JPS6038519A - 二流体噴霧器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、実質的に液体の物質から成る分散スプレーを
発生する噴霧器に係り、より詳細には、霧化媒体を噴霧
器内の実質的に液体の物質に混合してその液体物質がヌ
プレーとして分散するのを増長せしめるようにした二流
体噴霧器に関する。

従来技術及び問題点 液体物質を一群の小液滴として分散あるいは噴霧するこ
とが望まれる本技術分野では、噴霧器あるいはスプレー
ノズルは周知である。一般に、被分散液は加圧下で噴霧
器に流入するが、その噴霧器の形状は圧力頭を液体を分
散せしめるエネルギ源として利用するように設計されて
いる。

粘性のある液体の場合、液体流を小さな液滴に粉砕する
のに要するエネルギ量は、液圧のみをそのエネルギ源と
して利用することができなくなる程に大きなものである
。この場合、霧化媒体、すなわち通常は蒸気や空気等の
加圧気体を噴霧器内の液体物質に混入し、その混合物を
加圧下に圧出する二流体噴霧器が一般に使用されている
。噴霧器内の液体物質の初期粉砕に加えて、霧化媒体が
噴霧器流出時に膨張することによって、液体物質を一群
の微細液滴として充分分散するのに必要なエネルギが与
えられる。

粘性物質を一群の微細液滴として噴霧しなければならな
いありふれた一つの場面に、重油を燃料として利用する
燃焼炉の場合がある。そこで（ま、重油の燃焼空気との
良好な混合を可能とし、その効果的で迅速な燃焼を達成
するためにも、重油（・ま炉内で分散しなければならな
（・。この種の噴霧’２％は発電業界では当り前のもの
で、大きさおよび燃料の種類共に広範囲に渡って満足に
機能できるよ炭等の微細固体粒子のスラリーから成る実
質的な液体燃料に対する興味が高まっている。石炭−水
スラリーとして周知のこれらの燃料は、対ＢＴＵ価格基
準に基づけば、石油基燃料をしのぎ相当なる経済的利益
をもたらすと共に１石炭の単独使用が実行不能であった
数多くの用途においても利用できるものである。

炉内で燃焼しえる石炭−水スラリーを製造する技術は、
すでに存在しているけれども、これらの燃料のための効
果的で信頼できるバーナの開発には、なお障害を残して
いる。好結果のスラリー燃料用バーナの鍵となる一要素
は、スラリー燃料を容易に燃焼しえる液滴あるいは粒子
に細砕することができる噴霧器である。これらの燃料液
滴の寸法、速度および飛跡は、噴霧器の設計並びに局部
空気力学両者の函数であり、火焔の長さ、安定性および
炭素焼尽に関するバーナ性能全体に直接作用するもので
ある。

石炭−水スラリー燃料の二つの性質は、効果的な噴霧化
を達成する際の問題を起因する潜在力を有するものと考
えられていた。すなわち、これらの性質とは、内部霧化
流路に対するスラリーの腐蝕性と、従来の石油製品に比
べて石炭−水スラリー燃料の相対的に高い粘性の二つで
ある。ところで、上述の二流体噴霧器は、重油に対して
有効であることを示してきたことからも、石炭−水スラ
リー燃料の場合に使用すべき誂え向きの候補者と考える
ことができる。付言すれば、この二流体噴霧器は、曲が
りくねった通路を持たない単純な幾何形状をしているの
で、耐蝕性材料で簡単に造くることができそうである。

既存の二流体噴霧器技術に基づいて石炭−水スラリー用
噴霧器を設計する試みを通じて、折衷はしているものの
可能な幾つかの設計が生まれている。し力でるに、石炭
−水スラリー燃料の特殊な性質のために、設計者は制約
を受けることが多（、二流体噴霧器の固有な特性を充分
に利用することができないでいた。例えば、二流体噴霧
器内で液体物質のφ分散を高める一つの方法に、液体物
質を霧化媒体に混入する際にその運動量を増大させる方
法がある。しかし、一定の熱出力を有するバーナの場合
、液体物質の運動量を増やす唯一の手法は、液体の入口
通路を制限することである。一般に、石炭−水スラリー
は主に液体として挙動するけれども、このスラリーはな
お液体キャリヤーに懸濁した粒子から成っているのであ
る。従って、通路を非常に小さな直径にまで制限したと
すれば、スラリー中に存在する大きな粒子はこの入口通
路をふさぎ、噴霧器を閉塞することになる。つまり、ス
ラリー通路の直径はスラリー内に存在する最大粒子の直
径の１０倍以下はどに制限することが良好な設計実務と
言うわけである。なお付言すれば、現時点で一般に入手
可能な石炭−水スラリー用供給ポンプは、出口圧力を１
００〜２００Ｐｓ■（６９０〜１３８０　ＫＰａ　）の
範囲に緩和するよう制限されている。供給ポンプの出口
圧力が制限されていることから、噴霧器を横切る方向の
許容全スラリー圧降下が制限され、その結果として、適
当な寸法のその他のスラリー通路を通る重量流量も制限
されることになる。また、より高圧のスラリーポンプは
、非常に値段が高いうえに、入手できる製造業者の教も
限られている。

