JPH045867Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本考案は二流体アトマイザに係り、特に燃料と
して微粒固体を液中に含有するスラリ燃料の高効
率・低公害燃焼を達成するのに好適な二流体アト
マイザに関するものである。

（従来の技術） 従来より重油焚ボイラにおいては、別々のノズ
ルから供給される燃料と微粒化媒体としての蒸気
または圧縮空気を混合した後に、火炉内へ噴射す
るいわゆる二流体アトマイザが使用されている。
しかし燃料として例えば高濃度石炭・水スラリ
（CWM）などのスラリ燃料を使用した場合には、
上記従来型二流体アトマイザの適用は困難であ
る。

高濃度石炭・水スラリ（CWM）は流体化した
燃料であり、従来の油と同じようにアトマイザを
用いて噴霧燃焼させることができるが、微粉炭と
比較した場合の問題点として着火性の悪さと未燃
分が増大してしまうことが知られている。着火性
に関しては、水の蒸発に熱が費やされるためであ
り、微粉炭と比較してかなり着火距離が長くな
る。未燃分の増加に関しては未解明な部分が少な
くないが、液滴内で微小な石炭粒子が凝集してい
るため微粉炭のように個々の微小粒子のまま燃え
切らないことと水分による燃焼温度の低下のため
であることは疑いない。さらに保炎性が悪く火炎
がリフトした状態では安定な還元ゾーンを形成し
にくく、NOxの発生を抑制するのがむずかしい
ともいわれており、しかも高温にならない。した
がつてCWMの燃焼効率を微粉炭並みまで上昇さ
せるにはどうしても噴霧性能に優れ、かつCWM
の燃焼に適したアトマイザを開発することが必要
である。

第１０図および第１１図は従来型の代表的な二
流体アトマイザの構造を示す軸方向断面図であ
る。すなわち、第１０図の装置は、内部混合式二
流体アトマイザと称されるもので、燃料２の供給
ノズル４と、微粒化媒体３の供給ノズル５と、こ
れらが合流する気液衝突孔６と、該気液衝突孔６
の下流側に設けられた内部混合室７と、該内部混
合室７からアトマイザチツプ本体１の火炉側表面
へ通じる噴出孔８とを有している。なお９はキヤ
ツプナツト、１０はインタミデイエイトプレート
である。また、第１１図の装置は、Ｙジエツト式
二流体アトマイザと通称される中間混合式のアト
マイザで、燃料２の供給ノズル１４と、微粒化媒
体３の供給ノズル１３と、これらが混合噴出され
る混合噴出孔１２とを有するアトマイザチツプ１
１からなるものである。これらのアトマイザはい
ずれも油焚きボイラにおいて多くの使用実績があ
るが、CWMではかなり大きな液滴が生じるた
め、このままの構造で適用することは困難であ
る。

（考案が解決しようとする問題点） すなわち上記従来型内部混合式二流体アトマイ
ザ（第１０図）は、第２Ｂ図に示すように、微粒
化現象を生じ、燃料の大半は混合室７の内壁に液
膜状に押しつけられており、この液膜１６が噴出
孔８において比較的粗い液滴からなる噴霧液滴群
１７ａ，１７ｂをつくり出す。このような大きな
液滴は着火ばかりか燃え切りも著しく遅れ、フラ
イアツシユ中の未燃分を増大させることになる。
未燃分が灰中に多く混入するとセメントや断熱材
としての灰の利用価値も低下するとともに、エア
ヒータに捕集されると火炎が生じる危険が高くな
る。さらに、クリンカアツシユとして炉底へ落下
するとその排水処理も困難になるなど、ボイラ運
用にかかわる問題も少なくない。

本考案の目的は、上記従来技術の欠点をなく
し、微粒固体を含有するスラリ燃料（例えば
CWMなど）の燃焼において、噴霧液滴を微粒化
し、保炎状態を安定化させ燃焼効率を高める二流
体アトマイザを提供することにある。

（問題点を解決するための手段） 上記目的を達成するため本考案は、二流体アト
マイザの噴出孔または混合噴出口を従来型よりも
長くし、さらに途中で少なくとも１箇所曲折させ
たことを特徴とするものである。

