ソリューション
ソフトウェア
その他・お知らせ
本文までスキップする

カーボンニュートラル実現に向けたバーナー燃焼解析（その1）

Jun Mizushima

 

皆さま、こんにちは。

IDAJの水島です。

CONVERGEはオートノマスメッシング技術により、エンジン解析だけではなく、モーター冷却（空冷・油冷）やバッテリー解析、ポンプ（気体・液体）解析等の幅広い解析にご利用いただいています。そこで今回は、バーナー解析にフォーカスしていくつかの解析技術と事例をご紹介します。

スワールバーナー解析や逆火解析、火炎吹き消え解析等の基礎的なバーナー解析、ガスタービン排ガス予測解析、液体燃焼と流体固体熱連成解析を含むガスタービン燃焼解析など、CONVERGEの適用範囲は多岐にわたりますが、ここでは、予混合燃焼と拡散燃焼の両方の燃焼形態を持つ部分予混合燃焼を取り上げ、近年注目されているカーボンニュートラル実現に向けたバーナー解析技術にも言及したいと思います。

1 CONVERGEのバーナー解析事例

CONVERGEのバーナー解析事例

 

性能を評価・改良することが目的の場合、シミュレーションはどのように役立つのか？

バーナーは、暖房機器等の小型燃焼器から産業用ガスタービン等の大型燃焼器まで様々な燃焼機器で使用されます。では、このバーナーに求められる性能とは何でしょうか？

  • 安定的な火炎の生成：逆火、吹き消え、燃焼振動の防止
  • エミッション量の抑制：NOxやカーボン排出量の抑制

他にも重要な項目はありますが、ここでは2点に絞って話を進めます。

これら性能は、燃料や空気の流入速度、流入温度、当量比によって大きく変化します。シミュレーション技術を使えば、“どの程度の流速、温度、燃料濃度で燃焼させれば、安全で環境に優しい燃焼が達成できるか”を試作品製造前に予測することができます。様々な条件で検討できること、実験で観察できない物理量を取得できることはシミュレーションの最大のメリットで、燃焼器の設計時には不可欠な技術だと考えています。また、バーナー燃焼は乱流と化学反応の相互作用を含む複雑な保炎機構を持つことから、CONVERGEをはじめとする2次元または3次元解析ツールによる検討が重要です。

近年はカーボンニュートラル実現の観点から、水素燃料や新燃料が注目されており、特に水素燃焼は多くの文献で紹介されています。水素は他燃料と比べて燃焼速度が大きく、火炎温度が高いという特徴があります。前者は火炎の安全性、後者はNOx排出量の増加に影響します。したがって水素燃料を燃焼機器へ適用する場合は、火炎の安定性とエミッション量が一層意識されるべきだと考えられます。

バーナー燃焼形態

燃焼形態は、予混合燃焼と拡散燃焼に大別されます。これらの形態は、前述したバーナー性能に対しては一長一短です。

予混合燃焼は、あらかじめ燃料と酸化剤を十分に混合された状態で燃焼する形態です。当量比を調整できるため、低NOx化を達成しやすいことが特徴です。一方で、条件によっては逆火などの異常燃焼を引き起こすリスクをはらんでいます。

拡散燃焼は、燃料と酸化剤が別々に供給されて燃える燃焼形態で、理論混合比付近で燃えるため、火炎の安定性に優れています。一方で、火炎温度が高くなる傾向にあり、NOx排出量が大きくなるという欠点があります。

2 予混合燃焼と拡散燃焼の比較（出典1）

予混合燃焼と拡散燃焼の比較（出典1）

部分予混合火炎のシミュレーション

それぞれの欠点を補うため、多くの燃焼機器では部分予混合燃焼が採用されています。部分予混合火炎は、例えば可燃限界付近の混合気といった燃料と空気が十分に混合していない予混合気と酸化剤を別々に供給し、混合拡散によって燃焼させる燃焼形態です。燃料と酸化剤が混合した箇所で燃えるため安定的であるのと同時に、希薄予混合気による燃焼が可能なためNOx排出量を抑えることができます。

1.濃淡火炎バーナー燃焼振動解析（メタン）

濃淡火炎バーナーは、主に給湯器等の小型燃焼機器で使用されているバーナーです。過濃な予混合気と希薄な予混合気が混合することで燃焼します。このような燃焼形態で生成される火炎は「濃淡火炎」と呼ばれ、通常の拡散火炎に比べてNOx排出量が少ないことが知られています。一方で、混合気が流入する速度、温度、空気比または当量比によっては、火炎が不安定になり、燃焼振動や火炎の吹き消えが起こることもあります。

濃淡火炎バーナーを採用した給湯器のバーナーを対象としたCONVERGEの計算事例をご紹介します。火炎形状と安定性が異なる3条件（過濃混合気の空気比）を対象とし、燃料はメタンで、詳細化化学反応を考慮した計算を行っています。このシミュレーションでは、実測に近い火炎形状が再現できました。また、火炎が不安定となる条件（空気比0.4）では、燃焼振動が確認されました。以上の結果から、火炎の安定性の評価だけではなく燃焼騒音等の評価への活用や、詳細化学反応を考慮しているためエミッション量の予測も可能です。

