― 35 ―化学プラントを対象としたヒューマンエラーに起因する災害事例の抽出手法の研究

Specific Research Reports of the National Instituteof Industrial Safety, NIIS-SRR-NO.27 (2002)
UDC 613.83:614.84:536.46:543.275.3

6. 配管内を伝ぱする粉じん火炎の抑止*（水噴霧，消炎金網，不活性ガス隔離による消炎）
八島正明**
6．Suppression of Dust Flames Propagating in a Duct*(Quenching with Water Sprays, Wire Gauze and Isolation by Inert Gas)
by Masaaki YASHIMA**
Abstract : It is necessary to conduct protective measures for ignition prevention in powder handlingprocesses since ignition may cause dust explosions or fires. Moreover explosion protection and explosion
suppression systems are also required so that the damage may not expand even ignition occurs.
Explosion pressure release (vent for deflagrations), automatic fire extinguishing systems and rapid
valves (mechanical isolation and chemical isolation) have been known as equipment to mitigate the damage of dust explosions. The goal of this study is to develop a new explosion suppression system applied
to dust explosions, which relates to the latter two terms of equipment described above. An experimental
study has been conducted to obtain fundamental knowledge on suppression of dust flames in a duct by(a) water sprays, (b) wire gauzes and porous plates, and (c) inert gas isolation. Lycopodium was used asa sample powder to compare with previous studies.
Experiment (a): The experimental apparatus consisted of a vertical duct having 200 x 200 mm in squarecross section and 3 m in height, a fluidized bed and a water spray system. Lycopodium
was mainly used at the concentration of 50 g/m3, which is lower than the stoichiometricconcentration for the dust cloud. An infrared sensor was mounted on the surface of theduct to detect the propagating flames and made water spray with time delay.
Experiment (b): The experimental apparatus consisted of a vertical duct (pipe) having 60 mm in diameterand 1.1 m in height, a fluidized bed and a mechanical insert system of quenching elements.
Different sizes of wire gauzes with more than 0.46 mm opening and porous plates wereused as quenching elements. In order to examine quenching behavior of the flame, thequenching elements were rapidly inserted into the duct from horizontal direction before
arrival of the flame at the element position but after a spark ignition was given.
Experiment (c): The experimental apparatus is similar that of Experiment (b) except for the injection
system of inert gas from the duct wall. Argon (Ar) was used as inert gas.

* 平成 13 年 9 月 21 日 日本機械学会茨城講演会，平成 13 年 11 月 27 日 第 34 回安全工学研究発表会，平成 13 年 11 月
29 日 Asia Pacific Symposium on Safety（APSS ）（京都）において本研究の一部について各々発表した。

** 化学安全研究グループ Chemical Safety Research Group

― 36 ―

産業安全研究所特別研究報告

NIIS-SRR-NO.27（2002）

Principal results are as follows :(1)For the lean concentration of the dust cloud, some post flames behind a leading top flame which propagated upward direction were observed. It took longer time to quench these flames successively than those
for a single dust flame or a premixed gaseous flame in the same size of water droplet and spray flux. The
experimental results were compared with our previous study on premixed gaseous flames.
(2)It was found that the isolation effect by inert gas on the flame quenching was small unless a long duct,since the inert gas flows with the flame propagation in the same direction, even if the injection is started
early after the ignition.
(3)Detecting the propagating flame by infrared light and carrying out water spray on the dust flame wasavailable to quench the flame in a duct.
(4)The dust concentration was changed among 93〜280g/m3. In the case of opening of 0.46 mm for wire
gauze, quenching was found to be achieved by piling up plural pieces, though quenching was not donewith a single wire gauze.
Keywords; Dust explosions, Flame propagation, Explosion suppression, Extinction, Quenching,
Extinction limit, Lycopodium

1.

はじめに

粉体が取り扱われる産業現場では，粉砕，造粒，集じん，乾燥，輸送，貯蔵などの工程（プロセス）があるが，一般的に粉砕→輸送→集じん，造粒→輸送→乾燥→輸送→集じん→貯蔵というように各工程が組み合わされ，一つのシステムとして操業されている。したがって，システムを構成する装置，設備のどこかで粉じん爆発や火災が発生すると，工程間を結ぶ移送配管内を火炎が伝ぱすることで別の設備の爆発につながり，被害が拡大する可能性がある。
このときの粉じん爆発は，火炎が配管内を伝ぱ可能
な粉じん雲濃度範囲となり，その雰囲気中を火炎が伝ぱすることで発生することが多いが，雰囲気がその濃度範囲に無くとも，管・装置壁に粉が堆積し，層表面あるいは層内部をくすぶって燃え拡がることでも結果的には粉じん爆発になることがある。
粉体を取り扱う設備では，まず粉じん爆発に至らアンモニウムなどの化学粉（chemical powder），水などが使われている。この抑制装置では，予め対象となる粉じんと消火剤の種類とその量に対する爆発抑制試験が実施され，密閉容器などの対象空間の圧力が防護圧力以下に抑えられたことの確認がなさ
れ，消火剤の抑制効果として評価される。しかし，抑制効果が消炎の有無ではなく，主に圧力で評価されているので，必ずしも試験容器内で消炎が達成されているとは言えない。このことは，火炎が完全に消炎しない場合，工程間を結ぶ移送管内を火炎が伝ぱし続ける可能性があることを示唆している。
緊急遮断装置は，火炎が伝ぱする前方において物
理的，機械的に遮へい板で閉じる方法と，消火剤，不活性ガスなどを壁から噴出することで粉じん雲の濃度を低下させ化学的に隔離する方法がある3，4，6，15）。
物理的に遮断する方法は火炎の抑止が確実に達成できるが，遮断壁までは火炎が伝ぱするので，適切な防護措置が採られていないと爆発圧力の上昇によって，ないように発火防止，不燃化などの予防対策が施されることが必要不可欠であるが，万が一の爆発に備え，発火しても被害が拡大しないように爆発防護，
爆発抑制対策も必要とされる。このための安全装置
としては，爆発圧力放散設備，自動消火装置，緊急遮断装置などが知られているが，特に配管内におけ上流側の装置が破壊する可能性がある。化学的な隔離については，主に炭鉱内の爆発抑制の目的で坑道に岩粉棚，水棚を設けた研究が行われてきたが 4，16），

る火炎抑止の目的では，後者二つの装置が用いられガス爆発に見られる予混合伝ぱ火炎の抑止の目的
では，消炎距離 17）が調べられるとともにフレームアている

化学プラントを対象とする配管を使った研究について，Bartknecht 4，15）によると，大量の消火剤によって抑制が達成できることを示している。

。
爆発の初期段階を検出し，早期に消火剤を高速噴霧する自動消火装置については既に市販化され，経験と実験的なデータの蓄積により基本的な技術が確

レスタ設計のための消炎素子に関する研究が行われてきた。粉じん火炎における消炎距離は，予混合気
火炎のそれとは区別して調べられるべきであるが，立されていると言える 9-14）。消火剤としては，リン酸

