Joumalo ft h eCombustionS o c i e t yo fJ a p a n l44N o .1 2 9 ( 2 0 0 2 )1 5 8 1 6 5 Vo. 日本燃焼学会誌第4 4巻 1 2 9号 ( 2002年) 1 5 8 1 6 5 際原著論文 /ORIGINALPAPER猿混合燃料の対向流拡散火炎の消炎に関する研究 E x t i n c t i o no ft h eC o u n t e r f l o wD i f f u s i o nFlameo fBlendedF u e l s 博田知広 l・丸田薫 2 . 小林秀昭 2 ・新岡嵩 2* DENDA， Tomohirol ， MARUTA， Kaoru2 ，KOBAYASHI，Hideal くj 2， NIIOKA， Takashi2* /日本鋼管株式会社デ 2/0-0fi55神奈川渠1 f t 崎市川崎区南渡田町/-/ NKKC o r f lυr a t i o n，/ 1MinμmiwUlUr i d a c h o，Kαwusaki-ku，Kw α w α wki，Kω ， l αgawa2 1 0 0 f i 5 5 ，J a l ' a f l 2 東北大学流体科学研究所〒 9 f i O・ f i 5 7 7宮城県仙台市青葉区片平山ー i 1 n s f i f u t e吋 F l u i dS c i e n c e .TohokuU n i v e r s i r y ， 2 / 1K a f a h i r a， Aob 怯 k U， Send 削， M i y a g i9 f i O f i 5 7 7 .J a f l u n 0日受理 /Received26March2002; A c c e p t e d1 0May2002 2002年 3月 26日受付， 2002年 5月 1 i f f u s i o n A b s t r a c t F o ra p p l i c a t i o n so ft h eh i g h t e m p e r a t u r ea i rc o m b u s t i o nt e c h n o l o g y(HiCOT)t ow a s t ei n c i n e r a t o r s，d f 1ameo fb l e n d e df u e lg a s e sa n dh i g h t e m p e r a t u r ea i ri nt h es t r e t c hf 10wf i e l dwerei n v e s t i g a t 巴d .I nt h i ss t u d y .e x t i n c t i o n 1owd i f f u s i o nt 1amef o rCH4-C)HHb l e n d e df u e lg a s e sw e r eo b t a i n e de x p e r i m e n t a l l ya n dn u m e r i c a l l y， l i mi t so ft h ec o u n t e rf v a r y i n gt h em i x t u r ef r a c t i o n，f u e lc o n c e n t r a t i o na n da i rt e m p e r a t u r e .S i n c et h 巴f l a m ei su n a b l et os t a b i l i z ea ts m a l ls t r e t c h 白d e rn o r m a lg r a v i t yc o n d i t i o日司 t h e巴x p e r i m e n t sw e r ep e r f o r m e d r a t e sduet ot h en a t u r a lc o n v e c t i o nc a u s e dbybuoyancyu e r c e n to fb l e n d e df u e lg a s esa n da i rt e m p e r a t u r e，e x t i n c t i o nl i m i t swere u n d e rm i c r o g r a v i t yc o n d i t i o n .Asi n c r e a s i n gC)H民 p h ee x t i n c t i o ni Im i t sa tlows t r e t c hr a t e sweren o te x t e n d e da smucha st h a ta th i g h e x t e n d e d .Asi n c r e a s i n ga i rt e m p e r a t u r e，t w i t hi n c r e as eo fa i rt e m p e r a t u r ，巴，t h ee f f e c to fr a d i