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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📍 この章で学ぶこと(1ブロック・全3節)

各節の重要度を 乙種 / 甲種 で並べて表示します。

🟦 = 甲種で重要度が乙種より上がる節 / ★ = 重要度A節

ブロック1: 公害防止と省エネルギー

節	タイトル	乙	甲
9-2a	公害防止（大気汚染）ばいじん・SOx・NOx抑制技術	★A	★A
9-2b	公害防止（水質汚濁）pH・SS・BOD・COD	★A	B
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）	B	🟦 ★A

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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

重要度: ★ 乙A / 甲A

📖 解説(乙種ベース)

ガス製造設備からのばいじん・硫黄酸化物（SOx）・窒素酸化物（NOx）の発生機序と、NOx抑制技術（二段燃焼・排ガス再循環・濃淡燃焼・水蒸気噴射・排煙脱硝法）を理解する。

LNG・LPGの大気特性

・LNG・LPGは硫黄分や窒素分をほとんど含まない

・ガス製造段階においてSOx・NOxの発生はほとんどない

ばいじん

・定義：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

・対策：燃焼温度・空気比の適正管理（燃焼管理の強化）でばいじん発生量を減少

硫黄酸化物（SOx：ソックス）

・硫黄の酸化物の総称

・抑制方法：

　①燃料脱硫：燃料中の硫黄分を除去

　②排煙脱硫：排ガス中の硫黄酸化物を除去

　③LNG・LPG等の硫黄分が極めて少ない燃料を使用

窒素酸化物（NOx：ノックス）の種類

①フューエルNOx（Fuel NOx）

　・燃料中に含まれる各種窒素化合物の燃焼により生成

　・抑制：窒素化合物を含まない都市ガス等の燃料を使用（燃料転換）

②サーマルNOx（Thermal NOx）

　・空気中の窒素が燃焼による高温状態で酸化されて生成

　・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

サーマルNOx抑制技術

①二段燃焼

　・燃焼用空気を二段階に分けて供給

　・一段目：計算上必要な量より少ない空気で燃焼

　・二段目：燃焼下流で残りの空気を送って燃焼

　・急激な燃焼反応を抑制→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

　・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

排煙脱硝法（後処理）

・燃焼排ガスの脱硝法：乾式法（アンモニア接触還元法・無触媒還元法）、湿式法（酸化還元法）

・実用化されているものはほとんど乾式法

・乾式法：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

　触媒（酸化鉄）を使う方法と無触媒の方法がある

・排煙脱硝法はフューエルNOxとサーマルNOxの両方に有効

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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)

水質汚濁防止における主要4指標（pH・SS・BOD・COD）の定義・特徴と、LNG・LPG製造工程でのこれらの扱いを理解する。

LNG・LPG製造工程と水質汚濁

・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

pH（水素イオン濃度指数）

・定義：pH = −log[H⁺]（[H⁺]：水溶液中の水素イオンのモル濃度 mol/L）

・純水のpHは7付近（中性）

・pH < 7：酸性（[H⁺]が増加）

・pH > 7：アルカリ性（[OH⁻]が増加）

・水のイオン積Kw = [H⁺][OH⁻]（25℃で約10⁻¹⁴）

・多くの水中生物・農作物にとって望ましいpH：5.8〜8.6

・わが国の排水基準もこの数値を採用

SS（浮遊物質：Suspended Solids）

・定義：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

・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

・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

・分離操作：沈降・浮上・ろ過・遠心分離等の装置を使用

・コロイド状の浮遊物質の場合：

　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る

BOD（生物化学的酸素要求量：Biochemical Oxygen Demand）

・定義：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

・河川の有機汚濁を測る代表的な指標

・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：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

COD（化学的酸素要求量：Chemical Oxygen Demand）

・定義：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

・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

・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

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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)

省エネルギー対策（力率改善・回転数制御・熱エネルギー管理）、LNG冷熱利用の直接・間接利用方式、冷熱発電2方式（LNG直接膨張・ランキンサイクル）、空気液化分離の特徴を理解する。

省エネルギーの課題と目的

課題：①ガスの製造設備における事業の経済性の追求　②エネルギー利用による環境への影響の最小化

目的：①エネルギー使用の合理化　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）

電気エネルギーの省エネ対策

・力率改善：進相コンデンサーや同期モーター・同期発電機で力率を1に近づける

　（力率：交流電力の効率に関する値。1に近いほど省電力）

　（電力W = 電圧V × 電流A × 力率）

・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

・回転数制御方式（VVVF制御）：設備投資は高いが動力損失が少ない

　（調節弁による流量制御方式：設備投資は安価だが流量を絞ると動力損失が大きい）

・変圧器：適正容量を選定し60〜80%負荷で運転

・電動機：80〜100%負荷での運転に努める

熱エネルギー管理

・目的：燃料・燃焼・熱の使用を効率化し、燃料原単位を下げる

・ボイラー等熱利用設備の維持管理が重要：保温の実施・蒸気漏れの防止・蒸気トラップの整備

・過剰空気率の上昇→排ガス顕熱による熱損失が増加→燃料原単位が増加

　→適正な燃焼管理（過剰空気率の低減）が重要

LNG冷熱利用

・LNGは約−160℃という冷熱を大量に保有

・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

・利用方法：直接利用（冷熱を直接利用）と間接利用（LNG冷熱で液体窒素・液化炭酸等を製造して利用）

冷熱利用例

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

冷熱発電の2方式

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

　・システムが単純。発電量：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する

　・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

　・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

空気液化分離

・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

・LNG利用温度レベルが低い→LNGの冷熱を効果的に活用できる→経済性が高い

・従来方式に比べ：フロン冷凍機や膨張タービンの建設コスト不要→電力使用量が大幅節減（約50%節減）

エクセルギー（利用可能エネルギー）

・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

・熱交換におけるエクセルギー損失（伝熱ロス）：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。

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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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📝 関連過去問

この章の知識が問われる過去問題リスト(全19問)。

ℹ️ 乙種・甲種は別の試験です。同じ問番号(例: 基問10)であっても、乙種と甲種では出題される問題内容は異なります。各年度・種別ごとの本文は 乙種過去問 / 甲種過去問 ページから確認してください。

乙種(10問)

– 令和7年: 製問9

– 令和6年: 製問9

– 令和5年: 製問9

– 令和4年: 製問9

– 令和3年: 製問9

– 令和2年: 製問9

– 令和元年: 製問9

– 平成30年: 製問9

– 平成29年: 製問9

– 平成28年: 製問9

甲種(9問)

– 令和7年: 製問9

– 令和6年: 製問9

– 令和5年: 製問9

– 令和4年: 製問9

– 令和3年: 製問9

– 令和2年: 製問9

– 令和元年: 製問9

– 平成30年: 製問9

– 平成29年: 製問9