JPS61140717A - 固体燃料スラリアトマイザ - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、固体燃料スラリアトマイザに係り、　′特に
固体燃料スラリの微粒化燃焼を促進し、かつ摩耗や目づ
まりを防ぐのに好適なバーナアトマイザに関するもので
ある。

（従来の技術） オイルショック以来、省資源対策として、従来の火力発
電用主燃料であった重油から石炭、ＬＮＧへと転換しつ
つある。さらに最近固体燃料である石炭のハンドリング
改善のために、石炭に水や油を混入してスラリ化し取扱
いを容易にする技術の開発が進められている。この石炭
スラリの代表的なものとしては、ＣＯＭ　（Ｃｏａｌ　
ａｎｄ　Ｏ４ｌ旧ｘｔｕｒｅ）やＣＷＭ　（石炭−水ス
ラリ、Ｃｏａｌ　ａｎｄ　Ｗａｔｅｒ−旧にｔｕｒｅ）
がある。この他にも水のかわりにアルコールを用いたＣ
０ＡＬや、石炭の代わりにオイルコークス（ピッチ）を
用いたＰＷＭ　（Ｐｉｔｃｈ　ａｎｄ　Ｗａｔｅｒ−Ｍ
ｉｘｔｕｒｅ）があり、特にＰＷＭは産業用ボイラ燃料
として今後需要が高まっていくものと予想される。

以上のように固体燃分を懸濁したスラリ燃料は今後、ボ
イラ用燃料の中でもかなりの割合を占めていくであろう
と考えられる。

この中でＣＷＭは、石炭の他に水および少量の界面活性
剤を使用するのみであり、ＣＯＭと比較すると次のよう
な特長を持つ。

ａ）価格が不安定で高価な石油を用いないことで、ボイ
ラに対する安定供給が可能な燃料として期待できる。

ｂ）石炭濃度が６５％を超える高濃度スラリであり、水
分を極力抑制することによりボイラ効率を上昇できる。

Ｃ）常温でも非ニユートン流体として取り扱え、Ｃ重油
またはＣＯＭの様な配管の加熱が不要のためヒータや蒸
気ジャケットの経費をかなり低減できる。

以上のように、ＣＷＭは固体燃料をスラリ化したもので
あり、石炭やＣＯＭと比較するとそのハンドリングが非
常に容易な燃料といえる。ここではＣＷＭの特長を述べ
たが、ＰＷＭについても石炭を石油ピンチとおき換える
だけで、ａ）、ｂ）、ｃ）、３点の特徴はあてはまる。

（発明が解決しようとする問題点） しかし、このように液体として水を用いた固体燃料スラ
リは、微小な固体粒子を水中に高濃度に含む液体燃料で
あるため以下に示す４つの問題点がある。

まず第１はオイルと同様にアトマイズ法を採用するもの
の、噴霧の単一液滴の中での多数の微小原炭粒子の凝集
がまぬがれないことである。これは微粉炭燃焼と比較す
ると、かなり大きな粒子を燃焼させることになる。これ
まで従来型アトマイザを用いて行ってきた基礎実験から
は、原炭粒子なみに微粒化することはほとんど不可能に
近く、しかも事業用や産業用ボイラバーナで要求される
低気液比（ｈ／　Ｈ１！　＜　０．１　）では微小粒子
（例えばＣＷＭの場合は原炭粒子）がおびただしく凝集
した粗大噴霧液滴がかなり残存することが確認されてい
る。このことは微粉炭燃焼に比較し問題となっている高
い灰中未燃分の排出状態と対応している。

