燃焼技術開発の課題と将来

日本ファーネス株式会社 取締役・技術本部長

持 田 晋

THERMOTEC 2013 出展者プレゼンテーション

２０１３年７月４日（木）

R

N F K

OUTLINE

１．ＮＦＫのご紹介 ２．イントロ：燃焼技術開発の歴史 ３．燃焼技術開発の課題とNFKの取組み ４．開発事例 ５．将来的な燃焼技術革新に向けた 先導研究のご紹介 ６．まとめ

R

N F K

日本ファーネス株式会社 〒230-8666 横浜市鶴見区尻手二丁目1番53号

URL: http://www.furnace.co.jp

主要事業および製品 １） バーナおよび燃焼機器事業: -- リジェネレイティブバーナ (HRS バーナ) -- 工業炉用 HRSバーナ -- ユーティリティボイラ用バーナ, エコノマイザ -- 石油加熱炉用バーナ & キルン用バーナ -- 燃焼応用機器 & 省エネ機器

２） 工業炉事業: -- 熱処理炉: 焼きならし炉, 焼入・焼戻炉, 焼鈍炉, 焼成炉, 等 バッチ式炉 : ボックス炉, 台車炉, リトラック炉, 等 連続炉 : ロータリーハース炉, ローラーハース炉, メッシュベルト炉, 等

３） プロセスプラント事業: -- 固形物含有廃液焼却装置, アシッドガス焼却装置, 硫黄回収装置用テールガス焼却装置, 等 -- プロセス用反応炉 -- 不活性ガス発生装置 -- 小型管式加熱炉 （化学原料加熱炉、Delayed Cokerなど） -- 熱風炉（鉄鋼、セメント、化学プラント向け各種用途に対応）

OUTLINE

１．ＮＦＫのご紹介 ２．イントロ：燃焼技術開発の歴史 ３．燃焼技術開発の課題とNFKの取組み ４．開発事例、装置設計事例 ５．将来的な燃焼技術革新に向けた 先導研究のご紹介 ６．まとめ

イントロ： 燃焼技術開発の歴史

B.C. 4000：メソポタミア人が窯で焼いたレンガを利用

A.D. 400： ギリシャで武器として火器使用

A.D. 1200：中国で火薬を武器として使用

数万年前： 人類が火を起こして利用

50万年前の北京原人の遺跡から火を使用した痕跡 1769:ジェームズワット(英)が蒸気機関発明

1827:ウォーカー(英)がマッチを発明

1866:ノーベルが ダイナマイトを発明

1885: ダイムラーとマイ

バッハがガソリンエンジンを発明

1937:ウィットル(英)

がジェットエンジンを発明

●1960年11月、ジョン・F・ケネディがアメリカ合衆国第35代大統領に選出。宇宙開発・ミサイル防衛分野においてアメリカがソビエト連邦に勝つことを公約。 ● 1961年4月12日、ソ連の宇宙飛行士ユーリ・ガガーリンが、ボストーク1号で史上初の有人宇宙飛行を成功。 ● 1961年5月25日、ケネディ大統領は上下両院合同議会での演説で、アポロ計画の支援を表明。 ● 1969年7月20日、アポロ11号計画において船長ニール・アームストロングと月着陸船操縦士エドウィン・オルドリンの乗り込んだ月着陸船イーグルは、7月20日午後4時17分（東部夏時間）、月面に着陸。

1950-1960年代の宇宙開発競争と科学技術の発展

世界中の科学者のモチベーションの高まりで、この間の科学技術の進歩は著しい。

1st 1928 & 2nd 1937 3rd 1949, 4th 1952, 5th 1954

7th 1958, 8th 1960, 9th 1962, 10th 1964

34th 2012

国際燃焼シンポジウム/ 国際燃焼学会の流れ Symposium (International) on Combustion /

Organized by Combustion Institute 第1回1928年USA/Massachusetts、第2回1937年New Yorkで開催。 1952年以降、2年毎に開催。第34回は2012年（Warsaw）開催。 第35回は、2014年8月3～8日にSan Franciscoにて開催予定。 日本人研究者ら（東北大学/小林教授、丸田教授ら）も現在要職にて活躍中。

燃焼に関するアカデミックな研究の活発化

1948年 International Flame Radiation Research Committee

（国際火炎輻射研究委員会）

1955年 International Flame Research Foundation :IFRF

（国際火炎研究財団） ・英国鉄鋼研究協会 （BISRA: British Iron and Steel Research Association） ・フランス鉄鋼研究協会（IRSID: the Iron and Steel Research Association of France） ・オランダ鉄鋼会社 （KNHS: the Royal Dutch Iron and Steel Company）

1977年 IFRFの日本委員会JFRC発足

実用的な試験研究を担う研究機関 IFRFの設立

オランダ/ Ijmuidenに設置された研究所に各国の研究者を常駐。

会員企業の持つ実炉における問題解決のための研究を実施。 ●鉄鋼加熱炉の放射伝熱、温度、排ガス計測のための研究

●サクションパイロメータ、火炎中のガス採取・燃焼過程の石炭粒子採取用プローブの開発

80年代から90年代にかけて日本からも継続的に研究員を派遣し、IFRFの研究に多大な貢献。

１９５７年当時 IFRF発足のころのメンバー （欧州石炭・鉄鋼コミュニティが母体）

Beer, J. M., Chigier, N. A., “Combustion Aerodynamics”, Applied Science Publishers Ltd., pp.213-260, 1972

Leuckel, W., “Swirl intensities, swirl types and energy losses of different swirl generating device”, International Flame Research Foundation, Ijmuiden, Holland, Doc. No. GO 2/a/16, 1969.

