燃 焼 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン
石 井 一 義 幻 村 田 博 敏 濫 桑 名 一 徳 棘 ・ 水 野 諭 勲 索・森 田 明 宏 鼎 幻 井 田 民 男 索鼎
(㈱ナ ニ ワ 炉 機 研 究 所 士・東 京 大 学 無 ・近 畿 大 学 畑 め
Combustion simulation and quick-freeze observation of a cupola-furnace process using
a high-hardness solid fuel based on tea scum
Kazuyoshi Satoru
ISHI*, Hirotoshi MURATA*, Kazunori KUWANA**, MIZUNO***, Akihiro MORITA***, Tamio IDA***
NANIWA ROKI Co., Ltd*, Tokyo University**, Kinki University***
Synopsis
Global environment problems have become more and more serious in recent years, and reduction of greenhouse gas emission based on Kyoto Protocol adopted at the 3rd conference of the parties of the United nations Framework Convention on Climate Change (COP3); securement of primary energy source and development of clean and renewable energy sources have been pressingly needed in consideration of the predicted depletion of fossil fuel in the future.
In this study, we explore the use of a solidified biomass-derived fuel, having the maximum compressive strength of 1 OOMPa and calorific value of 21MJ/kg, in iron-casting or iron-making processes as an alternative fuel to be mixed with coal coke. This study, carried out for internal observation using a quick-freeze technique, observed an actual working cupola furnace under the 20% alternative coal coke operation condition. After quick freeze of the cupola furnace, the solidified biomass fuel was found to inhabit near the iron-melting zone. Especially, this solidified biomass fuel smoothly changes carbonized fuel through high-density state during the operating process. On the other hand, this study tried to simulate gasification combustion under a high temperature environment instead of actual internal combustion of solidified biomass fuel. These combustion mechanisms were confirmed to be similar to diffusion-flame phenomena in general.
Keywords: Solidified biomass fuel, Cupola furnace trial, High temperature combustion simulation, CO, reduction
1.緒 言 Table1小 型 キ ュ ポ ラ の 仕 様
名 称 規 格
