WO2015019404A1

WO2015019404A1 - 石炭燃焼計算方法および石炭燃焼計算装置

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Publication number: WO2015019404A1
Application number: PCT/JP2013/071169
Authority: WO
Inventors: 潤也渡部; 研二山本
Original assignee: 三菱日立パワーシステムズ株式会社
Priority date: 2013-08-05
Filing date: 2013-08-05
Publication date: 2015-02-12

Abstract

　石炭からの蒸発により気相へ放出される水分量、石炭の熱分解により気相へ放出される揮発成分量、及び、石炭のチャー固気反応により気相へ放出されるチャー成分量の気相中でのそれぞれの質量割合を表す混合分率Ｚ１、Ｚ２，Ｚ３の輸送方程式を計算し、素反応機構による有限速度反応計算で算出した石炭燃焼時の化学種濃度を含む物理量情報と混合分率Ｚ１、Ｚ２，Ｚ３とを予め関連付けて格納した反応データベース１２１から、各時間ステップにおける輸送方程式の計算結果としての混合分率の値に応じて物理量情報を取得し、反応データベース１２１から取得した物理量情報に基づいて熱流体の方程式の計算を行う。

Description

石炭燃焼計算方法および石炭燃焼計算装置

　本発明は、石炭の燃焼計算を行う石炭燃焼計算方法および石炭燃焼計算装置に関する。

　微粉炭焚きボイラなどに代表される石炭燃焼装置の燃焼流動状態の把握や分析には、例えば、計算（数値）流体力学（ＣＦＤ：Computational Fluid Dynamics）に基づく数値シミュレーションが活用されている。

　このような計算流体力学（ＣＦＤ）に基づく数値シミュレーションを用いる微粉炭燃焼のシミュレーション方法として、例えば、特許文献１（特開２００９－１０９０８１号公報）には、微粉炭の粒子が温度上昇により熱分解されることによって放出される揮発分を、第１の成分、第１の成分と分子式が異なる第２の成分、及び第１の成分と分子式は等しいが標準生成エンタルピーが異なる第３の成分を少なくとも含んで構成されていると仮定するモデリングに基づいて微粉炭の燃焼を計算流体力学に基づいてシミュレーションする微粉炭燃焼のシミュレーション方法であって、第１の成分と第２の成分とが、一方が炭素原子のみからなり、他方が水素原子のみからなるか、又は、第１の成分と第２の成分とが、それぞれ、炭素原子に対する水素原子の構成比が異なる炭化水素からなると仮定するとともに、第１の成分及び第３の成分の微粉炭中の質量割合を調整してモデリングに基づいて算出された発熱量と工業分析による発熱量とを等しくする技術が開示されている。

特開２００９－１０９０８１号公報

　ところで、石炭燃焼シミュレーションにおいて、着火や消炎を含む多様な燃焼状態をより正確に再現するためには、燃焼の素反応過程を考慮する、すなわち、各素反応過程の有限速度反応計算により燃焼状態を予測する必要がある。しかしながら、素反応過程を考慮した有限反応速度計算は計算負荷が極めて大きいという問題点があり、石炭焚きボイラ等の石炭燃焼装置のシミュレーションに適用しようとすると、膨大な時間がかかってしまうため、実際の製品開発等で用いるには現実的ではなかった。

　本発明は上記に鑑みてなされたものであり、素反応過程を考慮した有限反応速度計算に基づく燃焼計算を高速に行うことができる石炭燃焼計算方法及び石炭燃焼計算装置を提供することを目的とする。

　上記目的を達成するために、本発明は、石炭からの蒸発により気相へ放出される水分量、石炭の熱分解により気相へ放出される揮発成分量、及び、石炭のチャー固気反応により気相へ放出されるチャー成分量の気相中でのそれぞれの質量割合を表す混合分率の輸送方程式を計算する輸送方程式計算部と、素反応機構による有限速度反応計算で算出した石炭燃焼時の化学種濃度を含む物理量情報と前記混合分率とを関連付けて予め格納した反応データベースと、各時間ステップにおける前記輸送方程式の計算結果としての前記混合分率の値に応じて、前記反応データベースから化学種濃度を含む物理量情報を取得するデータ操作・照会部と、前記データ操作・照会部により反応データベースから取得した物理量情報に基づいて熱流体の方程式の計算を行う熱流体方程式計算部とを備えたものとする。

　本発明によれば、素反応過程を考慮した有限反応速度計算に基づく燃焼計算を高速に行うことができる。

第１の実施の形態に係る石炭燃焼計算装置の全体構成を模式的に示す図である。石炭粒子の燃焼過程を模式的に示す図であり、石炭粒子の燃焼反応開始前の状態を示す図である。石炭粒子の燃焼過程を模式的に示す図であり、燃焼反応中の状態を示す図である。石炭粒子の燃焼過程を模式的に示す図であり、燃焼反応終了時の状態を示す図である。チャー成分放出なしの場合の反応データベースの内容を模式的に示す図である。チャー成分放出ありの場合の反応データベースの内容を模式的に示す図である。燃焼計算を行う石炭燃焼計算処理を含む一連の処理手順を示すフローチャートである。第１の実施の形態における石炭燃焼計算処理を含む一連の処理の流れを示す図である。第３の実施の形態における石炭燃焼計算処理を含む一連の処理の流れを示す図である。第３の実施の形態における反応データベースの範囲を模式的に示す図である。第４の実施の形態における反応データベースの範囲を模式的に示す図である。第５の実施の形態における石炭燃焼計算処理を含む一連の処理の流れを示す図である。第６の実施の形態における石炭燃焼計算処理を含む一連の処理の流れを示す図である。第７の実施の形態において、石炭粒子が石炭噴射ポートから噴射されて出口に到達するまでの石炭燃焼進行度合と、石炭燃焼進行の各度合に対応する処理を行うＣＦＤ計算部及び記憶部（反応データベース）の関係を模式的に示す図である。

