解説 - 問題 10

次の各文章の【1】～【10】の中に入れるべき最も適切な字句等をそれぞれの解答群から選び、その記号を答えよ。なお、一つの解答群から同じ記号を2回以上使用してもよい。
また、【A a.bc】～【I a.bc】に当てはまる数値を計算し、その結果を答えよ。ただし、解答は解答すべき数値の最小位の一つ下の位で四捨五入すること。(配点計50点)

質量組成が炭素85%、水素12%、窒素3%の燃料を完全燃焼させている加熱炉がある。この燃料の低発熱量は42.3MJ/kg-fで、燃焼排ガス温度は500℃であった。また、燃焼排ガスの成分分析の結果、乾き燃焼排ガス中のCO2の体積割合は11%であることがわかった。この加熱炉に、燃焼排ガスによる熱損失の低減を目的として空気予熱器を設置したところ、燃焼排ガス温度は400℃に低下した。
ここで、燃料中の窒素分は酸素と反応せずにN2になるものとし、燃焼用空気中の酸素の体積割合は0.21で、残りはすべて窒素とする。また、燃焼用空気と湿り燃焼排ガスの比熱はいずれも一定値で、それぞれ1.32kJ/($m^3_N$·K)、1.45kJ/($m^3_N$·K)とし、熱勘定の基準温度、燃料の温度及び燃焼用空気の温度は25℃とする。なお、単位の$m^3_N$は標準状態の気体の体積を示し、kg-fは燃料の質量であることを示す。

1) 理論空気量及び理論燃焼排ガス量の計算
炭素1kgを燃焼させたときに発生するCO2量は【1】[$m^3_N$]である。これより、燃料1kgを完全燃焼させたときに発生するCO2量は、【A】[$m^3_N$/kg-f]となる。
また、燃料中の炭素の質量割合をc、水素の質量割合をh、窒素の質量割合をnとすれば、燃料1kgを完全燃焼させるために必要な酸素量は次の式で求められる。
【2】 × (【3】 × c + 【4】 × h) [$m^3_N$/kg-f]
これより、燃料1kgの燃焼に必要な理論空気量は【B】[$m^3_N$/kg-f]となり、理論乾き燃焼排ガス量は【C】[$m^3_N$/kg-f]となる。また、この中に含まれる窒素の体積は次の式で表せる。
【5】 × { (【6】 × c + 【7】 × h) × 【8】 + 【9】 × n } [$m^3_N$/kg-f]