| 研究課題/領域番号 |
19K04219
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分19020:熱工学関連
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| 研究機関 | 香川大学 |
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研究代表者 |
奥村 幸彦 香川大学, 創造工学部, 教授 (80262971)
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| 研究期間 (年度) |
2019-04-01 – 2024-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2022年度)
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| 配分額 *注記 |
4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)
2023年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円)
2022年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円)
2021年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円)
2020年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円)
2019年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円)
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| キーワード | アンモニア / オフガス / 窒素酸化物 / CO2フリー燃焼 / サーマルNOx / フュエルNOx / 燃焼速度 / 水素キャリア / 同軸噴流拡散火炎 / 低NOxバーナー / 乱流火炎 / 水素保炎 / 温暖化防止 / NOx 低減 / 乱流燃焼 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
アンモニア（NH3）はカロリーベースの高い燃料(383 kJ/mol-NH3)でありながら，その燃焼速度が低いために燃料としての利用度は低い．加えて，従来の石油系由来の炭化水素系ガス燃料と比較して，燃焼機構は今なお不明な部分が多い．本研究では，新規燃料かつ難燃性であることを克服し，新しい構想下でのバーナー開発に取り組んでおり，アンモニアの高負荷燃焼（単位体積当たりの発熱量の増加）およびクリーン燃焼を実現化する．高負荷燃焼により，ボイラーのコンパクト化がはかれるとともに，燃焼設備の最小化，伝熱効率の増加，および省エネ技術に直接的に貢献したい．
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| 研究実績の概要 |
二酸化炭素（CO2）濃度の増加が温暖化の原因とされる中，燃焼時にCO2 を排出しないエネルギーを利用する水素社会が注目されている．特に，H2の製造過程でもCO2を排出しない「グリーンH2」の普及が期待されている．しかし，海外からH2を液体状態で輸送するには -253 ℃ に保つ必要があるなど，実現には多くの課題がある．そのため，H2をアンモニア（NH3）へ変換し，NH3をH2キャリアとしてタンカーで国内へ輸送，NH3をH2に再変換し，燃焼等に利用する構想が提案されている．しかし，NH3からH2への分解・製造では，純粋なH2は製造されず，H2/N2混合ガスが副生される．化学式(2NH3→3H2+N2）に示すように，NH3はH2：N2 = 3：1のH2/N2混合ガス（オフガスと呼ぶ）に分解される．NH3からオフガスへの分解過程では残存NH3の発生が，オフガスからH2の精製過程ではN2の除去などが，複雑な工程と追加のエネルギーを必要とし効率が悪い.そこで，本研究ではNH3からH2への分解・製造時に発生するNH3/H2/N2混合ガスを直接燃焼利用するために，燃焼特性について明らかにした．結果として，以下の結論を得た．
（１）XNH3/ XH2 = 1.0～1.63 の分解範囲内では，オフガス（NH3/H2/N2）はほぼ完全燃焼すると共に，割合の等しいNH3/H2 火炎と比較してNOxが抑制できる．
（２）Fuel NOx ＞＞Thermal NOx の関係が成立し，Fuel NOxは燃焼領域全体から生成し，Thermal NOx は（水素の選択燃焼に起因することにより）リム付近の外縁部から生成する．
（３）オフガス（NH3/H2/N2）火炎では，NH3/H2 火炎と比較して，NH3 単位モル当たりの NOx 排出量が低い．これは，火炎温度の低下に伴うNOx 生成反応速度の減少に起因する．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
大型シミュレーション投入への計算環境が整っている．（スーパーコンピューターの使用ができる．）加えて，予混合火炎を対象とするオフガスの燃焼実験がほぼ終了した．実験と数値計算により，NH3を使用した場合に発生する窒素酸化物（窒素原子Nを含む燃料）の排出特性を明らかにできているため．
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| 今後の研究の推進方策 |
今後、以下の(1)～(2)の研究を推進する．
(1)アンモニア専焼が可能な新バーナの開発に着手する．
(2)更なる高負荷燃焼とNOxの同時低減，およびNH3/H2燃焼の低輻射特性の改善を炉内設計を含めて達成する．
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