　（１）第１の実施の形態
本発明の第１の施の形態を図面を参照しつつ説明する。

　（１－１）石炭粒子の燃焼過程
本実施の形態における燃焼計算の対象となる石炭粒子の燃焼過程の概略について説明する。

　図２～図４は、石炭粒子の燃焼過程を模式的に示す図である。図２は石炭粒子の燃焼反応開始前の状態を、図３は燃焼反応中の状態を、図４は燃焼反応終了時の状態を、それぞれ、計算セル単位で模式的に示す図である。

　図２～図４に示すように、石炭粒子の成分は、水分、揮発成分、チャー成分、灰分に分類することができる。ここでは、燃焼途中の任意の時間における石炭粒子中の水分の質量をｍｍｏｉｓｔ、揮発成分の質量をｍｖｏｌａ、チャー成分の質量をｍｃｈａｒと定義し、初期状態における石炭粒子中の水分の質量をｍｍｏｉｓｔ，０、揮発成分の質量をｍｖｏｌａ，０、チャー成分の質量をｍｃｈａｒ，０、灰分の質量をｍａｓｈ，０と定義している（図２参照）。また、計算セル内に存在する石炭中水分由来のガスの質量をｍ１、石炭中揮発成分由来のガスの質量をｍ２、石炭中チャー成分由来のガスの質量をｍ３、計算セル内の酸化剤の質量をｍＯｘと定義する。

　図３に示すように、燃焼過程で石炭粒子が過熱され、温度が上昇すると、石炭粒子中の水分は蒸発により水蒸気となって気相へ放出され（ｍ１参照）、揮発成分は熱分解により気相へ放出される（ｍ２参照）。可燃成分である揮発成分が気相中への放出されると、気相の酸化剤成分と混合し、着火・燃焼が生じる。

　また、石炭粒子中のチャー成分は、気相中の酸素と反応する酸化反応、または、気相中の二酸化炭素や水蒸気と反応するガス化反応によって気相へ放出される（ｍ３参照）。気相に放出されたチャー成分は周囲の酸化剤や水蒸気、揮発成分由来の可燃ガス等と混合・反応し、気相中で燃焼反応が進行する。

　図４に示すように、石炭粒子中の可燃成分が全て反応し、燃え切った状態となると、灰分のみが固体として残る。

　なお、対象とする石炭粒子の組成を予め指定する場合、それらの石炭粒子の組成は、例えば工業分析（JIS M 8812に基づく工業分析方法）等を基に決定することができる。このとき、粒子の昇温速度の影響を加味し、Ｑ値と呼ばれる定数を考慮して組成を決定する。石炭組成が決定できれば、石炭粒子の各成分の初期質量（すなわち、ｍｍｏｉｓｔ，０、ｍｖｏｌａ，０、ｍｃｈａｒ，０、ｍａｓｈ０等の値）を与えることができる。

　（１－２）石炭燃焼計算装置１００
図１は、本実施の形態に係る石炭燃焼計算装置の全体構成を模式的に示す図である。

　図１において、石炭燃焼計算装置１００は、ＣＦＤ（Computational Fluid Dynamics）に基づく数値演算等を行うＣＦＤ計算部１１０と、石炭燃焼計算に関する種々の情報を記憶する記憶部１２０と、を備えている。

　ＣＦＤ計算部１１０は、気相放出量計算部１１１、輸送方程式計算部１１２、
データ操作・照会部１１３、及び熱流体方程式計算部１１４を有しており、記憶部１２０は、反応データベース１２１、及び一般データベース１２２を有している。

　（１－２．１）気相放出量計算部１１１
気相放出量演算部１１１は、石炭（粒子）からの蒸発により気相へ放出される水分量、石炭の熱分解により気相へ放出される揮発成分量、及び、石炭のチャー固気反応により気相へ放出されるチャー成分量を計算する。

　石炭粒子から気相へ放出される揮発成分量の計算には、例えば、下記（式１）及び（式２）に示すようなアレニウス型の熱分解速度方程式を用いれば良い。

ここで、上記（式１）において、Ｖ^＊は石炭粒子中の全揮発性分量、Ｖは石炭粒子から放出された揮発成分量を示している。

ここで、上記（式１）及び（式２）において、Ｋｖは揮発性分の放出速度係数、Ａｖは頻度因子、Ｅｖは活性化エネルギー、Ｒは気体定数、Ｔｊは時刻ｔｊにおける石炭粒子の温度を示している。

　石炭粒子から気相へ放出される水分量の計算には、揮発性分量の計算と同様の方法を適用することができる。

　石炭粒子から気相へ放出されるチャー成分量の計算には、チャー固気反応（酸化反応、ガス化反応）の反応速度定数をアレニウス型で計算し、温度やガス濃度に応じて反応速度を算出することができる。

