アミノラジカル再結合反応の解明と高圧・高湿条件のアンモニア燃焼反応モデルの開発

• Project/Area Number: 20H02077
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 19020:Thermal engineering-related
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 中村 寿 東北大学, 流体科学研究所, 准教授 (40444020)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥13,780,000 (Direct Cost: ¥10,600,000、Indirect Cost: ¥3,180,000); Fiscal Year 2023: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000); Fiscal Year 2022: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000); Fiscal Year 2021: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000); Fiscal Year 2020: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
• Keywords: 燃焼 / アンモニア / ヒドラジン / 再結合 / 熱分解

Outline of Research at the Start

本研究では、CO2無排出の負荷変動調整電源として高圧・湿式アンモニアガスタービンを想定し、この設計開発の数値シミュレーションに必要不可欠な高圧・水蒸気雰囲気におけるアンモニア燃焼反応モデルの開発を目的とする。このような条件で特に重要となるアミノラジカルの再結合反応に着目し、その反応経路を解明する。得られた結果をアンモニア燃焼反応モデルに組み込み、実験結果と比較検証する。以て、再生可能エネルギー時代における負荷変動調整電源の基盤整備を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

アンモニアの燃焼反応において重要であると考えられているものの、その詳細な反応過程が解明されていないアミノラジカル再結合反応（ＮＨ２＋ＮＨ２）に着目して研究を進めた。これに加えて、アミノラジカルの消費にヒドロペルオキシルラジカル（ＨＯ２）が関与する反応（ＮＨ２＋ＨＯ２）について、従来想定されていた生成物経路とは別の経路の重要性が見つかった。この点について修正したアンモニア燃焼反応モデルを構築した。結果として、アミノラジカルの消費経路全体のバランスが変化したため、これまで取得した実験結果と修正を組み込んだアンモニア燃焼反応モデルとの比較検証を再度実行した。その結果、実験結果を良好に再現することができた。加えて、文献調査から他の基礎燃焼特性（着火遅れ時間、層流燃焼速度、他の反応管実験法における化学種計測、よどみ火炎に対する化学種計測など）を取得し、修正したモデルとの比較を実施した結果、これらについても良好に再現することを確認した。これらの成果をまとめて論文発表を実施した。さらに反応経路解析と感度解析を実施し、他のアンモニア燃焼反応モデルと比較検証することで、高圧条件における要修正反応の候補を得た。また、速度定数だけでなく、熱物性データについても要修正の可能性があることを見出した。将来の高圧条件におけるモデル検証に向けて、高圧条件における基礎燃焼特性についても文献調査を実施した。また、高圧条件における実験の準備を開始した。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