第２は、従来アトマイザが高速噴出型であるということ
である。固体燃料のまわりを水分がつつむＣＷＭやＰＷ
Ｍでは水分蒸発に熱量を費やすため着火性や燃焼性が悪
い。着火を容易にし、また水分蒸発に要する時間をかせ
ぎ、燃焼効率を向上させるためには、アトマイザにおけ
る噴出速度を低くおさえ、かつ噴霧角を大きくした噴霧
の生成が要求される。第３図、第４図には従来のアトマ
イザ（単孔）の構造を示したが、いずれも燃料に高速気
流を軸方向から衝突させる方法を用いたものである。な
お、図中、１は燃料流路、２は微粒化媒体通路、３は燃
料管、６は噴霧孔、９は燃料、ｂは微粒化媒体、ｅは摩
耗部である。このような方法によると微粒化を促進しよ
うとして気液比を増大させれば増大させるほど噴霧の粒
径は小さくなる反面、火炎が吹き飛びやすくなることが
まぬがれない。これは軸方向の噴射速度が燃料噴霧粒子
の燃焼速度を超えてしまうためである。火炎の吹き飛び
が生じると、再点火した際未燃のまま炉壁に付着した燃
料がいつきに燃え上がりボイラ火炉の異常燃焼となって
大事故に発展する可能性もある。

第３の問題点は、固体粒子を懸濁したスラリ燃料一般に
あてはまることであるが、アトマイザの摩耗に関するも
のである。第３．４図の従来型アトマイザの構造図に摩
耗の激しい部分ｅを図示した。いずれも燃料と微粒化媒
体が高速で衝突混合する部分に生じており、このことは
上記高速噴射型の問題点とも関連している。つまり第２
．３の問題から着火を促進させ、かつ摩耗を防止するた
めには低速噴射型ドマイザが望まれていることがわかる
。

第４の問題点は、スラリ燃料アトマイズにおいて不可避
であるアトマイザ噴出孔の目づまりの問題である。第３
．４図に示す従来型アトマイザではその摩耗部分が示唆
するように、燃料がアトマイザ噴霧孔の内壁に接触する
。アトマイザ噴出孔内壁上に固体骨が熱等の影響によっ
てこびりついたりした場合、これまでのところアトマイ
ザ交換以外に対策がなく、目づまりはスラリ燃料用アト
マイザ最大のトラブルである。このことはスラリ燃料と
微粒化媒体を噴霧孔内壁に接触させない方法、すなわち
外部混合型と同様の気液混合法を採用する以外に手はな
いといえる。

以上に示した４つの問題点のうち２番目のものは特に水
を用いるＣＷＭやＰＷＭにかがわりあいが深いが、他の
３つはスラリ燃料一般にいえるものである。総括すれば
、第１．２の問題点は燃焼性向上に関するもの、また第
３．４の問題点はアトマイザの信頼性に関連するものと
いえよう。

本発明の目的は、上記した従来技術の欠点をなくし、ス
ラリ燃料の燃焼において未燃分を低減させ、かつアトマ
イザの噴霧孔の摩耗や目づまりなどのトラブルを防止す
る固体燃料スラリ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） 要するに本発明は、アトマイザ噴霧孔において噴霧媒体
を軸方向および旋回方向の少なくとも２段以上に分割し
、かつ両者とも燃料孔よりも上流側に供給するようにし
たものである。すなわち、本発明は、固体燃料一液体混
合燃料と噴霧媒体をそれぞれの流路から合流混合して噴
霧孔から噴出させるアトマイザにおいて、噴霧媒体を噴
霧媒体流路で分割し、噴霧孔軸方向および旋回方向の少
なくとも２つ以上に分割して噴霧孔に供給するようにし
たことを特徴とする。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面および実験データにもとづ
き説明する。

第１図（Ｂ）は、本発明による固体燃料スラリアトマイ
ザの一実施例を示す側面断面図、同図（Ａ）は、その大
福方向の正面図である。用いたスラリ燃料はＣＷＭであ
る。この単孔アトマイザは、１本の噴霧孔６とバーナガ
ン中心軸から噴霧孔６と同軸に入る中心微粒化媒体管４
およびアトマイザ入口で微粒化媒体流路２から分割され
て噴霧孔６に旋回して入る２本の旋回微粒化媒体管５、
さらにバーナガンを環状にはしる燃料流路１から噴霧孔
６に導かれる２本の燃料管３から構成されている。なお
、図中７は旋回室である。ａは燃料、ｂは微粒化媒体で
ある。

中心微粒化媒体管４は、２本の旋回微粒化媒体管５の合
計断面積と等しくなるように噴霧孔入口に相当するしぼ
りの径を設定し、中心方向からと旋回方向からの微粒化
媒体（空気もしくは蒸気）が同一流量で噴霧孔に導かれ
るようにする。ただし旋回方向の微粒化媒体は２本にな
っているため各流速は中心方向のものよりも大きい。気
液比５％以上でかつ逆流することなしに噴霧孔内には噴
霧孔軸方向と旋回方向の微粒化媒体（空気もしくは蒸気
）の流れがつくり出される。

