JPH0447209B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は固体粒子を含む液体状燃料、特に石炭
水スラリを噴霧するアトマイザを備えた燃焼装置
に係り、特に、高圧の空気又は蒸気等の噴霧媒体
によつて石炭水スラリを霧化する構造の固体粒子
を含む液体状燃料燃焼装置に関する。

〔従来の技術〕

石炭の流体化技術の一つに石炭水スラリがあ
る。これらは、微粉炭に代わる新しい石炭の利用
形態であり、電力用又は産業用ボイラへの利用が
進められている。石炭水スラリは、石炭は従来の
石油系燃料と同様に、ポンプでバーナまで供給で
きるために、微粉炭の空気搬送と比較して流量制
御の簡便さと燃料供給管径の縮小などの輸送面の
利点がある。また、ボイラ用の燃料として石炭水
スラリを考えると、燃料の発熱量を高くする必要
性から、石炭水スラリに含まれる石炭の濃度を62
〜70重量％に高くした高濃度の石炭水スラリがボ
イラ用燃料として用いられている。

さて、このような流体として取扱い可能な石炭
水スラリを燃焼する際には、液体状の石炭水スラ
リを微小な噴霧粒子にまで小さくするアトマイザ
が必要となる。石炭水スラリは石炭粒子を含み、
また高粘度の流体であるため、アトマイザには空
気又は蒸気を噴霧媒体として用いて、気体の運動
エネルギで石炭水スラリを微小粒子にまで噴霧す
る二流体にアトマイザが主として用いられてい
る。

二流体のアトマイザは種々の構造が提案されて
いるが、特に石炭水スラリ等の石炭粒子を含む流
体用のアトマイザが、特開昭58−179714号公報に
記載されている。この公報に記載されているアト
マイザは、直線状に延びた石炭水スラリ流路の内
壁接線方向に開口する噴霧媒体供給孔を設けたア
トマイザである。これは、旋回流で噴出された噴
霧媒体が石炭スラリと衝突し、両者を良く混合さ
せることによつて、噴霧媒体の持つ旋回力と乱流
によるせん断力を用いて石炭水スラリを噴霧する
原理に基づく。しかし、アトマイザの噴霧容量を
増加すると、噴霧媒体は石炭水スラリ流路中心部
にまで貫通することができず、石炭水スラリと噴
霧媒体の混合は良好にして噴霧全体を微小の噴霧
粒子にするという点について配慮されていなかつ
た。

また、噴霧媒体流路のある点に角度を持つて石
炭水スラリ流路が接する構造のアトマイザが知ら
れており、一般にＹ−ジエツト型アトマイザと呼
ばれている。この種のアトマイザに関するものと
しては実開昭59−186626号公報、実開昭60−
12019号公報等と数多く提案されている。これら
の公報に記載されるアトマイザは、石炭水スラリ
流路から供給された石炭水スラリの流れに衝突す
る噴霧媒体の運動量と乱れ等で噴霧流を形成しよ
うとするものである。この種のアトマイザは、石
炭水スラリが噴霧媒体流路の内壁に接触し膜を形
成し、その膜が噴霧媒体流路のアトマイザの噴霧
する雰囲気側の端面で膜が切れる現象が良く観察
される。この端面に形成された膜からの微粒化
は、空気流速が低下した条件下で生ずるため粗大
粒子を生成するが、この点に関する配慮はなされ
ていなかつた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

以上説明した従来技術は、噴霧媒体の流速を増
加することで石炭水スラリの噴霧粒子径を小さく
することを試みているが、噴霧媒体と石炭水スラ
リが良好に混合せぬことに起因する200μｍ以上
の粗粒の生成は低減されていない。また、噴霧媒
体を高速で噴出することによつて、選択水スラリ
噴霧粒子速度は２百数十ｍ／ｓで噴出されてい
る。一般に噴霧粒子の速度は、噴霧粒子径、粒子
の初速度、粒子まわりのガス流速等で定まり、高
速で噴出された粗粒子ほど粒子速度の減衰は小さ
いことが知られている。このため、噴霧の粗粒子
は着火することなく火炎の着火面を通過し、速度
が十分に減速されて初めて着火するのである。こ
のために、粗粒子の火炉内での燃焼の滞留時間は
短く粗粒子は火炉内で燃焼を完了できずに排出さ
れ、燃焼率が減少するという問題を生ずる。

