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)

天然ガスを燃料とする燃焼装置がある。この装置において、$CO_2$排出量低減のための改善策として$CO_2$フリーの水素を20%(体積割合)混焼させることを考え、改善前後の$CO_2$排出量を比較する。
ここで、$m^3_N$は標準状態における気体の体積を示し、標準状態の燃料の単位体積当たりとして、天然ガスには/$m^3_{N-n}$、水素には/$m^3_{N-h}$、天然ガスと水素の混合燃料には/$m^3_{N-m}$を用いる。
天然ガスの成分組成(体積割合)は、メタンが90%、エタンが10%であるとし、燃焼時の空気比は水素混焼の如何に関わらず1.3とする。各燃料の低発熱量について、天然ガスは38.59MJ/$m^3_{N-n}$、水素は10.79MJ/$m^3_{N-h}$とする。また、燃焼用空気中の酸素の体積割合は21%とする。

1) 水素を混焼しない場合の理論空気量や燃焼ガス量の計算
メタン、エタンを完全燃焼させるときの反応式は次のようになる。
$CH_4$ + 【1】$O_2$ = 【2】$CO_2$ + 【3】$H_2O$
$C_2H_6$ + 【4】$O_2$ = 【5】$CO_2$ + 【6】$H_2O$
これより、天然ガス1$m^3_{N-n}$の完全燃焼に必要な理論酸素量$V_{O20}$は次の値となる。
$V_{O20}$ = 【A】[$m^3_N$/$m^3_{N-n}$]
$V_{O20}$と空気比及び空気中の酸素の体積割合から、投入した空気量$V_A$は、次の値となる。
$V_A$ = 【B】[$m^3_N$/$m^3_{N-n}$]
また、$CO_2$の生成量$V_{CO2}$と$H_2O$の生成量$V_{H2O}$は次の値となる。
$V_{CO2}$ = 【C】[$m^3_N$/$m^3_{N-n}$]
$V_{H2O}$ = 【D】[$m^3_N$/$m^3_{N-n}$]
これらをもとに湿り燃焼ガス量$V_G$を計算すると、次の値となる。
$V_G$ = 【E】[$m^3_N$/$m^3_{N-n}$]

2) 天然ガスを80%、水素を20%として混焼した場合の燃焼ガス量の計算
水素を完全燃焼させるための反応式は次のようになる。
$H_2$ + 【7】$O_2$ = 【8】$H_2O$
これより、水素1$m^3_{N-h}$の完全燃焼に必要な理論酸素量$V_{O20}$と、それにより生成する$H_2O$の量$V_{H2O}$は、次のようになる。
$V_{O20}$ = 【9】[$m^3_N$/$m^3_{N-h}$]
$V_{H2O}$ = 【10】[$m^3_N$/$m^3_{N-h}$]
これらより、水素混焼の場合の単位燃料体積当たりの理論酸素量$V_{O20}$は次の値となる。
$V_{O20}$ = 【F】[$m^3_N$/$m^3_{N-m}$]
天然ガス燃料と同様に、水素混焼の場合の燃焼用空気量、$CO_2$と$H_2O$の生成量が求められて、湿り燃焼ガス量$V_G$は次の値となる。
$V_G$ = 【G】[$m^3_N$/$m^3_{N-m}$]