第章

9

微粉炭燃焼場の高度計測・
数値解析技術

第９章

微粉炭燃焼場の高度計測・数値解析技術 ● 目

次

横須賀研究所

エネルギー化学部

主任研究員

辻

博文

横須賀研究所

エネルギー化学部

主任研究員

黒瀬

良一

９−１

研究の背景 ……………………………………………………………………………………………………………… 103

９−２

レーザ計測を用いた燃焼火災内の非接触計測 ……………………………………………………………………… 103

９−３

数値解析技術 …………………………………………………………………………………………………………… 107

９−４

今後の展開 ……………………………………………………………………………………………………………… 111

辻博文（1992年入所）入所以来、微粉炭燃焼および気流中粒子計
測に関する研究に従事してきました。微粉炭
燃焼技術についは、低 N O x バーナおよび低負荷対応燃焼技術の研究開発、ならびに光学計測を用いた火炎構造の解明研究を行ってきました。今後は、燃料種の拡大化技術や一層の環境負荷低減技術などの研究に携わり、微粉炭火力の一層の高度化に向けて努力してい
きたいと思います。
（9-1、9-2、9-4執筆）

102

黒瀬 良一（1998年入所）入所以来、数値シミュレーションや光学計
測による微粉炭燃焼火炎の構造解明およびそのモデリングに関する研究に従事してきました。現在は、主に、微粉炭燃焼場を理論的に精度良く解明するためのラージ・エディ・シ
ミュレーションコードの開発に取り組んでいます。
（9-3、9-4執筆）

９−１

研究の背景

今後の微粉炭火力においてはこれまで以上の、環境を用い、ガス分析にはサンプリングプローブを燃焼場に性・運用性の向上および燃料の多様化などが求められて挿入して行われてきた。これらの方法は、比較的容易におり、燃焼技術の一層の高度化が重要となっている。微計測が行えるという利点を有しているものの、接触計測

粉炭燃焼場は、最高火炎温度が 1500 ℃以上にも達するであるため測定対象場を乱すこと、時間・空間分解能が高温の流れ場であると共に、生成・消滅が早く、かつ環低いこと、ラジカルなど測定が困難なものがあること、

境汚染物質の生成・分解等に影響の大きい活性化学種等の問題を有している。このような状況の中、近年、燃（ラジカル）や反応性の固体粒子など、測定が難しい物

焼場を乱すことなく非接触でラジカル等の化学種の濃度質が存在し、反応場と流れ場が複雑であるため、理論的や粒子の挙動を測定することができるレーザ計測が注目な取り扱いが困難であった。したがって、現状では燃焼されている。

装置やバーナなどの開発は経験工学的に行われることが一方、微粉炭燃焼場の数値解析技術については、昨今多く、その手順は極めて煩雑であるため、多大なコストの計算機性能の著しい進歩に伴い、内外で活発な開発がや期間が必要であった。今後の高度燃焼技術の開発にお実施されており、その高度化が進められている。

いては、燃料種や燃焼条件の多種・多様化に対応するた

以上の観点から、当所では、微粉炭燃焼場のレーザ計

め、効率的な推進が不可欠である。そこで、微粉炭燃焼測に関しては火炎内に存在するラジカルの挙動を把握す

場を詳細に測定し、メカニズムを解明することによって、る研究⑴、および微粉炭粒子の挙動を把握する研究

流れ場や反応場ならびに環境汚染物質の生成・消滅プロ

実施している。また、数値解析に関しては、当所が所有

セスをモデル化し、燃焼場を高精度に再現できる数値解する石炭燃焼試験炉を対象とした研究、ならびに燃焼場

析技術を開発することが必要となっている。

の解析精度の向上を図るための研究⑴〜⑽を進めている。

を

従来の燃焼場の測定は、例えば温度に関しては熱電対

９−２

レーザ計測を用いた燃焼
火炎内の非接触計測

微粉炭火炎の構造を明らかにするためには、火炎内のCARS 法は得られる信号強度が極めて弱いため点計測に

温度場、流れ場、化学種の濃度分布に加え、燃焼場内の限られること、装置構成が複雑になるなどの欠点を有し粒子の挙動や粒子の温度などを測定する必要がある。レーている。これに対して、LIF 法は信号強度が強く２次元

