JP2014031988A - 噴霧ノズル及びそれを備えたバーナ並びに燃焼装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ファンスプレー式の噴霧ノズルであっても、粗大粒子の生成を抑制することができ、未燃焼分や煤塵、一酸化炭素を低減して燃焼効率の向上を図る。
【解決手段】噴霧ノズル１は混合流体８が流れる少なくとも２つの噴霧流体流路４、５が互いに対向して形成され、それぞれの噴霧流体流路を流れる混合流体が衝突して合流した合流部から混合流体を噴出させる出口孔１１を備え、出口孔は噴霧ノズルの外面に形成された溝部１２と接続し、溝部の周囲壁面は、噴霧流体の噴出方向に向って断面積が広がる拡管部分と、噴霧流体の噴出方向に向って断面積が狭まる縮管部分とが交互に形成されている。
【選択図】図３

Description

本発明は噴霧ノズル及びそれを備えたバーナ並びに燃焼装置に係り、特に、液体燃料等の噴霧流体に空気や蒸気などの噴霧用媒体を供給して、噴霧流体を微粒化するものに好適な噴霧ノズル及びそれを備えたバーナ並びに燃焼装置に関するものである。

一般に、発電用のボイラのように、高出力、高負荷の燃焼装置では、燃料を水平燃焼させる浮遊燃焼方式が多く採用される。燃料として燃料油のような液体燃料を用いる場合、燃料を噴霧ノズルで微粒化し、燃焼装置の火炉内を浮遊させて燃焼している。

このような噴霧ノズルは、液体燃料を主燃料とする燃焼装置の他、微粉炭のように、固体燃料を主燃料として使用する燃焼装置において、起動や火炎安定化用の補助燃料（液体燃料）の燃焼用に設置されることが多い。

噴霧ノズルの形式として、一般に噴霧流体（液体燃料など）を加圧し、その圧力エネルギーを、噴霧流体の微粒化に利用する圧力噴霧方式と、噴霧流体の他に、微粒化用の噴霧媒体として空気や蒸気を供給し、噴霧流体と混合することで、噴霧流体を微粒化する２流体噴霧方式がある。

これらの方式は、加圧した噴霧流体の噴出方法や噴霧媒体の混合方法により、噴霧流体が細分化される。

圧力噴霧方式を用いた噴霧ノズルとしては、例えば、特許文献１及び２に記載のものがある。また、２流体噴霧方式を用いた噴霧ノズルとしては、特許文献３に記載のものがある。

特許文献１乃至３に記載された噴霧ノズルでは、流体を扁平な薄い液膜状に噴出させることで、流体の微粒化を促進させている。この噴霧方式は、出口から扇状に噴霧させるため、ファンスプレー式とも呼ばれている。

特開平４-３０３１７２号公報 特開平６-３１２１４７号公報 特開平９-２３９２９９号公報

ところで、液体燃料の燃焼では、噴霧粒子径が大きいと燃焼反応が遅れ、燃焼効率の低下や煤塵、一酸化炭素が発生し易くなる。また、噴霧粒子径が小さい場合でも燃焼用空気との混合が悪く、噴霧粒子の周囲の燃焼用空気が不足すると、煤塵や一酸化炭素が発生し易くなる。

このため、液体燃料の燃焼では、噴霧粒子の微粒化と噴霧粒子と燃焼用空気との混合に留意する必要がある。

このうち、噴霧粒子の微粒化について示すと、例えば、直径で１００μｍ未満、できれば５０μｍ以下に微粒化させた粒子（以下、微粒子と言う）は、体積に占める表面積が大きく、炉内からの熱放射により昇温し、燃焼し易い。

このため、これらの微粒子を噴霧ノズル近傍に滞留させると、噴霧の着火が早まり、火炎の安定化や燃焼反応の促進に寄与する。

また、直径で１００μｍ以上から３００μｍ未満の粒子（以下、大粒子と言う）は、粒子径が比較的大きいため、運動量が大きく、噴霧ノズルの周囲の気体の影響を受けにくい。

このため、噴霧は通常約１ｍ以上離れた位置まで到達し、噴霧ノズルから離れた位置から供給される燃焼用空気との混合が容易である。

このため、燃焼反応が進み、未燃焼分や煤塵の抑制が可能である。

一方、直径３００μm以上の粒子（以下、粗大粒子と言う）は、運動量が大きいものの、体積に占める表面積は大粒子に比べて小さいため、燃焼反応は大粒子に比べて遅れる。

このため、粗大粒子の生成は、未燃焼分や煤塵の発生源となり易いことから、粗大粒子の生成を低減することが、未燃焼分や煤塵或いは一酸化炭素を低減する上での課題となる。

前述した特許文献１乃至３に記載されたファンスプレー式の噴霧ノズルでは、扇型噴霧の外周側は運動量が低下し、噴霧ノズル近傍に滞留する微粒子が多くなる。

しかしながら、扇型噴霧の場合、噴霧が扇型に拡がることで、ノズルを構成する部材や周囲に設置されている火炎安定用の障害物に噴霧粒子が付着する可能性がある。例えば、ノズルを構成する部材に噴霧粒子が付着し、これが成長して分離することで生成される粗大粒子が、燃焼装置内に供給される恐れがある。

