工業用プロセス加熱ビジネスでは、「火炎温度」という用語がよく飛び交います。 この用語は、人によって意味が異なることに気づくまで、それほど長くはかかりません。 ある人は、炎が占める燃焼室の温度を意味します。 バーナーから噴き出すガスの温度を指す人もいれば、バーナーから噴き出すガスの温度を指す人もいる。 また、ある人は、ハンドブックから引用された権威ある数字だと言い、ある人は、そんな数字、現実にはあり得ないと言う。 しかし、ほとんどの場合、熱処理設備がうまく機能すれば、そんなことはどうでもいいのだ。 ただ、誰もがこの概念について共通の理解を持っていれば、人生はもっと楽になるはずです」
さて、ここからが本題です。
- Adiabatic は、発生した熱がすべて燃焼生成物に保持される燃焼反応を表す用語で、炎の周囲に失われるものはありません。 燃焼の場合、これらは水蒸気と二酸化炭素である。
- 定比は輸入ウォッカではありません。 化学反応における成分の正しい混合を表している。 反応終了後、余分な成分は残らない。 燃焼の分野では、化学量論比を正解、理想比、完全比ともいう。
ハンドブックの表に掲載されている火炎温度は、通常、化学量論比での燃焼の断熱火炎温度である。 特に指定がない限り、原料が室温で、空気中で燃焼した場合のものである。 原料の温度や空気中の酸素濃度を変えると、断熱火炎温度は変化します。 天然ガスの空気中での火炎温度を調べると、おそらく3,400〜3,600°F（1,871〜1,982℃）という値が出てくるはずです。 空気とガスの温度、空気中の酸素含有量、比率についてはすべてのハンドブックが一致しているのに、なぜ温度をそれ以上に絞り込めないのでしょうか。 簡単なことだ。天然ガスの化学組成が場所によって異なるからだ。 ガスの中には、より高温で燃焼する成分がある。 その成分が多ければ、炎の温度は高くなる。 逆に、多くの天然ガスには、窒素や二酸化炭素などの不活性な成分が少量含まれています。 これらは燃焼に寄与しないので、火炎温度を下げてしまうのです。
では、化学量論的比率でバーナーを運転した場合の温度はこれより低くなります。 ひとつには、解離によって温度が数度下がるからです。 解離は一種の逆燃焼と見なすことができます。 わざわざ燃料と空気を混ぜて燃やして CO2 と水蒸気を作りますが、炎の温度が高いと、燃焼生成物の一部が一酸化炭素、水素、酸素に分解され、生成時に放出した燃焼エネルギーを再吸収してしまうのです。 炎温が2,800°F（1,538℃）以下では、解離はそれほど大きくありませんが、それ以上では、わずかな温度上昇でも解離速度が大きく跳ね上がるのです。 つまり、化学量論に近いほど炎は高温になる、という典型的な「キャッチボール」の状況である。 炎が高温になればなるほど解離の量が増え、未燃焼の燃焼生成物が大量に発生し、炎温度は上昇する。 天然ガスの場合、解離の後、火炎温度は約3,450°F（1,899℃）になります。 解離は、いわゆる「オン・レシオ」燃焼が通常少量の過剰空気で運転される理由の1つで、大量の一酸化炭素を発生させないようにするためです。
申し訳ありませんが、断熱燃焼の定義を振り返ってみると、炎の周囲に熱が奪われないことを前提としていることがわかりますが、これは現実世界では起こりません。 空気と燃料が反応して熱が発生するやいなや、その熱の一部は周囲の燃焼室や加熱筐体、そしてそこにある製品や備品に逃げてしまうのです。 それは、底に大きな穴の開いたバケツのようなものだ。
では、産業用加熱装置の温度に関する結論は何でしょうか？
それはいくつかの要因に依存します。 燃料と空気をすばやく混合して燃焼させるバーナーは、周囲への熱の損失を少し早めるので、火炎温度が高くなる傾向があります。 高温プロセスでは、プロセスが炎から熱をすばやく吸い出さないので、炎の温度は高くなる傾向があります。 炎に直接さらされる燃焼室とワークロードの質量も大きな役割を果たします。 より大きいその固まりは、より速く炎から熱を引き出します。 結局のところ、実用的な燃焼用途で3,250〜3,300°F（1,788〜1,816℃）をはるかに超える火炎温度を見つけることは稀です。 プロセスヒーティングの読者の多くが関心を寄せる低温工業加熱の用途では、3,000°F (1,649°C) がちょうど良いかもしれません。
パート 2「炎温度」に進みます。
第2回「火炎温度：どうなる？