燃焼設計 完全ガイド — 化学量論・断熱火炎温度・NOx 制御
燃焼解析・設計は化学量論、火炎温度、火炎構造、燃焼器形状、排ガス制御の複合問題です。本ガイドでは燃焼設計に必須の 7 つのテーマを統合し、メタン CH4 を例にした空燃比 17.2、断熱火炎温度 2226 K、自動車エンジンの λ=1.0 設計などの具体例で計算手順を示します。
燃焼設計 7 テーマ 統合表
| テーマ | 主要評価指標 | 該当ページ |
|---|---|---|
| 化学量論 | 空燃比 AFR、当量比 φ | 化学量論計算 |
| 断熱火炎温度 | T_ad [K] | 断熱火炎温度 |
| 予混合火炎（層流） | 層流燃焼速度 SL | 層流予混合火炎 |
| 拡散火炎 | 混合分率 ξ | 拡散火炎 |
| 乱流燃焼モデル | EBU, EDC, Flamelet | 乱流燃焼モデル |
| 燃焼安定性 | フラッシュバック、吹消え | 燃焼安定性 |
| 排ガス（NOx, CO） | NOx, CO, UHC, スス | NOx/CO 制御 |
選定フローチャート
- 燃料は何か？
- 気体（CH4, H2, LPG） → 化学量論計算 → 予混合 or 拡散火炎
- 液体（ガソリン, 軽油, 重油） → 噴霧 + 蒸発 + 拡散火炎
- 固体（石炭、バイオマス） → 熱分解 + ガス化 + 燃焼
- 混合状態は？
- 事前混合（予混合） → 予混合火炎（家庭用ガスコンロ、SI エンジン）
- 火炎面で混合（拡散） → 拡散火炎（ディーゼル、ガスタービン、産業炉）
- 部分予混合 → Flamelet モデル or 連結反応モデル
- 流れは層流か乱流か？
- 層流（ブンゼンバーナー、マッチ） → 層流燃焼速度 SL ベース
- 乱流（実用機器のほとんど） → 乱流燃焼モデル（EBU, EDC, Flamelet, PDF）
- 排ガス規制要求は？
- 低 NOx 必須 → リーンバーン（φ<0.7）、再循環（EGR）、二段燃焼
- 低 CO/UHC 必須 → 当量比 φ ≈ 1.0、十分な滞留時間
主要設計式（メタン CH4 を例に）
1. 化学量論反応式
$$ \mathrm{CH_4} + 2 \mathrm{O_2} \rightarrow \mathrm{CO_2} + 2 \mathrm{H_2O} $$
空気中で（O2:N2 = 1:3.76）:
$$ \mathrm{CH_4} + 2(\mathrm{O_2} + 3.76 \mathrm{N_2}) \rightarrow \mathrm{CO_2} + 2 \mathrm{H_2O} + 7.52 \mathrm{N_2} $$
2. 化学量論空燃比 (AFR)
$$ \mathrm{AFR}_{\text{st}} = \frac{M_{\text{air}}}{M_{\text{fuel}}} = \frac{2 \cdot 32 + 7.52 \cdot 28}{16} = \frac{64 + 210.6}{16} = 17.2 $$
当量比 φ (= 実 AFR / 化学量論 AFR の逆数):
$$ \phi = \frac{(\mathrm{AFR}_{\text{st}})}{\mathrm{AFR}_{\text{actual}}} $$
- φ = 1.0: 化学量論（最大火炎温度）
- φ < 1: リーン（空気過剰、酸素余り）→ NOx は中程度、CO 低
- φ > 1: リッチ（燃料過剰）→ CO, UHC 増加
3. 断熱火炎温度 T_ad（理論最大値）
エネルギー保存:
$$ \sum_i n_i^{\text{reactant}} H_i^{\text{reactant}}(T_0) = \sum_j n_j^{\text{product}} H_j^{\text{product}}(T_{\text{ad}}) $$
実例 [メタン φ=1.0, T0=298 K]:
- 低位発熱量 LHV = 50.0 MJ/kg
- 生成物（CO2 + 2H2O + 7.52N2）の平均 Cp ≒ 1.2 kJ/kg·K
- T_ad ≒ 298 + LHV / (Cp · m_total) ≒ 2226 K（実測値 2200〜2250 K）