定義としては予混合火炎と同じく管径の小さな円管

1-8）配管内を伝ぱする粉じん火炎の抑止を伝ぱできる限界，あるいは伝ぱできる平板間の隙間とされる 3）。予混合火炎の消炎距離ついては，実験的にも理論的にもよく調べられている。林18-19）は，
フレームアレスタ設計のため，予混合火炎を対象に焼結金属や金網などの消炎素子における消炎能力を定量的に調べている。粉じん火炎の消炎距離について，例えばコーンスターチ粉についてはJarosinski20），
ProustとVeyssiere 21） が調べているが，その値は数mmから 10 mmと予混合火炎のそれよりも大きいという結果を得ている。Ballal22-23），Goroshin24）はアル
ミニウム粉について，実験的に調べるとともに粒子
径，粉じん雲濃度に対する消炎距離を見積もる理論
計算を行っている。これまでの研究結果からすると粉じん爆発用の消炎素子としては，ガス爆発に見ら― 37 ―②水噴霧による消炎実験
ハロン代替消火剤の開発とともに微細な水滴（ウォ−タミスト）を使った消火技術の研究開発が進んでいる28-29）。著者らは以前，ガス爆発で見られる予混
合伝ぱ火炎を水噴霧による消炎挙動を調べたが 30-31），
本実験ではその際に使用した実規模寸法の鉛直管を用い，石松子粉じん火炎についても同様に消炎挙動を調べた。ただし，水噴霧の開始時間は，管の側壁に取り付けた光センサ（赤外線受光）を火炎が通過する際の出力によって定めた。
③消炎素子による消炎実験
粉体を移送する配管内に目の細かい消炎素子を設けると，圧力損失が大きくなり輸送特性が著しく低下するとともに目詰まりの原因となる。配管内に消火・爆発抑制装置の開発に必要な消炎に関する基礎炎素子を常時設置することは不適当であるが，爆発発生の際に消炎素子を高速で管内に挿入し，遮へい板として使用することができれば，上流側の火炎を消炎しつつ圧力上昇を抑える効果が期待できる。これまで粉じん火炎の消炎距離については調べられているが，その値の妥当性も含め金網（1 枚から複数的な知見を得る目的で，粉じん火炎に水噴霧を行った際の消炎挙動，管内に消炎素子（金網，多孔板）を設けた場合の消炎距離，さらに不活性ガスを噴射することで伝ぱする火炎の前方に不燃領域（隔離領域）を形成した場合の消炎挙動を調べた。著者らは重ね）と多孔板を鉛直管（円管，内径 5 cm）の中に挿入できる実験装置を試作し，火炎の消炎挙動を調べた。
④不活性ガスによる伝ぱ火炎の隔離実験
実験項目（3）と同じ大きさの円管を用い，火炎

粉じん伝ぱ火炎に関する一連の研究 25-26）で標準粉体が伝ぱする前方で管の側壁からアルゴンガス（不活として知られる石松子粉 を用いて実験を行ってきたが，本報告でも実験結果の比較の容易さを考慮し，同じ粉を使って実験を実施した。

性ガス）を噴射することで，伝ぱする前方の粉じん雲を希釈し，火炎伝ぱの抑止性を調べた。

れる予混合火炎用の消炎素子の細隙よりも大きくても良いことが推察される。しかし，文献を調べた限
りでは粉じん火炎のそれについては十分に調べられているとは言い難い。
本研究では，配管内を伝ぱする粉じん火炎の消3）

2.

実験装置及び実験方法

2.1 実験概要
本研究では，次の四項目の実験を行った。
①火炎からの光の波長測定（分光測定）
爆発の発生を早期に捉える方法としては，圧力1，9-12）や火炎からの光を検出するもの 27）がある。本研究では光による検出を試みるが，火炎からの光と太陽光，
電灯などの外部からの光とを区別するため，対象となる火炎の紫外から赤外領域の波長特性を把握する必要がある。ここではガス火炎として円形バーナ

2.2 水噴霧による消炎実験装置
実験装置はFig. 1 に示したように，鉛直に設置した燃焼管，粉を分散供給する流動層，そして噴霧装
置から構成される。燃焼管は，長さ 2,050 mm，正方形 200×200 mm流路断面を持ち，下端から 150
mmのところに電極（ネオントランス 15 kV，20 mA）
が取りつけてある。また，管の中ほどを伝ぱする火炎の様子を観察できるように 200 mm流路幅，長さ380 mmの対面する 2 枚のガラス窓が取り付けられている。噴霧ノズルは，上方に伝ぱする火炎に対向するように下方に向けて取り付けてある。さらに，
管側壁からの噴霧実験もできるように取り付け孔を（内径 14 mm）上に形成したプロパン−空気（希薄と過濃），メタン−空気（希薄）の予混合（気）火
炎を，また粉じん火炎として石松子粉とPMMA粉（メタクリル樹脂粉）を平板上に堆積させた状態で燃焼する際の火炎からの光の波長特性を分光計を使設けた。管の寸法は実規模のダクトを想定して定めたもので，それに合わせてノズルの寸法，噴霧特性も考慮した。

って調べた。

P4488，浜松ホトニクス製）を取り付けた。このセ水噴霧の開始時間を定めるため電極から 600 mmの 高 さ （ y=600 mm ） に 赤 外 線 セ ン サ （ 焦 電 型

― 38 ―

産業安全研究所特別研究報告

NIIS-SRR-NO.27（2002）

的な濃度の不均一性，着火前の気流の乱れの影響が大きいなどの短所がある。本研究では，空間的な濃度の均一性に優れ，気流の乱れの影響の少ない流動層を用いた方法 21，25-26）により，燃焼管に粉を分散させた。試料粉は前述の通り，粒度（平均 32μm径）が揃い標準粉体としてよく用いられている石松子を用いた。
実験手順は次のとおりである。①初め燃焼管上端のシャッタを開けて，所定の流量の空気を一定時間だけ流動層下部から供給し，粉を舞上げ，燃焼管に導入する。②舞い上がった粉じん雲は 11 〜 15 cm/sの速度で燃焼管上方へ向かい，上端から粉が流出するのを見計らって流動層を水平方向に取り除き，燃焼管の下端を開くとともに火花点火する。③実験条
件によっては上端を閉じるとともに点火する。これ
らの一連の動作は，タイマを使った時間制御によって自動的に行われる。ただし，水噴霧開始時間を除く。火花放電の時間は，確実に着火させるために 0.5sとした。粉じん雲の濃度は，流動層への圧縮空気の供給量とその時間で変化させたが，この濃度は燃焼管へ導入された粉の量を燃焼管の容積で除した値（平均値）で代表した。局所的な粉じん濃度は，鉛直
上方に行くに従い減少するが，実際のところ火炎の伝ぱとともに粉が流動し，局所的な濃度が時間とともに変化するため，鉛直方向の濃度差は火炎の伝ぱFig. 1

