(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
微粉炭の粒子が温度上昇により熱分解されることによって放出される揮発分を、第１の成分、第１の成分と分子式が異なる第２の成分、及び第１の成分と分子式は等しいが標準生成エンタルピーが異なる第３の成分を少なくとも含んで構成されていると仮定するモデリングに基づいて微粉炭の燃焼を計算流体力学に基づいてシミュレーションする微粉炭燃焼のシミュレーション方法であって、前記第１の成分と第２の成分とが、一方が炭素原子のみからなり、他方が水素原子のみからなるか、又は、前記第１の成分と第２の成分とが、それぞれ、炭素原子に対する水素原子の構成比が異なる炭化水素からなると仮定するとともに、第１の成分及び第３の成分の微粉炭中の質量割合を調整して前記モデリングに基づいて算出された発熱量と工業分析による発熱量とを等しくすることを特徴とする微粉炭燃焼のシミュレーション方法。
【請求項２】
各微粉炭粒子の燃焼をシミュレーションして各微粉炭粒子の温度経過情報を含むシミュレーション結果を算出するシミュレーション工程と、
前記シミュレーション工程により得られたシミュレーション結果が所定の終了条件を満たしているか否かを判定する判定工程と、
前記シミュレーション工程によって得られた各微粉炭粒子の温度経過情報に基づいて、微粉炭情報データベースに格納された参照微粉炭粒子の中から各微粉炭粒子の温度経過情報に最も近い温度経過情報を有する参照微粉炭粒子を特定し、微粉炭情報データベースからその参照微粉炭粒子の揮発分質量割合を含む微粉炭の物性情報を抽出する情報抽出工程と、
工業分析による発熱量と前記モデリングに基づいて算出された発熱量とが等しくなるように調整された第１の成分及び第３の成分の微粉炭中の質量割合を算出する成分情報算出工程とからなり、
前記判定工程により前記シミュレーション結果が前記終了条件を満たさないと判定された場合に、情報抽出工程及び成分情報算出工程を実行し、前記情報抽出工程により抽出された物性情報、成分情報算出工程により算出された各質量割合、並びに前記シミュレーション工程により得られた前記シミュレーション結果を、シミュレーション工程における設定値として再設定し、シミュレーション工程を再度実行することを特徴とする請求項１記載の微粉炭燃焼のシミュレーション方法。
【請求項３】
前記成分情報算出工程が、情報抽出工程で得られた揮発分質量割合から揮発分中の前記第２の成分の各質量割合を算出すると共に、第１の成分の質量割合と第３の成分の質量割合とを加算して得られる合計質量割合を求める質量割合算出工程と、工業分析による発熱量と前記モデリングに基づいて算出された発熱量とが等しくなるように、合計質量割合から、第１の成分及び第３の成分の微粉炭中の質量割合を算出する算出工程とを備えたことを特徴とする請求項２に記載の微粉炭燃焼のシミュレーション方法。
【請求項４】
前記第１の成分及び第２の成分を、一方がＣＨ4、他方がＣ2Ｈ2であると仮定してシミュレーションすることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の微粉炭燃焼のシミュレーション方法。
【請求項５】
前記揮発分を、Ｏ2、ＨＣＮ、前記第１の成分、前記第２の成分、及び前記第３の成分で構成されていると仮定してモデリングすることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の微粉炭燃焼のシミュレーション方法。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載された微粉炭燃焼のシミュレーション方法の手順がプログラムコードとして記述されたことを特徴とするコンピュータで実行可能なプログラム。
【請求項７】
請求項６に記載された微粉炭燃焼のシミュレーション方法のプログラムが記憶されたことを特徴とするコンピュータで読取可能な記憶媒体。
【請求項８】
微粉炭燃焼を計算流体力学に基づいてシミュレーションする微粉炭燃焼のシミュレーション装置において、
各微粉炭粒子の揮発分を、第１の成分、第１の成分と分子式が異なる第２の成分、及び第１の成分と分子式は等しいが標準生成エンタルピーが異なる第３の成分を少なくとも含んで構成されていると仮定し、前記第１の成分と第２の成分とが、一方が炭素原子のみからなり、他方が水素原子のみからなるか、又は、前記第１の成分と第２の成分とが、それぞれ、炭素原子に対する水素原子の構成比が異なる炭化水素からなるとして、各微粉炭粒子の温度経過情報を含むシミュレーション結果を算出するように構成されたシミュレーション手段と、
複数の参照微粉炭粒子に対する温度経過情報と揮発分質量割合を含む物性情報とがそれぞれ格納された微粉炭情報データベースと、
該シミュレーション手段によって得られた各微粉炭粒子の温度経過情報に基づいて、前記微粉炭情報データベースに格納された参照微粉炭粒子の中から各微粉炭粒子の温度経過情報に最も近い温度経過情報を有する参照微粉炭粒子を特定し、且つその参照微粉炭粒子の揮発分質量割合を含む物性情報をそれぞれ抽出するように構成された情報抽出手段と、
工業分析による発熱量と前記モデリングに基づいて算出された発熱量とが等しくなるように調整された第１の成分及び第３の成分の微粉炭中の質量割合を算出するように構成された成分情報算出手段と、
前記シミュレーション工程により得られたシミュレーション結果が所定の終了条件を満たしているか否かを判定するように構成された判定手段と
を備えることを特徴とする微粉炭燃焼のシミュレーション装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シミュレーション方法、プログラム及びこれを記録した記録媒体、並びにシミュレーション装置に関し、特に、微粉炭燃焼のシミュレーション方法、プログラム及びこれを記録した記録媒体、並びに微粉炭燃焼のシミュレーション装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