石炭−水スラリーの供給圧や入口通路の寸法についてこ
のように制約があるために、設計者に残された代りの手
法は霧化媒体の方の運動量を変更することである。すな
わち、霧化媒体の重量流量を増大させたり、あるいはそ
の入口通路を縮小することによって、設計者は、霧化媒
体の消費が増えたための費用並びに圧力と流量を高めた
ことに起因するポンプ輸送費がかかるものの、石炭−水
スラリーの分散を改善することができる。

この種の設計は、加工可能であるものの、性能の点でな
お制約を受けている。従って、閉塞を防止することがで
きるうえに、所定の液体流に対し最小量の霧化媒体を用
いて微細液滴のスプレーを放出することができる、石炭
−水スラリー燃料用、あるいは他の粘性液体用の、効率
が良くエネルギ消費の低い噴霧器の必要性がなお存在し
ていることは明らかである。

発明の目的 従って、本発明の目的は、石炭−水スラリー燃料のよう
な実質的に液体の物質の分散スプレーを発生する噴霧器
であって、閉塞することがなく、最小量の霧化媒体を混
合することによって微細液滴のスプレーを形成し得る低
エネルギ消費型の二流体噴霧器を提供することである。

発明の概要 本発明の好ましい具体例によれば、混合本体すなわち噴
霧器本体は、液体一固体スラリーと霧化媒体を混合する
内部混合室を備えている。混合されたスラリーと霧化媒
体は、混合室を出た後、スプレー通路を経て混合本体を
加圧下に流出して、微細液滴の分散群を形成する。

この好ましい具体例では、混合室はスプレー通路の延長
部分であって、両者共に引き延ばした流れ断面を有する
。霧化媒体は、混合本体内にスプレー通路と共線状に配
置された第一人口通路を通って混合室に流入している。

一方、液体−同体ス二人口通路を通って混合室内の霧化
媒体の中に流入する。混合されたスラリーと霧化媒体は
、スプレー通路を流下した後、混合本体からスプレーと
なって流出する。

これらの入口通路並びにスプレー通路の特殊な配置と混
合室の形状との結果として、本発明は、霧化媒体を少量
混合はするものの、本技術分野では公知のスプレー噴霧
器よりは低い供給圧力で、液状スラリーの微細液滴から
成るスプレーを発生することができるスプレーノズルを
提供する。更に、本発明の特徴は、内部流路の閉塞をで
きるだけ少なくした効率のよい噴霧器を提供することに
ある。

発明の実施例 以下、本発明を添付図面に示す具体例に基づいて詳細に
説明する。

第１図は、炉室１０の壁に設置した液体１８の均一なス
プレーパターン１６を発生するスプレー分配手段１２を
示す。非常に粘性のある液体１８の場合、この分配手段
１２の一部品として二流体噴霧器１４を用いることが普
通である。この種の噴霧器１４は、通常蒸気や空気等の
ガス状流体である霧化媒体２０を必要としている。かか
るスプレー分配手段１２の目標は、重量分布は均一であ
るが液滴寸法は別々なスプレーパターン１６を発生する
こと、である。この種の分布形態を所望する大抵の用途
では、室ｌＯ内で液体１８が気体やその他の物質と接触
しなければならないときは特に、寸法の非常に小さい液
滴をスプレーパターン１６内に形成することが一般に好
都合である。

かかる状態の一つは、熱エネルギの発生のため重質の液
体燃料を燃焼する際に生じる場合である。

そこでは、炉室ｉｏ内で液体燃料と酸化用気体（図示せ
ず）との迅速かつ完全な反応を促進するうえで、液滴寸
法は小さいことが望ましい。重質の石油系液体燃料１８
に用いる二流体噴霧器１４は、本技術分野では周知であ
り、最近では数多くの大型発電プラントで使用されてい
る。

