炉における燃料燃焼と熱伝達：エネルギー効率の最適化

炉における燃料燃焼と熱伝達

炉では、炉充（炉内で加熱される材料）の加熱や化学反応のために熱が必要です。熱エネルギーの供給源は主に3つあります。(i) 燃料の燃焼、(ii) 電気エネルギー、(iii) 発熱反応による化学エネルギーです。電気炉を除けば、化学エネルギーを除いた熱需要は燃料の燃焼によって賄われます。燃料にはガス燃料（コークス炉ガス、高炉ガス、転炉ガスなどの副生ガス、天然ガス、LPGなど）、液体燃料（重油、タールなど）、固体燃料（石炭、コークスなど）があります。

燃料の特性と燃焼の基礎

すべての燃料は位置エネルギーを持っています。燃焼時にこのエネルギーが燃焼生成物（POC）として放出されます。燃焼とは、燃料と酸化剤の化学反応によって熱とエネルギーを制御下に放出するプロセスです。工業プロセスでの燃焼のほぼすべてが炭化水素燃料を使用します。典型的な炭化水素燃料の一般的な燃焼反応式は以下の通りです。

燃料 + 酸化剤 = 二酸化炭素（CO₂）+ 水蒸気（H₂O）+ その他の成分

「その他の成分」は使用する酸化剤の種類と燃料/酸化剤比によって決まります。最も一般的な酸化剤は空気で、体積比で約79%の窒素（N₂）を含み、燃焼過程を通過します。燃料リッチ（酸素不足）の場合、未燃焼炭化水素が排ガスに残り、余剰O₂はほぼゼロです。燃料リーン（酸素過剰）の場合、排ガスに余剰O₂が含まれます。

燃料が熱伝達に与える影響

燃料は炉燃焼システムの熱伝達に大きな影響を与えます。最も重要な特性の一つが発熱量です。これは、目的の生産速度で材料を加熱するために必要な燃料量を決める指標となります。発熱量は高位発熱量（HHV）と低位発熱量（LHV）で表されます。

LHVは凝縮熱（液体の水を蒸気に変えるエネルギー）を除きます。つまり、すべての燃焼生成物が気体であると仮定します。これはほぼすべての工業燃焼用途で当てはまります。燃焼生成物が十分低温でプロセスを離れ、水蒸気が液体に凝縮する場合、凝縮熱が追加のエネルギーとしてプロセスに放出されます。HHVにはこの追加エネルギーが含まれます。

燃料組成と酸化剤の役割

燃料組成は燃焼生成物の組成と必要な酸化剤量を決める上で重要です。燃料密度は炉の燃料供給システムの流量と配管サイズの決定に必要です。

排ガス組成は炉内熱伝達の決定に極めて重要です。排ガス中の未燃焼炭化水素は燃料が完全燃焼しておらず、利用可能な熱がすべて放出されていないことを示します。高い余剰O₂濃度は酸化剤の過剰供給を意味し、顕熱が排ガスとともに流出し、燃料の利用可能な熱が炉充の加熱に十分利用されていないことを示します。酸化剤が空気の場合、燃料の利用可能エネルギーの大部分が排ガスとともに煙突から流出します。

酸化剤の種類と燃焼方式

工業燃焼プロセスで使用される酸化剤には主に2種類あります。大半は空気を使用しますが、高温プロセスでは空気中の約21%（体積比）より高いO₂濃度の酸化剤を使用します。これをO₂濃縮燃焼と呼びます。多くの場合、わずかなO₂濃縮で加熱プロセスの生産速度を大幅に向上できます。

空気/燃料バーナーの多くは、O₂濃度30%程度までならほぼ無改造で運転可能です。より高濃度では、空気/燃料条件向けに設計されたバーナーでは炎が不安定になったり、炎温度が高くなりすぎたりします。高温用途では、高純度酸化剤（90%以上のO₂）が使用され、加熱プロセスが大幅に強化されます。酸化剤純度は燃焼システムの熱伝達に大きな影響を与えます。

燃料/酸化剤比（当量比）

燃焼システムでは燃料と酸化剤の比率が重要です。メタン（CH₄）を燃料とする大域燃焼反応は以下のように書けます。

CH₄ + (xO₂ + yN₂) = CO, CO₂, H₂, H₂O, N₂, NOx, O₂, 微量成分

反応の化学量論は、与えられた燃焼システムにおけるO₂/燃料比を示します。酸化剤中の不活性成分は反応に不要なため、O₂のみを考慮して化学量論比を定義する方法が一般的です。空気を2O₂ + 7.52N₂と表すと、CH₄の化学量論反応は以下になります。

CH₄ + (2O₂ + 7.52N₂) = CO₂ + 2H₂O + 7.52N₂

ここでは化学量論比は2です（CH₄ 1分子に対しO₂ 2分子が必要）。この定義法はO₂濃縮燃焼システムでよく用いられます。

実際の炎では不完全混合のため、理論値より多めのO₂（過剰空気）が必要です。燃料リッチ燃焼では化学量論比＜2、燃料リーン燃焼では＞2となります。多くの工業プロセスでは完全燃焼を確実にするため、理論値より約3%過剰なO₂で運転されます。過剰O₂が多すぎると、余分な燃焼空気の加熱にエネルギーが浪費され、炉充への熱供給が減ります。CO排出を低く抑えるために必要な最小限の過剰O₂に留めることが望ましいです。CH₄に3%過剰O₂の場合の簡易反応式は以下の通りです。

