JPH0820062B2

JPH0820062B2 - 二流体アトマイザ

Info

Publication number: JPH0820062B2
Application number: JP61192368A
Authority: JP
Inventors: 一教佐藤; 邦夫沖浦; 彰馬場
Original assignee: バブコツク日立株式会社
Priority date: 1986-08-18
Filing date: 1986-08-18
Publication date: 1996-03-04
Anticipated expiration: 2011-03-04
Also published as: JPS6349612A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は二流体アトマイザに係り、特にスラリ燃料の
高効率、低公害燃焼化を達成し、大容量化（スケールア
ップ）を図った二流体アトマイザに関する。

〔従来の技術〕

CWM（高濃度石炭・水スラリ）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。着火性の悪さの原因は、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。未燃分の増加を招く原因としては未解明な
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、水分によって燃焼温度が低下するためで
ある。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（しかも高温にならな
い）NOx排出を抑制するのが難しいともいわれている。
したがってCWMの燃焼効率を微粉炭並みまで上昇させる
には噴霧性能に優れ、かつCWMの燃焼に適したアトマイ
ザを開発することが不可欠である。

第13図及び第14図の従来の二流体アトマイザの代表例
である内部混合式アトマイザの軸方向断面図を示す断面
図及び平面図である。

第13図において、CWMを噴出孔８より噴出させるアト
マイザチツプ本体１の底部には、燃料２を導入する燃料
ノズル４、微粒化媒体３を導入する微粒化媒体供給孔
５、および燃料２と微粒化媒体３を混合する気液衝突孔
６の各々を備え、混合体をアトマイザチップ本体１の混
合室７へ供給するインタメディエイトプレート10が配設
され、このインタメディエイトプレート10に対しアトマ
イザチップ本体１がキャップナット９によって一体的に
結合されている。

第13図に示すアトマイザでは、インタメディエイトプ
レート10の中心に開口する気液衝突孔６で燃料２と微粒
化媒体３を合流混合させて１次微粒化を行わせ、次いで
混合室７で滞留させた後に、噴出孔８より噴射微粒化し
ている。

尚、この種装置に関するものとして、第13回液体微粒
化に関する講演会講演論文集（昭60/8）41頁、三菱重工
技法Vol.22,No.5（1985−９）664頁、石川島播磨重工技
法Vol.25,No.（1985−９）308頁に記載のものがある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、従来のアトマイザにあっては、CWMを燃料と
した場合、低質であるため混合が十分になされない。ま
た、混合室が１つであるため大容量化の際、室内で燃料
と微粒化媒体の分離が生じやすく、各噴出孔に流量を均
等に配分することができず、各噴出孔における微粒化が
不均質になり易い。この結果、燃焼火炎のゾーンコント
ロールが難しくなり、燃焼用空気の混合が不良になると
特に燃料比の高い石炭を利用したCWMでは低NOx燃焼が不
可能になるばかりか未燃分も激増してしまう。

さらに、燃料を低減する場合、噴出速度を低下させる
（火炎の吹き飛びを低減するため）べく微粘化媒体量を
減少させるが、これによって微粘化媒体の流速が低くな
るために気液の混合が不十分になり、微粒化が良好に行
われなくなると共に、噴出孔においても気液混合物の速
度が小さくなるため、微粒化が不良になる。このため、
ターンダウン比を大きくとることが極めて困難である。
事業用大型ボイラの場合は、バーナカットによって負荷
変動に対応することができるが、バーナ本数の少ない産
業用ボイラの場合になるとターンダウン比を大きくとれ
ないことが致命的になる。

本発明の目的は、上記した従来技術の問題点を解消
し、燃焼効率の向上と低公害化の向上を図った二流体ア
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に、本発名は燃料と微粒化媒
体をアトマイザ内で混合する二流体アトマイザにおい
て、燃料と微流化媒体との混合流体をアトマイザの外部
に噴出するためのアトマイザ噴出孔に隣接させて、その
同軸円周上にその噴出孔の孔径以下の複数の副噴出孔を
設けたものである。