　粒子計算をラグランジアンで行う場合には、各石炭粒子に水分質量ｍｍｏｉｓｔ、揮発性分量（質量）ｍｖｏｌａ、及びチャー成分量（質量）ｍｃｈａｒの情報を持たせ、上記の方法により温度や濃度に応じた各成分の質量の時間変化（放出速度）を計算し、水分質量ｍｍｏｉｓｔ、揮発性分量（質量）ｍｖｏｌａ、チャー製分量（質量）ｍｃｈａｒの値を継続的に計算し更新する。

　（１－２．２）輸送方程式計算部１１２
　輸送方程式計算部１１２は、石炭（粒子）からの蒸発により気相へ放出される水分量、石炭の熱分解により気相へ放出される揮発成分量、及び、石炭のチャー固気反応により気相へ放出されるチャー成分量の気相中でのそれぞれの質量割合を表す混合分率の輸送方程式を計算する。

　混合分率は、石炭粒子から放出された各石炭燃料成分の気相中での質量割合であり、計算セル内における、気相へ放出された水分の混合分率Ｚ１、揮発成分の混合分率Ｚ２、チャー成分の混合分率Ｚ３は、それぞれ、下記（式３）～（式５）によって表される。

ここで、上記（式３）～（式５）において、ｍ１は計算セル内に存在する石炭中水分由来のガスの質量を、ｍ２は石炭中揮発成分由来のガスの質量を、ｍ３は石炭中チャー成分由来のガスの質量を、ｍＯｘは計算セル内の酸化剤の質量をそれぞれ示している。

　上記（式３）～（式５）で表される混合分率Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３の輸送方程式、すなわち、これらの混合分率をパラメータとする輸送方程式は、下記（式６）～（式８）により表される。

ここで、上記（式６）～（式８）において、ＤＺ１，ＤＺ２，ＤＺ３はそれぞれ混合分率Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３の拡散係数であり、ＳＺ１，ＳＺ２，ＳＺ３はそれぞれ混合分率Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３の生成項である。

　各燃料成分の酸化剤中でのルイス数を１と仮定すれば、下記（式９）に示すように熱拡散率αで置き換えることができる。

なお、上記（式９）は、ルイス数：Ｌｅ＝α／Ｄ＝１より求められる。

　混合分率Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３の生成項であるＳＺ１，ＳＺ２，ＳＺ３はそれぞれ下記（式１０）～（式１２）で表される。

ここで、上記（式１０）～（式１２）において、ΔＶは計算セルの体積を表す。また、総和記号（Σ）は、計算セル内の全ての石炭粒子について和をとることを意味する。

　本実施の形態における計算方法では、気相放出量演算部１１１において、水分質量ｍｍｏｉｓｔ、揮発成分量（質量）ｍｖｏｌａ、及び、チャー成分量（質量）ｍｃｈａｒの時間変化を計算しており、その計算結果に基づいて、上記（式１０）～（式１２）の計算を行う。

　（１－２．３）反応データベース１２１
反応データベース１２１は、素反応計算装置１３０（後述）において素反応機構による有限速度反応計算で算出した石炭燃焼時の化学種濃度（化学種質量分率等の濃度情報）を含む物理量情報と混合分率Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３とを関連付けて予め格納している。

　（１－２．４）一般データベース１２２
一般データベース１２２は、各種設定値や定数など計算装置１００で用いる種々のデータが格納されている。

　（１－２．５）データ操作・照会部１１３
データ操作・照会部１１３は、各時間ステップにおける輸送方程式（式６）～（式８）の計算結果としての混合分率Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３の値に応じて、反応データベース１２１から化学種濃度を含む物理量情報を取得する。

　（１－２．６）熱流体方程式計算部１１４
熱流体方程式計算部１１４は、輸送方程式（式６）～（式８）から求められた混合分率Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３の値に応じて、データ操作・照会部１１３により反応データベース１２１から取得した物理量情報に基づいて熱流体の方程式の計算を行う。

　熱流体方程式計算部１１４でのＣＦＤシミュレーションにおいては、熱流体の方程式を解く。熱流体の方程式は以下に示すような気相の質量保存式（式１３）、運動量保存式（式１４）、エネルギー保存式（式１５）、状態方程式（式１５）から成る。

ここで、上記（式１３）～（式１６）において、ρは気相密度、ｕｉは速度ベクトル、ｐは圧力、τｉｊは応力テンソル、ｇｉは重力ベクトル、ｈはエンタルピー、Ｔは温度、Ｒは一般気体定数、Ｍは気相混合気の分子量をそれぞれ示している。また、（ＳＣ，ｍ）、（ＳＣ，ｍｏｍ，ｉ）、（ＳＣ，ｈ）はそれぞれ石炭粒子から気相への質量生成項、運動量生成項ベクトル、エンタルピー生成項を表す。

　（１－３）素反応計算装置１３０
素反応計算装置１３０は、反応データベース１２１に格納する物理量情報（石炭燃焼時の組成（化学種質量分率等の濃度情報）を含む物理量情報）を、各燃料成分をパラメータとした素反応計算により取得する。そして、素反応計算装置１３０で得られた物理量情報は、混合分率Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３と関連付けられて反応データベース１２１に格納される。このような、反応データベース１２１の作成は、後述する石炭燃焼計算処理が実行される前に予め行われる。

