JPH0512975B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は燃料油のアトマイズ法に係り、特にア
スフアルトや液状ピツチ等々の劣質残渣を燃料油
とし、これに水を添加して噴霧し燃焼を促進する
のに好適な水混入式アトマイズ法に関する。

〔従来の技術〕

最近の我が国の石油事情は、中東の政情不安か
ら油種選択幅の縮小化、中国やベネズエラとの原
油取引量の増大化の傾向にある。一方、国内需要
においては、自動車による公害規制の強化に伴つ
て中間留分が伸びて軽質化する一方で、ボイラの
燃料は低質油の利用が迫られている。また奨来の
主要な取引先として期待されている中国原産油は
劣質なものと云われている。

いずれにせよ、限られた石油資源を有利に利用
するためには、今後、アスフアルトや液状ピツチ
などに代表される劣質残渣油のような粗悪油まで
使用せざるを得ない情勢になりつつある。

この点、自家発電若しくは産業用ボイラの燃料
として上記粗悪油の使用実績は幾つかあるが、大
型事業用ボイラの使用実績は伝えられていない。
したがつて、上述のような石油価格や供給体制な
どの情勢を考え備わせるならば、劣質油燃焼の低
公害化、高効率化を可能にするプロセスを早急に
確立する必要がある。

以下にその実現化に伴う従来の燃焼技術及び問
題点を劣質残渣油の代表例であるアスフアルトに
ついて説明する。

アスフアルトは窒素分が約0.4％とかなり高く、
燃焼により高濃度のfuel NO_Xの排出が予想され
る。また５％以上のレベルが含有する硫黄分は、
燃焼による分解と酸化によつてSO₂からSO₃とな
り、低温排ガス域で水分と結合して硫酸となり、
ボイラチユーブを腐食する。更に残留炭素分も20
％以上と多く含有し、煤塵濃度も高くなり、従来
の燃焼法によるならば、電気集塵器による除去が
困難と云われている0.1〜10μｍ程度の高い煤塵濃
度を示すことが知られている。また比較的大きな
固形物はアトマイザを摩耗させ、バーナの信頼性
低下を招くことになるのは云うまでもない。更に
は、アスフアルトのような劣質残渣の場合、燃料
中に含有するバナジウム、ナトリウム等の腐食性
の金属成分が従来のＣ重油よりもかなり高く、こ
れらを燃料分から直接除去するのは困難であるた
め、燃焼時に腐食性化合物を極力抑える燃焼方式
を採用することが肝要となる。それには、伝熱面
の低温及び高温膚食対策として低過剰空気燃焼が
最も有効な手段であることは周知の事実である
が、アスフアルトが劣質であることを考慮する
と、単に過剰空気率を減少させるだけでは徒らに
未燃分を増加させることになる。

以上のように、低NO_X、低煤塵濃度で、かつ、
腐食防止対策に効果的な燃焼を達成するために
は、燃料微粒化の改善、保炎性の向上、燃料と空
気の促進などにより燃焼効率の向上を図つたバー
ナの採用が必要となる。

扨て、従来より各種の低公害燃焼法が行われて
いるが、火炎中に水や水蒸気を噴射すると火炎温
度が低下し、なおかつ排ガス中の煤塵濃度を低下
させる結果、低過剰空気比燃焼が可能になり、
NO_X抑制にも効果的であることが知られている。
この方法に沿うものとして燃料油アトマイザとは
別に水噴射用のアトマイザを設けたバーナや、予
め燃料油中に水を分散混合させる水エマルジヨン
法がある。後者の方法は、水分を燃料中に均一に
分散させているため、前者に比べて火炎の局部的
な高温部を除去するのが容易であり、より有効な
水利用燃焼方法と云える。

NO_Xの抑制に限つたこのエマルジヨン法は、
一般に以下の(1)〜(3)の原理によるものといわれて
いる。

(1) 水の蒸発による吸熱： thermal NO_Xは火炎温度を低下させることに
より抑制できるが、fuel NO_Xに関しては温度低
下だけでは十分ではない。その抑制効果は、比較
的低過剰空気比の燃焼が可能になるため、fuel
NO_Xへの転換率が小さくなるところにある。

(2) 水性ガス反応による吸熱作用： 1000℃以上の高温になるとエマルジヨン燃料中
の水と燃料中の炭素の間で水性ガス反応が生じる
この反応が吸熱反応であるために火炎の局部的高
温部を除去するのに役立つ。

(3) 低過剰空気比燃焼によるNO_X抑制： 燃料中で微細化している水滴が燃焼過程で急加
熱され、突沸（フラツシング）を起こす。これに
よる油滴の再微粒化のため、油滴と燃焼用空気と
の接触面積が増加し、低過剰空気比燃焼が可能と
なり、NO_X生成の抑制にも効果があると考えら
れている。付言するならば、エマルジヨン法は劣
質油用アトマイザののNO_X対策のみならず、軽
質油を用いる点火トーチの煤発生抑制策としても
かなり効果的である。これは、特に上記原理(3)に
より、いわば予混合火炎に近い状態を実現できる
ためである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