〔作用〕

アトマイザ噴出孔では、噴霧粒径が比較的大きく、か
つ噴出速度が小さくなり、大容量の噴射に適している。
一方、副噴出孔では、噴出速度が大きくなる反面微粒化
が促進される。したがって、副噴出孔では着火アシスト
用の副噴出流が発生する。この状態においては、スラリ
燃料は、着火性及び保炎性の良好な燃焼となる。特にバ
ーナガン内筒をバーナ軸方向に移動自在とすると、気液
衝突距離が調整され、微粒化特性が制御される。

〔発明の実施例〕

以下、図面に基づいて本発明の実施例を説明する。

第１図及び第２図は本発明の第１実施例を示す断面図
及び噴出孔部分の平面図である。本実施例においては、
第14図と同一であるものには同一符号を用いている。し
たがって重複する説明を省略する。

本実施例においては、アトマイザチツプ本体１の火炉
側表面の同一円周上に開口する複数の噴出孔８が設けら
れ、この噴出孔８の同軸外周円上に第２図に示すように
噴出孔８の孔径よりも孔径を小さくした副噴出孔11が円
周方向に90度間隔で４ケずつ設けられている。この例に
おいては、バーナの中心軸12に対する噴出孔（噴出孔８
と各副噴出孔11）の拡がり角Θｉ（ｉ＝０〜４）は次の
如く設定される。

Θ_１＜Θ_０＝Θ_２＝Θ_３＜Θ_４ ……（１式）また、バーナの中心軸12に対する円周方向への傾斜角
は、本例ではいずれも０゜としている。

第３図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、噴出孔８と副噴出
孔11の組合せ配設例を示す平面図である。第３図（ａ）
は、各噴出孔において、バーナ中心軸12側及びアトマイ
ザチツプ外周側に副噴出孔11を同じ半径方向軸上に各１
ケずつ設けた例である。第３図（ｂ）は各噴出孔におい
て、アトマイザ外周囲側に３ケの副噴出孔11を狭い間隔
で開孔する例である。第３図（ｃ）は、第３図（ｂ）と
は逆に２個の副噴出孔11をバーナ中心軸12側に集めて構
成されている。尚、図中、13は噴出孔中心軸、14は副噴
出孔中心軸である。

副噴出孔11の孔径は噴出孔８の1/2程度にするのが好
ましい。すなわち、噴出孔径を4mmとすれば副噴出孔径
が2mm程度になるわけである。これ以上に副噴出孔径を
小さくすると、石炭粒子もしくは異物による目づまり等
が生じ、運転操作上問題になる可能性もある。

燃料比が高く含有Ｎ分を多い石炭種をスラリ化し、低
NOx燃焼させるためには、保炎を強化することが最も効
果的である。保炎性の向上は未燃分の低減すなわち燃焼
効率のアップにもつながる。（ちなみに、ボイラ用バー
ナの性能は、NOxと未燃分の排出量で評価されることが
多い。）本実施例における二流体アトマイザは、孔径の異なる
噴出孔を各々主噴出孔もしくは副噴出孔として利用して
おり、孔径が異なると微粒化用の作用にも相違が生じ
る。孔径が大きい場合は、噴霧粒径が比較的大きめにな
るものの噴出速度が小さい。また当然のことであるが、
大容量の噴射に適している。そのため、本実施例では、
孔径の大きい方の噴出孔を主噴出孔として用いる。一
方、孔径が小さくなると、噴出速度が大きくなる反面微
粒化が良好（噴霧粒径が小さく）になる。したがって燃
料アシスト用もしくは低O₂燃焼の噴霧用に好適である。

第４図及び第５図には、第１図に示すアトマイザを利
用した場合における２つの噴霧フローパターン例を模式
的に示す。第４図は、第３図（ｂ）に対応しており、ア
トマイザの半径方向外周囲に配置した孔径の小さな副噴
出孔11からの微細な、噴霧流15の外周囲で速やかに着火
させ良好に火炎保持する効果をねらったものである。こ
のような噴霧条件下では、燃焼用空気17の旋回供給によ
り、噴霧流15の中心に高温の還元炎16が形成され低NOx
燃焼が達成される。