Experimental apparatus for flame quenchingby water spray.
水噴霧による消炎実験装置

速度を大きく変化させないことがわかっている25）。
未燃焼の粉じんは燃焼管下端から落下，飛散するが，それとともに下方に伝ぱする火炎が下端から周囲に拡がるようになる。粉じん濃度が高い場合には，移動した流動層まで火炎が伝ぱし，燃焼を始めるこンサによる電気回路はいわゆる 人センサ と呼ばれるものと同じものであり，動きのない太陽光，電とがあった。そこで，流動層内に入った火炎をアルゴンガスで消火できるようにした。実験は屋内で行灯などの外部光には感知せず，赤外線を発する物体，
ここでは火炎が動いている場合に感知，出力するもうが，粉じん雲の濃度の増加によって，未燃焼粉が装置周囲に飛散することで現実的には火災に至る危のである。ただし，ブンゼン火炎，ろうそくの炎な

険性が高まることがわかったため，実験は石松子−

どの定在火炎でも時間的な揺らぎと，わずかの光量変化があるため感知できる。センサは管壁面に垂直に取り付けた円筒ソケット内に取り付けたが，予めたばこライターの小さな裸火でセンサ出力を調べた
結果，その設置高さの上下 65 mm（このときの受光角度は 59.4°），すなわち，y= 535 から 665 mmが受空気粉じんの化学量論濃度（125 g/m 3 ）25）よりも低感する高さとなることがわかった。なお，センサの応答性は 100 msである。実験では，火炎がセンサに近づき検出した場合，ある時間遅れを設定して電磁弁を開き，水噴霧を行うようにした。
大型燃焼管への粉の分散方法としては，所定の粉を圧縮空気で分散する方法が一般的であるが，空間

い濃度範囲で行った。
火炎の様子は，観測窓を通してビデオカメラ（30駒/s）を用いて観測した。火炎の伝ぱ速度は，管の壁面に一定間隔で取り付けたフォトトランジスタでも測定した。消炎の判定は，観測窓の上部のフォトトランジスタに出力がなく，火炎が管の上端まで伝ぱしない場合とした。
2.3 不活性ガス噴射による隔離，及び金網を使った消炎実験装置Fig. 2 は本研究で使用した実験装置で，(a）は消― 39 ―

配管内を伝ぱする粉じん火炎の抑止

流側の火炎を消炎しつつ圧力上昇を抑える効果が期
待できることを示す。消炎素子としてはステンレス
金網（平織）と熱伝導性の良いアルミニウム製の多孔板を用い，目開き 0.46 mm以上の金網について調べた。
Fig. 2（b）の実験では，20 mm長さのユニット部の円周方向の均等距離三カ所にガス噴射口を設けた。噴射口一つの内径は 4.4 mmである。不活性ガ
スとしてはアルゴンを用いた。
火炎伝ぱの様子は高速度ビデオカメラ（最大2,000 駒/s）を使って調べ，消炎の判定は目視と記録
映像によって行った。不活性ガスを噴射した実験では，噴射口と燃焼管上端の間で消えた場合を消炎と
判定した。

3.

実験結果及び考察

3.1 火炎からの光の波長

Fig. 2

Experimental apparatuses for quenching
distance by wire gauze and for isolation of
propagating flame by inert gas injection.
金網による消炎距離と不活性ガスによる火炎隔離のための実験装置

炎素子を用いた実験，(b）は不活性ガスを管壁から噴射した実験に対するものである。管の内径は 60mmで，いずれも流動層によって燃焼管内に均一な粉じん雲を形成し，シャッタを閉じ上方への火炎伝
ぱに対する消炎特性を調べることができる。火炎の伝ぱ速度は，管径，管端の開閉によって異なるが，上方への伝ぱ速度は，下端を閉じたほうが開けたときに比べて大きい。本実験は，伝ぱ速度が大きくな実験で得られた火炎からの直接光の波長スペクト
ルをFig. 3（a）〜（e）に示す。ただし，縦軸は相対強度である。分光測定ではマルチチャンネル分光計（S-2400，200 〜 550 nm，最大 1,050 nm，相馬
光学製）を使用した。プロパン−空気予混合火炎については希薄側の青炎の状態（a），過濃側では輝炎のある状態（b）で，メタン−空気予混合火炎については希薄側のみの青炎の状態（c）で調べた。受光部はバーナリムから上方 14 mm，中心から 22mmの位置に固定して行った。石松子（d），PMMA
粉（メタクリル樹脂粉）（e）は堆積した状態で燃焼させ，受光部は火炎から 20 mm程度離れた位置に設置した。
実験の結果，プロパン，メタンの火炎ともに紫外から可視光 500 nm付近まで，炭化水素火炎の特徴
的なピーク波長（308，428，514 nmなど）が存在す
ることが確認できた。広い波長範囲を一度に調べらる下端を閉じた条件で調べた。
Fig. 2（a）の消炎素子を用いた実験を行う際，着火前の粉の分散過程で予め消炎素子を燃焼管内に設置すると，素子の目開きによっては粉が素子に付着したり，粉本来の流動を阻害したりするので，着火以前に既に素子の前後で粉じん雲の濃度差が生じる

れるように波長検出幅を広くした（解像度を下げた）
ため，従来より知られている値 27，32） と一致しない

可能性がある。すなわち，実際よりも消炎距離が大きいと判断する可能性がある。そこで，本実験では，のことは，爆発発生の際に消炎素子を高速で管内にようになる。石松子とメタクリル樹脂の火炎の場合
は，紫外領域の波長よりも主に可視から赤外領域にかけての波長スペクトルが増加する。両方の粉とも有機物粉であり，プロパン，メタンと同様に炭化水
素火炎のC 2 ，CH，OHラジカルの素反応があり，紫挿入し，遮断壁として使用することができれば，上外領域にもピーク波長が存在するが，火炎の外側に流動層方式によって鉛直管内に均一な粉じん雲を分散し，その後，消炎素子を挿入するようにした。こがピーク位置はほぼ特定できる。予混合火炎の過濃範囲では二次火炎，拡散火炎が形成し，すすからの発光（輝炎）が見られるようになり，波長の長い領域（橙色から赤色）で連続したスペクトルを有する

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産業安全研究所特別研究報告

NIIS-SRR-NO.27（2002）

輝炎が形成するため相対的な強度が小さい。今回の実験では水素−空気予混合火炎を使用しなかったが，この火炎からの光はOHラジカルの素反応による紫外領域の波長を有することがよく知られている。
以上のことからすると，ガス爆発で一般的に見られる火炎（予混合火炎）では紫外領域の光センサが火炎検出として好ましく，粉じん火炎でも紫外領域のセンサが適用できるが，むしろ相対的な強度が大きい赤外領域で火炎を検出したほうが高感度で捉えることができる。
Fig. 3

Relationship between wavelength andrelative intensity of light emission bypremixed gaseous flames and dust flames.
予混合火炎と粉じん火炎からの光の波長と相対強度の関係