本発明は上述の点に鑑みなされたもので、その目的とするところは、ファンスプレー式の噴霧ノズルであっても、粗大粒子の生成を抑制することができ、未燃焼分や煤塵、一酸化炭素を低減して燃焼効率の向上が図れる噴霧ノズル及びそれを備えたバーナ並びに燃焼装置を提供することにある。

本発明の噴霧ノズルは、上記目的を達成するために、噴霧流体が流れる少なくとも２つの噴霧流体流路が互いに対向して形成され、それぞれの前記噴霧流体流路を流れる噴霧流体が衝突して合流した合流部から前記噴霧流体を噴出させる出口孔を備え、前記出口孔は噴霧ノズルの外面に形成された溝部と接続し、前記溝部の周囲壁面は、前記噴霧流体の噴出方向に向って断面積が広がる拡管部分と、前記噴霧流体の噴出方向に向って断面積が狭まる縮管部分とが交互に形成されているか、
或いは、噴霧流体が流れる少なくとも２つの噴霧流体流路と、噴霧用媒体が流れ、それぞれの前記噴霧流体流路と第１の合流部で合流する少なくとも２つの噴霧用媒体流路と、それぞれの前記第１の合流部で合流した前記噴霧流体と噴霧用媒体の混合流体が流れると共に、互いに対向して形成され、前記混合流体が合流する第２の合流部を有する少なくとも２つの混合流体流路と、前記第２の合流部で合流した前記混合流体を噴出させる出口孔とを備え、前記出口孔は噴霧ノズルの外面に形成された溝部と接続し、前記溝部の周囲壁面は、前記混合流体の噴出方向に向って断面積が広がる拡管部分と、前記混合流体の噴出方向に向って断面積が狭まる縮管部分とが交互に形成されていることを特徴とする。

また、本発明のバーナは、上記目的を達成するために、液体燃料を燃料として利用するバーナであって、上記構成の噴霧ノズルを用い、前記液体燃料を前記噴霧流体として前記噴霧ノズルの先端部に供給するか、
或いは、固体燃料とその搬送気体を噴出する燃料ノズルと、液体燃料を噴霧する噴霧ノズルと、前記固体燃料や液体燃料を燃焼させる燃焼用気体を噴出する燃焼用気体ノズルを有するバーナであり、前記噴霧ノズルとして、上記構成の噴霧ノズルを用い、前記液体燃料を前記噴霧流体として前記噴霧ノズルの先端部に供給することを特徴とする。

また、本発明の燃焼装置は、上記目的を達成するために、固体燃料と液体燃料を燃焼させる燃焼装置であって、燃料を燃焼させる燃焼炉と、前記燃焼炉に固体燃料を供給する固体燃料供給系統と、前記燃焼炉に液体燃料を供給する液体燃料供給系統と、前記燃焼炉に燃焼用気体を供給する燃焼用気体供給系統と、前記燃料供給系統と前記燃焼用気体供給系統が接続し前記燃焼炉の炉壁に設けられた前記固体燃料や液体燃料を燃焼させる複数のバーナと、前記燃焼炉で発生した燃焼排ガスから熱回収する熱交換器と、前記熱回収された燃焼排ガスを前記燃焼炉の外部へ供給する煙道とを有し、前記バーナの一つは、上記構成のバーナを用いたことを特徴とする。

本発明によれば、ファンスプレー式の噴霧ノズルであっても、粗大粒子の生成を抑制することができ、未燃焼分や煤塵、一酸化炭素を低減して燃焼効率の向上が図れる効果がある。

本発明の噴霧ノズルを用いたバーナの概略構成を示す断面図である。 本発明の噴霧ノズルを備えた燃焼装置の概略構成を示す図である。 本発明の噴霧ノズルの実施例１を示す噴霧ノズル先端部の断面図である。 図３のＡ−Ａ´線に沿う断面図である。 図３のＢ−Ｂ´線に沿う断面図である。 本発明の噴霧ノズルの実施例１に係る噴霧ノズル先端部と対比する従来構造の噴霧ノズル先端部の断面図である。 本発明の噴霧ノズルの実施例１に係る噴霧ノズル先端部と対比する従来構造の噴霧ノズル先端部の断面図である。 本発明の噴霧ノズルの実施例２を示し、図４に相当する図である。 本発明の噴霧ノズルの実施例３を示し、図４に相当する図である。 本発明の噴霧ノズルの実施例４を示し、図３に相当する図である。 本発明の噴霧ノズルの実施例４を示し、図４に相当する図である。 本発明の噴霧ノズルの実施例４を示し、図５に相当する図である。