ザを用いてこれらの物理量を測定する様々な方法が、現計測が可能であるなど、ラジカルの計測を行う上で多く

在研究開発されている。当所では、燃焼場に存在する化の利点を持っている。当所では、この LIF 法の微粉炭燃学種の中でも NOx などの環境汚染物質の生成・消滅に

焼場への適用を目指し、検討を行っている。これまでに、関わりの深いラジカル（OH、CH など）、ならびに微粉

比較的測定が容易なメタン・空気予混合火炎を用いて、炭等の粒子挙動を計測する手法の開発を図っている。

OH や CH などの可視化手法についての検討を行った。

レーザを用いる、燃焼場内のラジカルの測定について

一方、粒子の挙動については、レーザ・ドップラ流速

は、ラマン散乱法、CARS（Coherent Anti-Stokes

計（LDV）の活用が図られてきた。LDV は、気流に追Raman Spectroscopy）法およびレーザ誘起蛍光（LIF）

従する微小粒子を流れ場に混入させ、その粒子の速度を法などがある。これらのうち、ラマン散乱法および検出することにより流れ場の測定を行うために、開発さ

電中研レビュー No.46 ● 103

れたものである。しかし LDV は本来、粒子の速度を測定するものであるため、近年粒子計測用として活用されエネルギる例も多くなってきた。特に現在、LDV の光学系を改良し、粒子の速度と粒子形状や粒径を同時に計測する幾つかの手法が開発されている。これらの手法の内、平均

v'=3
v'=2
v'=1

前期解離

v'=0

クエンチング

粒径が 40 〜 50 μ m の不定形粒子である微粉炭の粒子速度と粒子形状・粒径を同時に計測できる手法として、シャ

v''=3
v''=2

励起

ドウ・ドップラ流速計（SDV）がある。当所では、こ

v''=1
v''=0

の SDV を実験室規模の小型の微粉炭燃焼火炎に適用し、粒子の挙動を計測している。

核間距離

図9-2-19-2-1蛍光分子のエネルギ準位

レーザ誘起蛍光（LIF）によるガス状ラジカルの計測
図 9-2-2 は、LIF システムの概略を示したものである。

⑴

測定法の概要システムは大きく、レーザ光源、レーザ光を測定場まで

図 9-2-1 は、ラジカルの蛍光計測法の概念を示したも導入する光学系、蛍光を受光する検出装置、レーザ光強のである。原子・分子の持つ電子エネルギ準位において、度分布補正装置、およびこれらの機器のコントロールや準位間の遷移に必要なエネルギ差に対応する波長の光をデータの送受を行う同期制御装置からなる。

原子・分子に照射すると、原子・分子はその光をエネル

レーザ光源は、Nd ： YAG レーザ、OPO（オプティ

ギとして吸収し、上位の準位へ遷移した後、吸収した光

カル・パラメトリック・オッシレータ）および波長校正を再び光の形で放出しながら下位の準位へ戻る。この時装置からなる。波長校正装置は、フォトマルによりミニに発せられた光が蛍光であり、照射光源にレーザを使用

トーチで形成される火炎中のラジカルの蛍光スペクトルした場合には、レーザ誘起蛍光（LIF ： Laser Inducedを計測し、レーザ光源の波長を校正するものである。光

Fluorescence）と呼ばれる。特に、励起レーザ光をシー

学系は、レーザ光を高さ約 3.5cm、厚さ約 0.5mm のシート状にして測定対象場に導入することにより、２次元のト状にするものでシリンドリカル・レンズなどから構成

