JP2014005535A - 固体燃料の評価方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】固体燃料周囲の燃焼条件を加熱装置、酸素分圧、送風量によって制御した燃焼実験と、燃焼に伴い発生したCO、CO2とO2の変化ついてガス分析を行い、そのガス分析結果に基づいて、燃焼速度と燃焼効率と発熱量を定量評価する方法である。また、固体燃料の評価を、必要な条件について模擬した燃焼実験を行い、燃焼速度と燃焼効率、発熱量をガス測定によって求め、燃焼速度の実験結果から、固体燃料固有の活性化エネルギーと頻度因子を決定するとともに、その精度を、数値流体力学の手法を用いて、高める方法である。
【選択図】図1
Description
〔1〕製鉄プロセスに用いる炭素を主体とする固体燃料の評価方法であって、
前記固体燃料を、燃焼バーナーを用いて燃焼するとき、または焼結機内の熱源として燃焼するときの燃焼条件のうち、固体燃料の表面温度をT(K)、酸素分圧をPO2(kPa)、固体燃料表面に送り込まれる燃焼に必要な雰囲気ガスの単位時間あたりの送風量をV(m3/s)として、表面温度T、酸素分圧PO2、送風量Vの少なくともいずれかを可変変数として、固体燃料の燃焼を模擬した燃焼実験を行う工程と、
前記固体燃料の燃焼実験によって発生し雰囲気ガス中に混合したガスの分率を測定する工程と、
前記固体燃料の燃焼実験により発生し雰囲気ガス中に混合したガスのうち、CO2の分率を[CO2]、COの分率を[CO]として、式(1)で定義される該固体燃料の燃焼の燃焼効率ηCOと、
ηCO=[CO2]/([CO]+[CO2]) (1)
単位時間あたりのCOとCO2の合計発生量([CO]+[CO2])×V(m3/s)とから、気体定数R(Pa m3 K-1mol-1)と、ガス温度T(K)と、ガス圧力P(Pa)とを用いて、式(2)から求められる燃焼速度r(mol/s)と、
r=([CO]+[CO2])×V×P/RT (2)
を同時に求める工程と、
前記燃焼効率ηCOと前記燃焼速度rから前記固体燃料の燃焼性を評価する工程と、
からなることを特徴とする固体燃料の評価方法。
前記固体燃料を、燃焼バーナーを用いて燃焼するとき、または焼結機内の熱源として燃焼するときの燃焼条件のうち、固体燃料の表面温度をT(K)、酸素分圧をPO2(kPa)、固体燃料表面に送り込まれる燃焼に必要な雰囲気ガスの単位時間あたりの送風量をV(m3/s)として、表面温度T、酸素分圧PO2、送風量Vの少なくともいずれかを可変変数として、固体燃料の燃焼を模擬した燃焼実験を行う工程と、
前記固体燃料の燃焼実験によって発生し雰囲気ガス中に混合したガスの分率を測定する工程と、
前記固体燃料の燃焼実験により発生し雰囲気ガス中に混合したガスのうち、CO2の分率を[CO2]、COの分率を[CO]として、
式(1)で定義される該固体燃料の燃焼の燃焼効率ηCOと、
ηCO=[CO2]/([CO]+[CO2]) (1)
単位時間あたりのCOとCO2の合計発生量([CO]+[CO2])×V(m3/s)、気体定数R(Pa m3 K−1mol−1)、ガス温度T(K)、ガス圧力P(Pa)を用いて、式(2)から求められる燃焼速度r(mol/s)と、
r=([CO]+[CO2])×V×P/RT (2)
を同時に求める工程と、
前記燃焼速度rを前記固体燃料の表面積Sで除して単位面積当たりの燃焼速度K(mol/m2/s)を求める工程と、
前記固体燃料の頻度因子A(mol/m2/s)と活性化エネルギーEa(kJ/mol)を、単位面積当たりの燃焼速度K(mol/m2/s)を燃焼温度T(K)の関数として定義した式(6)により、求める工程と、
K=Aexp(Ea/RT) (6)
前記求めた頻度因子Aと活性化エネルギーEaを用いて、前記燃焼実験の燃焼温度T、酸素分圧PO2、送風量V(m3/s)を初期値として、数値流体力学の計算を行いCO、CO2の発生ガス量をそれぞれ[CO]Calと[CO2]Calとして算出する工程と、
式(7)で定義される該固体燃料の燃焼の燃焼効率ηCOCalと、
ηCOCal=[CO2]Cal/([CO]Cal+[CO2]Cal) (7)
式(2)から求められる燃焼速度rCal(mol/s)と、
rCal=([CO]Cal+[CO2]Cal)×V×P/RT (8)
を同時に算出する工程と、
前記燃焼速度rCalを前記固体燃料の表面積Sで除して数値流体力学の計算により算出されたガスにより推定される単位面積当たりの燃焼速度KCal(mol/m2/s)を算出する工程と、