燃料管３は、噴霧孔６において旋回微粒化媒体（空５、
気もしくは蒸気）の出口の下流側にその出口を設ける。

このことによって、噴霧孔内で軸方向および旋回方向に
発達した微粒化媒体（空気もしくは蒸気）の流れの中心
にＣＷＭが吹き込まれることになる。従って燃料管から
供給されたＣＷＭは、微粒化媒体（空気もしくは蒸気）
と混合する前に噴霧孔の内壁に衝突することはない。

第２図は、噴出孔内の微粒化媒体（空気もしくは蒸気）
の流れとＣＷＭの流動状態を模式的に示したものである
。

従来型のヤトマイザとは異なり、噴霧孔内において微粒
化媒体（空気もしくは蒸気）が軸方向のみならず旋回方
向にも加わるため、ＣＷ’Ｍは旋回し、かつ低速で噴射
微粒化される。そのためＣＷＭ噴霧は噴霧断面内に液滴
が充満したまま広噴霧角となる。

第５図は、微粒化媒体として空気を用いて第１図に示す
ところの本発明のアトマイザにおける噴霧半径方向の液
滴分散量分布を、第４図に示す従来型アトマイザを単孔
として実験した結果と比較したものである。本発明のア
トマイザの方は、中心部へ液滴が集中することなく、か
つ半径方向への分散量も多い。この結果から本発明のア
トマイザを用いると空気との混合が良好でより均質で安
定な燃焼が行われることがわかる。

またＣＷＭは、噴霧孔内において空気から軸方向の乱れ
と旋回方向の乱れを同時に受けるために、５％以上の気
液比で効率の良い微粒化が行われる。

同一気液比における噴霧の粒径分布を従来型アトマイザ
のそれと比較した結果を第６図に示す。本発明アトマイ
ザによる噴霧では細かい粒径の頻度が高くかつ最大粒径
も小さい。この結果から灰中未燃分の低減が予測される
。

第７図は、微粒化媒体として空気を用い、小型炉での燃
焼実験における着火距離を比較したものである。着火距
離が従来型アトマイザと比較して１／４以下に短かくな
っており、第５図および第６図に示した微粒化特性の改
善効果が相乗し合って安定な燃焼状態が実現できたこと
がわかる。

さらに上記小型炉における燃焼実験では１７時間以上に
及ぶものであったが、ただの一度も目づまりが生じなか
ったし、瞬間的な目づまりとおぼしき火炎の吹き消え等
の異當は観察されなかった。

これは、噴霧孔内の空気の旋回運動が効果的に働いたも
のと考えられ、本発明アトマイザがいかに信頼性の高い
ものであるかの証左であるといえる。

単孔アトマイザで行った本実施例特有の効果としては、
騒音が小さかったことと微粒化媒体（空気もしくは蒸気
）の旋回は弱くても十分に効果が発揮されたことである
。

第８図には、同じく噴霧孔内に微粒化媒体（空気もしく
は蒸気）を軸方向と旋回方向から供給する二流体アトマ
イザではあるが、多孔化によるスケールアップのために
微粒化媒体流路に旋回室７を設けたアトマイザの構造を
示す。ＣＷＭはバーナガン内を環状に流れ、ＣＷＭ管か
ら噴霧孔に導かれる。噴霧孔中心軸方向の微粒化媒体（
空気もしくは蒸気）の供給法は第１図と同一であるが、
旋回方向の微粒化媒体（空気もしくは蒸気）は旋回室と
噴霧孔を接線位置で接続する旋回微粒化媒体管から供給
される。第１図に示したアトマイザ同様に、逆流を防ぎ
かつ９％以下の気液比で効率の良い微粒化が行われるよ
うに、中心微粒化媒体管４本の合計断面積と旋回室入口
断面積を等しくなるように設定した。

