燃焼熱

物質（通常は燃料または食品（食品エネルギーを参照））の発熱量（またはエネルギー値、発熱量）とは、指定された量の物質の燃焼中に放出される熱量のことです。

発熱量とは、標準条件下で物質が酸素と完全燃焼した際に熱として放出されるエネルギーの総量です。化学反応とは、典型的には炭化水素などの有機分子が酸素と反応して二酸化炭素と水を形成し、熱を放出することです。発熱量は以下の量で表されます。

  • エネルギー/燃料モル
  • エネルギー/燃料の質量
  • 燃料のエネルギー/量

燃焼エンタルピーには、高熱量と低熱量と呼ばれる2種類があり、これは生成物がどの程度冷却されるか、 Hのような化合物が燃焼に関与するかどうかによって決まります。
2Oは凝縮されます。高発熱量は通常、ボンベ熱量計で測定されます。低発熱量は高発熱量試験データから算出されます。また、生成熱ΔHとの差として計算することもできます。⦵
f生成物と反応物の（ただし、このアプローチはやや不自然であり、生成熱のほとんどは燃焼熱の測定値から計算されることが多い）。[1]

組成C c H h O o N nの燃料の場合、（高い方の）燃焼熱は419 kJ/mol × ( c + 0.3 h − 0.5 o )で、通常は良好な近似値（±3%）を示しますが、[2] [3] 、（気体の）ホルムアルデヒドや一酸化炭素などの一部の化合物では結果が悪く、 o + n > cの場合には、グリセリンジニトラート（ C 3 H 6 O 7 N 2 ）のように大幅にずれることがあります。[4]

慣例上、（高次の）燃焼熱は、化合物が標準状態において完全燃焼して標準状態の安定した生成物を生成する際に放出される熱と定義されます。水素は水（液体状態）に変換され、炭素は二酸化炭素ガスに変換され、窒素は窒素ガスに変換されます。つまり、燃焼熱 Δ H ° comb は、以下の反応における反応熱です。

C
cH
h北
nお
o(標準) + ( c + h ⁄ 4 - o ⁄ 2 ) O
2(g) → c CO
2(g) + h ⁄ 2 H
2O ( l ) + n ⁄ 2 N
2（グ）

塩素と硫黄は完全に標準化されておらず、通常は塩化水素ガスとSOに変換されると想定されています。
2またはSO
3それぞれガスを生成するか、または燃焼を一定量の水を入れたボンベ熱量計で行うと、それぞれ塩酸水溶液と硫酸水溶液を希釈することができる。 [5] [6]

決意の方法

総額と純額

ズウォリンスキーとウィルホイトは1972年に燃焼熱の「総量」と「正味量」を定義した。総量定義では、生成物は最も安定した化合物、例えばHである。
2O (l)、Br
2（l）、私
2(s) とH
2それで
4（l） ネット定義では、生成物とは、化合物が裸火で燃焼したときに生成されるガス、例えばH
2O (g)、臭素
2（g）、私
2(g) およびSO
2（g） どちらの定義でも、C、F、Cl、Nの生成物はCO
2(g), HF (g), Cl
2(g) およびN
2（g）である。[7]

デュロンの公式

燃料の発熱量は、燃料の元素分析結果を用いて計算できます。分析結果から、燃料中の可燃物（炭素、水素、硫黄）の割合が分かります。これらの元素の燃焼熱が分かっているため、デュロンの式を用いて発熱量を計算できます。

HHV [kJ/g] = 33.87m C + 122.3(m H − m O ÷ 8) + 9.4m S

ここで、m C、m H、m O、m N、m Sは、それぞれ炭素、水素、酸素、窒素、硫黄の含有量（湿潤基準、乾燥基準、無灰基準）である。[8]