エ ネ ル ギ ー 資 源 の 争 奪 に 基 づ く安 定 供 給 確 保 は 、 政 治 、 経 済 市 場 に留 ま らず 宗 教 紛 争 、 テ ロ 活 動 等 に も連 動 し、 国 際 的 な 不 安 定 に 陽 動 され 極 め て 難 しい 社 会 情 勢 に 近 づ い て い る 。 さ らに 、 世 界 的 な 金 融 危 機 が 迫 る 中、 自動 車 産 業 の減 産 等 に 象 徴 さ れ る景 気 の後 退 は、 資 源 の 乏 しい わ が 国 に お い て は 、 エ ネ ル ギ ー 価 格 の 推 移 が マ ク ロ な 経 済 動 向 を 左 右 す る危 険 性 を 秘 め て い る 。
一 方 で は、 国 際 的 な 交 渉 案 件 と し て地 球 温 暖 化 防 止 の 決 め 事 や 活 動 が 活 発 で あ り、 二 酸 化 炭 素 の 削 減 は 急 務 と な っ て い る。2008年 洞 爺 湖 サ ミ ッ トで は 、 環 境 に 関 す る議 論 が 主 催 国 首 相 に よ り提 案 さ れ た が 、 革 新 的 な 技 術 導 入 に よ る大 き な前 進 に ま で は至 ら な か っ た。 中 で も 、 わ が 国 で は産 業 界 か ら排 出 され る 二 酸 化 炭 素 が 京 都 議 定 書 で約 束 さ れ た 削 減 量 よ り+8%の 大 幅 な 増 加 と な っ て お
り、 決 め手 に 欠 い て い る 。
本 研 究 で は 、 エ ネ ル ギ ー の 安 定 供 給 確 保 の観 点 か らバ イ オ マ ス を 用 い た 低 炭 素 産 業 を 実 現 す る た め の 実 証 試 験 を 行 っ た の で 報 告 す る 。 こ こ で は、
バ イ オ マ ス の 利 用 を 鋳 造 分 野 に 限 定 し、 茶 津 を 原 料 とす る高 硬 度 燃 料(以 下 、 バ イ オ コ ー ク ス と呼 ぶ)に よ り、 溶 解 実 験 を 行 い 、 炉 内 で の 燃 焼 状 況 を観 察 す る と と も に 、 高 温 環 境 下 で の燃 焼 シ ミ ュ
レー シ ョ ンを 試 み た 。
炉 内径 有 効高 さ
羽 口か ら炉 底 まで の深 さ 羽 口数
羽 口比 羽 口 内径 送 風量
400mm 1600mm 280mm 6本 5.8 67.9mm 冷 風13Nm3/min
Table2酸 素 富 化 量(酸 素 濃 度 基 準21%)
酸素富化率(%) 0234
送 風 量(Nm3/min) 02inair(%) 02inair(Nm3/min) 酸 素 供 給 量(Nm3/min) 酸 素 供 給 量(Nm3/1h)
13 21 2.7
0 0
131313 23.024.025.0
3.13.33.4 0.340.520.7 20.131.242
2.溶 解 実証試験
2.1小 型 キ ュ ポ ラ 溶 解 装 置
溶 解 実 証 試 験 に 用 い た キ ュ ポ ラ 溶 解 炉 の 仕 様 を Table1に 示 す 。 本 装 置 は 、 ㈱ ナ ニ ワ 炉 機 研 究 所 が 有 す る 国 内 唯 一 の 実 証 試 験 炉 で あ り、 実 機 の 約1/4 モ デル で ス ケ ー ル モ デ リン グに よ り、 ハ ン ドリ ン グ の 良 さ も加 え実 機 へ の適 用 を 可 能 に して い る。 ま た、 操 業 時 に お け る 酸 素 富 化 量 をTable2に 示 す。
本 装 置 で の 単 位 時 間 当 た りの 溶 解 量 は 、 コ ー ク ス 比20%で 約5.5ton/h/m2が 可 能 で あ る 。 ベ ッ ド コ ー ク ス の 高 さ は 、 羽 口 上800mmで 初 期 重 量 は 100kgを 投 入 した 。
2.2試 験 原 料 の 特 性
本 研 究 で 使 用 され た 試 験 原 料 は、 溶 解 物 と溶 解 燃 料 に分 け られ る。 溶 解 物 は 、 一 般 的 な ね ず み 鋳 鉄 を 対 象 とす る 配 合 を 考 慮 し て 、Table3及 び4 に 各 投 入 掛 時 に お け る 配 合 比 率 と配 合 量 を 示 す 。 小 型 キ ュ ポ ラ 溶 解 炉 に 投 入 さ れ る 原 料 は 、 地 金 と し て 銑 鉄 、 鋼 屑 を配 合 し、 石 炭 コ ー ク ス 、 バ イ オ マ ス 、 石 灰 石 、Fe‑Siで あ る。 材 料 投 入 量 は、1 掛 材 料 層 高 さ で273mmと 計 算 さ れ る。
こ れ らの 投 入 原 料 か ら 目標 と な る 出 湯 成 分 は 、 炭 素C:3.5%、 シ リ カSi:2%、 マ ン ガ ンMn:
