【直前対策】エネ管熱・課目Ⅲ「燃料と燃焼」

こんにちは、みのむしチャンネルにようこそ。

今回は8月8日に迫ったエネルギー管理士（熱）の課目Ⅲ「燃料と燃焼」のポイントまとめを行いたいと思います。私のエネルギー管理士（熱）チャレンジの過去投稿についてはこちらをご覧ください→

試験対策に使っているのは10年分の過去問題を掲載されたこちらのテキストです→

また、課目Ⅰ「エネルギー総合管理および法規」のポイントまとめの過去投稿はこちら→

燃料および燃焼管理

◆気体燃料

気体燃料	液化石油ガス （LPG）	都市ガス （LNG）	コークス炉ガス （COG）	高炉ガス （BFG）
最大可燃成分	C3H8 （プロパン）	CH4 （メタン）	H2 （水素）	CO （一酸化炭素）
体積あたりの発熱量	大 101[MJ/m3N]	中 40[MJ/m3N]	小	最小
密度	大	中	小	ー
質量あたりの発熱量	小 51[MJ/kg]	中 56[MJ/kg]	大	ー
可燃限界濃度	小 2‐10[％]	中 5‐15[％]	大	ー
飽和蒸気圧	C3H8 0.8[MPa] C4H10 0.2[MPa]	ー	ー	ー

◆気体燃料の燃焼方法

燃焼方式	特徴
拡散燃焼方式	・気体燃料と空気を別々に燃焼室に供給する方式 ・乱流拡散となる流量で使用される ・逆火の危険性が小さい ・工業用バーナに使用される
予混合燃焼方式	・気体燃料と空気をあらかじめ混同して燃焼室に供給する方式 ・混合気の流速を大きくすると失火の恐れがある ・30‐80％の空気が予混合される ・ベンチュリ形などが用いられる
完全予混合燃焼	・方式は予混合方式と同様。最も高負荷燃焼が可能な方式

◆液体燃料

液体燃料の特性

	重油	軽油	灯油
密度	大 0.85‐1.0[g/cm3]	中 0.83‐0.88[g/cm3]	小 0.79‐0.83[g/cm3]
体積あたり高発熱量	大 37.4‐44.0[MJ/㎥]	中 36.5‐38.7[MJ/㎥]	小 35.6‐37.4[MJ/㎥]
質量あたり高発熱量	40-50[MJ/kg]

重油の特性

・動粘度により1種、2種、3種の3種類に分類される
動粘度は1種→3種の順で高くなり霧化しにくくなる。1種は噴射弁で霧化が可能だが、3種は90℃以上の加熱が必要となる
・更に1種は硫黄分の含有量により2種類（1号、2号）に分類される

◆液体燃料の燃料方式

燃焼方式	特徴
蒸発燃料装置	・小型燃焼器用 ・空気を利用した蒸発燃焼
噴霧燃焼装置	油圧式	・霧化状態の影響を受けやすく油圧調整範囲が狭い ・非戻り油式は戻り油式よりも油量調整範囲が狭い
	回転式	・霧化状態の影響を受けにくい。霧化用空気のゲージ圧は数kPa程度 ・火炎が広角になる
	気流式	・油量調整範囲が広く、容量が大きく出来る ・工業用の大型ボイラに使用される ・火炎は挟角

◆固体燃料の燃焼方式

燃焼方式	特徴
火格子燃焼方式	・燃料の粒径が3－25mmと大きいため、他の燃焼方式と比較して平均ガス流速や燃焼用空気の流速が小さくなる ・ゴミ焼却炉に用いられる
微粉炭燃焼方式	・他の燃焼方式と比べると燃焼用空気の流速は最も大きい ・200メッシュ（目開き74[μm]）のふるいを通過後に微粉砕され、吹き込まれる ・負荷調整が容易で、最大容量を大きく出来る ・灰はフライアッシュとして排出される
流動層燃焼方式	・同一発熱量で比較すると、微粉炭燃焼方式よりも装置がコンパクトとなる ・低温燃焼（800‐950℃）のため低NOX燃焼が可能である ・石灰石による炉内脱硫が可能である ・炉内ガス流速　気泡式　1－2[m/s]、循環式　4－8[m/s]