発熱量が高い

高位発熱量 (HHV;総エネルギー、上限発熱量、総発熱量 GCV、または高位発熱量HCV ) は、燃料の完全燃焼によって生成される利用可能な熱エネルギーの上限を示します。これは、物質の単位質量または単位体積あたりのエネルギーの単位で測定されます。HHV は、生成された蒸気を凝縮することを含め、すべての燃焼生成物を元の燃焼前温度に戻すことによって決定されます。このような測定では、多くの場合、標準温度 25 °C (77 °F; 298 K) [ 引用必要 ] が使用されます。これは、反応のエンタルピー変化が燃焼前後の化合物の共通温度を前提としているため、熱力学的燃焼熱と同じです。その場合、燃焼によって生成された水は液体に凝縮されます。高位発熱量は、燃焼生成物中の水の蒸発潜熱を考慮したものであり、反応生成物の凝縮が可能な燃料（例えば、暖房用ガスボイラーなど）の発熱量を計算する際に有用です。言い換えれば、高位発熱量（HHV）は、燃焼終了時（燃焼生成物中）にすべての水成分が液体状態にあり、150℃（302℉）未満の温度で放出された熱が利用できることを前提としています。

低位発熱量

低位発熱量（LHV、正味発熱量、NCV、または低位発熱量、LCV）は、燃料の燃焼によって生成される利用可能な熱エネルギーの別の尺度であり、物質の単位質量または単位体積あたりのエネルギー単位で測定されます。HHVとは対照的に、LHVは水の蒸発に使用されるエネルギーなどのエネルギー損失を考慮しますが、その正確な定義は一様に一致していません。1つの定義は、単に高位発熱量から水の蒸発熱を差し引くというものです。この定義では、生成されたH 2 Oは蒸気として扱われ、廃棄物として放出されます。したがって、水を蒸発させるために必要なエネルギーは失われます。

LHV 計算では、燃焼プロセスの水の成分が燃焼の最後には蒸気状態にあると想定されます。これは、燃焼プロセス後の燃焼プロセス中のすべての水が液体状態にあると想定する 高位発熱量 (HHV) (総発熱量または総 CVとも呼ばれます) とは対照的です。

LHVの別の定義は、生成物を150℃（302℉）まで冷却したときに放出される熱量です。これは、水やその他の反応生成物の蒸発潜熱が回収されないことを意味します。これは、燃焼生成物の凝縮が不可能な場合、または150℃（302℉）未満の温度の熱を利用できない場合の燃料を比較する際に役立ちます。

アメリカ石油協会（API）が採用している低位発熱量の定義の一つでは、基準温度が60°F（15+5 ⁄ 9  °C)。

ガス プロセッサー サプライヤー協会 (GPSA) で使用され、元々 API (API 研究プロジェクト 44 用に収集されたデータ) で使用された別の定義は、すべての燃焼生成物のエンタルピーから基準温度 (API 研究プロジェクト 44 では 25 °C を使用。GPSA は現在 60 °F を使用) における燃料のエンタルピーを差し引き、さらに基準温度における化学量論的酸素 (O 2 )のエンタルピーを差し引き、さらに燃焼生成物の蒸気内容物の気化熱を差し引いたものです。

燃焼生成物がすべて基準温度に戻るという定義は、他の定義を使用する場合よりも高い発熱量から計算するのが簡単で、実際には少し異なる答えが得られます。

総発熱量

総発熱量は、低位発熱量（LHV）と同様に、排気ガス中の水分が蒸気として排出されることを考慮しますが、総発熱量には燃焼前の燃料に含まれる液体の水分も含まれます。この値は、燃焼前に通常ある程度の水分を含む木材や石炭などの燃料にとって重要です。

発熱量の測定

高位発熱量は、ボンベ熱量計を用いて実験的に測定されます。燃料と酸化剤の化学量論的混合物（例えば、水素2モルと酸素1モル）を鋼製容器内で25℃（77°F）で点火装置によって燃焼させ、反応を完了させます。燃焼中に水素と酸素が反応すると、水蒸気が発生します。その後、容器とその内容物を元の25℃まで冷却し、同じ初期温度と最終温度の間で放出された熱量として高位発熱量を測定し、高位発熱量を決定します。