a t i o nh e a tl o s sa l 5 0becomesl a r g ea tl o w s t r e t c hr a t e s .T h i sr e a s o ni st h a t， s t r e t c hr a t e s . x t i n c t i o ni lm i t，C o u n t e r f l o wd i f f u s i o nf l a m e，B l e n d e df u e l s， KeyWords H i g h t e m p e r a t u r ea i rc o m b u s t i o n(HiCOT)，E S t r e t c hr a t e 1 . 緒言領域が変動し，ときには未燃領域や高温領域が形成されやすい.そのため，煤濃度や熱分解ガス組成，排ガス組成の燃焼技術の改善を目指して注目を浴びているものの一つ変動が大きくなり，焼却室内だけでなくボイラにおいても 1 5 ]がある.高温空気燃焼技術の基本に高温空気燃焼技術 [ 燃焼制御が困難な状況にある.そこで，通常の空気吹き込は，燃焼による高温排気ガスの熱を再循環して空気の予熱みに加え，高温空気を焼却室内の適正な場所に吹き込み，に利用することであり，従来の燃焼に比べて，炉内温度分例えば淀み領域を形成して燃焼を行うようにする.こうす布の均一化や NOx などの有害排出物の低減，省エネルギることにより安定な燃焼場が形成され，例えば，焼却室内ー化など優れた特徴があることが分かつている. の燃焼開始位置の変動が小さくなるので，燃焼の安定性がこの高温空気燃焼技術を廃棄物焼却炉に適用しようとする試みがなされている [ 6 )，現在，発電に供する廃棄物焼却格段に向上するのみならず¥全体の燃焼制御も容易になるだろうと予想される. 炉として最も多く用いられているストーカ式焼却炉の問題実現にあたっては数多くの基礎的データが必要となる点、の一つは，低空気比にしたときに生じる焼却室内部およが，その中のーっとして，廃棄物の焼却において熱分解にびボイラにおける燃焼不安定性である.ストーカの下からより発生する CH4，C O， H2 などを主成分とした多成分混全体に空気を吹き込むので，焼却室内部では局所的に燃焼合ガス [ 7 ]と高温空気との燃焼特性についての基礎的データが必要不可欠となる.中でも特に，最も基本的な特性である消炎限界については，燃焼開始領域での燃焼挙動を推定ホ Co町 e s p o n d i n ga u t h o r .E m a i l :n i i o k a @ i f s . t o h o k u . a c . j p する上で非常に重要で、ある. しかしながら，これまで単一 ( 3 2 ) {専田知広ほか，混合燃料の対向流拡散火炎の消炎に関する研究 1 5 9 燃料に対する消炎限界の研究は多く行われているものの，は，北海道上砂川町にある地下無重力実験センター (Japan 熱分解によって発生する CH4，CO， H2などのガスを組み m i c r o g r a v i t yc e n t e r:JAMIC)において行った.この微小重力合わせた混合燃料について行った消炎限界に関する研究は場実験施設では，約 10秒間， 10・' 0の極めて良好な微小重あまり例がなく，多様な組み合わせの混合燃料に対して系力場環境の中で実験を行うことができる . 統的に調べていくことが望まれている.そこで本研究では，実際の焼却炉を考えた場合，炉内での燃焼の多くは，伸対向流火炎法を用いて，実験および素反応機構による一次長率が比較的大きい状態も想定されるが，混合燃料流と高元数値解析を行い，混合燃料の消炎限界を求めることにし温空気流の相対速度が小さくなると，火炎伸長率が小さいた.混合燃料の混合体積割合および酸化剤の空気温度，火状態となる.従って，高伸長率域のみならず低伸長率域に炎伸長率を一定に保ちながら，混合燃料中の希釈割合(希おける消炎限界を求めることが必要である. 釈剤 : N2) を増加させていき，火炎が形成されなくなる燃料濃度を消炎限界として求めている. 2 . 実験装置および実験方法対向流火炎法を用いた理由は，対向噴出流中に不活性ガ 2 . 1 . 実験装置スを加えることにより，比較的簡単に濃度を制御することができ，また，対向噴出流速やパーナ間隔を変えて，火炎実験において用いたパーナは，実験条件に応じて使い分伸長率を変化させることが容易であるためである.それにけている.酸化剤として常温空気を用いる場合，通常重力加え，層流燃焼の消炎現象のみならず，乱流燃焼において，場における高伸長率域での実験では，内径 10m mの対向特に火炎片モデルとして考えた場合の局所消炎メカニズム流ノズルパーナあるいは内径 16m mの真論製直管パーナを解明する上で有用な火炎形態であること，火炎構造が単を垂直に対向させて使用した. 