蛍光強度分布を同時に測定することが可能となる。

されている。検出装置は、主にイメージ・インテンシファ

Nd：YAGレーザ

OPO

フォトマル

ディレイ
ジェネレータミニトーチ
火炎シリンドリカル
レンズ

ビームダンパライン
センサ

バンドパスフィルタ

I. I.

コンピユータ

OPO：オプティカル・パラメトリック・オッシレータ
I. I.：イメージ・インテンシファイア

図9-2-2

104

LIFシステムの基本構成

CCD
カメラ

h（cm）

イアを内蔵した CCD カメラシステムからなっている。
シリンドリカル・レンズ等によってシート状にされたレーザ光は、強度分布を有している。レーザ光強度分布

2.0

1.0

補正装置は、レーザ光が測定場に導入される前にレーザ
0光を一部分離し、その強度分布を検知するものである。

1.0

0

1.0

φ＝1.59⑵ ガス火炎におけるラジカル分布計測

h（cm）

LIF によるラジカルの計測には、計測が容易に行えることを考慮し、メタンと空気の層流予混合火炎を用いた。

メタン・空気予混合層流火炎の直接写真
OH LIF intensity（a. u.）

図9-2-3φ＝0.982.0

計測に使用したバーナは内径６ mm のブンゼンタイプであり、メタンと空気の当量比φを燃料過濃から燃料希

1.0薄となる種々の条件に設定して実験を行った。その火炎
0の直接写真を疑似カラー表示したものを、図 9-2-3 に示

1.00

φ＝1.59火炎の発光が強い領域ほど白色で表される。φが大きい

図9-2-4h（cm）

ほど内炎の高さは高くなるが、発光強度はφが小さいほど強くなるなど火炎の特徴が表されている。

1.0

φ＝0.98OHの蛍光強度分布
NO LIF intensity（a. u.）

す。なお本図は、φが 1.59 と 0.98 の場合のものであり、2.0

計測対象ラジカルとして、燃焼時に排出される最も重要な環境汚染物質の１つである NO の生成診断を可能に1.0

するため、OH, NO, CH, CN および NH を選択した。OH
の計測については、OH が高い濃度で火炎内に存在する

01.0ため、容易に行うことができる。蛍光の受光は、励起波

01.0

φ＝1.59長として 281.258nm を使用し、320nm センタで半値幅

図9-2-5φ＝0.98NOの蛍光強度分布

15nm のフィルタを用いて行われた。図 9-2-4 に計測結果を示す。φが 1.59 の場合には、内炎の外側に OH のている。これは、φが高いほどプロンプト NO の生成量ピークが見られるのに対し、φ =0.98 の場合には内炎のが多いためであると考えられる。

近傍で急速に OH の生成が見られ、その後下流に行くに従い濃度が減少していることが示されている。NO の計
測は、励起波長として 225.208nm を用い、半値幅 20nm

9-2-2 シャドウドップラ流速計（SDV）による粒子挙動の計測の中心波長 254nm のバンドパスフィルタを使用して行われた。図 9-2-5 に得られた蛍光画像を示す。いずれの⑴

測定法の概要

当量比条件においても、NO は内炎のすぐ下流領域にお図 9-2-6 は、シャドウドップラ流速計（SDV）の光学系

ける急激な生成によるものと、火炎後流部の緩やかな生の概略図を示したものである。２本のレーザ光がレンズに成によるものとに大別できることが明らかにされた。内よって集光され、測定点において交差する。その交差部に炎のすぐ下流域における NO は、主に火炎帯内部におい光強度の明暗を持つ干渉縞が形成される。測定点に到達して HCN や NH などを経て生成されるプロンプト NO でた粒子は、干渉縞の光の明暗に対応する光を散乱する。こあると考えられる。一方、火炎後流部における NO は、の様子を模式的に表したのが、図 9-2-7 である。散乱光強拡大ゼルドビッチ機構と呼ばれる反応経路により生成さ度の山の部分が、干渉縞の明に対応する。干渉縞の間隔は、れるサーマル NO である。また、φの違いによる蛍光画

