JP4973841B2 - 二流体噴射ノズル - Google Patents

Description

本発明は、廃棄物焼却炉等の排ガス減温装置に使用するのに適した空気もしくは蒸気と水の二流体噴射ノズルに関するものである。

一般に、ごみ焼却炉やその他燃焼炉から排出される排ガスを処理する際には、含有するダストや有害ガスを処理するため所要の温度まで低下させるのに、減温装置（減温塔）が用いられている。この高温の排ガスが送り込まれる減温塔においては、塔内でのガス流れの偏流を抑制するため、減温塔の中心に排ガス入口が配置される。また効率的な減温を行うため壁付近に複数個の噴射ノズルを配置する多段水噴射方式もあるが、小規模の減温塔ではガス流れの中心部に１個の水噴射ノズルを設ける事例も多く見受けられる。この場合減温用の水噴射ノズル５１は、例えば図６に減温塔の模式図で示すように、減温塔５０の側面から挿入して、排ガスの流れの下流側に向けて冷却水を噴射し、ガス温度を低減するようにされている。

ここで用いられる水噴射ノズル５１は、排ガスが高温で多量のダストと腐食性ガスを伴うため、水噴射部は空気パージを行う保護管５２内に設けられている。そして、そのノズルの形式としては、内部混合型と呼ばれる形式のものが多く採用されている。この内部混合型ノズルは、ノズル内部で噴射水と圧縮空気などの噴霧媒体との二相流状態にされ、内部で混合して先端の多孔ノズルから噴射し微粒化するものである。このような水噴射ノズルの一例として特許文献１で知られるものがある。

前述のような水噴射ノズルでは、先端に複数個のノズルを有し、内部で二流体の激しい混合とノズルからの高速噴射により微粒化を行うが、ノズル形状は円柱状（オリフィス形状）であり、噴射した二流体は大きく拡がり、その噴射流域の外周部が接する外部のガス（空気）との衝突により失速し、また微粒化した粒子が結合して粒子径が大きくなる傾向がある。そのために、減温塔内での排ガスと噴射した微粒子との接触効果が低下する塔内壁面に水滴が付着して排ガス中に含まれる固形物を吸着し、壁面に堆積成長させるという一因となっている。

本出願人は、前記の噴射微粒子の拡散による失速や微粒子同士の結合により粒子径が大きくなる現象を低減することを目的として、特許文献２によって知られるラバルノズル構造の超音速ノズルに改良を加えて、噴射二流体の拡がりを抑制する機能を備えた二流体噴射ノズルを先願発明（特願２００５−３１９５１７）により提案している。

特開２００３−２２０３５４号公報 特開２００６−１１０４２８号公報

前記先願発明に係る二流体噴射ノズルでは、二流体の混合微粒化と同時に噴射直進性を与えて、噴射微粒子の失速や微粒子同士の結合による粒子径の増大化が低減され、噴射二流体の断面上での粒子径の差が少ない特徴があることから、バーナ用ノズルとして使用可能で、ガス燃焼に似た火炎形状となることを確認している。そこで、この効果を利用することで排ガス減温装置用の水噴射ノズルとしても利用できるものとして検証した。しかしながら、前記先願発明の二流体噴射ノズルでは、排ガスの減温塔に設置する場合、その二流体噴射はノズルの挿入方向のみとなるため、これを小型の減温塔に１本のみ設置するということは実用上困難なものであることが判った。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、噴射二流体の噴射拡散性を抑制して微粒子化を良好に維持し、噴射二流体の噴射方向を合目的に設定できる構成とした二流体噴射ノズルを提供することを目的とするものである。

前記目的を達成するために、本発明の二流体噴射ノズルは、
排ガスの減温設備に使用される気体と水の二流体を噴射する二流体噴射ノズルであって、給水路および給気路に直結する第１ラバルノズル部のディフューザがチャンバーに接続され、そのチャンバーに前記第１ラバルノズル部の軸線と交差する向きで第２ラバルノズル部が接続され、この第２ラバルノズル部のディフューザ出口から微粒噴射させる構成であることを特徴とするものである（第１発明）。

前記発明において、前記第２ラバルノズル部のディフューザ出口前方位置に、そのディフューザ出口より大きい径の噴出口が設けられ、この噴出口周囲に軸線に沿い縦長の空気吸込み孔が複数個配設されている構成であるのがよい（第２発明）。

前記第１発明または第２発明において、前記チャンバーは形状を円柱状に形成され、第１ラバルノズルとの連結部と反対側の端面を球面に形成されているのがよい（第３発明）。また、前記チャンバーは形状を球形に形成されているのがよい（第４発明）。さらに、前記チャンバーはその一部を取り外し可能な構造とされているのがよい（第５発明）。

