第28章 燃焼の管理と排ガス
空気比と排ガス中のO2・CO2の関係、空気比が大きすぎ・小さすぎのときの害、ばいじん・SOx・NOxの出かたと減らし方。
1. 空気比は「多すぎず，少なすぎず」
空気比（第23章）は、ボイラーの燃焼管理の中心です。
空気比が大きすぎると：
・余分な空気が熱を持って煙突から出ていく（排ガスによる熱の損失が増える）
・燃焼温度が下がり、ボイラーの効率が下がる
・燃焼ガスの中の酸素が多くなり、NOxやSO3（三酸化硫黄）ができやすくなる
空気比が小さすぎると：
・不完全燃焼になり、一酸化炭素（CO）やすす・ばいじんが出る
・燃料の熱を出しきれず、損をする
ボイラー則 第25条第1項第1号：ボイラー取扱作業主任者は、圧力・水位及び燃焼状態を監視しなければなりません。
2. 排ガスのO2・CO2と空気比
空気比がどのくらいかは、排ガスの成分を測ってわかります。
・排ガス中のO2（酸素）は、空気比が大きいほど増える
・排ガス中のCO2（二酸化炭素）は、空気比が1のとき（理論空気量でちょうど完全燃焼）いちばん多く、空気比が大きいほど余分な空気でうすめられて減る
・空気比が1より小さいと、COが出はじめる
排ガス中のO2の割合（％）から空気比を求める近似式：
空気比 m ≒ 21 ÷（21 − O2）
例：O2が3.5％なら 21 ÷（21 − 3.5）＝ 21 ÷ 17.5 ＝ 1.2
O2は燃料の種類による差が小さいので、空気比の管理によく使われます。
3. ばいじんとSOx
ばいじん（すす・灰の細かい粒）：
・出るわけ … 燃料の灰分、不完全燃焼で燃え残った炭素（すす）
・減らすには … 適正な空気比、霧化をよくする、炉の温度を保つ、灰分の少ない燃料を使う、集じん装置（サイクロン、バグフィルタ、電気集じん装置など）で取り除く
SOx（硫黄酸化物）：
・出るわけ … 燃料中の硫黄分が燃えてできる。多くはSO2（二酸化硫黄）、一部がSO3（三酸化硫黄）
・SO3は排ガス中の水分と結びついて硫酸になり、温度の低い伝熱面（エコノマイザ・空気予熱器など）を腐食させる（低温腐食）
・減らすには … 硫黄分の少ない燃料を使う、排煙脱硫装置で取り除く
・低温腐食を防ぐには … 排ガスの温度を下げすぎない、過剰空気を少なくする
4. NOx（窒素酸化物）
NOxには、でき方が2つあります。
・サーマルNOx … 燃焼用空気の中の窒素が、高い温度で酸素と結びついてできる
・フューエルNOx … 燃料の中の窒素分からできる
サーマルNOxは、燃焼温度が高いほど、酸素が多いほど、高温の時間が長いほど多くなります。
NOxを減らす考え方：
・低い空気比で燃やす（酸素を減らす）
・火炎の温度を下げ、高温部分をつくらない
・二段燃焼（空気を2回に分けて入れる）
・排ガス再循環（排ガスの一部を燃焼用空気にまぜて、温度と酸素の濃さを下げる）
・濃淡燃焼、低NOxバーナ
・排煙脱硝装置で取り除く
ただし、空気を減らしすぎるとばいじんやCOが増えます。NOxとばいじんは、片方を減らすともう片方が増えやすい関係です。
5. ばい煙についての決まり
・ボイラー則 第27条：事業者は、ボイラーから出るばい煙による障害を予防するため、関係施設や燃焼方法の改善などの措置をして、ばい煙を出さないように努めなければならない
・ボイラー則 第25条第1項第10号：ボイラー取扱作業主任者は、排出されるばい煙の測定濃度と、ボイラー取扱い中の異常の有無を記録しなければならない
また、一定の規模以上のボイラーは、大気汚染防止法の「ばい煙発生施設」として、ばいじん・SOx・NOxなどの排出の基準が決められています。
6. ボイラーの熱損失
燃料の熱は、すべてが蒸気や温水に伝わるわけではありません。使われずに逃げる熱を熱損失といいます。主なものは次のとおりです（JIS B 0126 の用語）。
・排ガス熱損失 … 煙突から出ていく排ガスが持ち去る熱。乾いた排ガスの顕熱による損失と、排ガス中の水蒸気が持ち去る熱による損失がある
・不完全燃焼ガス損失 … 不完全燃焼で燃焼ガスの中に残った一酸化炭素（CO）・水素などの可燃分による損失
・未燃分損失 … 燃えがらやフライアッシュの中の燃え残りによる損失
