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。 $V_{O20}$ = [$m^3_N$/$m^3_{N-n}$] $V_{O20}$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。 $V_A$ = [$m^3_N$/$m^3_{N-n}$] 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。 $V_{CO2}$ = [$m^3_N$/$m^3_{N-n}$] $V_{H2O}$ = [$m^3_N$/$m^3_{N-n}$] 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。 $V_G$ = [$m^3_N$/$m^3_{N-n}$] 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。 $V_{O20}$ = [$m^3_N$/$m^3_{N-m}$] 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。 $V_G$ = [$m^3_N$/$m^3_{N-m}$]