　素反応計算装置１３０では、詳細反応機構を用いて有限速度反応計算（素反応計算）を行う場合、下記（式１７）を用いて、石炭燃焼時に考慮される全ての化学種の質量分率Ｙｋの輸送方程式を解く。

ここで、上記（式１７）において、Ｖｋ，ｉは化学種ｋの拡散速度ベクトル、ＳＲ，ｋは化学種ｋの気相反応による生成速度、ＳＣ，ｍ，ｋは石炭粒子から気相への化学種ｋの生成速度である。なお、ＳＣ，ｍ、ｋの項は、本実施の形態のように微粉炭について考える場合には、不要となる場合もある。

　例えば、詳細反応機構としてＧＲＩ－Ｍｅｃｈ　２．１１を用いた場合を考えると、考慮する化学種数は４９個、素反応数は２７７個である。すなわち、４９個の（式１７）で表される方程式を解き、かつ、ＳＲ，ｋを２７７個の各素反応の反応速度を考慮して算出する。

　本実施の形態においては、上記（式１７）を用いる素反応計算を、計算負荷の小さい簡単な体系で行う。具体的には、本実施の形態に係る拡散燃焼に対しては、１次元対向拡散火炎で計算する。

　ここで、混合分率Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３に係る（式１８）を導入する。

上記（式１８）は、各燃料成分の混合分率Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３の和である。

　１次元対向拡散火炎の計算を行う場合は、一方の境界を酸化剤のみ（すなわち、Ｚ＝０）と設定し、他方の境界を燃料成分のみ（すなわち、Ｚ＝１）と設定する。水分蒸発、熱分解、及び、チャー固気反応によりそれぞれ気相に放出される成分の組成は異なるため、混合分率Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３の相対的な大小関係に応じて、気相の燃料組成を変化させる。つまり、各混合比率Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３の値をそれぞれ独立に変化させた各場合に取り得る燃料組成を予め決定し、その燃料組成に基づいて素反応計算を行う。気相に放出される揮発成分（混合分率Ｚ２に関係する成分）及びチャー成分（混合分率Ｚ３に関係する成分）がどのような燃料成分による組成とするかを予め設定することにより、物理量情報と混合分率とを関連付けて反応データベース１２１に格納することができる。

　まず、熱分解により気相へ放出される揮発成分の組成は、例えば、ＣＨ４やＣ２Ｈ２、ＣＯなどからなると仮定する。

　一方、チャー固気反応により気相へ放出されるチャー成分組成の決定には、酸化反応（Ｃ＋０．５Ｏ２→ＣＯ）やガス化反応（Ｃ＋ＣＯ２→２ＣＯ、及び、Ｃ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋Ｈ２）を考慮して決定する。

　本実施の形態では、気相に放出されるチャー成分は、前記の手段で計算したチャー成分放出量に相当する量のＣが、酸化反応（Ｃ＋０．５Ｏ２→ＣＯ）により気相の酸化剤中のＯ２を消費して、完全にＣＯに変換されると仮定することで、素反応計算による反応データベース１２１の作成時の燃料組成を決定する。この場合、気相へ放出されるチャー成分はＣＯであり、チャー成分の気相放出量の増加に伴い、燃料組成として与えるＣＯの量も増加する。また、酸化反応には酸化剤中のＯ２が必要であるため、酸化剤がないＺ＝１の状態ではチャー成分は放出され得ない（図５参照）。すなわち、チャー成分放出がある（Ｚ３がゼロでない）場合には、図６に示すように、Ｚ＝１よりも小さい値で、素反応計算における燃料組成が与えられる。気相に放出されるチャー成分の割合が多いほど、燃料組成を与えるＺの値は小さくなる。また、素反応計算時には燃料組成の他に、温度も与える必要があるが、この場合、酸化反応による発熱を考慮して、発熱量に相当する温度上昇分を加えた温度を燃料成分に与えるとよい。

　（１－４）石炭燃焼計算処理
図７は、本実施の形態における燃焼計算を行う石炭燃焼計算処理を含む一連の処理手順を示すフローチャートである。また、図８は、石炭燃焼計算処理を含む一連の処理の流れを示す図である。なお、図８においては、図７の対応する処理ステップを括弧書きで示している。

　図７に示すように、まず、事前処理として、素反応計算装置１３０により、石炭燃焼時の化学種濃度（化学種質量分率等の濃度情報）を含む物理量情報を、燃料成分をパラメータとした素反応計算により、混合分率Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３と関連付けられる様々な燃料組成において取得し（ステップＳ１００）、素反応機構による有限速度反応計算で算出した石炭燃焼時の化学種濃度を含む物理量情報と混合分率Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３とを予め関連付けて反応データベース１２１に格納する（ステップＳ１１０）。

　この状態で、オペレータにより石炭燃焼計算処理の実施が指示されると、気相放出量計算部１１１は、石炭（粒子）からの蒸発により気相へ放出される水分量、石炭の熱分解により気相へ放出される揮発成分量、及び、石炭のチャー固気反応により気相へ放出されるチャー成分量を計算する（ステップＳ１２０）。

　続いて、輸送方程式計算部１１２は、石炭（粒子）からの蒸発により気相へ放出される水分量、石炭の熱分解により気相へ放出される揮発成分量、及び、石炭のチャー固気反応により気相へ放出されるチャー成分量の気相中でのそれぞれの質量割合を表す混合分率Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３の輸送方程式を計算する（ステップＳ１３０）。