汎用熱流体解析ソフトウエアによるＣＦＤ（Computational Fluid Dynamics）シミュレーション技術は、様々な工業分野での設計や現象解析へ利用されている。近年注目を集めている石炭火力発電における微粉炭燃焼においても、ＣＦＤシミュレーションにより、火炉のバーナ付近での微粉炭粒子の挙動の分析が進められている。
【０００３】
ここで、微粉炭燃焼について図１を用いて説明する。図１（ａ）に示すように、微粉炭は、水分、灰分、固定炭素、及び揮発分とからなり、これらの割合は、工業分析によりあらかじめ予測される。この微粉炭が火炉に投入され加熱されると、水分が放出され、次いで熱分解により、揮発分が放出される。揮発分が放出された後の微粉炭はそのほとんどが固定炭素及び灰分からなるチャーとなる。チャーに含まれる固定炭素のうち燃焼しきらないまま火炉から出て行ってしまったものが、灰中未燃分となる。
【０００４】
微粉炭の成分のうち、揮発分は、火炉のバーナ近傍での火炎形状及び微粉炭粒子の挙動に大きな影響を与えるものであるが、この揮発分の放出量及び放出速度は、微粉炭の昇温速度によって大きく異なる。例えば、図１（ｂ）に示す昇温速度が大きい場合、実際放出される揮発分の量は、低い昇温速度で行われる工業分析によって得られる揮発分放出量より多くなる。
【０００５】
従来、このような微粉炭燃焼のシミュレーションでは、揮発分の成分を、疑似成分ＣＨxＯyと仮定してモデリングすることが知られている（例えば、特許文献１参照）。例えば、揮発分中のＣ：Ｈ：Ｏ比（元素構成比）がｎ：ｍ：ｌであれば、揮発分の成分をｎＣＨm/nＯl/nとして仮定する。そして、このように仮定された揮発分において、実際放出される揮発分の量を、工業分析値に定数（１．２〜１．５）をかけて得られる値として一定のものとし、粒子の昇温速度の違いによる揮発分の放出総量及び放出速度の変化を考慮していなかった。
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−３５６６８１号公報（請求項１、段落００２１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、微粉炭燃焼のシミュレーションでは、揮発分中の成分毎に輸送方程式を解いている。このような微粉炭燃焼シミュレーションにおいて、従来のシミュレーションでは考慮されていなかった粒子の昇温速度の違いによる揮発分の放出総量及び放出速度の変化の点を考慮して、温度に関してより現実に近いシミュレーションを行おうとすると、以下のような問題が生じる。
【０００８】
即ち、従来のように揮発分の疑似成分をＣＨxＯy、又はＣxＨyＯzと仮定すると、粒子の昇温速度の違いにより揮発分の放出量が変化する度に、言い換えると揮発分の疑似成分に対し異なる元素構成比（Ｃ：Ｈ：Ｏ＝ｘ：ｙ：ｚ）が与えられる度に、揮発分の成分にかかる輸送方程式を解くことになり、膨大な数の輸送方程式を解くために計算時間が大幅に増加してしまうという問題が生じる。
【０００９】
そこで、本発明の課題は、上記従来技術の問題点を解消することにあり、計算負荷が小さく、かつ、温度に関してより現実に近い微粉炭燃焼のシミュレーション方法及びシミュレーション装置を提供することにある。また、このシミュレーション方法を実施するためのプログラム及びこれを記録した記録媒体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の微粉炭燃焼のシミュレーション方法は、微粉炭の粒子が温度上昇により熱分解されることによって放出される揮発分を、第１の成分、第１の成分と分子式が異なる第２の成分、及び第１の成分と分子式は等しいが標準生成エンタルピーが異なる第３の成分を少なくとも含んで構成されていると仮定するモデリングに基づいて微粉炭の燃焼を計算流体力学に基づいてシミュレーションする微粉炭燃焼のシミュレーション方法であって、前記第１の成分と第２の成分とが、一方が炭素原子のみからなり、他方が水素原子のみからなるか、又は、前記第１の成分と第２の成分とが、それぞれ、炭素原子に対する水素原子の構成比が異なる炭化水素からなると仮定するとともに、第１の成分及び第３の成分の微粉炭中の質量割合を調整して前記モデリングに基づいて算出された発熱量と工業分析による発熱量とを等しくすることを特徴とする。
【００１１】
本発明のシミュレーション方法では、揮発分の成分として少なくとも３つの成分からなると仮定し、揮発分の成分を固定することにより、揮発分の成分に関する輸送方程式の数を限定することが可能である。つまり、従来のシミュレーションのように、揮発分の成分をＣxＨyＯzと仮定する場合、例えば昇温速度毎に異なる構成比を表す変数（ｘ、ｙ、ｚ）を与えられると揮発分の成分に関する輸送方程式の数が増える虞がある。このことに鑑みて、本発明では、揮発分の成分を常に固定して変数をなくすことで、計算中に解かねばならない輸送方程式の数を制限することにより、計算負荷を小さくすることを可能としている。この場合に、３つの成分のうち、第１の成分と第２の成分とは、炭素と水素の構成比が互いに異なっているので、この２つの成分で揮発分中の炭素と水素の総量を表すことが可能である。さらに、本発明のシミュレーション方法においては、第１の成分と第３の成分との揮発分中の質量割合を調整して前記モデリングに基づいて算出された発熱量と工業分析による発熱量とを等しくすることで、温度に関してより現実に即した結果を得ることができる。
【００１２】