CH₄ + (2.06O₂ + 7.75N₂) = CO₂ + 2H₂O + 0.06O₂ + 7.75N₂

炎の構造と乱流燃焼

工業炎の多くは乱流であり、乱流レイノルズ数（Re）で特徴づけられます。乱流の特性長さスケールをコルモゴロフ長と呼び、散逸が起こる次元を表します。テイラー長スケールは歪み率と粘性力の比で定義されます。これらの長さスケールで炎を分類できます。(i) 皺炎、(ii) 重度皺炎、(iii) 渦中フレームレット、(iv) 分散反応前面。無次元ダムコーラー数（Da）は反応時間と流れ時間の比で、燃焼反応のタイプを示します。

燃焼特性

工業用途で一般的に用いられる燃焼特性は、(i) 燃焼生成物組成、(ii) 炎温度、(iii) 利用可能熱、(iv) 燃焼後排ガス量の4つです。これらは炎と排ガスから炉および炉充への熱伝達計算に重要です。

燃焼生成物

燃焼生成物に大きく影響する変数には、酸化剤組成、混合比、空気/燃料予熱温度、燃料組成などがあります。

酸化剤組成

CH₄燃焼を例に取ると、空気での化学量論燃焼は以下で表されます。

CH₄ + 2O₂ + 7.52N₂ = CO₂, 2H₂O, 7.52N₂, 微量成分

排ガスの70体積%以上がN₂であることがわかります。一方、純酸素燃焼では：

CH₄ + 2O₂ = CO₂, 2H₂O, 微量成分

N₂が除去されるため排ガス量が大幅に減少します。一般にO₂濃縮燃焼では：

CH₄ + 2O₂ + xN₂ = CO₂ + 2H₂O + xN₂ + 微量成分

実際の排ガス組成は酸化剤組成、ガス温度、当量比などに依存します。当量比は実際の燃料/空気比と化学量論燃料/空気比の比で定義されます。化学量論燃焼ではすべてのO₂が消費され、生成物に分子状O₂は残りません。

断熱平衡燃焼では熱損失がないと仮定しますが、実際には炎からの放射で熱が失われます。酸化剤中のO₂濃度が高まるにつれ、N₂濃度は低下し、CO、CO₂、H₂O濃度は上昇します。高O₂濃度では解離によりCOが多量に生成されます。ラジカル（H, O, OH）もO₂濃度とともに増加します。NOは約60% O₂まで増加し、その後N₂除去により減少します。純酸素ではNOは生成しません。未燃焼燃料（H₂, CO）と未反応O₂も高温での解離によりO₂濃度とともに増加します。

実際の炎温度は不完全燃焼と放射損失により断熱平衡炎温度より低くなります。実際の炎温度は炎がいかによく熱を放射し、炉充や耐火壁がそれを吸収するかにより決まります。高輝度炎は一般に低輝度炎より炎温度が低くなります。炉充と壁の放射吸収率が高い（低温で吸収率大）場合も実際の炎温度は低下します。

ガス状燃焼生成物が炎を離れると、燃焼室を通過する間に対流と放射でさらに熱を失います。燃焼プロセスの目的は燃料の化学エネルギーを炉充（場合によっては燃焼室）に伝達することです。熱効率が高いほど、燃焼生成物から炉充と燃焼室への熱伝達が多くなります。したがって、熱効率の良い加熱プロセスでは排ガス温度は炎温度よりはるかに低くなります。燃焼生成物組成はガス温度とともに変化します。

混合比

排ガス中のO₂とN₂濃度は当量比とともに厳密に減少します。H₂OとCO₂濃度は化学量論条件でピークになります。これらのガスは非発光気体放射を生じます。未燃焼燃料（H₂, CO）は当量比とともに増加し、利用可能熱に反映されます（燃料が完全燃焼していないため）。

空気および燃料予熱温度

多くの工業燃焼プロセスでは熱回収により全体熱効率を向上させ、運転コストを削減します。回収熱は通常燃焼空気の予熱に使われ、時には燃料予熱にも使われます。空気または燃料の予熱は燃焼生成物組成に影響します。空気予熱によりCO₂, H₂O, N₂はすべて排ガス中で減少します（化学解離のため）。燃料予熱は安全性と配管へのスス付着リスクから、高温予熱は一般に実用的ではありません。燃料質量は燃焼空気質量に比べて小さいため、同じ予熱温度なら空気予熱の方が排ガス組成への影響がはるかに大きいです。

燃料組成

燃焼生成物は燃料組成に依存します。様々な運転条件下での異なる燃料の燃焼生成物組成は計算可能です。一般的なガス燃料はH₂, CH₄, C₃H₈（プロパン）、H₂/CH₄混合燃料です。発光性の観点では、H₂は非発光炎、CH₄は低発光炎、C₃H₈は高発光炎を生成します。