　続いて、データ操作・照会部１１３は、ステップＳ１３０で得られた各時間ステップにおける輸送方程式の計算結果（混合分率Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３）に応じて、反応データベース１２１から化学種濃度を含む物理量情報を読み出して取得する（ステップＳ１４０）。

　続いて、熱流体方程式計算部１１４は、データ操作・照会部１１３により反応データベース１２１から取得された物理量情報に基づいて熱流体の方程式の計算を行う（ステップＳ１５０）。

　（１－５）動作
以上のように構成した本実施の形態における動作について説明する。

　オペレータにより石炭燃焼計算処理の実施が指示されると、石炭燃焼計算装置１００の気相放出量計算部１１１が石炭（粒子）からの蒸発により気相へ放出される水分量、石炭の熱分解により気相へ放出される揮発成分量、及び、石炭のチャー固気反応により気相へ放出されるチャー成分量を計算し、続いて、輸送方程式計算部１１２が各成分量の気相中でのそれぞれの質量割合を表す混合分率Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３の輸送方程式を計算する（図７のステップＳ１２０，Ｓ１３０参照）。

　次に、データ操作・照会部１１３は、輸送方程式計算部１１２で得られた各時間ステップにおける輸送方程式の計算結果（混合分率Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３）に応じて、反応データベース１２１から化学種濃度を含む物理量情報を読み出して取得する（図７のステップＳ１４０参照）。

　反応データベース１２１には、素反応計算装置１３０において素反応機構による有限速度反応計算で算出した石炭燃焼時の化学種濃度（化学種質量分率等の濃度情報）を含む物理量情報と混合分率Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３とが関連付けられて予め格納されている。

　反応データベース１２１から輸送方程式の計算結果（混合分率Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３）に基づいて化学種濃度を含む物理量情報を読み出して容易に取得することができるため、石炭燃焼計算処理時に素反応計算を行う必要が無くなり、燃焼計算を高速に行うことができる。

　続いて、熱流体方程式計算部１１４は、データ操作・照会部１１３により反応データベース１２１から取得された物理量情報に基づいて熱流体の方程式の計算を行い（図７のステップＳ１５０）、石炭燃焼計算処理を終了する。

　（１－６）効果
以上のように構成した本実施の形態の効果を説明する。

　石炭燃焼シミュレーションにおいて、着火や消炎を含む多様な燃焼状態をより正確に再現するためには、燃焼の素反応過程を考慮する、すなわち、各素反応過程の有限速度反応計算により燃焼状態を予測する必要がある。しかしながら、素反応計算では、全ての素反応の反応速度を考慮しつつ、各化学種に関する輸送方程式を計算する必要がある。また、素反応計算では、硬直性の関係から計算の時間ステップ幅を大きくすることができないという問題点もある。したがって、素反応過程を考慮した有限反応速度計算は計算負荷が極めて大きいという問題点があり、石炭焚きボイラ等の石炭燃焼装置のシミュレーションに適用しようとすると、膨大な時間がかかってしまうため、実際の製品開発等で用いるには現実的ではなかった。

　これに対して本実施の形態においては、石炭からの蒸発により気相へ放出される水分量、石炭の熱分解により気相へ放出される揮発成分量、及び、石炭のチャー固気反応により気相へ放出されるチャー成分量の気相中でのそれぞれの質量割合を表す混合分率の輸送方程式を計算し、各時間ステップにおける輸送方程式の計算結果としての混合分率の値に応じて、素反応機構による有限速度反応計算で算出した石炭燃焼時の化学種濃度を含む物理量情報と混合分率とを関連付けて予め格納した反応データベースから化学種濃度を含む物理量情報を取得し、その物理量情報に基づいて熱流体の方程式の計算を行うように構成したので、素反応過程を考慮した有限反応速度計算に基づく燃焼計算を高速に行うことができる。

　また、石炭燃焼計算装置１００のＣＦＤ計算部１１０により大規模なシミュレーションを行う際は、輸送方程式計算部１１２により得た混合分率Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３の値をパラメータとして反応データベース１２１にアクセスし、混合分率Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３の値に対応する化学種濃度等の物理量情報を取得し、物理量を更新するので、ＣＦＤ計算部１１０の計算においては計算負荷の大きい素反応計算を行わないため計算を高速化することができる。

　なお、全ての乱流渦を計算メッシュで解像せずに乱流解析を行う場合には、（式６）～（式８）に示した輸送方程式、及び（式１３）～（式１６）に示した熱流体方程式に時間平均（またはアンサンブル平均）処理または空間平均処理を施した方程式が解かれる。この場合、平均処理に伴い、乱流モデルの導入が必要になるが、このような乱流解析においても、本発明は同様に適用することができる。すなわち、本発明を乱流解析に適用する場合、乱流の強さを表現できるパラメータを導入し、そのパラメータに関する輸送方程式を解き、かつ、反応データベースのパラメータとして用いる。反応データベース作成時には、確率密度関数（ＰＤＦ：Probability Density Function）を導入し、乱流強度パラメータに応じたＰＤＦを用いてデータベースに格納する物理量データを作成する。