0.6%で あ る 。
次 に 投 入 し た バ イ オ マ ス 原 料 の 熱 分 解 特 性 を Fig.1に そ の 成 分 をTable5に 示 す 。
原 料 は 、 茶 津 を 用 い た 。 形 成 後 の バ イ オ コ ー ク ス は、 高 硬 度 か つ 高 密 度 も 固 形 燃 料 で あ り、 井 田
圏口
加 熱 温 度K
Fig.1茶 津 の 熱 分 解 特 性
坦 簾
'"︑薫
Table3各 投 入 掛 時 に お け る材 料 配 合 比 率
石 炭 コー ク ス バ イ オ マ ス 銑鉄 鋼屑 Fe‑Si 石灰石
1掛 〜2掛 3才圭卜〜55才 圭卜 6圭卦〜12圭 卦
20%
20%
16%
0%
0%
4%
100%
80%
80%
0%
20%
20%
0%
0。64%
0.64%
4%
4%
4%
Table4各 投 入 掛 時 に お け る材 料 配 合 量
石 炭 コー ク ス バ イ オ マ ス 銑鉄 鋼屑 Fe‑Si 石灰石
1掛 〜2掛 3掛 〜5掛 6}圭卜〜12推 卜
合 計
9kg gkg 7.2kg 95.4kg
Okg Okg 1.8kg 12.6kg
45kg 36kg 36kg 450.Okg
Okg gkg gkg 90.Okg
Okg O.3kg O.3kg 2.9kg
1.8kg l.8kg l.8kg 21.6kg
Table5バ イ オ マ ス の 成 分 比 率
成分 炭素 水素 窒素 水分 灰分
比 率52.856.304.252.503.65
ら に よ り 開 発 さ れ た 製 造 法(特 許 第4088933号) に よ っ て 形 成 さ れ た 燃 料 を 用 い た 。 そ の 性 状 は 、 冷 間 圧 縮 最 高 硬 度80MPa(石 炭 コ ー ク ス20MPa)、
真 比 重1.38(石 炭 コ ー ク ス1.2)を 有 す る 。
2.3ク イ ッ ク ・フ リー ズ 試 験
Fig.2に 本 研 究 で 用 い た小 型 キ ュ ポ ラ 溶 解 炉 の 構 造 を 示 す 。 本 研 究 で は 、20%石 炭 コー クス 代 替 に よ る安 定 し た操 業 状 態 か ら小 型 キ ュ ポ ラ溶 解 炉 へ の 送 風 を 停 止 し、 上 部 投 入 口 か ら注 水 す る こ と に よ り、 炉 内 の燃 焼 を 消 化 す る 。 消 化 後 は 、 実 験 炉 を 上 部 よ り分 解 し、 炉 内 の 試 験 原 料 も手 作 業 で 取 り出 し、 そ の 内 部 観 察 を 行 う。
Photo.1配 合 し た 原 料
Photo.2安 定 操 業 に よ る 溶 解 の 様 子
Fig.2φ400mm小 型 キ ュ ポ ラ 溶 解 炉 構 造
Photo.3ク イ ッ ク ・フ リー ズ 後 の 代 表 的 な 溶 解 炉 内 (1段 目 フ ラ ン ジ200mm)
Photo.1に 主 な 原 料 配 合 を 示 す 。 手 前 の 円 筒 状 に 整 列 し て い る の が 、 茶 津 バ イ オ コ ー ク ス で 20%代 替 分 に 相 当 し て い る 。 後 方 、 左 か ら 石 炭 コ ー ク ス 、 イ ン ゴ ッ ト、 地 金 で あ る 。Photo.2は 、 石 炭 コ ー ク ス20%で 安 定 操 業 を し 、 溶 湯 を 汲 み 取 っ て い る 風 景 で あ る 。 こ の 状 態 か ら炉 内 溶 解 を フ リ ー ズ し た 。Photo.3は 、 ク イ ッ ク ・フ リ ー ズ 後 に 観 察 さ れ る 代 表 的 な 炉 内 状 態 で あ る 。 手 作 業
に よ り、 バ イ オ コ ー ク ス の 観 察 を 行 な っ た の で 、 次 に示 す 。
Table4の 実 体 観 察 とTable5に ク イ ッ ク ・ブ リ ー ズ で 燃 焼 を 停 止 し た 各 ス テ ー ジ で の 代 表 的 な バ イ オ コー クス の形 状 計 測 結 果 を 示 す 。 バ イ オ コー ク ス の 直 径 は 、 ス テ ー ジ が 進 む に 従 っ て も 、 劇 的 に は 変 化 して い な こ とが 伺 え る 。 しか し、 比 重 、 空 隙 率 の変 化 と合 わ せ て 見 る と、 劇 的 に 比 重
(a)1段 目 フ ラ ン ジ 下200mm (d)2段 目 フ ラ ン ジ 下100mm(外 側)
(b)1段 目 フ ラ ン ジ 下400mm (e)2段 目 フ ラ ン ジ 下100mm(中 心)
(c)2段 目 フ ラ ン ジ 下50mm (f)2段 目 フ ラ ン ジ 下350mm
