微粉炭の燃焼試験装置
【課題】 無重力環境で正確に微粉炭燃焼テストを行う。
【解決手段】 一端が閉塞され、他端が開放された透明な筒体１ａを有する燃焼容器１と、燃焼容器１の開放側に設けられた着火装置４と、微粉炭の火炎の伝播状況を筒体の外から撮影するカメラ６とからなり、無または微小重力下で微粉炭の燃焼試験を行う。
【解決手段】 一端が閉塞され、他端が開放された透明な筒体１ａを有する燃焼容器１と、燃焼容器１の開放側に設けられた着火装置４と、微粉炭の火炎の伝播状況を筒体の外から撮影するカメラ６とからなり、無または微小重力下で微粉炭の燃焼試験を行う。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は微粉炭の燃焼技術を開発するうえで、重要な微粉炭粒子群の燃焼特性をテストするための微粉炭の燃焼試験装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】石炭はその埋蔵量の大きさから将来のエネルギー源として依然重要であるが、他の燃料に比べ単位エネルギーあたりの二酸化炭素の排出量が多く、また、硫黄・窒素酸化物が生成するため、そのクリーンで高効率な燃焼技術の開発が求められている。微粉炭酸素燃焼技術は、微粉炭を酸素・二酸化炭素雰囲気で燃焼させることで排ガスをすべて二酸化炭素として回収できる方法であり、二酸化炭素回収の他、窒素酸化物の低減にも大きな効果が期待できる。このような新しい微粉炭燃焼技術を開発するうえで、微粉炭粒子群の燃焼特性を知ることは重要であるが、その燃焼機構が複雑であり、実験手法の点からその正確な基礎データはあまり得られていない。
【０００３】石炭粒子の基礎的な燃焼機構については、その実験的・理論的研究がいくつかのレビューにまとめられている。しかし、これら常重力における実験では、粒子を均一に分散させることが極めて困難であり、粒子の沈降・自然対流の影響により燃焼場の攪乱が起こり、実験装置・手法によって実験結果がばらついてしまうという問題がある。一方、無または微小重力下では、粒子の沈降がないため、比較的均一に微粒子群を空間中に分散でき、また、自然対流の影響を除去できるため、本質的な微粒子群燃焼挙動を観察できると考えられる。
【０００４】図４は第３５回燃焼シンポジウム講演論文集（平成９年１１月１日発行）に発表された「微小重力場における微粉炭粒子群の燃焼特性」（Ｐ４４６〜４４８）に記載されたかかる試験装置の概略図である。図において、ａは透明な石英製の密閉容器であり、中空な球形をしており、内部が燃焼室ｆになっている。ｂは微粉炭の分散管で環状をしており、微粉炭を噴出する複数の孔が明けられている。ｃは着火装置である。ｄは高速度カメラ、ｅはビデオカメラである。テストは北海道の（株）地下無重力実験センタ（ＪＡＭＩＣ）で行った。ここでは１０-4ｇ以下の微小重力環境が約１０秒間得られる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】かかる試験装置において燃焼室ｆが密閉空間になっているので、燃焼の進行にともなって内部圧力が上昇し、火炎の伝播速度が加速してしまい、正確な火炎伝播速度が測定できない。また、容器ａの壁面に輻射ヒータがないため、実際の微粉炭焚きボイラのように壁面から輻射熱を受けるような条件下でのテストができない。
【０００６】本発明は従来技術のかかる問題点に鑑み案出されたもので、無または微小重力下において、微粉炭の燃焼試験を行う際に、燃焼室内の圧力が上昇して火炎伝播速度が加速してしまうことのない、微粉炭の燃焼試験装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため本発明の微粉炭の燃焼試験装置は、一端が閉塞され、他端が開放された透明な筒体を有する燃焼容器と、該燃焼容器の閉塞側に設けられた微粉炭の分散装置と、該燃焼容器の開放側に設けられた着火装置と、微粉炭の火炎の伝播状況を筒体の外から撮影するカメラとからなり、無または微小重力下で微粉炭の燃焼試験を行うものである。
【０００８】上記筒体の周壁に加熱装置を設けることが好ましい。