炎温度

炎温度は炎から炉充への熱伝達を決める重要変数です。断熱炎温度は酸化剤/燃料組成、混合比、空気/燃料予熱温度の影響を受けます。実際の炎温度は断熱炎温度ほど高くありませんが、傾向は比較可能で実状を代表します。

酸化剤と燃料組成

空気をO₂に置き換えると、N₂が希釈剤として働くため炎温度は大幅に上昇します。空気と純酸素では炎温度に大きな差があります。O₂濃度が約60%まで急速に上昇し、それ以上では上昇率が鈍化します。燃料組成も炎温度に強く影響します。H₂/CH₄混合燃料ではH₂含有率が高いほど温度上昇しますが、線形ではありません。高H₂領域でより急激に上昇します。H₂はCH₄やC₃H₈に比べ相対的に高コストなため、多くの工業用途では使用されませんが、高H₂燃料は化学製造の副産物として安価に入手できる場合があり、炭化水素用途でよく用いられます。

混合比

ピーク炎温度は化学量論条件で発生します。酸化剤中のO₂濃度が低いほど、非化学量論条件（燃料リッチまたはリーン）での温度低下が大きくなります。これはN₂濃度が高く熱を吸収するためです。化学量論条件では燃料を完全燃焼させるのに十分な酸化剤があります。追加の酸化剤は炎から顕熱を奪い温度を下げます。実際の炎では不完全混合のため、わずかに燃料リーン側でピーク温度となることが多いです。ほぼすべての工業燃焼はCO排出を低くするため燃料リーンで運転されます。バーナー設計によりますが、ピーク温度付近で運転されることが多く、熱伝達最大化の観点から望ましいです。しかし炎温度最大化はNOx排出も最大化するため（NOxはガス温度に指数関数的に増加）、ピーク炎温度を下げる設計概念が数多く開発されています。これは熱伝達にも影響します。

酸化剤と燃料予熱温度

断熱炎温度は酸化剤予熱温度の関数として変化します。O₂/CH₄炎では、O₂の顕熱増加が燃料の化学エネルギーの一部に過ぎないため、温度上昇は比較的小さいです。空気/CH₄炎では空気予熱の影響が劇的で、燃焼反応における空気質量が大きいため顕熱増加が非常に大きくなります。多くの燃料で空気/燃料炎の断熱炎温度は空気予熱により急上昇します。

利用可能熱

炉燃焼システムの利用可能熱は全体熱効率の決定に重要であり、プロセスの熱伝達計算の要素となります。本来利用可能熱が低いシステムで熱伝達を最大化しようとするのは効果的ではありません。利用可能熱は、燃料の総発熱量から高温排ガスが燃焼プロセス外へ持ち出すエネルギーを差し引いたものと定義されます。

炉内総利用可能熱（GAH）は以下で与えられます。

GAH = 燃料発熱量 + 反応物顕熱 - 炉を出るPOCが持つ熱

GAHは臨界プロセス温度での利用可能熱を表し、各種損失を考慮した特定機能への利用可能熱ではありません。異なる燃料-燃焼システムの比較基準として用いられます。

さらに炉には、プロセス臨界温度、耐火ライニング厚さ、耐火物熱伝導率に支配される熱損失があります。したがって炉内正味利用可能熱（NAH）は：

NAH = GAH - 熱損失

NAHは異なる炉の製錬/溶解/加熱効率比較の基準になります。

炉開口部、炉壁、空気浸入からの熱損失はプロセス依存のため理論利用可能熱計算には含まれません。理論利用可能熱は実際のプロセスで炉充が吸収するエネルギー量に比例し、システム熱効率と直接関係します。したがって理論利用可能熱は、排ガス温度、酸化剤/燃料組成、混合比、空気/燃料予熱温度の関数として熱効率傾向を示すのに一般的に用いられます。

利用可能熱は排ガス温度の関数として変化し、排ガス温度上昇とともに急減少します。燃料組成には比較的依存しません。したがってプロセス熱効率を最大化するには排ガス温度を最小化することが望ましく、通常は排ガスから炉充（および炉壁）への熱伝達を最大化し、排ガス熱を酸化剤/燃料予熱で回収することで達成します。

排ガス温度が上昇すると、より多くのエネルギーが燃焼システム外へ持ち出され、システム内に残るエネルギーが減ります。酸化剤中のO₂濃度が空気中の21%から増加し始めると、利用可能熱が最初に急増加します。これがO₂濃縮が人気技術である理由の一つです（効率の増分改善が非常に大きいため）。CH₄/空気システムの熱効率は、空気を約1100℃まで予熱すると2倍になります。

CH₄/O₂システムでは、O₂予熱による効率向上はずっと穏やかです。無予熱時の効率がすでに70%あり、O₂質量が空気/燃料システムの空気質量ほど燃焼反応で重要でないためです。また、高温O₂を配管、熱回収装置、バーナーに流す際の安全性懸念もあります。所与の技術での燃料節約量は利用可能熱曲線から計算できます。