これらの原理によるエマルジヨン法にも付随す
る問題点や弱点も少なくない。

まず、燃料中の水の濃度や分散水滴の大きさに
よつては、NO_X生成の抑制や未燃分の低減に対
して効果が上がらないばかりか、却つて逆効果に
なる場合もあり得るし、また水の蒸発が遅れる場
合には腐食量が増加するという危険も生じる。

更に、油−水混合用に特殊なミキサと乳化促進
用の界面活性剤（２次公害を誘発しないために窒
素や硫黄分が含まれていないもの）が必要なこと
や、エマルジヨン化するために見掛け上の粘度が
急上昇してしまうこと、また輸送中に油と水が分
離しないように配慮する必要があることなど、輸
送配管系統にかなり複雑な工夫が要求される。

加えて、従来のアスフアルト燃焼技術では、ア
スフアルトの粘度をＣ重油並にするため、200℃
程度まで予熱することから、低沸点の水を加えて
安定なエマルジヨンをつくり出すことは、通常の
方法では原理的に不可能になる。

したがつて、このようなアスフアルトなどの劣
質残渣油の燃焼並びに水添加のエマルジヨン化に
伴う問題を解決するには、以下(i)〜(v)の点を考慮
する必要があるが、現状では効果的な解決策が見
い出されていない。

(i) アトマイザからの燃料噴出速度を小さくして
着火を安定化し、かつ燃焼用空気との混合を良
好に行わせる、 (ii) アトマイザの微粒化性能を向上させる、 (iii) 残留固形物による摩耗対策からアトマイザの
構造を簡単にする、 (iv) 水分の蒸発を速やかに行わせる、 (v) 油−水の混合法（エマルジヨン化法）に特殊
な工夫をする。

本発明の目的は、劣質油の燃焼に関する上記従
来技術の欠点を解消し、油−水混合法とアトマイ
ズ法を改良することにより、劣質油の燃焼に際
し、NO_Xｘを増加させることなく排ガス中の煤
塵を低減でき、更にアトマイザの高信頼化を図る
ことが可能な燃料油のアトマイズ法を提供するこ
とにある。

〔問題点を解決するための手段〕

かかる目的達成のために本発明は、水に不溶性
で、かつ沸点の高い油、溶融プラスチツク等の劣
質残査燃料油を加圧し、次いで該燃料油に水を添
加してアトマイザから噴射し、前記燃料油を微粒
化する方法において、前記水を噴射雰囲気圧にお
ける飽和蒸気温度以上に過熱して前記燃料油に噴
射して混合し、次いでアトマイザから噴射し、該
噴射に伴う噴射雰囲気圧への減圧で過熱水滴を突
沸させることにより前記燃料油を微細化すること
を特徴とする水混入式アトマイズ法を提案する。

〔作用〕

燃料油に混合される水の温度が飽和蒸気温度以
上であるので水の分子運動が良好であるから燃料
油と良く混合すると共に、噴射雰囲気中に噴射さ
れると噴射に伴つて雰囲気圧に減圧されるので水
が突沸して燃料油を微細化する。

〔実施例〕

第１図は本発明の水混入式エマルジヨン法の実
施に用いるアトマイザの構造例を示している。

このアトマイザは単孔式であり、加圧され予熱
された劣質燃料油１と加圧され加熱された水４が
バーナガン中を同軸（外側が燃料油１、内側が水
４）に流れ、アトマイザチツプ３の内部で水４が
燃料油１中に噴射されて混合する。この場合、燃
料油１の噴出圧力Pfよりも水の噴射圧力Pwを高
くし、水噴射ノズル５から高温高圧水４をアトマ
イズチツプ３内の燃料油中に噴射する。こうして
油中で水の微細化を行い、油中水滴型のエマルジ
ヨンをつくり出す。

水は噴射後の噴射雰囲気圧（図示しない燃焼器
内の圧力）における飽和温度（すなわち沸点）以
上に過熱されており、燃料油１中で微細化した水
滴はアトマイザチツプ３の絞り部６と噴出孔７を
通過する際の減圧によつて過熱状態となり、燃料
油１と共に噴出孔７から噴射されると水は急激な
突沸（フラツシング）を起こし、周囲の油を激し
くはじき飛ばして噴霧を生成し、水と混合した燃
料油を微細化する。