各微粉炭粒子の燃焼をシミュレーションして各微粉炭粒子の温度経過情報を含むシミュレーション結果を算出するシミュレーション工程と、前記シミュレーション工程により得られたシミュレーション結果が所定の終了条件を満たしているか否かを判定する判定工程と、前記シミュレーション工程によって得られた各微粉炭粒子の温度経過情報に基づいて、微粉炭情報データベースに格納された参照微粉炭粒子の中から各微粉炭粒子の温度経過情報に最も近い温度経過情報を有する参照微粉炭粒子を特定し、微粉炭情報データベースからその参照微粉炭粒子の揮発分質量割合を含む微粉炭の物性情報を抽出する情報抽出工程と、工業分析による発熱量と前記モデリングに基づいて算出された発熱量とが等しくなるように調整された第１の成分及び第３の成分の微粉炭中の質量割合を算出する成分情報算出工程とからなり、前記判定工程により前記シミュレーション結果が前記終了条件を満たさないと判定された場合に、情報抽出工程及び成分情報算出工程を実行し、前記情報抽出工程により抽出された物性情報、成分情報算出工程により算出された各質量割合、並びに前記シミュレーション工程により得られた前記シミュレーション結果を、シミュレーション工程における設定値として再設定し、シミュレーション工程を再度実行することが好ましい。かかるシミュレーション方法においては、上述したように揮発分の成分をモデリングしているので、計算負荷が小さい上に、情報抽出工程により、温度経過による微粉炭の物性情報を抽出し、シミュレーション工程において各値を再設定できるので、より現実に近いシミュレーションを行うことができる。
【００１３】
前記成分情報算出工程は、情報抽出工程で得られた揮発分質量割合から揮発分中の前記第２の成分の各質量割合を算出すると共に、第１の成分の質量割合と第３の成分の質量割合とを加算して得られる合計質量割合を求める質量割合算出工程と、工業分析による発熱量と前記モデリングに基づいて算出された発熱量とが等しくなるように、合計質量割合から、第１の成分及び第３の成分の微粉炭中の質量割合を算出する算出工程とを備えたことが好ましい。かかる工程により、第１の成分及び第３の成分の微粉炭中の質量割合を算出し、前記モデリングに基づいて算出された発熱量と工業分析による発熱量とを等しくすることで、温度に関してより現実に近いシミュレーションを行うことが可能となる。
【００１４】
ここで、前記第１の成分及び第２の成分を、一方がＣＨ4、他方がＣ2Ｈ2であると仮定してシミュレーションすることが好ましい。これら二つの成分を、実際に揮発分に含まれるＣＨ4、及びＣ2Ｈ2に模擬することで、現実の微粉炭燃焼により近い状態を模擬してシミュレーションすることができるからである。
【００１５】
また、前記揮発分を、Ｏ2、ＨＣＮ、前記第１の成分、前記第２の成分、及び前記第３の成分で構成されていると仮定してモデリングすることが好ましい。第１〜第３の成分以外にこれらのＯ2、ＨＣＮを仮定することで、より現実の微粉炭燃焼に近い状態を模擬してシミュレーションすることができるからである。
【００１６】
本発明のコンピュータで実行可能なプログラムは、前記微粉炭燃焼のシミュレーション方法の手順がプログラムコードとして記述されたことを特徴とし、また、本発明のコンピュータで読取可能な記憶媒体は、微粉炭燃焼のシミュレーション方法のプログラムが記憶されたことを特徴とする。
【００１７】
本発明の微粉炭燃焼シミュレーション装置は、微粉炭燃焼を計算流体力学に基づいてシミュレーションする微粉炭燃焼のシミュレーション装置において、各微粉炭粒子の揮発分を、第１の成分、第１の成分と分子式が異なる第２の成分、及び第１の成分と分子式は等しいが標準生成エンタルピーが異なる第３の成分を少なくとも含んで構成されていると仮定し、前記第１の成分と第２の成分とが、一方が炭素原子のみからなり、他方が水素原子のみからなるか、又は、前記第１の成分と第２の成分とが、それぞれ、炭素原子に対する水素原子の構成比が異なる炭化水素からなるとして、各微粉炭粒子の温度経過情報を含むシミュレーション結果を算出するように構成されたシミュレーション手段と、複数の参照微粉炭粒子に対する温度経過情報と揮発分質量割合を含む物性情報とがそれぞれ格納された微粉炭情報データベースと、該シミュレーション手段によって得られた各微粉炭粒子の温度経過情報に基づいて、前記微粉炭情報データベースに格納された参照微粉炭粒子の中から各微粉炭粒子の温度経過情報に最も近い温度経過情報を有する参照微粉炭粒子を特定し、且つその参照微粉炭粒子の揮発分質量割合を含む物性情報をそれぞれ抽出するように構成された情報抽出手段と、工業分析による発熱量と前記モデリングに基づいて算出された発熱量とが等しくなるように調整された第１の成分及び第３の成分の微粉炭中の質量割合を算出するように構成された成分情報算出手段と、前記シミュレーション工程により得られたシミュレーション結果が所定の終了条件を満たしているか否かを判定するように構成された判定手段とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明のシミュレーション方法、プログラム及びシミュレーション装置によれば、計算負荷が小さく、かつ、より現実に即した高精度な計算を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
初めに、本発明のシミュレーション方法に用いられるモデリング方法について説明する。
【００２０】
