燃焼分析計算機

燃焼分析計算機は、燃料が燃焼するときの平衡化学反応式、空燃比、発生熱量を求めます。メタン、プロパン、オクタンなどの一般的な燃料や、炭素・水素・酸素・窒素の原子数を入力した任意の炭化水素燃料に対応しています。

燃焼分析計算機の使い方

メタンやプロパンなどの燃料の種類を選ぶか、「カスタム」を選択して、燃料分子に含まれる炭素、水素、酸素、窒素原子の数を入力します。
カスタム燃料では、標準生成エンタルピーもkJ/mol単位で入力します。この値はほとんどの燃料で負です。メタンは−74.8、プロパンは−103.8です。エタノール蒸気なら−234.8、液体エタノールなら−277.0のように、燃料の相に対応する値を使用します。水素ガスや炭素など、元素の標準状態における値は0です。
酸化剤を選択します。空気（体積比で酸素21%、窒素79%）または純酸素を選べます。
過剰率を設定します。化学量論比どおりの混合気には0%を指定し、酸化剤を追加する場合はそれより大きい値を指定します。空気の場合は「過剰空気」、純酸素の場合は「過剰酸素」と表示されます。
結果を確認します。平衡反応式、酸化剤と燃料の質量比、燃料モル当たりおよびキログラム当たりの発生熱量、各生成ガスの質量割合が表示されます。

空気を選択すると、この比は「空燃比」と表示されます。純酸素では混合気に空気が含まれないため、同じ結果が「酸化剤・燃料比」と表示されます。燃料の化学式はヒル順序で表示されます。炭素を最初、水素を2番目とし、その後にその他の元素を並べます。したがって、炭素1個、水素2個、酸素2個を含むカスタム燃料はCH₂O₂と表記されます。

燃焼とは何か？

燃焼は、燃料と通常は酸素である酸化剤との化学反応で、熱を放出します。完全燃焼では、炭化水素燃料（炭素と水素からできた分子）が十分な酸素と反応し、二酸化炭素（CO₂）と水（H₂O）だけを生成します。酸素が不足すると反応は不完全燃焼となり、一酸化炭素（CO）、すす、未燃燃料も生成されます。

化学量論的酸素量の式

化学式がCₓHᵧOᵤである燃料を完全燃焼させるために必要な酸素（O₂）の物質量は、次のとおりです。

$n(\mathrm{O_2}) = x + \frac{y}{4} - \frac{z}{2}$

ここで、xは炭素原子数、yは水素原子数、zは燃料中にすでに含まれる酸素原子数です。平衡化学反応式は次のようになります。

CₓHᵧOᵤ + n(O₂) → x CO₂ + (y/2) H₂O

空燃比の計算方法

空燃比（AFR）は、完全燃焼に必要な空気の質量を燃料の質量で割った値です。次の手順で求めます。

上の式から化学量論的なO₂の物質量を計算します。
酸化剤が空気の場合は、空気の79:21比を使って対応するN₂の物質量を求めます。mol N₂ = mol O₂ × (79/21)。
両方の気体をモル質量（O₂ = 32.00 g/mol、N₂ = 28.02 g/mol）を使って質量に換算し、合計して空気の質量を求めます。
空気の質量を燃料のモル質量で割ります。

計算例：メタン

メタン（CH₄）には炭素原子一個と水素原子四個が含まれるため、燃料一モル当たりに必要な酸素の物質量はn(O₂) = 1 + 4/4 = 2 molです。

CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O

酸化剤に空気を使う場合、2 molのO₂により、2 × (79/21) ≈ 7.52 molのN₂が供給されます。空気の質量は、(2 × 32.00) + (7.52 × 28.02) ≈ 274.8 gです。メタンのモル質量は約16.04 g/molなので、空燃比は質量比で274.8 ÷ 16.04 ≈ 17.1対1です。

燃焼熱

燃焼熱は、燃料を燃焼させたときに燃料モル当たりまたはキログラム当たりで放出されるエネルギーです。各物質の標準生成エンタルピーを用い、ヘスの法則によって計算します。

$Q = 393.5 \times x + 241.8 \times \frac{y}{2} + \Delta H_f$

ここで Q は燃料のモル当たりに放出される熱量（kJ/mol）であり、ΔHf は燃料の標準生成エンタルピーです。

393.5と241.8 kJ/molの値は、CO₂と水蒸気の生成エンタルピーに由来します。水を液体ではなく蒸気として扱うため、これは高位発熱量（HHV）ではなく低位発熱量（LHV）を示します。HHVの方が大きいのは、水蒸気が液体に凝縮するときに放出される熱も含むためです。ほとんどの燃焼装置内部では、この凝縮は起こりません。

メタンでは、ΔHf = −74.8 kJ/molなので、発生熱量は393.5(1) + 241.8(2) − 74.8 = 802.3 kJ/molです。これをメタンのモル質量（16.04 g/mol）で割ると、約50.0 MJ/kgになります。