排ガス量

炉燃焼室を通るガス流量は炉充への対流熱伝達に比例します。この流量に影響する要因はいくつかあります。一つはガス温度で、高温ガスは熱膨張により実流量（m³/h）が高くなります。したがって燃料または酸化剤の予熱（通常炎温度を上昇させる）は実流量を増やします。しかし標準状態（STP）に補正した流量は同じです。

ガス流量に極めて強く影響するもう一つの要因は酸化剤組成です。O₂濃縮燃焼は基本的に酸化剤からN₂を除去することです。空気/燃料燃焼との大きな違いは排ガス量の減少です。燃料単位体積あたり、O₂/燃料燃焼では正規化体積で3体積のガスが生成されるのに対し、空気/燃料燃焼では10.5体積です。この減少は正負両方の効果を持ちますが、対流熱伝達への影響は炉室内の平均ガス速度低下と、炉充への対流熱伝達減少となります。

排ガス輸送特性

炉室内ガス成分の輸送特性は熱伝達と流体力学の決定に重要です。これらの特性は温度とガス成分に強く依存します。工業炉室での熱伝達に重要なガス特性は、燃料/酸化剤組成、混合比、空気予熱温度の関数として変化します。燃料予熱温度の影響は最小限です。ガス組成と温度は非発光気体放射計算に必要です。ガス輸送特性は対流熱伝達係数（ヌセルト数Nuで表されることが多い）計算に必要です。Nuはプラントル数（Pr）とレイノルズ数（Re）から計算され、対流熱伝達係数「h」はNu = hd/kから求められます（d：流れ系の特性長、k：流体熱伝導率）。Nu, Pr, Re計算に必要なガス特性は以下の通りです。

密度

ガス密度はRe数計算に用いられ、対流熱伝達係数計算に一般的に必要です。また炉室内平均ガス速度計算にも用いられ、これも対流係数計算に必要です。ガス密度はガス温度に反比例し、温度上昇で減少します。密度減少は絶対温度の逆数に概ね比例します。また酸化剤中O₂含有率増加でガス密度は急減少します（炎温度上昇のため）。ガス密度低下はRe数低下を招き、他変数不変なら対流熱伝達低下となります。しかしガス質量流量も減少するため、密度低下と質量流量低下の複合効果により平均ガス速度は大きく影響されず、ガス速度による対流への影響は最小限です。

ガス密度は中間当量比で最小になります。これも断熱平衡炎温度に起因します。また空気予熱温度上昇とともにガス密度はほぼ直線的に減少し、炎温度曲線と逆相関します。燃料ブレンド組成の関数としてもガス密度は直線的に減少せず、直感に反します。再び断熱炎温度と逆相関します。

比熱

ガス比熱（ガス熱容量とも呼ばれる）は炉システム内対流熱伝達に影響するもう一つの輸送特性です。Pr数計算に用いられ、これが対流熱伝達係数計算によく使われます。ガス比熱は排ガス温度に対して非線形に増加し、高温で増加率が大きくなります。また排ガス比熱は酸化剤中O₂%増加とともにほぼ直線的に増加し、他条件同一なら燃焼生成物ガスから炉充への対流熱伝達を改善します。

しかし比熱と当量比の関係はより複雑で、燃料依存性も強いです。すべての燃料で当量比増加とともに比熱が初期増加し、化学量論条件で局所最大に達します。化学量論を超えると比熱は減少し、プラトーを経て再び増加します。CH₄では高当量比で比熱が非常に急増加します。関係は複雑ですが、実際には多くの工業燃焼プロセスがわずかに燃料リーン条件で運転され、そこでは当量比と比熱の間に強いがより線形的な関係があります。H₂/CH₄混合燃料では高H₂含有率で比熱が急増加し、炎温度もH₂含有率に対して非常に類似の関係を示します。

熱伝導率

比熱と同様、ガス熱伝導率もPr数に影響し、対流熱伝達係数に影響します。熱伝導率とPr数は逆関係にあります。熱伝導率増大（減少）でPr数減少（増大）し、対流係数も減少（増大）します（他変数不変の場合）。ガス熱伝導率は絶対温度の平方根に概ね比例します。比熱と同様にガス温度に対して非線形増加します。

さらに熱伝導率は酸化剤中O₂含有率増加とともに急増加し、ほぼ線形ですが、低O₂濃度域での増加率が高O₂濃度域より大きくなります。しかし輸送特性と当量比の関係は複雑で、化学量論条件で局所最大となります。H₂では局所最大が広い当量比範囲での全体最大でもあります。CH₄では非常に燃料リッチ条件（高当量比）で熱伝導率が急増加し、化学量論での局所最大値を超えます。C₃H₈でも同様の現象が見られますが、それほど劇的ではありません。多くの工業プロセスはわずかに燃料リーンで運転されますが、化学量論の燃料リーン側でも熱伝導率は急変化します。

燃焼空気予熱温度との関係はより単純で、予熱温度上昇とともに熱伝導率は直線よりやや速く増加します。またH₂/CH₄混合燃料でのH₂含有率増加とともに熱伝導率はより急激に増加します。

