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）は、指定された量の物質の 燃焼中に放出される熱の量です。

発熱量とは、標準条件下で物質が酸素と完全燃焼したときに熱として放出される総エネルギーです。化学反応では、通常、炭化水素または他の有機分子が酸素と反応して二酸化炭素と水を形成し、熱を放出します。これは次の量で表されます。

• 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/体積

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、生成物がどれだけ冷却されるか、Hのような化合物が燃焼エンタルピーの1/3を占めるかどうかによって決まります。
₂Oは凝縮される。高発熱量は、通常、ボンベ熱量計で測定される。低発熱量は、高発熱量試験データから計算される。生成熱ΔHとの差として計算されることもある。^⦵
_フ生成物と反応物の（ただし、ほとんどの生成熱は通常、測定された燃焼熱から計算されるため、このアプローチはいくぶん不自然です）。^[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 ）}のように大幅に外れることがあります。^[4]

慣例により、（高次の）燃焼熱は、標準状態の化合物が完全に燃焼して標準状態の安定した生成物を形成するとき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}、次のプロセスの反応熱です。

Ｃ
_cH
_hいいえ
_んお
_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えば、それぞれ塩酸と硫酸の水溶液を希釈することができる。 ^{[5] [6]}

1972年にZwolinskiとWilhoitは燃焼熱の「総」値と「正味」値を定義した。総定義では、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、生成物は化合物が直火で燃焼したときに生成されるガス、例えばH
₂O（グラム）、Br
₂（g）、私
₂(g) およびSO
₂（g）両方の定義において、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]

燃料の発熱量は、燃料の最終分析結果から計算できます。分析から、燃料中の可燃物 (炭素、水素、硫黄) の割合がわかります。これらの元素の燃焼熱がわかっているので、発熱量は Dulong の式を使用して計算できます。

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]

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、標準温度 25 °C (77 °F; 298 K) ^{[要出典]がよく使用されます。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、反応生成物の凝縮が実際的な燃料（例えば、空間暖房用ガス燃焼ボイラー）の発熱量を計算する際に役立ちます。言い換えると、高位発熱量では、燃焼終了時に（燃焼生成物中の）すべての水成分が液体状態にあり、150 °C（302 °F）未満の温度で放出される熱を利用できると想定しています。

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 は水を蒸発させるため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合意されているわけではありません。1 つの定義は、単に水の蒸発熱を高位発熱量から差し引くことです。これにより、生成された H ₂ O は廃棄物として放出される蒸気として扱われます。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します。これは、燃焼プロセス中のすべての水が燃焼プロセス後に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、生成物が 150 °C (302 °F) まで冷却され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や、150 °C (302 °F) 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1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 で使用されていた (API 研究プロジェクト 44 用に収集されたデータ) 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 では現在 60 °F を使用) における燃料のエンタルピー、基準温度における化学量論的酸素 (O ₂ )のエンタルピー、燃焼生成物の蒸気内容物の気化熱を引いたものです。

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。

総発熱量は、 LHV と同様に、排気ガス中の水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中の液体の水も含まれます。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。

高位発熱量はボンベ熱量計で実験的に測定されます。25 °C (77 °F) の鋼鉄容器内で、燃料と酸化剤の化学量論的混合物 (例: 水素 2 モルと酸素 1 モル) の燃焼が点火装置によって開始され、反応が完了するまで放置されます。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、容器とその内容物は元の 25 °C まで冷却され、高位発熱量は同一の初期温度と最終温度の間で放出される熱として測定されます。

低位発熱量 (LHV) が決定されると、冷却は 150 °C で停止され、反応熱は部分的にのみ回収されます。150 °C の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) は水が液体の状態で計算され、低位発熱量 (LHV) は水が蒸気の状態で計算されます。

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: 気化熱または融解熱)。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、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。

${\displaystyle \mathrm {HHV} =\mathrm {LHV} +H_{\mathrm {v} }\left({\frac {n_{\mathrm {H_{2}O,out} }}{n_{\mathrm {燃料,in} }}}\right)}$

ここで、H _vは水の蒸発熱、n _{H
2O ,outは}蒸発した水のモル数、 nfuel _,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アプリケーションでは、使用されない水蒸気が生成され、その熱量が無駄になります。このようなアプリケーションでは、プロセスの「ベンチマーク」として、より低い発熱量を使用する必要があります。
• ただし、特定のケースでは、実際のエネルギー計算では高位発熱量が正しい場合があります。これは、水素含有量が多いため大量の水が発生する天然ガスの場合に特に当てはまります。天然ガスは、燃焼によって発生した水蒸気を凝縮する凝縮ボイラーや排気ガス凝縮機能を備えた発電所で燃焼され、本来は無駄になるはずだった熱が回収されます。

エンジン製造業者は、通常、エンジン内で排気ガスが凝縮されることがないため、低発熱量でエンジンの燃料消費量を評価します。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で排気ガスが凝縮されないにもかかわらず、何十年にもわたって HHV (高発熱量) のみを使用してきました。米国の消費者は、高発熱量に基づく対応する燃料消費量はいくらか高くなることを認識する必要があります。

HHVとLHVの定義の違いは、引用者が使用されている規則を明記しない場合、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、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、混乱を避けるためにも、全体的なエネルギー効率の計算にはHHVを使用する必要があります。また、いずれの場合も、値または規則を明確に記載する必要があります。

HHV と LHV はどちらも、AR (すべての水分をカウント)、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ためによく使用されます。

• AR (受領時) は、水分および灰を形成するすべての鉱物が存在する状態で燃料の発熱量が測定されたことを示します。
• MF (水分を含まない) または乾燥は、燃料の固有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たことを示します。

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。

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 °C) 単位です。標準立方メートル (1気圧、0 °C)あたりの値に変換するには、上記の表に 1.0549 を掛けます。     

• ギベ、J.-C. （1997年）。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、液体、固体燃料の低発熱量と高発熱量」(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。