製造 第９章 公害防止と省エネルギー

公害防止(大気汚染・水質汚濁)と省エネルギー(LNG冷熱利用・冷熱発電・空気液化分離)を扱う章です。LNGの冷熱は単なる廃熱ではなく、エクセルギーとして再利用できるという発想が重要。

乙種・甲種兼用 / 全3節 / 学習目安: 30〜60分

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📍 はじめに

LNG基地は環境負荷の大きい施設ですが、同時に「冷熱」という他産業にはない資産も持っています。この章では公害防止のルールと、LNG冷熱を有効利用する技術を整理します。

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📚 テキスト解説

各節は次の構成で進みます。

– 🎯 一言で

– 📖 解説(乙種ベース)

– 🟦 甲種プラスα(必要な節のみ)

– ⚡ 焦点ポイント

– 📝 過去問のひっかけ例

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9-2a. 公害防止（大気汚染）ばいじん・SOx・NOx抑制技術

💡 図の見方：同じNOxでも、窒素を燃料から持ち込むフューエルNOxと、空気中の窒素が高温で酸化して生じるサーマルNOxでは出どころが違い、効く手も違うことを線のつながりで示した図です。燃料転換はフューエルNOxにしか効かず、サーマルNOxは温度と酸素濃度を下げる技術で抑えます。試験では「燃料転換（LNG使用）でサーマルNOxを抑制できる」「LNG燃焼ではNOxが全く発生しない」がいずれも誤りとして出ます。最下部の排煙脱硝法だけが両方に効く点も押さえてください。

重要度: ★ 乙A / 甲A

📖 解説(乙種ベース)

製造所の煙突から出る排ガスには、規制の対象になる汚れが3種類ある。ばいじん、硫黄酸化物（SOx：ソックス）、窒素酸化物（NOx：ノックス）だ。この3点セットが大気汚染対策の全体像であり、試験でもこの枠組みのまま問われる。まずは、それぞれがどこから生まれるのかを押さえたい。

ところが原料に目を向けると、意外な事実に出会う。LNG・LPGは硫黄分や窒素分をほとんど含まない。だからガス製造段階においてSOx・NOxの発生はほとんどないのだ。「ならばNOx対策は要らない」と早合点したくなるが、そこが出題者の狙い目になる。

順に見ていこう。ばいじんとは、燃料等の燃焼に際して発生する灰分またはすす等の固形物をいう。原因が燃やし方にある以上、対策も燃やし方で打つ。燃焼温度・空気比の適正管理、つまり燃焼管理の強化によってばいじん発生量を減少させられる。

SOxは硫黄の酸化物の総称で、燃料に硫黄が入っていなければ生まれない。抑制方法は3つ、①燃料脱硫で燃料中の硫黄分を除去する、②排煙脱硫で排ガス中の硫黄酸化物を除去する、③LNG・LPG等の硫黄分が極めて少ない燃料を使用する。入口で断つか、出口で取るか、そもそも硫黄のない燃料を選ぶか——3方向の使い分けである。

やっかいなのはNOxだ。NOxには生まれ方の違う2種類があり、この区別が最頻出になる。料理にたとえるなら、食材を持ち込んで作るか、現地の材料だけで作るかの違いだ。フューエルNOx（Fuel NOx）は燃料中に含まれる各種窒素化合物の燃焼により生成する「持ち込み型」で、窒素化合物を含まない都市ガス等の燃料を使用する燃料転換で抑え込める。

もう一方のサーマルNOx（Thermal NOx）は「現地調達型」である。空気中の窒素が燃焼による高温状態で酸化されて生成するため、燃料をどれだけきれいにしても消えてくれない。発生量は燃焼雰囲気の温度・酸素濃度が高いほど、滞留時間が長いほど増加する。だから打つ手は「温度を下げる」「酸素濃度を下げる」の2方向しかない。

