世界初！アンモニアと混焼する微粉炭の詳細燃焼挙動を明らかに
～再生可能エネルギーの利用拡大につながる新たな知見～

ポイント

• 微粉炭とアンモニアの混焼の詳細な燃焼挙動を明らかに。
• ハイスピードカメラと長距離顕微鏡により、高い時間・空間分解能を有する撮影を実現。
• 再生可能エネルギー起源の水素エネルギーの利用技術への応用に期待。

＜研究の背景＞

本研究テーマでは、微粉炭とアンモニアの混焼を対象としています。微粉炭は、国内では石炭火力発電所のボイラーやセメント製造などの窯業・土石産業の燃料として使用されています。微粉炭を燃料として用いた際の燃焼の様子は、燃焼炉に設けられた観察窓からの直接撮影や、小型モデルを用いた大気開放燃焼実験に対して種々の光学計測技術を適用することにより観察が行われてきましたが、詳細な燃焼挙動は明らかにされていませんでした。これは、微粉炭の詳細な燃焼挙動を観察することに適した場を形成する知見が今まで存在しなかったことによります。本研究室は、微小な燃料の粒から成る噴霧の燃焼場を安定的に形成する技術を有しており、その技術を応用することで、微粉炭の詳細な燃焼挙動を観察することに適した場の形成を成し遂げました。

＜研究の内容＞

本研究では、微粉炭とアンモニアの混焼の基礎的な物理現象を明らかにするための燃焼観察場として、光学計測に適し流速が遅い大気開放の層流対向流バーナ（図１、図２参照）を用いた“層流対向流場^注４）”を採用しました。その層流対向流バーナで燃焼する微粉炭に対して、高い時間・空間分解能を有する計測を適用することを可能としました。具体的には、高い時間分解能の実現のために、１秒間に１０，０００コマ（標準的なテレビの動画は１秒間に６０コマ）のハイスピードカメラによる撮影を行いました。高い空間分解能の実現のために、高倍率で焦点距離の長い“長距離顕微鏡^注５）”を合わせて使用しました。これにより図３に示すように、数１０μｍの微粉炭粒子一粒の揮発分^注６）放出時や揮発分燃焼時の運動の様子や、揮発分のアンモニアとの混焼によって生じたすすの流動や凝縮・凝集過程、揮発分放出後の微粉炭の表面燃焼の過程などを詳細に観察することができました。今まで提唱されたことがなかった現象である“揮発分の非等方的な放出”や、“揮発分の燃焼過程において非球形粒子が燃焼ガスからの外力を受けることで、気相中で複雑な回転・並進運動をすること”を明らかにしました。

＜研究成果の意義＞

本研究成果は、実機の微粉炭焚き火力発電ボイラー燃焼器や工業炉における燃焼シミュレーション用のデータベース（検証用の基礎データ）として活用されることで、実機検証機会の削減に寄与し、研究開発の加速化・低コスト化が期待されます。さらに本研究成果は、微粉炭とアンモニアの混焼時の窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）の低減メカニズムの解明の第一歩に位置付けられます。この技術は、将来の微粉炭とアンモニアの混焼技術の開発のみならず、現在の微粉炭火力発電の多品種石炭採用時の開発に大いに役立つものと期待されます。

＜特記事項＞

本研究成果は、日本燃焼学会第５４回燃焼シンポジウム（平成２８年１１月２３日～２５日開催）において、発表されます。

タイトル：“層流対向流場において水素拡散火炎により保炎される微粉炭粒子とアンモニアの混焼挙動”
著者名：福井 淳平、中塚 記章、泰中 一樹、東野 秀隆、林 潤、赤松 史光

＜参考図＞

＜用語解説＞

注１） 微粉炭

数１０μｍの微粉砕石炭粉。

注２） アンモニア

分子式がＮＨ３で表される窒素と水素の化合物。常温常圧では無色の気体で、特有の強い刺激臭と毒性を持つ。水素を高い割合（重量で１８％）で含む水素キャリアの一種で、加圧することで容易に液化し（２０℃では８．５気圧で液化）、貯蔵・輸送が比較的容易であるため、その利用が期待されている。

注３） 混焼

複数の燃料を混合して燃焼させる技術。

注４） 層流対向流場

乱れのない２つの気体の流れを正対させて衝突させることで形成される流れ場で、気体の流速が０になるよどみ面が安定的に形成されるという特徴がある。

注５） 長距離顕微鏡

被計測物から約３０ｃｍ離れたところから最大１０倍の拡大撮影が可能である特殊なカメラレンズ。

注６） 揮発分

固体燃料が熱を受け取ることで放出する燃料成分を含む気体。

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