低位発熱量（LHV）が決定されると、冷却は150℃で停止され、反応熱は部分的にしか回収されません。150℃という制限は、酸性ガスの露点に基づいています。

注: 高位発熱量 (HHV) は液体の水の生成物で計算され、低位発熱量 (LHV) は蒸気の水の生成物で計算されます。

発熱量間の関係

2 つの発熱量の差は、燃料の化学組成によって異なります。純粋な炭素または一酸化炭素の場合、2 つの発熱量はほぼ同じで、その差は 150 °C と 25 °C の間の二酸化炭素の顕熱量です (顕熱交換により温度変化が生じ、潜熱は一定温度での相転移のために加算または減算されます。例: 蒸発熱または融解熱)。水素の場合、150 °C と 100 °C の間の水蒸気の顕熱、100 °C での凝縮潜熱、100 °C と 25 °C の間の凝縮水の顕熱が含まれるため、その差はさらに大きくなります。全体として、水素の高位発熱量は低位発熱量より 18.2% 高くなります (142  MJ/kg 対 120  MJ/kg)。炭化水素の場合、差は燃料の水素含有量によって異なります。ガソリンとディーゼルの場合、高位発熱量は低位発熱量をそれぞれ約 10% と 7% 上回り、天然ガスの場合は約 11% 上回ります。

HHV と LHV を関連付ける一般的な方法は次のとおりです。

ここで、H vは基準温度（通常25℃）における水の蒸発熱、n H
2O ,outは蒸発した水のモル数、 n fuel,inは燃焼した燃料のモル数である。 [9]

  • 燃料を燃焼させるほとんどの用途では、水蒸気が発生しますが、これは利用されず、その熱量が無駄になります。このような用途では、プロセスの「ベンチマーク」として、低い方の発熱量を使用する必要があります。
  • しかし、特定のケースにおいては、真のエネルギー計算においては高位発熱量の方が正しい場合があります。これは特に、水素含有量が多い天然ガスの場合に当てはまります。天然ガスは、凝縮ボイラーや排ガス凝縮装置を備えた発電所で燃焼させ、燃焼によって発生した水蒸気を凝縮させることで、本来であれば無駄になるはずだった熱を回収します。

用語の使用

エンジンメーカーは通常、低発熱量（HHV）でエンジンの燃料消費量を評価します。これは、排気ガスがエンジン内で凝縮されないためです。これにより、従来の発電所で使用される数値よりも魅力的な数値を発表できます。従来の発電業界では、事実上すべての発電所が排気ガスを凝縮させていないにもかかわらず、数十年にわたりHHV（高発熱量）のみを使用してきました。アメリカの消費者は、高発熱量に基づく燃料消費量は多少高くなることを認識しておく必要があります。

HHVとLHVの定義の違いは、引用者がどちらの方法を用いるかを明記しない場合、際限のない混乱を引き起こします。[10]天然ガスを燃焼する発電所では、通常、この2つの方法の間に10%の差があるためです。反応の一部を単純にベンチマークする場合はLHVが適切かもしれませんが、全体的なエネルギー効率の計算には、混乱を避けるためだけでもHHVを用いるべきであり、いずれの場合も、値または方法を明確に示す必要があります。

水分を考慮する

HHVとLHVはどちらも、AR（全水分を含む）、MF、MAF（水素の燃焼による水のみ）で表すことができます。AR、MF、MAFは、石炭の発熱量を示す際に一般的に使用されます。

  • AR (受領時) は、水分と灰を形成する鉱物がすべて存在する状態で燃料の発熱量が測定されていることを示します。
  • MF (水分なし) または乾燥は、燃料内の水分がすべて乾燥された後、灰を形成するミネラルがまだ保持された状態で燃料の発熱量が測定されたことを示します。
  • MAF (水分および灰分を含まない) またはDAF (乾燥および灰分を含まない) は、燃料の発熱量が、固有の水分および灰分を形成する鉱物が存在しない状態で測定されていることを示します。

燃焼熱表


一般的な燃料の25℃における高発熱量（HHV）と低発熱量（LHV）[11]
燃料HHV低体温
MJ /kgBTU /ポンドkJ /モルMJ/kg
水素141.806万1000286119.96
メタン55.5023,90089050.00
エタン51.9022,4001,56047.62
プロパン50.3521,7002,22046.35
ブタン49.5020,9002,87745.75
ペンタン48.6021,8763,50945.35
パラフィンワックス46.0019,90041.50
灯油46.2019,86243.00
ジェットケロシン[12]46.42 –44.1
ディーゼル44.8019,30043.4
石炭（無煙炭）32.5014,000
石炭（褐炭 –米国）15.006,500
木材（MAF）21.708,700
木質燃料16.06,40017.0
ピート（乾燥）15.006,500
泥炭（湿った）6.002,500