すなわち本考案は、燃料と微粒化媒体である蒸
気または圧縮空気を加圧供給し合流せしめる気液
衝突部と、該気液衝突部に連通して火炉側先端の
火炉方向表面に単数または互いに間隔を有して複
数個開口する燃料噴霧用の噴出孔とを有する二流
体アトマイザにおいて、前記噴出孔を、少なくと
も１箇所でバーナの半径方向ないし円周方向に曲
折角度10〜30°で曲折させたことを特徴とするも
のである。

本考案において、曲折する噴出孔の火炉側直管
部の孔径を燃料および微粒化媒体供給側の孔径よ
り大きくしたり、曲折する噴出孔の中心軸を、火
炉側直管部と燃料および微粒化媒体供給側で偏心
させたり、曲折する噴出孔のうち火炉側噴出孔の
みを火炉側方向へ末広がりにすることにより効果
の向上を図ることも可能である。また曲折する噴
出孔または混合噴出口の一部または全部は、例え
ばセラミツクスのような耐摩耗材料で形成するこ
とが好ましい。

本考案において、曲折角度を10〜30°の範囲に
することにらり、微粒固体を含むスラリ燃料の微
粒化を促進することができる。この角度が10°未
満では衝突による過流の発生が少ないためスラリ
燃料の微粒化が促進されず、また30°を超えると
圧力損失が増大するとともに閉塞を起こしやす
く、運転操作性や予防保全性が低下する。

一方、本考案における内部混合式の二流体アト
マイザにおいて内部混合室内にその内壁に固定す
ることなく剛体物質を挿入することにより燃料と
微粒化媒体との混合の促進を図ることも可能であ
る。該剛体物質の形状は球体としその材質は例え
ばセラミツクスのような高硬度材料で成形するこ
とが好ましい。

また、この内部混合室内に剛体物質を挿入した
二流体アトマイザにおいては、内部混合室の火炉
側内面にその内側を耐摩耗材料で被覆した部分球
型の凹部を該設し、該凹部の曲率半径を当該球体
の半径よりも大きくすることが好ましい。また当
該球体の外径は少なくとも噴出孔径よりも大きく
し、かつ混合室内径の2/3以下とするのがよい。
なお、当該球体が噴出孔を閉塞するおそれがある
場合は、混合室の火炉側内壁に閉塞防止のための
突起部を設けることも可能である。

（作用） 噴出孔を10〜30°の範囲で曲折させることによ
り、曲折部に衝突や小さな渦流が生じ、燃料液膜
と微粒化媒体流が激しく乱され、運動量交換が促
進し微粒化が著しく良好になる。

曲折角度が大きすぎると一度微粒化した液滴が
合体し始め、微粒化促進の効果が小さくなるとと
もに圧力損失が大きくなり閉塞しやすくなる。

また内部混合室内に剛球体を挿入した場合、該
剛球体の回転、自転、振動運動により燃料と微粒
化媒体との攪拌混合が促進され噴霧液滴の微粒化
が向上する。

（実施例） 次に本考案を実施例によりさらに詳細に説明す
る。第１Ａ図は本考案の一実施例を示す二流体ア
トマイザの軸方向断面図である。

この二流体アトマイザは、単孔の燃料２の供給
ノズル４と、複数の微粒化媒体３の供給ノズル５
および燃料２と微粒化媒体３を合流衝突させる気
液衝突孔６が開口するインタメデイエイトプレー
ト１０と、複数の噴出孔８が開口するアトマイザ
チツプ本体１と、インタメデイエイトプレート１
０とアトマイザチツプ本体１の間に介装された燃
料２と微粒化媒体３の混合室７を構成するコンタ
クトプレート１１と、上記３ピースをバーナガン
内筒および外筒（本図では省略）に固定するキヤ
ツプナツト９とから構成されており、第１Ａ図の
二流体アトマイザはアトマイザチツプ混合室内壁
にバーナ中心軸に対し片振り角度θ₂で口径Ｄの噴
出孔が開口し、噴出孔中心軸方向距離にしてl₂の
位置でバーナ中心軸に対して片振り角度θ₁になる
ように、噴出孔が一度バーナ半径方向に曲折して
いる。この実施例の場合、θ₂＞θ₁である。曲折し
た噴出孔８は、耐摩耗性が要求されることから、
耐摩耗材料（セラミツク）１９で形成され、アト
マイザチツプ本体１に固定されている。

