エンジニアのための熱技術情報誌

熱技術NEWS
ニュース

December
2020
Vol.

93

燃焼計 算 の 手 順
燃焼とは vol.88（燃焼の三要素）でも特集したように、燃料と酸素との酸化反応です。
そのため燃焼反応は化学反応式で表すことができ、発熱量や理論空気量も反応式から計算することができます。都市ガス（13A）、LPG の燃焼を例にして考えてみましょう。

理論空気量とは基本

理論空気量とは、燃料を完全燃焼させるために必要な最小の空気量のことです。
都市ガス（13A)、LPG を燃料とする燃焼装置の瞬時ガス流量計の表示値が 10m³/h であったとき、そのときの理論空気量を計算しましょう。

1 ガスの 組 成 か ら 燃 焼 反 応 式 を 求 め る
都市ガス（13A）はメタンを主成分とし、ブタン等で燃焼量を調整したガス燃料です。また、
LPG はプロパン、ブタンを主成分とします。各成分の燃焼反応式は次のようになります（組成はガス供給事業社によって多少異なります）

90%
放射率

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成分

化学式

13A 組成LPG 組成燃焼反応式

メタン

CH₄90％

0％

CH₄＋2O₂→CO₂＋2H₂O

エタン

C₂H₆6％

0％

C₂H₆＋7/2O₂→2CO₂＋3H₂O

プロパン

C₃H₈3％

95％

C₃H₈＋5O₂→3CO₂＋4H₂O

ブタン

C₄H₁₀1％

5％

C₄H₁₀+13/2O₂→4CO₂＋5H₂O[PR] 進化系メンテナンス！点検・修理サービス

T!
HO2 燃焼 反 応 式 、 組 成 か ら 理 論 酸 素 量 を 求 め る
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IoT センサー × リモートメンテナンス

13A

Qm³/h x｛(2 x 0.9) + (7/2 x 0.06) + (5 x 0.03) + (13/2 x 0.01)｝＝ 2.23 x Q m³/h

LPG

Qm³/h x｛(2 x 0) + (7/2 x 0) + (5 x 0.95) + (13/2 x 0.05)｝＝ 5.08 x Q m³/h

メタン

メタン

エタン

エタン

プロパン

プロパン

ブタン

ブタン

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LPG の完全燃焼にはガスの 5.08 倍の酸素が必要

13A の完全燃焼にはガスの 2.23 倍の酸素が必要

3 理論 酸 素 量 と 空 気 中 の 酸 素 の 組 成 か ら 理 論 空 気 量 を求 め る
ここで空気中の酸素の割合を 20.9％とすると理論空気量は13A

2.23 x Q m³/h x 100/20.9 ＝ 10.7 x Q m³/h

LPG

5.08 x Q m³/h x 100/20.9 ＝ 24.3 x Q m³/h

よって、ガス流量 Q = 10m3/h のとき理論空気量は13A

10.7 x 10 = 107 m³/h

LPG

24.3 x 10 = 243 m³/hココでおさらい

燃焼反応式を作成する際には次の基本ルールを知っていれば簡単に作成できます。

例題にメタン（CH₄）の燃焼を考えてみましょう①炭素（C）は燃焼すると二酸化炭素（CO₂）になる②水素（H）は燃焼すると水（H₂O）になる③硫黄（S）は燃焼すると二酸化硫黄（SO₂) になる④どんな物質も 1 気圧 0℃の状態では 1kmol の気体は 22.4m³⑤反応の前後で物質の総質量は変わらない（質量保存の法則）

メタンは燃焼すると二酸化炭素と水になるので（基本ルール①・②）、矢印の左辺に反応する物質（メタン・酸素）、右辺に生成する物質（二酸化炭素・水）を化学式で書きます。あとは左辺と右辺の原子の数を合うように係数を入れて完成です！

メタン
メタンの燃焼

CH₄

酸素

二酸化炭素

2O₂

水

CO₂2H₂O

C の数を合わせる
HH
C

H

H

O

O

O

OOCO

HO

HH

O

H

O の数を合わせる

H の数を合わせる基本

LPG の方が理論空気量が多い？

次回予告

上の結果だけを見ると、LPG の方が理論空気量が多く思えますが、これはガス流量を同じとした場合です。13A と LPG では発熱量が違うため、発熱量を合わせた場合、13A10m³/h の発熱量に相当する LPG の流量は、13A の発熱量を 46MJ/m³、LPG の発熱量を 99MJ/m³ とすると実際の装置では今回求めた理論空気量よりも過剰量の空気を供給する必要があり、実際に供給する空気量と理論空気量との比を空気比といいます。適切な空気比とは何か、空気比が大きすぎる、小さすぎるとどのような問題が起きるか、次回に続きます。

10m³/hｘ46 ÷ 99 ＝ 4.65 m³/h
ゆえに 13A10m³/h と同じ発熱量の LPG の理論空気量は、24.3ｘ4.65m³/h ＝ 112 m³/h
同じ発熱量で比較すれば 13A の理論空気量 107m3/h と大きくは変わらない結果となります

事例

メンテナンスバーナには定格が存在し型式により定格が決められております。しかし、ガスの流量を増加させたり圧力を増加させることにより定格以上を燃焼できてしまいます。その結果、定格内での燃焼を基に設計しているバーナに負荷がかかり劣化が早くなったり、機器の損傷につながります。
また、炎長が伸びることで装置内を焼損させてしまうだけではなく火事につながることもあります。使用する装置の特性やインプット圧力・流量を把握することや年に１回以上の点検時で各値を測定することが大事になってきます。
注目

ガス燃焼量の管理

流量モニタ
デジタル表示ができて瞬時流量や積算流量が表示可能な、アズビル製「CMG」がエコムが使用する代表的な計器となります。標準状
態での体積流量が表示できるため、温度、圧力換算が不要で、細かな流量管理が可能です。

設備のエネルギー使用量を管理する上でデジタル流量計の取付をお勧めしております。
日常管理として瞬時流量や積算流量を確認することができ、稼働時間が分かれば稼働当たりの使用量を把握することが容易になります。別の方法として、簡易的・安価で確認するためにオリフィスを取り付ける場合もあります。ただし、差圧確認が必要で、オリフィス流量曲線から換算する必要があるので、デジタルタイプの方が確認が容易です。

オリフィス流量計
デジタル流量計より安価な物ではオリフィス流量計があります。板に小さな穴をあけた単純な構造で、流量が多くなるほどオリフィス前後の差圧が大きくなることを利用します。オリフィス径ごとにあらかじめ作られた圧力ｘ流量のグラフによって流量を求めます。
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