この2方向を具体化したのが、次の4つのサーマルNOx抑制技術である。狙いはどれも共通で、火炎の最高温度と酸素濃度を下げることに尽きる。

🖼 図解
フューエルNOxとサーマルNOx 窒素の出どころの違い

抑制技術	やり方	NOxが減る理由
①二段燃焼	燃焼用空気を二段階に分けて供給。一段目は計算上必要な量より少ない空気で燃焼させ、二段目は燃焼下流で残りの空気を送って燃焼させる	急激な燃焼反応を抑制し、火炎温度の上昇と局部高温域の出現を防止。酸素濃度の低減によりNOxの生成を抑制
②排ガス再循環	燃焼排ガスの一部を燃焼用空気に混入して炉内に送り込む	排ガスで酸素濃度を低下→燃焼速度を遅らせる→火炎の最高温度を低下させNOx生成を抑制
③濃淡燃焼	複数バーナーを有する燃焼設備で、一部のバーナーを燃料過剰（濃）の状態で利用し、その周囲に空気過剰（淡）バーナーの送入口を配置	二段燃焼と同様の効果でNOx生成を抑制
④水・蒸気噴射	水または蒸気を燃焼炉内に直接吹き込み燃焼温度を下げる	NOxの生成を抑制

ここまではNOxを「作らせない」ための対策だった。出てしまったNOxを後から落とすのが排煙脱硝法である。燃焼排ガスの脱硝法には乾式法（アンモニア接触還元法・無触媒還元法）と湿式法（酸化還元法）があるが、実用化されているものはほとんど乾式法だ。

乾式法の中身も押さえておきたい。還元剤としてアンモニア・尿素等を用い、排ガス中のNOxを選択的に窒素に還元する方式で、触媒（酸化鉄）を使う方法と無触媒の方法がある。そして後処理ならではの強みがひとつ。排煙脱硝法はフューエルNOxとサーマルNOxの両方に有効である。生まれ方を問わず、出てきたNOxをまとめて還元するからだ。

🖼 図解
大気汚染対策(ばいじん・SOx・NOx)

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9-2b. 公害防止（水質汚濁）pH・SS・BOD・COD

重要度: ★ 乙A / 甲B

📖 解説(乙種ベース)

排水がきれいかどうかは、見た目では決められない。そこで水にも健康診断のような検査項目が用意されている。それがpH・SS・BOD・CODの主要4指標だ。水質汚濁防止では、この4つの定義と使い分けがそのまま問われる。

もっとも、ガス事業に限れば話は軽い。LNG及びLPGを原料とする最近の都市ガス製造工程から排出される水質汚濁物質はほとんどない。場合によってpH・SS・BOD・CODが処理対象となる程度である。「大量に発生する」と書かれた選択肢は、この一文で切れる。

pHは水素イオン濃度指数、水の酸性・アルカリ性を示す物差しである。

純水のpHは7付近で中性である。pH < 7なら酸性で[H⁺]が増加しており、pH > 7ならアルカリ性で[OH⁻]が増加している。多くの水中生物・農作物にとって望ましいpHは5.8〜8.6であり、わが国の排水基準もこの数値を採用している。生き物が暮らせる範囲がそのまま基準になった、と理解すると忘れにくい。

次はSS（浮遊物質：Suspended Solids）。水中に浮遊または懸濁している直径2mm以下の粒子状物質で、懸濁物質とも呼ばれる。浮遊物質は水の外見上の「きれいさ」を決める要件の一つだ。では濁っていると何が困るのか。浮遊物質の多い排水を放流すると、放流先で太陽光線の透視を妨げ、水生生物を損なうのである。

除去は、細かい粒子を集めて取り除く作業になる。分離操作には沈降・浮上・ろ過・遠心分離等の装置を使用する。ただしコロイド状の浮遊物質は細かすぎて沈まない。この場合は化学的・物理的操作でコロイドの安定性を解消し、微細粒子を集合させ大きな粒子に成長させてから分離する。

