【電験3種】電力分野「火力発電所」の燃料と環境対策に関する例題

電験3種の電力分野における電力分野「火力発電所」の燃料と環境対策・計算問題についてまとめました。

汽力発電の燃料と環境対策

種別 環境コスト 費用コスト
石炭
石油
LNG
廃棄物 対策
硫黄酸化物(SOx) ・硫黄分の含有量が少ないLNG等の燃料を使用
・硫黄酸化物を粉状の石灰と水の混合液に吸収させる煙「排煙脱硫装置」を煙道に設置する。
窒素酸化物(NOx) ・窒素分の含有量が少ない燃料を使用する
・燃焼温度を低くする
・燃焼用空気の酸素濃度を低くする
・窒素酸化物を触媒とアンモニアを利用して窒素と水に分解する排煙脱硝装を設置する。
煤塵 ・燃料と空気を適切に混合する
・煤塵をマイナスに帯電させ、煤塵の粒子をプラス極に集めて除去する「電気集塵器」を設置する。
用語 概要
電気集じん装置 火力発電所で発生する灰じんなどの微粒子を除去する装置。一般的に、集じん電極である平板電極の間に放電電極である線電極を置いた構造である。電極間の高電圧によって発生したコロナ放電により放電負極で生じた負イオンで微粒子を帯電させ、クーロン力によって集じん電極で捕集する。集じん電極に付着した微粒子は集じん電極を槌でたたいて取り除く。
接触還元法 排ガス中にアンモニアを注入し、触媒上で窒素酸化物を窒素と水に分解する。
湿式石灰石(石灰)-石こう法 石灰と水との混合液で排ガス中の硫黄酸化物を吸収・除去し,副生品として石こうを回収する。
二段燃焼法 燃焼用空気二段階に分けて供給し,燃料過剰で一次燃焼させ,二次燃焼域で不足分の空気を供給させ,窒素酸化物の生成を抑制する。
排ガス混合(再循環)法 燃焼用空気に排ガスの一部を再循環、混合することで燃焼用空気の酸素濃度が下がり、燃焼温度を下げることでstrong>窒素酸化物の生成を抑制する。
総発熱量[kJ] = 燃料消費量[kg] × 燃料発熱量[kJ/kg]
項目 概要
総発熱量 燃料を完全燃焼させたときに発生する熱量
【電験3種】電力分野「火力発電所」の対策・計算問題
電験3種の電力分野における電力分野「火力発電所」の対策・計算問題についてまとめました。

【例題】燃料使用量と空気量の計算

【問題】
以下の仕様の汽力発電所がある。
①定格出力にで24時間運転したときに消費する燃料質量の値 [t]、②そのとき使用する燃料を完全燃焼させるために必要な理論空気量の値 [m3]を求めよ。
※理論空気量:燃料を完全に燃焼するために必要な最小限の空気量(標準状態における体積)

(仕様)
定格出力 600 MW
定格出力時の発電端効率 42%

(条件)
重油の発熱量44000kJ/kg
重油の化学成分は質量比で炭素85%、水素15%
水素の原子量を1 ,炭素の原子量を12 ,酸素の原子量を16 ,空気の酸素濃度を21%とし, 重油の燃焼反応は次のとおりである。
C+O2  → CO2、 2H2+O2  → 2H2O

※潜熱の影響は無視できる
※1molの気体標準状態の体積は22.4Lとする。(22.4[m3/kmol])

【①解答】
定格出力にて1日運転した時に必要な熱量[kJ] は

(1)   \begin{eqnarray*} \frac{600\times 10^3 kW \times 3600 sec \times 24 hour}{0.42}=1.234 \times 10^{11} kJ \end{eqnarray*}

よって、必要な重油質量[t]は

(2)   \begin{eqnarray*} \frac{1.234 \times 10^{11}}{44000} = 2805 t \end{eqnarray*}

【②解答】
題意より,重油の化学成分は質量比で炭素 85% ,水素 15% であるから,使用した燃料の炭素の質量MC及び水素の質量MHが求まる。

(3)   \begin{eqnarray*} M_C=2805 \times 10^3 \times 0.85 = 2384 \times 10^3 kg \\ M_H=2805 \times 10^3 \times 0.15 = 421 \times 10^3 kg \end{eqnarray*}

使用した燃料の炭素の質量MC及び水素の質量MHを燃焼するために必要な酸素量OCとOH[m3]が求まる。

(4)   \begin{eqnarray*} O_C = \frac{M_C}{12}\times 1 \times 22.4 = 4.45 \times 10^6  \\ O_H = \frac{M_H}{2}\times \frac{1}{2} \times 22.4 = 2.36 \times 10^6  \end{eqnarray*}

よって、理論空気量Ao[m3]が求まる。

(5)   \begin{eqnarray*} A_0 = \frac{O_C+O_H}{0.21}=32.4\times 10^6 \end{eqnarray*}

【例題】燃焼計算

以下の仕様で運転する石炭火力発電所がある。
潜熱の影響は無視するとき、①定格出力にて1日運転したときに消費する燃料重量M[t]と二酸化炭素の重量の値[t]を計算せよ

定格出力200:MW
石炭の発熱量:28000 kJ/kg
定格出力時の発電端熱効率:36 %
※石炭の化学成分は重量比で炭素70%、水素他30%、炭素の原子量を12、酸素の原子量を16とし、炭素の酸化反応は「C+O2→CO2」とする。

①について
1秒あたりの発熱量Qは以下のようになる。

(6)   \begin{eqnarray*} Q=2800\frac{M}{24\cdot 3600}kg/s \end{eqnarray*}

発電量=発熱量Q×効率なのでを掛けたものに等しいから,

(7)   \begin{eqnarray*} 2000000=0.36Q=0.36\cdot 2800\frac{M}{24\cdot 3600}kg/s \\ M=1714.3 \end{eqnarray*}

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