このモデリング方法は、前記微粉炭の粒子が温度上昇により熱分解することによって放出される揮発分が、第１の成分、第１の成分と分子式が異なる第２の成分、及び第１の成分と分子式は等しいが標準生成エンタルピーが異なる第３の成分を少なくとも含んで構成されていると仮定して微粉炭の燃焼をモデリングするものであり、前記第１の成分と、第２の成分とが、一方が炭素原子のみからなり、他方が水素原子のみからなるか、又は、前記第１の成分と、第２の成分とが、それぞれ、炭素原子に対する水素原子の構成比が異なる炭化水素からなると仮定する。例えば、第１の成分と第２の成分のうち、一方をＨ、他方をＣとして仮定してもよく、また、第１の成分と第２の成分のうち、一方をＣＨ4、他方をＣ2Ｈ4として仮定してもよい。つまり、第１の成分と第２の成分がそれぞれ異なる炭素原子に対する水素原子の構成比を有している分子式で表されることで、揮発分中の炭素原子と水素原子との総量を二つの成分で表すことができる。また、好ましくは、実際に揮発分として放出される成分としてはＣＨ4及びＣ2Ｈ2があることに鑑みて、第１の成分及び第２の成分としてＣＨ4、Ｃ2Ｈ2を仮定することである。さらに、第１〜第３の成分に加えて、揮発分として実際放出される成分として挙げられるＯ2、ＨＣＮで揮発分が構成されると仮定すれば、より現実に近いシミュレーションとできるので好ましい。
【００２１】
本発明では、このように揮発分が固定された成分からなると仮定し、変数で表された成分がないことで、シミュレーションにおいて解くべき輸送方程式の数が固定されるため、計算負荷が小さい。
【００２２】
ところで、この揮発分の成分を仮定したモデリングにおいては、さらに第１の成分と分子式は同一であるが標準生成エンタルピーの異なる第３の成分を規定している。このように第３の成分を規定することで、第１のモデリングに基づいて得られる揮発分の発熱量が、工業分析による揮発分の発熱量に一致するように、第１の成分と第３の成分との質量割合を調整することができ、その結果、温度に関してより現実に即したシミュレーションを行うことができる。このような第１の成分と第３の成分との質量割合の調整について、具体的に以下説明する。
【００２３】
まず、各成分の質量割合を求めるため、揮発分の成分を、第１の成分及び第３の成分を表す分子式で規定される成分としてのＣＨ4、第２の成分としてのＣ2Ｈ2、また、Ｏ2、ＨＣＮでモデリングする。なお、ここでは第１の成分及び第３の成分について別々に規定せず、これらを表す分子式で規定される成分としてまとめて規定しており、後述するようにこの成分の質量割合は、第１の成分の質量割合及び第３の成分の質量割合を合計したものに等しい。この場合、石炭中の揮発分の各成分の質量割合は、以下の式（１．１）で表される。
【００２４】
【数１】
0005062679.tif 000002
ここで、ｍvolaは石炭中揮発分の質量割合（kg/kg-coal）、ｍCH4は石炭中ＣＨ4として放出される揮発分の質量割合（kg/kg-coal）、ｍC2H2は石炭中Ｃ2Ｈ2として放出される揮発分の質量割合（kg/kg-coal）、ｍO2は石炭中Ｏ2として放出される揮発分の質量割合（kg/kg-coal）、ｍHCNは石炭中ＨＣＮとして放出される揮発分の質量割合（kg/kg−coal）である。また、各成分を構成する元素自体は以下の式で表される。
【００２５】
【数２】
0005062679.tif 000003
【００２６】
【数３】
0005062679.tif 000004
【００２７】
【数４】
0005062679.tif 000005
【００２８】
【数５】
0005062679.tif 000006
【００２９】
【数６】
0005062679.tif 000007
【００３０】
【数７】
0005062679.tif 000008
【００３１】
ｍxは石炭中の元素Ｘの質量割合（kg/kg-coal）、Ｐxは工業分析値（到着ベース質量分率）、Ｕxは元素分析値（無水無灰ベース質量分率）であり、添え字C,vola、C,char、vola、H、O、N、ash、moistはそれぞれ、揮発分の炭素、チャーの炭素、揮発分の全量、水素、酸素、窒素、灰分、水分を示す。式（１．７）中のηNは石炭中元素Ｎのうち揮発分のＨＣＮとして放出されるＮの割合を示す。
【００３２】
これらの（１．２）〜（１．７）式を連立して解くことにより、揮発分中のＣＨ4、Ｃ2Ｈ2、Ｏ2、ＨＣＮの質量割合が得られる。
【００３３】
次いで、これらの質量割合から、第１の成分と第３の成分の質量割合を工業分析値に基づいて算出する。工業分析に基づいた発熱量ＧＣＶと、モデリングに基づいた発熱量とが一致するためには、以下の式（２．１）が成立する。
【００３４】
【数８】
0005062679.tif 000009
・・・・・（２．１）
【００３５】
ｆxは揮発分中の質量分率であり、前記質量割合から求まる。Δｈｘは単位当たりの発熱量を示す。添え字、C,char、vola、moistはそれぞれ、チャーの炭素、揮発分の全量、水分を示す。また、Ｃ2Ｈ2の発熱量ΔｈC2H2、およびチャーの発熱量Δｈcharは規定されている。また、石炭中揮発分の熱分解反応に必要な熱量Δｈdev及び水分の蒸発潜熱Δｈlatはそれぞれ既知の値である。なお、ΔｈGCVは工業分析に基づいた発熱量と、モデリングに基づいた発熱量とが一致するための調整値である。
【００３６】
ここで、この式（２．１）に発熱量の異なる第１の成分及び第３の成分を導入しこれらの質量割合を調整することで、調整値ΔｈGCVをなくし各成分の発熱量のみでモデリングによる発熱量を規定しなおす。そのため、標準生成エンタルピーの高い第１の成分の単位質量当たりの発熱量ΔｈCH4high、標準生成エンタルピーの低い第３の成分の単位質量当たりの発熱量ΔｈCH4low、及びこれらの発熱量を調整するための発熱量調整パラメータξ（０以上１以下のいずれかの値をとり、以下存在割合ともいう）を用いて式（２．１）を書き直すと、以下の式（２．２）で表すことができる。
【００３７】
【数９】
0005062679.tif 000010
・・・・・（２．２）
【００３８】