レーザ光の波長ならびに光学系によって決定されるため、像の変化については、分布形状についてはφによる差が

図 9-2-7 の散乱光強度分布において、明の時間間隔を計測

少ないが、φが大きいほど濃度が高くなることが示されすることにより、粒子の速度が測定される。

電中研レビュー No.46 ● 105

散乱光解析部へ
レンズ
粒子速度
粒子
対物レンズ
レーザ光

受光レンズ

レンズ

ファイバアレイ

集光レンズ

粒子形状・粒径

図9-2-6

シャドウ・ドップラ流速計の光学系概略図

粒子速度
散乱光強度

干渉縞

レーザ光

t

である。本図は、微粉炭粒子は粉砕性粒子の特徴である、形状が粒子毎に異なる不定形粒子であることなどを示しており、SDV によって微粉炭粒子の詳細な形状を把握

粒子できることが明らかになった。
時間

図9-2-7

図 9-2-8 は、燃焼時に計測した粒子形状を示したもの

測定部の詳細および散乱光強度分布

次に、図 9-2-9 にバーナ中心軸上における粒子の速度の分布を示す。なお本図においては、粒子速度の粒径による変化を明らかにするため、粒径を 15 μ m 以下、15

一方、粒子の形状および粒径の計測は、以下のように

μ m から 30 μ m の間、ならびに 30 μ m 以上の 3 つの領行われる。図 9-2-6 に示したように、測定点で交差した域に分割し示す。なお、速度はバーナ出口の気流の流速

レーザ光は、受光レンズおよび焦点レンズなどを介した

U0 によって無次元化し、また軸方向距離についてはバー

後、水平方向に 64 個の素子を持つファイバアレイ上に

ナ内径 D によって無次元化してある。この図には、別導かれる。このファイバアレイ上に、測定点における粒途計測した非燃焼時の気流流速も示す。本図より、気流子の投影像が結像される。ファイバアレイ上の素子の信流速と粒子速度の差違や、火炎の存在が粒子速度に与え号強度は、測定点に粒子が存在しないと、レーザ光を検る影響などの、火炎内の粒子挙動を明らかにすることが出するため高くなる。これに対し、測定点に粒子が存在できる。また本図は、非燃焼時の場合には粒径が小さい

する間は、粒子によってレーザ光が遮られるため、ファほど粒子速度は低くなること、燃焼時においては粒径のイバアレイ上の素子の信号強度は低下する。この信号強違いが粒子速度に与える影響は小さく、粒径によらず粒度が低下している時間を計測することにより、粒子形状

子速度はほとんど変化しないことなどを示しており、粒が求められ、粒径は粒子形状から算出される。

径の差異による粒子挙動の変化が明らかにされている。

⑵

小型の微粉炭燃焼火炎における粒子計測
シャドウドップラ流速計による粒子速度と粒子形状・粒径の同時測定は、ここでは実験室規模の小型の微粉炭
燃焼火炎を対象に実施した。この火炎は、垂直上向きに設置されたバーナから噴出された微粉炭（供給量約10g/min）とその搬送用空気により形成されるもので、長さは 30cm 程度である。計測は、この火炎を形成させる燃焼時と、比較のため、火炎を形成させない非燃焼時の 2 条件で行った。

106

図9-2-8

粒子形状の測定例

次に、非燃焼時および燃焼時の粒径の変化を明らかに

粒子速度、U/U0（−）

1.2
1.0

するため、バーナ中心軸上における粒径の平均値を計算0.8した結果を図 9-2-10 に示す。本図に示されるように、
非燃焼時には、粒径は軸方向距離の増加に対して大きな

