m³N·K)、基準温度は 25℃ とします（仮の値）。

①空気比1.2・排ガス 220℃：14.98×1.40×(220−25)＝4,090 kJ/kg。低発熱量の 9.5%。

②空気比を1.1に下げる：G＝12.63＋0.1×11.73＝13.80 m³N/kg。13.80×1.40×195＝3,767 kJ/kg で 8.8%。

③さらに排ガスを 160℃ まで回収：13.80×1.40×(160−25)＝2,608 kJ/kg で 6.1%。

④桁を確かめる：損失は kJ/kg、低発熱量は MJ/kg。比べるときは単位をそろえる。

• 空気予熱器が節炭器より低い温度まで冷やせるのは、相手の空気が常温で入るから。
• 酸露点は燃料の硫黄分で変わり、100℃を超えることもある。
• 排ガスを60℃程度まで冷やして潜熱まで回収すれば、低発熱量基準の効率は 97〜98% に達しうるとされる。家庭用の給湯・暖房器ではすでに使われている。

関連：ボイラの効率と熱損失

空気予熱による燃料の節減 ── 排ガス温度が高い炉ほど節約率が大きい

例題

単位燃料あたり低発熱量 42 MJ、予熱空気の顕熱 7 MJ とします。排ガス顕熱が 21 MJ の高温炉と、10.5 MJ の低温炉を比べます（値は仮のもの）。

①高温炉：有効熱量 42−21＝21 MJ。節約率 7÷(21＋7)＝25%。

②低温炉：有効熱量 42−10.5＝31.5 MJ。節約率 7÷(31.5＋7)＝18.2%。

③誤りやすい形：7÷42＝16.7% は、分母を低発熱量にした誤り。

④確かめる：同じ 7 MJ の予熱でも、排ガス損失の大きい高温炉のほうが効く。

• 工業炉の熱回収には、レキュペレータ（換熱式）がもっとも多く、ついでリジェネレイタ（蓄熱式）が使われる。
• 蓄熱式の熱交換器をバーナ1個ごとに組み合わせたのが、蓄熱燃焼式バーナ（リジェネレイティブバーナ）。
• 予熱すると燃焼ガス温度も上がるので、高温を要する炉ほど効く。

関連：炉の省エネルギーと熱勘定

混焼・燃料転換とCO₂排出量 ── 熱量あたりの炭素の量で比べる

例題

メタン70%・水素30%（体積割合）の混焼ガス 1 m³N の、熱量あたりの CO₂ を求めます。

①CO₂：メタンの分 0.70 m³N だけ。0.70×44/22.4＝1.375 kg。

②低発熱量：0.70×35.88＋0.30×10.78＝25.12＋3.23＝28.35 MJ。

③熱量あたり：1.375÷28.35＝0.0485 kg/MJ＝48.5 g/MJ。メタンだけ（54.7 g/MJ）より約11%少ない。

④確かめる：水素が担う熱は 3.23÷28.35＝11.4%。減り方はこの熱量の割合と同じで、体積の30%ではない。

• CO₂ 1 m³N は 44/22.4＝1.96 kg。体積で出た CO₂ を質量に直すときに使う。
• 混焼率が体積基準か熱量基準かを、必ず確かめる。
• 燃料中の炭素が同じなら、空気比を変えても CO₂ の量は変わらない（割合は変わる）。

関連：非化石エネルギーへの転換の進め方

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」2編 1・3・5章。同 熱分野Ⅳ「熱利用設備及びその管理」2編 1・3章

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