従って、この式（２．２）に工業分析値等既知の値及び規定されている値を代入することで、工業分析による発熱量とモデリングに基づく発熱量とが一致するように、第１の成分の質量割合及び第３の成分の存在割合ξを求めることができる。そして、ＣＨ4の質量割合である（ｍvola×ｆCH4）と前記存在割合ξを用いて、第１の成分の質量割合は、（ｍvola×ｆCH4×（１−ξ））、第３の成分の質量割合は（ｍvola×ｆCH4×ξ）と算出できる。即ち、規定されたＣＨ4の質量割合は、第１の成分の質量割合と第３の成分の質量割合が加算されたものとしている。
【００３９】
以上のようにして、モデリングに基づく発熱量と、工業分析による発熱量とが等しくなるように第１の成分と第３の成分との質量割合（存在割合）を調整することで、温度に関してより現実に即したシミュレーションを行うことができる。
【００４０】
以下、上記モデリング方法を用いたシミュレーション方法及びシミュレーション装置について説明する。
【００４１】
図２は、本発明の微粉炭燃焼のシミュレーション装置の概略を示すブロック図である。シミュレーション装置１は、ＣＦＤ計算手段１１と、判定手段１２と、微粉炭情報データベース１３と、微粉炭情報データベース１３から微粉炭粒子に関する情報を抽出する情報抽出手段１４と、成分情報算出手段１５と、分析値格納部１６とを備えている。
【００４２】
ＣＦＤ計算手段１１は、ＣＦＤ計算に必要となるすべての変数に所定の初期値を設定し、かつ工業分析値及び元素分析値を分析値格納部１６に格納する設定部１１１と、設定部１１１で設定された設定値で、上記モデリングに基づいて微粉炭粒子の燃焼の数値シミュレーションを行って、各微粉炭粒子の温度経過情報を含むシミュレーション結果を算出するＣＦＤ計算部１１２とからなる。ここで、微粉炭粒子の温度経過情報とは、所定の時刻ｔj（０≦ｊ≦ｎ，ｊ及びｎは正の整数）における微粉炭粒子の温度Ｔjの集合からなり、微粉炭粒子の温度が時間の経過に従ってどのように変化したかを示す情報をいう。
【００４３】
判定手段１２は、ＣＦＤ計算手段１１のＣＦＤ計算部１１２に接続され、ＣＦＤ計算部１１２により得られたシミュレーション結果が所定の終了条件を満たしているかを判定するように構成されている。
【００４４】
微粉炭情報データベース（微粉炭情報ＤＢ）１３は、参照微粉炭粒子に対する温度経過情報と揮発分の質量割合を含む物性情報とが予め格納されたデータベースであり、情報抽出手段１４に接続されている。
【００４５】
情報抽出手段１４は、微粉炭情報データベース１３に接続されるとともに、ＣＦＤ計算部１１２と判定手段１２とに接続されている。情報抽出手段１４は、判定手段１２により終了条件が満たされていないと判断された場合に作動するように構成されている。かつ、情報抽出手段１４は、ＣＦＤ計算部１１２により得られた各微粉炭粒子の温度経過情報に基づいて、微粉炭情報データベース１３に格納されている参照微粉炭粒子の中から、各微粉炭粒子に対して最も近い温度経過情報を有する参照微粉炭粒子の揮発分割合を含む微粉炭の物性情報を抽出するように構成されている。
【００４６】
成分情報算出手段１５は、情報抽出手段１４及び分析値格納部１６に接続されている。分析値格納部１６には、ＣＦＤ計算手段１１の設定部１１１が接続されており、設定部１１１により入力された工業分析による微粉炭の工業分析値及び元素分析値が格納されている。
【００４７】
成分情報算出手段１５は、上述したモデリングに基づいて算出された発熱量と工業分析による発熱量とが等しくなるように第１の成分と第３の成分との揮発分中の質量割合を算出するように構成されている。
【００４８】
また、情報抽出手段１４、成分情報算出手段１５及びＣＦＤ計算部１１２は、それぞれＣＦＤ計算手段１１の設定部１１１に接続されており、ＣＦＤ計算部１１２によるシミュレーション結果、情報抽出手段１４で抽出された微粉炭の物性情報、成分情報算出手段１５で算出された各成分の質量割合は、それぞれ設定部１１１に入力され、次回のＣＦＤ計算における変数として設定される。
【００４９】
即ち、本発明においては、微粉炭情報データベース１３と情報抽出手段１４とを設け、これにより、個々の微粉炭粒子の昇温速度に応じた微粉炭の物性情報を得ることができ、この情報をＣＦＤ計算において再設定することで、従来のＣＦＤ計算においては考慮されてこなかった揮発分の放出速度及び放出総量、各微粉炭粒子の種類や粒子径、並びにその微粉炭粒子が投入される火炉内の投入位置を考慮して微粉炭燃焼シミュレーションを行うことができる。
【００５０】
そして、揮発分中の成分が固定されていることで、ＣＦＤ計算手段１１においては揮発分の成分にかかる解くべき輸送方程式の数が限定されるため、計算の負荷が小さくなる。さらに、成分情報算出手段１５により、上述したモデリングに基づいて算出された発熱量と工業分析による発熱量とが等しくなるように調整された第１の成分と第３の成分との揮発分中の質量割合を算出することで、温度に関しより現実に近いシミュレーションを行うことができる。
【００５１】
以下、シミュレーション装置１を用いたシミュレーション方法を、図３を参照して説明する。
【００５２】
図３は、本発明の微粉炭燃焼のシミュレーション方法を説明するためのフローチャートである。同図に示すように、まずＣＦＤ計算手段１１の設定部１１１によりＣＦＤ計算に用いられるすべての変数に初期値、工業分析値及び元素分析値を入力し、設定する（Ｓ２１）。工業分析値は分析値格納部１６に格納される。
【００５３】
次いで、設定部１１１により設定された初期値に基づいて、ＣＦＤ計算部１１２により上述したモデリング方法を組み込んで微粉炭燃焼シミュレーションを行い、各微粉炭粒子の温度経過情報を含むシミュレーション結果を算出する（ＣＦＤ計算工程：Ｓ２２）。この場合、ＣＦＤ計算部１１２では、揮発分の成分は固定されているので、計算負荷が小さい。
【００５４】
その後、得られたシミュレーション結果が終了条件を満たすか否かの判定を判定手段１２により行う（判定工程：Ｓ２３）。シミュレーション結果が終了条件を満たす場合（Ｓ２３：ＹＥＳ）には、シミュレーションは終了する。