3.2 水噴霧ノズル
Table 1 は，水噴霧に使用したS 5 ノズルの特性である。ただし，この呼び名は便宜的に定めたものである。このノズルは一流体ノズルであり，開放空間では円形状に比較的一様な質量流束分布q wの特性を有するが，燃焼管内の観測部y=1.25 mで測定した分布はFig. 4 のようになる。水滴は拡がり角約60°で初め円錐状に広がるが，すぐに管壁に衝突し，さらに噴霧圧力が大きくなるにつれ水滴の下方への移動速度が増加し，水平方向の水滴間の衝突，流束

― 41 ―

配管内を伝ぱする粉じん火炎の抑止

Table 1

Fig. 4Characteristics of water spray.
水噴霧の特性Water flux of spray in duct.
配管内の水噴霧流束

分布が均一化するよりもむしろ流束分布は次第にひ

Photo 1

Lycopodium dust flame propagating
through dust cloud without water spray(50g/m3).
水噴霧が無い場合の粉じん雲中を伝ぱする石松子粉じん火炎

Fig. 5

Location of the leading flame with time.
時間経過に対する火炎先端の位置使用したノズルの中で比較的消炎性能が良かったたの背後にさらに二次火炎が形成しているということである（t=100 msにおいて，画面下にその火炎が見える）。また，管の鉛直方向に濃度勾配が存在しているものの，それによって伝ぱ速度が急激に減少せめ，本実験でも使用することにした。

ず，一速度で伝ぱしていることもわかる。Fig. 5 は，3.3 水噴霧実験における火炎伝ぱの様子

時間経過に対する火炎先端の位置を管上端の開放の有無で調べたものである。燃焼管の上端を閉じたと（1）水噴霧無しの場合
Photo 1 は，粉じん雲濃度 50 g/m3，燃焼管上端開きの伝ぱ速度は 64 cm/sであった。この値は 15×15cmで得られた実験結果 25） よりも大きいが，火炎形条件の場合の水噴霧をしない場合の火炎伝ぱの様子

状，伝ぱ速度が一定，二次火炎の形成などの火炎伝である。ただし，画面の横幅は 200 mmで，燃焼管側壁に一致している。この粉じん雲濃度は希薄側にある。火炎は，上方に凸形に湾曲して一定速度で伝ぱしていることがわかる 。このときの伝ぱ速度は1.6 m/sである。この火伝ぱにおける特徴的な様相は，ぱの挙動が同じであることがわかった。
（2）水噴霧有りの場合
水噴霧は，火炎の伝ぱとともに火炎検出センサが受光後，任意に設定した時間遅れT i で開始し，ある見かけの燃焼帯が厚く，先行して伝ぱする一次火炎

持続時間T Dだけ噴霧を継続する（Fig. 5）。S 5 ノズ

ずみ，壁付近で大きな値を持つようになる。このノズルは以前の予混合伝ぱ火炎の水噴霧実験 30）の際に

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産業安全研究所特別研究報告

NIIS-SRR-NO.27（2002）(a)Ti＝0.5s，TD＝0.5s(b)Ti＝0.6s，TD＝0.6s
Photo 2

Quenching behavior of lycopodium dust flames by water spray (from left to right, 33 ms/frame).
水噴霧による石松子粉じん火炎の消炎挙動

ルを使い，加圧P i＝0.83 MPaの条件で水噴霧を行っ

前述のように希薄側濃度にある粉じん雲中であったが，Photo 2（a），（b）はそれぞれT i =0.5，0.6 sの場合の消炎挙動である（各写真は 33 ms毎）。
Photo 2（a）の場合は，観測窓よりも下の高さで水滴が火炎に流入し，少しの時間（0.1 s）で消炎に至るが，Photo 2（b）の場合には，一次火炎が消えても，先行して伝ぱする火炎（一次火炎）の背後に別の火炎（二次火炎）が形成するが，噴霧持続時間が短いと後者の火炎まで消炎できずにその火炎が伝ぱを継続することがわかった。同じ水滴径・水噴霧質量流束条件では，メタン−空気の予混合気火炎よてもその背後に続く二次火炎が伝ぱを継続している。ただし，観測窓の上方で消炎した。火炎検出から応答遅れ（0.1 s）と本実験で設定した時間遅れの範囲では消炎が達成できた。噴霧持続時間を変えて消炎挙動を調べてみたが，噴霧開始が早く（Ti → 0），

りも石松子粉じん火炎（ただし，実験では希薄粉じん雲濃度のみ）のほうが消炎しやすいことがわかったが，二次火炎を消すためには噴霧持続時間を長く設定する，すなわち総水量を多くする必要があることがわかった。

噴霧持続時間T Dが短いと，消炎せずに上方に伝ぱを水噴霧の際の火炎の挙動について，メタン−空気の予混合火炎の場合には，水噴霧によって，消炎しないときは乱流火炎に遷移し，急激に燃焼・伝ぱしたが，希薄濃度の粉じん火炎の場合にはそれほど急激な変化はないことがわかった。このような特徴は継続することがわかった。これは，水噴霧によって誘起された下方への気流とともに，粉じん雲が自然落下よりも下方に速く流動するため，対向して伝ぱする火炎前方に局所的に高い粉じん雲濃度領域を形成するようになるためである。すなわち，配管内を伝ぱする火炎に対しては火炎の検出後，ごく短時間（概ね<10 ms）で水噴霧を開始しなくても，火炎を抑制しようとする位置で水噴霧を開始すればよいことがわかる。上述の粉じん雲濃度では，TD＝0.5 s以
上であれば消炎した。このときの水噴霧による管内の平均的な水滴群（97μm）の濃度は，Table 1 の
qw=0.135 g/cm2sとVw=26 m/sより，51.9 g/ｍ3となる。

予混合火炎の挙動とは異なるが，これは火炎が伝ぱする前方の未燃焼粒子と水滴の相互作用により，局所的な濃度が高くなったとしても，むしろ粉の流動と気流の乱れを抑えるためであると考えられる。しかし，実験を行っていない高い粉じん濃度範囲では，噴霧水滴が未燃焼粉じんの流動をかく乱することに

ただし，1 m3 空間内に占める数密度の比を見積もると，石松子／水滴＝7.5×108／1.4×107＝54となる。
単一粒子密度が小さく，かつ粒子径が小さい石松子

よって乱流火炎に遷移し，激しく燃焼・伝ぱする可能性は否定できない。
この実験の結果，赤外線光センサが火炎検出に有効であること，水噴霧時間はやや長く設定する必要があるが，粉じんの流動を除けば予混合気火炎の水のほうが水滴よりも空間に占める粒子数は多い。

噴霧による消炎と同様の解析が有効であることがわ配管内を伝ぱする粉じん火炎の抑止かった。

― 43 ―た。

3.4 金網，多孔板による消炎（1）実験結果

金網直前の火炎の伝ぱ速度は，粉じん雲濃度と消炎素子によって異なり，例えば，目開き 1.22 mmの金網について比較すると，93 g/m 3では 1.9 m/sであTable 2 は 得られた結果を整理したものである。

