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燃焼は燃料が酸素と反応して熱と光を発する化学反応です。二級ボイラー技士試験の「燃料及び燃焼に関する知識」科目では、完全燃焼と不完全燃焼の違い・理論空気量・空気比の計算・排ガス分析の読み方・不完全燃焼の原因と対策が毎回出題されます。数値の根拠を理解しながら整理することが、得点への最短ルートです。
燃焼が成立する3つの条件
燃焼が起きるためには次の3要素がすべてそろう必要があります。1つでも欠けると燃焼は成立しません。
- 燃料：可燃性物質（重油・ガス・石炭など）
- 空気（酸素）：燃焼を支える酸化剤。空気中の酸素濃度は約21%
- 温度（点火源）：燃料が燃え始めるための熱エネルギー。燃料ごとに「引火点」と「発火点」が異なる
ボイラーの運転中は燃焼室内でこの3条件が常に維持されています。逆に燃焼を停止させるには、3条件のいずれかを断つ（燃料遮断・消火剤・冷却）ことで対応します。
完全燃焼と不完全燃焼の違い
燃料中の炭素（C）と水素（H）が酸素と完全に反応すると二酸化炭素（CO₂）と水（H₂O）が生成されます。これが完全燃焼です。酸素が不足したり混合が不均一だと、炭素が一酸化炭素（CO）やすす（カーボン）として排出される不完全燃焼が起きます。
| 項目 | 完全燃焼 | 不完全燃焼 |
|---|---|---|
| 主な燃焼生成物 | CO₂・H₂O | CO・すす・未燃燃料 |
| 排気の外観 | 透明または薄い白煙 | 黒煙・すすが出る |
| 熱効率 | 高い | 低い（未燃分が熱損失） |
| 環境への影響 | CO₂のみ（規制対象外） | CO（毒性）・黒煙（大気汚染） |
| 伝熱面への影響 | 影響なし | すすが付着して熱伝達を妨げる |
理論空気量と空気比の計算
燃料を完全燃焼させるために理論上必要な最小限の空気量を「理論空気量」といいます。実際の燃焼では燃料と空気の混合が完全ではないため、理論空気量よりも多くの空気を供給する必要があります。この比率が「空気比（過剰空気係数）」です。
空気比 m ＝ 実際に供給した空気量 ÷ 理論空気量
- m = 1.0：理論上の完全燃焼。実際には燃料と空気が完全に混合されないため、この状態では不完全燃焼が起きやすい
- m > 1.0（空気過剰）：完全燃焼しやすい。ただし余剰空気が排気ガス量を増やし、排気熱損失が大きくなる
- m < 1.0（空気不足）：必ず不完全燃焼が起きてCO・すすが発生する
実用上の最適空気比は燃料の種類によって異なります。重油では1.2〜1.3程度、ガス燃料では1.1〜1.2程度が目安です。空気比が高すぎると排気熱損失が増え、低すぎると不完全燃焼による熱損失が増えます。最適な空気比を維持することが燃焼管理の基本です。
排ガス分析（Orsat分析）と空気比の管理
実際の運転では排気ガスの成分を分析して空気比を管理します。Orsat分析装置（オルサート分析）は、排ガス中のCO₂・O₂・COの体積割合を測定する装置です。
| 測定値 | 意味と読み方 |
|---|---|
| CO₂濃度が最大 | 理論空気量に最も近い状態。空気比が適切。CO₂最大値は燃料によって異なる（重油で約15〜16%） |
| O₂濃度が高い | 空気が過剰（空気比が高すぎる）。排気熱損失が増えている |
| CO濃度が検出される | 不完全燃焼が起きている。空気不足または混合不良の可能性が高い |
CO₂が最大値を示す空気比付近が最も効率が良い燃焼状態です。ただし完全燃焼を確保するために、実際には理論空気量より少し多めの空気を供給します。
不完全燃焼の原因と対策
不完全燃焼は熱効率の低下・COによる毒性リスク・すすによる伝熱面汚染など多くの問題を引き起こします。以下が主な原因と対策です。
- 空気量の不足：ダンパーや送風機の設定を確認して空気量を増やす
- 燃料と空気の混合不良：バーナーの位置・噴霧方向を調整する
- 燃焼室の温度が低い（冷炉点火時）：低燃焼量から徐々に昇温して炉を温める
- バーナーの霧化不良：ノズルの詰まり確認・重油の予熱温度を適正値に保つ
- 燃焼ガスの炉内滞留時間が短い：燃焼室の容量と燃焼量のバランスを確認する
- 過負荷運転：定格を超えた蒸気負荷をかけない
発熱量の種類：高発熱量と低発熱量
燃料の持つ熱量には2種類の表し方があります。
- 高発熱量（総発熱量・Hh）：燃焼で生成した水蒸気が凝縮して水に戻るときの凝縮熱（潜熱）を含む発熱量。理論上の最大値
- 低発熱量（真発熱量・Hl）：水蒸気の凝縮熱を含まない発熱量。実際の燃焼では排気ガス中の水蒸気はほとんど凝縮しないため、ボイラーの熱効率計算には低発熱量を使用する
高発熱量と低発熱量の差は燃料中の水素分が多いほど大きくなります。重油では両者の差が5〜7%程度あります。
試験頻出ポイントと誤りやすい箇所
- 空気比は「m = 実際空気量 ÷ 理論空気量」。m>1が必要、m=1では不完全燃焼が起きやすい
- CO₂が最大値になる空気比付近が最も効率の良い燃焼状態（ただし安全余裕でm>1に設定）
- 熱効率の計算にはボイラー本体の低発熱量を使用する（高発熱量ではない）
- 不完全燃焼の原因は「空気不足」が最多。黒煙が出たらまず空気量を確認する
- 「空気量が多すぎる」と排気熱損失が増えて熱効率が下がる（不完全燃焼よりも損失は少ないが）
この記事のまとめ
燃焼は燃料・空気・温度の3要素が成立条件です。空気比 m = 実際空気量 ÷ 理論空気量 で管理し、重油なら1.2〜1.3が目安です。CO₂が最大値になる点が理論空気量に最も近い状態を示します。不完全燃焼は空気不足が最大の原因で、すすによる伝熱面汚染・CO発生・熱効率低下を引き起こします。熱効率の計算には低発熱量を使います。試験では「空気比の定義」「CO₂最大値の意味」「不完全燃焼の原因」が繰り返し問われます。
出典：安全衛生技術試験協会 公表試験問題・ボイラー及び圧力容器安全規則（e-Gov法令検索）
作成：fufumumu_design｜更新：2026年11月
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