Moving-Block

サクション・パイロメータ

実炉規模の試験炉と、測定された炉内の流速分布や輻射強度分布等のデータ

International Flame Research Foundation （国際火炎研究財団）

ネットワーク: 8カ国のコミッティ＋個別メンバー

CI(Italy), NVV(The Netherlands), BFRC(UK), DVV(Germany), CF(France), SFRC(Sweden), FFRC(Finland)

AFRC(USA), JFRC(Japan) 2009年Joint Committeeから脱退

PISA: ピサ大学工学部、ENEL研究所の本部

LIVORNO:ENEL研究所の試験設備、IFRF本部

2000年頃より財政的な危機に陥ったが、2006年にリストラクチャリングを行い、本部をオランダ/Ijmuidenからイタリア／PISAに移して新生IFRFとして運営開始。現在活発に活動中。

ENEL Researchの試験装置

流動層燃焼試験装置： 100kW

旧IFRF-RS の試験炉と同型の炉

燃焼量： 5.0MW

ENEL Researchの試験装置

OUTLINE

１．ＮＦＫのご紹介 ２．イントロ：燃焼技術開発の歴史 ３．燃焼技術開発の課題とNFKの取組み ４．開発事例、装置設計事例 ５．将来的な燃焼技術革新に向けた 先導研究のご紹介 ６．まとめ

低品位燃料の燃焼試験の必要性の高まり C重油、タール、ピッチ、再生油、微粉炭、オイルコークス、バイオマス

省エネルギー、環境負荷低減化の推進

熱エネルギー用に大量消費する燃料は低品位の油・固体・廃ガス

低品位燃料を低公害で燃焼させる新しい技術開発の要求の高まり

実機トラブルのリスク回避、CFD検証に燃焼試験の重要性が増加

近年における燃焼技術開発の課題

近年における燃焼技術開発の課題 １）高品位燃料費の高騰により、 CFDでモデル化困難な低品位燃料や廃棄物、また、従来燃料として利用されなかった有機物の燃料利用頻度が高まり、モデル構築に実験データ蓄積が重要。

２）地球環境への配慮が常識である昨今、ＣＦＤの検証を目的とした低品位燃料等の燃焼試験の実施は、場所の確保、必要となる排ガス処理設備コストなどの問題でハードル高い。

３）ＰＣの高性能化、ＧＵＩの高度化でCFDの利用が身近。結果表示も３Ｄグラフィック表示等で説得力を増している。

それゆえ物理モデルや燃焼試験による検証が益々重要。

４）企業（特に製造業）が世界経済の景気動向の影響を受け、技術開発に充当できる予算、マンパワーが制限。コストミニマムな燃焼試験を伴う技術開発が要求される。

NFKの技術開発手法

3C-Methodのご紹介

3Cとは、

CAFAT(物理モデル)

CFD(数値モデル)

Combustion Test

CAFAT: Computer Aided Flow Analysis Technology

CFD: Computational Fluid Dynamics

最適なバーナ設計のための、バーナ近傍領域における物理モデル/数値モデルの両面シミュレーション

物理モデル: CAFAT 数値モデル: CFD (Fluent)

水流モデルによる等温流の可視化実験

乱流モデル k-e Modelを利用した等温流れのシミュレーション

微粉炭燃焼モデルを加えたＣＦＤにより温度分布のシミュレーション

基本設計から境界条件を設定

N

Y

比較判定

燃焼試験：Combustion による検証

製品化 Y N

判定

参照

キルン用新型微粉炭バーナ開発の例

ニアフィールド

(Near Field Area)

遷移域

非燃焼

燃焼

燃焼と非燃焼の境界の考え方

AIR

FUEL

FLUE

GAS

FURNACE BURNER

等温流物理モデルCAFATの開発（@1980年代）

CAFAT:Computer Aided Flow Analysys Technology

Conventional Type

New Type

CAFATによるバーナ近傍の流れの可視化

従来型バーナ

微粉炭流

内流直進

内流旋回

外流直進

外流直進一次空気流 90%

微粉炭流

外流直進

外流直進一次空気

内流直進／旋回一次空気

新型バーナ

キルンバーナ周囲のCFD計算格子

1.0

0.95

0.9

0.85

0.8

0.75

0.7

0.65

0.6

0.55

0.5

0.45

0.4

0.35

0.3

0.25

0.2

0.15

0.1

0.05

0

相対速度

(V/Vmax)

