火力発電の公害対策｜「発生は燃料・燃焼、排出は装置で止める」で2段攻略

この記事で身につくこと

火力発電の公害対策は、「覚えることが多くて、しかも名前が似ていて混ざる」という理由で敬遠されがちな単元です。脱硫、脱硝、集塵。石灰、アンモニア、触媒。どれがどれの対策だったか、試験本番で自信を持って言えるでしょうか。

でも安心してください。この単元は、たった1本の軸を通してしまえば、驚くほどスッキリ片付きます。その軸が「発生抑制」と「排出抑制」という2段構えの考え方です。

この記事を読み終えると、次のことができるようになります。

身につくこと	到達レベル
公害対策の全体像	発生抑制（第1の壁）と排出抑制（第2の壁）を、自分の言葉で説明できる
SOx対策	発生源と、排煙脱硫装置が「石灰＋水で中和」であることを即答できる
NOx対策	高温燃焼が原因であること、対策が「温度を下げる」方向であることを説明できる
ばいじん対策	電気集塵機とバグフィルタの原理の違いを区別できる
LNGの位置づけ	なぜ3つすべてに効くのか、理由を3点セットで答えられる
文章題	「用語のすり替え」問題を見抜いて確実に得点できる

計算は出てきません。純粋な文章題の単元です。つまり、覚えた人が確実に取れる、いちばんおいしい得点源ということです。

暗記フレーズ：発生は燃料・燃焼、排出は装置で止める

この単元は、このフレーズが全体の地図になります。

発生は燃料・燃焼、排出は装置で止める

短い言葉ですが、この中に公害対策の構造がすべて入っています。

• 発生は燃料・燃焼 … 第1の壁。どんな燃料を選ぶか、どう燃やすか。ここで公害物質を「そもそも作らない」
• 排出は装置で止める … 第2の壁。それでも出てしまった分を、煙突の手前で装置がつかまえる

問題文を読んでいて迷ったら、まず「これは第1の壁の話か、第2の壁の話か」を判定してください。それだけで選択肢が半分に絞れます。

ステップ1：公害対策の全体像は「2段構え」

火力発電所の中を、燃料の目線で歩いてみましょう。

燃料＋空気 → 燃焼ボイラ → 排ガス → 排煙処理装置 → 大気へ放出

この一本道の中に、公害物質を止める関所が2つ設けられています。

第1の壁：発生抑制（出さない工夫）

燃焼ボイラの段階で仕掛ける対策です。硫黄分の少ない燃料を選ぶ、燃焼温度が上がりすぎないよう工夫する、しっかり混ぜて完全燃焼させる。そもそも公害物質を発生させないという考え方です。

第2の壁：排出抑制（出た物を取り除く）

それでも発生してしまった分を、煙突から大気に出す前に、専用の排ガス処理装置で捕集・除去します。出てしまった物を、外に出さないという考え方です。

この2つは対立するものではなく、両方やるものです。第1の壁で減らし、それでも残った分を第2の壁で仕留める。この二重構えを頭に置いたまま、次から物質別に見ていきます。

ステップ2：SOx（硫黄酸化物）は燃料の硫黄分が犯人

SOxの発生源は、実にシンプルです。燃料の中に硫黄分（S）が入っているから。それが燃焼時に酸化して、二酸化硫黄（SO₂）などになります。

$\mathrm{S}+{\mathrm{O}}_2\to \mathrm{S}{\mathrm{O}}_2$

高校の現代社会で「酸性雨の原因物質」として習った、あのSOxです。名前は聞いたことがあるはずなので、そこに「燃料の硫黄分が元」という一行を足すだけで済みます。

第1の壁：燃料を選ぶ

原因が燃料の中身なら、対策も燃料側にあります。

対策	内容
LNG（液化天然ガス）を使う	硫黄分をほぼ含まないため、SOxはほぼゼロ
低硫黄燃料を採用する	重油や石炭を使う場合でも、硫黄分の少ないものを選ぶ

燃料を選ぶという「一手間」だけで、公害物質の発生そのものを断てる。これが第1の壁の分かりやすい例です。ちなみに、燃料が燃えるときに必要な空気の量そのものを扱うのが理論空気量の単元です。燃焼まわりの基礎が曖昧だと感じる人は、先に理論空気量は「Cは1、H₂は1/2、空気は100/21倍」の合言葉で5分攻略を通しておくと、この節の話がぐっと立体的になります。

ステップ3：排煙脱硫装置は「石灰＋水で中和」

第2の壁に進みます。SOx担当の装置が排煙脱硫装置です。

装置の中では、SO₂を含んだガスが下から入ってきて、上からシャワーが降り注ぎます。このシャワーの正体が、石灰（水酸化カルシウム Ca(OH)₂ など）と水を混ぜた吸収液です。