　（２）第２の実施の形態
本発明の第２の施の形態について説明する。

　第１の実施の形態においては、熱流体方程式計算部１１４において、エネルギー保存式（式１５）を含む熱流体方程式の計算を行うように構成したのに対し、本実施の形態では、熱流体方程式のエネルギー保存式（式１５）の計算を行う代わりに、温度に関する情報を化学種濃度とともに物理量情報として反応データベースに予め格納し、輸送方程式計算部１１２での計算結果に基づいて温度に関する情報を物理量情報として読み出し、熱流体方程式計算部１１４の計算で用いるように構成する。

　その他の構成は、第１の実施の形態と同様である。

　以上のように構成した本実施の形態においても、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

　（３）第３の実施の形態
本発明の第３の施の形態を図面を参照しつつ説明する。

　第１の実施の形態では、反応データベースの作成時に混合分率Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３の値をそれぞれ独立に変化させて、それぞれの値が取り得る全範囲の素反応計算を行うように構成したが、本実施の形態は、各混合分率Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３間の関係を考慮することにより、反応データベースに用いるメモリサイズや反応データベースの作成時間、作成作業量等の削減を図るものである。

　図９は、本実施の形態における石炭燃焼計算処理を含む一連の処理の流れを示す図である。また、図１０は、本実施の形態における反応データベースの範囲を模式的に示す図である。図中、第１の実施の形態と同様の構成には同じ符号を付し、説明を省略する。

　本実施の形態では、反応データベースの範囲を限定するために、反応データベースのパラメータとして、Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３の和である上記（式１８）と下記の（式１９）及び（式２０）で示す２つの変数を考える。

ここで、上記（式１９）及び（式２０）に示すＡ１及びＡ２が前述した本実施の形態における反応データベースのパラメータである。

　石炭粒子の燃焼過程は、水分蒸発、熱分解による揮発成分放出、チャー固気反応によるチャー成分放出の順に進展していく。したがって、反応前の石炭の初期状態の各成分量に対する、反応途中の任意の状態での各成分の気相放出量のそれぞれの比を考えると、下記（式２１）に示す不等式が成り立つ。

ここで、上記（式２１）において、ｍｍｏｉｓｔ，０、ｍｖｏｌａ，０、ｍｃｈａｒ，０が反応前の石炭の初期状態の各成分量であり、ｍ１，ｍ２，ｍ３が反応途中の任意の状態での各成分の気相放出量を示している。

　そして、上記（式２１）より下記（式２２）及び（式２３）がの不等式が得られる。

　ここで、上記（式２２）は、上記（式２１）の左側の不等式より得られるものであり、上記（式２３）は、上記（式２１）の右側の不等式より得られるものである。

　このように、パラメータＡ１，Ａ２に基づいてデータを取得する場合の反応データベースにおけるパラメータの範囲は下記（式２４）及び（式２５）の範囲とすれば十分である。

図１０においては、上記（式２４）及び（式２５）で示される範囲を示している。

　その他の構成は第１の実施の形態と同様である。

　また、反応データベースの範囲を適切に限定することにより、反応データベースに用いるメモリサイズや反応データベースの作成時間、作成作業量等を削減することができる。

　（４）第４の実施の形態
本発明の第４の施の形態を図面を参照しつつ説明する。

　本実施の形態は、第３の実施の形態に示した反応データベースの範囲をさらに限定するものである。

　図１１は、本実施の形態における反応データベースの範囲を模式的に示す図である。図中、第１及び第３の実施の形態と同様の構成には同じ符号を付し、説明を省略する。

　石炭燃焼過程において、揮発成分の放出過程ではチャー成分の放出はなく、完全に揮発成分が放出された後でチャー成分の放出が開始されると仮定することができる。したがって、この場合には、上記（式２４）のパラメータＡ１の変化はパラメータＡ２＝０の場合についてみ考えればよく、さらに、上記（式２５）のパラメータＡ２の変化はＡ１＝ｍｖｏｌａ，０／ｍｍｏｉｓｔ，０の場合についてのみ考えればよい。

　その他の構成は第１の実施の形態及び第３の実施の形態と同様である。

　以上のように構成した本実施の形態においても、第１及び第３の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

　また、図１１に示すように、本実施の形態においては、パラメータの範囲を大きく限定することができるので、反応データベースのメモリ量と作成作業量を大きく削減することができる。

　（５）第５の実施の形態
本発明の第５の施の形態を図面を参照しつつ説明する。

　第１の実施の形態においては、反応データベースのパラメータとして混合分率Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３を用いる構成としたが、本実施の形態は、さらにエンタルピーを反応データベースのパラメータとして追加したものである。

　図１２は、本実施の形態における石炭燃焼計算処理を含む一連の処理の流れを示す図である。図中、第１の実施の形態と同様の構成には同じ符号を付し、説明を省略する。

　本実施の形態において、素反応計算装置１３０は、反応データベース１２１に格納する物理量情報（石炭燃焼時の組成（化学種質量分率等の濃度情報）を含む物理量情報）を、各燃料成分をパラメータとした素反応計算により取得する。そして、素反応計算装置１３０で得られた物理量情報は、混合分率Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３及びエンタルピーｈと関連付けられて反応データベース１２１に格納される。

　その他の構成は第１の実施の形態と同様である。

　また、上記（式１５）に示したエネルギー保存式からわかるように、気相のエンタルピーは石炭粒子との間で相互作用がある。この効果を考慮するには、反応データベースにおいて、幅広いエンタルピー範囲の情報を持っておき、エンタルピーもパラメータとすることが有効である。