一方、噴霧粒子の着火時間は、粒子内の水の蒸
発に要する時間と、粒子が粒子まわりの雰囲気に
応じた火炎伝播速度に等しくなるまでに要する時
間を比較して長い方の時間に等しくなる。100μ
ｍ以上の粗粒子の着火時間は水の蒸発が律則であ
るのに対し、数10μｍ以下の粒子は粒子速度の減
衰に要する時間が律則となる。石炭水スラリの噴
霧の着火は、一般に数10μｍ以下の微小粒子の着
火で定まるため、火炎の着火は粒子速度の減衰に
要する時間で定まる。このため、噴霧粒子が初速
度二百数十ｍ／ｓで噴出されると、噴霧粒子速度
が減衰するに要する時間が長く、噴霧粒子と燃焼
用空気の混合が十分に進んだ後に着火することに
なる。これは、火炎内に局所的な空気比分布が形
成されず、火炎がいたる所で火炉出口の空気比と
等しい条件で燃焼していることを意味する。この
ため、石炭の燃焼はNOxを生成する反応のみが
進行し、NOx濃度が高くなる問題がある。すな
わち、噴霧粒子が二百数十ｍ／ｓで噴出される
と、火炎内に局所的な空気比分布を形成すること
なく燃焼し、排ガス中のNOx濃度が増加する問
題が生ずる。

また、燃料である石炭水スラリの流動特性は、
水や油等のニユートン流体と異なり、一般に非ニ
ユートン流体である。非ニユートン流体は粘度が
せん断速度で変わるという性質を有する。非ニユ
ートン流体の中に、せん断速度の増加とともに粘
度が増加するダイラタント流体と、せん断速度の
増加とともに粘度が減少する擬塑性流体の二種類
がある。石炭水スラリは、その石炭粒子の粒径分
布、石炭粒子の性状等によつて、擬塑性流体とダ
イラタント流体の石炭水スラリに分かれる。一
方、空気等の噴霧媒体で石炭水スラリを微粒化す
る際に、石炭水スラリは10³〜10⁶S^-1程度の非常
に高いせん断力を加えられる。このため、ポンプ
でも石炭水スラリを送る時の見掛の粘度が等しく
とも、ダイラタント流体の石炭水スラリは見掛の
粘度が高い状態で微粒化し、擬塑性流体の石炭水
スラリは見掛の粘度が低い状態で微粒化している
ことになる。一般に石炭水スラリが微粒化される
際の噴霧平均粒径は、粘度の影響を受け、粘度の
高い石炭水スラリほど噴霧の粒子径は大きくな
る。特に石炭水スラリの流れ方向に平行に噴霧媒
体が噴出される場合は顕著に粘度の影響を受ける
のである。すなわち、液膜や液柱を形成するよう
に石炭水スラリを噴出し、この石炭水スラリの流
れ方向と平行に噴霧媒体を噴出する場合、ポンプ
でアトマイザへ送る際の石炭水スラリの見掛けの
粘度は等しいにもかかわらず、ダイラタント流体
の石炭水スラリの噴霧の平均粒径は擬塑性流体の
石炭水スラリより大きくなる現象を生ずるのであ
る。このため、ダイラタント流体の石炭水スラリ
の噴霧の平均粒径を擬塑性流体の石炭水スラリと
同等にするためには、ダイラタント流体の石炭水
スラリをポンプで送る際の見掛の粘度を擬塑性流
体の石炭水スラリより低くしなければならず、ア
トマイザで石炭水スラリの性状が制約され、又は
石炭重量濃度を低くした石炭水スラリを使用しな
ければならないという問題が生ずる。

本発明の目的は、固体粒子を含む液体状燃料の
流動特性に頼らず良好に微粒化でき、また、アト
マイザから噴出する噴霧粒子の速度を低減すると
ともに粗大噴霧粒子の生成を防止する燃焼装置を
提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