以下、図示した実施例に基づいて本発明の噴霧ノズル及びそれを備えたバーナ並びに燃焼装置を説明する。尚、各実施例において、同一部品には同一符号を使用する。

図１に本発明の噴霧ノズルを備えたバーナの一例を、図２にそのバーナを備えた燃焼装置の一例をそれぞれ示す。

図１に示す如く、本実施例のバーナ２０は、その中心に噴霧ノズル１と噴霧流体（液体燃料）及び噴霧用媒体（蒸気又は圧縮空気等）が流れる中心軸２１を有し、この中心軸２１の先端近くには、火炎安定用の障害物２２を備えている。そして、噴霧ノズル１からは、燃料が噴射されて扇型の噴霧２３が形成される。尚、障害物２２としては、旋回流発生器やスリットを有する邪魔板などが一般的である。

一方、燃焼用空気は、ウインドボックス２４から３つの流路に分かれて供給される。即ち、３つの流路とは、バーナ２０の中心の噴霧ノズル１に近い方から１次流路２５、２次流路２６、３次流路２７であり、この１次流路２５、２次流路２６、３次流路２７から、それぞれ１次空気２８、２次空気２９、３次空気３０が燃焼用空気として、火炉３１内に噴出するものである。

また、燃焼用空気は、旋回流発生器３２、３３やガイド板３４により燃焼用空気の噴出方向が変えられて、煤塵やＮＯｘの発生が抑制されている。尚、燃焼用空気は、流路にそれぞれ設けられたダンパ（図示せず）にて、その流量が制御されている。

更に、バーナ２０は火炉壁３５に接続されており、火炉壁３５には伝熱管３６を設けて熱回収が行われている。このバーナ２０は、図２に示すように、火炉壁３５に複数個（図２では２箇所）設置され、それぞれのバーナ２０には、燃焼用空気供給系統４１と液体燃料供給系統４２及び噴霧用媒体供給系統４３が接続されている。

本実施例では、燃焼用空気供給系統４１は、バーナ２０に接続する配管４５と、その下流側の空気供給口４４に接続する配管４６に分岐しており、各々の配管４５、４６には、流量調節弁（図示せず）が接続されている。また、液体燃料供給系統４２と噴霧用媒体供給系統４３は、それぞれの上流側に圧力や流量を調整する供給器（図示せず）が接続され、その下流端には、噴霧ノズル１が設置されている。

また、空気供給口４４からの燃焼用空気と混合した燃焼ガス４７は、火炉３１の上部の熱交換器４８を介して煙道４９を通り、煙突５０から大気に放出される。

そして、本実施例では、噴霧ノズル１が、噴霧流体を噴出させる出口孔の周囲壁面に、噴霧流体の噴出方向に向って断面積が広がる拡管部分と、噴霧流体の噴出方向に向って断面積が狭まる縮管部分とが交互に形成されていることを特徴としている。

以下、図３乃至図５を用いて、本実施例の噴霧ノズル１について説明する。

図３に示すように、本実施例での噴霧流体２と噴霧用媒体３は、噴霧ノズル１を構成する独立した噴霧流体流路４、５と噴霧用媒体流路６、７を通り、噴霧流体流路４、５の途中で混合される。この噴霧流体２と噴霧用媒体３の混合流体８は、噴霧流体２と噴霧用媒体３の流路が合流する部分（第１の合流部）から、互いに対向して形成される混合流体流路９、１０を流れる混合流体８が合流する部分（第２の合流部）にある出口孔１１の間の混合流体流路９、１０に設けられた屈曲部１３、１４を経由して、互いに対向して流れる混合流体流路９、１０を通り、噴霧ノズル１の出口孔１１近傍にて衝突して、出口孔１１から噴出する。

より具体的には、図３に示すように、噴霧ノズル１の先端部において、噴霧流体２は噴霧流体流路４、５を流れる。一方、噴霧用媒体３は噴霧用媒体流路６、７を流れ、出口孔１１の上流側でそれぞれ噴霧流体流路４、５と接続している。このとき、噴霧流体２と噴霧用媒体３とが混合するように、噴霧用媒体流路６、７は、噴霧流体流路４、５に対し傾きを持って接続している。