・放散熱損失 … ボイラーの壁などから外の空気へ逃げる熱による損失
・このほか、実際の運転では、吹出し（ブロー）で捨てる水が持ち出す熱なども損失になる
このうち、一般にいちばん大きいのは排ガス熱損失です（環境省の省エネ技術資料では、熱損失約12％のうち約10％が排ガスによる損失という例が示されています）。
排ガス熱損失を減らすには：
・空気比を1に近づける（余分な空気を減らす。1節）
・排ガスの温度を下げる（節炭器・空気予熱器で熱を回収する。第11章）
放散熱損失は、ボイラーの外側の保温（断熱）をよくすると減らせます。
7. ボイラー効率・換算蒸発量・燃焼室熱負荷
ボイラー効率（JIS B 0126：ボイラに供給された熱量に対する、有効に利用された熱量の割合）：
ボイラー効率（％）＝ 蒸気（温水）が受け取った熱 ÷ 燃料が出した熱 × 100
＝ G ×（h2 − h1）÷（F × Hl）× 100
・G … 実際の蒸発量（kg/h）
・h2 … 発生した蒸気の比エンタルピ（kJ/kg）、h1 … 給水の比エンタルピ（kJ/kg）
・F … 燃料の消費量（kg/h）、Hl … 燃料の低発熱量（kJ/kg）（第22章5節：効率はふつう低発熱量で考える）
例（仮の数字）：G＝1,000kg/h、h2＝2,780kJ/kg、h1＝400kJ/kg、F＝70kg/h、Hl＝40,000kJ/kg
・蒸気が受け取った熱 ＝ 1,000 ×（2,780 − 400）＝ 2,380,000 kJ/h
・燃料が出した熱 ＝ 70 × 40,000 ＝ 2,800,000 kJ/h
・効率 ＝ 2,380,000 ÷ 2,800,000 × 100 ＝ 85％
換算蒸発量（相当蒸発量）：
蒸気の圧力や温度がちがうボイラーの能力をくらべるため、大気圧で100℃の水から100℃の飽和蒸気をつくるとしたら何kgになるかに直した蒸発量です。
換算蒸発量（kg/h）＝ G ×（h2 − h1）÷ 2,257
・2,257kJ/kg は、大気圧で100℃の飽和水1kgを100℃の飽和蒸気にする蒸発熱（日本産業機械工業会の資料）
・上の例なら 2,380,000 ÷ 2,257 ≒ 1,054kg/h（実際の蒸発量1,000kg/hより大きい）
燃焼室熱負荷：
燃焼室の単位容積あたり、単位時間に発生する熱量です。燃焼室の大きさに対して、どれだけ激しく燃やしているかを表します。
燃焼室熱負荷（kW/m³）≒ 燃料の消費量 × 低発熱量 ÷ 燃焼室の容積
（JIS B 0126 の「火炉熱負荷」は、燃料の発熱量に加えて燃焼用空気などがもつ熱も含めて、火炉の容積で割った値です）
例（仮の数字）：F＝90kg/h、Hl＝40,000kJ/kg、燃焼室の容積2.5m³
・発生する熱 ＝ 90 × 40,000 ＝ 3,600,000 kJ/h ＝ 3,600,000 ÷ 3,600 ＝ 1,000 kW（1kW＝1kJ/s、1時間＝3,600秒）
・燃焼室熱負荷 ＝ 1,000 ÷ 2.5 ＝ 400 kW/m³
・試験では kJ/(m³・h) で表すこともあります。上の例なら 3,600,000 ÷ 2.5 ＝ 1,440,000 kJ/(m³・h) で、400 kW/m³ と同じ大きさです
POINT
8. ここだけは覚える
・空気比が大きすぎ→排ガスの熱損失が増え、効率が下がる。小さすぎ→CO・すす
・空気比が大きいほど排ガスのO2は増え、CO2は減る。CO2は空気比1のとき最大
・空気比 m ≒ 21 ÷（21 − O2）
・SOxは燃料の硫黄分から。SO3→硫酸→低温腐食。低硫黄燃料・排煙脱硫
・サーマルNOx＝空気中の窒素、フューエルNOx＝燃料中の窒素。高温・酸素多いほど増える
・NOx低減：低空気比・二段燃焼・排ガス再循環・低NOxバーナ・脱硝
・ばい煙の防止（ボイラー則 第27条）、ばい煙の測定濃度の記録（第25条第1項第10号）
・熱損失で一般にいちばん大きいのは排ガス熱損失。空気比を1に近づけ、排ガス温度を下げて減らす
・ボイラー効率＝G×(h2−h1)÷(F×低発熱量)×100
・換算蒸発量＝G×(h2−h1)÷2,257
・燃焼室熱負荷＝燃焼室の単位容積・単位時間あたりの発生熱量（kW/m³）