一方，微小重力場における純で準一次元とみなせ，かつ，火炎はパーナに付着しない低伸長率域での実験では上述の直管パーナのみを使用しので，火炎からパーナへの熱損失を無視することができ，た対向流ノズルパーナは，外側同心管に N2 を流す二重解析計算や数値計算のモデルと比較する上で都合が良いこ管構造となっており，また，直管パーナは，内部に内筒をとなど，対向流火炎は消炎限界を求める上で非常に有用な挿入し，その内筒に取付けた公称鴻過精度 20μmの焼結金火炎形態である. 属によって整流を行う構造となっている.さらに，内筒は燃料には，取り扱いやすい代表的な炭化水素である CH4，， C Hxおよびその混合燃料を用いた.本来ならば，廃棄物 O リングで固定しであるのでパーナ内部での移動が可能である.これは実験条件の流速の違いによってパーナ出口かの熱分解で発生する CO， H2およびその混合燃料を用いるらの焼結金属の深さを適切に変えるためで，これによってべきであるが， COは有害で、あるため，実験を行う上で取ノTーナ出口での速度分布を一様に近づけることができ，平り扱いが非常に困難であり，また，混合した燃料の消炎限面火炎を形成することができる界が単一燃料の消炎限界に比べてどのように変化するかを対向流拡散火炎 (ε=4 . 5 3S-l，Fue1:C Hx，Tニ 700K)の直接図 lに本実験で得られた調べることが目的であるので，燃料は CH4，C1Hxおよび写真を示す. ，酸化剤として高温空気を用いる場合，燃料側は上述の直その混合燃料としている. 通常重力場では自然対流の影響を受けてしまうため，火管パーナをそのまま用いたが，酸化剤側は専用に製作した炎伸長率が小さい実験条件の場合には，火炎を安定に形成高温空気供給用パーナを使用した高温空気供給用ノ守一ナさせることが困難で、ある.そこで，伸長率が小さい条件では二種類あり，それぞれ図 2 ( a )，( b )に示す.一つは図 2 ( a ) は，微小重力場を利用して実験を行った.微小重力場実験に示すような石英ガラス製のディフユーザとなっており， R f 司 … … ー u戸崎 G 同r 咽 W re-1llE園、 i .+ 一一 → 十一ー一語Z弓刈r /…-==-t & . . . . 1 . 1 0 1.-.. . . . . . . . . . . . 出圃 l r 祖畑町 Fuetd i l u 鶴岡 I[r~~ ;~==~~n岡田 " ~\ S i n t 、 T予四T T 官担率指宮司d 柚掴l ( a ) ト甘圃~ 同調官 /~同￨ ¥ S刷nIe田 tube Fu 国 d i l u 能回 1 w 巴同町 S 同国ちd 御匙担l ー同盟t l r 隠u l a t o r ( b ) F i g . l D i r e c tp h o t o g r a p ho fc o u n t e r f l o wd i f f u s i o nf l a m e ( 1 ' :=4 .53S.l，FueI :C H x，T=700K) ， F i g . 2 Bumersf o rf u e lg a sa n dh i g h t e m p e r a t u r ea i r:( a )TypeA;(b) TypeB ( 33 ) 160 日本燃焼学会誌第 44巻 1 2 9号 ( 2 0 0 2年) 断面積が小さい部分にヒータを挿入することで，内部を流となった混合燃料が火炎に到達した実際の時刻は，流量制れる空気への伝熱性を良くしている.ヒータは絶縁管に市御が開始された時刻すなわち実験開始時刻から気体搬送時販の 200Wニクロム線をコイル状に巻きつけた構造となっ間を差し引かないと求めることはできない. ており，スライドトランスにより電圧調整を行う.もう一つは，円筒型セラミックファイパーヒータを用い，その内 N2希釈の燃料を流して火炎を形成し，火炎の発光をフォトダイ部に前述の直管ノtーナを挿入して，外側から加熱するようオードで感知しておく.そして燃料の供給のみを瞬時に停気体搬送時間を求める方法は以下の通りである ( b ) ) . 配管にはゆ 6mmのステンな構造のパーナである(図 2 止させる.このとき燃料の MFC応答電圧の立ち下がり(燃レスパイプを用い，パーナ内部には整流用および蓄熱効果料供給停止時刻)と，フォトダイオードで感知した電圧のを持つセラミック製ハニカムを挿入しである. 立ち下り(火炎発光停止時刻)との時間差をオシロスコープ空気温度の測定は，パーナ出口中央にゆ 50μmのアルメで測定する .この時間差が気体搬送時聞となる . ル・クロメル熱電対を設置して行った.パーナ出口のいくつかの場所で温度を測定しほぼ均一な温度分布になるこ 2之実験方法，図 3に実験装置の概略を示す.混合燃料の CH4， C H x とを確認しており，従って，以下本論文でいう空気温度はこのパーナ出口中央での温度のことを指す.実験中は温度は，それぞれボンべからレギュレータ，マスフローコントコントローラによってフィードパック制御を行い，常に設ローラ (MFC)を経た後，希釈用の N2 と共に混合され，一定温度が保たれるようになっており，全実験条件を通して，方の対向流ノすーナへと送られる. もう一方のパーナには酸温度の誤差は::t2% 以内である. 