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$CO_2$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$N_2$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$CO_2$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$CO_2$量は、[$m^3_N$/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[$m^3_N$/kg-f]となり、理論乾き燃焼排ガス量は[$m^3_N$/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]

2) 空気比及び実際の燃焼排ガス量の計算 成分分析の結果を利用すれば、乾き燃焼排ガス量は[$m^3_N$/kg-f]と求められる。 これより、空気比がと求められる。また、湿り燃焼排ガス量は[$m^3_N$/kg-f]となる。 3) 空気予熱器による排熱回収の計算 空気予熱器において、湿り燃焼排ガス1$m^3_N$から回収される熱量は[kJ/$m^3_N$]である。 これに、2)で求めた湿り燃焼排ガス量を乗ずれば、空気予熱器における燃料1kg当たりの回収熱量$Q_R$[MJ/kg-f]が求められる。この回収熱量がすべて燃焼用空気の温度上昇のために使われたとすれば、燃焼用空気の温度は[℃]になる。 4) 空気予熱器による燃料削減量の計算 加熱炉では、燃料の低発熱量$H_L$のうち、被加熱物の加熱に有効利用されなかった熱量が、全て排ガスの顕熱$Q_G$[MJ/kg-f]として排出されるものとする。空気予熱器を設置することによって、その一部を空気の顕熱$Q_R$として回収し、直接炉内に投入することになり、燃料の持つ熱の利用効率を高くすることができる。このとき、被加熱物の加熱に有効利用された熱量が同じであったとすれば、使用する燃料を削減することができ、燃料削減率は、次式で表される。 燃料削減率 = 【 10 】×100[%] この式を用いて計算すると、空気予熱器の設置によって[%]の燃料が削減できることが分かる。