残るBODとCODは、どちらも「有機物がどれだけ酸素を食うか」を測る指標で、ここが最大の混同ポイントになる。違いは測り方だ。BOD（生物化学的酸素要求量：Biochemical Oxygen Demand）は、水中の有機物が微生物の働きによって分解されるときに消費される酸素の量をいう。生き物に実際に分解させて測る方式である。

対するCOD（化学的酸素要求量：Chemical Oxygen Demand）は、水中の有機物を酸化剤で分解する際に消費される酸化剤の量を酸素量に換算したものだ。薬品で強制的に分解させて測る方式にあたる。CODは排水中の被酸化物質、主として有機物によって消費される酸素の量と定義される。

使い分けは対で覚えたい。BODは河川の有機汚濁を測る代表的な指標、CODは海水や湖沼水質の有機物による汚濁状況を測る代表的な指標である。「BODは海水の指標」とすり替えるのが出題者の定番の手口だ。

影響と処理法も押さえておく。BODの高い排水を自然の水域に放流すると放流先の溶存酸素を消耗させ、生物の生存を危うくする。処理方法としては、バクテリアなど微生物の力を利用する生物処理装置が広く採用されている。

指標	測るもの	代表的な対象・数値
pH	水素イオン濃度指数（酸性・アルカリ性）	望ましいpHは5.8〜8.6（排水基準も同じ）
SS	直径2mm以下の浮遊・懸濁粒子	水の外見上の「きれいさ」
BOD	微生物が分解するときに消費される酸素量	河川
COD	酸化剤の消費量を酸素量に換算	海水・湖沼

🖼 図解
水質指標4つのアイコン図

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9-3. 省エネルギー・LNG冷熱利用（冷熱発電・空気液化分離・エクセルギー）

重要度: ★ 乙B / 🟦 甲A

📖 解説(乙種ベース)

ガス製造設備は、電気も熱も大量に使う。だから省エネルギーには2つの課題が同時にのしかかる。①ガスの製造設備における事業の経済性の追求と、②エネルギー利用による環境への影響の最小化だ。目的も2つあり、①エネルギー使用の合理化と、②電気需要の平準化——季節・時間帯による変動を縮小し電力需要の逼迫を回避すること——である。

まず電気から見ていく。省エネの入口は力率改善だ。力率とは交流電力の効率に関する値で、1に近いほど省電力になる。進相コンデンサーや同期モーター・同期発電機を用いて力率を1に近づける。電力W = 電圧V × 電流A × 力率という関係を見れば、力率が下がるほど同じ仕事に多くの電流が要ることが分かる。

送り方にも工夫がある。電力損失は電圧の2乗に反比例するため、電圧を上げる方が有利だ。流量制御の方式選びも頻出で、回転数制御方式（VVVF制御）は設備投資は高いが動力損失が少ない。一方、調節弁による流量制御方式は設備投資は安価だが、流量を絞ると動力損失が大きい。初期費用を取るか運転費を取るか——この対比がそのまま出題される。

機器の運転範囲も数値で決まっている。変圧器は適正容量を選定し60〜80%負荷で運転し、電動機は80〜100%負荷での運転に努める。

熱の側も見ておこう。熱エネルギー管理の目的は、燃料・燃焼・熱の使用を効率化し、燃料原単位を下げることにある。そのためにはボイラー等熱利用設備の維持管理が重要で、保温の実施・蒸気漏れの防止・蒸気トラップの整備が柱になる。

ここで効いてくるのが空気の入れすぎだ。過剰空気率の上昇は排ガス顕熱による熱損失を増加させ、その結果として燃料原単位が増加する。余分な空気を温めてそのまま捨てているのと同じだからである。だから適正な燃焼管理、すなわち過剰空気率の低減が重要になる。