なぜ石灰なのか。理屈は中学の理科そのままです。

ガスの性質	吸収液の性質	起きる反応
SO₂は酸性	石灰はアルカリ性	中和反応

酸性のガスに、アルカリ性のシャワーを当てる。だから中和して吸収できる。これだけです。

試験対策のキモ：文章題では「脱硫＝石灰＋水で中和」が頻出キーワード。化学式まで書ける必要はありませんが、このキーワードは必ずセットで覚えてください。

ステップ4：NOx（窒素酸化物）は「高温」が犯人

ここがSOxと決定的に違うところです。NOxは、燃料の中身だけが原因ではありません。

高温で燃やすと、空気中の窒素（N₂）と酸素（O₂）が反応してしまうのです。これをサーマルNOxと呼びます。空気そのものが原料になるので、「きれいな燃料を選べば出ない」とは言い切れません。光化学スモッグの原因物質として知られ、今でも夏場（おおむね5月から9月の暑い日）に警報が出ることがあります。

第1の壁：とにかく温度を下げる

原因が高温なら、対策は「温度を下げる」の一択です。具体策は3つ。

対策	温度を下げる仕組み
LNGの使用	燃焼温度が低いため、NOxの発生が少ない
低NOxバーナ	炎の温度そのものを下げる構造の特殊なバーナ
排ガス再循環（EGR）	排ガスの一部を燃焼室に戻し、温度上昇を抑える

3つとも「温度を下げる」という一つの目的でつながっています。バラバラの3項目として丸暗記するのではなく、「温度を下げる方法が3通りある」と束ねて覚えてください。思い出す負担が一気に軽くなります。

ステップ5：排煙脱硝装置は「触媒＋アンモニアで還元」

NOx担当の第2の壁が排煙脱硝装置です。主流の方式は選択触媒還元法（SCR）と呼ばれます。

装置に入ってくるのはNOxとアンモニア（NH₃）。触媒の働きで反応が進み、出ていくのは無害な窒素（N₂）と水（H₂O）です。

$\mathrm{NOx}+\mathrm{N}{\mathrm{H}}_3\stackrel{\text{触媒}}{\to }{\mathrm{N}}_2+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$

アンモニアは還元剤として働きます。つまりここで起きているのは還元反応であって、脱硫装置の中和反応とはまったく別の話です。

反応式そのものを暗記できれば理想ですが、電験三種でモル数を計算させるような出題はありません。「脱硝＝触媒＋アンモニアで還元」というフレーズさえ持っていれば、実戦では十分に戦えます。

ここまでで、この単元最大の罠が姿を現しました。並べて確認しておきましょう。

装置	対象	使うもの	反応
排煙脱硫装置	SOx	石灰＋水	中和
排煙脱硝装置	NOx	触媒＋アンモニア	還元

「硫」と「硝」は字も音も似ています。だからこそ試験で狙われます。装置名で覚えるのではなく、「石灰＋水＝中和」「触媒＋アンモニア＝還元」という中身のセットで覚えるのが、混同を防ぐ最短ルートです。

ステップ6：ばいじんは「不完全燃焼」が犯人

3つ目の公害物質がばいじん。ススなどの細かい粒子です。

発生源は2つあります。ひとつは燃料中の灰分、もうひとつは燃焼条件が悪いことによる不完全燃焼。灰分の多い石炭火力で特に多く発生します。

第1の壁：完全燃焼させる

不完全燃焼が原因なら、対策は「いかに完全に燃やすか」です。

工夫	ねらい
空気と燃料をよく混合する	酸素を燃料の隅々まで行き渡らせる
石炭を微粉炭にする	表面積を増やして酸素との接触を増やし、完全燃焼に近づける

微粉炭の理屈は、焚き火を思い出すと腑に落ちます。太い丸太はなかなか燃え切らず煙を出しますが、細かい木くずは一気に燃え上がって煙が少ない。表面積が広いほど酸素と触れ合えるからです。

ステップ7：電気集塵機とバグフィルタ、原理はまったく別物

ばいじん担当の第2の壁は2種類あります。原理がはっきり違うので、対比で覚えると迷いません。

装置	原理	特徴
電気集塵機	コロナ放電で粒子を負イオン（マイナス）に帯電させ、クーロン力でプラスの電極に吸着させる	高効率で大規模設備に対応
バグフィルタ	巨大な布製フィルターに排ガスを通し、物理的に漉し取る	構造が単純で分かりやすい