前記目的は、固体粒子を含む液体状燃料と噴霧
媒体とを混合して噴出するアトマイザを備えた燃
焼装置において、該アトマイザは固体粒子を含む
液体状燃料を環状の流れにして該固体粒子を含む
液体状燃料の液膜を形成する液膜形成手段と、前
記噴霧媒体をアトマイザ出口噴出孔の近傍にて出
口方向へ向かつて斜めに噴出させて前記液膜に衝
突させ固体粒子を含む液体状燃料を微粒化する微
粒化手段とを有することによつて達成される。

噴霧媒体は、アトマイザ出口噴出孔の端面に衝
突するように噴出させることが望ましく、それに
よつて固体粒子を含む液体状燃料を更に微粒化す
ることができる。

噴霧媒体は、固体粒子は含む液体状燃料の環状
の流れの円周面に対して接線方向に噴出させて該
環状の流れに旋回流を与えることが望ましく、こ
れによつて固体粒子を含む液体状燃料と噴霧媒体
の混合をよくして粗大粒の生成を抑制することが
できる。

アトマイザ出口噴出孔の近傍には、噴霧媒体の
衝突によつて微粒化された固体粒子を含む液体状
燃料を末広がり状に拡大して放出する拡大部を有
することが望ましく、これによつて拡大部に噴霧
粒子を衝突させて更に微粒化できると共にアトマ
イザの下流に噴霧粒子の循環流を形成して安定な
火炎を形成することができる。

〔作用〕

中心部を燃料が流れることを阻止し、外周部を
燃料を流れるように構成した石炭水スラリのノズ
ルは、石炭水スラリを液膜状にしてアトマイザ内
に設けられた混合室へ供給する。それによつて、
液膜状の石炭水スラリは良好に噴霧媒体と接触で
きるので、石炭水スラリの質量流量と噴霧媒体の
質量流量の比（以下、気液流量比と称する）は局
所的な差がなくなる。このため、部分的に気液流
量比が小さくなつたことに起因する粗粒の生成を
防止することができる。

また、噴霧媒体孔から供給される噴霧媒体は、
石炭水スラリの液膜をよぎる角度に噴出する。そ
れによつて、噴霧媒体が高速で流れることで生ず
る乱流による振動を液膜へ伝え、液膜の乱れで微
粒化する。さらに、高速の噴霧媒体が液膜をよぎ
るために、噴霧媒体の運動量によつて効果的に液
膜を分裂せしめることができるのである。液膜へ
平行に噴霧媒体を噴出する場合の微粒化は、主と
して液膜へ与える乱れの力で生じたのに対し、噴
霧媒体が液膜をよぎる角度に噴出する方法は、液
膜へ与える乱れの力、及び、噴霧媒体の運動量に
よる力と、２つの力を用いて石炭水スラリを微粒
化している。このため、石炭水スラリの噴霧の平
均粒径は石炭水スラリの流動特性の影響を受けに
くいのである。

噴霧媒体孔は液膜にある角度を持つとともに、
さらに、混合室の内壁の接線方向でかつ混合室の
端面をねらう角度で開孔されている。端面をねら
う角度に開孔された噴霧媒体孔から噴出する噴霧
媒体は、アトマイザの端面に衝突する。このと
き、石炭水スラリの液膜と噴霧媒体が接触した際
に生じた噴霧粒子は、噴霧媒体の流れに同伴され
てアトマイザの端面に激しく衝突し、再び噴霧媒
体の運動量による力によつて微粒化されるのであ
る。すなわち、端面をねらう角度に噴出した噴霧
媒体は、アトマイザの端面に衝突することによつ
て、石炭水スラリの段階的な微粒化を促進せし
め、極めて詳細な噴霧粒子として燃焼室内へ分散
させることができるのである。また、噴霧媒体
は、混合室内で旋回流を形成した後にアトマイザ
の端面へ衝突して、燃焼器内へ噴出する。それに
よつて、噴霧媒体は、それ自身の持つエネルギー
を効果的な微粒化の促進に使用した後に、旋回流
をなしてアトマイザから噴出するので、噴霧の粒
子速度を従来のアトマイザよりも早く減速でき、
石炭水スラリ噴霧粒子の着火性を良好にすること
ができる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図により説明す
る。第１図は本発明によるアトマイザの一例の断
面図である。第６図は第１図のアトマイザの側面
図である。本実施例のアトマイザは、噴霧媒体供
給管１１、液体状燃料となる石炭水スラリ供給管
１２、アトマイザ本体１３、噴霧媒体流路１４、
混合室１５、二つのノズルチツプ１６，１８、二
つのノズルチツプ押え１７，１９、ノズルチツプ
取付座２０からなる。アトマイザ本体１３は、中
心部の円筒状粒路内にノズルチツプ取付座２０を
有する。石炭水スラリ供給管１２（第１の流路）
によりアトマイザ本体１３へ供給された石炭水ス
ラリは、アトマイザ本体１３の中心部に設けたノ
ズルチツプ取付座２０外周とこの外周に形成され
た円筒の流路を経て混合室１５（環状の第２の流
路）に供給される。混合室１５はアトマイザ本体
１３へ供給された石炭水スラリと噴霧媒体を良好
に混合した後に、下流側に開孔された円環状の噴
出孔から燃焼器（図示せず）内へ石炭水スラリ噴
霧を放出するのである。