当初の予想に反して重要な素反応が見つかったため、その速度定数の再評価に時間を要している。

Strategy for Future Research Activity

再評価した速度定数を組み込んで、モデル検証を再実行してゆく。遅れは生じたが、モデルによる燃焼特性の予測精度は改善したため、研究成果としては良好と考えている。

Research Products

• [Journal Article] Effects of mixture composition on oxidation and reactivity of DME/NH3/air mixtures examined by a micro flow reactor with a controlled temperature profile (2022)
  • Author(s): Murakami Yuki、Nakamura Hisashi、Tezuka Takuya、Hiraoka Kenji、Maruta Kaoru
  • Journal Title: Combustion and Flame Volume: 238 Pages: 111911-111911
  • DOI: 10.1016/j.combustflame.2021.111911
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Role and impacts of N2H2 reactions on ammonia oxidation with H2O addition (2022)
  • Author(s): Tamaoki Kenta, Murakami Yuki, Keisuke Kanayama, Tezuka Takuya, Nakamura Hisashi
  • Organizer: 39th International Symposium on Combustion, work-in-progress poster
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Reaction zone separation by a micro flow reactor with a controlled temperature profile for validation of chemical reaction models of hydrocarbons, ammonia, refrigerants, and battery electrolytes (2022)
  • Author(s): Hisashi Nakamura, Yuki Murakami, Keisuke Kanayama, Shintaro Takahashi, Ajit Kumar Dubey, Takuya Tezuka, Kaoru Maruta
  • Organizer: The 1st World Conference on Multiphase Transportation, Conversion & Utilization of Energy MTCUE 2022
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 温度分布制御型マイクロフローリアクタを用いたH2O添加がアンモニア酸化に及ぼす影響に関する研究 (2022)
  • Author(s): 玉置健太, 村上雄紀, 金山佳督, 手塚卓也, 中村 寿
  • Organizer: 日本機械学会 熱工学コンファレンス 2022
• [Presentation] Kinetic study on ammonia oxidation with H2O addition using a micro flow reactor controlled with acontrolled temperature profile (2022)
  • Author(s): Kenta Tamaoki, Yuki Murakami, Keisuke Kanayama, Takuya Tezuka, Hisashi Nakamura
  • Organizer: 19th International Conference on Flow Dynamics (ICFD2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 温度分布制御型マイクロフローリアクタを用いたアンモニア改質反応に関する研究 (2022)
  • Author(s): 玉置健太, 村上雄紀, 金山佳督, 手塚卓也, 中村 寿
  • Organizer: 日本燃焼学会第60回燃焼シンポジウム
• [Presentation] Effects of H2O diluents on ammonia oxidation examined by a micro flow reactor with a controlled temperature profile (2021)
  • Author(s): Kenta Tamaoki, Yuki Murakami, Keisuke Kanayama, Takuya Tezuka, Hisashi Nakamura
  • Organizer: Eighteenth International Conference on Flow Dynamics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 温度分布制御型マイクロフローリアクタを用いたH2O希釈がアンモニア燃焼に及ぼす影響に関する研究 (2021)
  • Author(s): 玉置健太, 村上雄紀, 金山佳督, 中村 寿, 手塚卓也
  • Organizer: 第59回燃焼シンポジウム
• [Presentation] 温度分布制御型マイクロフローリアクタを用いたNH3/CH4混合気の酸化および反応性に関する研究 (2021)
  • Author(s): 村上雄紀, 手塚卓也, 中村 寿
  • Organizer: 第59回燃焼シンポジウム
• [Presentation] Investigation on Ammonia Oxidation under H2O Diluents Condition Using a Micro Flow Reactor with a Controlled Temperature Profile (2021)
  • Author(s): Kenta Tamaoki, Yuki Murakami, Keisuke Kanayama, Takuya Tezuka, Hisashi Nakamura
  • Organizer: 13thAsia-Pacific Conference on Combustion
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Investigation on Ammonia Combustion under Ar, N2 and CO2 Dilution Conditions Using a Micro Flow Reactor with a Controlled Temperature Profile (2021)
  • Author(s): Kenta Tamaoki, Hisashi Nakamura, Takuya Tezuka
  • Organizer: Cardiff-KAUST-Tohoku Early Career Researchers Ammonia Energy Workshop
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Composition and equivalence ratio effects on oxidation of DME/NH3 mixtures examined by a micro flow reactor with a controlled temperature profile (2021)
  • Author(s): Yuki Murakami, Hisashi Nakamura, Takuya Tezuka, Kenji Hiraoka, Kaoru Maruta
  • Organizer: Cardiff-KAUST-Tohoku Early Career Researchers Ammonia Energy Workshop
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 温度分布制御マイクロフローリアクタを用いたアンモニア燃焼反応機構の開発 (2021)
  • Author(s): 中村寿
  • Organizer: RC289 燃焼の計測と数値予測技術の精度化のための国際協力研究分科会
  • Invited
• [Presentation] Submechanism validation for NH3 and NH3/CH4 combustion - Part2: CH4/NO (2020)
  • Author(s): Yuki Murakami, Takuya Tezuka, Hisashi Nakamura
  • Organizer: KAUST Tohoku Hydrogen and Ammonia Workshop
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Submechanism validation for NH3 and NH3/CH4 combustion - Part1: NH3/N2O and nitromethane pyrolysis (2020)
  • Author(s): Hisashi Nakamura
  • Organizer: KAUST Tohoku Hydrogen and Ammonia Workshop
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Effects of Nitric Oxide on Methane Oxidation in a Micro Flow Reactor with a Controlled Temperature Profile (2020)
  • Author(s): Yuki Murakami, Hisashi Nakamura, Takuya Tezuka, Kaoru Maruta
  • Organizer: Seventeenth International Conference on Flow Dynamics (ICFD2020)
  • Int'l Joint Research