　（６）第６の実施の形態
本発明の第６の施の形態を図面を参照しつつ説明する。

　図１３は、本実施の形態における石炭燃焼計算処理を含む一連の処理の流れを示す図である。図中、第１の実施の形態と同様の構成には同じ符号を付し、説明を省略する。

　第１の実施の形態においては、反応データベースのパラメータとして混合分率Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３を用いる構成としたが、本実施の形態は、さらに追加空気の混合分率Ｚ４を反応データベースのパラメータとして追加したものである。

　本実施の形態において、輸送方程式計算部１１２は、石炭（粒子）からの蒸発により気相へ放出される水分量、石炭の熱分解により気相へ放出される揮発成分量、石炭のチャー固気反応により気相へ放出されるチャー成分量、及び、追加空気の気相中でのそれぞれの質量割合を表す混合分率の輸送方程式を計算する。

　混合分率は、石炭粒子から放出された各石炭燃料成分の気相中での質量割合であり、計算セル内における、気相へ放出された水分の混合分率Ｚ１、揮発成分の混合分率Ｚ２、チャー成分の混合分率Ｚ３、それぞれ、上記（式３）～（式５）によって表される。なお、追加空気の気相中での質量割合である混合分率Ｚ４は、上記（式３）～（式５）に倣って求められる。

　その他の構成は第１の実施の形態と同様である。

　また、本実施の形態の方法を用いれば、実機ボイラで実施されるアフターエアポートからの追加空気による二段燃焼の解析にも適応することができる。

　（７）第７の実施の形態
本発明の第７の施の形態を図面を参照しつつ説明する。

　本実施の形態では、本発明の計算方法をボイラやバーナの解析に適用する場合において計算規模が大きくなることに鑑み、複数の処理機能部（ＣＰＵ）を用いて並列計算する場合を考える。すなわち、本実施の形態は、第１の実施の形態における石炭燃焼計算装置１００のＣＦＤ計算部１１０及び記憶部１２０における処理を並列に行うものである。

　図１４は、石炭粒子が石炭噴射ポートから噴射されて出口に到達するまでの石炭燃焼進行度合と、石炭燃焼進行の各度合に対応する処理を行うＣＦＤ計算部１１０及び記憶部１２０（反応データベース１２１）の関係を模式的に示す図である。

　図１４において、石炭燃焼進行度合を石炭噴射ポートから出口に向かって領域０～Ｎと設定し、各領域に対応して石炭燃焼計算処理を行う処理を行うＣＦＤ計算部１１０及び記憶部１２０（反応データベース１２１）をそれぞれＣＰＵ０～Ｎに設定する。すなわち、複数のＣＰＵ０～Ｎには、それぞれ、計算部及び反応データベースが設けられており、石炭燃焼進行度合の各領域における石炭燃焼計算処理を行う。

　各ＣＰＵ０～Ｎに設けられる反応データベースは、石炭燃焼進行度合のそれぞれ領域０～Ｎに対応した範囲の反応データベースを割り振るように構成している。すなわち、各ＣＰＵ０～Ｎの対応する領域０～Ｎについて、混合分率Ｚ３の値により反応データベースを分割して割り振っている。

　具体的には、各ＣＰＵの担当する領域が、石炭噴射ポートに近いほど混合分率Ｚ３の値が小さい範囲の反応データベースを割り振り、出口に近いほど混合分率Ｚ３の値が大きい範囲の反応データベースを割り振るように構成する。

　これは、石炭噴射ポートに近い領域では、石炭燃焼過程の初期段階であるため、チャー成分の放出量は小さく、反応データベースの混合分率Ｚ３の小さい範囲を頻繁に使用し、また、出口に近い領域では、燃焼が十分進展し、チャー成分の放出量が多いため、反応データベースの混合分率Ｚ３の大きい範囲を頻繁に使用するという知見に基づくものである。

　その他の構成は第１の実施の形態と同様である。

　また、石炭燃焼計算処理を並列処理する場合に、各計算処理機能（ＣＰＵ０～Ｎ）で用いる反応データベースの範囲を対応する領域０～Ｎの石炭燃焼進行度合に応じて、混合分率Ｚ３に基づいて振り分けるように構成したので、計算処理機能（ＣＰＵ０～Ｎ）間を跨いだ反応データベースのアクセス数の増加を抑制することができ、計算速度を向上できる。

１００　石炭燃焼計算装置
１１０　ＣＦＤ計算部
１１１　気相放出量計算部
１１２　輸送方程式計算部
１１３　データ操作・照会部
１１４　熱流体方程式計算部
１２０　記憶部
１２１　反応データベース（フレームレットＤＢ）
１２２　一般データベース
１３０　素反応計算装置
Ｓ１００～Ｓ１１０　事前処理
Ｓ１２０～Ｓ１５０　石炭燃焼計算処理