燃焼実験で発生したCO、CO2ガスの定量値[CO]、[CO2]及び個体燃料の燃焼効率ηCO及び単位面積当たりの燃焼速度Kについて、数値流体力学の計算によって算出された[CO]Cal、[CO2]Cal、ηCOCal、及びKCalと、各々、比較する工程と、
からなることを特徴とする固体燃料の評価方法。
C+(1/2)O2→CO +110kJ/mol (3)
CO+(1/2)O2→CO2+282kJ/mol (4)
で示される炭素1mol当量あたりの熱化学反応から、単位時間あたりの発熱量Q(kJ/s)を以下の式(5)によりを求めることを特徴とする〔1〕〜〔6〕の何れか1項に記載の固体燃料の評価方法。
Q(kJ/s)=r×ηCO×282(kJ/mol)+r×(1−ηCO)×110(kJ/mol) (5)
固体燃料8にR熱電対9を埋設し、反応管4の中央に配置後、反応管4の前後を配管継手およびクイックカップリング等で接続し密閉する。任意の酸素分圧の雰囲気ガスを流通してガス漏れが無いことを確認してから、各測定装置の測定を開始する。続いて任意の出力によるランプ加熱を行い、固体燃料8の燃焼を開始する。燃焼開始後、任意の時間が経過した後に加熱装置3の加熱ランプを消灯し、燃焼した固体燃料8を自然冷却し、ガス分析器13による計測値を確認しながら燃焼ガスの発生が終息するのを待つ。
第一に、燃焼効率ηCOは、発生したCOとCO2の比率から求める。簡易的には、ガス分析値の出力値の比率を直接確認することも可能であるが、より正確には、発生濃度(分率)を定量して用いる。発明者らは濃度(分率)既知のCO、CO2ガスによって予め検量線を作成し、発生ガスの濃度(分率)を見積もった。発生COの分率を[CO]、CO2の分率を[CO2]とすると、ηCOは式(1)
ηCO=[CO2]/([CO]+[CO2]) (1)
から求める。ηCOは、[CO]が0のときに1となり、完全燃焼であることを示す。ηCOが1未満は、不完全燃焼を起こしていることを示し、ηCOが0に近づくにつれて不完全燃焼の度合いが増し、発熱量が低下することを示す。
r=([CO]+[CO2])×V×P/RT (2)
から求める。なお、燃焼前後で固体燃料の実際の質量を測定し、ガス分析による燃焼速度から求まる質量減少量と比較することも有効である。
C+(1/2)O2→CO +110kJ/mol (3)
CO+(1/2)O2→CO2+282kJ/mol (4)
で示される炭素1mol当量あたりの熱化学反応によって明らかであることから、単位時あたりの発熱量Q(kJ/s)は、以下の式(5)
Q(kJ/s)=r×ηCO×282(kJ/mol)+r×(1−ηCO)×110(kJ/mol)(5)
により求められる。
K=Aexp(−Ea/RT) (6)
の化学反応速度によって解析する。アレニウス型の化学反応解析手法は問わないが、発明者らは燃焼温度Tの逆数を横軸にとり、燃焼速度の対数を縦軸にとって、図7を作図し、各燃焼速度を直線で結べる領域で3分割することが有効であることを確認している。ここで3分割された領域のうち燃焼温度1000K以下の化学反応律速段階を対象として、固体燃料固有の活性化エネルギーEaと頻度因子Aを求める。なお、1000Kを超える領域は、通常、固体燃料周囲の酸素拡散律速による燃焼速度の遅れが起きていることを示しており、固体燃料以外の燃焼条件による影響が大きいため固体燃料の燃焼評価に用いない。
本発明で用いる実験装置によって、固体燃料としてグラファイトペレット(高純度化学研究所社製:C>99.99%、φ10mm、厚さ5mm)を用いて、焼結機内の熱源として燃焼する際の燃料としての評価をする目的で燃焼実験を行った。焼結機内の燃焼条件について、グラファイトペレットの表面温度と、酸素分圧及び、固体燃料表面に送り込まれる燃焼に必要な雰囲気ガスの単位時間あたりの送風量を制御し、以下の手順で燃焼実験を行った。
固体燃料として、炭素含有量がほぼ同一で、完全燃焼した際の発熱量が約8000kJ/molと見積もられる、炭材A、Bについて、焼結機内の熱源として燃焼する際の燃料としての評価をする目的で燃焼実験を行った。焼結機内の燃焼条件について、表面温度は焼結機内の温度バラツキを想定して800〜1800Kとし、固体燃料表面に送り込まれる燃焼に必要な雰囲気ガスの単位時間あたりの送風量を、10−2m3/min、燃焼時切り替えガスを大気(酸素分圧=21kPa)とした。燃焼によって発生するCO、CO2のガス分析と、酸素分圧の変化について測定を行い、各燃焼温度における炭材A及びBの燃焼速度r、ηCO、発熱量を求めた。得られた燃焼速度r、燃焼効率ηCO、発熱量を、それぞれ、図4、図5、図6に示す。
