問題 10

次の各文章の【1】～【8】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】～【I】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） 燃料としての微粉炭の専焼は$CO_2$排出量が多いことが問題とされているが、バイオマスの燃焼で発生する$CO_2$をゼロと見なすことができれば、木質バイオマスとの混焼は$CO_2$削減対策として評価できる。本問では、微粉炭とバイオマスとの混焼による$CO_2$削減効果について試算する。 微粉炭の組成は、質量比で炭素72%、水素5%、酸素8%、灰分15%とし、灰分は燃焼反応に関与せず、体積、比熱共にゼロとみなせるものとする。また、木質バイオマスは十分に乾燥しており、成分はセルロースのみで、そのセルロースは$C_6H_{10}O_5$が多数結合した物質と考える。なお低発熱量は、微粉炭が28.1 MJ/kg-f、乾燥した木質バイオマスが19.4 MJ/kg-fとし、専焼、混焼を問わず、空気比1.3、空気中の酸素の体積割合21%で完全燃焼しているものとする。なお、単位記号の$m^3_N$は標準状態（0℃、1気圧）での気体の体積を表し、/kg-fは燃料の単位質量当たりであることを表すものとする。 1) 微粉炭の燃焼 燃料中の炭素、水素の完全燃焼反応式は次のようになる。 C + $O_2$ = $CO_2$ H + 【 1 】$O_2$ = 【 2 】$H_2O$ この反応式から、炭素1kgの完全燃焼に必要な酸素量は【 3 】[$m^3_N$]、水素1kgの完全燃焼に必要な酸素量は【 4 】[$m^3_N$]となる。これらから、微粉炭1kgの燃焼に必要な理論酸素量は[$m^3_N$/kg-f]と求められる。空気中の酸素の体積割合から微粉炭1kgの燃焼に必要な理論空気量は[$m^3_N$/kg-f]、空気比1.3から実際の空気量は[$m^3_N$/kg-f]となる。また、生成する湿り燃焼ガス量は[$m^3_N$/kg-f]となる。

> タ 22.4 2) バイオマスの燃焼 セルロースの単量体である$C_6H_{10}O_5$が完全燃焼したときの反応式は次のようになる。 $C_6H_{10}O_5$ + 【 5 】$O_2$ = 【 6 】$CO_2$ + 【 7 】$H_2O$ この式よりセルロース1kgを完全燃焼させるのに必要な理論空気量は[$m^3_N$/kg-f]となる。これより、本問で想定した木質バイオマス1kgを燃焼させるために必要な実際の空気量は[$m^3_N$/kg-f]、湿り燃焼ガス量は[$m^3_N$/kg-f]となる。

3) 微粉炭とバイオマスの混焼 バイオマスの質量割合を燃料全体のx[%]として微粉炭とバイオマスを混焼させたところ、発生した熱量のうちのバイオマスによる発熱量の割合（熱量比）が20%となったとする。 このとき、混合燃料1kg-f当たりの発熱量は、微粉炭$1-\frac{x}{100}$kgの発熱量と、バイオマス$\frac{x}{100}$kgの発熱量の合計として求められる。したがって、微粉炭の低発熱量を$H_C$[MJ/kg-f]、バイオマスの低発熱量を$H_B$[MJ/kg-f]とすれば、バイオマスの質量割合xは、バイオマスの熱量比が20%であったことから、式x=【 8 】[%]と計算される。 一方、$CO_2$発生量については、微粉炭燃料は[$m^3_N$/kg-f]であるが、バイオマスの燃焼で発生する$CO_2$をゼロと見なすことができれば、バイオマス熱量比20%の混合燃料としての$CO_2$発生量は×$10^{-1}$[$m^3_N$/kg-f]になる。ただし、混合燃料の低発熱量は微粉炭の低発熱量よりも小さくなるため、同じ熱量を得るための混合燃料の質量は、微粉炭燃料の質量より大きくなる。単位発熱量当たりで評価すると、バイオマスの熱量負担分の$CO_2$発生量がゼロとなるため、20%の低減ということになる。