Claims

　石炭からの蒸発により気相へ放出される水分量、石炭の熱分解により気相へ放出される揮発成分量、及び、石炭のチャー固気反応により気相へ放出されるチャー成分量の気相中でのそれぞれの質量割合を表す混合分率の輸送方程式を計算する手順と、
　素反応機構による有限速度反応計算で算出した石炭燃焼時の化学種濃度を含む物理量情報と前記混合分率とを予め関連付けて格納した反応データベースから、各時間ステップにおける前記輸送方程式の計算結果としての前記混合分率の値に応じて前記物理量情報を取得する手順と、
　前記反応データベースから取得した前記物理量情報に基づいて熱流体の方程式の計算を行う手順と
を備えたことを特徴とする石炭燃焼計算方法。
　請求項１記載の石炭燃焼計算方法において、
　前記反応データベースは、前記気相へ放出されるチャー成分量に相当する量のＣの全てが、チャー酸化反応により気相の酸化剤中のＯ_２を消費してＣＯに変換された場合の燃料組成をチャー放出による燃料組成として作成されることを特徴とする石炭燃焼計算方法。
　請求項１又は２記載の石炭燃焼計算方法において、
　前記反応データベースは、気相へ放出される水分の混合分率をＺ１、気相へ放出される揮発成分の混合分率をＺ２、気相へ放出されるチャー成分の混合分率をＺ３、石炭中水分の初期質量をｍｍｏｉｓｔ，０、石炭中揮発成分の初期質量をｍｖｏｌａ，０、石炭中チャー成分の初期質量をｍｃｈａｒ，０と定義した場合に、
　０≦Ｚ２／Ｚ１≦ｍｖｏｌａ，０／ｍｍｏｉｓｔ，０かつ０≦Ｚ３／Ｚ２≦ｍｃｈａｒ，０／ｍｖｏｌａ，０で表される範囲が用いられることを特徴とする石炭燃焼計算方法。
　請求項１又は２記載の石炭燃焼計算方法において、
　前記反応データベースは、気相へ放出される水分の混合分率をＺ１、気相へ放出される揮発成分の混合分率をＺ２、気相へ放出されるチャー成分の混合分率をＺ３、石炭中水分の初期質量をｍｍｏｉｓｔ，０、石炭中揮発成分の初期質量をｍｖｏｌａ，０、石炭中チャー成分の初期質量をｍｃｈａｒ，０と定義した場合に、
　Ｚ３／Ｚ２＝０かつ０≦Ｚ２／Ｚ１≦ｍｖｏｌａ，０／ｍｍｏｉｓｔ，０で表される範囲、
　又は、Ｚ２／Ｚ１＝ｍｖｏｌａ、０／ｍｍｏｉｓｔ，０かつ０≦Ｚ３／Ｚ２≦ｍｃｈａｒ，０／ｍｖｏｌａ，０で表される範囲
が用いられることを特徴とする石炭燃焼計算方法。
　請求項１～４の何れか１項に記載の石炭燃焼計算方法において、
　前記反応データベースは、素反応機構による有限速度反応計算で算出した石炭燃焼時の化学種濃度を含む物理量情報と前記混合分率及びエンタルピーとを予め関連付けて格納しており、
　エネルギー保存式を計算する手順と、
　前記エネルギー保存式の計算結果であるエンタルピーの値に応じて、前記反応データベースから前記物理量情報を取得する手順と
を備えたことを特徴とする石炭燃焼計算方法。
　請求項１～５の何れか１項に記載の石炭燃焼計算方法において、
　少なくとも１つの追加酸化剤の混合分率の輸送方程式を計算する手順と、
　前記輸送方程式の計算結果としての前記混合分率の値に応じて前記反応データベースから前記物理量情報を取得する手順と、
を備えたことを特徴とする石炭燃焼計算方法。
　石炭からの蒸発により気相へ放出される水分量、石炭の熱分解により気相へ放出される揮発成分量、及び、石炭のチャー固気反応により気相へ放出されるチャー成分量の気相中でのそれぞれの質量割合を表す混合分率の輸送方程式を計算する輸送方程式計算部と、
　素反応機構による有限速度反応計算で算出した石炭燃焼時の化学種濃度を含む物理量情報と前記混合分率とを関連付けて予め格納した反応データベースと、
　各時間ステップにおける前記輸送方程式の計算結果としての前記混合分率の値に応じて、前記反応データベースから化学種濃度を含む物理量情報を取得するデータ操作・照会部と、
　前記データ操作・照会部により反応データベースから取得した物理量情報に基づいて熱流体の方程式の計算を行う熱流体方程式計算部と
を備えたことを特徴とする石炭燃焼計算装置。
　石炭からの蒸発により気相へ放出される水分量、石炭の熱分解により気相へ放出される揮発成分量、及び、石炭のチャー固気反応により気相へ放出されるチャー成分量の気相中でのそれぞれの質量割合を表す混合分率の輸送方程式を計算する輸送方程式計算部と、素反応機構による有限速度反応計算で算出した石炭燃焼時の化学種濃度を含む物理量情報と前記混合分率とを関連付けて予め格納した反応データベースと、各時間ステップにおける前記輸送方程式の計算結果としての前記混合分率の値に応じて、前記反応データベースから化学種濃度を含む物理量情報を取得するデータ操作・照会部と、前記データ操作・照会部により反応データベースから取得した物理量情報に基づいて熱流体の方程式の計算を行う熱流体方程式計算部と、を石炭燃焼進行度合いに応じてそれぞれ複数有し、
　前記複数の反応データベースは、石炭燃焼進行度合に応じたチャー成分の混合分率に対応する範囲に限定した物理量情報をそれぞれ有することを特徴とする石炭燃焼計算装置。