噴霧流体２と噴霧用媒体３の混合流体８は、混合流体流路９、１０を通り、出口孔１１から噴出される。このとき、混合流体流路９、１０は、出口孔１１の内部（上流）側で対向流路を形成し、混合流体８の流れが衝突して出口孔１１から噴霧される。

このため、出口孔１１から噴出する混合流体８は、混合流体流路９、１０の流れ方向（混合流体流路９、１０が延びる／存在する方向）に対し、直角方向に扇型の噴霧が形成される。

噴霧ノズル１の先端部の外面には、扇型噴霧の形成方向と同じ方向に溝部１２が形成されており、この溝部１２に出口孔１１を底面とする開口部が形成されている。

噴霧流体２は噴霧用媒体３との流路内での混合により微細化する他、出口孔１１の近傍にて混合流体８の衝突力により薄い液膜を形成し、噴出後に周囲の気体とのせん断力により分裂し、所謂ファンスプレー式の噴霧により微粒化する。

このファンスプレー式の噴霧では、出口孔１１において混合流体８が衝突し、直角方向に拡がることで、噴霧の運動量は低下する。特に、噴霧の外周部分では噴霧の運動量は低く、微粒子（直径１００μｍ未満）が多くなる。運動量が低いため微粒子は、噴霧ノズル１の近傍に留まりやすくなる。直径で１００μｍ未満、できれば５０μｍ以下に微粒化させた微粒子は、体積に占める表面積が大きく、炉内からの熱放射により昇温して燃焼し易い。

このため、これらの微粒子を噴霧ノズル１の近傍に滞留させることで、噴霧の着火が早まり、火炎の安定化や燃焼反応の促進に寄与する。

なお、微粒化の程度は、混合流体８の圧力や噴霧用媒体量（噴霧流体２に対する噴霧用媒体３の割合）により調整することができる。

また、ファンスプレー式の噴霧では、噴霧の中央部分は外周部分に比べて噴霧量が多く、運動量が高く、大粒子（直径１００〜３００μｍ）が多い。運動量が高く、粒子径が比較的大きいため、噴霧は、噴霧ノズル１の周囲の気体の影響を微粒子よりも受けにくい。

このため、噴霧は、通常１ｍ以上離れた位置まで到達し、噴霧ノズル１から離れた位置から供給される燃焼用空気との混合が容易である。燃焼用空気と混合することで、燃焼反応が進み、未燃焼分や煤塵或いは一酸化炭素の発生を抑制できる。

火炎の安定性と未燃焼分や煤塵、窒素酸化物の低減には、上述のように、噴霧の一部を微粒子として噴霧ノズル１の近傍に滞留させ、他の粒子は運動量の大きい大粒子として、燃焼用空気との混合を促進させることが望ましい。

このようにファンスプレー式の噴霧では、噴霧の一部を微粒子として噴霧ノズル１の近傍に滞留させ、また、他の粒子は運動量の大きい大粒子として、燃焼用空気との混合を促進させることがある程度可能である。しかし、扇型噴霧の場合は、噴霧角度が広く、噴霧ノズル１を構成する部材や周囲に設置されている火炎安定用の障害物に微粒子が接触し、合体粒子となった粗大粒子が飛散する可能性がある。

また、粒子径が３００μm以上の粗大粒子は、体積に占める表面積が小さく、炉内からの熱放射により昇温しにくく、燃焼反応も微粒子や大粒子に比べて遅い。

このため、粗大粒子の生成は、未燃焼分や煤塵の発生源となりやすいので、噴霧においては粗大粒子を低減する必要がある。

本実施例では、図３及び図４に示すように、噴霧ノズル１の先端部の外面に形成される溝部１２の周囲断面の長辺部分１５、１６及び短辺部分１７、１８を、噴霧の広がり方向にあわせて傾けたものである。

特に、溝部１２の長辺部分１５、１６を、その周囲断面が噴出方向に対して断面積が拡がる拡管構造とすると共に、溝部１２の短辺部分１７、１８を、その周囲断面が噴出方向に対して断面積が狭まる縮管構造とし、この拡管構造と縮管構造を交互に形成している。

溝部１２の長辺部分１５、１６は、混合流体８による扇型噴霧の拡散方向と直交する方向に面しており、この部分では、混合流体８は噴霧が拡がらずに周囲断面と平行に噴出する。溝部１２の長辺部分１５、１６を、噴出方向に対して断面積が拡がる拡管構造とすると、周囲断面に対して平行に噴出する噴霧粒子の付着を抑制できる。

