問 題
組成(質量%)が炭素87.0%、水素13.0%である重油を専焼している燃焼装置がある。CO2を削減するため、重油にエタンを混焼する方式に切り替える。このとき低発熱量基準で、エタンの燃焼により発生する熱が全発生熱量の18%となる条件とする。
混焼時に低発熱量当たり発生するCO2(m3N/MJ)はおよそいくらか。
ただし、重油とエタンの低発熱量をそれぞれ、42.5MJ/kg、63.8MJ/m3Nとし、両燃料とも完全燃焼を仮定する。
- 3.1×10－2
- 3.3×10－2
- 3.5×10－2
- 3.7×10－2
- 3.9×10－2
解 説
この問題は例年の計算問題と比べても難易度の高い問題といえます。計算自体が難しいわけではありませんが、過去に類題が見られないため、解法のような考え方に慣れていないかもしれません。ご自身の学習状況や理解度によっては後回しにしても構わないと思います。
まず、問われているのは「混焼時に低発熱量当たり発生するCO2(m3N/MJ)」なので、以下では全体の発熱量が1[MJ]だった場合について考えていきます。
この1[MJ]のうち、重油からのエネルギーは82%に相当する0.82[MJ]、エタンからのエネルギーは18%に相当する0.18[MJ]となります。
次に、各燃料の消費量について考えると、重油の消費量(質量)とエタンの消費量(体積)は、それぞれ次の(1)式、(2)式のように計算することができます。
続いて、各燃料からのCO2発生量を計算します。
先に重油由来のCO2発生量について考えると、重油中の炭素量は問題文より87%であり、炭素の原子量12とCO2の分子量44から、重油由来で発生するCO2の質量は次の(3)式のように表すことができます。
ここで、最終的に問われているCO2発生量の単位は[m3N/MJ]であるので、次に示す(4)式のように質量から体積へと変換します。
以上で重油由来のCO2発生量[m3N/MJ]がわかったので、今度はエタンについて考えます。
エタンの燃焼反応は、以下の化学反応式で表されます。
上記より、1[mol]のエタンから2[mol]のCO2が発生することがわかります。また、(2)式ですでにエタンの消費量は算出済みであるため、エタン由来のCO2発生量は次の(5)式のようになります。
ここまで、全体の発熱量が1[MJ]だった場合について考えてきたので、(4)式と(5)式の和が求めたい「混焼時に低発熱量当たり発生するCO2[m3N/MJ]」となります。
以上から、正解は(4)です。
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