第５図は第３図（ｃ）に対応する。噴霧流20の中心に
低O₂の還元火炎19がつくられるが、ここは高温にならな
ければ燃焼が遅れ、低NOxになる一方で未燃分が増大す
る危険もある。本例は、噴霧流の中心に微粒を集中して
燃焼を進めNOx未燃分の同時低減を図ろうとするもので
ある。なみ、第４図及び第５図中、18はスロートバーナ
である。

第３図における（ｂ）と（ｃ）の両効果を同時に合わ
せ持つように設計したのが第３図（ａ）に示す具体化例
である。燃焼アシスト−保炎用としてアトマイザの外周
側あるいは噴出孔８の円周方向（左、右）にも、燃焼促
進用の噴霧を行う副噴出孔11を設けている。

第６図は第１図の実施例と従来例における燃焼試験結
果を示し、NOxに対する灰中未燃分率特性が示されてい
る。従来のアトマイザと未燃分を同一レベルとして比較
すると、本発明のアトマイザはNOxが半分程度まで低減
されたことがわかる。さらに、同一NOxレベルで比較す
れば、未燃分は1/4程度にまで著しく減少する。

また本発明になるアトマイザは、上記した如く副噴出
孔11による強力な保炎作用を有するため、大容量化（ス
ケールアップ）が容易に可能になる。

第７図及び第８図は本発明の第２の実施例を示す噴出
孔部の要部断面図及び平面図である。本実施例はＹジェ
ット式アトマイザと呼ばれる中間混合式アトマイザの例
である。

アトマイザチツプ本体21の壁内の軸方向に燃料２が導
入される燃料供給孔22が設けられ、混合室と火炉側間を
貫通し、かつ燃料供給孔22に連通させて主混合噴出孔23
が設けられている。主混合噴出孔23の近傍には、これを
軸心として所定半径上に副混合噴出孔24が設けられてい
る。また、主混合噴出孔23の上流端には、主混合噴出孔
用微粒化媒体供給孔25が設けられ、この供給孔25に連通
して下流側に径が徐々に拡大する副噴出孔用微粒化媒体
供給孔26が設けられている。

本実施例は、構造上第３図（ｂ）と同様であり、した
がって、微粒化及び燃焼改善に対する効果は、前記実施
例と同様である。

第９図は本発明の第３の実施例を示す断面図である。
尚、本実施例においては、第１図と同一であるものには
同一引用数字を用いている。

アトマイザは、燃料２を流通供給するバーナガン内筒
32、微粒化媒体３である蒸気あるいは圧縮空気を流通供
給するバーナガン外筒31、燃料２と微粒化媒体を合流さ
せるインタメディエイトプレート10、アトマイザチツプ
本体１、及びインタメディエイトプレートを中間位置に
はさみ込みアトマイザチツプ本体１とバーナガン外筒31
を固定するキャップナット９を主として構成される。

アトマイザチツプ本体１には、混合室７の火炉側内壁
面から外表面方向において、同一円周上に複数の噴出孔
８が所定の間隔を有して開口している。また、混合室７
の内部には、インタメディエイトプレート10の方向から
混合室内側方向へ孔径を縮小し最小孔径を混合室７の内
径の1/2程度とする内混室内ノズル35がスプリングコイ
ル16によって上流側に付勢されるように挿入されてい
る。尚、このスプリングコイル36を利用せずに、アトマ
イザチツプ本体と内混室内ノズルを組立てることも可能
である。

バーナガン内筒32の先端に所定の広がり角度を有して
開口する燃料ノズル33より噴出する燃料２とインタメデ
ィエイトプレート10の微粒化媒体孔５より供給される微
粒化媒体３は、内混室内ノズル35のスロート表面で衝突
合流する。即ち、混合室７内へ入る直前の高せん断微粒
化領域でなされる。