0.6
Dp＜15μm
15μm＜Dp＜30μm
30μm＜Dp

0.4
r/D=0

0.2
0.0

0

5

10

15

20

25

変化は見られない。これに対し燃焼時には、粒子加熱時の膨潤などの影響により、粒径が軸方向距離の増加と共30

軸方向距離、z/D（−）

は燃焼時の石炭粒子の粒径が変化する過程を把握できる燃焼時手法であることが分かる。

1.2

50

気流流速
Dp＜15mm
15mm＜Dp＜30mm
30mm＜Dp1.00.8

平均粒径（μm）

気流流速および粒子速度、U/U0（−）に大きくなることが示されている。これらより、SDV

0.6
0.4
r/D=0
Noncombustion

0.2
0.0

0

5

10

15

20

25

30

軸方向距離、z/D（−）

r/D=0

40
30
20

燃焼時
非燃焼時

10
0

0

5

非燃焼時

図9-2-9粒径の差異による粒子速度の違い

10

15

20

25

30

軸方向距離、z/D（−）

図9-2-10

バーナ中心軸上における平均粒径の変化

９−３

数値解析技術微粉炭燃焼の数値解析は、連続相である燃焼場の支配が、これは膨大な計算格子点数が要求されるため計算機

方程式［流れの方程式（連続の式と Navier-Stokes 式）、の負荷が高く、基礎研究には適しているものの、実用レ混合物（化学種）の連続の式、およびエネルギ方程式］

ベルの燃焼場への利用は極めて難しい。これに対して、と、分散相である微粉炭粒子の運動方程式を連立して計

現在、実用分野において最もよく用いられているのは、算機で解く方法であり、燃焼場全体の温度や化学種の濃RANS である。本法は、支配方程式を時間平均化し、現度分布、さらには微粉炭粒子の挙動等に関して実験ではれる乱流変動項を応力方程式モデルや渦粘性モデルなど得られないような詳細な情報までも得ることができるとの乱流モデルに置き換えて解く方法であり、計算格子点いう利点を持つ。また、微粉炭性状や流れ場等の条件を数を大幅に減らすことができるため、計算機の負荷を軽任意に変えて比較的容易かつ低コストで繰り返し検討が減することができる。しかし、RANS は、乱流モデルのできるため、燃焼炉の開発、設計支援ツールとしての利選定およびその中に含まれるパラメータ値の決定が難し用が期待されている。

く、さらに、非定常性を評価することができない、とい

連続相である燃焼場の数値解法としては、DNS（Directった問題を有する。そこで、最近では、比較的大きな渦

Numerical Simulation）、LES（Large Eddy Simulation）、塊については支配方程式を直接解き、残りの小さな乱れおよび RANS（Reynolds-Averaged Navier-Stokes）のをモデルにより計算する LES が注目されている。これ３つが挙げられる。この中で最も計算精度が高いのは、は、一種の空間平均法であるが、非定常計算が可能で、計算格子間隔を流れ場、濃度場、温度場の最小渦塊以下

モデル中にもパラメータをほとんど含まないという利点に設定してそれらの支配方程式を直接解く DNS であるがある。また、LES は、計算機の負荷という点では電中研レビュー No.46 ● 107

RANS に比べると高いが、計算機性能の進歩を考えれば二段燃焼用空気3.0m

近い将来の実用分野への適用も十分実現する可能性を有する方法である。

.42m

以上のことから、当所では、特に、RANS と LES の

rθ
x

8m

π/3radバーナ
0.16m

研究を進めている。

8.0m

計算領域

9-3-1 RANS
0.02m

当所が所有する石炭燃焼試験炉（長さ 8.0m，内径0.02m

0.85m の横置円筒型）内の微粉炭燃焼場 ⑾〜⒀ に対して、
0.02m

RANS を適用した研究例について概説する。本研究は、５種類の瀝青炭を対象に計算を実施し、得られた燃焼諸0.02m

特性量を実験値⑾〜⒀と比較することによって、RANS の

３次空気
２次空気
１次空気
微粉炭

壁

バーナ形状

適用性を評価したものである。
-3-1⑴

RANSで対象とした計算領域およびバーナ
形状の概略

計算方法
使用した５種類の瀝青炭の性状を表 9-3-1 に、また、（r）× 11（θ）点（バーナ近傍領域における x、r 方向の計算領域およびバーナ形状の概略を図 9-3-1 に示す。計格子分割を細かく設定）とし、乱流モデルには k-ε２方