Photo.4溶 解 炉 内の バ イ オ コー クス の代 表 的 な状 態 観 察
一32一
Table6溶 解 炉 内 で 抽 出 さ れ た バ イ オ コー クス の 形 状 計 測
番号 サ ンプ リン グ位置
フ ラ ンジー距離
輯 g
長 さmm
径m直m 積,m体m 比 重
9/cm3
空 孔 率 比 重/1.4
abcdef9
1段 目 一200mm 1段 目 一400mm 2段 目 一50mm
2段 目 一100mm 2段 目 一100mm 2段 目 一350mm 2段 目 一500mm
153.7 67.69 45.4 37.75 38.14 38.56 55.17
88 46.5 63 39.5 43 56 83
49.5 45.5 41 45 44 42 42.5
169,349 75,608 83,176 62,822 65,383 77,585 117,746
0.908 0.895 0.546 0.601 0.583 0.497 0.469
0.648 0.639 0.390 0.429 0.417 0.355 0.335
が 減 少 して お り、 ガ ス 化 か ら炭 化 ヘ ス ム ー ズ に 移 行 して い る こ とが 伺 え る 。 こ の 時 、 実 体 写 真 よ り 形 状 は 維 持 しつ つ 、 炭 化 物 へ の 移 行 して い る様 子 が 確 認 で き た 。
これ らの 結 果 よ り、 バ イ オ コ ー ク ス が 溶 解 炉 内 の 極 め て溶 湯 近 くま で 炭 化 物 に様 子 を 変 化 させ な が ら、 接 近 し て い る こ とが 確 認 で き た。 こ の こ と は 、 冷 間強 度 に よ り機 能 性 と熱 間 強 度 に よ る機 能 性 を 兼 ね 備 え て い る 可 能 性 を 示 唆 し て い る。
3.燃 焼 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン
クイ ッ ク ・フ リー ズ 試 験 に よ り炉 内 で の バ イ オ コ ー ク ス の 存 在 と、 石 炭 コー ク ス 代 替 燃 料 と して 必 要 な 機 能 性 を 有 し て い る こ とが 確 認 で き た が 、 バ イ オ コ ー ク ス の 炉 内 で の 燃 焼 挙 動 が 観 察 で き な い の で 、 高 温 環 境 下 で の 燃 焼 シ ミ ュ レー シ ョン を 試 み た 。
直 径48mmの バ イ オ コ ー ク ス が 温 度1773Kに 加 熱 さ れ た 条 件 を 想 定 して 燃 焼 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン を 行 っ た 。 バ イ オ コ ー ク ス ガ ス 化 に よ り放 出 さ れ る 熱 分 解 生 成 ガ ス と し て、 同 量 のCOお よ びH2 を 仮 定 し た 。 こ れ は 、 バ イ オ コ ー ク ス の 化 学 式 C6HloO5だ とす る と、
C6HloO5→5CO+5H2+C (1)
とい う分 解 反 応 を 仮 定 す る こ とに 相 当 す る。 反 応 生 成 物 中 のCは 、 ガ ス 化 せ ず に 固 体 と して 残 る、
残 炭 で あ る 。 こ の 分 解 反 応 機 構 に 関 して は 、 不 明 な 点 が 残 さ れ て お り、 今 後 さ らな る検 討 が 必 要 で あ る 。 バ イ オ コ ー クス 表 面 に お け る熱 分 解 生 成 ガ ス の 速 度 は、100gの バ イ オ コー クス が1分 間 で 燃
え 尽 き る 速 さ に 対 応 す る も の と し た 。 こ の ガ ス 噴 出 速 度 は 、 実 際 の 燃 焼 過 程 で は 、 火 炎 か らの 熱 流 入 量 や バ イ オ コ ー ク ス 内 の 熱 移 動 速 度 な どに 依 存 す る た め 、 今 回 用 い た 値 は 正 確 な もの で は な い 。
しか し、 乱 流 燃 焼 が 起 こ る条 件 で は 、 火 炎 長 な ど は 燃 料 の 噴 き 出 し速 度 に 依 存 しな い こ とが 知 られ て い る た め 、 今 回 の シ ミ ュ レー シ ョ ンは 、 噴 き 出
し速 度 一 定 の条 件 で行 っ た。