同様に１石炭〜水スラリーも周知であり、これは一般に
微粉砕した石炭が懸濁状態で混在している水キャリヤー
から成るものである。スラリーの特殊な種類に依っては
、全スラリー量に占める固形分は６５襲あるいはそれ以
上にも達している。

このようなスラリーは、全体として、純粋な液体の挙動
に類似した挙動を呈している、すなわち槽に注出したり
貯蔵できるし、導管で輸送することもできる。しかるに
、ある別な工程では、例えば一群の微細液滴に噴霧化す
る場合等では、この類似性は無くなり、石炭−水スラリ
ーは独特の潜在的に困難な性質を幾つか示している。

これら独特の性質のうちの第一のものは、スラリー内に
固形粒子が存在していることに起因している。流路の直
径がスラリー内に存在する大型固形粒子の直径と同じは
どの大きさになる導管や通路にスラリーを圧送したいと
きには、これらの粒子は重要な存在となる。すなわち、
このような場合、液体一固体スラリーは、流路を閉塞し
そこを通るスラリーの流れを制限したり、あるいは停止
させたりする傾向を持っている。大力の液体一固体スラ
リーは、固体をできる限り微細に粉砕することによって
調製されているので、この問題に対する有効な解決策は
、ス２り一内の予想される最大固形粒子の直径の少なく
とも１０倍以下のスラリー通路を使用しないようにする
ことである。液体一固体スラリーの重量供給量が低い場
合について設計されたスラリー噴霧器では、スラリー通
路の寸法法めのこの下限によって、混合室ミに流入する
スラリー１８の速度は低下され、それ故、その運動量も
低減することになる。このようなスラリー運動量の低減
は、本発明以前には、一般に噴霧器性能の低下を招くも
のと考えられていた。

その第二の性質は、一般固形粒子の研削性、特に石炭粒
子の研削性である。この性質の結果として、主に、スラ
リー取扱い部品、特にスラリー流が高速度で再偏向され
る処の部品の摩耗が増大されるようである。本発明の噴
霧器は、タングステンカーバイドのような耐摩耗性材料
で製ることか好ましいが、スラリーの流れ方向の内部変
更を最／Ｊ−にすることができ、かつスラリー人口通路
内のスラリー速度を低減することができるような形状に
しである。

更に、第三の性質は、石炭−水スラリー用供給ポンプに
関する技術的な現状によるものである。

効果的な設計のこの種のポンプには数の上でも制約があ
るうえ、現在商業上入手できるポンプは、大力、ｌｏｏ
　〜２００　ｐｓｉ　（６９０′−１３８０ＫＰａ　）
程度の申請な圧力でスラリーな供給するものである。液
体一固体スラリーが高粘性であることに加え、この圧力
制限によって、上述の二つの障害が克服できたとしても
、手にし得る利益は少ないものとなろう。すなわち、粘
性スラリーを狭い通路に迅速に通過させようと試みるな
らば、現在入手できるスラリー供給ポン７°では、達成
し得ないスラリー圧要件を負うはめになる。従って、こ
の問題もまた、過大なスラリー供給圧力を用いることな
く効率の良い噴霧化と分配を得ようとする本発明が解決
しようと１指したものである。

第２図は、本発明による噴霧器の、その中心軸線に沿っ
て縦方向から見た断面図を示す。混合室２８は、中実の
混合本体２２内に配置した空隙として示されている。本
発明の好ましい具体例では、霧化媒体２０が混合室２８
には第一人口流路２４を経て流入している。液体一固体
スラリ−１８は、霧化媒体路に斜角３２をなして交わる
第二人口流路２６を経て混合室２８に入るものとして図
示しである。霧化媒体２ｏとスラリー１８は、混合室２
８内で混合され、スプレー通路３ｏがラノズル本体２２
を出て行く。このように混合室２８内の霧化媒体２０の
流路にスラＩＪ　−１８を斜めに導入することによって
、混合室２８内におけるスラリー１８に対する横方向の
公達動量かが存在している。

第３図は、スプレー通路３０の中心線を横切る方向から
見た同一噴霧器の断面図を示す。第３図に図示の混合室
２８とスプレー通路３０との断面流れ面積は、興味深く
、本発明による噴霧器の著しい特徴のうちの１つを示す
ものである。混合室２８およびスプレー通路３０の流れ
断面は、従来技術のような円形と言うよりはむしろ引き
延ばした形状になっている。本発明による噴霧器が霧化
媒体を過剰に消費することなく、かつ混合室２８に入る
スラリーが非常に高い運動量を持つ必要もな（、微細液
滴の均一なスプレーをつくることができるのは、この“
押しつぶされた”断面形状によるものである。