【００５５】
そして、シミュレーション結果が終了条件を満たさない場合（Ｓ２３：ＮＯ）には、情報抽出手段１４により、ＣＦＤ計算工程Ｓ２２により得られた各微粉炭粒子の温度経過情報に基づいて、微粉炭情報データベース１３から各微粉炭粒子の温度経過情報に最も近い温度経過情報を有する参照微粉炭粒子の物性情報を抽出する（情報抽出工程：Ｓ２４）。
【００５６】
この微粉炭の物性情報と、分析値格納部１６に格納された（Ｓ２１参照）工業分析情報とに基づいて、上述したモデリングに基づいて算出された発熱量と工業分析による発熱量とが等しくなるように調整された第１の成分と第３の成分との揮発分中の質量割合を算出する（成分情報算出工程：Ｓ２５）。
【００５７】
その後、情報抽出工程Ｓ２４で抽出された微粉炭の物性情報、及び成分情報算出工程Ｓ２５で算出された各成分の質量割合は、それぞれＣＦＤ計算手段１１の設定部１１１に入力され、ＣＦＤ計算工程の設定値として再設定され（Ｓ２６）、ＣＦＤ計算工程Ｓ２２が再度行われる。そして、ＣＦＤ計算工程Ｓ２２が再度実行されて得られたシミュレーション結果が上述した終了条件を満たすと判定されるまで、これらの工程（Ｓ２２〜Ｓ２６）が１サイクルとして繰り返される。
【００５８】
このように、本発明のシミュレーション方法によれば、個々の微粉炭粒子の昇温速度に応じた微粉炭の物性情報を得ることができ、それをＣＦＤ計算において再設定することで、従来のＣＦＤ計算においては考慮されてこなかった揮発成分の放出速度及び放出総量、各微粉炭粒子の種類や粒子径、並びにその微粉炭粒子が投入される火炉内の投入位置を考慮して微粉炭燃焼シミュレーションを行うことができる。かつ、揮発分の成分が固定されているので、計算負荷が小さい。また、このように揮発分の成分をモデリングした場合に、成分情報算出工程Ｓ２５により、温度に関してより現実に近いシミュレーション結果を得ることができる。
【００５９】
以下、図４及び図５に基づいて、詳細な微粉炭燃焼のシミュレーション装置及びシミュレーション方法を、第１の成分及び第３の成分を表す分子式で規定される成分をＣＨ4（即ち第１の成分がＣＨ4high、第３の成分がＣＨ4low）、第２の成分をＣ2Ｈ2と仮定し、さらにＯ2、ＨＣＮを含むと仮定した場合について説明する。図４は、シミュレーション装置のブロック図であり、図５は、シミュレーション方法のフローチャートを示す。なお、図４中、図２と同じ構成要素は同じ参照番号が付してあり、図５中、図３と同じ構成要素は同じ参照番号が付してある。
【００６０】
まず、ＣＦＤ計算手段１１から詳細に説明する。ＣＦＤ計算手段１１の設定部１１１では、ＣＦＤ計算部１１２における変数の値、並びに工業分析値及び元素分析値が入力される。この設定値に基づいて、ＣＦＤ計算部１１２では、上述したモデリングを組み込んでシミュレーションが行われる。以下、ＣＦＤ計算部で行われる微粉炭粒子から放出される揮発成分の放出速度の算出方法について説明する。
【００６１】
微粉炭粒子から放出される揮発成分の放出速度（揮発成分放出速度ｄＶ／ｄｔ）は、下記の式（３．１）及び（３．２）（アレニウス型の揮発成分放出速度方程式）により算出される。
【００６２】
【数１０】
0005062679.tif 000011
ここで、Ｖ*は微粉炭粒子中の全揮発成分量、Ｖは微粉炭粒子から放出された揮発成分量を示す。
【００６３】
【数１１】
0005062679.tif 000012
ここで、Ｋvは揮発成分放出速度係数、Ａvは頻度因子、Ｅvは活性化エネルギー、Ｒは気体定数、Ｔjは時刻ｔjにおける微粉炭粒子の温度を示す。
【００６４】
すなわち、時刻ｔjにおける微粉炭粒子の温度Ｔjを式（３．２）に代入することにより、温度Ｔjにおける微粉炭粒子の揮発成分放出速度係数Ｋvを算出する。次いで、得られたＫvを式１に代入することにより、時刻ｔjにおける微粉炭粒子の揮発成分放出速度ｄＶ／ｄｔを算出することができる。
【００６５】
ここで、式（３．１）における微粉炭粒子中の全揮発成分量Ｖ*は、各微粉炭粒子の温度経過情報に応じて異なる値を用いる。すなわち、本実施形態の微粉炭燃焼シミュレーションでは、後述するように、各微粉炭粒子の種類や粒子径及びその微粉炭粒子が投入される火炉内の投入位置に応じて変化する温度経過情報に基づいてＶ*、ＡvおよびＥvを算出しているので、各微粉炭粒子の種類や粒子径及びその微粉炭粒子が投入される火炉内の投入位置を考慮した各微粉炭粒子の揮発成分放出速度ｄＶ／ｄｔを算出することができる。
【００６６】
従来の微粉炭燃焼シミュレーションでは、微粉炭粒子中の全揮発成分量Ｖ*はその微粉炭粒子の質量にのみ依存し、その微粉炭粒子の種類や粒子径及びその微粉炭粒子が投入される火炉内の投入位置に依存しない値を用いている。したがって、従来の微粉炭燃焼シミュレーションでは、微粉炭粒子の揮発成分放出速度ｄＶ／ｄｔを算出する際に、各微粉炭粒子の種類や粒子径及びその微粉炭粒子が投入される火炉内の投入位置を考慮することができないという問題があったが、本実施形態に係る微粉炭燃焼シミュレーションではそのような問題はない。
【００６７】
このようにしてＣＦＤ計算手段１１により、揮発分放出速度を算出するシミュレーションを行なう。なお、このシミュレーションは、STAR-CD（登録商標）、FLUENT（登録商標）、CFX（登録商標）などの汎用熱流体解析ソフトウエアを用いて実現することができ、具体的な計算方法については、参考文献１（保原充・大宮司久明編，数値流体力学−基礎と応用，東京大学出版会（1992年））、及び参考文献２（大宮司久明・三宅裕・吉沢徴編，乱流の数値流体力学−モデルと計算方法，東京大学出版会（1998年））を参照することができる。シミュレーション結果は、判定手段１２に出力され、判定手段１２において、終了条件が満たされているかどうかを判定される。終了条件としては、上述した汎用熱流体解析ソフトウエアに組み込まれている終了条件をそのまま用いればよい。満たされていない場合には、シミュレーション結果は、微粉炭情報データベース１３に接続されている情報抽出手段１４へ入力される。