算領域は円筒の一部（−π/６≦θ≦π/６）としている。

程式モデル⒁を用いている。なお、本計算には、ワーク

微紛炭はバーナの 1 次空気口から搬送用の１次空気と共ステーションを用いて、１ケース当たり約 60 時間のに炉内へ供給され、１次空気口の周りから２，３次空気CPU 時間を要した。

が、x=3.0m の位置における側面から二段燃焼用空気がそれぞれ注入されている。１〜３次空気口から注入された空気の流入速度は、実際の実験⑾〜⒀と合うように与え⑵

瀝青炭燃焼特性の実験値との比較
ニューランズ炭燃焼時における時間平均の火炎温度、られる。石炭の投入熱量は 6.54 × 105kcal/h とし、燃焼および O2、NO 濃度の主流（x）方向軸上分布を、実験値⑾用空気の総流量は、出口における完全燃焼時の過剰酸素〜⒀

濃度が４%（空気比 =1.24）となるように決定している。

主流方向の気流速度、火炎温度、および O2、NO 濃度の二段燃焼率（＝二段燃焼用空気体積流量／総燃焼用空気

炉内分布を図 9-3-3 に示す（図中の色は、青から赤になる

体積流量）は 30 ％である。計算格子点数は 61（x）× 58

につれて各特性量の値が高くなることを示している）。いと比較したものを図 9-3-2 に示す。また、参考までに、ずれの分布においても計算値は実験値と定性的に良く一
表9-3-1
用

途

ニュー
ランズ

水分＊1（％） （2.2）
＊2
揮発分
28.4
工
＊2
56.4
業 固定炭素分 灰分＊215.2
析 発熱量＊26730（kcal/kg）
C＊2（％）
71.8
元 H＊2
4.45
素 N＊2
1.59
分 ＊2
6.44
析 O
＊2
S
0.48
FR＊3（−）
1.99
FR/FN＊4（−） 1.25

石炭性状致しており、現実的な微粉炭燃焼場が再現できているこ

ワンボ

プラトー

ワーク
ワース

プレア
ゾール

（3.5）
35.7
54.6
9.7
7080

（5.9）
41.3
48.8
9.9
6870

（4.5）
31.4
57.5
11.1
6770

（7.9）
29.6
62.7
7.9
6710

74.2
5.62
1.82
8.27
0.42
1.53
0.84

71.9
5.47
1.30
11.8
0.41
1.18
0.91

73.6
5.10
1.59
8.36
0.35
1.83
1.15

74.6
4.52
1.54
11.2
0.23
2.11
1.37

＊1：恒湿ベース、＊2：無水ベース、＊3：燃料比（固定炭素と揮発分の比）、＊4：燃料比と行炭巾N分含有率の比108とがわかる。ただ、定量的には、計算値は実験値に比べて、火炎温度のピーク値が高く下流での減衰が大きい傾向をもつ。また、x ＜３ m の領域で O2 濃度が高く、NO
濃度のピーク値が低い等の点で差異も見られる。このよ
うな差異が生じる理由としては、設定した炉やバーナの形状が実験とは完全に一致していないことや、乱流モデ
ルとして用いた k-ε２方程式モデルがせん断の強いバー
ナ近傍領域では十分な精度をもたないことが挙げられる。
計算を実施した全５炭種について、未燃焼率 Uc*（石炭中可燃分に対する未燃分の割合）、ならびに燃焼効率Ef （＝１− Uc *）と燃料比 FR （= 石炭中固定炭素の割