3 0 0K) または高温空気 ( 5 0 0K，700 化剤である常温空気 ( また，高温空気を用いる場合，対向している燃料側のパ K)が供給される.両ノ T←ナの出口流速 u を一定に保ちなーナが熱せられないように，パーナ聞に断熱材で製作したがら，イグナイタで着火させた後，燃料側ノ苛←ナの N2流シャッターを入れ，実験開始直前にそのシャッターを開放量を増加させて燃料希釈率。を徐々に下げていき，消炎にするようにした.燃料f~ij ノ T ーナ出口付近にも熱電対を置い至ったときの燃料希釈率て温度測定し，最大でも 5 00Cであって，高温にはならなの挙動や消炎の様子をデジタルビデオカメラで撮影する. いことを確認しである. 燃料および酸化剤の流量，濃度の制御は，ノートパソコン気体の流量制御を行うマスフローコントローラ (MFC)か QeXI を測定する. このときの火炎から DA変換ボードを介して， MFCを制御することで行ら，パーナ聞に形成される対向流拡散火炎までの配管の長う.さらに MFCからの応答電圧は AD変換ボードを介しさは有限であるため，流量制御されて設定濃度となった混てノートパソコンに記録される.デジタルビデオカメラに合燃料が，火炎に到達するまでにはある時間を必要とする. は流量制御開始と同時に作動するタイマーも映し込んで、いここではこの時間のことを気体搬送時間と呼ぶ.設定濃度るので，この時刻から気体搬送時間を差し引くことで消炎 F i g . 3S c h e m a t i co ft h ee x p e r i m e n t a la p p a r a t u s ( 3 4 ) f 専田知広ほか，混合燃料の対向流拡散火炎の消炎に関する研究 1 6 1 時刻を知ることができる.この消炎時刻とノートパソコンる.燃料濃度，空気温度，燃料混合割合を一定にし，伸長に記録された流量制御時間履歴とを照らし合わせて，消炎率を少しずつ増加または減少させて計算を繰り返す.そして，各伸長率における最高火炎温度をプロットした F巴 nd 巴1 時における燃料濃度を求める. 本実験では伸長率 E として，次のような見かけの速度勾 c u r v 巴の upperbranchを描き，この曲線の傾きが無限大となとする . ε の増配を用いた.火炎が淀み面より空気側にある場合を正炎，ったところの伸長率燃料側にある場合を負炎と呼び，どちらの火炎かの判定に分または減分を 0.1% として収束解が得られなくなるまで 8 ]を用い，それぞれ(1)， ( 2 )の計算式を使は大塚らの文献 [ 計算することで，誤差 0.1%以内で ε 叫が求められること用して算出した. を確かめ，以下の数値計算はそのようにして求めた. E を消炎時伸長率 E c x t また，グリッド数については 400以上にすることで，温、 ; 一 ) ( u"+Ur PrW. 正炎 :E= 度分布，濃度分布の変化はなくなることも同様に確かめ，以下の数値計算はすべてグリッド数を 400以上にして計算をf 子っている. ur +U川負炎 :E= J 伸長率を減少させていくと，流速が小さくなり火炎帯が P " I P， iJ 厚くなるため，伸長率が大きい場合と比べて計算領域を広 ( 2 ) くとる必要がある.従って，本数値計箪では計算領域であここで，U パーナ出口流速，P 密度，L:パーナ間隔，添えるパーナ間隔をすべて十分に大きな 10cmとして計算した. 字。:酸化剤側，ょ燃料側である. また，燃料希釈率 Q は(ヌ)式で計算した. 4 . 実験結果および考察 4 . 1 . 常温空気使用時の消炎限界 V r . . . +V CH 4' 'C"H ' V r . . + V r CH4 ' ' C. "" HX+ 'V 'N2 0= 3 0 0K)を用いて行った CH4-C 1 H x混合図 4は，常温空気 ( ( 3 ) 燃料に対する消炎限界についての実験結果と数値計質結果ここで VCH4:CH4体積，九州 :C1H討体積 VN2:N2体積での比較である.横軸は燃料希釈率 0，縦軸は伸長率 E であり，図中の各点は実験結果を，各線は数値計算結果を示しあるている(これ以降の図についても同様).全体的に見て，実験結果および数値計算結果は，定性的によく一致しているこ 3 . 数値計算方法とが分かる.定量的に異なっている原因としては，実験点計算プログラムは Kee らが開発した一次元層流伝播火炎のばらつきのほか，数値解析において用いた素反応機構お解析用フ。ログラム PREMIX[9]を， J u ら[ 1 0 ]が対向流拡散火よびふく射モデルが考えられる. 図 4 を詳細に見ていくと，実験結果および数値計算結果炎用に変更したものを用いた.対流項と拡散項をそれぞれ上流差分と中心差分で、離散化し， Newton反復法を用いてともに，混合燃料における C"Hxの混合体積割合を大きく 4 )式で表さ解いている.