前記第１〜５発明において、第１ラバルノズル部およびチャンバー部は、一体のブロック形状の部材内部に形成され、第２ラバルノズル部が前記チャンバーに対して外部から接続される構成であるのがよい（第６発明）。

本発明においては、噴射する二流体を第１ラバルノズル部で混合していったんチャンバーに送込み、このチャンバーに接続された第２ラバルノズルを通じて再び加圧混合させながら高速噴射するようにされるので、その第２ラバルノズルが接続されるチャンバーで方向変換させることにより、排ガスの減温設備（減温塔）に使用した場合、外部から挿入して排ガスの流動する方向に向けて有効に水噴射することができるのである。

そして、本発明によれば、圧損失の少ないラバルノズルの特性を活用して、かつチャンバーを介して直列に配設することにより、任意の方向に超音速で噴射させることができるから、従来の噴射ノズルのように微粒化された水が噴射と同時に失速する、あるいは粒子同士が結合して大きな水滴となる現象を起こさせることなく噴射できる。また、流体噴射域外周部での粒度が細かい噴射を行うことができるので、排ガスの冷却効果が高められ、また減温塔壁面へのダスト付着のトラブルを防止できるという効果を奏するのである。

前記第２発明の構成を採用することにより、超音速で噴射される二流体に空気吸込み孔から外部の気体を吸込ませ、微粒化された二流体の拡散を抑えて粒子径の偏りのない噴射を行わせることができる。また、第３発明の構成を採用することにより、第１ラバルノズルから第２ラバルノズルへの二流体の流動に伴う圧損失を少なくすることができる。さらに、第４発明の構成を採用することにより、第２ラバルノズルの装着の方向性を任意の設定して円滑な流動と噴射を行わせることができる。

また、前記第５発明の構成を採用することにより、ラバルノズルの製作に際して加工を容易にし、コストダウンを図ることができる。しかも第１ラバルノズルおよびチャンバーのメンテナンスが容易になるという利点がある。また、第６発明によれば、全体を一体化することで工作性を容易化することのほか、第２ラバルノズルについて異なる寸法のものと交換して噴射流量を調整することができるという利点がある。

次に、本発明による二流体噴射ノズルの具体的な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。

図１には本発明に係る二流体噴射ノズルの一実施形態を表わす一部を断面にした全体外形図が示されている。図２には二流体噴射ノズルの要部拡大断面図が示されている。

本実施形態の二流体噴射ノズル１は、同軸心で組み合わされた二重管構造の流体供給管２の先端部に取付けられ、ブロック形状のノズルヘッド２０の内部に、その長軸方向に第１ラバルノズル部２５とチャンバー３０とが形成され、前記チャンバー３０に別途部材にてなる第２ラバルノズル部４０が軸線を交差させて取付けられた構造のものである。

前記流体供給管２は、所要長さ寸法の外管２ａ（本発明の給気路に対応）および内管２ｂ（本発明の給水路に対応）が同軸心に保たれて、さらにその軸心に流量制御のためのニードル弁棒１１が貫通挿入されている。内管２ｂは、外管２ａの後端より長く突き出され、その後端部に取付けられた水供給口４を備える流体導入金具３に、弁開度調節用の雌ねじ部３ａが設けられ、前記ニードル弁棒１１の後端に設けられている雄ねじ部１１ａを前記雌ねじ部３ａに螺合させ、軸端の角軸部１１ｂに図示されないハンドルを装着して雄ねじ部１１ａを回転させることによりニードル弁棒１１を進退させ、後述する弁座１２と弁棒先端の弁体１３とにより弁開度が調整できるようにされている。外管２ａは、後端部２ａ′に螺合する接続金具５によって前記内管２ｂと同心に維持できるように保持され、途中に設けられた気体供給口７に繋がる気体導入接続管７ａにより圧縮空気（または蒸気）が供給されるようになっている。前記接続金具５は、内管２ｂとも螺合して、この内管２ｂを軸方向に出入り調整ができるようにされている。図中符号８はロックナット、９は取付座板である。

一方、ノズルヘッド２０は、適宜長さの直方体で、一端部に前記流体供給管２の外管２ａ先端部が螺合定着され、その流体供給管２の軸心線の延長上で、ノズルヘッド２０の内部に第１ラバルノズル部２５とチャンバー３０とが形成されている。

前記ノズルヘッド２０の内部における前記流体供給管接続部２１は、図２に示されるように、前記外管２ａの螺合装着部分から前方へ所要寸法で内管２ｂが突き出され、その内管２ｂの先端部周囲に気体流動空間部２２が形成される構造になっている。そして、前記内管２ｂの先端部は、後述する第１ラバルノズル部２５の吸込み部２６と所要の間隔を保って対向位置させるため、外形を截頭円錐形にして中心の水噴出口１５内側に弁座１２が設けられ、前記ニードル弁棒１１先端の弁体１３により弁開度の調節ならびに弁の開閉ができるようにされている。

