| 研究課題/領域番号 |
18K03993
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| 研究機関 | 愛知工業大学 |
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研究代表者 |
牧野 敦 愛知工業大学, 工学部, 教授 (60165678)
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| 研究期間 (年度) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| キーワード | 固体粒子の燃焼 / 限界粒径 / 着火条件 / 燃焼活性化条件 / 消炎条件 |
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| 研究実績の概要 |
固体粒子の燃焼促進には粒子径の微細化が推奨されているが，伝熱工学的には伝熱表面積の増大，ひいては熱損失の増大を意味しており，着火や燃焼維持の妨げになっている．しかも，初年度に実施した最新の研究動向調査において，この種の研究が未着手であることが確認されている．
燃焼状態への移行条件については，粒径や燃焼率，さらには燃焼速度定数の限界値がすでに公表されているが，これらの成果を踏まえつつ，今年度においては，燃焼活性化条件をたとえ満たしたとしても，燃焼の進行にともなう粒径の低下で消炎条件に到達しうること，さらには活性化・消炎の限界曲線が漸近解析法にて導出できることの２項目が見いだされたので，これらを第57回燃焼シンポジウム（令和元年11月20日～22日，札幌）にて発表してきた．さらに，酸化剤中に酸素と二酸化炭素が共存する場合の限界曲線についても，日本機械学会東海支部「第69期総会・講演会」（令和2年3月10日, 11日，名古屋）にて公表すべく投稿を行い，講演会は中止となったものの，論文講演集には記載された．
実験においては，平面状火炎にて高温酸化雰囲気を作り出す方式を採用しているが，平面状火炎の形成には多孔質材料の選定が，雰囲気流には準一次元的気流が不可欠なことが初年度で明確となったため，今年度はこれらの改良を実施し，状況がかなり改善された．そして，雰囲気温度や酸素濃度（質量分率）を広範囲に変えつつ，ふるい分けされた粒子（10～260μmの10種類）を投入し，粒子の色温度を観察しつつ燃焼状況の確認を行った．その結果，解析が提示する整理方法を用いれば，粒径や酸素質量分率がそれぞれの限界値以上の場合にのみ粒子燃焼が観察されることを確認した．また，酸素と二酸化炭素が共存する場合についても実験を実施しており，同様に，粒径が限界値以上の場合にのみ燃焼が観察されることを確認した．
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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
固体粒子の燃焼促進において，粒子径の微細化がいかなる役割を果たしているのかを，伝熱工学や燃焼工学に立脚しつつ，実験ならびに解析の両面から，学術的・基盤的に調査しようとしている．
文献調査では，最新の研究動向を確認するため，アイルランド・ダブリンにて開催された第37回国際燃焼学会（2018年7月29日～8月3日）へ参加し，当該研究が未着手なことを確認した．
解析では「漸近解析」の手法を用いているが，公表済みの粒径や燃焼率の限界値以外に，燃焼速度定数に関する新たな限界が見出されたので，関連学会（第56回燃焼シンポジウム，平成30年11月14日～16日，堺）にて発表した．さらに，燃焼活性化条件を満たしても，燃焼の進行にともなう粒径の低下で消炎条件に到達しうること，そして活性化・消炎の限界曲線についても解析的に導出可能なことの２項目が見出されたので，学会（第57回燃焼シンポジウム，令和元年11月20日～22日，札幌）にて発表した．また，酸化剤中に酸素と二酸化炭素が共存する場合の限界曲線についても，公表すべく日本機械学会東海支部「第69期総会・講演会」（令和2年3月10，11日［新型コロナウイルス感染拡大のため中止］）に投稿した．
実験では，安定した平面状火炎を保持しつつ高温酸化雰囲気を形成し，この気流中で黒鉛粒子を燃焼させることを念頭に，装置の改良を実施してきた．また，雰囲気温度や酸素濃度（質量分率）を広範囲に変えられるような改良も実施してきた．その上で，ふるい分けされた粒子（10～260μmの10種類）を投入し，粒子の色温度を観察しつつ燃焼の確認を行った．その結果，解析が提示する整理方法を用いれば，粒径や酸素質量分率がそれぞれの限界値以上の場合にのみ粒子燃焼が観察されることを確認した．また，酸素と二酸化炭素が共存する場合についても，粒径が限界値以上の場合にのみ燃焼が観察されることを確認した．
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| 今後の研究の推進方策 |
固体粒子が燃焼状態に移行するためには，粒径，雰囲気の酸素濃度ならびに温度がそれぞれ限界値以上でなければならないという解析結果が得られているが，これと直接比較することができ，しかも解析の妥当性を検証できるような実験結果を取得することが，当該研究の主眼である．このためには，実験装置内に安定した平面状火炎を保持して高温酸化雰囲気を形成させるとともに，これを準一元的な気流とし，さらにこの気流中で黒鉛粒子を燃焼させることが必要である．このため，平面状火炎を保持する多孔質材料の選定や，一様流の形成を促す流路形状の整備に努力してきており，一応の達成には到達したものの，さらなる改良が必要と考えている．
しかも，このように達成された燃焼場において，酸化剤流の温度や酸素濃度（質量分率）を広範に変えつつ，ふるい分けされた粒子を投入し，燃焼状態に移行するか否か，ないしは燃焼状態から消炎に達するか否かを，粒子の色温度を観察しつつ，継続的に調べていくことを考えている．
燃焼活性化ならびに消炎の条件に関する解析結果については，過去に類似の研究例がないため，2021年1月に開催予定の国際燃焼学会の研究集会（オーストラリア・アデレード）にて発表すべく論文投稿を行っており，採択の通知ももらっている．なお，その際，解析結果と比較可能な実験結果も記載できるように，実験計画を立てていきたいと考えている．
また，二酸化炭素（CO2）の回収を想定して考案されたoxy-fuel燃焼についても，本実験装置にCO2ガス供給系を整備することにより，基礎的・基盤的実験が実施可能となった．このため，微粉炭oxy-fuel燃焼についても，粒径，酸素濃度，雰囲気温度などを広範に変化させて，最適条件や燃焼活性化条件，消炎条件，さらには燃焼完結条件などを系統的に調べていくことを考えている．
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| 次年度使用額が生じた理由 |
物品購入の際，途中で注文を修正したものの，そのことを失念したまま年度末を迎えてしまい，3130円分の次年度使用額が生じてしまった．
次年度には，これを物品費に組み入れ，消耗品の購入に充当する予定である．
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