あまり一般的ではない燃料の高発熱量[11]
燃料MJ /kgBTU /ポンドkJ /モル
メタノール22.79,800726
エタノール29.712,8001,367
1-プロパノール33.614,5002,020
アセチレン49.921,5001,300
ベンゼン41.818,0003,268
アンモニア22.59,690382.6
ヒドラジン19.48,370622.0
ヘキサミン30.012,9004,200.0
炭素32.814,100393.5
一部の有機化合物の低位発熱量
（25℃ [77℉]）[引用が必要]
燃料MJ /kgMJ / LBTU /ポンドkJ /モル
アルカン
メタン50.0096.921,504802.34
エタン47.794—20,5511,437.2
プロパン46.35725.319,9342,044.2
ブタン45.752—19,6732,659.3
ペンタン45.35728.3921,7063,272.6
ヘキサン44.75229.3019,5043,856.7
ヘプタン44.56630.4819,1634,465.8
オクタン44.427—19,1045,074.9
ノナン44.31131.8219,0545,683.3
デカン44.24033.2919,0236,294.5
ウンデカン44.19432.7019,0036,908.0
ドデカン44.14733.1118,9837,519.6
イソパラフィン
イソブタン45.613—19,6142,651.0
イソペンタン45.24127.8719,4543,264.1
2-メチルペンタン44.68229.1819,2133,850.7
2,3-ジメチルブタン44.65929.5619,2033,848.7
2,3-ジメチルペンタン44.49630.9219,1334,458.5
2,2,4-トリメチルペンタン44.31030.4919,0535,061.5
ナフテン
シクロペンタン44.63633.5219,1933,129.0
メチルシクロペンタン44.636?33.43？19,193?3,756.6?
シクロヘキサン43.45033.8518,6843,656.8
メチルシクロヘキサン43.38033.4018,6534,259.5
モノオレフィン
エチレン47.195———
プロピレン45.799———
1-ブテン45.334———
シス-2-ブテン45.194———
トランス-2-ブテン45.124———
イソブテン45.055———
1-ペンテン45.031———
2-メチル-1-ペンテン44.799———
1-ヘキセン44.426———
ジオレフィン
1,3-ブタジエン44.613———
イソプレン44.078-——
亜酸化窒素由来
ニトロメタン10.513———
ニトロプロパン20.693———
アセチレン
アセチレン48.241———
メチルアセチレン46.194———
1-ブチン45.590———
1-ペンタイン45.217———
芳香族
ベンゼン40.170———
トルエン40.589———
o-キシレン40.961———
m-キシレン40.961———
p-キシレン40.798———
エチルベンゼン40.938———
1,2,4-トリメチルベンゼン40.984———
n-プロピルベンゼン41.193———
クメン41.217———
アルコール
メタノール19.93015.788,570638.6
エタノール26.7022.7712,4121,230.1
1-プロパノール30.68024.6513,1921,843.9
イソプロパノール30.44723.9313,0921,829.9
n-ブタノール33.07526.7914,2222,501.6
イソブタノール32.95926.4314,1722,442.9
tert-ブタノール32.58725.4514,0122,415.3
n-ペンタノール34.72728.2814,9333,061.2
イソアミルアルコール31.416?35.64？13,509?2,769.3?
エーテル
メトキシメタン28.703—12,3421,322.3
エトキシエタン33.86724.1614,5632,510.2
プロポキシプロパン36.35526.7615,6333,568.0
ブトキシブタン37.79828.8816,2534,922.4
アルデヒドとケトン
ホルムアルデヒド17.259——570.78 [13]
アセトアルデヒド24.156———
プロピオンアルデヒド28.889———
ブチルアルデヒド31.610———
アセトン28.54822.62——
その他の種
炭素（グラファイト）32.808———
水素120.9711.852,017244
一酸化炭素10.112—4,348283.24
アンモニア18.646—8,018317.56
硫黄（固体）9.163—3,940293.82
注記
  • 炭素、一酸化炭素、硫黄の燃焼では水が生成されないため、これらの物質の燃焼では低位発熱量と高位発熱量に違いはありません。
  • BTU/lb 値は MJ/kg (1 MJ/kg = 430 BTU/lb) から計算されます。

