旋回空気流および非旋回環状空気流を用いた対向噴流超希釈拡散燃焼の研究

2023 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 21K03893
• Research Institution: University of Tsukuba
• Principal Investigator: 西岡 牧人 筑波大学, システム情報系, 教授 (70208148)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 旋回対向噴流火炎 / 三重火炎 / 希釈燃焼 / 水素燃焼 / 窒素酸化物

Outline of Annual Research Achievements

令和５年度は、前年度までの結果において問題点として認識されたことの解決を図った。まず二酸化炭素希釈メタンと空気の旋回対向噴流三重火炎の実験を行い、希釈消炎限界の測定値の再現性を調べた。その際、バーナ上部の燃料噴射管がより強固に支持できる方法に変更し、ガラス管の中心軸と燃料噴射管の中心軸がずれる問題の解決を図った。なお新しく得られた結果は前年度とほぼ同じであった。一方、水素空気旋回対向噴流拡散火炎および比較対象の同軸流拡散火炎を対象として、EINOx測定の実験および詳細反応数値計算も実施した。これは同軸流拡散火炎のEINOxの値が実験と数値計算で大きく異なる結果が出た原因を実験と数値計算の両面から探るためであり、実験では排ガスを集める金属製チャンバーの接合部に漏れがある可能性を考え、それを抑制する措置を講じた。また数値計算では固体壁面におけるH2とHラジカルの温度拡散を無くすように計算コードを修正した。しかしこの火炎についても、新しく得られたEINOxの結果は前年度とほぼ同じであった。以上のことから、これら２つの火炎について前年度までに得られた知見は、そのままで正しい可能性が高いことが示唆された。
３年間の研究により、旋回対向噴流三重火炎を用いることで二酸化炭素希釈メタンと空気の希釈消炎限界が改善され一次元的火炎伝播の希釈可燃限界と同じ値を達成すること、水素空気旋回対向噴流拡散火炎のNOx排出は全体当量比が小さい場合には大きく抑制できることが明らかになった。また詳細反応数値計算の結果、後者のNOxの抑制は噴射間出口付近の既燃ガスの逆流による水素濃度の低下が原因であることが明らかになった。以上の知見は低品位バイオガスの超希釈燃焼および水素の低NOx燃焼の実現のためのヒントとなり得る。

Remarks

第62回燃焼シンポジウム（2024年11月）にて最終年度の結果を発表する予定。