世界初の高温予混合燃焼の実現とその詳細火炎構造の解明

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高温かつ希薄な予混合気を形成し燃焼させる高温予混合燃焼が実現すれば,すすおよび窒素酸化物(NO_x)排出が大幅に抑えられるため,環境負荷低減のために極めて重要な技術課題である.そこで,本研究においては,高温予熱空気および燃料を燃焼器に供給する前に完全に予混合して高温予混合乱流燃焼を実現させることを目指し,燃料と空気を着火遅れ時間内に急速に予混合させる急速混合ノズルを組み込んだ高温予混合燃焼バーナを開発し,1173Kの温度を持つ高温予混合気の形成に成功した.また,高温予混合気による乱流火炎の諸特性を詳細に調べ,常温予混合気による乱流火炎と比較した結果,以下の知見を得た.(1)予混合気温度の上昇に伴い,希薄消炎限界領域が著しく広くなるため,低酸素濃度,低当量比での燃焼が可能となり,未燃予混合気と既燃ガスの密度比が1.15程度の極めて低い密度比の火炎が形成できた.また,希薄消炎限界の混合気による乱流火炎温度は1400K程度で非常に低く,サーマル窒素酸化物(NO_x)排出の大幅な低減が期待できる.(2)本高温予混合燃焼バーナにおける流れ場と燃焼は循環流に支配され,既燃ガスからの熱および活性化学種が未燃領域に激しく再循環することによってwell stirred reactorの火炎構造を呈するため,平均温度は低く温度変動も小さい静かな燃焼を実現している.(3)乱流予混合火炎の構造が遷移する境界条件の無次元数であるカルロビッツ数の値は混合気温度によって大幅に異なることが明らかとなった.