令和7年度 大気特論 問4は、酸素富化空気による燃焼の計算問題です。水素を空気比1.1で燃やし、湿り燃焼排ガス量を10%減らすために必要な酸素富化空気のO2濃度を求めます。
燃焼用空気に含まれるN2は反応せずそのまま排ガスになるので、排ガス量を増やす大きな原因です。空気の酸素割合を高めた酸素富化空気を使うと、同じ酸素を供給してもついてくるN2が減り、排ガス量が小さくなります。この問題は「湿り排ガス量を10%減らすには、N2をどれだけ減らせばよいか＝O2濃度を何%まで高めればよいか」を逆算するものです。空気比は1.1のまま変えない点と、湿り排ガスなので生成した水蒸気を含めて数える点が分かれ目です。
※ 問題文そのものは、産業環境管理協会が公開している公式サイトで確認できます。
正解：選択肢(1)
| 選択肢 | 各選択肢の判定 | 解説 |
|---|---|---|
| (1) | ○（正しい） | O2濃度約23.8%。湿り排ガスを10%減らす条件と一致します。 |
| (2) | ×（誤り） | 24.2%。富化の程度が過大で、排ガス減少が10%を超えます。 |
| (3) | ×（誤り） | 24.6%。計算条件を満たしません。 |
| (4) | ×（誤り） | 25.0%。富化しすぎで排ガスが減りすぎます。 |
| (5) | ×（誤り） | 25.4%。10%低減の条件と一致しません。 |
水素の燃焼は 2H2＋O2→2H2O です。水素1molあたり理論酸素は0.5mol、空気比1.1なので供給O2は0.55mol。通常空気（O221%）では、これに伴うN2は 0.55×(79/21)≒2.069mol です。湿り排ガスは「生成水蒸気＋過剰O2＋N2」で、水蒸気1mol、過剰O2は0.55−0.5＝0.05mol を加え、合計は約 1＋0.05＋2.069＝3.119mol。
酸素富化でも空気比は1.1のまま、供給O20.55mol・過剰O20.05mol・生成水蒸気1molは変わりません。変わるのは伴うN2だけです。湿り排ガスを10%減らす（3.119×0.9≒2.807mol）には、N2を 2.807−1−0.05＝1.757mol まで減らせばよく、酸素富化空気のO2割合は 0.55／(0.55＋1.757)≒23.8% となります。空気比を動かしたり水蒸気を排ガスに数え忘れたりすると値がずれます。正解は約23.8%の(1)です。
酸素富化空気を使うと、なぜ排ガス量が減らせる？
空気中で反応せず排ガスになるN2が減るからです。酸素割合を高めるほど、同じ酸素を供給してもついてくるN2が少なくなります。
この問題で空気比はどう扱う？
酸素富化後も空気比は1.1のままです。供給O2量や過剰O2量は変えず、N2の量だけを調整して排ガス減を考えます。
出典
※ この記事の確認日：2026年6月