問題 10

次の各文章の【1】～【7】の中に入れるべき最も適切な数値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】～【J a.bc×$10^d$】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) ボイラの熱効率を向上させるためには排ガスからの熱回収が有効である。最近の小型ボイラでは、排ガス温度が露点以下になるまで熱回収を行って水蒸気の潜熱を利用することもある。 いま、組成(体積割合)がメタン90%、エタン10%の気体燃料を空気比1.2で完全燃焼させているボイラを想定し、基準温度を25℃、排ガス温度を300℃としたとき、排ガスからの熱回収がどれほど有効かを概算する。ただし、ボイラからの熱損失は排ガスが持ち出す熱損失のみとし、燃焼用空気中の水蒸気は無視してよいものとする。 ここで、メタンの低発熱量を35.8MJ/$m^3_{N-f}$、エタンの低発熱量を63.8MJ/$m^3_{N-f}$とし、排ガスの平均定圧比熱を1.38 kJ/($m^3_N$·K)、水蒸気の凝縮潜熱を2.44MJ/kgとする。また、空気中の酸素の体積割合を21%とし、残りは全て窒素とする。 なお、[$m^3_N$]は標準状態での気体の体積、[$m^3_{N-f}$]はそのうちの気体燃料の体積を表すものとし、気体1kmolの体積を22.4$m^3_N$とする。 1) 理論空気量を計算する。 メタンとエタンが完全燃焼したときの反応式はそれぞれ次のようになる。 $CH_4$ + 【 1 】$O_2$ = 【 2 】$CO_2$ + 【 3 】$H_2O$ $C_2H_6$ + 【 4 】$O_2$ = 【 5 】$CO_2$ + 【 6 】$H_2O$ 用いる燃料の組成がメタン90%、エタン10%なので、燃料1$m^3_N$の燃焼に必要な理論酸素量は[$m^3_N$/$m^3_{N-f}$]であり、空気中の酸素の体積割合が21%であることから、理論空気量は[$m^3_N$/$m^3_{N-f}$]と求められる。

2) 湿り燃焼ガス量を計算する。 この燃料1$m^3_{N-f}$を、完全燃焼させたときに発生する$CO_2$量は[$m^3_N$/$m^3_{N-f}$]、$H_2O$量は[$m^3_N$/$m^3_{N-f}$]と求められる。想定する燃焼では空気比が1.2なので、湿り燃焼ガス量は、発生する$CO_2$量及び$H_2O$量に、空気中の$N_2$量と余剰の$O_2$量を加えて[$m^3_N$/$m^3_{N-f}$]となる。 3) 熱回収前のボイラの熱効率を計算する。 ここで、ボイラの熱効率については、燃料の低発熱量基準で計算することとし、それによって熱回収の効果を評価する。 メタンとエタンの低発熱量から、この燃料1$m^3_N$の燃焼による低発熱量は[MJ/$m^3_{N-f}$]となる。ボイラからの熱損失は、熱回収前の温度300℃の排ガスが持ち出す熱損失のみとするので、熱回収を行う前のボイラの熱効率は86.9%となる。 4) 熱回収の効果を計算する。 使用燃料がメタンとエタンのみによるクリーンなガス燃料であり、燃焼ガスによる低温腐食等の問題は少ないので、排ガス温度を燃焼ガス中の水蒸気が凝縮するまで下げることによって、顕熱だけでなく潜熱も回収することを考える。ただし、水蒸気が凝縮しても燃焼ガスの体積と比熱は変わらないものと仮定する。 i) 顕熱回収の効果 排ガス温度が当初の300℃から50℃に低下するまで燃焼ガスから熱回収できたとすると、燃焼ガス1$m^3_N$から回収される顕熱量は×$10^{-1}$[MJ/$m^3_N$]である。想定する燃焼ガス量を勘案すれば、この顕熱回収により、ボイラの熱効率は[%]まで改善されることになる。 ii) 潜熱回収の効果 排ガス温度が50℃に低下するまでに、燃焼ガス中の水蒸気の22%が凝縮してその潜熱が回収できたとする。ここで、1kgの水蒸気は【 7 】[kmol]であるから、水蒸気1$m^3_N$当たりの凝縮潜熱は[MJ/$m^3_N$]となる。 i)の顕熱回収に加えて水蒸気の潜熱回収も行った場合は、燃料の低発熱量基準のボイラの熱効率は × 10[%]と算出される。効率の値は100%を超えたものになるが、これは燃料の低発熱量基準でボイラの効率を評価しているためである。