また、溝部１２の短辺部分１７、１８は、混合流体８による扇型噴霧の拡散方向に位置しており、周囲断面に向かって噴霧粒子が噴出するため、噴霧粒子が付着し易い。溝部１２の短辺部分１７、１８を噴出方向に対して断面積が狭まる縮管構造とすると、周囲断面に向かって噴出する噴霧粒子が付着し、液膜となるが、この液膜は、縮管部分において、図４に示す如く、出口孔１１の方向に向かう流れ１９となる。液膜が出口孔１１の方向に向かうことで、周囲断面の先端部２０では、液膜の流れ１９は、周囲断面に向かって噴出する噴霧の流れ２１と交差する流れとなるので、互いに衝突し、微粒化した液滴となり放出される。

一方、本実施例と従来構造を対比させるため、溝部１２の長辺部分１５、１６、短辺部分１７、１８の周囲断面を全て拡管構造、または縮管構造とした場合について以下に示す。

例えば、溝部１２の長辺部分１５、１６、短辺部分１７、１８の周囲断面を、全て拡管構造とした場合について説明する。

図６に、図４に示す本実施例の構造に対し、溝部１２の短辺部分１７、１８を拡管構造に変更した場合を示す。

この例の場合、拡管部分に付着した液膜は、周囲断面の先端部２０に向かう流れ１９となる。周囲断面の先端部２０では、液膜は分離し液滴となるが、この際、混合流体８の噴霧の流れ２１に対し、液膜の流れ１９の交差角は小さく、平行に近い流れとなる。このため、図４に示す本実施例に比べて衝突力が弱く、粗大粒子として放出されてしまう。

また、溝部１２の長辺部分１５、１６、短辺部分１７、１８の周囲断面を、全て縮管構造とした場合について説明する。

図７に、図３に示す本実施例の構造に対し、溝部１２の長辺部分１５、１６を縮管構造に変更した場合を示す。

この例の場合、混合流体８の噴霧の流れ２１に対し、溝部１２の長辺部分１５、１６が交差するため、溝部１２の長辺部分１５、１６に付着する液膜が、図３に示す本実施例に比べて増える。また、付着した液膜の流れ１９は、混合流体８の噴霧の流れ２１に対して交差するものの、噴霧の流れ２１が溝部１２の長辺部分１５、１６では拡散し難いため、交差角は図４に示す溝部１２の短辺部分１７、１８に比べて小さい。このため、衝突力が弱く、粗大粒子として放出されてしまう。

しかし、上述した本実施例のように、扇型噴霧による拡散方向に合せて外面の溝部１２の長辺部分１５、１６、短辺部分１７、１８の周囲断面の構造を規定することで、粗大粒子の生成を抑制することができる。

このように、本実施例によれば、ファンスプレー式の噴霧ノズル１において、出口孔１１から扇状に噴霧が形成する際、噴霧ノズル１を構成する部材に噴霧粒子が付着し、これが再分離することで生成する粗大粒子を抑制することができる。

即ち、出口孔１１を形成する外面の溝部１２のうち、長辺部分１５、１６は扇型噴霧の拡散方向と直交しており、噴霧が拡がり難い。この長辺部分１５、１６の周囲断面を噴出方向に対して断面積が拡がる拡管構造とすると、周囲断面に対して平行に噴出する噴霧粒子の付着を抑制できる。

一方、出口孔１１を形成する外面の溝部１２のうち、短辺部分１７、１８は扇型噴霧の拡散方向に位置しており、周囲断面に噴霧が付着し易い。この短辺部分１７、１８の周囲断面を噴出方向に対して断面積が狭まる縮管構造とすると、周囲断面に向かって噴出する噴霧粒子が付着し、液膜となるが、この液膜は縮管部分において出口孔１１の方向に向かう流れとなる。液膜が出口孔１１の方向に向かうことで周囲断面の端部では、液膜に周囲断面に向かって噴出する噴霧粒子や気体の流れによるせん断力が作用し、微粒化した液滴となり放出される。

従って、ファンスプレー式の噴霧ノズルであっても、粗大粒子の生成を抑制することができ、未燃焼分や煤塵、一酸化炭素を低減して燃焼効率の向上が図れる噴霧ノズル１を得ることができる。

図４に示す実施例１では、溝部１２の短辺部分１７、１８に、その断面が噴出方向に向って断面積が一様に変わる縮管構造としたが、図８に示すように、溝部１２の短辺部分１７、１８に、その断面が噴出方向に向って断面積が段階的に変わる段差が形成される鋸状の構成にしてもよい。

この実施例の場合、付着した液膜は、鋸状の先端部分において周囲断面に向かって噴出する噴霧の流れ２１と交差する流れとなるので、互いに衝突し、微粒化した液滴となり放出されるので、上述した実施例１と同様な効果が得られる。