本発明の水混入式アトマイズ法は上記原理によ
るが、ここでは、まず、(1)液中液微粒化によるエ
マルジヨン生成と、(2)圧力−温度の操作について
更に詳述する。

(1) アトマイズチツプ３内では、流れる油と噴射
された水の相対速度が大きい方が液中液微粒化
が良好に行われる。水の微粒化の程度は、水の
慣性力と界面張力の釣合を表わすウエーバ数
We.すなわち、 WeρDUr²／σ ここで、ρ：油の密度 Ｄ：水噴射ノズル孔径 Ur：水と油の相対速度 σ：油と水の界面張力 で表示されるが、一般にWe＞８を満足するよ
うにUrを設定する。

したがつて、第１図に示したアトマイザの場
合、上流部に水噴射ノズル５の出口を設けた同
図ａの構造の方が油も加速する絞り部６で混合
させる同図ｂの構造よりも相対速度が大きくと
れ、混合微粒化が良好になる。

また、Urを十分に大きくしてWeをより大き
くとるためには、水４の噴射圧力Pwと油１の
噴射圧力PfとをPw≫Pfにしてやるのが好まし
く、また水噴射ノズル５の中に油１が逆流する
のを防止するためにPw＞Pfとするのが望まし
い。

水噴射法として単孔ノズルを用いる場合に
は、孔径を小さくし、かつ高圧で噴射すること
により相対速度を大きくすることができる。水
噴射ノズルのノズル形状は特に単孔に限定され
ず、液中液微粒化を良好に行わせる各種の構成
が可能である。実験によると、油中で水が良好
に微粒化している方が激しく沸騰し、良好な噴
霧生成が行われた。これは、突沸の引き金とな
る気泡核が主として液−液界面に集つているも
のと考えられ、できるだけ油−水の界面積を増
やしてやる必要がある。

(2) 水は加圧し、100℃以上に加熱する。混合す
る時点で水と燃料油の温度が等しくなるのが好
ましいが、実際には、最初に幾分温度差があつ
ても、長いバーナガン内を並行的に流れるうち
に熱交換されるため、同程度の温度になる。ま
た水の加熱温度は、当該燃料油の粘度が1000ポ
アズ以下になる温度とし、かつ、その上限温度
Tmは、燃料油噴射圧に相当する水の飽和温度
以下とするのが好ましい。これ以上の温度にな
ると、アトマイザチツプ３内の油中で水が沸騰
してアトマイザの圧力が上昇し、ベーバロツク
現象が生じ、供給圧力の高い水のみの噴射にな
つてしまうからである。

第２図はアトマイザの噴射圧と液温の関係を
蒸気圧線図上に模式的に示したものである。液
温若しくは水温の上昇（T₁→T₂→Tm）と共
に燃料油を噴出させる駆動圧（Pf−Pv）が減
少し、上記の水温上限値Tmになると、理論
上、水のみが噴射されることになる。第３図は
液温に対する燃料中の水流量比（容積比）
Qw／Qtotを変化させたときの実験結果であ
る。液温がTmに近づくにつれて急激に水流量
比Qw／Qtotが上昇することがわかる。このよ
うにTm近傍の温度は実用的とは云えないの
で、実際にはTmより５〜20℃低い温度が好ま
しい。

以上のことからわかるように、本発明の水混入
式アトマイズ法は、アトマイズチツプ内で瞬時に
水と油をエマルジヨン化することと、水の突沸を
利用して噴霧をつくり出すことに特長がある。し
たがつて、二流体噴射弁のように気体の微粒化媒
体を用いる必要がなく、しかも特別なラインミキ
サや乳化促進剤が不要であるし、また油と水が分
離するという不都合もない。更に、アトマイザが
極めて簡単な構造のものでよく、油中の残留固形
物等による目詰まりや摩耗も少なく、信頼性も高
い。

次に、本発明の水混入式アトマイズ法による効
果を実験結果に基づいて具体的に説明する。

第４図は燃料中の水流量（質量）Mwと全体流
量（水と燃料を合わせた質量流量）Mtotとの比
Mw／Mtotに対する体面積規準の噴霧平均粒径
ｄ₃₂の変化を示したものである。試料には重質油
を模擬した流動パラフインを用いた。二流体アト
マイザでは液体を常温で使用しており、水流量比
の増大に対してエマルジヨンの見掛け上の粘度が
高くなり、₃₂は次第に増加する。一方、本発明
においては、僅かに水を添加すると₃₂が急減に
減少し、５％の水添加で二流体アトマイザの性能
を上まわり、水流量比の増大と共に粒径の小さな
良好な噴霧が得られていく。

第５図には₃₂とアトマイザ噴出速度Ujの関係
を示す。二流体アトマイザ使用においては、₃₂
が小さいときはUjが高く、またUjを低くすると
噴霧粒径が粗大化してしまい、いずれにしても火
炎の安定保持が難しくなる嫌いがある。しかし、
本発明では、微粒化媒体を用いないため、₃₂と
は無関係にUjが極めて小さく、着火が著しく容
易になる。