第４図に図示の実験結果は、本発明による噴霧器の効率
を従来技術の噴霧器と比較して示すものである。すなわ
ち、第４図のグラフは、霧化媒体としての９０　ＰＳＩ
の空気と水および石炭粒子から成る液体一固体スラリー
とを使用した二流体噴霧器について、空燃比に対する重
量メジアン直径（単位ミクロン）を示している。丸形の
データ点５０．５１は、円形断面の流路を有する従来技
術の噴霧器の性能を指し、四角形のデータ点５２．５３
は、°°押しつぶされた″流れ断面を混合室内に有する
本発明による噴霧器の性能を示すものである。

一般に、これらのデータ点が、二軸の交点、即ち最小量
の霧化用空気を使用して直径メジアン値が非常に小さい
液滴が得られる点に近づけば近づくほど、より優れた性
能が得られる。第４図から理解できるように、完全負荷
状態にある従来技術の噴霧器は、空燃重量流量比がおよ
そ０゜１程度であるときに、直径メジアン値が１４０〜
１８０ミクロン程度の（データ点５０で示す）液滴を発
生している。

これと比較して、本発明による噴霧器は、空燃重量流量
比が同じ＜０．１のとき、直径メジアン値がおよそ１１
０〜７０ミクロンの液滴を発生しているのである。この
差が重大な意味を持って〜ることは、当業者にとって見
逃すはずのないものである。このように、空燃比を低減
した状態の下で液滴のメジアン直径を切り下げることに
よって、本発明による噴霧器は、従来技術の噴霧器によ
り石炭−水スラリーを分散する際偶然最適なものとなっ
たスプレーよりも、はるかに燃焼が容易な石炭−水スラ
リーのスプレーを発生することができる。

白地のデータ点５１．５３は、燃料の重量流量を設計の
５０％におさえた状態における両噴霧器の性能を示すも
ので、空燃比が０．３以上の場合の性能に類似した性能
を示している。

押しつぶされた、即ち引き延ばした流れ断面は、この好
ましい具体例では、スプレー通路３０と混合室２８両者
に存在するものとして示されているけれども、この形状
が第４図に示した有益な結果を生みだすように働いてい
るのは混合室２８の方である。液体−同体スラ１７−１
８を霧化媒体２０によって形成される流れの中に混合室
２８の引き延ばし方向に対し直角に噴射することによっ
て、本発明による噴霧器は、スラリーが霧化媒体流全体
を貫通するため走行しなければならない距離を短縮して
いる。これに対し、混合室が円形の流れ断面である従来
技術の噴霧器では、スラリーが霧化媒体流を完全に貫通
しこれら両流体の完全混合を得るうえで走行しなければ
ならない距離は非常に太きい。従って、本発明による噴
霧器は、同等の性能を有する従来技術の噴霧器の場合の
圧力および運動量よりも低い圧力および運動量の状態の
下で、混合室２８内で液体一固体スラリーと霧化媒体と
の完全混合を行なうことができる。

上で論述したように、噴霧器スプレー通路の寸法決めは
、液体の粘度、設計目標の重量流量、作業圧力あるいは
他の諸性質等用途に特有の幾つかの変数に依存している
。混合したスラリーと霧化媒体のスプレー出口通路３０
における速度は少なくとも超音速であることが好ましい
こと、また、石炭−水スラリーの最適噴霧化のためには
、これらの通路と混合室２８との間の寸法にある経験的
関係を維持しなければならないこと等は、実験を通じて
既に見い出されている。例えば、第２図を参照して説明
するが、スプレー出口通路の長さ３４（次式中、Ｌｏと
記す）の混合室の流れ長さ３６（同様、Ｔ、ｍと記す）
に対する比は、およそ２．３である。

なお、本発明による最適の噴霧器を設計するには、スプ
レー出口通路長さ３４の全スラリー水力直径（次式に、
Ｄ、。１と記す）に対する比を、およそ４．６５〜６．
２５　（両端を含む）の範囲に維持することが必要であ
る。この全スラリー水力直径は、スラリー人口通路２６
の流れ面積と矩形の混合室自由流れ面積を加算し、等し
い面積をもつ円形流路の直径を決めることによって計算
することができる。これらのパラメータを、図面の符号
を添えて、まとめれば、次の通りである。