バーナガン内筒32は、燃料負荷変動に対応させて、バ
ーナ外部からの操作によって軸方向に移動（微調整）可
能とする。つまり燃料ノズル33の出口と、内混室内ノズ
ル35のスロート表面あるいは微粒化媒体孔５の出口の距
離を変化させて１次微粒化特性を制御する。一般に、低
負荷時には両者の距離を小さくして微粒化を促進し、負
荷を上昇させるに伴って離すようにする。

一般に第13図に示されるような従来の内部混合式アト
マイザは、燃料と微粒化媒体が最初に衝突する１次微粒
化と、アトマイザチツプ本体の混合室に開口する噴出孔
での２次微粒化の両者の組み合わせによって、全体の微
粒化性能が決定される。これに対し本実施例のアトマイ
ザは、１次微粒化を制御することによって、負荷低下に
伴う微粒化性能の劣化を改善できる。

第10図は第９図の実施例における１次微粒化領域の形
成を示す説明図である。バーナガン内筒32の先端に開口
する燃料ノズル33から噴出される燃料２は、内混室内ノ
ズル35のスロート表面に衝突し、同時に微粒化媒体孔５
より高速で噴射される微粒化媒体３によって吹き飛ばさ
れるように微粒化する。そのため、燃料ノズル33の出口
とスロート表面とのクリアランスδが極めて重要な構造
上のファクタになる。すなわち、バーナガン内筒32を火
炉側に微小距離移動させてクリアランスδを小さくすれ
ば燃料２のスロート表面への衝突速度が微粒化し易い状
態となる。また、クリアランスδが減少するほど微粒化
媒体孔５より噴出する微粒化媒体が急加速されるように
なり、１次微粒化が促進されるようになる。

第11図及び第12図は噴霧平均粒径及び未燃分率U_Bの第
９図の実施例と従来例の比較特性図である。実缶の運転
と同様にして気液化（微粒化媒体に対する燃料の質量流
量比）を一定にしたまま、燃料流量変化に対する噴霧平
均粒径₃₂の変化を測定した結果である。なお、アトマ
イザは定格負荷1000Kg/hで設計している。１次微粒化制
御による第９図の構成のアトマイザは、負荷低下にもか
かわらず噴霧平均粒径₃₂がほぼ一定である。この実験
結果からは、気液比一定の条件でも、400Kg/hまで、す
なわち2/5の低負荷までターンダウン比を大きくとれる
ことが確認されたことになる。第12図は、燃焼試験によ
って灰中（フライアッシュ）未燃分率U_Bを測定した結果
を示す。従来型では、負荷の低下に伴いU_Bが急増するの
に対し、本実施例のアトマイザでは、U_Bの増加が１％程
度におさまっている。このU_Bの１％増加の原因は、微粒
化特性の制御が作用しなかったのではなく、負荷低下に
伴う炉内温度の低下に起因するものであり、むしろ１次
微粒化の制御によって、U_Bの上昇を最小限に抑制する効
果が確認されたといえる。

尚、高負荷時にクリアランスδを小さくすると、燃料
噴射圧力が上昇し、ポンプの能力限界を超えると共に、
危険防止の観点から見ても好ましくない。したがって、
このような制御をとるべきではない。

本実施例によって、負荷変動追従性を向上できるた
め、DSS（Dairy Start−Stop）等に対する石炭スラリ
燃料の利用範囲を拡大することができる。

本発明になる二流体アトマイザは、例示したCWMに止
まらず、他の殆ど全ての液体（あるいは流体化）燃料に
対しても、燃料負荷変動に対する追従制御性の効果を発
揮する。例えば、以下に該当する燃料を列挙する。

（１）軽油、Ａ・Ｂ・Ｃ重油（２）COM（石炭・油スラリ）（３）メタコール（石炭・メタノールスラリ）（４）PWM（石油コークス・水スラリ）（５）ピッチ・水スラリ（６）劣質残渣（例えばストレートアスファルト）この中で、特に（２）〜（５）はスラリ燃料であり、
比較的大きな固形粒子を含有する。そのため、第９図に
おいて、バーナガン内筒32先端の燃料噴出孔が開孔する
円錐形状面と内部混合室入口に設けられた衝突面との間
の距離を極度に狭めることが難しく（最小1.5mm程度）
なるので、設計上注意を要する。