粘度

絶対（動的）粘度は運動量拡散の尺度です。ガス粘度は熱伝導率と類似の関係を持ちます。粘度はPr数とRe数計算に重要ですが、逆の方向で作用します。ガス粘度増大（減少）でPr数増大（減少）し、Re数減少（増大）します（他変数不変の場合）。動粘度は動的粘度に関連します。

ガス粘度は排ガス温度に対してほぼ直線的に増加します。酸化剤中O₂含有率増加とともに増加し、断熱炎温度と類似です。ガス粘度は当量比1.0（化学量論条件）でピークとなり、燃料リッチ側でもリーン側でも減少します。空気予熱温度増加とともに増加し、炎温度と比較可能です。H₂/CH₄混合燃料でのH₂含有率増加とともに増加し、高H₂領域で増加率が大きくなります。

プラントル数

Pr数は対流熱伝達係数計算によく用いられます。Prの構成要素は比熱、粘度、熱伝導率です。これらの組み合わせで形成されるPr数は、燃料/酸化剤組成、混合比、空気予熱温度の関数として変化します。しかし燃料予熱温度の関数としてはほとんど変化しません。Pr数は温度関数として減少しますが、不均一です。最初は比較的速く減少し、次第に緩やかになり、高温で再び急減少します。

Pr数と酸化剤組成の間にも高度に非線形な関係があります。CH₄とC₃H₈ではPr数が最初に急減少し、高O₂濃度で水平になります。H₂ではPr数が約50% O₂で最小値をとります。Pr数と当量比の間にも高度に非線形な関係があり、多くの燃料で局所極大と極小を示します。Pr数は空気予熱温度とともにほぼ直線的に減少します。H₂/CH₄混合燃料でのH₂含有率増加とともにPr数は減少し、高H₂領域で急減少します。

ルイス数

ルイス数（Le）は熱拡散率と分子（質量）拡散率の比です。Le数は燃焼システムの熱伝達に重要です。一般にLe＞1では化学再結合反応により対流熱伝達に何らかの向上が見られます。Le数は燃料によりますが1200℃以下では1であり、より高温で急上昇します。断熱平衡条件下ではすべての酸化剤組成でLe＞1となり、それら条件での最高炎温度に相当します。Le数値は中間酸化剤組成でピークとなり、高O₂濃度で減少します。化学量論条件でLe数に劇的なピークがあり、高当量比では1.0未満に下がります。Le数は断熱平衡条件で空気予熱温度とともにほぼ直線的に増加します。H₂/CH₄混合燃料でのH₂含有率増加とともにより急激に増加します。

炉内熱伝達

炉から炉充への熱伝達に影響する要因を以下に説明します。

炉充内部の熱流動

電気加熱炉充（炉充を回路の抵抗として使用、または誘導加熱）では、フラックス線が表面直下に集中します。燃料燃焼加熱プロセスでは、熱が炉充表面から（放射または対流で）入り、伝導で炉充全体に拡散します。この熱流には炉充内部の温度差が必要です。平板状炉充では定常熱流が成り立ちます。平板以外では熱フラックス線はめったに平行ではなく、定常でもありません。非定常熱流では、与えられた時刻と位置での温度決定に有限要素法が必要です。炉温度上昇（高「熱ヘッド」）や「高速加熱」は不均一加熱を招き、より長い浸漬時間を必要とし、高速加熱の目的を損なうことがあります。

熱伝導率と拡散

様々な金属の熱伝導率には大きなばらつきがあり、これが熱の流通・拡散能力に直接影響し、固体内温度分布・均一性に非常に強い影響を与えます。温度分布に影響する因子は熱拡散率です。熱伝導率を固体材料の体積比熱で割ったもので、以下の式で表されます。

熱拡散率 = 熱伝導率 / (比熱 × 密度)

この式で分子は単位体積材料への熱流入率の尺度、分母はその単位体積が吸収する熱量の尺度です。分子/分母比が高いほど、熱が材料内に伝導・分布・吸収されやすくなります。

固体の熱伝導率と拡散率は温度によって大きく変化します。比熱と密度はあまり変化しません（鋼の相変態点を除く）。純金属固体の熱伝導率は温度上昇で低下しますが、合金固体では一般に温度上昇で上昇します。

ラグタイム

図1は同じサイズの3種の鉄系合金スラブを両面加熱した場合の、熱伝導率が熱流動と内部温度分布に与える影響を示しています。3ケースとも表面温度は一般に急上昇しますが、拡散率が悪い材料では内部温度上昇が遅れます。スラブが炉温度と平衡状態になるまでの時間は材料により異なります。

図1 熱伝導率が熱流動と内部温度分布に与える影響

工業炉で加熱される固体材料は必ずしも連続体ではありません。多くの場合、コイル状帯鋼や個別ピースが様々な深さに積まれたり、隣り合って置かれたりします。このような場合、熱はピース間の小さな接触点やガス充填空間（熱伝導率が非常に小さい）を通じてのみ隣接ピースへ流れます。平板スタックは極めて低い熱伝導度の例です。微小な隙間でも固体金属より大きな熱抵抗となります。スタックを固体として扱うことはできません。薄い空気層が断熱材となるためです。スタック内の様々な空気隙間が悪質な温度不均一を生じさせます。