第１Ｂ図の二流体アトマイザは噴出孔８の広が
り角度の条件が、上記第１Ａ図と逆でありθ₂＜θ₁
とするケースである。

噴出孔における圧力損失抑制と微粒化促進の兼
ね合いを考えると、 θ₂＞θ₁のとき…θ₂＝θ₁＋15° (1) θ₂＜θ₁のとき…θ₁＝θ₂＋15° (2) 程度にするのが好ましい。

第２Ａ図に、本考案によるアトマイザ（第１Ａ
図）の噴出孔における微粒化現象を示す模式図を
示す。噴出孔の曲折部に生じる小さな渦流
（eddy）および剥離流２０ａ，２０ｂによつて、
噴出孔内に生じた液膜が効果的に微粒化される。
したがつて、第２Ｂ図の従来タイプのように粗い
液滴群１７ａは生じない。さらに、液滴径が均一
になるため噴霧流が対称型になり燃焼用空気との
混合も良好になる。

次に本実施例による二流体アトマイザの構造検
討例を示す。

第３図は、噴出孔の細長比（Ｌ／Ｄまたは（l₁
＋l₂）／Ｄ）に対する噴霧平均粒径₃₂および
CWM噴射圧力Plの変化を示すグラフである。細
長比を増加させていくと、₃₂は始め小さくなり
極小値を示した後に再び大きくなる。これは、噴
出孔がある長さまでは運動量交換が行なわれて微
粒化が促進され₃₂が減少するが、長くなりすぎ
ると一度微粒化した液滴が噴出孔内部で合体を起
こすためと考えられる。

したがつて噴出孔直管部の長さを各々l₁，l₂（l₁
＋l₂＝Ｌ）としたとき、噴出孔の細長比Ｌ／Ｄ
は、噴霧平均粒径₃₂が小さくかつ噴射圧力Plの
上昇も少ない下記の範囲、 ２＜Ｌ／Ｄ＜６ (3) に設定すると、微粒化促進に対して有効である。

第４図は、噴出孔細長比をＬ／Ｄ＝５と一定に
した条件下で、曲折する噴出孔の各直線部の距離
l₁，l₂の比l₂／l₁に対する噴霧平均粒径₃₂および
CWMの噴射圧力Plの変化を示すグラフである。
l₂／l₁を0.5から2.5まで変化させた実験範囲で_3
２，Plとも変化は少なく、この範囲であればl₂／l₁
は自由に選択して差し支えないことがわかる。す
なわち噴出孔直管部の長さ比l₂／l₁は 0.5＜l₂／l₁＜2.5 (4) に設定するのが微粒化促進に対して有効であるこ
とがわかつた。

次に本実施例による二流体アトマイザの性能試
験結果を示す。

第５図は、噴霧試験結果を、気液比Wa／Wlに
対する噴霧平均粒径₃₂の変化として示すグラフ
である。同一気液比で比較すると、本考案の二流
体アトマイザの方が従来型よりも著しく微粒化を
促進できることがわかる。

第６図は、燃焼実験により効果を確認した結果
を未燃分率U₈とNOxの発生量の関係として示し
たグラフである。

本考案の二流体アトマイザにおいては従来型に
比べ同一未燃分率に対するNOxの発生量が極端
に少なくなつている。

以上のように、本実施例の二流体アトマイザに
よれば微粒化が良好になることによつて保炎状態
が改善され、未燃分が減少するばかりか、火炎に
旋回を与えるとバーナ近傍に安定な高温還元ゾー
ンも形成されNOx低減にも効果がある。

本実施例では、曲折方位を半径方向への変化に
限定したが、接栓（円周）方向への曲折もむろん
可能である。

第７図は本考案の二流体アトマイザの他の実施
例を示す軸方向断面図である。第７図において第
１Ａ図と同一の符号を付した箇所は同一の名称で
あり、同一の機能を有するので説明を省略する。

