2020 Fiscal Year Research-status Report
Investigation and Utilization of Wall Chemical Quenching Effect in Hydrogen Gas Turbine Combustion
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18K03971
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| Research Institution | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology |
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Principal Investigator |
范 勇 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 主任研究員 (40748662)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 水素 / 燃焼 / ラジカル / 表面吸着 / レーザー誘起蛍光法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
水素燃焼の課題の一つである逆火の対策として，細管ノズルを多数集約したマルチクラスタ燃焼器が提案されている. しかし，細管ノズルから形成される水素火炎はノズル壁面と近接しやすいため，壁面への熱損失や，火炎中活性化学 種(ラジカル)の消滅に起因する熱的・化学的消炎効果が著しくなる. 特に化学的消炎効果に関しては，燃焼場での表面反応の評価が極めて難しいことから，その 消炎メカニズムには依然として不明な点が多い. 本研究では，反応機構が比較的単純な水素火炎に着目し，その燃焼の中間生成物である酸素原子(O)，水素原子 (H) ，OHラジカルなどを系統的に計測することで，異なる壁面材質における詳細表面反応モデルを構築し，化学的消炎メカニズムを解明することを目的としている.
これまでに，薄型流路内水素火炎のOH, O, Hラジカルの濃度分布をレーザー誘起蛍光法(LIF)と数値解析で定量化し，計測と解析結果の比較からInconel壁面における各ラジカルの初期吸着係数を見積って，詳細表面反応モデルを構築した．また，細管クラスタバーナーを試作し，水素燃焼の予備実験を行った．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
本研究の主な目的は，水素火炎における壁面の化学的消炎効果の定量評価と定量計測データに基づく表面反応モデルの構築である．
これまでに、燃焼室として高さ1.5 mmの石英製薄型流路を試作し，流路内形成される水素火炎に対してOH, O, Hラジカルの濃度分布をレーザー誘起蛍光法(LIF)で計測した．OHの計測は, 波長283.553 nmのレーザー光励起による通常の単光子吸収LIF法で行った．HとOの計測には，それぞれ波長205.08 nmと225.585 nmのレーザー光励起による2光子吸収LIF(TALIF)法で行った．また，内壁面にInconel合金の薄膜(100 nm程度)を形成することで，壁面の熱的境界条件を一定に保ったまま，壁面材質の影響評価を可能にした．
そして，詳細表面反応を考慮した水素火炎の数値解析を行った．表面反応として，H, O, OH, HO2, H2O2の吸着，再結合，および安定化学種であるH2, O2, H2Oの脱離を考慮した．H，O，OHの初期吸着係数を変化させながら解析を行った結果，Inconel壁面におけるH，O，OHの初期吸着係数をそれぞれ0.4-0.5, 0.1-0.2と<0.05に見積った．
薄型流路内水素火炎のOH, O, Hラジカルの定量計測を行い，表面反応モデルの構築ができたので， 主な目的はすでに達成していると考えられる．一方，細管クラスタから形成される微小火炎群における壁面の消炎効果の評価試験に関しては，異動に伴い新しい所属での実験環境の整備に時間が掛かったため，遅れている．このため，研究期間を当初の計画より一年延長した。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の計画としては，細管クラスタバーナーを用いる水素燃焼実験を行い，細管クラスタから形成される微小火炎群の挙動に与える微小火炎間の距離，火炎と壁面の距離，壁面材質などの影響を調べる．火炎群の挙動を高感度撮影により把握し，同時にガス分析を行うことにより燃焼効率やNOx 生成量などの全体的な燃焼状態を把握し，逆火防止とNOx削減に対する壁面の消炎効果の評価を行う. 逆火やNOx 生成に至るメカニズムを明らかにすることで，壁面効果を有効利用した燃焼制御及び燃焼器設計の指針を取得する.
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| Causes of Carryover |
異動に伴い新しい所属での実験環境の整備に時間が掛かったため，細管クラスタの試験が遅れている．このため，研究期間を当初の計画より一年延長し，次年度使用額が発生した．細管クラスタの試験のために，流量計などの備品費，計測装置のメンテナンス費用，配管類などの消耗品費，燃料代が発生する．そのほか，学会参加費，東京大学で実験を行うための旅費などが発生する．
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| Remarks |
范勇氏は2020年度日本燃焼学会奨励賞を受賞した。
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