更に、溝部１２の短辺部分１７、１８を鋸状とすることで、各平面の面積が小さくなり、分離する部分が増えるので微粒化が進む効果がある。

また、図９に示すように、溝部１２の短辺部分１７、１８の先端部２０に、噴出方向に向って断面積が狭まる突起（凸部）２０Ａを設けても良い。

この実施例の場合も、短辺部分１７、１８に付着した液膜は、突起（凸部）２０Ａの先端部において、周囲断面に向かって噴出する噴霧の流れ２１と交差する流れとなるので、互いに衝突し、微粒化した液滴となり放出されるので、上述した実施例１と同様な効果が得られる。

なお、上述した実施例１乃至３では、噴霧ノズル１の出口孔１１が１つの場合を例に説明したが、出口孔１１が複数の場合も、上述の構造や効果が成立することは言うまでもない。

このように、各実施例の噴霧ノズル１では、粗大粒子の生成を抑制することで噴霧粒子の粒子径は小さくなる。この微粒化により、液体燃料の単位重量当たりの表面積が増加するので燃焼反応が進み、燃焼装置出口での未燃焼分や煤塵、一酸化炭素が低減し、燃焼効率を高くできる。また、燃焼反応を早く進めることで、酸素の消費が進み、窒素酸化物の発生を抑えることができる。更に、未燃焼分や煤塵、一酸化炭素が低減することで、燃焼装置に投入する余剰な空気を削減できる。また、余剰な空気が減ると、燃焼排ガス量も低下し、燃焼排ガスとともに燃焼装置外に放出される顕熱を低下させ、熱効率を高めることができる。

噴霧用媒体の使用量の抑制や圧力の低減により、各々の供給や加圧力に使用なエネルギー消費量を低減できる。また、噴霧用媒体として蒸気を用いる場合、燃焼装置内に投入された蒸気による燃焼装置での熱効率が低下するが、上述した各実施例の噴霧ノズル１を用いると、蒸気の使用量を減らしても微粒化を従来と同等に維持できるため、熱効率の低下を防ぐことができる。

また、上述した各実施例では、燃焼装置として液体燃料を使用する場合を示したが、主燃料として微粉炭等の固体燃料を使用し、補助燃料として液体燃料を使用する場合にも適用可能である。この場合、噴霧ノズル１から液体燃料を火炉３１内に噴霧する場合に、上記の効果が得られる。

また、図２に示す燃焼装置の例では、燃焼用空気を配管４５及び４６に分岐する例を示したが、燃焼用空気を分岐せず、バーナ２０からのみ燃焼用空気を供給する場合も、本実施例の噴霧ノズル１を適用することができる。また、図１及び図２では、バーナ２０を火炉３１の１つの壁面に設けた場合を示すが、複数の壁面に設けた場合や壁面の角部に設けた場合にも適用できることは勿論である。

図１０乃至図１２に、本発明の噴霧ノズル１の実施例４を示す。

該図に示す実施例４と実施例１との違いは、出口孔１１の上流側の流路構造である。このため、本実施例では、流路構造に関する部分のみを、以下説明する。

本実施例の噴霧ノズル１は、噴霧流体２の圧力で微粒化する圧力噴霧方式である。図１０に示す如く、噴霧流体流路４、５は、出口孔１１の近傍で対向流路を形成し、噴霧流体２の流れが衝突し出口孔１１から噴霧される。このため、出口孔１１から噴出する噴霧流体２は、噴霧流体流路４、５の流れ方向（混合流体流路４、５が延びる／存在する方向）に対し直角方向に扇型の噴霧を形成する。

噴霧ノズル１の先端部の外面には、扇型噴霧の形成方向と同じ方向に溝部１２が形成され、この溝部１２に出口孔１１を底面とする開口部が形成されている。噴霧流体は、出口孔１１の近傍にて噴霧流体２の衝突力により薄い液膜を形成し、噴出後に周囲の気体とのせん断力により分裂し、微粒化する。

本実施例では、図１０乃至図１２に示すように、噴霧ノズル１の先端部の外面に形成される溝部１２の周囲断面の長辺部分１５、１６及び短辺部分１７、１８を、噴霧の広がり方向にあわせて傾けたものである。

特に、溝部１２の長辺部分１５、１６を、その周囲断面が噴出方向に対して断面積が拡がる拡管構造とすると共に、溝部１２の短辺部分１７、１８を、その周囲断面が噴出方向に対して断面積が狭まる縮管構造とし、この拡管構造と縮管構造を交互に形成している。

溝部１２の長辺部分１５、１６は、噴霧流体２による扇型噴霧の拡散方向と直交する方向に面しており、この部分の噴霧流体２は、噴霧が拡がらずに周囲断面と平行に噴出する。溝部１２の長辺部分１５、１６を噴出方向に対して断面積が拡がる拡管構造とすると、周囲断面に対して平行に噴出する噴霧粒子の付着を抑制できる。

