火力13【電験3種 電力】石炭火力の発電端効率と二酸化炭素排出量！水素5%の引っかけに注意 令和5年度上期 B問題15 完全解説

今回は令和5年度上期 電力科目 B問題15を解説します。定格出力600MW・石炭消費量150t/h・石炭発熱量34300kJ/kgの石炭火力発電所について、(a)発電端効率と(b)1日に発生する二酸化炭素の重量を求める問題です。

火力2・火力7と同じ型ですが、今回は燃焼反応式が2本示されています。2H₂＋O₂→2H₂Oは水しか作らないので、二酸化炭素の計算に使うのはC＋O₂→CO₂だけ。この引っかけを外せれば完答できます。

出題のポイント

令和5年度上期 電力科目 B問題15：問題文と選択肢

まずは、実際の試験問題を確認してみましょう。

電験3種 電力科目 【火力】 令和5年度上期 B問題15

　石炭火力発電所が1日を通して定格出力600MWで運転されるとき、燃料として使用される石炭消費量が150t/h、石炭発熱量が34300kJ/kgで一定の場合、次の(a)及び(b)の問に答えよ。

　ただし、石炭の化学成分は重量比で炭素が70%、水素が5%、残りの灰分等は燃焼に影響しないものと仮定し、原子量は炭素12、酸素16、水素1とする。燃焼反応は次のとおりである。　C＋O₂→CO₂　／　2H₂＋O₂→2H₂O

石炭火力発電所が1日を通して定格出力600MWで運転されるとき、燃料として使用される石炭消費量が150t/h、石炭発熱量が34300kJ/kgで一定の場合、次の(a)及び(b)の問に答えよ。ただし、石炭の化学成分は重量比で炭素が70%、水素が5%、残りの灰分等は燃焼に影響しないものと仮定し、原子量は炭素12、酸素16、水素1とする。燃焼反応は次のとおりである。　C＋O₂→CO₂　／　2H₂＋O₂→2H₂O
(a) 発電端効率の値[%]として、最も近いものを次の(1)〜(5)のうちから一つ選べ。

（1）41.0　（2）41.5　（3）42.0　（4）42.5　（5）43.0 %

(b) 1日に発生する二酸化炭素の重量の値[t]として、最も近いものを次の(1)〜(5)のうちから一つ選べ。

（1）3.8×10²　（2）2.5×10³　（3）3.8×10³　（4）9.2×10³　（5）1.3×10⁴ t

ポイント解説：η=P×3600/(B×H)、CO₂は炭素分だけ×44/12

(a) 1時間あたりで比べる。発電した電力量の熱量は、1kW·h＝3600kJより 600×10³kW×3600＝2.16×10⁹kJ/h。石炭が持ち込む熱量は 150t/h＝150×10³kg/h なので 150×10³×34300＝5.145×10⁹kJ/h。よって η＝2.16×10⁹/5.145×10⁹≒0.4198＝42.0%。(a)は(3)。

(b) 1日の石炭消費量は 150t/h×24h＝3600t。このうち炭素は重量比70%なので 3600×0.70＝2520t。二酸化炭素を作るのはC＋O₂→CO₂だけで、炭素12に対して二酸化炭素44が生じるから CO₂＝2520×44/12＝9240t≒9.2×10³t。水素5%は 2H₂＋O₂→2H₂O で水になるだけなので二酸化炭素には一切寄与しない（灰分も同様）。(b)は(4)。

問題の解説

STEP1　(a)1時間の発生熱量

1kW·h=3600kJ。600×10³kW×3600=2.16×10⁹kJ/h。

STEP2　(a)入熱と効率

150t/h=150×10³kg/h→150×10³×34300=5.145×10⁹kJ/h。η=2.16/5.145≒42.0%→(3)。

STEP3　(b)1日の炭素量

石炭=150×24=3600t。炭素=3600×0.70=2520t。

STEP4　(b)二酸化炭素

CO₂を作るのはC＋O₂→CO₂のみ。CO₂=2520×44/12=9240t≒9.2×10³t→(4)。

答え：(a)-(3)，(b)-(4)

まとめ

(a)1時間の熱量	600×10³kW×3600=2.16×10⁹kJ/h
(a)入熱	150×10³kg×34300=5.145×10⁹kJ/h→η≒42.0%→(3)
(b)1日の石炭	150×24=3600t
(b)炭素	3600×0.70=2520t（水素5%・灰分はCO₂を出さない）
(b)CO₂	2520×44/12=9240t≒9.2×10³t→(4)

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