2000

合/石炭中揮発分の割合）の関係、および NO 転換率 CR
温度（K）

1500

（石炭中 N 分に対する NO に転換した N 分の割合）
二段燃焼用空気1000

FR/FN との関係をそれぞれの実験値 ⑾〜⒀と比較したものを図 9-3-4、9-3-5 に示す。４章でも述べられている

実験値
計算値

500

ように、今回計算対象とした試験炉においては、未燃焼
0
0

1

2

3
4
5
6
バーナからの距離 ×（m）

78

料比 FR と N 分含有率 FN の比に対して増加傾向を示す

温度

ことが実験的に知られている⑾〜⒀。図から、両計算値は、

0.25

定量的な差異は見られるものの、実験値と同様の増加傾

実験値
計算値

0.2

向を示し、燃料比 FR や N 分含有率 FN の影響を矛盾なく再現していることが確認できる。

0.15
二段燃焼用空気
0.05

90

10
1

2

3
4
5
6
バーナからの距離 ×（m）

7

O2濃度
800
実験値
計算値

600

未燃焼率

NＯ濃度（ppm）

700
二段燃焼用空気

500

実験値
計算値

8
Uc＊（％）

0

8

92

6

94

4

96

2

98

Ef（％）

0

燃焼効率

Ｏ2濃度（ー）

率 Uc* は燃料比 FR に対して、また、NO 転換率 CR は燃

400
300
200
100
0

1

2

3
4
5
6
バーナからの距離 ×（m）

7

0.5

8

1

1.5
燃料比

NO濃度

図9-3-4
図9-3-2

100
2.5

0

0

2

FR（ー）

Uc＊（未燃焼率）とFR（燃料比）の関係

温度およびO2、NO濃度の主流(x)方向軸上分布の実験値との比較（ニュ−ランズ炭）
30
実験値
計算値

25

r
x

気流流速

火炎温度

NO転換率

CR（％）

二段燃焼用空気

20

15

10

5

O2
0
0.6

NO

図9-3-3主流方向気流流速、火炎温度およびO2、NO
濃度の炉内分布（ニューランズ炭）

0.8

1

1.2

1.6

（燃料比 FR）/（N分含有率 FN）（ー）

図9-3-5CR（NO転換率）とFR/FN（燃料比/N分含有率）の関係

電中研レビュー No.46 ● 109

⑵微粉炭燃焼火炎の非定常性評価
噴流により送り込まれた固体燃料粒子群の x-y 断面

9-3-2 LES

（z=0 付近）における質量減少率を図 9-3-7 に、また、xLES については、まず、実験室規模の小型微粉炭燃

y 断面（z=0）の瞬間火炎温度分布を図 9-3-8 にそれぞ

焼火炎に対して適用を行った。本 LES コードは現在開れ示す。図 9-3-7 中の色は、赤から青になるにつれて粒発段階であるため、現状のコードにはラジカル反応を含子の質量減少率が増加することを、また、図 9-3-8 中のむ詳細反応機構や複雑な石炭性状は考慮されていない。

色は、青から赤になるにつれて火炎温度が高くなること

しかし、前述したように、LES は上述した RANS とはを示している。RANS で得られた図 9-3-3 の分布と比較異なり、微粉炭燃焼火炎の非定常性を評価できるというしても分かるように、本 LES では、粒子群や火炎温度利点がある。ここでは、その一例を簡単に示す⑼⑽。

の三次元的な非定常挙動が捉えられている。固体燃料粒
子群は、上流域ではほとんど広がらず直進するが、揮発

⑴

計算方法

による質量の減少が始まる中流域から半径方向に分散す計算領域の概略を図 9-3-6 に示す。計算領域は 0.48mる傾向が見られる。また、固体燃料粒子の質量減少率が（x）× 0.24m（y）× 0.24m（z）の直方体である。バーナの高い部分は、火炎温度が高い部分と一致するなど、リー噴流出口直径を 6 × 10