一方、溝部１２の短辺部分１７、１８は、噴霧流体２による扇型噴霧の拡散方向に位置しており、周囲断面に向かって噴霧粒子が噴出するため、噴霧粒子が付着し易い。溝部１２の短辺部分１７、１８を噴出方向に対して断面積が狭まる縮管構造とすると、周囲断面に向かって噴出する噴霧粒子が付着し、液膜となるが、この液膜は縮管部分において、出口孔１１の方向に向かう流れ１９となる。液膜が出口孔１１の方向に向かうことで、周囲断面の先端部２０では、液膜の流れ１９は、周囲断面に向かって噴出する噴霧の流れ２１と交差する流れとなるので、互いに衝突し、微粒化した液滴となり放出される。

上述のように、扇型噴霧による拡散方向に合せて外面の溝部１２の周囲断面の構造を規定することで、粗大粒子の生成を抑制することができる。

なお、本実施例での溝部１２の短辺部分１７、１８では縮管構造としたが、この短辺部分１７、１８は、図８に示す実施例２のように、その断面が噴出方向に向って断面積が段階的に変わる段差が形成される鋸状の構成にしてもよいし、図９に示す実施例３のように、その先端部２０に、噴出方向に向って断面積が狭まる突起（凸部）２０Ａを設けても良い。

更に、上述の説明では、噴霧ノズル１の出口孔１１が１つの場合を例に説明したが、出口孔１１が複数の場合も、上述の構造や効果が成立することは言うまでもない。

このような本実施例の噴霧ノズル１では、粗大粒子の生成を抑制することで噴霧粒子の粒子径は小さくなる。この微粒化により、液体燃料の単位重量当たりの表面積が増加するので、燃焼反応が進み、燃焼装置出口での未燃焼分や煤塵、一酸化炭素が低減し、燃焼効率を高くできる。

また、燃焼反応を早く進めることで、酸素の消費が進み、窒素酸化物の発生を抑えることができる。更に、未燃焼分や煤塵、一酸化炭素が低減することで、燃焼装置に投入する余剰な空気を削減できる。この余剰な空気が減ると、燃焼排ガス量も低下し、燃焼排ガスとともに燃焼装置外に放出される顕熱を低下させ，熱効率を高めることができる。

また、本実施例では、噴霧用媒体を使用しないことで、噴霧用媒体の供給に必要なエネルギー消費量を削減できるし、微粒化により噴霧流体の圧力を低減できる。

更に、本実施例では、燃焼装置として液体燃料を使用する場合を示したが、主燃料として微粉炭等の固体燃料を使用し、補助燃料として液体燃料を使用する場合も適用可能である。この場合は、噴霧ノズル１から液体燃料を火炉３１内に噴霧する場合に、上記の効果が得られる。

また、上述した実施例の燃焼装置として、固体燃料と液体燃料を燃焼させるものについて説明したが、固体燃料と液体燃料に変えて、化石燃料を燃焼させる燃焼装置にも適用できることは、勿論である。

尚、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成を置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１…噴霧ノズル、２…噴霧流体、３…噴霧用媒体、４、５…噴霧流体流路、６、７…噴霧用媒体流路、８…混合流体、９、１０…混合流体流路、１１…出口孔、１２…溝部、１３、１４…屈曲部、１５、１６…溝部の長辺部分、１７、１８…溝部の短辺部分、１９…液膜の流れ、２０…溝部の周囲断面の先端部、２０Ａ…溝部の短辺部分先端部の突起、２１…噴霧の流れ、２０…バーナ、２１…中心軸、２２…障害物、２３…噴霧、２４…ウインドボックス、２５…１次流路、２６…２次流路、２７…３次流路、２８…１次空気、２９…２次空気、３０…３次空気、３１…火炉、３２、３３…旋回流発生器、３４…ガイド板、３５…火炉壁、３６…伝熱管、４１…燃焼用空気供給系統、４２…液体燃料供給系統、４３…噴霧用媒体供給系統、４４…空気供給口、４５、４６…配管、４７…燃焼ガス、４８…熱交換器、４９…煙道、５０…煙突。

Claims (11)

