成果報告書詳細
管理番号20140000000253
タイトル平成23年度-平成25年度成果報告書 省エネルギー革新技術開発事業 先導研究 高温酸素燃焼技術の研究開発
公開日2014/6/24
報告書年度2011 - 2013
委託先名日本ファーネス株式会社 国立大学法人東北大学
プロジェクト番号P09015
部署名省エネルギー部
和文要約 高温酸素燃焼、すなわち純酸素と既燃ガスの混合気を熱再生により予熱して酸化剤として利用する燃焼方式は、大幅な省エネ効果をもたらした高温空気燃焼と比較しても、エクセルギー損失の最小化によりさらなる省エネ効果とCO2やNOxの排出量削減が可能であると見込まれる。本研究開発では、基礎試験を用いて高温酸素燃焼条件の燃焼基礎特性を把握し、小型燃焼試験炉の設計・開発を行い、高温酸素燃焼の省エネおよび排気の特性を評価することを目的とした。本研究開発の前半では、純酸素・空気・既燃ガスの混合気を酸化剤に想定した高温酸素富化燃焼条件(O2/N2/CO2)を対象とし、後半では純酸素・既燃ガスの混合気を酸化剤に想定した高温酸素燃焼条件(O2/CO2)を対象とした。
 基礎試験として、二つの実験方法(対向流火炎法と同軸噴流火炎法)を用いた。対向流火炎法により、酸化剤の温度とCO2濃度が消炎限界に及ぼす影響を調べた。詳細反応機構を用いた数値計算を実施し、計算結果と実験結果は良好な一致を示した。同軸噴流火炎法により、酸化剤の温度とCO2濃度が火炎形態、火炎長、NOx濃度に及ぼす影響を調べた。酸化剤のCO2濃度が増加するにつれて、安定燃焼領域は狭くなり、火炎長は短くなり、NOx濃度は減少した。酸化剤の温度が減少するにつれて、NOx濃度は減少した。これらの基礎試験結果を用いて、小型燃焼試験炉の設計開発を実施した。
 小型燃焼試験炉はシングルタイプのリジェネバーナと類似する構造を持つバーナを設置し、バーナに内蔵する蓄熱式熱交換器で酸化剤の予熱を行うが、蓄熱体へ酸化剤を導入する前に酸素と既燃ガスの混合をできるような構造を持たせた。最大負荷は43kW、炉の内寸は幅0.5 m x 高さ0.5m x 長さ1 mとした。また、リジェネバーナの蓄熱体に流すガスを既燃ガスと酸化剤に周期的に切換える切換弁動作や、炉外に排出した既燃ガスによる酸素希釈の有無などは全てPLCで自動制御する燃焼制御装置を開発し、燃焼試験に供した。
 開発した小型燃焼試験炉を用いて、高温酸素富化燃焼条件および高温酸素燃焼条件の燃焼特性を調べた。参照のため、高温空気燃焼条件と通常燃焼条件についても調べた。安定な高温酸素燃焼を実現することができ、高温空気条件と比較して排気流量を80%削減できた。すなわち、排気からのエンタルピ損失を削減することができた。高温酸素燃焼条件におけるCOとNOxの排出量はいずれも10 ppm以下であり、良好な排気特性を得ることができた。炉内温度分布は平均からのばらつき幅が50 K以下であり、良好な均温性を得ることができた。また、模擬ワークを炉内に設置し、入熱量計測を実施した結果、炉への入熱を同一条件とした場合におけるワークへの入熱量は高温酸素燃焼の方が高温空気燃焼より高い値を示した。高温酸素燃焼では炉内が輻射性ガスであるH2OとCO2に占められることから、特に炉内温度とワーク温度の差が小さいとき効果が大きく、入熱量は約35%増加した。これらにより、同じ模擬ワーク温度を実現するために必要な燃料流量を、高温酸素燃焼の方が通常燃焼より44%少なくすることができた。これは、炉の小型化を含まない実績であり、実用工業炉では高温酸素燃焼で更なる燃料削減効果が得られると期待される。
英文要約 High-temperature oxygen combustion, which employs mixtures of oxygen and burned gas, pre-heated by heat recirculation as an oxidizer, can further improve energy efficiency by reducing exergy loss and this leads to the reduction of CO2 and NOx emissions compared with high-temperature air combustion. The objective of this project was to confirm and evaluate the energy and emission performance of high-temperature oxygen combustion through obtaining fundamental knowledge on combustion characteristics and developing a lab-scale furnace. The first half of this project focused on the high-temperature oxygen-enriched condition (O2/N2/CO2 mixture for oxidizer) and the latter half focused on the high-temperature oxygen condition (O2/CO2 mixture for oxidizer) to conduct experiments step by step.
Two experimental methods were employed in the fundamental part of this project: counterflow flame experiment and co-axial jet flame experiment. Extinction limits were identified by the counterflow flame experiment for various temperatures and CO2 concentrations of the oxidizer stream. Numerical computation with a detailed chemical kinetics was also conducted and computational results were in good agreement with experimental results. By co-axial jet flame experiment, the effects of temperature and CO2 concentration of the oxidizer stream on combustion regime, flame length and NOx concentration of the exhaust gas were investigated. With an increase of the CO2 concentration, the stable combustion region became narrow, the flame length became short and the NOx concentration decreased. With a decrease of the oxidizer temperature, the NOx concentration decreased. These measured data in counter-flow flame and co-axial jet flame experiments were utilized for designing and developing the lab-scale furnace.
The designed test burner was similar to a single-type regenerative burner for high-temperature air combustion. The essential point of the burner design was that it has functions of burned gas recirculating and it is mixed with oxygen before preheating with regenerator media. The firing rate of 43kW was decided by referring the fundamental research as described above. The inner size of the test furnace was 0.5 m of width, 0.5 m of height, and 1 m of length. The periodic switching of burned gas and oxidizer flowing into the regenerator media and the mixing of burnt gas and oxygen were automatically controlled by PLC installed in the control panel.
By the developed lab-scale furnace, combustion characteristics in the high-temperature oxygen-enriched and oxygen conditions were investigated. For reference, those in the high-temperature air and normal air conditions were also investigated. The developed lab-scale furnace attained stable high-temperature oxygen combustion. Flow rate of exhaust gas in the high-temperature oxygen condition was 80% lower than that in the high-temperature air condition. This means the high-temperature oxygen combustion reduced enthalpy loss in the exhaust gas. CO and NOx emissions in the high-temperature oxygen condition were less than 10 ppm. The temperature profile in the furnace was measured and the maximum temperature difference was less than 50 K in the high-temperature oxygen condition. The uniform temperature profile was attained in the high temperature oxygen condition by the present lab-scale furnace. A heat flux from burned gas into the model work in the high-temperature oxygen was higher than that in the high-temperature air combustion, which would be due to larger amounts of radiative gases (H2O and CO2) in high-temperature oxygen combustion.
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