以上示した各実施例によれば、着火安定性及び保炎性
の向上が図れるために、フライアッシュ、クリンカアッ
シュ等の灰中未燃分を低減することができ、燃焼性の劣
る高燃料比速（燃料比＝固定炭素／揮発分）を用いたス
ラリ燃料に対しても有利となる。さらに、バーナ近傍に
安定な高温還元ゾーンを形成できるため、NOxの低減を
図ることができる。

また、短炎化が可能になるため、ボイラ火炉を小さく
することができ、経済性の向上を図ることができる。

さらに、微粒化媒体量を低減できるため、ボイラ効率
の向上が図られ、補機動力費の削減が可能となる。ま
た、低過剰空気燃焼が可能になるため、硫黄分を多く含
有する炭種を用いても、低温腐食を招くことがない。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、着火が安定化し、保炎
性が向上するため、燃焼効率が向上し、低公害燃焼化を
図ることができると共に、スケールアップ（大容量化）
が図れる。また、燃料負荷変動に対応できるため、ター
ンダウン比を大きくとることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明の第１実施例を示す断面図及
び噴出孔部の平面図、第３図（ａ），（ｂ），（ｃ）は
噴出孔８と副噴出孔11の組合わせ配列例を示す平面図、
第４図及び第５図は第１図の実施例の噴霧フローパター
ンの２例を示す説明図、第６図は第１図の実施例と従来
の燃焼試験結果を示す灰中未燃分率特性図、第７図及び
第８図は本発明の第２実施例を示す要部の断面図及び平
面図、第９図は本発明の第３実施例を示す断面図、第10
図は第９図の実施例の１次微粒化領域の形成説明図、第
11図及び第12図は第９図の実施例と従来例の噴霧平均粒
径及び未燃分率の比較特性図、第13図は従来の二流体ア
トマイザを示す断面図、第14図は第13図の平面図であ
る。 1,21……アトマイザチツプ本体、４……燃料ノズル、５
……微粒化媒体孔、６……気液衝突孔、７……混合室、
８……噴出孔、11……副噴出孔、22……燃料供給孔、23
……主混合噴出孔、24……副混合噴出孔、25……主混合
噴出孔用微粒化媒体供給孔、26……副噴出孔用微粒化媒
体供給孔、31……バーナガン外筒、32……バーナガン内
筒、33……燃料ノズル、34……燃料流路、35……内混室
内ノズル、36……スプリングコイル。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃料供給路および燃料を微粒化するための
微粒化媒体供給路と、燃料供給路から供給される燃料お
よび微粒化媒体路から供給される微粒化媒体を混合する
混合室と、混合室内の混合流体を外部に噴出するアトマ
イザ噴出孔とを備えた二流体アトマイザにおいて、前記
噴出孔に隣接させて、その同軸円周上にその噴出孔の孔
径以下の複数の副噴出孔を設けたことを特徴とする二流
体アトマイザ。
【請求項２】前記バーナの中心軸に対する前記副噴出孔
の中心軸のバーナ半径方向もしくは円周方向への傾斜角
度の一方を、前記噴出孔の中心軸に一致させたことを特
徴とする特許請求の範囲第（１）記載の二流体アトマイ
ザ。
【請求項３】前記バーナの中心軸に対する前記副噴出孔
の中心軸のバーナ半径方向もしくは円周方向への傾斜角
度の各々を、前記噴出孔の中心軸に不一致させたことを
特徴とする特許請求の範囲第（１）記載の二流体アトマ
イザ。
【請求項４】前記バーナの内部に装着される燃料供給の
ためのバーナガン内筒をバーナの軸方向にへ移動自在に
配設し、微粒化媒体と燃料との衝突合流距離を可変自在
としたことを特徴とする特許請求の範囲第（１）記載の
二流体アトマイザ。
【請求項５】前記混合室の入口に、孔径が下流側に向か
って小さくなる入口部を有したノズルスロートを設けた
ことを特徴とする特許請求の範囲第（１）記載の二流体
アトマイザ。