◆環境対策

目的	設備・環境対策
NOX排出量の低減	・低空気比燃焼の適用 ・炉内バーナへの水蒸気の吹込み、炉内へのアンモニアの吹込み ・二段燃焼法の適用 ・複数バーナによる濃淡燃焼の適用
ばいじん排出量の低減	・エマルジョン燃料の適用 ・低C/H燃料の使用
SO2排出量の低減	・重油から天然ガスへの燃料転換 ・石灰石の炉内投入
CO2排出量の低減	・バイオマス燃料の使用

◆腐食対策

目的	原理・対策
低温腐食	・硫黄を含んだ燃料が燃焼するとSO2が生成され、一部が酸化してSO3となる ・空気比を低くした燃焼方法 ・低硫黄燃料の使用 ・空気予熱器やエコノマイザの表面温度を酸露点以上に確保する
高温腐食	・燃料中のバナジウムが低融点のV2O5になり、鉄鋼表面の保護酸化物が融点の低い化合物となって酸化腐食する ・低バナジウム燃料の使用 ・ドロマイドなどの添加剤の注入

燃焼計算

◆主な燃焼反応式

燃焼物質	燃焼反応式
炭素（C）	C＋O2→CO2
水素（H）	H＋0.25O2→0.5H2O
メタン（CH4）	CH4＋２O2→CO2＋２H2O
エタン（C2H6）	C2H6＋3.5O２→２CO2＋3H2O
プロパン（C3H8）	C3H8＋5O2→3CO2＋4H2O
ポリプロピレン（C3H6）	C3H6＋4.5O2→3CO2＋3H2O
ブタン（C4H10）	C4H10＋6.5O2→４CO2＋5H2O
セルロース（C6H10O5）	C6H10O5 ＋6O2→6CO2＋5H2O

燃焼反応式の作り方

一番反応式を作るのが難しいセルロース（C6H10O5）で考えてみます。
まず大前提として物質が燃焼するためには酸素が必要で、生成されるのは二酸化炭素と水です。
これは上表のメタン（CH4）以下の物質に共通しています。

（手順１）左辺に燃焼物質と酸素（O2）、右辺に二酸化炭素（CO2）と水（H2O）を書き込む
C6H10O5＋　　O2→　　CO2＋　　H2O

（手順2）左辺の各物質の構成数を下にメモする
C6H10O5＋　　O2→　　CO2＋　　H2O
6 10 ５           2

（手順３）二酸化炭素（CO2）を構成するCは燃焼物質であるC6H10O5からしか発生しないので、右辺のCの構成数が6になるようにCO2のmol数を決定する。mol数“6”を記入と同時にCとOの構成数を計算して下にメモする
C6H10O5＋　　O2→6CO2＋　　H2O
6 10 ５           2 　6 12

（手順4）手順3と同様の手順で右辺のH2Oのmol数を記入し、HとOの構成数をメモする
C6H10O5＋　　O2→6 CO2＋5 H2O
6 10 ５           2 　6 12     10 5

（手順５）最後に右辺のOの数量（赤文字としています）を合計（この場合17個）し、左辺との等式が釣り合う様にO2のmol数を計算し記入する。これで燃焼反応式は完成です！
C6H10O5＋6 O2→6 CO2＋5 H2O
6 10 ５     12   　6 12     10 5

◆燃焼計算で使用する主な公式

・理論空気量＝理論酸素量[m3N]/空気中の酸素の濃度[％]
・空気比＝供給空気量[m3N]/理論空気量[m3N]
・湿り燃焼ガス量＝（空気量ーO2量）＋CO2量＋H2O量[m3N]
・渇き燃焼ガス量＝湿り燃焼ガス量ーH2O量[m3N]
・排ガスの保有熱量　Qg=Cp（T-To）Vg[J/m3N]
・排ガスの損失割合　Rg＝Cp（T-To）Vg/H[％]
Qg：排ガス保有熱量[J/m3N]　Cp：定圧比熱[J/m3N・K]
T：排ガス温度[K]　To：基準温度[K]　Vg：湿り燃焼ガス量[m3N]
Rg：排ガス損失割合[％]　H：燃料の低発熱量[J/m3N]

【燃焼計算】の攻略方法をブログにしました。合格点を取るコツをまとめましたので、是非ご覧ください。

最後までお読みいただきありがとうございました。
試験日まで2か月を切りました。受験される皆さん、エネルギー管理士はチャレンジに値する難易度の高い資格試験です。最後まで諦めずに粘り強く頑張りましょう！

では、また。