本発明で用いる実験装置によって、固体燃料としてグラファイトペレット(高純度化学研究所社製:C>99.99%、φ10mm、厚さ5mm)の燃焼速度の評価を実施した。
K=Aexp(−Ea/RT) (6)
の化学反応速度について、燃焼温度1000K以下の領域を対象に解析を行った。その結果、活性化エネルギーEaは178kJ/mol、頻度因子Aは4.4×10−4となった。
CFDモデルによって得られた炭材表面の微視的な燃焼速度の計算結果について図8に示す。なお図8は右側から左側にガス流れがある状態で計算した結果について、燃焼速度が速いところから黒から白のコントラストによって表記した。
2 ガス測定部
3 加熱装置
4 反応管(石英管)
5 制御部
6 密閉冷却部
7 雰囲気ガス
8 固体燃料
9 R熱電対
10 温度測定器
11 台形支持台
12 ガス送風量計
13 ガス分析器
14 気圧計
21 予熱前酸素分圧低下点
22 燃焼前予熱温度制御点
Claims (14)
- 製鉄プロセスに用いる炭素を主体とする固体燃料の評価方法であって、
前記固体燃料を、燃焼バーナーを用いて燃焼するとき、または焼結機内の熱源として燃焼するときの燃焼条件のうち、固体燃料の表面温度をT(K)、酸素分圧をPO2(kPa)、固体燃料表面に送り込まれる燃焼に必要な雰囲気ガスの単位時間あたりの送風量をV(m3/s)として、表面温度T、酸素分圧PO2、送風量Vの少なくともいずれかを可変変数として、固体燃料の燃焼を模擬した燃焼実験を行う工程と、
前記固体燃料の燃焼実験によって発生し雰囲気ガス中に混合したガスの分率を測定する工程と、
前記固体燃料の燃焼実験により発生し雰囲気ガス中に混合したガスのうち、
CO2の分率を[CO2]、COの分率を[CO]として、式(1)で定義される該固体燃料の燃焼の燃焼効率ηCOと、
ηCO=[CO2]/([CO]+[CO2]) (1)
単位時間あたりのCOとCO2の合計発生量([CO]+[CO2])×V(m3/s)とから、気体定数R(Pa m3 K-1mol-1)と、ガス温度T(K)と、ガス圧力P(Pa)とを用いて、式(2)から求められる燃焼速度r(mol/s)と、
r=([CO]+[CO2])×V×P/RT (2)
を同時に求める工程と、
前記燃焼効率ηCOと前記燃焼速度rから前記固体燃料の燃焼性を評価する工程と、
からなることを特徴とする固体燃料の評価方法。 - 製鉄プロセスに用いる炭素を主体とする固体燃料の評価方法であって、
前記固体燃料を、燃焼バーナーを用いて燃焼するとき、または焼結機内の熱源として燃焼するときの燃焼条件のうち、固体燃料の表面温度をT(K)、酸素分圧をPO2(kPa)、固体燃料表面に送り込まれる燃焼に必要な雰囲気ガスの単位時間あたりの送風量をV(m3/s)として、表面温度T、酸素分圧PO2、送風量Vの少なくともいずれかを可変変数として、固体燃料の燃焼を模擬した燃焼実験を行う工程と、
前記固体燃料の燃焼実験によって発生し雰囲気ガス中に混合したガスの分率を測定する工程と、
前記固体燃料の燃焼実験により発生し雰囲気ガス中に混合したガスのうち、CO2の分率を[CO2]、COの分率を[CO]として、
式(1)で定義される該固体燃料の燃焼の燃焼効率ηCOと、
ηCO=[CO2]/([CO]+[CO2]) (1)
単位時間あたりのCOとCO2の合計発生量([CO]+[CO2])×V(m3/s)、気体定数R(Pa m3 K−1mol−1)、ガス温度T(K)、ガス圧力P(Pa)を用いて、式(2)から求められる燃焼速度r(mol/s)と、
r=([CO]+[CO2])×V×P/RT (2)
を同時に求める工程と、
前記燃焼速度rを前記固体燃料の表面積Sで除して単位面積当たりの燃焼速度K(mol/m2/s)を求める工程と、
前記固体燃料の頻度因子A(mol/m2/s)と活性化エネルギーEa(kJ/mol)を、単位面積当たりの燃焼速度K(mol/m2/s)を燃焼温度T(K)の関数として定義した式(6)により、求める工程と、
K=Aexp(Ea/RT) (6)
前記求めた頻度因子Aと活性化エネルギーEaを用いて、前記燃焼実験の燃焼温度T、酸素分圧PO2、送風量V(m3/s)を初期値として、数値流体力学の計算を行いCO、CO2の発生ガス量をそれぞれ[CO]Calと[CO2]Calとして算出する工程と、
式(7)で定義される該固体燃料の燃焼の燃焼効率ηCOCalと、
ηCOCal=[CO2]Cal/([CO]Cal+[CO2]Cal) (7)