るが，280 g/m 3 では 12.0 m/sにも達する。また，調べた粉じん雲濃度 93,120,280 g/m3は石松子−空気

120 g/m 3 について見ると，消炎素子の目開きや枚数
によって火炎の伝ぱ速度に違いが見られることから，金網の存在による空気流れと粉じん流動への影響が大きいことが推察される。

火炎の化学量論濃度を基準にしたもので，それぞれの濃度は希薄側，量論付近，過濃側にある。なお本研究では，目開き寸法を消炎距離に相当するものとした。
Table 2 より，93 g/m3について，目開き 1.22 mm

Proustら 21）は一定間隔の平板を管内に設置して実では消炎したが，1.65 mmでは消炎しなかったことがわかる。120 g/m3については，目開き 0.46 mmの金網 1 枚では消炎しなかったが，複数重ねることで験を行い，コーンスターチについて，粉じん濃度の増加とともに消炎距離が減少，次第に一定値に達し，最終的には 7 mmという結果を得た。この値は，メタン−空気やプロパン−空気などの炭化水素系の予消炎が達成できた。280 g/m 3 についても同様であっ

混合火炎について知られた 1 〜 2 mmよりは大きいた。金網を重ねて用いて消炎する場合，火炎は金網のところで保炎され，その後下方に少し伝ぱし消炎するが，上方に伝ぱ，金網を通過することはなかった。この時，金網が上方に押し出されることはなく，燃焼に伴う圧力上昇が放出されていることがわかっものである。予混合伝ぱ火炎の場合，目開き 1 mmの金網を用いると，その火炎の伝ぱを抑止できるが，Table 2

本実験の粉じん火炎の場合は 0.46 mmの金網 1 枚では粉じん火炎の伝ぱを抑止できない。
（2）消炎距離Characteristics of flame quenching with wire gauze and porous plate.
金網と多孔板による消炎特性

― 44 ―

産業安全研究所特別研究報告

平板間を伝ぱする予混合気火炎における消炎距離dは次式で表される33）。
d =a・δ
（1）
ここで，aは予混合火炎の混合気ごとの定数である。

NIIS-SRR-NO.27（2002）

粒子に着火 26）することが難しい。石松子粉じんの火
炎の構造は予混合火炎のそれとは異なるが，金網への熱伝達からすると予混合火炎と同じように解析できることがわかる（付録参照）。しかし，燃焼時間

さらに，λgを気体の平均熱伝導率とすると，
d=aλg /（CpgρgSL）（2）で表される。すなわち，dは火炎の厚さと燃焼速度から推定できることになるが，Hanら 25）が調べた石松子−空気粉じん火炎の濃度 122，350 g/m 3におけ

（1）実験結果る火炎の厚さがそれぞれ 15.5，16 mm，燃焼速度についてはいずれも 40 cm/s 34） を用い，上式（1）とシャッタを閉じると同時にアルゴンガスを一定時間噴射した。粉じん濃度 120 g/m3においては，シャ（2）と比較検討を行うと，定数aの値がかなり小さ
いことになる。予混合気火炎ではａの値は 2 に近いとされる3，35）。

ッタとガス噴射の作動開始から 0.12 s後に火花放電により着火し，1 s間噴射を継続した。実験の結果，この粉じん雲濃度において，ガスの噴射量を 1.6 か

金網を重ねることで消炎が達成できるが，これは予混合気火炎の場合と同様で，消炎能力は金網前後の圧力損失に比例するという 18-19）。粉じん火炎の場

ら 4.3 L，すなわち一つの噴射出口の平均速度を 35

合，局所的な粉じん濃度の減少（粉の数密度の低下）
により消炎が達成できるはずであるが，粉の流動は気流と完全に一致しているわけではないので理論的た。ガス噴射から着火前までの 0.12 s間の噴出量は0.192〜0.516 Lとなり，これが噴射部付近から燃焼
管上方下方に拡散するものと仮定すると，それぞれな現象解析は複雑である。
Palmer 36） のプロパン，都市ガスなど可燃性ガスの予混合伝ぱ火炎に対し金網を使った消炎実験では，ばらつきが大きいものの，傾向として消炎能力は火
炎の伝ぱ速度に大きく依存することを示している。

68〜182 mmの長さをアルゴンガスで不燃化，隔離したことになる。ただし，火炎の挙動からすると，単純にこのような隔離が実現できなかっただけでな
く，ガス噴射の際，火炎は小さくなるものの加速的に伝ぱしていることがわかった。ガスの噴射によっ

この伝ぱ速度の増加とともに細かい目の金網が必要になるが，金網を 3 枚重ねると 1 枚のときよりも消炎能力が高くなり，10 枚では 3 枚と変わらないという結果を得ている。対象とした可燃性ガスの結果から，目開きφ，γとηは定数として，火炎の伝ぱ速て空気を希釈するが，むしろ吹き出した際の乱流混合によって，粉じんの流動が促進される。酸素濃度は低下するが，その濃度が消炎する限界よりも小さ
くならなければ，酸素が局所的に存在する領域を通して火炎が伝ぱを続ける。アルゴンガスを着火前の度V＝γ/（φη ）の近似式を考え，円柱周りの対流熱

早い段階で噴射しても，空気が希釈されるだけでは，伝達を考察し，実験結果より次式で表した 。

火炎の伝ぱを抑制できるだけの隔離領域を形成できないことがわかった。Fig. 6 は，この様子を模式的

36）

V= 21.6 /φ0.9（3）
こ こ で ， V と φ の 単 位 は そ れ ぞ れ ，［ c m / s ］ とが長い粒子の場合には，燃焼しながら金網の隙間を通過後，着火する可能性がある。
3.5 隔離距離〜 94 m/sまで変化させたものの，いずれも消炎しな
いことがわかった。280 g/m 3 についても同様であっ［cm］であり，21.6 は実験的に求められたもので，0.9 は用いた金網の目開きと直径の比から定まる係数である。この式によると，V=100 cm/sでは 0.18
cm，1,000 cm/sでは 0.014 cmという値を見積もることができるが，これらの値は本実験結果に近いものである。石松子の大きさは目開きよりも十分に小さ
いため，火炎の伝ぱとともに前方の未燃焼粒子は火炎と同じ方向に移動でき，金網の隙間を通過できる。
燃焼粒子が金網を通過する可能性は十分にあるた
め，通過した燃焼粒子によって金網背後の粒子が着火することで，火炎が伝ぱを継続することがある。
しかし，石松子の場合，個々の粒子の燃焼時間が短く 25），そのことで，通過している間に前方の未燃焼

Fig. 6

Schematic illustration of movement of flame
and inert gas.
火炎と不活性ガスの動きの概略図

配管内を伝ぱする粉じん火炎の抑止― 45 ―に示したものである。管壁面から垂直に噴射された
不活性ガスの速度が火炎の伝ぱ速度よりも大きくとも，火炎に向かう管軸に沿った方向成分の速度は小さい。早く噴射を始めても，そのガスは伝ぱする火る基礎的な知見を得る目的で，粉じん火炎に水噴霧炎とともに動く未燃焼側混合気に押され，雰囲気をスの不均一な混合があるので，火炎は未燃焼粉じん
雲が燃えるまで前方に伝ぱを続ける可能性があり，（隔離領域）を形成した場合の消炎挙動を調べた。
得られた主な結果は以下のとおりである。
（1）同じ水滴径・水噴霧質量流束条件では，粉じん
火炎のほうが予混合火炎よりも消炎しやすいが，配管内を伝ぱする粉じん火炎では希薄な粉じん雲

