平成30年度 公害防止管理者 大気特論 問3を解説｜メタンの不完全燃焼と湿り排ガス中のCO2濃度
平成30年度 大気特論 問3は、メタンの不完全燃焼における湿り燃焼排ガス中のCO2濃度を求める計算問題です。
この問題のポイント
この問題は、不完全燃焼が起きても炭素・水素の収支は変わらないことを使って解きます。分かれ目は、湿り燃焼排ガス量そのものが未燃のCOの量によって変わる点に気づけるかどうかです。ガス量を固定して考えると答えが合いません。
※ 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(4)（約8.0％）
各選択肢の正誤
| 選択肢 | 正誤 | 解説 |
|---|---|---|
| (1) | × | 7.1％。CO2とCOを取り違えるなど、炭素の配分を誤ると近い値が出ます。 |
| (2) | × | 7.4％。排ガス量を多く見積もると濃度が下がり、この付近の値になります。 |
| (3) | × | 7.7％。水蒸気を含めない乾き排ガスで計算すると、この付近に寄ります。 |
| (4) | ○ | 約8.0％。炭素収支と酸素収支から求めた値と一致します。これが正解です。 |
| (5) | × | 8.35％。完全燃焼と仮定して未燃のCOを無視すると、この付近の値になります。 |
計算の手順
| 手順 | 内容 | 値 |
|---|---|---|
| 手順1 生成物を置く | CO2をx、COをy（m³N）とすると、メタンは全量反応するので炭素収支から x＋y＝1。水素はすべて水になるのでH2Oは2 m³N。 | x+y=1 |
| 手順2 空気の内訳 | 空気10 m³Nのうち酸素は21％、窒素は79％。 | O2 2.1／N2 7.9 |
| 手順3 消費酸素 | CO2に1、COに0.5、H2O 2 m³Nに1を要するので、消費酸素は x＋0.5y＋1。 | — |
| 手順4 湿り排ガス量 | 生成ガス＋窒素＋余った酸素を足すと、11＋0.5y（m³N）。COが多いほど排ガスは増えます。 | 11+0.5y |
| 手順5 CO条件で解く | y÷（11＋0.5y）＝0.0104 を解いて y を求めます。 | y≒0.115 |
| 手順6 CO2濃度 | x＝1−y≒0.885、排ガス量≒11.06。0.885÷11.06。 | 約8.0％ |
ここが分かれ目
不完全燃焼の計算でつまずくのは、排ガス量を先に決め打ちしてしまうときです。COが残るということは、その分だけ酸素を使い切っていないということなので、余った酸素が排ガスに上乗せされ、全体のガス量は完全燃焼のときより増えます。この問題では湿り排ガス量が 11＋0.5y と、未燃のCO量yに依存する形で出てきます。
逆に言えば、炭素は必ずCO2かCOのどちらかになり、合計は変わりません。だから「COの濃度」と「排ガス量」の2つが決まれば、CO2の濃度は引き算で出ます。水蒸気を落として乾き排ガスで計算すると濃度が高く出るので、「湿り」と書かれているかどうかを必ず先に確認してください。
覚え方
- 不完全燃焼でも炭素の総量と水素の総量は変わらない。CO2とCOの取り合いになるだけ。
- COが残る＝酸素が余る。排ガス量は完全燃焼のときより増える。ガス量を固定しない。
- 空気の内訳は酸素21％・窒素79％。窒素はそのまま排ガスへ抜ける。
- 「湿り」なら水蒸気を入れる、「乾き」なら抜く。問題文のこの2文字で答えが変わる。
理解度チェック
Q.
不完全燃焼で一酸化炭素が残ると、燃焼排ガスの量は完全燃焼のときと比べてどうなりますか。
増えます。COが残るぶん酸素を使い切らず、余った酸素が排ガスに加わるためです。排ガス量を完全燃焼と同じだと決めつけると濃度計算がずれます。
Q.
「湿り燃焼排ガス」と「乾き燃焼排ガス」の違いは何ですか。
水蒸気を含めるかどうかです。湿りは燃焼で生じた水蒸気を含み、乾きは除きます。水蒸気を落とすと分母が小さくなるため、同じ成分でも濃度は高く出ます。
出典
- 一般社団法人 産業環境管理協会「平成30年度 公害防止管理者等国家試験 大気特論 問題」（公式PDF）
※ この記事の確認日：2026年7月