電気集塵機は、下敷きをこすって髪の毛を立たせる、あの静電気と同じ力を使っています。粒子をマイナスに帯電させておいて、プラスの電極で引き寄せる。電気の力でくっつけるのが電気集塵機、フィルターで漉し取るのがバグフィルタ。この一行で区別がつきます。

なお、電気集塵機は「コロナ放電」「負に帯電」「クーロン力」という3つの用語がそのまま選択肢の文中に出てきます。用語ごと覚えておくのが得策です。

ステップ8：3大公害物質の対策マトリクス

ここまでの内容を、1枚の表に落とし込みます。試験直前に見るなら、この表だけで足ります。

公害物質	発生抑制（第1の壁）	排出抑制（第2の壁）
SOx（硫黄酸化物）	LNG／低硫黄燃料	排煙脱硫装置（石灰＋水・中和）
NOx（窒素酸化物）	LNG／燃焼温度低下（低NOxバーナ・EGR）	排煙脱硝装置（触媒＋アンモニア・還元）
ばいじん	燃料と空気をよく混合／微粉炭	電気集塵機（負に帯電）／バグフィルタ

覚え方の骨格はこうです。

• SOxは「脱硫」、NOxは「脱硝」、ばいじんは「集塵」
• 発生抑制は「燃料と燃焼条件」の話、排出抑制は「装置名」の話

物質名 → 装置名 → 中身、この順に引き出せるようにしておけば、文章題でどこを問われても対応できます。ちなみに、火力の効率そのものを高める発想を扱う捨てた熱でもう一度発電！コンバインドサイクルの効率62%の正体も、LNGを主役に据えた単元です。この記事と合わせて読むと、なぜ現代の火力がLNGに寄っているのかが立体的に見えてきます。

ステップ9：LNGが「最強の燃料」と呼ばれる理由

マトリクスを見返すと、あることに気づきます。LNGが、SOxとNOxの発生抑制の欄に二度出てくるのです。しかも、ばいじんに対しても有利に働きます。

電験三種の文章題では、このLNGの特性が繰り返し問われます。理由を3点セットで押さえてください。

相手	LNGが有利な理由
対SOx	硫黄分を含まないため、燃やしてもSOxが発生しない
対NOx	燃焼温度が比較的低くコントロールしやすく、高温によるNOx発生を抑えられる
対ばいじん	灰分を含まず気体で燃焼するため、スス（ばいじん）も基本的に発生しない

つまり、LNGは3大公害物質のすべてに対して有利に働く、最強の発生抑制燃料です。「クリーン燃料といえばLNG」という結びつきを、理由ごとセットで持っておきましょう。

なお、LNGの主な輸入先はオーストラリアが約4割を占め、そのほかロシアやアメリカなど複数の国に分散しています。「中東＝石油」のイメージに引っ張られやすいところですが、LNGは事情が違う、という豆知識も頭の片隅に置いておくと、ニュースの読み方も少し変わります。

ステップ10：実戦チェック（用語のすり替えを見抜く）

実際に近い形で試してみましょう。

問題：火力発電所の環境対策に関する次の記述のうち、不適切なものを1つ選び、正しく直しなさい。

A．硫黄酸化物（SOx）の排出抑制として、触媒とアンモニアを用いた排煙脱硝装置を採用している。 B．窒素酸化物（NOx）の発生抑制として、排ガス再循環（EGR）や低NOxバーナを採用し、燃焼温度を下げる。 C．ばいじんの排出抑制として、粒子を負イオンに帯電させる電気集塵機を採用している。

答えを出してから、次を読んでください。

正解：Aが不適切。

SOxの排出抑制装置は、正しくは「石灰と水を用いた排煙脱硫装置」です。Aに書かれている「触媒とアンモニアを用いた排煙脱硝装置」は、NOxが相手だったときの正解。物質と装置が入れ替えられているわけです。

BとCはどちらも正しい記述です。Bの「燃焼温度を下げる」、Cの「負イオンに帯電させる」は、そのまま覚えて構いません。

このように、この単元は用語のすり替えが本命の出題パターンです。装置名だけを目で追うと素通りしてしまうので、「この装置は、この物質に、この材料で」と3点セットで検算する読み方を身につけてください。

まとめ

火力発電の公害対策は、「発生は燃料・燃焼、排出は装置で止める」という2段構えの地図さえ持っていれば、迷子になりません。

押さえる順番	内容
① 枠組み	発生抑制（第1の壁）＝燃料と燃焼／排出抑制（第2の壁）＝装置
② SOx	燃料の硫黄分が原因 → LNG・低硫黄燃料／排煙脱硫装置（石灰＋水・中和）
③ NOx	高温燃焼が原因 → 温度を下げる3手／排煙脱硝装置（触媒＋アンモニア・還元）
④ ばいじん	灰分と不完全燃焼が原因 → 完全燃焼させる／電気集塵機・バグフィルタ
⑤ LNG	硫黄なし・低温・灰分なしで、3つすべてに効く