実際かなり下流まで伝ぱするものと考えられる。
（2）不活性ガス添加による限界酸素濃度
粉じん雲の着火性，爆発性については，一般的に窒素希釈に対する限界酸素濃度が求められており，有機物粉は 9 %から 15 %に限界値があるものが多濃度であっても先行する一次火炎の背後に二次火炎が形成することがあるので，それをも消火する
ためには，噴霧時間を長く，すなわち総水量を多くする必要がある。
（2）伝ぱ火炎の隔離（火炎抑止）のため不活性ガスい（例えば文献（3）付録：ドイツBIAの表参照）。
しかし，堆積状態では，粉じん雲の酸素濃度よりもを噴射する場合，着火後，早く噴射を開始しても火炎の伝ぱとともにガスが同じ方向に流動するので長い配管でなければ隔離効果が小さいことがわかった。
（3）伝ぱ火炎からの光を検出し，水噴霧を行うこと
で粉じん火炎を抑止することができた。配管内を希釈しながら下流に流動することになる。隔離しようとする領域においては，粉じん＋空気＋不活性ガ

低い値で着火するという結果もある。金属粉の代表的なものであるアルミニウム粉（22μmメジアン径）とマグネシウム合金粉（21μｍ）については，それ
ぞれ 5 %と 3 %という値が得られている。
限界酸素濃度による不活性化は発火防止，爆発の予防対策に有効であるが，爆発が発生して装置が破壊した場合には外から空気が流入するためこの考えに基づく爆発抑制の効果は期待できない。
（3）隔離に必要な不活性ガスの量隔離に必要な不活性ガスの量は，上流側の未燃焼
側の粉じん雲を限界酸素濃度以下にするだけの量と見積もれるが，実際は下流に噴射したガスが流れるので，かなりの不活性ガスを噴射する必要がある。
不活性ガス添加に対する燃焼限界は一般的にアルゴン，窒素，二酸化炭素の順で狭くなるので 4），本実
験のアルゴンガスよりも，むしろ二酸化炭素のほうを行った際の消炎挙動，流路に消炎素子（金網，多孔板）を設けた場合の消炎距離，さらに不活性ガスを噴射することで伝ぱする火炎の前方に不燃領域

伝ぱする火炎を消炎する場合には，火炎検出からごく短時間（10 msのオーダ）での噴霧でなくとも，火炎検出から抑止を達成しようとする位置に火炎が到達してから水噴霧あるいは不活性ガス噴射をすれば効果的である。
（4）消炎素子による実験では，粉じん濃度を 93 〜
280 g/m 3 （希薄から過濃）まで変化させて調べた
結果，実験で用いた目開き 0.46 mmの金網 1 枚では消炎しないが，複数枚数重ねることで消炎が達成できることがわかった。
（5）緊急遮断のために消炎素子を挿入することで内容物の飛散防止と圧力放散効果が期待できること

が消炎しやすいかもしれない（ただし，金属粉に対して，二酸化炭素は不適当，窒素の使用は注意が必がわかった。

要）。

なお，本実験は石松子粉のみで行ったが，近年取本実験結果から判断すると，火炎が噴射位置に到達したときに噴射を開始すると効果的に消炎できる
ことがわかる。均一に配管内に噴射するために噴き出し孔を多くし，かつ噴き出し孔を前後二段にすることで早く隔離距離を形成できる。管壁面からの水
噴霧 30）でも隔離効果があるが，未燃焼粉じんの流動扱量が増え，その爆発防止対策が求められているマ
グネシウムなど金属粉じんに対しては室内実験の安全性が確保できなかったため調べることができなかった。
水噴霧は，粉の飛散防止，粒子と気体の分離，装置の冷却効果，周囲の気流を巻き込むことによる有を抑える効果も期待できるため，むしろ不活性ガスの噴射よりも効果的である可能性が高い。

毒ガス（燃焼ガス等）の希釈，装置内の洗浄に寄与する。さらに，二次爆発が発生する可能性の低減，

まとめ

爆発後火災に進展した場合の火災拡大防止，装置壁，
溝部に堆積していた粉を洗い流す効果もある。対象

本研究では，配管内を伝ぱする粉じん火炎の消となる装置によっては，爆発抑制のために常時水噴

4.

火・爆発抑制装置の開発において必要な消炎に関す霧を行うことが望ましい場合もある。

― 46 ―

産業安全研究所特別研究報告

参考文献
1）中央労働災害防止協会編，粉じん爆発の防止技術，中央労働災害防止協会,（1989）.
2）榎本兵治編，粉じん爆発−危険性評価と防止対策−，オーム社,（1991）.
3）Eckhoff, R. K., Dust Explosions in the Process
Industries（second ed.），（1997），Butterworth- Heinemann, Oxford, UK.
4）Cashdollar, K. L. and Hertzberg, M.（eds.），
Industrial dust explosions, ASTM Special
Technical Publication 958,（1987），ASTM,
Baltimore, USA.
5）爆 発 圧 力 放 散 設 備 技 術 指 針 ， N I I S - T R - N o . 3 4（1998），産業安全研究所, pp.1-67.

NIIS-SRR-NO.27（2002）

May（1974），pp.159-175.
16）Sapko, M. J., Furno, A. L., and Kuchta, J. M.,“Quenching methane-air ignitions with water
sprays”, Bureau of Mines Report ofInvestigations （USA），RI-8214, （1977），
pp.1-13.
17）Jarosinski, J., “A survey of recent studies on
flame extinction”, Prog, Energy Combust. Sci.,
12（1986），pp.81-116.
18）林 年宏，産業安全研究所研究報告（第1報）
RR-21-1（1972），（第 4 報）RR-24-5（1976），（第 5 報）RR-24-6（1976），産業安全研究所.
19）林 年 宏 ， 産 業 安 全 研 究 所 研 究 報 告 RR-31-1（1983），産業安全研究所.

6）集じん機及び関連機器における粉じん爆発防止
技術指針，NIIS-TR-No.36（1999），産業安全研

20）Jarosinski, J., Lee, J. H. S., Knystautas, R., andCrowley, J. D., “Quenching of dust-air flames”,
Proc. Twenty-First Symp .（ Int .） o n

究所, pp.1-33.
7）NFPA 68: Guide for venting of deflagrations,
NFPA 69: Explosion prevention system ,Combust., Combust. Inst., Pittsburgh,（1986），
pp. 1917-1924.
21）Proust, C, and Veyssiere, B., “Fundamental

National Fire Protection Association,（1994），
USA.
8）VDI 3673 : Drauckentlastung von Staubexplosionen,

properties of flame propagating in starch dust
air mixtures, Combust. Sci. and Tech., 62（1988），pp. 149-172.