アトマイザチツプ本体１の火炉側内壁面には、
曲率半径をRcとする部分球形の溝２３が刻設さ
れており、その表面には爆発溶射仕上げ（材質：
タングステンカーバイド）が施されている。混合
室７内には半径をRbとする、耐摩耗性の高硬度
材料（セラミツクス）で製作した球体２１が挿入
されており、アトマイザチツプ本体に固定される
ことなく、混合室内で回転・振動等自由な機械的
運動が可能になつている。RcとRbの関係は、球
体および溝の耐久性を考慮して Rc＞Rb (5) とするのが好ましい。また混合室の半径をRmと
すると、混合室内の圧力損失をできるだけ小さく
するため、球体の半径Rbと混合室の大きさRmの
関係を次式のごとくするのが好ましい。

Rb２／３Rm (6) 本実施例における混合室７内へセラミツクス球
体２１を挿入したことによる効果を明確にするた
め、便且上噴出孔８が曲折していない従来型の二
流体アトマイザにセラミツクス球体を挿入したと
きと挿入しないときの微粒化現象を対比して説明
する。第８図は、従来型の二流体アトマイザにセ
ラミツクス球体を挿入した場合と挿入しない場合
の微粒化現象を対比させた模式図である。

セラミツクス球体を入れない場合は、混合室７
の内壁に液膜状燃料１６ができて、これが噴出孔
８の出口でリガメントとなり、ちぎれるように分
裂して径の大きな粗い液滴群１７を生じる。結果
的に、その噴霧流は粗い液滴群１７と微細な液滴
群１８に分離するため、噴霧流全体の外周に粗い
液滴が集まり着火および燃焼用空気との混合が遅
れてしまう。一方、セラミツクス球体を挿入した
場合は、図示したように球体２１の前後左右の振
動運動２４，２５さらには自転あるいは混合室内
循環の回転運動２６，２７によつて、燃料と微粒
化媒体の混合が著しく促進され、それに伴つて微
粒化も良好になる。

したがつて第７図に示した実施例では、噴出孔
８を曲折させたことによる噴霧液滴の微粒化促進
効果と、セラミツクス球体２１による微粒化促進
効果との相乗効果により、保炎状態が改善され未
燃分が減少しNOxの発生量も低減される。

なお、第９図は、従来型アトマイザの混合室７
にセラミツクス球体２１を挿入した二流体アトマ
イザの軸方向断面図を示すが、噴出孔８が曲折し
ていない従来型の二流体アトマイザの混合室７へ
セラミツクス球体２１を挿入した場合も、噴霧液
滴を微粒化して、燃焼効率を高める効果を十分に
有している。

以上説明した本考案による二流体アトマイザ
は、CWMにとどまらず他のほとんど全ての液体
（あるいは流体化）燃料に対しても効力を発揮す
る。これらの燃料としては、通常のボイラ燃料で
あるＣ重油はもとより、メタノール、石炭液化油
やタールサンド、タールシエールからの抽出油の
ようなボイラ燃料、また他のスラリ系燃料、例え
ばCOM（石炭・重油スラリ）、CMM（石炭・メタ
ノールスラリ）、PWM（ピツチ・水スラリ）、
SOM（溶剤精製炭、重油スラリ）や劣質残渣（ス
トレートアスフアルト）があるが、このような低
級燃料に対しても、保炎が強化されることから燃
え切りも早くなり、燃焼効率を高めることができ
る。またこのようなＮ分の多い燃料に対しても、
バーナ近傍に安定な高温還元ゾーンができること
によりNOxを低減することができる。

また、主として軽油を用いる点火トーチのアト
マイザとして使用することもでき、この場合は燃
焼用空気との混合が良好になることから発煙（す
す）の抑止に効果がある（但し、点火トーチ用と
しては容量が小さいので噴出孔径を小さくする必
要がある）。