発生熱量は燃料モル当たりで計算するため、酸化剤の種類や使用する過剰空気の量にかかわらず同じです。過剰空気は火炎温度と排ガス組成を変化させますが、燃料に蓄えられたエネルギーは変えません。

一般的な燃料

燃料	化学式	化学量論的空燃比（質量）	低位発熱量
メタン	CH₄	17.1 : 1	50.0 MJ/kg
プロパン	C₃H₈	15.6 : 1	46.4 MJ/kg
ブタン	C₄H₁₀	15.4 : 1	45.7 MJ/kg
オクタン	C₈H₁₈	15.0 : 1	44.8 MJ/kg

メタンは天然ガスの主成分です。プロパンとブタンは暖房、調理、携帯用コンロに使われます。これらの計算では、オクタンをガソリンの代わりに用いますが、実際のガソリンは多くの炭化水素の混合物であり、その化学量論空燃比は通常、14.7:1付近とされます。

過剰空気と燃焼効率

過剰空気とは、化学量論的に必要な量を超えて加える空気で、百分率で表します。混合が不完全だと燃料の一部が未燃のまま残るため、実際のバーナーが過剰空気0%で正確に運転されることはほとんどありません。

過剰空気0%では、混合気は正確に化学量論比になります。火炎温度は最も高くなりますが、混合が不完全だと不完全燃焼になる危険があります。
ほとんどのバーナーは過剰空気10–20%で運転されます。これにより、熱の損失を少量に抑えながら、燃料を確実にすべて燃焼させられます。
過剰空気が50%を超えると、効率はさらに低下します。余分な窒素と酸素が熱を吸収し、排ガスとともに排出されるためです。また、火炎温度も低下し、窒素酸化物（NOx）の生成を抑えられる場合があります。

燃焼反応に影響する要因

燃料組成。 炭素と水素の比率が高い燃料は、1 kg当たりの放出エネルギーが少なく、同じエネルギー出力に対してより多くのCO₂を生成します。

酸化剤の選択。 空気は窒素によって反応を希釈するため、純酸素の場合より火炎温度が低くなります。純酸素燃焼ではより高温になりますが、燃料由来の窒素や漏入した空気中の窒素が存在すると、窒素酸化物が多く生成される可能性があります。

燃料結合窒素。 燃料中の窒素原子は原子として数えられ、N₂分子となって排出されます。そのため、燃料中の窒素原子2個につき、生成物にN₂が1 mol加わります。

混合。 反応を完全に進行させるには、燃料と酸化剤を十分に混合する必要があります。燃料過濃または燃料希薄になりすぎた部分では、全体の平均混合比が正しくても不完全燃焼が起こります。

燃焼分析の用途

技術者は、これらの計算を自動車や航空機のエンジン設計、工業炉やボイラーの調整、住宅用暖房システムの容量設計に使用します。環境技術者は、同じ平衡化学反応式を使って、排出量報告用のCO₂およびNOx排出量を推定します。

よくある質問

完全燃焼と不完全燃焼の違いは何ですか。 完全燃焼は、燃料すべてがCO₂と水に変わるだけの酸素がある場合に起こります。不完全燃焼は酸素が不足した場合に起こり、その代わりに一酸化炭素、すす、未燃燃料が生成されます。

燃焼システムはなぜ過剰空気を使うのですか。 余分な空気を加えると、混合が完全でない場所でも燃料のすべての部分が十分な酸素に接触するようになります。一酸化炭素の生成を避けるため、ほとんどのシステムは約10–20%の過剰空気で運転されます。

空燃比はどのように計算しますか。 燃料の化学式から必要なO₂の物質量を求め、酸化剤が空気の場合は対応するN₂を加え、両方を質量に換算して、空気の総質量を燃料の質量で割ります。メタンは燃料の各キログラムにつき約17.1 kgの空気を必要とします。

高位発熱量と低位発熱量の違いは何ですか。 低位発熱量（LHV）は、生成した水が蒸気のまま残ると仮定します。高位発熱量（HHV）は、水が液体に戻るまで凝縮し、その際に追加の熱を放出すると仮定します。この計算機は、ほとんどの燃焼装置では水蒸気が凝縮せず排ガスとして排出されるため、LHVを表示します。

化学量論的燃焼とは何ですか。 化学量論的燃焼とは、生成物中に未反応の燃料も酸素も残らない、燃料と酸化剤の正確な混合状態です。これを超える空気は過剰空気、それより少ない空気は燃料過濃混合気と呼ばれます。

燃料組成は排ガスに影響しますか。 はい。燃料中の水素が多いほど、排ガス中の水蒸気が増えます。炭素が多いほど、CO₂が増えます。窒素や硫黄を含む燃料は、燃焼時に窒素酸化物や二酸化硫黄を生成することもあります。

燃焼分析計算ツール - 空気燃料比と方程式