微粉炭燃焼における科学技術の適用と合理的設計法の提案

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本研究は、微粉炭燃焼炉内において燃焼後生成する石炭溶融灰の炉壁面への付着挙動を実験により解明し、その結果から灰付着現象の定量化を可能とするための灰付着モデルを開発し、実炉への適用を目的に開始された。その結果以下のような知見が得られた。粒径φ1-50μmの溶融灰粒子の挙動は粒子周りの流れ場により大きく左右される。灰付着量測定および付着挙動可視化実験では、この点を踏まえ、流れ場を出来るだけ単純化し、常温における旋回なしの直方アクリル製ダクト内における微粒子の壁面近傍における付着挙動のみに着目した模擬実験を行った。同時に当研究室で開発された流れ場の数値計算プログラムコード(低Re型k-ε2方程式モデル使用)を実験装置の壁近傍の解析に用い、粒子運動については粒子一つ一つの挙動に着目したLagrange法を用い壁面近傍の粒子挙動を解析し、実験および計算の両面からのアプローチを行った。粒子運動には乱流変動を考慮した気流との相互作用による抵抗力、重力、粒子の回転運動による回転揚力、壁近傍のせん断流れ場による揚力を考慮した。以上の結果から、このような粒径の粒子の付着挙動には乱流変動が大きな影響を与える事が明らかになった。粒径が小さくなるにつれ、粒子の慣性力は弱まり、壁に衝突した粒子は、殆ど反射することなく、付着することがわかった。また、粒子の付着挙動には壁近傍で発生する乱流渦と浮遊粒子の相互作用が重要であるため、壁面の粗さも付着挙動を決定する大きな因子の一つである事が明らかになった。今後、以上で得られた知見を当研究室の燃焼数値計算プログラムコードに組み込み、実炉に適用する事により、最適な操業条件を提案する。これまで付着挙動まで考慮した燃焼シミュレーションモデルは存在しなかったため、このような試みは非常に重要である。