【０００９】次に本発明の作用を説明する。燃焼容器の閉塞側に設けられた微粉炭の分散装置から分散用の気体と共に微粉炭を燃焼容器内に噴出する。燃焼容器は無または微少重力下にあるので、微粉炭は重力の影響で沈降することがなく燃焼容器内に一様に分散される。微粉炭が燃焼容器内に一様に分散した後、燃焼容器の開放側に設けた着火装置により、着火を行う。着火後、燃焼容器内に浮遊した微粉炭粒子が燃焼し、その火炎が燃焼容器の閉塞側に向かって伝播して行くが、その状況はデジタルビデオカメラにより撮影される。燃焼容器の他端が開放されているので、微粉炭が燃焼して燃焼容器内部が昇温しても、内部の圧力が上昇することがなく、火炎の伝播速度が加速することがない。したがって、正確な火炎伝播速度を得るための燃焼テストを行うことができる。
【００１０】さらに、筒体の周壁に加熱装置を設ければ、実際の微粉炭炊きボイラのように壁面から輻射熱を受けるような条件を模擬したテストを行うことができる。
【００１１】
【発明実施の形態】以下本発明の１実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１は本発明の微粉炭の燃焼試験装置の概略図である。図において、１は燃焼容器である。燃焼容器１は透明な石英製の筒体１ａと、筒体１ａの一端を閉塞する蓋体１ｂとからなる。
【００１２】蓋体１ｂの内側に微粉体の分散装置３が設けられている。微粉炭の分散装置３は１ｍｍ程度の多数の孔が設けられた半球状の整流板３ａと、微粉体分散用のガスを貯蔵するガスボンベ３ｂと、ガスボンベ３ｂと整流板３ａ内とを接続する配管３ｃと、配管３ｃの途中に設けられた電磁弁３ｄとからなる。
【００１３】４は燃焼容器１の開放端側に設けられた着火装置で、先端にニクロム線のコイルを有しており、通電することによって発熱する。５はスチールまたはガラスウールで空気は自由に通過するが、微粉炭は通過しないようになっていて、燃焼容器１の開放端を閉塞して設けられている。６は微粉炭の火炎の伝播状況を筒体１ａの外から撮影するデジタルビデオカメラである。
【００１４】７は筒体１ａの周壁に設けられた加熱装置である。加熱装置７は筒体１ａの外周に螺旋状に巻き付けたニクロム線からなり通電することにより、筒体１ａの周壁が加熱されて輻射壁になる。１１はタイマリレーで、微粉炭噴射、着火、カメラの撮影、加熱装置の通電などのタイミングを調節する。１２はイオンプローブである。イオンプローブ１２は、筒体１ａの長手方向に沿って設けられており、イオンセンサ１２ａがイオンプローブ１２に所定の間隔で取り付けられている。１３は圧力計、１４はＡ／Ｄコンバータ、１５はパソコンである。
【００１５】次に本実施形態の作用を説明する。燃焼容器１の閉塞側の蓋体１ｂの内側に設けられた微粉炭の分散装置３から分散用の気体とともに、燃焼容器１内に微粉体を噴出する。微粉炭を半球状の整流板３ａ内に収容しておき、電磁弁３ｄを開放するとガスボンベ３ｂ内の気体が整流板３ａ内に流入し、そこで微粉炭を撹拌しつつ、整流板３ａの小孔から微粉炭と共に噴出する。燃焼容器１は無または微小重力下にあるので、燃焼容器１内に浮遊する微粉炭は重力の影響で沈降することがなく、燃焼容器１内に一様に分散している。なお、燃焼容器１の開放端はスチールウール５により閉塞されているので、微粉炭が燃焼容器１外に流出ことはない。微粉炭が燃焼容器１内に一様に分散した後、燃焼容器１の開放側に設けた着火装置４により着火を行う。着火はニクロム線コイルに通電することにより行う。着火後、燃焼容器１内に浮遊した微粉炭粒子が燃焼し、その火炎が燃焼容器１の閉塞側に向かって伝播して行くが、その状況はデジタルビデオカメラ６によって撮影される。
【００１６】燃焼容器１の他端が開放されているので、微粉炭が燃焼して燃焼容器１の内部が昇温しても、内部の圧力が上昇することがなく、したがって、火炎の伝播速度が加速することがなく、正確な火炎伝播速度を得るための燃焼テストを行うことができる。
【００１７】さらに、筒体１ａの周壁に加熱装置７を設けているので、周壁は輻射熱を発生する輻射壁になり、実際の微粉炭焚きボイラのように壁面から輻射熱を受ける条件下で燃焼テストを行うことができる。
【００１８】落下塔により得られる微少重力環境の持続時間はせいぜい１０秒なので、微粉炭噴射、着火、カメラ撮影、加熱装置７の通電などの順序やタイミングは非常に重要であるが、これらの調節はタイマリレー１１により行われる。微粉炭の火炎はイオン化しているので、筒体１ａの長手方向に沿って設けられたイオンプローブ１２により火炎の伝播速度を計測することができる。