噴霧媒体は、噴霧媒体供給管１１の中に設けら
れた石炭水スラリ供給管１２で構成された円環状
の流路を経てアトマイザ本体１３へ供給される。
その後、噴霧媒体はアトマイザ本体１３内の噴霧
媒体流路１４を経て混合室１５内へ供給される。
この時、噴霧媒体流路１４は、混合室１５内壁の
接線方向で、かつ、混合室１５の内壁と噴霧を放
出する場所側のアトマイザの外面で定義される端
面をねらう角度で噴出される。

高速で噴霧される石炭水スラリ粒子で混合室１
５の壁面が摩耗しにくいように、混合室１５の壁
面は、セラミツクスのノズルチツプ１６、及び、
ノズルチツプ１８で保護されている。ノズルチツ
プ１８は、円環状の混合室１５の外周側の壁面を
保護し、また、ノズルチツプ押え１９にてアトマ
イザ本体１３に取付けられている。一方、ノズル
チツプ１６は、円環状の混合室１５の内周側の壁
面を保護し、また、ノズルチツプ押え１７にてア
トマイザ本体１３に取付けられている。

ノズルチツプ１６の断面の形状は円形に限るも
のでなく、角型、非対称形等を用いることがで
き、端面もまた円柱面の他凸面、凹面、円錐面等
を目的に応じて任意に選ぶことができる。ノズル
チツプの他の例は第２図に示すような一端円錐台
状のノズルチツプ２６である。この場合、ノズル
チツプ１８で微粒化促進された噴霧粒子が再度ノ
ズルチツプ２６へ衝突するように、末広がり状に
形成した円錐台の燃焼器側の直径d₁とアトマイザ
の上流側の直径d₂の比および円錐台の長さｌと噴
霧媒体の噴出速度の大きさによりノズルチツプ18
の外端とノズルチツプ２６の外端との間の距離ｈ
とをノズルチツプ２６外端での噴霧媒体流速が最
大なるように選び、噴霧粒子の衝突板として用い
れば、噴霧媒体の衝突エネルギー、噴霧媒体の乱
流の乱れエネルギー、ノズルチツプ２６表面近傍
での噴霧媒体の圧縮膨張の振動エネルギーを石炭
水スラリ粒子の再微粒化のために有効に用いるこ
とができる。また、同時に、第６図に示すように
噴霧粒子をアトマイザの中心軸からある角度を持
たせた方向に噴出することによつて、ノズルチツ
プ２６の下流側に循環流が形成され、噴霧の粒子
速度はノズルチツプ１８の口径の３倍の点で百数
十ｍ／ｓ以下と従来のＹ−ジエツト型アトマイザ
等に比べて１／２〜１／３に低減される。この噴
霧粒子速度の低減と循環流の形成の相乗効果によ
つて、火炎の噴霧粒子に対する輻射、対流伝熱は
促進され、石炭水スラリに含まれる水の蒸発時間
及び石炭水スラリ粒子の着火に要する距離が短く
なつて、バーナから火炎がリフトしていない安定
な火炎を形成することができる。