また，エネルギ一方程式には， ( していくにつれて、消炎曲線は左へ移り，可燃範囲が拡大しれる O p t i c a l l yt h i nモデル [ 11 ]によるふく射の熱損失項 q rをていくことが分かる.これは， CH4 よりも C"Hxの単位体付け加えた. . 5倍大きいため，燃料の C"Hxが占積当りの発熱量が約 2 める割合が大きくなるほど，火炎温度が増大してしミくため 4 q. ， =-4 σKp(T ーだ) ( 4 ) である. 消炎曲線の形状を見ると，実験結果も数値計算結果もどここで， σは Stefan-Boltzmann定数，Kpは Planck平均吸収係数の混合燃料に対しでも消炎曲線の形状がはっきりとした C T は局所温度，T∞は雰囲気温度である.また，Kp 型となることが分かる.消炎曲線が C 型になるということは C02 ， H20，CH4， COからのふく射熱損失を考慮して，は，過去の研究 [14，日]において CH4/Air対向流予混合火炎次の ( 5 )式で計算した. や C H4/Air対向流拡散火炎の消炎限界に見られ， C の上側のカーブが伸長による消炎限界， Cの下側のカーブがふく K . .=P r n K r n r n . .K n . . +P r u . r u .+ u _ n K C O " " C O+P JC O ] _ Hr C 匂 C H 4K "CH4 'P • H20" H20 j ( 5 ) 射熱損失による消炎限界であることが分かつている.従って， CH4-C"Hx混合燃料を用いた対向流拡散火炎について P iと K iはそれぞれ成分 t の分圧とも，低伸長率域においては，ふく射消炎に基づく限界と考 P l a n c k平均吸収係数でえられる. 1 0 ]を参照した. ある . これらのデータは文献 [ 化学反応機構には Guo ら[ 1 6 ]によると，ふく射消炎のメカニズムは以下の N の反応を除いた GRI-Mechv er . 3 . 0 [1 2 ]を用い，物性値，輸送特性係数の算出にはようになる.伸長率の低下に伴って火炎帯厚さが増加する CHEMKIN-I I[ 1 3 ]を用いた. ため，火炎帯体積当りの生成熱は減少していく.これに対数値計貰における消炎限界の定義は以下のとおりであして，ふく射熱損失は C02や H20などのふく射化学種の ( 3 5 ) 162 日本燃焼学会誌 100 ，・o 窃OCV uc ( ωF ) 宝仙w S話一ωお﹄ : . p ，斗畠， ; I ， . . .!-畠-' F I ， / ./ jX f f F +血，イ AA 一戸 + ;~ 10 J ¥+‘ X A/ キ， ιP • × • - T=300K CH4 CH4 +C3 Hs ( 9 :1 ) CH4 +C3 Hs ( 5 : 5 ) C3Hs X ' . i畠 ‘ ¥¥ ・芯﹄︼ 50 +油、 x 、、¥・，，，，・ +¥晶、 X ' ¥ X、>t + ~.え X 、 " + . ， • • • "x /x x x x 第4 4巻 1 2 9号 ( 2 0 0 2年) ω " ， " 、 . 。 0 . 3 0 . 2 0 . 1 F u e l/( F u e l+N2) 、 F i g. 4E x t i n c t】o nl i m i tso fCH4-CHxb l e n d e df uelg as e sa ta i rt e m p e r a t u r e300K hは生成エンタルピ， ωはモル生成速度，添え字体積濃度に比例するので，伸長率の変化の影響をあまり受ここでけない.その結果，生成熟に対するふく射熱損失の割合は kは化学種 k を示す .また，q，は( 4 )式で表されるふく射増加傾向となり，火炎温度が低下してふく射消炎に至る. 熱損失である. ，そこで， CH4-CHx混合燃料のふく射消炎の存在をはっ図 5からは，伸長率を小さくしていくと，伸長率を増大きりと確認するために，数値計箆において，伸長率と最高させたときと同様に，火炎温度が低下していき消炎に至る Iの関係につ火炎温度の関係，および伸長率とふく射分率 Y こと，図 6からは，伸長率の低下に伴いふく射分率が増大いて調べた.それぞれを図 5， 6に示す.なお，ふく射分していくことが分かる. このことは， CH4-CHx混合燃料，率 Y tは次の ( 6 )式で定義したものであり，生成熱量に対すおよび C1Hx を用いた対向流拡散火炎において，低伸長率るふく射熱損失量の割合を意味している. 域におけるふく射熱損失の影響が大きいことを意味しており，ふく射消炎が存在することを明確に示している. また，図 6からはふく射消炎限界付近において，ふく射 Y t= e~μy/j::2 2hA叫dy 分率がピークを持つことが分かる. これは，消炎付近にお ( 6 ) 1 7 0 0 0 . 5 _ . ・・一、 . / . -・ . . .， f . " ; ， E 0. 4 -/ -、 . ・，" ・ ! . '/ ・" : .，， ~ 1400 ・ . 