計算がない分、この単元は「やった人が確実に取れる」性質を持っています。名前が似ていて覚えにくいという最初の壁さえ越えれば、そこから先は安定した得点源です。混同しやすい脱硫と脱硝だけは、材料と反応のセットで何度も口に出して固めておきましょう。

⚠ ここを間違える人が多い

この単元でつまずくポイントは、驚くほど決まっています。3つに絞って潰しておきましょう。

❌ 脱硫と脱硝の材料を入れ替えてしまう

これが最頻出の失点パターンです。❌「SOxはアンモニアで処理する」→ ✅「SOxは石灰＋水で中和する」。アンモニアが出てきたら、その文はNOxの話をしているはずだ、と反射で判定できるようにしてください。字面が似ている「硫」と「硝」で覚えようとすると必ず事故ります。材料の名前で覚えるのが安全です。

❌ 排ガス再循環の効果を「温度が上がる」と読んでしまう

排ガスを燃焼室に戻すと聞くと、「熱いガスを戻すのだから温度が上がるのでは」と考えたくなります。❌「排ガス再循環は燃焼温度を上げる」→ ✅「排ガス再循環は燃焼温度を下げる」。戻される排ガスはすでに燃焼を終えたガスで、酸素が乏しく、燃焼を薄めて冷やす方向に働きます。NOx対策として並ぶ手段は全部「温度を下げる」側だ、という原則から逆算しても判定できます。

❌ 電気集塵機の電極の役割を逆に覚えてしまう

電気集塵機は、放電する側と集める側で電極の形が違います。❌「線状の電極でばいじんを集める」→ ✅「線状の電極は放電を担当し、集める側は平板状」。細い線に電圧をかけるからこそコロナ放電が起きる、と原理から結びつけておくと逆転しません。あわせて、たまった灰を落とす方法も要注意です。❌「風で吹き飛ばす」→ ✅「槌でたたいて落とす（槌打ち・ハンマリング）」。粉を風で飛ばしたら、せっかく集めたものが再び舞い上がってしまいます。

過去問ではこう出た

この単元は、電気技術者試験センターが公開している過去問でも、次のように出題されています。

出題年度	問番号
平成29年	問3
令和3年	問4

いずれも計算ではなく、記述の正誤を判定させる文章題です。傾向として、装置名と使用する材料・反応の組み合わせをすり替えてくる形、そして排ガス再循環や電気集塵機の動作原理の一語だけを反転させてくる形が中心になります。

裏を返せば、装置名・材料・反応の3点セットさえ正確に持っていれば、選択肢を一行ずつ照合するだけで答えが出るということです。知識の有無がそのまま点差になるので、あいまいなまま放置しないでください。

電験ジムで実際に解いてみる

よくある質問

Q. 化学反応式は、書けるようにしておくべきですか？

書ければ理解は深まりますが、必須ではありません。電験三種でモル数を計算させるような出題は想定されていないためです。優先すべきは「脱硫＝石灰＋水で中和」「脱硝＝触媒＋アンモニアで還元」という言葉のセットで、これが正確なら文章題は十分に戦えます。余力ができてから式に手を伸ばす、という順番で構いません。

Q. LNGがそこまで優秀なら、なぜ石炭火力が残っているのですか？

公害対策の面ではLNGが有利ですが、発電所の燃料選択は環境性能だけで決まるわけではありません。試験対策としては、「LNGはクリーン燃料として3つすべてに有利」という一点を確実に押さえるのが得点に直結します。石炭を使う場合は、低硫黄炭を選び、微粉炭にして完全燃焼させ、電気集塵機で確実に捕集する、という対策がセットで用意されている、と理解しておけば十分です。

Q. 発生抑制と排出抑制は、どちらか一方をやればいいのですか？

両方やります。第1の壁で発生量そのものを減らし、それでも残った分を第2の壁で捕まえる、という多重防御の考え方です。試験でも「発生抑制の例を選べ」「排出抑制の例を選べ」と、どちら側の話かを問う形で出題されます。対策を覚えるときは必ず「これは第1の壁か、第2の壁か」というラベルを貼りながら覚えてください。この癖がつくと、選択肢の絞り込みが一気に速くなります。

なお、電力科目はこの先の発電機まわりでも「似た名前を取り違えさせる」出題が続きます。同じ弱点を突かれないよう、同期機の特性比較を「鉄の力持ち vs 銅のスピードスター」で一撃攻略も同じ要領で、対比表に落として整理しておきましょう。