前記第１ラバルノズル部２５は、前記気体流動空間部２２に連接して軸心に向かって絞縮するラッパ形状の吸込み部２６から狭窄部分（スロート部２７）を経てディフューザ２８に通じる構造にされており、前記吸込み部２６に対峙する前記内管２ｂの先端の水噴出口１５が前記スロート部２７に対向する位置関係となるように関係付けられている。また前記ディフューザ２８の出口は、前方位置に設けられた所要容積のチャンバー３０に接続されている。

前記チャンバー３０は、その形状を円柱状にされ、軸線方向の両端面３１，３１′を球面状に形成されている。特に、前記第１ラバルノズル部２５との接続部と反対位置となる端面部３１は、ノズルヘッド２０の後端側に分離される蓋体２９の一部とされ、この蓋体２９はガスケット３３を介在させて四本のボルト３４によって取り外し可能に締結されている。このような構造とすることにより、チャンバー３０の内面および前記第１ラバルノズル部２５の要部を精密加工するのを容易なように構成されている。また、その蓋体２９を取り外すことによりメンテナンスも容易になる。

第２ラバルノズル部４０は、円柱状のノズル部材４１の内部に形成され、外部から前記ノズルヘッド２０の軸線に直交する向きで前記チャンバー３０と接続されるように基端の雄ねじ部４１ａをノズルヘッド２０に設けられた取付雌ねじ孔２３に螺合締着されている。この第２ラバルノズル部４０は、所要長さのノズル部材４１の軸心に基端側からラッパ状に絞縮形成された吸込み部４２・スロート部４３・ディフューザ４４および拡大径にされた噴出口４５が一軸上に形成されている。そして、前記噴出口４５の周囲には軸線方向に長孔に形成された外気吸込み孔４６（整流孔）が複数等分して配設されている。

このように構成された二流体噴射ノズル１は、図示省略するが、例えば減温塔の外部から塔内部に挿入して取付座板９にて壁体に流体供給管２を固定され、その外管２ａには接続管部７ａに圧縮空気供給配管を、また内管２ｂの接続管部６に水供給配管を、それぞれ接続して各流体を供給する。なお、使用に先立って各流体の供給量を設定しておく。圧縮空気の供給量は、内管２ｂを進退させて第１ラバルノズル部２５の吸込み部２６の周面と内管２ｂ先端との間隔を調整することで設定できる。この操作は接続金具５と螺合する内管２ｂを、その後端に取付く流体導入金具３を利用して回動させることにより、前記間隔調整ができる。なお、この圧縮空気量の設定は使用初期において行われる。また、水量の調整はニードル弁棒１１を回動操作して内管２ｂ先端部における弁座１２と弁体１３とによる弁開度を調整して行える。

流体供給管２により圧縮空気および圧力水が供給されると、送入される圧力水は内管２ｂ内を通じて先端の噴出口１５から第１ラバルノズル部２５に向かって噴出され、外管２ａ内を通じて送入される圧縮空気は気体流動空間部２２から吸込み部２６に向かって流動する。噴出された圧力水と圧縮空気とは、この吸込み部２６において激しく混合され、その前方位置の最も狭い流路であるスロート部２７にて圧縮されて高速度に加速され、ディフューザ２８を通過してチャンバー３０に送り出される。

こうして第１ラバルノズル部２５で気液混合された二流体は、チャンバー３０内で一旦圧力開放されるが、そのまま放出されることはなく後続する圧力流体により閉鎖状態にあるチャンバー３０と接続された第２ラバルノズル部４０の吸込み部４２からスロート部４３を通じて再び加圧されて音速以上の速度に加速され、ディフューザ４４から出口部４４′に繋がる噴出口４５で超高速になって噴射される。この出口部４４′では通過する二流体の混合気の噴射力により、噴出口４５の周囲に設けられた複数の吸込み孔４６から周囲の空気が吸引され、噴出する混合気の周囲を吸引した空気流が取巻いた状態で噴射される。その結果、この第２ラバルノズル部４０を備えるノズル部材４１の先端から噴射される混合気はノズル先端出口４５′での拡散を抑えられて直進性の高い噴射を行うことができるのである。

この実施形態の二流体噴射ノズル１は、二段のラバルノズル部２５，４０を途中にチャンバー３０を介在させて噴射方向を変換させることにより、減温塔内に配置して冷却水を排ガスに対して向流噴射させることができ、噴射する水の噴霧状態が直進性を有することから噴射によってその周囲の気流を伴走させて流動性を与えることができ、微粒化した粒子もその流動に際しての粒度差の少ない状態を維持させて、熱交換効果を高めることができる。