ＩＪｏ　／　Ｌｍ　”　２．３ ＤｔｏＩ−（４（（πＤｆ／４　）＋（ＨＸＷ）　〕／
ｙｔ　）Ｔ４．６５≦Ｌｏ／”ｌｏｔ≦６．２５ 式中、Ｌｏはスプレー出口通路の長さ３４、”Ｉｎは混
合室の流れ長さ３６．Ｄ（はスラリー人口通路の直径３
８、Ｗは混合室の丸形部分を除く引き延ばし方向の幅４
２、ＤＩｏＩは上で定義した全スラリー水力直径、■１
は混合室の引き延ばし方向に垂直な高さ４０である。

上記等式中の定数の精密な大きさは、石炭−水スラリー
以外の実質的な液体物質の場合には変わることもあるけ
れども、これらの関係の予想値は、石炭−水スラリー以
外の粘性液体のための押しつぶされた形の噴霧器を設計
する際に有効であることが期待できるし、それ故に、こ
こに示した数値は、充分な説明をしたいと言う本出願人
の義務を満たさんがための説明上の意味に解釈すべきも
のであり、従ってここに開示した範囲に限定する必要も
ないことを理解するべきである。

発明の効果 本発明による噴霧器は、スラリーおよび霧化媒体の入口
通路やスプレー通路を上述の如く配置１．、更に混合室
の流れ断面を特殊形状にしたことによって、低い供給圧
力の下で微細な液滴のスプレーを発生することができる
。なお、本発明の噴霧器では、使用する霧化媒体の量を
最小にすることができるばかりでなく、内部流路は閉塞
することがない。

更に、ここに開示した形状は、液体一固体スラリー用の
噴霧器のみに限る必要もないし、微細液滴のスプレーと
して優れた分散が要望される他の粘性液体に使用した場
合にも有益な結果を与えることは、極く一般の読者にと
ってさえ明白なことであるので、ここに再度断言してお
くものである。

ここに列記しなかった他の具体例についても、上述の明
細書を熟読し、付記した特許請求の範囲および添付図面
を検証すれば、当業者にとって同様明白なものとなろう
。

【図面の簡単な説明】

第１図は、液体を微細液滴のスプレーに分散する噴霧器
を示す略図である。 第２図は、本発明による噴霧器の縦断面図で゛ある。 第３図は、第２図の３−３線に？６５本発明による噴霧
器の軸方向断面図である。 第４図は、本発明による噴霧器の性能を従来技術の噴霧
器の性能と比較して示すグラフである。 ｌＯ・・炉室、１２・・スプレー分配手段、１４・・二
流体噴霧器、１６・・スプレーパターン、１８・・液体
一固体スラリ−１２０・・霧化媒体、２２・・混合体、
２４・・第一人口流路、２６・・第二人口流路、２８・
・混合室、３０・・スプレー通路。 Ｆｌｅ、Ｉ ＦＩｅ、　４ づ芝：　メで６１１仁。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　実質的に液体の物質の微細に分散したスプレーを発
   生する噴霧器において、その混合本体の内部に、 引き延ばした流れ断面を有し、前記の実質液体物質およ
   び霧化媒体を収容する内部混合室と、前記の実質液体物
   質を前記混合室に導入するスプレー出口通路と、 前記搭化媒体を前記混合室に導入する霧化媒体入口通路
   と、 前記混合室と流体連通関係にあって前記混合本体の表面
   で開口しているスプレー出口通路であって、前記液体物
   質と前記霧化媒体との混合物を分散スプレーとして放出
   するスプレー出口通路とを、 配置してなる噴霧器。 ２　実質的に液体の物質を分散する二流体噴霧器であっ
   て、霧化媒体用の第一人口流路と、前記の実質液体物質
   用の第二人口流路と、混合室と、前記混合室と前記噴霧
   器の外部との間にあるスプレー出口通路とを包含して成
   る二流体噴霧器において、 前記第一人口流路が前記スプレー出口通路と共線状にあ
   り、かつ前記混合室が前記霧化媒体および前記実質液体
   物質を収受しこれら両者を混合した混合物として前記ス
   プレー出口通路との間に配置されており、 前記混合室が引き延ばした流れ断面を有しており、更に
   、 前記第二人口流路が前記実質液体物質を前記混合室内に
   、前記霧化媒体の流れに対して傾めで、かつ前記混合室
   の前記流れ断面の引き延ばし方向に垂直な方向で噴射す
   るように配置されていること、 を特徴とする二流体噴霧器。