【００６８】
ここで、微粉炭情報データベース１３について説明すると、微粉炭情報データベース１３には、参照微粉炭粒子ごとに、温度経過情報と物性情報とが関連付けられて格納されている。物性情報としては、式（３．１）における変数である全揮発成分量Ｖ*rを求めるための石炭中揮発分割合ｍvolaと、頻度因子Ａvrと、活性化エネルギーＥvrとが格納されている。なお、Ｖ*rはｍvolaと粒子の質量との積で求めることができる。なお、微粉炭情報データベース１３に格納されているこれらのデータは、実際に実験して得られたデータであってもよいし、たとえばPC Coal Lab（登録商標）などのようなＦＬＡＳＨＣＨＡＩＮモデルに基づく熱分解シミュレーションソフトウェアを用いて算出されたデータであってもよい。
【００６９】
情報抽出手段１４は、ＣＦＤ計算部１１２及び判定手段１２に接続された温度差算出手段１４１と、温度差算出手段１４１に接続された特定手段１４２と、特定手段１４２に接続された抽出手段１４３とを備えている。
【００７０】
温度差算出手段１４１では、ＣＦＤ計算部１１２により得られた各微粉炭粒子の温度経過情報ごとに、微粉炭情報データベース１３に格納されているすべての参照微粉炭粒子の温度経過情報に対して、下記の式（３．３）に示される数値erroriを算出する。
【００７１】
【数１２】
0005062679.tif 000013
式中、Ｔjは微粉炭粒子の時刻ｔjにおける温度を示し、Ｔri,jは微粉炭情報データベースに格納されているｉ番目の参照微粉炭粒子の時刻ｔjにおける温度を示す。
【００７２】
特定手段１４２では、この得られたすべてのerroriの中で最も小さな値となる参照微粉炭粒子を各微粉炭粒子ごとに特定する。次いで、抽出手段１４３において、微粉炭情報データベース１３から、特定手段１４２により特定された参照微粉炭粒子の石炭中揮発分割合ｍvolaと、頻度因子Ａvrと、活性化エネルギーＥvrとを抽出する。その結果、各微粉炭粒子に対して最も近い温度経過情報を有する参照微粉炭粒子の石炭中揮発分割合ｍvolaと、頻度因子Ａvrと、活性化エネルギーＥvrをそれぞれ抽出することができる。
【００７３】
成分情報算出手段１５は、この情報抽出手段１４及び分析値格納部１６に接続された質量割合算出手段１５１と、質量割合算出手段１５１及び分析値格納部１６に接続された算出手段１５２とを備えている。
【００７４】
質量割合算出手段１５１は、分析値格納部１６にＣＦＤ計算手段１１によって予め入力されていた工業分析値及び元素分析値から、前記Ｐｘ及びＵｘを得て前記（１．２）〜（１．７）の連立方程式を解いてＯ2、ＨＣＮ、Ｃ2Ｈ2、ＣＨ4の各質量割合をそれぞれ算出するように構成されている。
【００７５】
算出手段１５２は、質量割合算出手段１５１で得られた各質量割合及び分析値格納部１６に格納された工業分析値から、式（２．２）に基づいて存在割合ξを算出すると共に、標準生成エンタルピーの高いＣＨ4highと低いＣＨ4lowとの質量割合を算出することができるように構成されている。
【００７６】
即ち、本実施形態においては、標準生成エンタルピーの高いＣＨ4highと低いＣＨ4lowとの質量割合を調整することで、モデリングに基づく発熱量を工業分析による発熱量に一致するように調整し、より現実に近いシミュレーションを行えるようにしている。
【００７７】
各情報抽出手段１４の抽出手段１４３、並びに成分情報算出手段１５の質量割合算出手段１５１及び算出手段１５２は、それぞれＣＦＤ計算手段１１の設定部１１１に接続されており、これにより、質量割合算出手段１５１により算出された各質量割合、算出手段１５２によって得られた標準生成エンタルピーの高いＣＨ4highと低いＣＨ4lowとの質量割合は、それぞれ情報抽出手段１４から得られた値と同様に設定部１１１から再設定されるように構成されている。
【００７８】
このように、本発明においては、情報抽出手段１４で、式（３．３）に示される数値erroriを算出し、簡易に参照微粉炭粒子を特定し、微粉炭の物性情報を抽出することができる。また、本発明の成分情報算出手段１５で、標準生成エンタルピーの高いＣＨ4highと低いＣＨ4lowとの割合を調整することで、簡易にモデリングに基づいた発熱量の値を工業分析による発熱量に一致するように調整することができ、より現実に近いシミュレーションを行うことが可能である。
【００７９】
以下、揮発分の成分を上記のように仮定したシミュレーション方法の詳細を図５を用いて説明する。
【００８０】
まずＣＦＤ計算手段１１の設定部１１１によりＣＦＤ計算に用いられるすべての変数に初期値、工業分析値及び元素分析値を入力し、設定する（Ｓ２１）。工業分析値は分析値格納部１６に格納される。
【００８１】
次いで、設定部１１１により設定された初期値に基づいて、微粉炭燃焼シミュレーションをＣＦＤ計算部１１２により行い、各微粉炭粒子の温度経過情報を含むシミュレーション結果を算出する（ＣＦＤ計算工程：Ｓ２２）。
【００８２】
その後、得られたシミュレーション結果が終了条件を満たすか否かの判定を判定手段１２により行う（判定工程：Ｓ２３）。終了条件を満たす場合は、シミュレーションは終了する。
【００８３】