さまざまな源からの天然ガスの高発熱量

国際エネルギー機関は、標準立方メートルのガス当たりの典型的な高位発熱量を次のように報告している。[14]

天然ガスの低位発熱量は通常、高位発熱量の約90%です。この表は標準立方メートル（1気圧、15 ℃）で表されています。標準立方メートル（1気圧、0 ℃）あたりの値に変換するには、上記の表に1.0549を掛けてください。    

参照

参考文献

  1. ^ Leach, TT; Cadou, CP; Jackson, GS (2006). 「マイクロチャネルにおける構造伝導と熱損失の燃焼への影響」 .燃焼理論とモデリング. 10 (1). Taylor & Francis Online: 85– 103. Bibcode :2006CTM....10...85L. doi :10.1080/13647830500277332.
  2. ^ Schmidt-Rohr, Klaus (2015年12月8日). 「なぜ燃焼は常に発熱反応で、酸素1モルあたり約418 kJの熱エネルギーを発生するのか」. Journal of Chemical Education . 92 (12): 2094– 2099. Bibcode :2015JChEd..92.2094S. doi : 10.1021/acs.jchemed.5b00333 .
  3. ^ Dlugogorski, BZ; Mawhinney, JR; Duc, VH (1994). 「消火中の火災における酸素消費熱量測定法による発熱率の測定」『火災安全科学』 1007 : 877.
  4. ^ 545 kJ/モルとなるが、生成熱から計算した値は約1561 kJ/モルとなる。硝酸グリセリン（ニトログリセリン）の場合、実際には燃焼しないにもかかわらず、0 kJ/モルとなる。
  5. ^ Kharasch, MS (1929年2月). 「有機化合物の燃焼熱」. Bureau of Standards Journal of Research . 2 (2): 359. doi : 10.6028/jres.002.007 .
  6. ^ Arias, Diego A.; Shedd, Timothy A.; Jester, Ryan K. (2006). 「ハイブリッド車における内燃機関からの廃熱回収の理論分析」SAE Transactions . 115. Jstor: 777–784 . JSTOR  44687347.
  7. ^ Zwolinski, Bruno J; Wilhoit, Randolf C. (1972). 「生成熱と燃焼熱」(PDF) . Dwight E., Gray; Billings, Bruce H. (編).アメリカ物理学会ハンドブック. McGraw-Hill. pp.  316– 342. ISBN 978-0-07-001485-5. 2021年8月6日時点のオリジナル（PDF）からアーカイブ。2021年8月6日閲覧。
  8. ^ 細海 壮; 松岡 浩一; 倉本 幸治; 鈴木 義三 (2016年11月1日). 「ガス燃料、液体燃料、固体燃料の発熱量推定のためのデュロン式の修正」.燃料処理技術. 152 : 399–405 . Bibcode :2016FuPrT.152..399H. doi :10.1016/j.fuproc.2016.06.040.
  9. ^ 空気質工学、CE 218A、W. ナザロフとR. ハーレー、カリフォルニア大学バークレー校、2007年
  10. ^ 「LCVとHCV（低位発熱量と高位発熱量、正味と総発熱量）の違いは、すべてのエネルギーエンジニアに明確に理解されています。『正しい』定義や『間違った』定義はありません。 – Claverton Group」www.claverton-energy.com。
  11. ^ ab Linstrom, Peter (2021). NIST Chemistry WebBook . NIST標準参照データベース番号69. NISTデータ・情報科学局. doi :10.18434/T4D303.
  12. ^ 「CDPテクニカルノート：燃料データのMWhへの変換」（PDF）。
  13. ^ 「メタナール」. webbook.nist.gov .
  14. ^ 「世界 の主要エネルギー統計（2016年）」（PDF）。iea.org 。

さらに読む

  • ギベ、J.-C. (1997)。炭化剤とモーター。出版物 de l'Institut Français du Pétrole。ISBN 978-2-7108-0704-9。
  • NIST化学ウェブブック
  • 「ガス燃料、液体燃料、固体燃料の低位発熱量と高位発熱量」（PDF）バイオマスエネルギーデータブック米国エネルギー省2011年
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