乱 流 モ デ ル に は 標 準 的 なk一εモ デ ル を 用 い た 。 そ れ ぞ れ の 燃 料(一 酸 化 炭 素 お よ び 水 素)に 対 し 総 括 一 段 階 反 応 を 仮 定 し、 乱 流 燃 焼 反 応 速 度 は 、 Arrhenius型 で 表 さ れ る反 応 速 度 と渦 消 散 モ デ ル に よ り計 算 さ れ る 値 の う ち 小 さ い 方 と し て 求 め た 。 渦 消 散 モ デ ル に お け る反 応 速 度 は 、 乱 流 運 動 エ ネ ル ギ ーkお よ び そ の 散 逸 率 εを 用 い て、 次 式 に よ り与 え られ る。
く 血
,%
郷ん
=R, 06,垢
轟 明 Σ Σ β
計 算 は 、 有 限 体 積 法 を ベ ー ス と した 汎 用 熱 流 体 解 析 ソ フ トウ ェ ア で あ るFLUENT6.3を 用 い て 行 っ た 。 モ デ ル は 定 常 、 軸 対 称 二 次 元 で 、 低 マ ッ ハ 数 近 似 を 用 い た 。 す す の 生 成 お よ び 輻 射 に よ る 伝 熱 は考 慮 しな か っ た 。 計 算 領 域 の 大 き さ は 、 軸 方 向 にlm、 半 径 方 向 に0.12mと し た 。 周 囲 の 境 界 条 件 と し て は 、 圧 カ ー 定 の条 件 を 用 い た。
代 表 的 な 計 算 結 果 をFig.3に 示 す 。 火 炎 温 度 が 最 大 値 に な る 位 置 と して 火 炎 高 さ を 定 義 す る と、
火 炎 高 さ は0.3m強 とな っ た 。 ま た 、 軸 方 向 距 離 の 増 加 と と も に 火 炎 温 度 が 増 加 す る 傾 向 が 得 ら れ た 。 温 度 上 昇 に 伴 う体 積 膨 張 に よ り速 度 も 増 加 し、 速 度 の 最 大 値 は5m/sを 超 え る も の と な っ
一33一
(d)H2質 量分 率分 布 (e)CO2質 量 分 率 分 布 (f)H20質 量 分 率 分 布 Fig.3ガ ス 化 燃 焼 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン
た 。 バ イ オ コ ー ク ス の 熱 分 解 生 成 物 で あ るCOお よ びH2は 、 軸 方 向 距 離 が0.3m(す な わ ち 火 炎 高 さ)以 内 で お お む ね 消 費 さ れ 、 濃 度 が ほ ぼ ゼ ロ に な る 。 こ れ に 対 し、 燃 焼 反 応 生 成 物 で あ るCO2お よ びH20の 濃 度 は 火 炎 高 さ の 位 置 程 度 で 最 大 値
とな る。 これ は 、 混 合 分 率 に よ り温 度 お よ び各 化 学 種 の 濃 度 を ほ ぼ 一 意 に 決 定 で き る とい う、 拡 散 火 炎 の 一 般 的 な特 徴 と一 致 す る 。
4.結 論
緑 茶 を 原 料 と す る バ イ オ コー クス を 用 い て 、 溶 解 炉 内 の燃 焼 挙 動 を 観 察 す る た め に 、 安 定 的 に 操
業 を して い る炉 を ク イ ッ ク ・フ リー ズ す る こ と に よ り、 内 部 で の バ イ オ コー ク ス の 燃 焼 状 態 を 実 体 観 察 し、 さ らに 燃 焼 シ ミ ュ レー シ ョ ンの 技 法 を 用 い る こ とに よ り、 高 温 環 境 下 で の 燃 焼 シ ミ ュ レー シ ョン を 試 み 、 次 の結 論 を 得 た 。
1)茶 津 バ イ オ コー ク ス が 溶 解 炉 内 で 石 炭 コ ー ク ス に 代 替 で き う る 機 能 を 有 し て い る こ とを 実 体 観 察 で 確 認 す る こ と が で き た 。 特 に、 冷 間 強 度 は 石 炭 コ ー ク ス の4倍 を 超 え て い る が 、 熱 間 強 度 が 必 要 な ス テ ー ジ に ま で バ イ オ コー
ク ス の 存 在 を 確 認 し、 そ の 優 位 性 を 示 した 。 2)バ イ オ コ ー ク ス は 、 溶 解 炉 内 で 形 を 維 持 しつ
一34一
3
つ 、 ガ ス 化 過 程 を 経 て 、 炭 化 物 へ の ス ム ー ズ に 移 行 して い る こ とが 分 か っ た 。
高 温 環 境 下 で の バ イ オ コー クス の燃 焼 シ ミ ュ レー シ ョ ン に よ り、 そ の 燃 焼 挙 動 は 拡 散 火 炎 現 象 の 一 般 的 な 燃 焼 挙 動 と一 致 す る こ と が 計 算 され た 。
謝 辞
本 研 究 の 成 果 の 一 部 は 、 平 成19年 度NEDO大 学 発 事 業 創 出 実 用 化 研 究 開 発 事 業(鋳 造 コー ク ス 代 替 と な る 高 硬 度 固 形 バ イ オ 燃 料 の 量 産 機 開発 と 実 証)に よ っ た こ こ に謝 意 を 表 す る。