そして、シミュレーション結果が終了条件を満たさない場合には、情報抽出手段１４の温度差算出手段１４１により、ＣＦＤ計算工程Ｓ２２により得られた各微粉炭粒子の温度経過情報に基づいて、参照微粉炭粒子の温度経過情報に対して、上記式（３．３）に示される数値erroriを算出する（温度差算出工程：Ｓ２４−１）。次いで、特定手段１４２により、この得られたすべてのerroriの中で最も小さな値となる参照微粉炭粒子を各微粉炭粒子ごとに特定する（特定工程：Ｓ２４−２）。その後、特定工程により特定された各微粉炭粒子に対して最も近い温度経過情報を有する参照微粉炭粒子の物性情報、即ち石炭中揮発分割合ｍvolaと、頻度因子Ａvrと、活性化エネルギーＥvrをそれぞれ抽出する（抽出工程：Ｓ２４−３）。
【００８４】
この揮発分割合の情報と、分析値格納部１６に格納された（Ｓ２１参照）工業分析値及び元素分析値とに基づいて、質量割合算出手段１５１を用いてＣＨ4、Ｃ2Ｈ2、Ｏ2、ＨＣＮの質量割合を得る（質量割合算出工程：Ｓ２５−１）。
【００８５】
次いで、算出手段１５２により、工業分析値及び質量割合から、モデリングに基づいた発熱量と工業分析に基づいた発熱量とが等しくなるように標準生成エンタルピーの高いＣＨ4highと低いＣＨ4lowとの存在割合ξを式（２．２）に基づいて算出し、質量割合を算出する（算出工程：Ｓ２５−２）。
【００８６】
その後、情報抽出工程Ｓ２４で抽出された微粉炭の物性情報、質量割合算出工程Ｓ２５−１で算出された質量割合、及び算出工程Ｓ２５−２で算出された質量割合は、それぞれＣＦＤ計算手段１１の設定部１１１に入力され、ＣＦＤ計算工程の設定値として再設定され（Ｓ２６）、ＣＦＤ計算工程Ｓ２２が再度行われる。そして、ＣＦＤ計算工程Ｓ２２により得られたシミュレーション結果が上述した終了条件を満たすと判定されるまで、これらの工程（Ｓ２２〜Ｓ２６）を１サイクルとして繰り返される。
【００８７】
このように、本発明においては、温度差算出工程Ｓ２４−１で、式（３．３）に示される数値erroriを算出することで、簡易に参照微粉炭粒子を特定し、微粉炭粒子の物性情報を抽出することができる。また、算出工程Ｓ２５−２で、標準生成エンタルピーの高いＣＨ4highと低いＣＨ4lowとの質量割合を調整して算出することで、簡易にモデリングに基づく発熱量を工業分析値に一致するように調整することができる。
【００８８】
上述したシミュレーション方法及び装置においては、ＣＨ4を高エンタルピーのＣＨ4highと低エンタルピーのＣＨ4lowとに分けて発熱量を調整したが、Ｃ2Ｈ2を高エンタルピーのものと低エンタルピーのものとに分けて発熱量を調整してもよい。また、第１の成分より第３の成分の方が標準生成エンタルピーが高いものと仮定してもよい。
【００８９】
上述した実施形態では、好ましい態様として各微粉炭粒子に対して上述したerroriを算出することにより、各微粉炭粒子に対して最も近い温度経過情報を有する参照微粉炭粒子の物性情報を抽出する態様を説明したが、これらの物性情報を抽出することができるのであれば別の抽出方法でもよい。
【００９０】
さらに、本実施形態では、上述したアレニウス型の揮発成分放出速度方程式を用いて各微粉炭粒子の揮発成分速度を算出していたが、本発明に用いることができるアレニウス型の揮発成分放出速度方程式はこれに限定されない。たとえば、揮発成分放出速度方程式として、複数のアレニウス型の揮発成分放出速度方程式を組み合わせたものを用いてもよい。
【００９１】
また、実施形態では、上述したように、ＣＦＤ計算工程により得られた微粉炭粒子の温度経過情報をそのまま用いて、石炭中揮発分割合ｍvolaと、頻度因子Ａvrと、活性化エネルギーＥvrとを抽出したが、ＣＦＤ計算工程により得られる微粉炭粒子の温度経過情報は離散的に得られるので、ＣＦＤ計算工程により得られる微粉炭粒子の温度経過情報の時刻ｔjと、微粉炭情報データベース１３に格納されている参照微粉炭粒子の温度経過情報の時刻ｔjとが異なる場合がある。この場合には、下記の式（３．４）を用いて参照微粉炭粒子の時刻ｔjにおける微粉炭粒子の温度Ｔjを補完し、それらを用いて揮発成分放出速度ｄＶ／ｄｔを算出することができる。
【００９２】
【数１３】
0005062679.tif 000014
式中、ｔmはＣＦＤ計算工程により得られた時刻のうち、時刻ｔjよりも早く、かつ時刻ｔjに一番近い時刻を示し、Ｔmは時刻ｔmにおける微粉炭粒子の温度を示す。また、ｔm+1はＣＦＤ計算工程により得られた時刻のうち、時刻ｔjよりも遅く、かつ時刻ｔjに一番近い時刻を示し、Ｔm+1は時刻ｔm+1における微粉炭粒子の温度を示す。
【図面の簡単な説明】
【００９３】
【図１】微粉炭粒子の成分を説明するためのグラフである。
【図２】本発明のシミュレーション装置を説明するためのブロック図である。
【図３】本発明のシミュレーション方法を説明するためのフローチャートである。
【図４】シミュレーション装置の詳細を説明するためのブロック図である。
【図５】本発明のシミュレーション方法の詳細を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
【００９４】
１            シミュレーション装置
１１            計算手段
１２            判定手段
１３            微粉炭情報データベース
１４            情報抽出手段
１５            成分情報算出手段
１６            分析値格納部
１１１            設定部
１１２            計算部
１４１            温度差算出手段
１４２            特定手段
１４３            抽出手段
１５１            質量割合算出手段
１５２            算出手段
【図１】
0005062679.tif 000015
【図２】
0005062679.tif 000016
【図３】
0005062679.tif 000017
【図４】
0005062679.tif 000018
【図５】
0005062679.tif 000019