積み重ね充填材の各ピースでの急速な熱流動は、積み重ね材料内を熱ガスが対流とガス放射で循環することでのみ得られます。これらのガス塊は質量が小さく、比熱が小さく、薄いガス層厚さのため急速に冷却され、負荷に多くの熱を供給せずに冷えてしまうため、常に新しい熱ガスで置換する必要があります。均一加熱と精密な再現性のためには、材料ピースの積み重ねは避けるべきです。

炉充表面への熱伝達

炉実務では、熱は(i) 伝導、(ii) 対流、(iii) 放射の3モードで伝達されます。工業炉設計者とオペレーターに役立つ熱伝達の基本事項があります。ほとんどの工業炉、オーブン、キルン、焼却炉、ボイラー、ヒーターは燃料燃焼を熱源としています。工業炉での燃焼は急速かつ大規模な化学反応速度論から生じ、化学エネルギーを顕熱（熱）エネルギーに変換します。燃料と酸化剤（通常空気）の混合表面積を増やす、または反応物温度を上げると、燃焼反応が速くなり、通常より高い熱源温度となります。燃料酸化反応は発熱性のため、暴走状態（熱エネルギー放出が熱伝達による除去より速い）になる可能性があります。この正のフィードバックが爆発を引き起こすことがあります。

炎とは急速な発熱化学反応の薄い領域です。例としてバンゼンバーナー炎があります。バンゼンバーナーでは、完全に予混合された燃料ガスと空気の層流ストリームが外部熱源で着火され、円錐形の反応ゾーン（炎前面）が形成されます。乱流は反応ゾーンの厚さと表面積を増やし、燃焼速度を高めます。天然ガスの層流燃焼速度は約18 m/分ですが、乱流燃焼速度は2〜10倍速くなります。層流炎では化学発熱による熱膨張が高温による反応性増大と相まって、乱流炎への加速を引き起こすことがあります。長い発光炎を除き、ほとんどの工業炎は乱流です。

伝導熱伝達

伝導熱伝達は分子間の振動エネルギー移動で、通常固体内で起こります。伝導のみによる被加熱材への熱伝達は工業炉では稀です。冷金属を熱い炉床に置いたときや、金属片を塩浴や液体金属浴に浸した直後などに起こります。

2つの固体材料が完全に接触している場合（スケール層、空気、その他流体で隔てられていない）、接触面は瞬時に接触体の温度の中間値をとります。接触材料内の温度勾配はそれぞれの伝導率に反比例します（図2）。

図2 異なる温度と伝導率を持つ2つの固体が確実に接触している場合の、伝導率と時間が温度勾配に与える影響

熱フラックス（単位面積あたり熱流量）は2つの固体の温度だけでなく、接触固体の拡散率と形状にも依存します。実際には、ビレットから水冷スキッドへの熱流を除き、伝導による充填材への熱伝達（またはそこからの熱抽出）は比較的少ないです。

冷金属片を液体塩、鉛、亜鉛、その他液体金属に突然浸すと、液体が冷金属表面で凝固し、熱は伝導のみで伝達されます。非常に短時間後、固体ジャケット（凍結層）が再溶融します。それ以降は伝導と対流の両方で熱伝達が起こります。

対流熱伝達

対流熱伝達は伝導と流体運動の組み合わせで、加熱（または冷却）された分子を物理的に別の表面へ運びます。気体流体ストリームが固体表面に平行に流れる場合、ストリームの振動分子が固体表面との間で熱エネルギーをやり取りします。

「境界層」と呼ばれる停滞した粘性の伝導性の悪い流体層が固体表面に張り付き、断熱ブランケットのように働いて熱流を減らします。熱は停滞層を伝導で通過します。メインストリーム流体速度を上げると、境界層が薄くなり、対流熱伝達率が増加します。境界層伝導度（膜係数）は質量速度（運動量、Re数）の関数です。

600℃未満で運転される炉では、放射が弱いため対流熱伝達が主要な重要性を持ちます。最新の高速（高運動量）バーナーは高い対流熱伝達係数を実現します。高速度は単一ピース充填材周りや複数ピース充填材間でより均一な温度分布をもたらすことが多く、より多くの質量流量がより穏やかな温度で追加の顕熱を運ぶためです。低炉温では、放射熱伝達が550℃では1200℃の10分の1以下しかないため、高ガス速度によってのみ高い総熱伝達率が得られます。高速バーナーは放射が影問題で届かない場所を補うために広く使用されています。

放射熱伝達

固体間放射

固体は低温でも熱を放射します。受熱体に実際に伝達される正味放射熱は、熱源から受け取る放射熱と、受熱体から熱源へ再放射される放射熱の差です。高温物体（熱源）と低温物体（受熱体）間の正味放射熱フラックスはステファン・ボルツマンの式で計算できます。