1. 噴霧流体が流れる少なくとも２つの噴霧流体流路が互いに対向して形成され、それぞれの前記噴霧流体流路を流れる噴霧流体が衝突して合流した合流部から前記噴霧流体を噴出させる出口孔を備え、
   前記出口孔は噴霧ノズルの外面に形成された溝部と接続し、前記溝部の周囲壁面は、前記噴霧流体の噴出方向に向って断面積が広がる拡管部分と、前記噴霧流体の噴出方向に向って断面積が狭まる縮管部分とが交互に形成されていることを特徴とする噴霧ノズル。
2. 噴霧流体が流れる少なくとも２つの噴霧流体流路と、噴霧用媒体が流れ、それぞれの前記噴霧流体流路と第１の合流部で合流する少なくとも２つの噴霧用媒体流路と、それぞれの前記第１の合流部で合流した前記噴霧流体と噴霧用媒体の混合流体が流れると共に、互いに対向して形成され、前記混合流体が合流する第２の合流部を有する少なくとも２つの混合流体流路と、前記第２の合流部で合流した前記混合流体を噴出させる出口孔とを備え、
   前記出口孔は噴霧ノズルの外面に形成された溝部と接続し、前記溝部の周囲壁面は、前記混合流体の噴出方向に向って断面積が広がる拡管部分と、前記混合流体の噴出方向に向って断面積が狭まる縮管部分とが交互に形成されていることを特徴とする噴霧ノズル。
3. 請求項１又は２に記載の噴霧ノズルにおいて、
   前記噴霧流体流路又は前記混合流体流路と直角方向に、前記出口孔を底面とする溝部が形成され、該溝部は長辺部分と短辺部分とから成ることを特徴とする噴霧ノズル。
4. 請求項３に記載の噴霧ノズルにおいて、
   前記長辺部分は、その周囲断面が前記噴霧流体又は混合流体の噴出方向に対して断面積が拡がる拡管構造であり、前記短辺部分は、その周囲断面が前記噴霧流体又は混合流体の噴出方向に対して断面積が狭まる縮管構造であることを特徴とする噴霧ノズル。
5. 請求項４に記載の噴霧ノズルにおいて、
   前記長辺部分は、前記噴霧流体又は混合流体による噴霧の拡散方向と直交する方向に位置すると共に、前記短辺部分は、前記噴霧流体又は混合流体による噴霧の拡散方向に位置していることを特徴とする噴霧ノズル。
6. 請求項３に記載の噴霧ノズルにおいて、
   前記溝部の短辺部分には、その断面が前記噴霧流体又は混合流体の噴出方向に向って断面積が段階的に変わる段差が形成されていることを特徴とする噴霧ノズル。
7. 請求項３に記載の噴霧ノズルにおいて、
   前記溝部の短辺部分の先端には、前記噴霧流体又は混合流体の噴出方向に向って断面積が狭まる突起が形成されていることを特徴とする噴霧ノズル。
8. 液体燃料を燃料として利用するバーナであって、
   請求項１乃至７のいずれか１項に記載の噴霧ノズルを用い、前記液体燃料を前記噴霧流体として前記噴霧ノズルの先端部に供給することを特徴とするバーナ。
9. 固体燃料とその搬送気体を噴出する燃料ノズルと、液体燃料を噴霧する噴霧ノズルと、前記固体燃料や液体燃料を燃焼させる燃焼用気体を噴出する燃焼用気体ノズルを有するバーナであり、
   前記噴霧ノズルとして、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の噴霧ノズルを用い、前記液体燃料を前記噴霧流体として前記噴霧ノズルの先端部に供給することを特徴とするバーナ。
10. 固体燃料と液体燃料を燃焼させる燃焼装置であって、
    燃料を燃焼させる燃焼炉と、前記燃焼炉に固体燃料を供給する固体燃料供給系統と、前記燃焼炉に液体燃料を供給する液体燃料供給系統と、前記燃焼炉に燃焼用気体を供給する燃焼用気体供給系統と、前記燃料供給系統と前記燃焼用気体供給系統が接続し前記燃焼炉の炉壁に設けられた前記固体燃料や液体燃料を燃焼させる複数のバーナと、前記燃焼炉で発生した燃焼排ガスから熱回収する熱交換器と、前記熱回収された燃焼排ガスを前記燃焼炉の外部へ供給する煙道とを有し、
    前記バーナの１つは、請求項８又９に記載のバーナを用いたことを特徴とする燃焼装置。
11. 化石燃料を燃焼させる燃焼装置であって、
    化石燃料を燃焼させる燃焼炉と、前記燃焼炉に化石燃料を供給する燃料供給系統と、前記燃焼炉に燃焼用気体を供給する燃焼用気体供給系統と、前記燃料供給系統と前記燃焼用気体供給系統が接続し前記燃焼炉の炉壁に設けられた化石燃料を燃焼させるバーナと、前記燃焼炉で発生した燃焼排ガスから熱回収する熱交換器と、前記熱回収された燃焼排ガスを前記燃焼炉の外部へ供給する煙道とを有し、
    前記バーナとして、液体燃料を用いた請求項８に記載のバーナを用いたことを特徴とする燃焼装置。

Images