高温低酸素濃度中でのメタンハイブリッド乱流拡散燃焼の消炎と局所構造

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 14750146
• 研究機関: 芝浦工業大学
• 研究代表者: 矢作 裕司 芝浦工業大学, 工学部, 講師 (60265973)
• キーワード: 拡散火炎 / 希薄燃焼 / 酸化剤予熱 / 乱流火 / NO_x / CO_2 / 低酸素 / 消炎

研究概要

次世代エネルギー供給源に要求されることは、CO_2排出量の削減と革新的な燃焼技術を導入した低NO_x化である。高温低酸素濃度の酸化剤雰囲気で安定な燃焼することが可能であれば局所的な反応速度を制限することが可能となり、低NO_x化を実現できると考えられる。本研究では、高温低酸素濃度の酸化剤と不活性ガスで希釈した燃料あるいは超過濃予混合気を衝突させた乱流対向流メタン拡散火炎をモデルに選定し、酸化剤の酸素濃度低下と加熱の影響が消炎と構造どのような役割を及ぼすか詳細に検討を加えた。
消炎限界は、酸化剤温度300K、700K、1100Kの3条件に対して実施した。その結果、消炎限界は,CH_4濃度によらずほぼ同じO_2濃度で消炎してしまう領域と、O_2濃度によらずほぼ同じCH_4濃度で消炎する領域および消炎時のCH_4,O_2濃度がともに異なる遷移領域の3つの領域に分けることができることが明らかとなった。また、酸化剤温度を高くすることにより燃焼可能領域が拡大することが可能である。しかしながら、酸化剤温度の変化による消炎限界の変化は,3つの領域で異なる。その際、消炎特性を決める重要な値は、理論混合分率(F_<st>)であり、F_<st><0.2では、消炎限界の値は酸化剤を予熱することにより著しく増大し、F_<st>>0.6では、酸化剤予熱影響はほとんど現れない。
次に、希釈ガスとしてN_2、CO_2、f-C0_2を用いた場合の消炎に対して検討を加えた結果、いずれのガスを希釈に用いた場合でも、消炎限界にはほぼ同じO_2濃度で消炎する領域と、ほぼ同じCH_4濃度で消炎する領域、そして、遷移領域の3つの消炎特性があることが確認できた。この要因としては、CH_4およびO_2の濃度条件により流れ場中での火炎位置が異なるためである。さらに、希釈ガスの熱容量の違いは、消炎限界に顕著に現れた。ただし、熱容量が等しいCO_2希釈とf-CO_2希釈の場合でも消炎限界は異なる.f-CO_2とCO_2の違いはそれ自体が反応を有するか否かのみなので,消炎限界の差は希釈に用いたCO_2の反応に起因する。さらに、この差は一定ではなく,F_<st>が非常に小さい,CH_4=100%の条件では大きく,F_<st>が大きくなるにつれて小さくなることが明らかとなった。

研究成果

• [文献書誌] 矢作裕司, 仁平広宣: "対向流中に形成される超希薄乱流予混合火炎の消炎と火炎挙動"日本機械学会論文集(B編). 68巻668号. 1287-1294 (2002)
• [文献書誌] Yahagi, Y., Sugawara, N.: "Extinction and Structure of Unequale Lean Premixed Flames Formed in Opposite Turbulent Flow"Abstract of Works in Progress Posters the 29^<th> Symposium (International) on Combustion, The Combustion Institute. 29. 14 (2002)
• [文献書誌] Takeuchi, M., Hamatsu, K., Yahagi, Y., Nakahara, S.: "Effects of Oxidizer Preheating and Dilution on the Extinction and Structure of CH4-O2-Ar Counter Flowing Diffusion Flames"Abstract of Works in Progress Posters the 29^<th> Symposium (International) on Combustion, The Combustion Institute. 29. (2002)
• [文献書誌] 浜津邦仁, 竹内正雄, 矢作裕司: "酸化剤予熱と理論混合分率の変化が対向流拡散火炎の消炎に与える影響"日本エネルギー学会創立80周年記念大会講演要旨集. 270-271 (2002)
• [文献書誌] 浜津邦仁, 竹内正雄, 矢作裕司: "CH_4-O_2-CO_2対向流拡散火炎の消炎に及ぼすCO_2の影響"第40回燃焼シンポジウム講演論文集. 40. 463-464 (2002)
• [文献書誌] Yahagi, Y., Nakahara, S., Hamatsu, K., Takeuchi, M: "Effects of Dilution and Oxidizer Preheating on the Extinction and Structure of CH_4-O_2-Ar Counter Flowing Diffusion Flames"Proceedings of The Second Joint Meeting of the U.S.Sections of the Combustion Institute. 3. 1-7 (2003)