、. z ， ¥l ・ z . . ・句、 ‘ 1 @ 0 . 1 5 九 ~.、 a .1500 』 2 0 3 I @ 何 :1 I :. I :. 21300 ー. ， . e1200 f' . ， : !， H !I r !I 告0.2 B a : 一一ー CH 4 -. - CH4 C3He(5・5) T=300K .・ . . ，、一・. . 、一一一 CH4 ‘ ・ 1 白、 _.-.CH4・C3He(5・5) ー、 .C3He 、 t 2 、、 1 z n=0.15 T=300K ; ， ε 童1100 I I jl 0 ; : : 。 = . . . . ・立 1600 1 " . 、、 . . v ー、 0 . 1 、、ー、 .C3He g 、 ‘ ・ ‘ - 、J匂込"'~..，.. . . . . . .. . 司自他. 凶 1 0 0 0 0 . 1 1 1 0 1 0 0 0 0 . 1 1 0 0 0 1 0 100 1000 Stretchr a t e， E ( 1 / s ) S t r e t c hr a t e，E ( 1 / s ) F i g . 5 R e l a t i o n s h i pb巴t w e e nt h 巴 s t r e t c hr a t eandt h emaximumf l a me t e m p e r a t u r e . ( 3 6 ) F i g . 6R e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es t r e t c hr a t eandt h er a d i a t i o nf r a c t i o n イ専田知広ほか， 1 6 3 混合燃料の対向流拡散火炎の消炎に関する研究 1 0 0 図 7~9 は，酸化剤として高温空気 (500 K，700K) を用 ~ 1た場合の， CH4，CH4-C3Hx( 5 :5 )，C3Hx それぞれの燃料に対する消炎限界について，実験結果と数値計算結果を比較したものである .これらの図において，実験結果，数値どの燃料に対しても，空気温度の上昇に伴って消炎限界が拡大する傾向が確 • n u ( 国主)EωJ ﹄ ozugHHO潟SEZU芯﹄あ 4 . 2 . 高温空気使用時の消炎限界計算結果ともに定性的に一致しており， 'u 'V J I f F I a s -心、一¥ いて火炎温度が急激に低下したことによるふく射熱損失の急激な減少が原因である . • 認できる.定量的に異なる原因としては，先述したように，。実験点のばらつきの他，数値解析で用いた素反応機構およびふく射モデ、ルが考えられる. 図 7~9 において注目すべきところは， • • • • • F u e l :CI 4 0 . 3 0 . 1 0 . 2 F u e l/( F国 1+N2) 0むを用いた場 F i g . 7E x t i n c t i o nl i m i t so fCH4f o rv a r i o u su i rt e m p e r u t u r e s . 合と比べて， CH4-C3H8( 5 :5 )混合燃料および C3HXを用い，空気温度を上げた場合， C型曲線の上部と下部によってたことによる消炎限界の拡大が異なる傾向が顕著に表れる 100 とし寸実験結果が得られたことである. 即ち，空気温度を上げた場合，低伸長率域における消炎限界の拡大よりも，それ以上に高伸長率域における拡大のほうが著しいという l 1 認 @ I~，. 凶 5 このような結果ち C 0に示すように，縦軸の目は顕著には見られないが，図 1 I•• 310 盛りを大きくとった数値計算結果を見ると，空気温度の上田恒国』 . s : : . Q) ¥ 』 ω CH4， C3Hxを用いたときも，同様な結果が得られており， 1 0 空気温度の上昇に伴う高伸長率域における消炎限界の拡大 0 . 0 5 が，低伸長率域における拡大に比べて大きくなるという結果が，この数値計算結果からもいえる. この原因について，以下のように推測される.高伸長率 CH.-C3 H s(5: 5) : . ¥ ( . ) 燃料に CH4-C3出 ( 5:5 )混合燃料を用いた場合であるが， • ¥ "・ ¥・岨由昇に伴った消炎限界の拡大は，低伸長率域に比べて，高伸 • • • •• • •• !企¥. H 長率域のほうが大きくなっていることが伺える.図 1 0は， 6 ! : / . . /• F ことで、ある. 図 7~9 における数値計算結果からは， I 国 ~，、、 0 . 1 5 0 . 1 F u e l/( F u e l+N2) 0 . 2 ， F i g . 8 E x t i n c t i o nl i m i t so fCH 4 -CHxb l e n d e df u e l( 5 : 5 )f o rv a r i o u sa i r t e灯l p e r a t u r e s 域はいわゆる伸長消炎の領域であり，イじ学反応時間と流れの特性時間の比である Damkohler数が小さくなるために，流れの特性速度に反応速度が追いつかなくなって，火炎温 100 。