- 解離（CO2 ⇄ CO + 1/2 O2 等）を考慮すると 2050 K 程度に低下
4. 層流燃焼速度 SL（一次近似）
$$ S_L = S_{L,\text{ref}} \left( \frac{T_u}{T_{\text{ref}}} \right)^\alpha \left( \frac{P}{P_{\text{ref}}} \right)^\beta f(\phi) $$
- メタン-空気 φ=1.0, 298K, 1 atm: S_L ≒ 0.4 m/s（実測）
- 水素-空気 φ=1.0: S_L ≒ 2.4 m/s（メタンの 6 倍）
- 圧力上昇で SL 微増、初期温度上昇で SL 大幅増（α ≒ 1.6）
5. 火炎厚さ δ
$$ \delta = \frac{\alpha}{S_L} $$
$\alpha$ は熱拡散率。メタン-空気で δ ≒ 0.5 mm。乱流の渦サイズと比較して燃焼レジームを判定。
主要燃料の特性表
| 燃料 | LHV [MJ/kg] | AFR_st | T_ad [K] (φ=1) | S_L [m/s] |
|---|---|---|---|---|
| 水素 H2 | 120 | 34.3 | 2380 | 2.4 |
| メタン CH4 | 50.0 | 17.2 | 2226 | 0.4 |
| プロパン C3H8 | 46.4 | 15.7 | 2267 | 0.45 |
| ガソリン C8H18 | 44 | 14.7 | 2280 | 0.42 |
| 軽油 C12H23 | 42.5 | 14.5 | 2280 | — (拡散火炎) |
| アンモニア NH3 | 18.6 | 6.06 | 2073 | 0.07 |
排ガス制御（NOx 生成機構）
| NOx 生成経路 | 支配条件 | 削減策 |
|---|---|---|
| サーマル NOx (Zeldovich) | T > 1800 K、長滞留 | リーンバーン、EGR、水噴射 |
| プロンプト NOx (Fenimore) | 炭化水素火炎、リッチ部 | 予混合化、空気多段供給 |
| フューエル NOx | 窒素含有燃料（石炭） | 脱窒前処理、低 NOx バーナ |
| N2O 経由 | 超リーン、低温 | 触媒分解 (SCR, NSR) |
応用シーン
| アプリ | 燃焼タイプ | 設計指針 |
|---|---|---|
| 自動車エンジン (SI) | 予混合、火花点火 | φ=1.0 で三元触媒 |
| ディーゼル | 拡散、自己着火 | 高圧噴射 + EGR + SCR |
| ガスタービン | 予混合（DLE） | φ ≈ 0.5、低 NOx (<25 ppm) |
| 産業用ボイラ | 拡散 or 予混合 | 低 NOx バーナ + FGR |
| 水素エンジン | 予混合、希薄 | バックファイア対策、リーン運転 |
| アンモニア発電 | 予混合 + 触媒 | フューエル NOx 対策必須 |
関連シミュレーター・記事
- 化学量論計算シミュレーター — AFR、当量比、生成物組成
- 化学反応速度論
- Flamelet モデル詳解
- EDC モデル
- 予混合火炎の詳細
失敗パターン
- 断熱火炎温度を実測と比較: 解離・放熱で実測は 100〜200 K 低い。CHEMKIN, Cantera で平衡計算必須
- 層流 SL を乱流燃焼速度として使う: 乱流 ST は SL の 5〜30 倍。乱流強度 u' に依存
- NOx を温度だけで予測: 滞留時間、O2 ラジカル濃度も支配。CFD + 化学反応モデル必須
- 水素を低発熱量で比較: H2 の質量 LHV は最大だが、体積 LHV は天然ガスの 1/3 で配管設計が異なる
- 拡散火炎に予混合モデル: 火炎構造が全く異なる。混合分率 ξ ベースの Flamelet を選択
規格・標準
- ISO 19694: 産業用燃焼設備の温室効果ガス測定
- JIS B 8222: 陸用蒸気ボイラ性能試験
- 40 CFR Part 60 (EPA): 米国排ガス規制
- EU Industrial Emissions Directive: 欧州 NOx 排出基準
- NFPA 86: 産業炉安全
- API 537: フレア燃焼