3 左：給湯器バーナー実機、中央：給湯器バーナーイメージ図、右：火炎安定限界※（出典2）

左：給湯器バーナー実機、中央：給湯器バーナーイメージ図、右：火炎安定限界※（出典2）

※CONVERGEでは赤（λ=0.4）・緑（λ=0.7）・青（λ=1.0）の3種類の空気比で計算（赤・緑・青の各点は本記事筆者加筆）

4 左：各空気比の火炎の実測写真（出典3）、右：CONVERGEの計算結果

左：各空気比の火炎の実測写真（出典3）、右：CONVERGEの計算結果

5 不安定条件（空気比0.4）の燃焼振動

不安定条件（空気比0.4）の燃焼振動

2.浮き上がり火炎解析（水素）

バーナーの燃料（噴流）速度をある程度まで大きくすると、火炎がバーナーから浮き上がって保持される現象が観察されます。これを「浮き上がり火炎」と呼びます。火炎が浮き上がると、火炎基部には希薄予混合火炎、火炎内側には過濃予混合火炎、火炎外側には拡散火炎が形成されることが知られています。極めて複雑な現象ですが、火炎の浮き上がりによる予混合気の形成によってNOx低減効果が確認されており、特にガスタービン用バーナーへの適用が期待されています。

続いて、水素バーナーにおける浮き上がり火炎を再現した計算結果を示します。このバーナーを対象とした解析は多くの論文で紹介されており、火炎の浮き上がり高さが精度の評価指標として用いられています。実測とCONVERGE計算結果を比較すると、ほぼ同一の浮き上がり高さを予測しました。また、浮き上がり火炎の詳細な構造を調査し、計算で得られた火炎が、過濃混合火炎、希薄予混合火炎、拡散火炎から形成されていることを確認しました。これは、溝渕らが詳細検討した水素浮き上がり火炎の構造（出典4）とおよそ一致しています。NOx濃度を確認すると、予混合火炎が形成されている部分では、NOx排出量が少なく、浮き上がり火炎の生成がNOx排出量低減に対して効果的であることが示唆されています。

火炎の浮き上がり高さは、燃料と酸化剤の流速・温度・濃度で変化し、NOx排出量にも影響することが知られています（出典6・7）。以下で示した結果は、CONVERGEに付属するTecplot for CONVERGEを用いて可視化しました。化学種勾配量の計算にも適用できますので、CONVERGEを用いた詳細な解析にトライされてはいかがでしょうか？もちろん、ご不明な点があればCONVERGE技術サポートチームがご支援させていただきます。

6 水素浮き上がり火炎の構造 ※日本語の説明は本記事筆者加筆（出典4）

水素浮き上がり火炎の構造 ※日本語の説明は本記事筆者加筆（出典4）

7 CONVERGEによる水素浮き上がり火炎計算事例（出典5）

CONVERGEによる水素浮き上がり火炎計算事例（出典5）

8 浮き上がり高さの実測との比較（出典5）

浮き上がり高さの実測との比較（出典5）

9 温度、熱発生率、NOx濃度、Flame Index（正：予混合火炎、負：拡散火炎）

温度、熱発生率、NOx濃度、Flame Index（正：予混合火炎、負：拡散火炎）

 

[出典一覧]

1：経済産業省「水素・燃料電池戦略協議会」第4回配布資料 参考資料2「水素発電に関する検討会報告書」6ページ, https://www.meti.go.jp/committee/kenkyukai/energy/suiso_nenryodenchi/pdf/004_s02_00.pdf

2：安田裕文他「濃淡火炎の境界領域を制御した高性能濃淡バーナの開発」,日本燃焼学会誌,第48巻145号,2006年,p.241-249, https://www.jstage.jst.go.jp/article/jcombsj/48/145/48_241/_article/-char/ja/

3：安田裕文他「濃淡火炎の境界領域を制御した濃淡バーナの燃焼特性（第1報,淡火炎および濃火炎の安定限界に及ぼす境界領域制御用混合気の流速および空気の効果）」,日本機械学会論文集(B編),72巻716号,2006年,p. 310-315, https://www.jstage.jst.go.jp/browse/kikaib1979/72/716/_contents/-char/ja

4：Y. Mizobuchi他「A numerical study on the formation of diffusion flame islands in a turbulent hydrogen jet lifted flame」,Proceedings of the Combustion Institute,Volume 30, Issue 1, January 2005, Pages 611-619

5:R.Cabra他「Simultaneous laser raman-rayleigh-lif measurements and numerical modeling results of a lifted turbulent H2/N2 jet flame in a vitiated coflow」,Proceedings of the Combustion Institute,Volume 29,Issue 2,2002,Pages 1881-1888

6：上島光浩他「高温空気流中における浮上がり噴流火炎の予混合化燃焼とNOx低減」日本機械学会論文集(B編),71巻701号,2005年,p.310-315, https://www.jstage.jst.go.jp/article/kikaib1979/71/701/71_701_310/_article/-char/ja

7：名田譲他「乱流浮き上がり火炎の浮き上がり高さに対する既燃ガス希釈の影響（希釈による反応物濃度低下の影響）」日本機械学会論文集（B編）,78巻795号,2012年,p.2015-2029,   https://www.jstage.jst.go.jp/article/kikaib/78/795/78_2015/_article/-char/ja

 

さて次回は、バーナー燃焼解析にCONVERGEが最適な理由をご説明します。

 

 

■お見積りなどのお問い合わせ先はこちらです。

株式会社 IDAJ 営業部

Webからのお問い合わせはこちら

E-mail：info@idaj.co.jp

TEL： 045-683-1990