、.¥¥ ふく射消炎領域である低伸長率域は，伸長消炎領域である高伸長率域に比べてそれほど拡大しないと推測される. • •• • • • • • ・、 ¥ 炎温度の 4乗に比例して増大することになる.このため， uh Bf11tl i d-IBi- 火炎温度の上昇につながるため，同時にふく射熱損失も火 1f 一この領域でも，高伸長率域と同様に反応速度が増大するため，消炎限界は拡大する方向に向うが，空気温度の上昇が Jala--ille-、反応帯幅が大きく，ふく射熱損失増大によって消炎に至る. 1 . 一方，低伸長率域はいわゆるふく射消炎の領域であり， 511 界が大きく拡大することになる. ，，に，燃焼が維持し易くなる.従って，高伸長率域の消炎限 n u ・ F ) E ωz o -ち C一一回阿世話ggzu芯﹄あ (曲 Arrhenius の式に従って反応速度が極めて大きくなるため .，、・¥ ・ .、、、 dJ.-a 度が低下し消炎に至る.酸化剤の空気温度を増大させると， 0 . 0 5 0 . 1 0 . 1 5 0 . 2 F u e l/(Fuel+N2) この考察の妥当性を見るために行った数値計算結果を図， o rv a r i o u sa i rt e m p e r a t u r e s F i g . 9E x t i n c t i o nl i m i tso fC Hxf I I に示す.図 1 1は， CH4-C3Hx( 5:5 )混合燃料に対し，空気温度の違いによるふく射分率の変化を示している.この ( 3 7 ) 日本燃焼学会誌 164 1000 第4 4巻 1 2 9号 ( 2 0 0 2年) Hs(5:5) Fuel:CH4・C3 n=0.15 曲 ‘ 、 F 冒 ω 0 . 8 ，，，， ' .〆， / ， - ) 100 凶 I C O ， i ，， 06 f/ H E 。10 実 τ 。噌d 冊 H 伺 5 、、、 ¥、、、 c i 0. 4 宮 0 : : 』 z o 0 . 2 曲よ= ( / ) F u e l :CH4・ C3Ha(5・5) 0 0 . 1 0 . 1 0 0 . 0 5 0 . 1 0. 15 Fuell( F u e l+N2) 0 . 2 1 0 100 1000 1 / s ) S t r e t c hr a t e，E( F i g . I OE x t i n c t i o nl i m i t so fCH4-C. 1 H x( 壬5 )f o rv a r i o u sa i rt 巴mp 巴r a t u r e s ( n u m e r i c a lr e s u l t s ) . F i g. 11R e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es t r e t c hr a t ea n dt h er a d i a t i o nf r a c t i o 日 f o rv a r i o u sa i rt e m p e r a t u r e s( F u e: ICH4-C) Hx( 5 : 5 ) ) 図からは，伸長率が小さくなるほど，また，空気温度を大きくするほどふく射分率が上昇しており，低伸長率域のふく射熱損失の影響が，酸化剤である空気温度上昇によって，謝辞大きくなってくることが分かる.このことから，低伸長率本研究は， NEDOから省エネルギーセンターが委託され域において，反応速度は増大するが，酸化剤の空気温度のて実施した「高温空気燃焼制御技術研究開発」プロジェク上昇に伴う火炎温度の上昇によって，同時にふく射熱損失トの一環として行ったもので，感謝の意を表する.実験数も増大するため，高伸長率域に比べて消炎限界があまり拡値計算に当たっては，東北大学流体科学研究所の長谷川進大しないとし寸上述の推測は妥当であると考えられる. 技官，東北大学大学院生の南園英明君，東北大学学部学生の鈴木彰徳君の協力を得たことを記し，謝意を表する. 以上のことから，実際の焼却炉を考えた場合，廃棄物の熱分解による多成分混合ガスの消炎限界は，単一燃料ガスのそれと比べて大きく変化するものと思われ，多成分混合 REFERENCES ガスの中に反応性の高い H2が含まれていることも合わせて考えると，酸素ノ号一セントをさらに小さくした燃焼を行 1 . Katsuki， S .andE b i s u i， K . ，3 4 t h1 a p a n e s e5 y m p .onC o m b u s t . ( i n1 a p a n e s e人 1996， pp.441-443 い得る可能性がある.また，多成分ガスと吹き込む酸化剤の流速の相対速度を大きくしてなるべく高伸長場を形成 2 Hasegawa，T . ， Tanaka，R .，andNiioka，T .