次に、図３にノズルヘッドの一部が異なる構造にした実施形態を表わす図が示されている。

この実施形態の二流体噴射ノズルは、基本構成において前記の実施形態のものと同様であり、ノズルヘッドにおけるチャンバーの構造とそれに関連して蓋体が異なる形状にされている。したがって、前記実施形態と同一もしくは同様の部分については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

この実施形態のノズルヘッド２０Ａではチャンバー３０Ａを球形状にされており、ノズルヘッド２０Ａの主体側に第２ラバルノズル部４０のノズル部材４１を第１ラバルノズル部２５の軸線に対し直交するようにして装着する関係上、チャンバー３０Ａの中心を斜め（ほぼ４５°）横断するようにして蓋体３５が形成されている。

このように構成される二流体噴射ノズルでは、第１ラバルノズル部２５を通過して混合加圧された二流体がチャンバー３０Ａ内に噴出されると、この球形をしたチャンバー内でさらに激しく混合され、接続される第２ラバルノズル部４０へ停滞することなく流動させることができる。なお、第２ラバルノズル部を経て噴出される混合気その噴射効果については、前記実施形態のものと同様である。

この実施形態のノズルヘッド２０Ａでは、ノズルヘッド主体と蓋体３５との接合部を斜めにすることで、チャンバーを球形状に加工することができ、併せてメンテナンスを容易にすることができる。しかも、チャンバーを球形状にすることで、図４に示されるように、分割されたチャンバー３０Ａの球形に対して蓋体３５側に第２ラバルノズル部４０を任意の角度に設けるようにすることで、噴射方向を任意角度に設定することができるのである。

本実施形態の噴射ノズルについて検証するために、本実施形態の二流体噴射ノズル（図中「新ノズル」と表示）と従来タイプの噴射ノズル（内部混合型噴霧ノズル）とを同一条件（給水量５０Ｌ／ｈｒ）で噴射した際のザウター平均粒径を測定した。その測定結果を図５のグラフに示す。

この比較テストによれば、従来形式の噴射ノズルでは、噴射断面の外周部にかけて急激に平均粒径が増大していた。これに対して本実施形態の噴射ノズルでは、従来形式のような傾向は見られず、噴射断面中の粒径はほぼ一定であった。この結果からみて、本実施形態の噴射ノズルが有効であることが証明された。

以上の説明においては、排ガスの減温塔に採用することについて記載しているが、これに限定されるものではなく、他の設備や機器に用いることも任意なし得る。

本発明に係る二流体噴射ノズルの一実施形態を表わす一部を断面にした全体外形図 二流体噴射ノズルの要部拡大断面図 ノズルヘッドの一部が異なる構造にした実施形態を表わす図 他の実施形態の噴射ノズル要部を表わす側面外形図 本実施形態と従来型との噴射ノズルによる噴射水の平均粒径を表わすグラフ 従来の減温塔を示す模式図

符号の説明

１ 二流体噴射ノズル
２ 流体供給管
２ａ 外管
２ｂ 内管
１５ 水噴出口
２０，２０Ａ ノズルヘッド
２２ 気体流動空間部
２５ 第１ラバルノズル部
２９ 蓋体
３０，３０Ａ チャンバー
４０ 第２ラバルノズル部
４５ 混合気の噴出口
４６ 外気吸込み孔

Claims (6)

1. 排ガスの減温設備に使用される気体と水の二流体を噴射する二流体噴射ノズルであって、給水路および給気路に直結する第１ラバルノズル部のディフューザがチャンバーに接続され、そのチャンバーに前記第１ラバルノズル部の軸線と交差する向きで第２ラバルノズル部が接続され、この第２ラバルノズル部のディフューザ出口から微粒噴射させる構成であることを特徴とする二流体噴射ノズル。
2. 前記第２ラバルノズル部のディフューザ出口前方位置に、そのディフューザ出口より大きい径の噴出口が設けられ、この噴出口周囲に軸線に沿い縦長の空気吸込み孔が複数個配設されている構成である請求項１に記載の二流体噴射ノズル。
3. 前記チャンバーは形状を円柱状に形成され、第１ラバルノズルとの連結部と反対側の端面を球面に形成されている請求項１または２に記載の二流体噴射ノズル。
4. 前記チャンバーは形状を球形に形成されている請求項１または２に記載の二流体噴射ノズル。
5. 前記チャンバーはその一部を取り外し可能な構造とされている請求項１〜４のいずれかに記載の二流体噴射ノズル。
6. 前記第１ラバルノズル部およびチャンバー部は、一体のブロック形状の部材内部に形成され、第２ラバルノズル部が前記チャンバーに対して外部から接続される構成である請求項１〜５のいずれかに記載の二流体噴射ノズル。

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