【００１９】図２および図３は本発明の微粉炭の燃焼試験装置を使用して行った燃焼テストの結果を示す図である。図２は微粉炭の粒子間距離と火炎伝播速度との関係を示す図であり、パラメータとして周壁の温度、周囲ガスの組成（Ｎ2 が６０％、Ｏ2 が４０％またはＣＯ2 が６０％、Ｏ2 が４０％）を選んでいる。図３は同様のパラメータについて、火炎をデジタルビデオカメラで、着火から０、０．１、０．２、０．２、０．３秒後に撮影した写真である。このように本発明の微粉炭の燃焼試験装置の実用性が証明されている。
【００２０】本発明は以上述べた実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【００２１】
【発明の効果】以上説明したように本発明の微粉炭の燃焼試験装置は、無または微小重力環境下で微粉炭の燃焼テストを行うにあたって、一端が開放された筒体を有する燃焼容器を用いたので密閉容器を用いた従来の試験装置と異なり、容器内の圧力上昇がなく、正確な燃焼テストを行うことができる。さらに、周壁に加熱装置を設けているので、周壁は輻射熱を発生する輻射壁となり、実際の微粉炭焚きボイラのように壁面から輻射熱を受ける条件を模擬することも可能であるという優れた効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の微粉炭の燃焼試験装置の概略図である。
【図２】本発明の微粉炭の燃焼試験装置を用いて行ったテスト結果のグラフである。
【図３】同じくテスト結果の写真である。
【図４】従来の微粉炭の燃焼試験装置の概略図である。
【符号の説明】
１ 燃焼容器
１ａ 筒体
３ 微粉体の分散装置
４ 着火装置
６ カメラ
７ 加熱装置
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は微粉炭の燃焼技術を開発するうえで、重要な微粉炭粒子群の燃焼特性をテストするための微粉炭の燃焼試験装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】石炭はその埋蔵量の大きさから将来のエネルギー源として依然重要であるが、他の燃料に比べ単位エネルギーあたりの二酸化炭素の排出量が多く、また、硫黄・窒素酸化物が生成するため、そのクリーンで高効率な燃焼技術の開発が求められている。微粉炭酸素燃焼技術は、微粉炭を酸素・二酸化炭素雰囲気で燃焼させることで排ガスをすべて二酸化炭素として回収できる方法であり、二酸化炭素回収の他、窒素酸化物の低減にも大きな効果が期待できる。このような新しい微粉炭燃焼技術を開発するうえで、微粉炭粒子群の燃焼特性を知ることは重要であるが、その燃焼機構が複雑であり、実験手法の点からその正確な基礎データはあまり得られていない。
【０００３】石炭粒子の基礎的な燃焼機構については、その実験的・理論的研究がいくつかのレビューにまとめられている。しかし、これら常重力における実験では、粒子を均一に分散させることが極めて困難であり、粒子の沈降・自然対流の影響により燃焼場の攪乱が起こり、実験装置・手法によって実験結果がばらついてしまうという問題がある。一方、無または微小重力下では、粒子の沈降がないため、比較的均一に微粒子群を空間中に分散でき、また、自然対流の影響を除去できるため、本質的な微粒子群燃焼挙動を観察できると考えられる。
【０００４】図４は第３５回燃焼シンポジウム講演論文集（平成９年１１月１日発行）に発表された「微小重力場における微粉炭粒子群の燃焼特性」（Ｐ４４６〜４４８）に記載されたかかる試験装置の概略図である。図において、ａは透明な石英製の密閉容器であり、中空な球形をしており、内部が燃焼室ｆになっている。ｂは微粉炭の分散管で環状をしており、微粉炭を噴出する複数の孔が明けられている。ｃは着火装置である。ｄは高速度カメラ、ｅはビデオカメラである。テストは北海道の（株）地下無重力実験センタ（ＪＡＭＩＣ）で行った。ここでは１０-4ｇ以下の微小重力環境が約１０秒間得られる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】かかる試験装置において燃焼室ｆが密閉空間になっているので、燃焼の進行にともなって内部圧力が上昇し、火炎の伝播速度が加速してしまい、正確な火炎伝播速度が測定できない。また、容器ａの壁面に輻射ヒータがないため、実際の微粉炭焚きボイラのように壁面から輻射熱を受けるような条件下でのテストができない。