，1 0 i n tG e n .Conf し，そこで燃焼を行うことが高温空気を用いるに当たって，より効果的であると言える. EC-VoL5， ASME，1997， pp2 5 9 2 6 6 . 目 3 . K a t s u k i，M. and Hasegawa，T . ， P r o c .C o m b u s t .I n s t .2 7 : 3135-3146( 1 9 9 8 ). .，Tsuge，S .，F r u h a t a，T .，Kitagawa，K，Aral，N.， 4 . I s h i g r o，T 5 . 結言 Hasegawa，T .，Tnaka，R .，andGupta，A .K .，P r o c .C o m b u s t . 酸化剤である空気温度および CH4-C) Hx混合燃料の混合体積割合を変え，対向流拡散火炎を用いて実験的および数 1 9 9 8 ) . I 1 1 S t .2 7・3205-3213( 5 Niioka， T . ，5 t hA5ME/15ME1 0 i n tConf，A1T E99-6301 ，1999，値解析的に消炎限界を求めた.その結果，以下の知見を得た. ， 1 6 . 6 S a t e f u k u，T .，Noto，T .，Matsui，S .，Nishino，M.， u z u k i .M.，T ， and Fujisawa，Y .，P r o c . Foru l 1 l H i g h t e m p e r a t u r ea i r ( 1 ) CH4 ・C Hx混合燃料の C Hx混合体積割合を大きくしていくと消炎限界は拡大する. ， ( 2 ) CH4-CHx混合燃料においても，低伸長率域において，T e ch .( i nl a p a n e s e )，2001，pp.53-68. c o m b u s t 7 . Yoshida，T .，Nakamura，T . ， Matsudaira，T . ， Furukawa，T . ，ふく射消炎限界が存在する. and Okuyama，K. ，3 2 t h1 a p a n e s e5 y m p . on C o m b u s t .( i n (3)高温空気を用いた場合，消炎限界は拡大していくが，，， CH4-CHx混合燃料および C Hぉは低伸長率域における p . 100-102 1 a p a n e s e )，1994，p 目 8 . Otsuka，Y . andWatanabe，H .，15M B .T r a n s .( i n1 a p a n e s e ) 拡大よりも，高伸長率域における拡大の方が顕著になる傾向が見られた. 4 1 :2980-2983( 19 7 5 ) . 9 Kee，R .J .，Grcar，1 .F .，Smooke，M. D .，andM i l l e r，1 .A.， ( 3 8 ) 1 6 5 {専田知広ほか，混合燃料の対向流拡散火炎の消炎に関する研究 S a n d i aR e p .，SAND85-8240，( 1 9 8ラ ) . 1 0 .J u，Y .，Guo，H .，Maruta，K .，a n dL i u，F .，よ F l u i l dMech .3 42 19 9 7 ) . 315-334( .，T'i 巳n，1 .S .，and Lee，H .S .，C o m b u s t .T h e o r v 1 1 .B e d i r，H M o d e l l i n g1 :395-404( 1 9 9 7 ) . .T . ，S m i t h，G .P .，andG a r i n e r，W 1 2 .F r e n k l a c h，M.，Bowman，C t t p : / / w w w . m 巳. b e r k 巳l e y .巴d u / g r i m e c h /，( 19 9 9 ) . C .，h 1 3 .K巳巴， R .J .，Rupley，F .M.，andMi l 1e r，1 .A .，S a n d i aRep 円 SAND89-8009，( 1 9 8 9 ) . ， 1 4 .Maruta， K Yoshida， M.， J u， Y .， a n d N i i o k a， T .， P r o c .C o m b u s t .I n s t .2 6 :1 2 8 3 1 2 8 9( 1 9 9 6 ) . .，Yoshida，M.，Guo，H .，J u，Y .，a n dN i i o k a，T . ， 1 5 .Maruta，K C o m b u s t .Flame1 1 2 :1 8 1 1 8 7( 19 9 8 ) . .，J u .Y .，Maruta，K .，N i i o k a，T .，a n dL i u，F .，Combust ， 1 6 .Guo，H Flame1 0 9 :6 3 9 6 4 6( 1 9 9 7 ) . ) ( 39