浮遊可燃性微粒子群の燃焼は、液体燃料噴霧や微粉炭等を燃焼する装置内、あるいは粉塵爆発事故時などに起こる。したがって、ボイラーなどの各種燃焼器の効率向上や粉塵爆発事故に対する的確な防御をおこなうためには、粉塵中における火炎の伝ぱについて十分に理解することが必要である。

　そこで、本研究では、燃焼系を単純にするため、単一成分のStearic Acid(CH₃(CH₂)₁₆COOH)を燃料として、浮遊可燃性固体微粒子群を形成した。浮遊可燃性微粒子群中の火炎の構造、可燃限界および火炎伝ぱ機構を明らかにすることを目的とし、浮遊可燃性微粒子群中を伝ぱする火炎を作り、火炎伝ぱの様子、反応帯の構造などを詳細に観測し、火炎伝ぱ機構を推論した。

　本研究に用いた実験装置は、粒子群の生成装置、着火装置、光学測定系からなっている。使用した可燃性固体試料は、Stearic Acid(CH₃(CH₂)₁₆COOH)である。火炎の自発光、粒子のレーザ散乱光、及び瞬間シュリーレン像をCCDビデオカメラと高速ビデオカメラを用いて観察した。燃焼反応の起こっている位置及び反応層の構造の検出を行うために、静電探針を用いた。検出したイオン電流と瞬間シュリーレン像との比較により、反応領域と反応層の構造を測定した。

　生成した粒子群中の粒子は球形と仮定し、74℃の液滴から固体粒子になるまでの冷却必要時間を計算した。実験時に粒子群を着火するまでの遅れ時間は0.5秒に設定したので、全ての粒子は着火時にはほとんど室温の固体粒子となっていることが予想される。

　形成された微粒子群の粒径分布は、粒子をサンプリングし顕微鏡観察により測定した。サンプリングは、鉛直方向に11mm離して水平に設置された2枚のシャッター板を点火位置付近に瞬時に挿入し、囲まれた空間内に存在する粒子をプレパラートガラス上に捕捉することによりおこなった^[1]。本実験ではノズルの燃料圧送用の圧力p₁を0-80kPaの範囲で変化させ、噴出用の空気の圧力p_aを10-100kPaの範囲で変化させて実験を行った。この装置により、燃料圧送用の圧力p₁が一定の場合、噴出用の空気の圧力p_aを大きくすると小さい粒子の数が増大する。噴出用の空気の圧力p_aが一定の場合、燃料圧送用の圧力p₁を大きくすると大きい粒子の数が増大することがわかる。

　種々の粒径分布をもつ微粒子群をp₁およびp_aを変化させることにより形成し、実験をおこなった。着火後、火炎は点火位置からほぼ球状に伝ぱしていくが、条件によっては点火位置に生じた火炎核がすぐに減衰し火炎伝ぱが起こらず微粒子群に着火しない場合があった。各条件における着火の可否の結果をまとめたのがFig.1である。着火可能な領域と不可能な領域に分けられることがわかる。

Fig.1 Flammable and non-flammable zones on a -p_l diagram.○ represents a set of and p_l at which the probability of ignition is about 20%.

　これまでの研究で、粒子の着火温度が燃料の種類より、主に粒子径に依存することが明らかにされている^[2]。また、Chenらは、固体微粒子群中での火炎伝ぱが、主に80m以下の小さい粒子に依存していることを明らかにした^[3]。そこで、粒子を小さい粒子と大きい粒子に分類してそれらの分布と燃焼限界との関係について解析した。小さい粒子と大きい粒子の境界の粒径を、40mにした場合、60mにした場合、80mにした場合について、小さい粒子と大きい粒子それぞれの単位体積当たりの密度を計算し整理した。境界の粒径がいずれの場合においても、小さい粒子の密度はの変化に強く依存し、大きい粒子の密度は、p₁に強く依存している。Fig.2に粒子の境界の粒径を60mにした場合およびp₁の値と粒径60mより小さい粒子および粒子全体の粒子密度の関係を示す。この結果をFig.1に示した着火限界の分布の様子と比較検討する。着火の境界の右上がりの部分が、小さい粒子の密度3×10^-5g/cm³の等値線とほぼ一致していることがわかる。この着火の境界線が粒子が少なくなり着火できなくなる燃焼下限界である。燃焼下限界は、粒径60m以下の小さい粒子の密度のみにより決まり、大きい粒子の密度に依存しないということがわかる。右下がりの着火の境界線のうち、粒子の全密度が34×10^-5g/cm³の等値線が粒子が多くなり着火できなくなる燃焼上限界とほぼ一致していることがわかる。

Fig.2Contours indicating equi-mass density for smaller and larger particles plotted on a -p_l diagram,when a reference particle diameter is set to be 60m Solid lines:contours indicating equi-mass-density for smaller particles;broken lines:that for larger particles.