【０００６】本発明は従来技術のかかる問題点に鑑み案出されたもので、無または微小重力下において、微粉炭の燃焼試験を行う際に、燃焼室内の圧力が上昇して火炎伝播速度が加速してしまうことのない、微粉炭の燃焼試験装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため本発明の微粉炭の燃焼試験装置は、一端が閉塞され、他端が開放された透明な筒体を有する燃焼容器と、該燃焼容器の閉塞側に設けられた微粉炭の分散装置と、該燃焼容器の開放側に設けられた着火装置と、微粉炭の火炎の伝播状況を筒体の外から撮影するカメラとからなり、無または微小重力下で微粉炭の燃焼試験を行うものである。
【０００８】上記筒体の周壁に加熱装置を設けることが好ましい。
【０００９】次に本発明の作用を説明する。燃焼容器の閉塞側に設けられた微粉炭の分散装置から分散用の気体と共に微粉炭を燃焼容器内に噴出する。燃焼容器は無または微少重力下にあるので、微粉炭は重力の影響で沈降することがなく燃焼容器内に一様に分散される。微粉炭が燃焼容器内に一様に分散した後、燃焼容器の開放側に設けた着火装置により、着火を行う。着火後、燃焼容器内に浮遊した微粉炭粒子が燃焼し、その火炎が燃焼容器の閉塞側に向かって伝播して行くが、その状況はデジタルビデオカメラにより撮影される。燃焼容器の他端が開放されているので、微粉炭が燃焼して燃焼容器内部が昇温しても、内部の圧力が上昇することがなく、火炎の伝播速度が加速することがない。したがって、正確な火炎伝播速度を得るための燃焼テストを行うことができる。
【００１０】さらに、筒体の周壁に加熱装置を設ければ、実際の微粉炭炊きボイラのように壁面から輻射熱を受けるような条件を模擬したテストを行うことができる。
【００１１】
【発明実施の形態】以下本発明の１実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１は本発明の微粉炭の燃焼試験装置の概略図である。図において、１は燃焼容器である。燃焼容器１は透明な石英製の筒体１ａと、筒体１ａの一端を閉塞する蓋体１ｂとからなる。
【００１２】蓋体１ｂの内側に微粉体の分散装置３が設けられている。微粉炭の分散装置３は１ｍｍ程度の多数の孔が設けられた半球状の整流板３ａと、微粉体分散用のガスを貯蔵するガスボンベ３ｂと、ガスボンベ３ｂと整流板３ａ内とを接続する配管３ｃと、配管３ｃの途中に設けられた電磁弁３ｄとからなる。
【００１３】４は燃焼容器１の開放端側に設けられた着火装置で、先端にニクロム線のコイルを有しており、通電することによって発熱する。５はスチールまたはガラスウールで空気は自由に通過するが、微粉炭は通過しないようになっていて、燃焼容器１の開放端を閉塞して設けられている。６は微粉炭の火炎の伝播状況を筒体１ａの外から撮影するデジタルビデオカメラである。
【００１４】７は筒体１ａの周壁に設けられた加熱装置である。加熱装置７は筒体１ａの外周に螺旋状に巻き付けたニクロム線からなり通電することにより、筒体１ａの周壁が加熱されて輻射壁になる。１１はタイマリレーで、微粉炭噴射、着火、カメラの撮影、加熱装置の通電などのタイミングを調節する。１２はイオンプローブである。イオンプローブ１２は、筒体１ａの長手方向に沿って設けられており、イオンセンサ１２ａがイオンプローブ１２に所定の間隔で取り付けられている。１３は圧力計、１４はＡ／Ｄコンバータ、１５はパソコンである。
【００１５】次に本実施形態の作用を説明する。燃焼容器１の閉塞側の蓋体１ｂの内側に設けられた微粉炭の分散装置３から分散用の気体とともに、燃焼容器１内に微粉体を噴出する。微粉炭を半球状の整流板３ａ内に収容しておき、電磁弁３ｄを開放するとガスボンベ３ｂ内の気体が整流板３ａ内に流入し、そこで微粉炭を撹拌しつつ、整流板３ａの小孔から微粉炭と共に噴出する。燃焼容器１は無または微小重力下にあるので、燃焼容器１内に浮遊する微粉炭は重力の影響で沈降することがなく、燃焼容器１内に一様に分散している。なお、燃焼容器１の開放端はスチールウール５により閉塞されているので、微粉炭が燃焼容器１外に流出ことはない。微粉炭が燃焼容器１内に一様に分散した後、燃焼容器１の開放側に設けた着火装置４により着火を行う。着火はニクロム線コイルに通電することにより行う。着火後、燃焼容器１内に浮遊した微粉炭粒子が燃焼し、その火炎が燃焼容器１の閉塞側に向かって伝播して行くが、その状況はデジタルビデオカメラ６によって撮影される。
【００１６】燃焼容器１の他端が開放されているので、微粉炭が燃焼して燃焼容器１の内部が昇温しても、内部の圧力が上昇することがなく、したがって、火炎の伝播速度が加速することがなく、正確な火炎伝播速度を得るための燃焼テストを行うことができる。