Verein Deutsher Ingenieure（1992），Germany.
9）那 須 貴 司 ， “ 爆 発 抑 制 装 置 ” ， 高 圧 ガ ス ， 2 2 ，（1985），pp.16-24.
10）日本フェンオール株式会社資料,東京.
11）Moore, P. E., “Suppressants for the control ofindustrial explosions”, J. Loss Prev. ProcessInd.,9（1996），pp. 119-123.
12）Fikeジャパン株式会社資料,東京.
13）高井陸雄，“空気中にある可燃性粉じんの爆発指数決定方法”，安全工学，27（1988），pp.3740.
14）ISO 6184（1985），Part 1:Determination of
explosion indices of combustible dusts in
air, Part 2 : Determination of explosion
indices of combustible gases in air, Part 3:
Determination of explosion indices offuel/air mixtures other than dust / air andgas/air mixtures, Part 4: Determination of22）Ballal, D.R., “Ignition and flame quenching ofquiescent dust clouds of solid fuels”, Proc. R.
Soc., Lond., A 369（1980），pp. 479-500.
23）Ballal, D. R., “Further studies on the ignition
and flame quenching of quiescent dust clouds”,
Proc. R. Soc. Lond., A 385（1983）， pp.1-19.
24）Goroshin, S., Bidabadi, M., and Lee, J. H. S.,“Quenching distance of laminar flame inaluminum dust clouds”, Combust. Flame, 105（1996），pp. 147-160.
25）Han, O.-S., Yashima, M., Matsuda, T., Matsui,
H., Miyake, A., and Ogawa, T., “Behavior offlames propagating through lycopodium dust
clouds in a vertical duct”, J. Loss Prev. ProcessInd., 13（2000），pp.449-457.
26）Han, O.-S., Yashima, M., Matsuda, T., Matsui,
H., Miyake., A., and Ogawa, T., “A study offlame propagation mechanisms in lycopodium
dust clouds based on dust particles' behavior”,
J. Loss Prev. Process Ind., 14（2001），pp.

efficacy of explosion suppression systems.
15）Bartknecht, W., “The course of gas and dust
explosions and their control”, （ed.,Buschmann
C.H.），Loss Prev.Safety Promotion in theProcess Ind., Proc., Elsevier, First Int. Loss

153-160.
27）日本燃焼学会，燃焼工学ハンドブック , 丸善,（1995），p.20.

Prev. Symp., Hague/Delft, Netherlands, 28-3028）Grant. G., Breton, J., and Drysdale, D., “Fire配管内を伝ぱする粉じん火炎の抑止― 47 ―

suppression by water sprays”, Prog. Energy
Combust. Sci., 26（2000），pp. 79-130.
29）Jones, A. and Nolan, P. F., “Discussions on theuse of fine water sprays or mists for fire

火炎に相対的な速度Vで水滴が火炎に流入する際の質量流束 qW は次式で表される。

suppression”, J. Loss Prev. Process Ind., 8（1995），pp.17-22.
30）八島正明，“水を噴霧した場合の管内伝ぱ火炎の消炎挙動”，産業安全研究所報告 NIIS-RR-98（1998），産業安全研究所，pp. 77-91.

こ こ で ， N は 単 位 体 積 あ た り の 水 滴 数（ 数 密 度 ），m o は水滴 1 粒子あたりの質量，V は｜V w −V f｜で水31）八島正明，“管内を伝ぱする火炎の消火剤噴霧による消炎”，第 31 回安全工学研究発表会講演
予稿集，（1998），安全工学協会，pp. 81-84.
32）幸田清一郎，田久保嘉隆編，火炎の分光学的計
測とその応用−フレームスペクトロピー−，学会出版センター，（1990），第６章.
33）Williams, F. A., Combustion Theory（second
ed . ） ： The Fundamental Theory ofChemically Reacting Flow Systems, AddisonWesley,（1985），Redwood City, CA, USA.
34）八島正明，“双火炎核法による粉じん伝ぱ火炎

qw＝NmoV＝（nmoV ）
（δA）
/

（1）

滴の移動方向を正符号にとる，V wは静止空間に対す
る水滴の移動速度，V f は周囲気流の速度＋燃焼速度
S L ，Aは火炎面の面積（投影面積），nは火炎帯に入る水滴数である。水滴の火炎帯を通過する時間t p は次式で表される。
tp＝δ/V（2）
単位体積，単位時間あたりの火炎の発熱量Qb"は，
Qb"＝Hbω＝Cpgρg（Tb−To）SL /δ（3）である。ここで，H bは単位質量あたりの燃焼熱，ωは単位体積，単位時あたりの生成量，C pg は気体の定圧比熱，ρgは気体の密度，T bは火炎温度，T oは未燃焼ガスの温度（＝火炎帯流入前の水滴の温度）である。ステップ状温度分布をもつ火炎帯全体の発熱の燃焼速度測定”，第33回安全工学研究発表会
予稿集，（2000），安全工学協会，pp. 49-52.
35）Pu, Y., “Fundamental characteristics of laminarflame in cornstarch dust-air mixture”, Dynamicof Reactive Systems, Progress in Aeronautics

量Qbは，上式より次のようになる。

andAstronautics, AIAA, 113（1988），pp.3-25.
36）Palmer, K. N., “The quenching of flame by wire
gauzes”, Proc. Seventh Symp （ Int .） o n
Combust., Combust. Inst., Pittsburgh,（1959），
pp. 497-503.

ここで，h c は水滴（球）と周囲ガス温度との平均熱

付

録

Qb＝Qb"δ2A/SL（4）粒子径D oの水滴が火炎帯に流入し，蒸発する際の熱量Qw1は次式で表される。
Qw1＝nhc（Tb−To）tA（5）伝達率，tは経過時間で水滴の蒸発時間あるいは火炎
帯通過時間に相当する。球の伝熱に対するヌセルト
数Nuは，
Nu＝hcDo/λw（6）である。ここでλ w は水滴表面と周囲ガスの平均熱伝導率である。

〔噴霧水滴の最適径と水量について〕
粉じん火炎の火炎構造は予混合火炎のそれとは異

水滴の蒸発によって火炎温度がT e まで下がり消炎する場合，火炎帯の水滴の通過時間tpと蒸発時間tvになるが，気相の温度分布は類似していることがわか

ついて二つに分けて検討できる。

っている（ｉ）tp ≧ twのとき。そこで，粉じんの流動を無視し，粉じ

1-2）

ん火炎の解析を予混合火炎に置き換え，ここでは消炎のための噴霧水滴径と必要な総水量について簡単

水滴がt p 時間ですべて蒸発し，温度T e の蒸気になったとすると，水滴群の火炎からの受熱量Q wo は次な計算を行ってみた。
火炎は厚さδ，温度T b のステップ状の温度分布をもつ火炎帯からなり，速度V f で空間を伝ぱしている