CFDによる流速分布比較（等温流）

新型バーナ 従来型バーナ

従来型

新型

ＣＦＤによる微粉炭の燃え切り状態の予測

ＣＦＤによる温度分布予測

従来型

新型

Combustion Test

with Model Burner

NFK試験炉における燃焼試験の様子

宮崎県西都市に 日本ファーネス（株）燃焼技術研究所を建設

２０１３年５月末竣工

本研究所は、業務提携先であるオリンピア工業（株）宮崎工場殿の敷地の一部をお借りして建設されたものです。

16

m

31m

21

m

横型試験炉 （最大燃焼量：3.5MW） 竪型試験炉

（最大燃焼量：3.5MW）

燃焼試験炉のレイアウト

水管ボイラ型試験炉

敷地面積

651m2

OUTLINE

１．ＮＦＫのご紹介 ２．イントロ：燃焼技術開発の歴史 ３．燃焼技術開発の課題とNFKの取組み ４．開発事例、装置設計事例 ５．将来的な燃焼技術革新に向けた 先導研究のご紹介 ６．まとめ

開発事例（１）

石油加熱炉用超低ＮＯｘバーナ

課題：次のいずれの条件においても低ＮＯｘ性能を維持 ●高空気比（高残存O2）運転条件 ●予熱空気使用 ●ＣＯＧ、リファイナリーガス等の使用

SRX-E バーナ 燃焼試験とCFD計算援用を効果的に活用し、現行の低ＮＯｘバーナの性能を進化

高空気比運転においても超低ＮＯｘ性を維持 残存O2: 6% 残存O2: 1.9%

酸素濃度分布

バーナ近傍の酸素濃度低い

従来型 新型

SRX-Eの燃焼状態

特許出願中

開発事例（２）

水管ボイラ用バーナ 低NOx性能と安定性を両立させたバーナ機種を投入

低ＮＯｘ、低空気比燃焼、低ＣＯを実現

燃焼試験

CFDシミュレーション

水管ボイラ用NFK-ULX型低NOxバーナ

●ＮＯｘ ４０ppm以下（@O2 0%） ●コンパクト設計（ボイラ前璧改造がミニマムで適用可） ●火炉に合わせ火炎サイズ調節可

●ターンダウン １：８

本バーナは東邦ガス（株）殿との共同開発により完成しました。

インシネレータでの混合、焼却性能をＣＦＤを用いて予測

モデル化

温度分布

流速分布 燃料濃度分布

CO2分布

計算結果

製品装置の性能予測

実装置設計事例

木質チップを原料とするバイオマスガス化発電システム実証試験装置（80-100kg/h, 発電50ｋW）

開発事例（３） 次世代差別化製品

本設備はＮＥＤＯ殿による委託研究事業により完成しました。

OUTLINE

１．ＮＦＫのご紹介 ２．イントロ：燃焼技術開発の歴史 ３．燃焼技術開発の課題とNFKの取組み ４．開発事例、装置設計事例 ５．将来的な燃焼技術革新に向けた 先導研究のご紹介 ６．まとめ

将来的な燃焼技術革新に向けた先導研究

NEDO/省エネルギー技術革新事業 平成２３年度～２５年度 「高温酸素燃焼技術の開発」 東北大学流体科学研究所と共同実施中 （アカデミックコーナーにおいても展示）

2 O2

8 N2Air

CH4+2O2CO2+2H2O

1 CH4

CH4+2O2CO2+2H2O1 CH4

2 O2

1 CO2

2 H2O

8 N2

1 CO2

2 H2O

CO2 , H2Oを大量に循環

高温空気燃焼

高温酸素燃焼 ポスト高温空気燃焼

従来技術

高温空気燃焼

高温酸素燃焼の工業的な利用方法としては・・（連続鉄鋼加熱炉の場合）

30%省エネ

高温酸素燃焼

42%省エネ

19%省エネ

想定されるメリット： ●排ガス量低下、装置小型化による放熱損失低減 ●輻射伝熱量増加による炉長の短縮

エクセルギー ＝ 投入熱Q ―（T0 x ΔS） T0 ：外界温度 ΔS ：エントロピー損失

エクセルギーによる評価

資料提供：大阪大学エクセルギーデザイン共同研究講座

エクセルギー効率の向上 ＝１次エネルギーの削減

試験炉における高温酸素燃焼状態

小型燃焼試験炉の3D-CADモデル 小型燃焼試験炉

まとめ １．燃焼技術開発の課題の解決に向け、

３Ｃ-Methodなど、NFKの取組みを

新型キルンバーナ開発事例を通じてご紹介。

２．ＮＦＫバーナ等の開発事例ご紹介。

管式加熱炉用 SRX-Eバーナ

水管ボイラ用NFK-ULX型バーナ

バイオマスガス化装置

３．高温酸素燃焼技術を先導研究として開発中。

今後、業界全体で実用化技術へ発展させたい。

入口より

C21 日本ファーネス（株） のブースへ是非 お立ち寄りください

ＮＦＫ特性 熱風うちわをもれなく進呈