−3m、流速を 13m/s とし、このズナブルな結果が得られている。

噴流によって固体燃料粒子は計算領域内へと送り込まれる。なお、ここで、 微粉炭粒子
粒子と書かず、 固体燃料と書いたのは、ここでの計算では、固体燃料粒子を簡易的にメタンの塊とみなしているためである。このY
ZX

固体燃料粒子は、周囲の気体温度に依存して揮発し、気相において空気と反応するものと仮定している。計算格
子点数は 240（x）× 150（y）× 150（z）とし、LES の乱流モデルとしては圧縮型のスマゴリンスキーモデル⒂を採

−0.01

−0.00

0.00

用した。なお、本計算には、上記の RANS で使用した
図9-3-7

ワークステーションよりも計算速度が 10 倍程度速い当

固体燃料粒子の質量減少率（x-y断面、z=0付近）

所が所有するスーパーコンピュータを用いて、１ケース
当たり約 1000 時間の CPU 時間を要した。

z

0.24m
Y

（周囲流）
空気

ZX

固体燃料＋空気（噴流）

y6.0×10ー3m
0.24m

（周囲流）
空気

1.00

x

図9-3-8
図9-3-6

110

1.75

2.50

0.48m

LESで対象とした計算領域の概略

瞬間火炎温度分布（x-y断面）

９− 4

微粉炭燃焼は、微粉炭粒子の気流中の分散挙動に加え、今後の展開

く方針である。また将来的には、これらの技術の試験炉

微粉炭粒子の揮発および揮発分の燃焼、さらに粒子表面や実ボイラへの適用を図り、非接触計測を用いた、バーでの燃焼といった様々な過程が、同時にかつ相互に作用

ナやボイラの高度管理手法の確立を目指す予定である。

する複雑な現象であるため、その詳細が完全に明らかに

一方、数値解析に関しては、引き続き LES コードのされていないのが実状である。本章では、このような微高度化を進めていく予定である。現状のコードでは、ラ

粉炭燃焼場をより高い精度で評価、予測することを目的

ジカル反応を含む詳細反応機構や複雑な石炭性状は考慮に、当所が進めてきたレーザ計測技術と数値解析技術のされていない。そこで、これらを考慮し、本コードの高度化に関する研究成果について紹介した。

NOx 等の汚染物質予測が高精度で行えるものへの発展

今後、レーザ計測に関しては、上述した二つの計測技を考えている。

術を亜瀝青炭等の幅広い性状の石炭種に適用することや、

レーザ計測による研究と数値解析による研究は、全く実際の燃焼場に近い、より複雑な燃焼場へ適用すること

別の独立した手法のように思われる。しかし、実際は、によって、微粉炭燃焼火炎の構造を詳細に明らかにして数値解析の精度を検証するためにはレーザ計測で得た信いく予定である。また、これらの計測技術だけでなく、頼性の高いデータが不可欠であり、逆に、数値解析で得

近年噴霧燃焼場等の非接触計測技術として注目されていられた新たな現象を実験で検証することがレーザ計測のる自発光計測や温度計測、粒子挙動の２次元計測などの次の目標になる場合も多々ある。当所では、双方の利点

微粉炭燃焼場への適用性の検討を行い、可能であればこを生かしつつ、それらの高度化および相互比較を効率的

れらの計測技術を用いた測定を実施していく。さらに、に進め、微粉炭燃焼場の解明さらには高度燃焼技術の開複数の計測手法を同時に用いた、例えばラジカル挙動と発へと発展させていきたいと考えている。

粒子挙動の同時計測技術などについても検討を行ってい電中研レビュー No.46 ● 111