第６図〜第８図に直径２ｍ〓、長さ10ｍの中型
の燃焼炉におけるストレートアスフアルトの200
Kg／ｈ燃焼試験の結果である。水流量比を最大30
〜40％まで変化させて煤塵、NO_X，SO₃の濃度を
測定した。燃料は230℃の予熱を行つたため、二
流体アトマイザの下では通常のエマルジヨン化が
不可能であつた。本発明によれば、特に煤塵濃度
を60％近くも低下させることができる。また、従
来、煤塵とNO_Xの排出特性には裏腹な関係があ
つて、共に低下させることが難しいと云われてい
たが、本発明によれば、NO_XのみならずSO₃まで
も低下させることを可能にしている。総じて、本
発明はNO_XやSO₃を増加させることなく低煤塵化
を可能にするものである。

次に、他の適用例として、プラスチツク焼却の
場合について示す。

廃棄されたプラスチツクのうち加熱により溶融
するものは、従来、アトマイズ法による焼却が可
能であるため、公共施設の発電用ボイラ等で一部
試みられたことがある。しかし、二流体アトマイ
ズ式では、噴射されても溶融プラスチツクが空気
による急加速で細い糸状に伸びてしまい、納豆の
糸が束になつたように噴射され、未燃のまま炉床
に落下し、これまでのところ、良好な燃焼が実現
していない。

しかし、本発明の水混入式アトマイズ法は、溶
融プラスチツクをその内部から水滴の突沸ではじ
き飛ばすので、ほぼ球形の微細粒に噴霧すること
ができる。この点は、簡単な予備実験によりその
効果が確認されている。

なお、これまでも燃料のエマルジヨン化は煤発
生の防止対策として知られている。第９図は、燃
料が軽油−水エマルジヨンであるが、ボイラ起動
時の点火トーチのアトマイズ法について発生煤濃
度と水流量比の関係を示したものである。本発明
法によれば、二流体アトマイザ使用の場合に比べ
て発生煤濃度が60〜70％近くも低下するという顕
著な効果が得られている。これは、本発明法では
噴出速度が小さく、いわゆる“ふわつとした”噴
霧が得られるため、燃焼用空気との混合が良好に
行われるためである。

〔発明の効果〕

以上詳述したように、本発明の水混入式アトマ
イズ法は、アトマイズチツプ内で劣質残渣油と水
を混合せしめ、また油中水滴の突沸を利用して噴
霧をつくり出すため、空気や蒸気などの微粒化媒
体、ミキサ並びに乳化促進剤が不要となり、経済
的に優れており、また油と水が分離してしまうこ
ともなく、アトマイザ構造が簡単なものでよいの
で目詰まりや摩耗も少なく、極めて信頼性が高
い。更に燃焼面においては、アトマイザからの噴
出速度が小さいことに加えて、微細な液滴からな
る良好な噴霧が得られるため、NO_XやSO₃を増加
させることなく煤塵濃度を著しく低減でき、実ボ
イラ起動時の黒煙防止にも効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図ａ，ｂは本発明の実施に用いるアトマイ
ザの一例（単孔の場合）で、水噴射ノズルの異な
る位置を示す側断面図、第２図はアトマイザの噴
射圧と液温の関係を蒸気圧線図上に模式的に示し
た図、第３図は液温に対する水流量比の変化を表
わす図、第４図は水流量比に対する噴霧平均粒径
の変化を表わす図、第５図は噴霧平均粒径とアト
マイズ噴出速度の関係を示す図、第６図乃至第９
図は各々水流量比と煤塵濃度、NO_X濃度、SO₃濃
度及び発生煤濃度の関係を示す図である。 １…燃料油、３…アトマイザチツプ、４…水、
５…水噴射ノズル、６…絞り部、７…アトマイザ
噴出孔。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 水に不溶性で、かつ沸点の高い油、溶融プラ
   スチツク等の劣質残査燃料油を加圧し、次いで該
   燃料油に水を添加してアトマイザから噴射し、前
   記燃料油を微粒化する方法において、前記水を噴
   射雰囲気圧における飽和蒸気温度以上に過熱して
   前記燃料油に噴射して混合し、次いでアトマイザ
   から噴射し、該噴射に伴う噴射雰囲気圧への減圧
   で過熱水滴を突沸させることにより前記燃料油を
   微細化することを特徴とする水混入式アトマイズ
   法。 ２ 前記水として高温加圧水を用いることによ
   り、アトマイサ内部で油中水滴型のエマルジヨン
   を生成させる特許請求の範囲第１項記載の方法。 ３ 前記水の加熱温度は、該燃料油の粘度が1000
   ポアズ以下になる温度であつて、かつ、該燃料油
   の供給圧力に相当する水の飽和温度を上限温度と
   する特許請求の範囲第１項又は第２項記載の方
   法。