第９図および第１０図は、大型炉における実験結果であ
る。微粒化媒体として蒸気を用いた。第９図には、気液
比に対する灰中未燃分の変化を示す。同じ４孔の従来ア
トマイザと比較し灰中未燃分が半分程度に低減しており
、燃焼性が改善されたことがわかる。第１０図は、炭素
鋼（３４５Ｃ）およびステンレス鋼（ＳＵＳ　３０４）
を用いて従来型アトマイザと本発明アトマイザを製作し
、噴射燃焼実験の後に摩耗量を比較したものである。

本発明アトマイザでは摩耗量が極めて少ない。このこと
は、本発明アトマイザを用いてスラリ燃料を噴射する場
合、これまで耐摩耗性はよいもののその耐熱衝撃性が問
題となっていたセラミック製のスリーブも不要になるこ
とを示唆している。

本実施例は、多孔化によって容量の増大が可能であるこ
と、また旋回室を設けることで多孔アトマイザにおいて
も微粒化媒体（空気もしくは蒸気）の旋回が可能になる
ことでスケールアンプへの対応を示したものである。

（発明の効果） 本発明によれば、スラリ燃料の燃焼において問題となっ
ている微粒化性能が向上することにより、着火性が著し
く改善され、また灰中未燃分を１／２程度まで低減し、
燃焼性を向上させることができる。また従来型アトマイ
ザを利用した場合に問題であったアトマイザ噴霧孔内の
摩耗量が著しく向上したことから、耐熱衝撃性に問題の
あったセラミック製スリーブ等が不要となり、アトマイ
ザの信頼性も格段に高めることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）および（Ｂ）は、本発明になるバーナアト
マイザの一実施例を示す正面図および側面図、第２図は
、第１図に示すアトマイザになる噴霧孔内の微粒化媒体
の流動状態とスラリ燃料の分裂模様を示す図、第３図は
、従来型の単孔アトマイザを示す側面断面図、また第４
図は、従来型多孔アトマイザの単孔部の部分側面断面図
である。 第５〜７図は、それぞれ第１図に示す本発明アト図は噴
霧断面内の液滴分散量分布を示す図、第６図は、噴霧の
粒度分布を示す図、第７図は、燃焼炉における着火距離
と気液比の関係を示す図、第８図（Ａ）および（Ｂ）は
、本発明になるバーナアトマイザを多孔化し実施例を示
す側面断面図および正面図、第９図は気液比と灰中未燃
分の関係を示す図、第１０図は、気液比とアトマイザ摩
耗量の関係を示す図、第１１図（Ａ）および（Ｂ）は、
従来型多孔アトマイザの側面断面図および正面図である
。 １・・・燃料流路、２・・・微粒化媒体通路、３・・・
燃料管、４・・・中心微粒化媒体管、５・・・旋回微粒
化媒体管、６・・・噴霧孔、７・・・旋回室、ａ・・・
燃料、ｂ・・・微粒化媒体、Ｃ・・・軸方向流れ、ｄ・
・・旋回方向流れ。 代理人　弁理士　川　北　武　長 第１因 （Ａ）　　　　　　　　　　　　（Ｂ）７・・・旋可ｒ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）固体燃料一液体混合燃料と噴霧媒体をそれぞれの
   流路から合流混合して噴霧孔から噴出させるアトマイザ
   において、噴霧媒体を噴霧媒体流路で分割し、噴霧孔軸
   方向および旋回方向の少なくとも２つ以上に分割して噴
   霧孔に供給するようにしたことを特徴とする固体燃料ス
   ラリアトマイザ。
2. （２）特許請求の範囲第１項において、噴霧孔軸方向と
   旋回方向を合計した噴霧媒体の供給量が気液比にして５
   ％以上であることを特徴とする固体燃料スラリアトマイ
   ザ。
3. （３）特許請求の範囲第１項において、噴霧孔軸方向（
   中心方向）の噴霧媒体供給管と旋回方向からの噴霧媒体
   供給管の断面積を等しくしたことを特徴とする固体燃料
   スラリアトマイザ。
4. （４）特許請求の範囲第１項において、噴霧媒体を噴霧
   孔に導く場合の媒体流路径を縮小し、旋回方向からの媒
   体を燃料よりも上流側で供給するようにしたことを特徴
   とする固体燃料スラリアトマイザ。