エンジニアのための熱技術情報誌

熱技術NEWSニュース

March
2021
Vol.

燃焼計 算 の 手 順 3 〜燃焼排ガス〜
前回は燃焼するのに実際に必要とする空気量、空気比について解説しました。今回は理論排ガス量を求め方について解説します。

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基本

理論排ガス量とは理論排ガス量とは、ある燃料を完全燃焼させたときに排出される排ガスの量で空気は窒素と酸素のみと仮定して求めます。燃焼後の H₂O を気体の水蒸気として計算したときのものを湿り排ガス量、液体の水として計算したものを乾き排ガス量といいます。
例）13A 10m³/min を空気比 1.2 で完全燃焼させたときの理論排ガス量を求めます。
13A の組成を以下のものと仮定します。

90 %
放射率

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成分

化学式

13A 組成燃焼反応式

メタン

CH₄90％

CH₄＋2O₂→1CO₂＋2H₂O

エタン

C₂H₆6％

C₂H₆＋7/2O₂→2CO₂＋3H₂O

プロパン

C₃H₈3％

C₃H₈＋5O₂→3CO₂＋4H₂O

ブタン

C₄H₁₀1％

C₄H₁₀+1₃/2O₂→4CO₂＋5H₂O

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燃焼反応式、組成から燃焼後の CO₂、H₂O の量を計算します。
燃焼反応式より各成分の燃焼に必要な理論酸素量は各反応式の酸素の係数倍になります
ガス流量を Qm³/h とすると、各成分の組成をかけて
CO₂：Qm³/h x｛(1 x 0.9) + (2 x 0.06) + (3 x 0.03) + (4 x 0.01)｝＝1.15x Q m³/h
H₂O：Qm³/h x｛(2 x 0.9) + (3 x 0.06) + (4 x 0.03) + (5 x 0.01)｝＝2.15x Q m³/h
理論酸素量、理論空気量、空気比 1.2 のとき供給される空気量は
理論 O₂：Qm³/h x｛(2 x 0.9) + (7/2 x 0.06) + (5 x 0.03) + (13/2 x 0.01)｝＝2.23x Q m³/h
理論空気：2.23 x Q m³/h x 100/20.9 ＝10.7x Q m³/h
実際空気：10.7 x Q m³/h x 1.2＝12.84x Q m3/h
供給される空気のうち理論酸素量分は消費されるため、 ここまでが排ガス中に含まれる残存空気は前回の復習！
12.84Q - 2.23Q ＝10.61x Q m³/h
湿り排ガス量は CO₂＋H₂O＋残存空気であるから
1.15Q＋2.15Q＋10.61Q＝13.91x Q m³/h
乾き排ガス量は CO₂＋残存空気であるから 11.76x Q m³/h
1.15Q＋10.61Q＝x11.76 Q m³/h
13A 10m³/min のとき、理論湿り排ガス量、乾き排ガス量は理論湿り排ガス量：139.1m³/min、理論乾き排ガス量：117.6m³/min
13A＋供給空気が、10m³/min＋128.4m³/min＝138.4m³/min なので供給量とほぼ同量の排ガスが排出されることとなります。
※同温度、同圧力での体積。実際は熱膨張分体積は増加する空気比 1.5 の場合空気量が 10.7x10x1.5=160.5m³/min となるため、残存空気量は 160.5-22.3＝138.2m³/min
湿り排ガス量は 11.5+21.5+138.2＝171.2m³/min となります。空気比に応じて排ガス量も大きく増加してしまいます。
高温の排ガスは大きなエネルギーを持っているため、排ガスが多いほど無駄なエネルギーを使用することになります。
空気比を調整して排ガス量をなるべく抑えることが省エネにつながります。

排熱の回収

注目

燃焼設備は稼働中に多くのエネルギーを消費しています。その中でも特にエネルギー消費量に対する排気が持ち去るエネルギーの割合は大きいといえます。その為、排気エネルギーを有効に利用することができれば省エネ効果が期待できます。排気エネル
ギーを再利用できるバーナにリジェネレイティブバーナなどがありますが弊社ではレキュペレイティ
ブバーナである ecoNext を販売しております。排熱回収はバーナに搭載した多管式熱交換器によって行われ、温度の高い燃焼排ガスを燃焼用空気と熱交換することで省エネ効果を発揮します。排熱回収をしない場合と比較して燃料消費量を最大約 30％削減できます。

方式

熱交換器式（レキュペ）

蓄熱式（リジェネレイティブ）

熱交換器

対向流熱交換型

バッチ切替蓄熱型

熱交換器材質SUS+ 表面処理

セラミックボール等

運転方式

連続運転

バッチ切替運転大きさ◎本体及びシステムが小型△大型化する

イニシャルコスト◎△

温度効率〇〇

省エネ効果〇〇

メンテナンスコスト◎×

排ガスを利用してデータをとる

注目

ガス流量計・エア流量計を用いたインプットからの空気比を求める方法を前回熱技術ニュースで紹介させていただきましたが、燃焼排ガスを測定することによりアウトプットからも空気比を含む様々なデータを入手することができます。
O₂（酸素濃度）を測定することにより空気比が求められますCO（一酸化炭素）を測定することにより不完全燃焼が判断できます
排気温度を測定することにより排熱エネルギーを判断できます
NOx（窒素酸化物）を測定することにより環境負荷の度合を判断できます
燃焼排ガスを測定する事により適切な燃焼状態を把握し、省エネルギーに役立てることが出来ます。
常に理想的な状態を維持してエネルギー管理していくことをオススメします。
事例

排ガス成分の分析

排ガスの温度測定

バーナなど燃焼装置の性能を測る唯一の方法は排ガス成分の分析です。目視や臭いでは判断することができません。
エコムでも定期メンテンスや安全確認作業に加え、ご要望に応じて排ガス測定器による点検を行っています。
排ガス測定器を利用して化学的に分析を行うことで、火炎の状態の把握やエネルギー収支を把握することができ、効果的な省エネ対策を立案できます。

成分分析だけでなく、排気温度の測定をすることでも、燃焼効率を推測することができます。排気温度が低ければ、無駄なエネルギーが排出されていないことになり、燃焼効率が良いと考えられます。
燃焼に余分な空気量が多い場合には、排ガス中の O₂濃度が増加し、熱損失が大きくなります。省エネには排気温度を測定するのも大事です。

チューニングポイント

チューニングポイント

0~100ppm

CO 濃度：

6O₂濃度： ％以下
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本社・テクニカルセンター

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