ここからがLNG基地ならではの話だ。LNGは約−160℃という冷熱を大量に保有している。捨てるはずの残り湯を洗濯に回すように、この「冷たさ」も資源として使い切る——それが冷熱利用の発想である。一般に、LNG冷熱の40〜50%はガス送出圧力エネルギーとして回収される。

利用方法は2通りに分かれる。冷熱を直接利用する直接利用と、LNG冷熱で液体窒素・液化炭酸等を製造して利用する間接利用だ。冷熱利用例は幅広く、空気液化分離（液体窒素・液体酸素・液体アルゴン製造）、冷熱発電、冷蔵倉庫、室内冷房、液化炭酸・ドライアイス製造、BOG再液化、化学プラント冷凍機の代替などがある。

試験の主役は冷熱発電の2方式である。両者は「単純か複雑か」で対比され、これを逆転させた選択肢が定番になっている。

方式	仕組み	特徴
①LNG直接膨張方式	LNG気化器でLNGを高圧ガスとして気化し、市中送出圧力との差を利用してタービン発電。LNG気化器では冷熱エネルギーが圧力エネルギーに変換される	システムが単純。発電量は約20〜30kWh/t-LNG。市中送出ガス圧力に出力が左右される
②ランキンサイクル方式	フロン・プロパンまたは炭化水素の混合ガスを作動媒体とし、海水等の高温源とLNGの低温源との間でランキンサイクルを作動させて出力を得る。LNGの低温エネルギーを直接利用する	直接膨張方式に比べてシステムが複雑。直接膨張方式と組み合わせると利用効率が上がる

冷熱の使い道としてもう一つ重要なのが空気液化分離だ。空気を液化分離し、液体窒素・液体酸素・液体アルゴンを製造する。LNGは利用温度レベルが低いためLNGの冷熱を効果的に活用でき、経済性が高い。従来方式に比べるとフロン冷凍機や膨張タービンの建設コストが不要になり、電力使用量が大幅に節減される（約50%節減）。

最後にエクセルギー（利用可能エネルギー）である。冷熱エネルギーの有効利用率をLNG基地全体として評価するには、冷熱エネルギー及び圧力エネルギーを考慮し、エクセルギー解析により評価する。ここで問われるのが損失の向きだ。熱交換におけるエクセルギー損失（伝熱ロス）は、被冷却媒体の冷却温度がLNG温度に近いほど小さくなる。

🟦 甲種プラスα

甲種では「省エネルギー・LNG冷熱利用（冷熱発電・空気液化分離・エクセルギー）」の本文の概念をより深く理解した上で、論述問題への応用が問われます。本文の数値・設備名・原理をしっかり押さえてください。

🖼 図解
冷熱発電2方式の対比(LNG直接膨張とランキンサイクル)

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🔢 製造の重要数値・設備の整理

大気汚染防止の3指標:

– ばいじん: 集じん装置(電気集じん・バグフィルター)

– SOx: 脱硫(原料段階・燃焼後)

– NOx: 燃焼制御(低NOxバーナー)、脱硝(SCR)

水質汚濁の主要指標:

指標	意味
pH	酸性・アルカリ性
SS(Suspended Solids)	浮遊物質
BOD(生物的酸素要求量)	有機物による汚染
COD(化学的酸素要求量)	還元性物質による汚染

LNG冷熱利用:

– 冷熱発電: 海水と気化熱の温度差を発電に

– 空気液化分離: 液体酸素・窒素・アルゴンの製造

– 冷凍倉庫: 食品冷凍の代替

– ドライアイス製造: 気化したCO2を冷凍

エクセルギー:

– 「使える」エネルギーの量(熱力学第二法則の応用)

– LNG冷熱はエクセルギーが高い(温度差が大きい)

– 廃熱より冷熱の方が再利用価値が高い

製造科目では、設備名・型式・運転条件の数値・原料の物性値の組み合わせで誤答が作られます。本章で出てきた数値・設備名を一覧で整理しておくと、選択肢の引っかけに気付きやすくなります。

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