【００１７】さらに、筒体１ａの周壁に加熱装置７を設けているので、周壁は輻射熱を発生する輻射壁になり、実際の微粉炭焚きボイラのように壁面から輻射熱を受ける条件下で燃焼テストを行うことができる。
【００１８】落下塔により得られる微少重力環境の持続時間はせいぜい１０秒なので、微粉炭噴射、着火、カメラ撮影、加熱装置７の通電などの順序やタイミングは非常に重要であるが、これらの調節はタイマリレー１１により行われる。微粉炭の火炎はイオン化しているので、筒体１ａの長手方向に沿って設けられたイオンプローブ１２により火炎の伝播速度を計測することができる。
【００１９】図２および図３は本発明の微粉炭の燃焼試験装置を使用して行った燃焼テストの結果を示す図である。図２は微粉炭の粒子間距離と火炎伝播速度との関係を示す図であり、パラメータとして周壁の温度、周囲ガスの組成（Ｎ2 が６０％、Ｏ2 が４０％またはＣＯ2 が６０％、Ｏ2 が４０％）を選んでいる。図３は同様のパラメータについて、火炎をデジタルビデオカメラで、着火から０、０．１、０．２、０．２、０．３秒後に撮影した写真である。このように本発明の微粉炭の燃焼試験装置の実用性が証明されている。
【００２０】本発明は以上述べた実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【００２１】
【発明の効果】以上説明したように本発明の微粉炭の燃焼試験装置は、無または微小重力環境下で微粉炭の燃焼テストを行うにあたって、一端が開放された筒体を有する燃焼容器を用いたので密閉容器を用いた従来の試験装置と異なり、容器内の圧力上昇がなく、正確な燃焼テストを行うことができる。さらに、周壁に加熱装置を設けているので、周壁は輻射熱を発生する輻射壁となり、実際の微粉炭焚きボイラのように壁面から輻射熱を受ける条件を模擬することも可能であるという優れた効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の微粉炭の燃焼試験装置の概略図である。
【図２】本発明の微粉炭の燃焼試験装置を用いて行ったテスト結果のグラフである。
【図３】同じくテスト結果の写真である。
【図４】従来の微粉炭の燃焼試験装置の概略図である。
【符号の説明】
１ 燃焼容器
１ａ 筒体
３ 微粉体の分散装置
４ 着火装置
６ カメラ
７ 加熱装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】 一端が閉塞され、他端が開放された透明な筒体を有する燃焼容器と、該燃焼容器の閉塞側に設けられた微粉炭の分散装置と、該燃焼容器の開放側に設けられた着火装置と、微粉炭の火炎の伝播状況を筒体の外から撮影するカメラとからなり、無または微小重力下で微粉炭の燃焼試験を行うことを特徴とする微粉炭の燃焼試験装置。
【請求項２】 上記筒体の周壁に加熱装置を設けた請求項１記載の微粉炭の燃焼試験装置
【請求項１】 一端が閉塞され、他端が開放された透明な筒体を有する燃焼容器と、該燃焼容器の閉塞側に設けられた微粉炭の分散装置と、該燃焼容器の開放側に設けられた着火装置と、微粉炭の火炎の伝播状況を筒体の外から撮影するカメラとからなり、無または微小重力下で微粉炭の燃焼試験を行うことを特徴とする微粉炭の燃焼試験装置。
【請求項２】 上記筒体の周壁に加熱装置を設けた請求項１記載の微粉炭の燃焼試験装置
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００１−３３７０６０（Ｐ２００１−３３７０６０Ａ）
【公開日】平成１３年１２月７日（２００１．１２．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０００−１５９９６８（Ｐ２０００−１５９９６８）
【出願日】平成１２年５月３０日（２０００．５．３０）
【出願人】（０００００００９９）石川島播磨重工業株式会社 (5,014)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１３年１２月７日（２００１．１２．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１２年５月３０日（２０００．５．３０）
【出願人】（０００００００９９）石川島播磨重工業株式会社 (5,014)
【Ｆターム（参考）】
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