式で表される。
Qwo＝Cw1nm0（Tv−To）+nm0L＋Cwgnm0（Te−Tv）＝｛Cw1（Tv−To）+L+Cwg（Te−Tv）｝nm0とする。この火炎に相対する水噴霧により火炎温度が低下し，消炎するための水滴径と総水量，ここでは水噴霧の条件を設定するのに不可欠な質量流束を求める。消炎が主に火炎先端付近の平面に近い領域
で起こるとし，火炎全体の形状は湾曲せずに平面で（7）
ここで，C w1は水の定圧比熱，C wgは水蒸気の定圧比
熱，Lは蒸発潜熱である。
Q w1＝Q wo，t＝t pと置き，式（2）（ 5）〜（7）より，この時間条件における水噴霧流束q w1 は次式で表されあると仮定する。

る。

― 48 ―

産業安全研究所特別研究報告

qw1＝λW Nu（Tb−To）tv｛C/ w1（Tv−To）+L+Cwg（Te−Tv）｝tp Do＝τλwNu（Tb−To）｛C/ w1（Tv−To）+L+Cwg（Te−Tv）｝Do

NIIS-SRR-NO.27（2002）（8）

ここではτ＝ tv / tp とする。
水滴が急に火炎に流入した場合の非定常蒸発期間を無視し，水滴径Dの二乗が時間とともに一定速度で減少するいわゆるD 2則に従うとすれば，βを蒸発係数として，次式で表される。
D2＝Do2−βt（9）水滴の表面付近で沸点に近く，沸点以上にならな
いとし，λ g を気相中の平均熱伝導率，Tを周囲温度とすると，βは次式で表される3）。
β＝8λg（T−Tv）/ρwL（10）
tp ≧ tvでは，Do2＝βtv
tp < tvでは，D2＝Do2−βtp（11）（ii）tp < tvのとき
火炎帯で水滴径がDに減少するまでの水滴の火炎からの受熱量Q w2 について，それが水滴表面積の減少，すなわちD 2 の減少に比例すると考えると，式（7）（9）〜（11）より，次式で表される。
Qw2/Qwo〜（Do2−D2）/Do2より，
Qw2/Qwo＝α｛（Do2−D2）/Do2｝（12）
ここでは，αは係数である。
このときの火炎の熱損失Q bL は，式（3）（ 4）より，
To＝Teとして次式で表される。
QbL＝Cpgρg（Tb−Te）δLA（13）
Q w2＝Q bL，t＝t pと置き，式（2）（ 9）〜（13）より，この時間条件における水噴霧流束q w2 は次式で表される。
qw2＝Cpgρg（Tb−Te）V 2Do2/

Fig. 1

Qualitative variation of water flux with sizeof water droplet on quenching.
消炎に対する水滴径と水噴霧流束の定性的な変化定する場合には，この値D o *よりも小さい粒子径の水滴では，数密度を増やすようにq w1 曲線に従い，大きい粒子径では相対速度を小さくするなどq w2 曲
線に従うと良いことが推測できる 。しかし，メタ
ン−空気予混合火炎（当量比 1.0）について実験的に調べた消炎条件では，D o ＝97μmにおいて水噴霧の質量流束0.135［g/cm2s］（本文Table 1），Sapkoら5）は 100μmで0.127［ g/cm 2 s］という結果であったが，これらの値からすると，ここで用いた物性値と火炎

αβδ
｛Cw1（Tv−To）+L+Cwg（Te−Tv）｝ （14）をステップ状の温度分布で簡略化した計算は定性的なものである。しかし，水滴径の減少とともに消炎式（8）と（14）について，0.1MPaにおける次の値 を代入した場合の結果をFig. 1 に示す。ただし，のための水噴霧質量流束が減少する傾向は実験と一致する。また，必要な総水量についてもおおよそのN u数は 2，空気中での燃焼に伴うガスの物性値は窒値を見積もることができる。q w1 の曲線の交点より

素で代表した 。

も右側（点線部）では，水滴が火炎帯内で蒸発しきらない状態にあるので，点線よりも大きい値となるはずである。
最適径Do*を見積もるというだけならば，静止した

44）

4）

Nu＝2，To＝294K，Tv＝373K，Te＝1,273K，Tb＝1,773K，λw（水 330K）＝0.647×10−3［kJ/m・K・s］，
ρw（水 330K）＝984［kg/m3］，L＝2.26×103［kJ/kg］，
C w 1（ 水 330K）＝ 4.19［ kJ/kg ・ K ］， C w g（ 蒸 気
800K）＝2.19［ kJ/kg・K］，ρg（窒素 1,773K）＝0.164［kg/m 3 ］，C pg（ 窒素 1,773K）＝1.28［kJ/kg・K］，

水滴中を火炎が燃焼速度S L で伝ぱし，火炎帯ですべて蒸発すればよいので，たとえば次式で表される6）。
1/2
Do*＝2〔（2Df Csδ）
（ρ
/
wS L）

［m2/s］（式（10），T=Tbより），α＝1
二曲線の交点のq wが最小になるときの水滴径が最適径D o *となるが，実際使おうとするノズルの水滴（15）
ここでは，D f は蒸気の空気中への拡散定数，C sは水
滴表面における飽和蒸気圧である。この式では，水滴の火炎帯の通過時間はδ/SLで表されるが，粉じん
火炎では，予混合火炎のそれに比べてδが大7），SLが径の性能が予め定まっている場合の水噴霧条件を設

小なので8），Do*は大きくてもよいことが推測できる。

V＝30［ m/s］，δ＝1×10 −3［m］，β＝2.44×10 −7

配管内を伝ぱする粉じん火炎の抑止

参考文献
1）Smoot, D. L. and Horton, M. D., “Propagation oflaminar pulverized coal -air flames”, Prog.
Energy Combust. Sci., 3（1977），pp. 235-258.
2）Seshadri, K, Berlad, A. L., and Tangirala, V.,“The structure of premixed particle-cloud
flames”, Combust. Flame, 89（1992），pp.333342.
3）熊谷清一郎，燃焼（岩波全書），岩波書店,（1976），
p.178.
4）日本機械学会編，伝熱工学資料（改訂第 4 版，丸善,（1996）.
5）Sapko, M. J., Furno, A. L., and Kuchta, J. M.,― 49 ―“Quenching methane-air ignitions with water
sprays”, Bureau of Mines Report ofInvestigations（USA），RI-8214,（1977），pp.113.
6）疋田 強，秋田一雄，改訂燃焼概論，コロナ社，（1982），pp.186-193.
7）Han, O.-S., Yashima, M., Matsuda, T., Matsui, H.,
Miyake, A., and Ogawa, T., “Behavior of flames
propagating through lycopodium dust clouds in a
vertical duct”, J. Loss Prev. Process Ind., 13（2000），pp.449-457.
8）八島正明，“双火炎核法による粉じん伝ぱ火炎の燃焼速度測定”，第33回安全工学研究発表会予稿集，（2000），安全工学協会，pp.49-52.
（平成 14 年 9 月 14 日受理）