式(2)から求められる燃焼速度rCal(mol/s)と、
rCal=([CO]Cal+[CO2]Cal)×V×P/RT (8)
を同時に算出する工程と、
前記燃焼速度rCalを前記固体燃料の表面積Sで除して数値流体力学の計算により算出されたガスにより推定される単位面積当たりの燃焼速度KCal(mol/m2/s)を算出する工程と、
燃焼実験で発生したCO、CO2ガスの定量値[CO]、[CO2]及び個体燃料の燃焼効率ηCO及び単位面積当たりの燃焼速度Kについて、数値流体力学の計算によって算出された[CO]Cal、[CO2]Cal、ηCOCal、及びと、各々、比較する工程と、
からなることを特徴とする固体燃料の評価方法。 - 前記比較した定量値と算出値の差が5%以内として、頻度因子A(mol/m2/s)と活性化エネルギーEa(kJ/mol)の精度を評価することを特徴とする請求項2に記載の固体燃料の評価方法。
- 前記比較した定量値と算出値の差が1%以内として、頻度因子A(mol/m2/s)と活性化エネルギーEa(kJ/mol)の精度を評価することを特徴とする請求項2に記載の固体燃料の評価方法。
- 前記固体燃料は炭材であり、前記燃焼実験により発生するガスは、該炭材から発生する熱による反応以外の外部加熱炉の炉壁温度の影響を受けないことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の固体燃料の評価方法。
- 前記燃焼は、不完全燃焼であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の固体燃料の評価方法。
- 前記燃焼効率ηCOと燃焼速度rを用いて、燃焼による発熱量を式(3)および式(4)の熱化学反応式
C+(1/2)O2→CO +110kJ/mol (3)
CO+(1/2)O2→CO2+282kJ/mol (4)
で示される炭素1mol当量あたりの熱化学反応から、単位時間あたりの発熱量Q(kJ/s)を式(5)によりを求めることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の固体燃料の評価方法。
Q(kJ/s)=r×ηCO×282(kJ/mol)+r×(1−ηCO)×110(kJ/mol) (5) - 固体燃料の燃焼を模擬した燃焼実験を行う装置が、外気と燃焼雰囲気を分割するための石英管と、ランプ加熱装置を用いて構成されていることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の固体燃料の評価方法。
- 前記石英管は、両端部が密閉され、かつ雰囲気ガスの流通が可能な構成であることを特徴とする請求項8に記載の固体燃料の評価方法。
- 固体燃料に熱伝対を埋設して固体燃料の温度を測定し、固体燃料の熱伝対埋設位置の温度と表面の温度の差を補正して、固体燃料の表面温度を測定することを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項に記載の固体燃料の評価方法。
- 固体燃料を前記石英管内の支持台上に載せて、固体燃料の上面が反応管の中心付近に位置するようにすることを特徴とする請求項8〜10のいずれか1項に記載の固体燃料の評価方法。
- 石英管内の雰囲気ガスの酸素分圧を一旦ゼロにした後に、加熱装置によって固体燃料を所定の温度まで加熱してから、石英管内に所定の酸素分圧を有する雰囲気ガスを流通させて、燃焼を開始させ、燃料実験を行うことを特徴とする請求項7〜11のいずれか1項に記載の固体燃料の評価方法。
- 固体燃料の表面温度、流通ガスの酸素分圧及び単位時間当たりの送風量を制御し、これらを可変変数として、燃焼実験を行い、燃焼温度と、燃焼によって発生するCO,CO2の濃度(分率)及び酸素分圧の変化を測定し、燃焼効率ηCOと燃焼速度r(単位時間当たりのCO+CO2発生のC当量)及び発熱量を求めて、固体燃料の評価を行うことを特徴とする請求項12に記載の固体燃料の評価方法。
- 実際の燃焼実験により損耗した固体燃料の形状と、前記数値流体力学の手法によって推定される固体試料の損耗状態及びその形状を比較することを特徴とする請求項2に記載の固体燃料の評価方法。
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JP6107382B2 (ja) | 2017-04-05 |
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