特殊な例として、紙パルブ製造プロセス用の黒
液スラリ（超微粒末の酸化鉄を30％程度含む）燃
焼用アトマイザとしても同様に大きな効力を発揮
することができる。

（考案の効果） 本考案によれば下記のような効果が得られる。

(1) 着火が安定化し、保炎性が良好となるので灰
中の未燃分が減少し燃焼効率が向上する。また
バーナ近傍に安定な高温還元ゾーンが形成さ
れ、NOxの発生量が低減される。したがつて
燃焼性の劣る高燃料比炭（燃焼比＝固定炭素／
揮発分）を用いたスラリ燃料にも有利である。

(2) 微粒化が良好になるため、シンダアツシユ
（Ａ／Ｈホツパから排出される燃えがらもしく
は燃え残り）やクリンカアツシユの排出量が低
減され、灰処理が容易になる。

(3) 低過剰空気燃焼が可能になるので、Ｓ（イオ
ウ）分を多く含有する炭種を用いても低温腐食
を防止できる。

(4) アトマイザの大容量化（スケールアツプ）が
可能になる。

(5) 短炎化するためにボイラ火炉を小さくできる
ので経済性の面から有利になる。

(6) 微粒化媒体を低減できるのでボイラ効率が上
昇し、補機動力費を消滅できる。

以上のように、本考案を実施することは省エネ
ルギー、環境保全対策上極めて有効であり、かつ
信頼性にも優れたものであることから、大きな燃
焼改善効果が得られるものである。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図および第１Ｂ図は、本考案の一実施例
である二流体アトマイザの構造を示す軸方向断面
図である。第２Ａ図および第２Ｂ図は、本考案に
よる二流体アトマイザの効果を説明するために微
粒化現象をあらわした模式図である。第３図およ
び第４図は、本考案による実施例の噴出孔の構造
検討例を示すグラフである。第５図および第６図
は、本考案による二流体アトマイザを用いた噴霧
および燃焼試験結果であり、本考案の効果を確認
したグラフである。第７図は、本考案の他の実施
例を示す二流体アトマイザの構造を示す軸方向断
面図である。第８図は、本考案の実施例を説明す
るために微粒化現象を示した模式図である。第９
図は、本考案から導かれる剛球体入り二流体アト
マイザの軸方向断面図である。第１０図および第
１１図は、従来型二流体アトマイザの構造図を示
す軸方向断面図である。 ８……噴霧孔、１９……耐摩耗材、Ｄ……噴出
孔の口径、l₁，l₂……噴出孔直管部の中心線長さ、
θ₁，θ₂……バーナ中心軸に対する噴出孔の片振り
角度。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 (1) 燃料と微粒化媒体である蒸気または圧縮空気
   を加圧供給し合流せしめる気液衝突部と、該気
   液衝突部に連通して火炉側先端の火炉方向表面
   に単数または互いに間隔を有して複数個開口す
   る燃料噴霧用の噴出孔とを有する二流体アトマ
   イザにおいて、前記噴出孔を少なくとも１箇所
   でバーナの半径方向ないし円周方向に曲折角度
   10〜30°で曲折させたことを特徴とする二流体
   アトマイザ。 (2) 実用新案登録請求の範囲第１項において、曲
   折する噴出孔の火炉側直管部の孔径を燃料およ
   び微粒化媒体供給側の孔径より大きくしたこと
   を特徴とする二流体アトマイザ。 (3) 実用新案登録請求の範囲第１項または第２項
   において、曲折する噴出孔の中心軸を、火炉側
   直管部と燃料および微粒化媒体供給側で偏心
   （オフセツト）させたことを特徴とする二流体
   アトマイザ。 (4) 実用新案登録請求の範囲第１項において、曲
   折する噴出孔のうち火炉側噴出孔のみを火炉側
   方向へ末広がりにしたことを特徴とする二流体
   アトマイザ。 (5) 実用新案登録請求の範囲第１項ないし第４項
   のいずれかにおいて、曲折する構造の噴出孔の
   一部あるいは全体を、セラミツクスに代表され
   る耐摩耗材料で形成したことを特徴とする二流
   体アトマイザ。 (6) 実用新案登録請求の範囲第１項ないし第５項
   のいずれかにおいて、二流体アトマイザの内部
   混合室内に高硬度材料で成型した剛球体を該内
   部混合室内壁に固定することなく、挿入したこ
   とを特徴とする二流体アトマイザ。