2021 Fiscal Year Annual Research Report
高温高圧下における液体アンモニアおよびアンモニア水溶液の噴霧燃焼実現と現象解明
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20H02078
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
小林 秀昭 東北大学, 流体科学研究所, 教授 (30170343)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
早川 晃弘 東北大学, 流体科学研究所, 准教授 (90709156)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 高圧燃焼 / 乱流燃焼 / 液体アンモニア燃焼 / アンモニア水溶液 / 噴霧燃焼 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，CO2を排出しない無機燃料である液体アンモニア(NH3)ならびに質量濃度47%までのアンモニア水溶液の高温高圧下における直接噴霧燃焼を実現し，減圧沸騰蒸発過程を有する噴霧燃焼の現象解明を行う．アンモニアは水素と並ぶCO2無排出燃料であると共に，水素に比較して保存や輸送が容易であるという優れた特徴を有している．高圧ボンベに貯蔵された液体アンモニアを加温・再加圧することなく直接噴霧燃焼させた場合の高温高圧下の乱流火炎構造と火炎安定条件，排ガス特性を実験的に明らかにし，アンモニアガスタービンへの応用に向けた基礎データを取得する．さらに，液体アンモニア噴霧燃焼をレファレンスとしてアンモニア水溶液の噴霧燃焼研究を行うことで，新しいカーボンフリー燃焼の学理構築に資する．令和３年度は，接線スワーラを内蔵した燃焼器において，昨年度成功した質量濃度30%までのアンモニア水溶液の常温空気およびメタン混焼による火炎安定化成功，レファレンスとして実施した600 Kまで予熱した空気流に対する液体アンモニア噴霧の火炎安定化成功を受けて，火炎安定化メカニズムを噴霧構造の観点からより詳細に明らかにする実験と数値解析を実施した．実験では，ホロコーンノズルによる減圧沸騰を生じる液体アンモニア噴霧と減圧沸騰を生じない水噴霧との微粒化過程の違いの可視化，ならびにダブルパルスレーザーの光干渉縞を利用して空間粒子密度の高い噴霧からの２次散乱光の影響を抑制してレーザートモグラフィーを可視化できるSLIPI法の実施，数値解析では，液体アンモニアの減圧沸騰を解析できる数理モデルを用いた非燃焼時の液体アンモニア噴霧構造の可視化，ならびに水素混焼によるアンモニア噴霧燃焼の３次元数値解析を実施した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
令和３年度は，はじめに液体アンモニアならびにアンモニア水の噴霧構造の違いを明らかにするため，高速度バックライト法による常温大気圧雰囲気での液体アンモニア噴霧形成ならびに水噴霧形成の可視化を行った．水噴霧では従来から知られているように噴射ノズル直後に液膜が形成され，その後液膜が分裂して液滴となる様子が確認できたが，液体アンモニアでは明確な液膜が形成されることなく急激に微粒化することに加え，液体アンモニア噴霧はコーン状の領域の噴霧形成は明確でなく噴射中心領域の噴霧濃度が高い様子が見られた．そこで，高濃度噴霧からの２次散乱光を抑制できるレーザートモグラフィー法であるSLIPI法（Structured Laser Illumination Planar Imaging）光学系を構築し，噴射直後の噴霧構造を可視化する実験を行った．その結果，水噴霧ではコーン状の領域で噴霧濃度が高く中心軸領域に噴霧濃度が低い一方，液体アンモニア噴霧は噴射直後の噴霧濃度が極端に高く，その後中心軸付近の噴霧濃度が高いまま下流に推移するという水噴霧との大きな違いが確認された．これは，減圧沸騰を生じる液体アンモニアの噴霧形成過程が水噴霧やアンモニア水溶液と大きく異なることを示唆しており，翌年により詳しく研究を行うべき課題と認識された．また，液体アンモニア噴霧では時間経過とともに噴霧角などが変化する問題も明らかになり，今後詳しく調査することとした．数値解析では，液体アンモニア噴霧の減圧沸騰をモデル化した静止空気中における３次元数値解析に成功し，噴射直後の温度が-60℃程度に低下すること，ホロコーンノズルをモデル化して噴射角度90度で噴射したにも関わらず，噴霧は中心軸上に急激に収束して噴霧濃度が高い領域が形成されるなど，実験結果と類似した傾向を示すことが確認できた．
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| Strategy for Future Research Activity |
最終年度である令和４年度は，高強度接線スワーラを内蔵した燃焼器により600 Kまでの空気加熱で成功した液体アンモニア噴霧燃焼，ならびにメタン混焼で成功した質量濃度30%のアンモニア水溶液噴霧燃焼における噴霧形成過程と火炎構造をより詳しく調べることによって，その燃焼学的メカニズムを解明し液体アンモニア噴霧燃焼の学理構築を目指す研究に重点を置く．令和３年度に噴霧のバックライト可視化，SLIPIによる観測，ならびに３次元数値解析で減圧沸騰の有無による噴霧形成の違いが明らかになったことに加え，ホロコーンノズルの特性が時間経過および実験ごとに異なるといった課題が見られたことから，どのような問題を生じているかを調べることに加え，よりシンプルな噴射弁構造として，単孔ノズルによる液体アンモニアのフラッシュ噴霧現象に立ち戻り，減圧沸騰が噴霧形成に及ぼす影響を詳細に明らかにする．そのような基本的な単孔噴射に対してもアンモニア噴霧火炎の安定化を試み，噴霧形成過程と蒸発による温度低下ならびに燃焼による熱供給バランスが燃焼特性に及ぼす影響を明らかにする．さらに，液体アンモニア噴霧燃焼においてもRich-Lean 二段燃焼コンセプトによって低NOx燃焼が実現可能かを実験および３次元数値解析によって明らかにする．アンモニア水溶液の噴霧燃焼に関しても，メタンに加え水素と混焼した場合の火炎安定限界計測を試みて，どのようなアンモニア水溶液濃度で火炎安定限界に達するかを明らかにし，噴霧構造および熱供給バランスの観点から現象解明に取り組む．これらの成果を統合し，液体アンモニア噴霧燃焼をベースにしたアンモニア水溶液噴霧燃焼の特性ならびに限界条件を明らかにする．
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Research Products
(5 results)