第３図は本発明によるアトマイザーの一例の断
面図であり、混合室が一つの場合について示して
いる。本実施例のアトマイザは、噴霧媒体供給管
１１、石炭水スラリ供給管１２、アトマイザ本体
１３、噴霧媒体流路１４、混合室１５、ノズルチ
ツプ１８、ノズルチツプ押え１９、石炭水スラリ
ノズル３１、噴霧媒体室３２からなる。アトマイ
ザ中心に配された円筒は噴霧媒体を供給する噴霧
媒体供給管１１である。噴霧媒体供給管１１を内
管とし、同心円状に配された外管で構成された円
環状の流路は石炭水スラリを供給する石炭水スラ
リ供給管１２である。噴霧媒体供給管１１及び石
炭水スラリ供給管１２の下流側にアトマイザ本体
１３が位置する。アトマイザ本体１３の中心に
は、一端が噴霧媒体供給管１１に接続された円筒
状の噴霧媒体室３２を有し、その噴霧媒体室３２
の下流側の一端の円板は複数個の噴霧媒体孔１４
を有する。噴霧媒体孔１４は少なくとも１つの同
心円状に配置されている。

石炭水スラリはアトマイザ本体１３内を通過し
て、ノズルチツプ１８と噴霧媒体室３２の下流側
の一端の円板で構成されたすきまの石炭水スラリ
ノズル先端３１に至る。

ここで、噴霧媒体孔１４から供給された噴霧媒
体と、石炭水スラリノズル先端３１から供給され
た石炭水スラリは、アトマイザの中心に配された
一端開放の円筒状の混合室１５で良好に混合され
る。混合室１５の開放されている一端は石炭水ス
ラリの噴霧粒子を燃焼器側へ放出する噴霧孔であ
る。また、噴霧媒体孔１４は、噴霧媒体１４が混
合室１５内で旋回流を形成し、かつ、混合室の外
端の端面をねらう角度に設置されている。本実施
例では、噴霧媒体の噴流のなす旋回半径（以下、
仮想円径と称する）が、混合室の内径の１／４〜
１／１で、混合室の外端の端面をねらう角度が、
アトマイザの中心軸に対して15°〜80°である条件
で噴霧の平均粒径を小さくできた。

また、混合室１５の円筒状の外壁となるノズル
チツプ１８は、高速の噴霧粒子によるアトマイザ
の摩耗を防止するようにセラミツク等の高度の高
い耐摩耗性材料でできている。ノズルチツプ１８
はノズルチツプ押え１９にてアトマイザ本体１３
に取付けられている。

また、噴霧媒体は混合室へ、旋回流で噴出され
るとともに、混合室の外端の端面をねらう角度で
噴出される。このため、噴霧媒体は混合室１５の
円筒状の内壁を均等に流れるので、噴霧媒体と石
炭水スラリの質量流量比を混合室１５内で均等に
することができ、局所的な粗大噴霧粒子の生成を
防止できる。さらに、この旋回流は、燃焼室内に
ても保存されるため、アトマイザの下流に再循環
流を形成し、火炎からの輻射・対流伝熱を促進し
て、石炭水スラリ噴霧粒子の水の蒸発促進及び着
火に要する時間の短縮に寄与する。

さらに、噴霧媒体は混合室１５の外端の端面に
激しく衝突するので、噴霧粒子の再微粒子化に効
果がある。

噴霧媒体流路１４の配列の仕方は円形に限つた
ものではなく、少なくとも二重の同心円状、内側
と外側の噴霧媒体の噴出孔を正逆の旋回とする等
目的に応じて任意に選ぶことができる。噴霧媒体
流路の他の例は第４図に示すような二重の同心円
状に配列した噴霧媒体流路４１である。中心部と
外周部の噴霧媒体孔へ供給される噴霧媒体は、独
立に制御することができる。例えば、石炭水スラ
リの供給量を低くして低負荷で噴霧燃焼する時に
は、外周部の噴霧媒体孔のみから噴霧媒体を供給
する。この操作は、噴霧媒体の噴出速度を極端に
低くすることなく石炭水スラリを噴霧できるため
に、一般のアトマイザにありがちな、低負荷時の
噴霧粒径の増加や石炭水スラリの質量流量に対す
る噴霧媒体の質量流量の比の増加といつた問題を
起こさずに、良好に石炭水スラリを燃焼できるの
である。別の例では、外周部と中心部の噴霧媒体
孔の噴出角度を変える。このとき外周部と中心部
の噴霧媒体流量割合を変化すれば、混合室１５内
の旋回強度が増減し、アトマイザから噴出する噴
霧粒子の軌跡を燃焼条件に適するように制御する
ことができる。