　小さい粒子(粒径60m以下)の密度と反応層構造の関係を明らかにするため、異なる粒子密度(小さい粒子と大きい粒子)の粒子群を選んで実験を行い、粒子群を伝ぱする火炎のイオン電流を静電探針を用いて検出した。測定結果の例をFig.3に示す。検出したイオン電流と同時に撮影した瞬間シュリーレン像との比較により、反応領域と反応層の構造を測定した。粒子群中に小さい粒子(粒径60m以下)の密度が多い場合、イオン電流は、点火からある時間を経過してからシュリーレンフロントの内側約0.5mmの位置から急激に上昇し始め、それから約10ms間でピークを経た後減少し、最後にゼロになる。イオン電流の波形はするどいピークを示す。

Fig.3Typical instantaneous schlieren images and ion-current fluctuation recorded.a:Mass density of total particles is 32×10^-5g/cm³,and that of smaller particles(smaller than 60 m in diameter)is 12×10^-5g/cm³.The maximum ion-current i_m is 0.43A.The half value period t_h is 10 ms.

　粒子群中に小さい粒子(粒径60m以下)の密度が少なく大きい粒子の密度が多い場合、イオン電流は、点火からある時間を経過してからシュリーレンフロントの内側約1-2mmの位置から上昇し始め、それから次々に小さいピークを経ていく。イオン電流の波形は、小さい粒子(粒径60m以下)の密度が多い場合より低い複数のピークを示す。また、反応層の幅は小さい粒子(粒径60m以下)の密度が多い場合より広い。

　以上の光学的観察結果およびイオン電流の測定結果を総合すると、浮遊可燃性微粒子群中の火炎は以下の機構で伝ぱすると考えられる。火炎は着火位置から外側に向かって伝ぱするが、まずシュリーレンフロントとして観察される温度上昇開始部分が先行する。小さい粒子(粒径60m以下)の密度が多い場合、燃焼反応は、シュリーレンフロントの約0.5mm背後から開始する。これは、イオン電流が急激に上昇しているという測定結果から確認できる。この部分からは、炭素及び水素原子を含む燃料と酸素の燃焼による火炎特有の発光があるはずであるが、この発光は弱くて、本研究で用いたビデオカメラでは映像としてとらえられていない。燃料微粒子のうち小さいもの(粒径60m以下)は、シュリーレンフロントを通過すると直ちに消失しており、そこで蒸発し気化していると考えられる。ここで形成された蒸気がシュリーレンフロントの約0.5mm背後で燃焼する。この燃焼の機構は、気体燃料の予混合火炎の伝ぱ機構に類似していると考えられる。この場合、火炎は主にこの小さい粒子の蒸気により、維持されている。

　小さい粒子(粒径60m以下)の密度が少なく大き粒子の密度の多い場合、燃焼反応は、シュリーレンフロントの約2mm背後から開始し、後続するいくつかのイオン濃度の高い局部反応帯で起こる。このことは、測定したイオン電流の多く小さいピークから確認できる。このいくつかの局部反応帯は大きい粒子のまわりに生じた可燃気体が拡散燃焼を起こしている局部の反応帯と考えられる。この場合火炎の燃焼機構は、次々に大きい粒子の周囲で起こる拡散燃焼によって維持されている。

　Stearic acid固体可燃性微粒子群中を伝ぱする火炎について、詳細な観察および計測を行った。観察においては、直接発光、粒子のレーザ散乱光の同時撮影を実施した。計測では、静電探針による検出したイオン電流と瞬間シュリーレン像を比較して、反応領域と反応帯の構造を測定した。本研究により、以下の結果を得た。

　(1)固体可燃性微粒子群中に二つ燃焼限界が存在する。粒子数が少ないときの燃焼下限界は、大きい粒子の密度によらず、小さい粒子(粒径60m以下)の密度のみにより決まり、その時の小さい粒子の密度はほぼ3×10^-5g/cm³となった。燃焼上限界は、主に粒子の全密度により決まり、そのときの粒子の全密度は34×10^-5g/cm³であった。

　(2)固体可燃性微粒子群を伝ぱする火炎の構造および伝ぱ速度は小さい粒子(粒径60m以下)の密度に強く依存する。小さい粒子(粒径60m以下)の密度が多いほど火炎の伝ぱ速度が速い。

　(3)固体可燃性微粒子群を伝ぱする火炎の機構は小さい粒子(粒径60m以下)の密度によって異なる。小さい粒子(粒径60m以下)の密度が高い場合、火炎の伝ぱ機構は、気体燃料の予混合火炎の伝ぱ機構に類似していると考えられる。この場合、火炎は主にこの小さい粒子の蒸気により、維持されている。小さい粒子(粒径60m以下)の密度が低く大きい粒子の密度が高い場合、火炎の伝ぱ機構は、大きな粒子の周囲で起こる拡散燃焼によって維持されている。