材料の放射率と吸収率は固体間放射で重要な特性です。放射率は、単位時間・単位面積あたりの黒体最大放射熱に対する表面からの放射熱放出の割合（小数）です。放射度は、表面粗さ、溝等により見かけ面積が実際より大きい場合の見かけ放射率です。吸収率は、単位時間・単位面積あたりの黒体最大吸収熱に対する表面吸収放射熱の割合（小数）です。

技術者は従来型耐火ライニング炉で放射率0.85を使用することが多いですが、温度、表面状態、合金によってかなり違いが出ます。例えばステンレス鋼帯をカテナリー炉で3分未満で加熱する場合、周囲温度から1100℃まで温度上昇しても放射率が変化しないことがあります。帯鋼表面温度と炉温度を両方測定することで、酸化が加熱サイクル中に放射率や吸収率を変化させないと仮定すれば、加熱曲線計算を修正できます。

透明炎とガスからの放射

燃焼生成物から固体への放射には2つの起源があります。(i) 透明炎とガスから、(ii) 発光炎中のミクロンサイズのスス粒子からです。透明ガスからの放射はステファン・ボルツマンの第4乗則に従いません。顕著に放射を放出または吸収する透明ガスは、分子あたり3原子以上の三原子ガス（CO₂, H₂O, SO₂など）のみです。例外は二原子COで、わずかな放射を出します。他の二原子ガス（O₂, N₂、それらの混合物である空気、H₂）はほぼ無視できる放射力しか持ちません。

気体放射は第4乗則に従いません。気体は固体（グレーボディ）のようにすべての波長で放射しないためです。各ガスはわずかな狭いバンドでのみ放射します。透明ガスからの放射は、その温度、各三原子ガスの分圧または体積%、ガス層厚さに依存します。

放射ガス温度はガス進行方向に沿って低下します。活発なガス放射を維持するには、ガスを常に新しい熱ガスで置換する必要があり、これは対流も改善します。ガス供給速度を上げるとガス経路に沿った温度降下が減少します。この因子は高温工業炉での良好な温度均一性維持に極めて重要です。

炉は耐火物放射が充填材を加熱するという前提で設計されることが多く、通常妥当な結果を得られますが、耐火物放射だけでは説明できない状況もあります。炉ガスからの直接放射が一般的に充填材への熱の62%（±2%）を伝達し、耐火物が残りの38%（±2%）を伝達します。耐火物と充填材に熱を伝達するために必要なガス温度は、一般的に想定されているよりはるかに高くなります。

発光炎からの放射

空気/燃料混合物の燃料リッチ部分が熱（より高温な炎部分から）に曝されると、未燃焼燃料分子が重合または熱分解し、重い固体分子が生成されます。これらのスス粒子は高温で発光し、発光性を生み、炎の総放射能力を高めます。

燃料と空気がバーナーノズルを出た後すぐに十分に混合されないと、炭化水素がクラック（重合）する温度まで加熱される可能性があります。さらに加熱で生成粒子が発光温度に達します。O₂が混合するとそれらは燃焼します。炎が進行するにつれ、新しいスス粒子生成率が先に生成された粒子の燃焼率と等しくなることがあります。炎のさらに先ではスス生成が減少し、残りのススはすべて焼却されます。この遅延混合燃焼プロセスシリーズは、燃焼ガスが煙道に入る前に完了する必要があります。煙道入口で炎が発光したままなら、煙突出口に煙が現れることがあります。煙は、適切な空気と混合される前に最低着火温度以下に冷却（チル、クエンチ）されたススです。

発光炎の付加的放射能力により、透明炎より自然に速く冷却されます。これは熱を届けるという目的を果たしています。この冷却現象は、高発光度（実効放射率）からの利益を一部相殺する可能性があります。

発光炎は、遅延混合発光炎の長さが大型燃焼室全体でより均一な温度分布を生み出せるため、選ばれることが多かったです。工業炉に高温燃焼空気予熱または酸素燃料燃焼が導入されるにつれ、発光炎は熱放出率の向上を可能にします。

C/H₂比の高い燃料（ほとんどの油と固体燃料）は発光炎で燃焼しやすいです。C/H₂比の低い燃料（主にガス燃料）は、(i) 遅延混合（同等に低速の空気とガス流を並行噴射）、(ii) 高圧で燃料の高速コアを遅い空気を「撃ち抜く」ように噴射し、燃料が2ストリーム間の薄い「スリーブ」炎環状界面で加熱（重合）された後に本体空気が燃料に「追いつく」ようにする、ことで発光炎を生成できます。

固体燃料からの炎には灰粒子が含まれ、発光して炎の発光度を高めます。液体・ガス燃料では炎発光は通常発光Cとスス粒子から来ます。実効炎放射率（実測値）は通常、POCガスと最大値0.95の間で、固体粒子総表面積に依存します。通常、同温度の透明炎より発光炎からの熱伝達が大きくなります。熱伝達率の差は鋼・金属再加熱炉でかなり顕著です。高温では各三原子ガス分子の放射力が増大しますが、単位体積あたり放射分子密度減少により利益が部分的に相殺されます。

