O2-CO2環境下におけるH2燃焼の実験的・数値的解析—燃焼室の設計と性能
Experimental and Numerical Analysis of H2 Combustion in an O2-CO2 Environment—Design and Performance of a Combustion Chamber
本研究では、高効率・ほぼゼロエミッションの発電と炭素回収を可能にする超臨界CO2(sCO2)発電サイクル(Allamサイクルなど)の鍵となる、高CO2希釈下での水素酸素燃焼について、実験的および数値的に調査した。特に混合と火炎安定性に関して、高CO2条件下での燃焼挙動は十分に解明されていない。カスタム設計されたマルチホールバーナーを使用し、1バール燃焼室内で実験を行い、反応物の入口圧力を10~50バールで変動させた。数値シミュレーションにより流れ、混合、火炎構造を解析した。結果として、入口圧力を上げると、反応物密度の上昇による燃焼器内の速度レベル低下にもかかわらず、火炎はよりコンパクトで局所的になることが示された。高い入口圧力はピーク温度を上昇させるが、燃焼器の平均温度は低下し、より激しいが空間的に閉じ込められた熱放出を示唆する。流れ場はケース間で構造的に類似性を保つ一方、半径方向の広がり減少と長い滞留時間が燃焼挙動に影響を与える。広範囲の条件下で安定した火炎運転が達成され、高CO2希釈下での水素酸素燃焼の実現可能性が示された。この実験的・数値的解析は、高CO2希釈水素燃焼における注入条件、混合、反応速度間の相互作用に関する洞察を提供する。得られた結果は、次世代sCO2発電サイクルおよび水素ベースの低排出エネルギーシステム向けの、コンパクトで安定した直接燃焼器の開発を支持する。
- 高CO2希釈下での水素酸素燃焼について実験的・数値的に実証し、広範囲の圧力条件下で安定した火炎運転を達成した。
本論文はAllamサイクル等の次世代sCO2発電システムの実現に不可欠な、高CO2希釈環境下での水素酸素燃焼の実験的・数値的実証結果を提供している。広範囲の圧力条件下で安定燃焼を達成したことは、実機設計に向けた重要な工学的裏付けとなる。水素燃料とCCUSを組み合わせたゼロエミッション発電は長期的なエネルギー投資テーマであり、本成果は関連技術の技術成熟度向上を示す指標として注目に値する。