石炭水スラリノズルの他の例は第５図に示すよ
うなノズル内部に石炭水スラリの流れに旋回成分
を発生させる、所謂、旋回器５１を取付けた石炭
水スラリノズルである。噴霧媒体の旋回方向に対
して、正、逆の旋回方向を取り得る。例えば、噴
霧媒体の旋回方向に対して逆旋回方向の石炭水ス
ラリノズルとすれば、石炭水スラリの噴出速度と
噴霧媒体の噴出速度との相対速度は大きくなつ
て、石炭水スラリと噴霧媒体の混合はより一層激
しくなる。このため、噴霧粒子の平均粒径はさら
に一層低減することができるのである。

以上の説明は、石炭水スラリを対象としたアト
マイザについて述べたが、本発明はこれに限定さ
れるものではなく、従来の石炭・油スラリのアト
マイザとしても使用可能である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、局所的な気流流量比の変化を
小さくすることができるので、従来のアトマイザ
に比べて噴霧の平均粒径を４／５〜２／３の約50
〜100μｍにすることができる。また、固体粒子
を含む液体状燃料の流動特性の影響を受けにくく
噴霧粒子を生成できるので、固体粒子を含む液体
状燃料の選択が広くなるとともに、燃料の流動特
性に応じた燃焼方法をとる必要のない効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のアトマイザの第１の実施例を
示す断面図、第２図は本発明のアトマイザの他の
実施例を示す縦断面図、第３図乃至第５図は本発
明アトマイザの夫々の実施例を示す縦断面図、第
６図は第１図に示すアトマイザの側面図である。 １１……噴霧媒体供給管、１２……石炭水スラ
リ供給管、１３……アトマイザ本体、１４……噴
霧媒体流路、１５……混合室、１６……ノズルチ
ツプ、１７……ノズルチツプ押え、１８……ノズ
ルチツプ、２０……ノズルチツプ取付座、２６…
…ノズルチツプ、３１……石炭水スラリノズル、
３２……噴霧媒体室、４１……噴霧媒体流路、５
１……石炭水スラリノズル。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 固体粒子を含む液体状燃料と噴霧媒体とを混
   合して噴出するアトマイザを備えた燃焼装置にお
   いて、 該アトマイザは固体粒子を含む液体状燃料を環
   状の流れにして該固体粒子を含む液体状燃料の液
   膜を形成する液膜形成手段と、前記噴霧媒体をア
   トマイザ出口噴出孔の近傍にて出口方向へ向かつ
   て斜めに噴出させて前記液膜に衝突させ固体粒子
   を含む液体状燃料を微粒化する微粒化手段とを有
   することを特徴とする固体粒子を含む液体状燃料
   の燃焼装置。 ２ 特許請求の範囲第１項において、前記噴霧媒
   体をアトマイザ出口噴出孔端面に衝突するように
   噴出する前記微粒化手段を有することを特徴とす
   る固体粒子を含む液体状燃料の燃焼装置。 ３ 特許請求の範囲第１項において、前記固体粒
   子を含む液体状燃料の環状の流れの内周面に対し
   て接線方向に前記噴霧媒体を噴出して該環状の流
   れに旋回流を与える前記微粒化手段を有すること
   を特徴とする固体粒子を含む液体状燃料の燃焼装
   置。 ４ 特許請求の範囲第１項において、前記アトマ
   イザ出口噴出孔近傍に、前記噴霧媒体の衝突によ
   つて微粒化された前記固体粒子を含む液体状燃料
   を末広がり状に拡大して放出する拡大部を有する
   ことを特徴とする固体粒子を含む液体状燃料の燃
   焼装置。