別の現象として、気体放射バンドは温度に関わらず波長を保持します。しかし高温では、固体放射（発光ススとC粒子）の高強度領域が短波長側へシフトします（ガスバンドから離れる方向）。より高温域では、透明ガスからの放射は発光炎からの放射ほど急速には増加しません。

炎放射は、燃料のC/H₂比、空気/燃料比、空気/燃料温度、燃料混合・霧化、炎厚さなど多くの変数の関数です。これらの一部はバーナーからの距離で変化します。C/H₂比の高い燃料（油など）はより多くのススを生成し、通常発光炎となります（軽油では青色炎も可能）。多くのガスは低C/H₂比で、透明または青色炎で燃焼しやすいです。タールを非発光で燃やすのは困難です。同様に高炉（BF）ガスやH₂で可視炎を出すのも困難です。

発光炎と非発光炎を比較する際、以下を覚えておくことが重要です。(i) スス放射（発光）は通常可視炎が終わるところで終わります。ススは二次・三次空気と出会う炎の外表面で最もよく焼却されるため。(ii) ガス放射（非発光）は可視炎包絡面の内外両方から起こり、カバレッジの均一性と範囲を大幅に拡大します。ただし炎内ガス放射は周囲のスス粒子や三原子ガスにより多少遮蔽され、炎外ガス放射はより冷却されたガスから来ます。

過剰燃料が炎放射に与える影響は、過剰空気不足の影響よりかなり大きいです。透明炎と長い発光炎の長所短所は長年議論されてきました。改良バーナーと制御スキームにより、両方の長所を活かせるようになっています。いくつかのバーナータイプに共通する問題は、バーナー入力を絞ったときの炎特性変化です。透明炎バーナーの問題には、(i) 発射率低下に伴い温度プロファイルのハンプがバーナー壁寄りに移動する、(ii) 低入力ではバーナー壁から遠くで温度がより急峻に低下する（例：定格容量50%以下での発射では、ピーク温度（最大熱放出）がバーナー壁付近にあり、そこから離れると低下する。低発射率ではこの低下が悪化する。高発射率ではピーク温度がバーナー壁から離れるにつれバーナー壁温度が低下する。一部の鋼再加熱炉では最大発射時にバーナー壁とピークの温度差が150℃になる）。

高火力時の遠壁温度ピーク問題は、炉ガスが炎基部に吹き込み、燃料とO₂の混合を遅らせることで悪化します。バーナー発射率を上げると、完全燃焼生成物の吹き込みが指数関数的に増加します。結果として多くの問題が生じます。側面燃焼炉で低発射率ではピーク温度がバーナー壁にあるが、最大発射率ではピーク温度が炉中心または対向壁に移動する可能性があります。したがって、単一温度制御センサーの位置は決して正しくありません。温度センサーがバーナー壁にある場合、低発射率ではピーク温度が炉壁に張り付き、バーナーを低火力に駆動し、炉幅の残りが不十分な入力を受けます。高発射率ではバーナー壁センサーは冷たいが、バーナー壁から離れた場所は非常に高温で、充填材ピース表面の中心部や遠壁で液状スケールが形成される可能性があります。経験不足のオペレーターはセットポイントを下げ、炉加熱能力を低下させて対処しようとします。

もう一つの例は、鋼再加熱炉の底部ゾーンで、負荷移動方向と逆向きに縦方向燃焼（エンドファイヤー）し、制御センサーがバーナー壁から3〜6m離れた場所に設置されている場合です。低発射率でゾーン温度1300℃設定時、バーナー壁が1370℃以上に上昇し、スケールが溶融して底部ゾーン床に滴下し、後に大きな一片として固化することがあります。高発射率ではピーク温度が底部ゾーンTセンサーを超えて移動し、炉充寄りの一定距離でスケールを溶融させる可能性があります。再び問題回避のためオペレーターが温度制御設定を下げ、炉能力を低下させます。

これらの問題制御には、各ゾーンに追加温度センサーと、温度測定に応じてバーナー混合率特性を変更する手段が必要です。調整可能スピン（スワール）バーナーを設定すれば、特に低火力・前方流ガスまたは空気ジェットをバーナー中心に組み合わせれば、問題の大部分を防止できます。このようなジェットは通常最大ガスまたは空気流量の5%でサイズ設定されます。

長い発光炎（層流型または乱流型）は温度ハンプがはるかに小さく、入力低下時に炎長がそれほど急速に変化しません。これらは優れた「レベラー」となり、より良い温度均一性を提供します。

炎内スス放射と三原子ガス放射に関するこの情報は以前から知られていましたが、最近の開発で状況が変わりつつあります。酸素燃料（100% O₂）使用により炎ターンダウンが向上します。酸素燃料燃焼の主な利益は、POCからN₂が除去されることによる三原子ガス濃度上昇による、より強烈な放射熱伝達です。これはまた熱を煙道外へ運ぶガス質量を減らし（スタック損失低減）、効率向上に寄与します。別の開発では、一部のリーン予混合ガス炎（低NOx排出設計）が燃焼室の大部分で至る所に存在する炎フィールド（見かけ上透明）を形成します。