2023 Fiscal Year Annual Research Report
Comprehensive understanding of the elementary processes of nitrogen-containing hydrocarbons in the combustion of NH3-hydrocarbon mixtures
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23H01616
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Ibaraki University |
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Principal Investigator |
田中 光太郎 茨城大学, 理工学研究科(工学野), 教授 (10455470)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
鈴木 俊介 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 (60837623)
酒井 康行 茨城大学, 理工学研究科(工学野), 教授 (70511088)
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| Project Period (FY) |
2023-04-01 – 2026-03-31
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| Keywords | 含窒素多環芳香族 / アンモニア / アンモニア炭化水素混焼 / 流通反応管 / ガスクロマトグラフ質量分析計 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
燃焼場といった高温非定常反応場における含窒素多環芳香族の生成過程を明らかにするため、流通反応管を用いた反応実験と量子化学計算を用いた反応経路解析を組み合わせた研究を進めている。2023年度は初年度にあたり、流通反応管の実験においては含窒素多環芳香族を計測するガスクロマトグラフ質量分析計を新たに購入し、その導入を行った。導入にあたっては既設反応管の分解等を行ったことから、実験の精度を維持するため、装置の温度分布の計測、真空の保持など装置の準備を丁寧に行った。そして、流通反応管とガスクロマトグラフ質量分析計を組み合わせ、トルエンを用いて多環芳香族類の計測ができることを確認した。構築した装置を用い今年度はトルエン、エチレンとアンモニアをそれぞれ混合した燃料を用いて含窒素多環芳香族の計測を進めた。当量比は9、温度は1000 ~ 1350 Kとし、計測を行った。温度の上昇に伴い生成量が増加し、1200 K近傍では生成量が減少するという結果が得られた．
量子化学計算では既往の研究の調査を進め、アンモニアとメタンを混合した燃料を用いた場合に特殊な着火挙動があることを確認し、そのメカニズムについて明らかにした。化学反応モデルでは含窒素多環芳香族の生成モデル濃度を計算できるものはなく、量子化学計算により含窒素多環芳香族の生成過程に関して新たな経路を検討した。次年度以降反応経路解析を加速させ、モデル構築とともに含窒素多環芳香族の生成経路を明らかにしていく。
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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
初年度は装置構築とアンモニアと炭化水素混合燃料の燃焼過程における含窒素多環芳香族の計測を実施した。混合する炭化水素は既存燃料に含まれている炭化水素からトルエンとエチレンを選択した。初年度は装置構築に時間がかかったが、概ね予定通りの実験を進めた。
量子化学計算を用いた反応解析では既存研究の再調査とともに既存モデルを用いたアンモニア炭化水素混合燃料の燃焼過程に関して解析を行った。量子化学計算は既存ソフトウェアを活用していることから年度初期から研究を開始し、順調に進捗している。
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| Strategy for Future Research Activity |
2年度目は1年度目と同様に常圧の流通反応管を用いて、アンモニアとメタン及びn-デカンをそれぞれ混焼させた場合の含窒素多環芳香族及びその他の多環芳香族や含窒素有機化合物、窒素酸化物の定量計測を行う。そして、初年度に行ったトルエン、エチレンとアンモニアの混合燃料の結果と合わせ、4種の構造の異なる炭化水素とアンモニアをそれぞれ混焼させたときの含窒素多環芳香族の生成量の違いから、含窒素多環芳香族の生成過程について検討を行う。
生成過程の検討には、実験結果を再現する燃焼反応モデルの活用が有効であり、1年目に行った量子化学計算に基づく反応経路を、既存のアンモニア－メタン、エチレン混焼モデルに加え、含窒素多環芳香族の生成を定性的に予測する燃焼反応モデルの構築を行う。その際必要になる含窒素多環芳香族の生成反応の反応速度定数については、量子化学計算から求める。
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