ベンチュリ管式微細気泡発生を用いた舶用排ガス除去の研究

• Project/Area Number: 23K13510
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 24020:Marine engineering-related
• Research Institution: National Institute of Maritime, Port and Aviation Technology
• Principal Investigator: 馬 驍 国立研究開発法人海上・港湾・航空技術研究所, 海上技術安全研究所, 研究員 (10825920)
• Project Period (FY): 2023-04-01 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000); Fiscal Year 2025: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2024: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2023: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
• Keywords: 排ガス処理 / ベンチュリ管 / 微細気泡 / CO2 / 粒子状物質 / 可視化観測 / 混相流

Outline of Research at the Start

ベンチュリ管式微細気泡発生装置を構築し、船舶由来の排ガスに含まれるCO2やブラックカーボン微粒子を処理する性能について試験計測する。高速度カメラを用いて、発生する微細気泡の様子を詳細に記録するとともに、処理能力と微細気泡の相関をデータとして蓄積する。
他方で、当該装置によるガス処理能力を解析するための数値モデルを併行して開発する。開発した数値モデルによる予測値と試験計測結果による比較検討を繰り返すことで、ガス処理装置の設計に資するリソースとして海事産業に貢献することを目指す。

Outline of Annual Research Achievements

地球環境負荷低減のため船舶由来の排ガス浄化が望まれており、特に地球温暖化ガスの削減は世界の動向である。また、排ガスに含まれる粒子状物質についても今後規制などで対応が求められることが想定される。これらガスと粒子を同時に処理する装置の開発が求められる中で、縮小拡大流路で構成されるベンチュリ管デバイスの利用がある。当デバイスに気体と液体を特定の条件で通過させると、気泡に急激な圧力変化と温度変化が生じ、微細気泡を形成する。この特徴的なプロセスにより、ガスの溶解を促進させるだけでなく、粒子の捕集能力向上にも多大に貢献することが報告されている。当該手法を船舶海洋工学の分野に適応することができれば、今後直面する課題に対して有効な対策を打ち出せる。しかしながら船舶にベンチュリ管を実装した前例は無く、船舶由来のガス浄化に係る知見は乏しい。
本研究は、船舶由来の排ガスに含まれるCO2と粒子状物質を除去対象とし、ベンチュリ管通過前後の除去量、管内流れ方向の圧力分布、流量条件、ならびに生成する微細気泡径分布の相関を取得する。他方で、取得した試験結果を解析し、対象物質の除去に作用する流動条件の影響を明らかにする。これら管内部における排ガス浄化のメカニズムを明らかにするとともに、実機の運転条件における除去量を予測する混相流モデルを構築する。
今年度はベンチュリ管を使用した試験計測実施のため、循環式試験装置の設計・製作を主として実施した。ベンチュリ管内の圧力は10 mm間隔で詳細に分布として取得できるようにした。また気泡径分布は可視化計測から取得するため、ベンチュリ管はアクリル樹脂を採用した。水および空気を用いて計測を行った結果、ベンチュリ管を通過する流量条件により管内圧力分布が変化するとともに、それによって生成される微細気泡分布が変化する相関を取得した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本年度は試験計測に用いる装置の設計・作製を行ってきた。また、流路内で発生する微細気泡径分布の取得のため、高速度カメラを用いた可視化計測システムを構築した。さらに得られた画像から、気泡径分布を短時間で取得するための高精度画像処理プログラムを自作した。これらを用いて実際に当該装置で測定を行った結果、入口流量の変化に応じて、管内の流れ方向圧力分布や気泡径分布の応答を取得することができた。2年目に実施するガス除去量の測定や粒子状物質の捕集率測定を遅滞なく進められる状況であり、概ね当初の計画通りに進展していると言える。

Strategy for Future Research Activity

今年度は試験装置の設計・製作を主として実施し、ベンチュリ管内の流れ方向における圧力分布の取得、および管内で発生する微細気泡径分布の撮影、画像処理を行った。今後は、本研究で処理対象とするCO2および船舶由来の粒子状物質を気相に混ぜた状態の気相をテスト部に流入させ、ベンチュリ管による除去率、捕集率の計測を行う。
併行して、現在構築しつつある管内の圧力分布を予測するモデルを継続して開発するとともに、計測できない管内の物理量をモデルから補完する。さらにガスならびに粒子状物質の除去と管内流況の相関を試験から取得・推定し、モデルの発展に資するデータの蓄積を行う。