JPS6214930A - 水混入式アトマイズ法 - 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〕 本発明は燃料油のアトマイズ法に係り、特にアスファル
トや液状ピッチ等々の劣質残渣を燃料油とし、こｎ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っ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ｎている
。また将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ｎている。

いす扛にせよ、限らｎた石油資源乞有利に利用するため
には、今後、アスファルトや液状ピッチなどに代表さｎ
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
勢になりっつある。

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。

したがって、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？可能にするグロセスン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ァルトについて説明する
。

アスファルトは輩素分が約０．４％とかなり高く、燃焼
により高濃度のｆｕｅｌ　ＮＯＸ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
分解と酸化によって８０２からｓ０３となり、低温排ガ
ス域で水分と結合して硫酸となり、ボイラチューブケ腐
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ｎている０、１〜１０μ扉
程度の高い煤塵濃度を示すことが知らｎ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
頼性低下ン招くことになるのは云うまでもない。更には
、アスファ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、こ扛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ケ
極力抑える燃焼方式を採用することが肝要となる。そｎ
Ｋは、伝熱面の低温及び高温腐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
、アスファルトが劣質であること乞考慮すると、単に過
剰空気率ケ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ＮＯｘ　、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
赤燐効率の向上を図ったバーナの採用が必要となる。

初て、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唄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、ＮＯｘ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
水を分散混合させろ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。

ＮＯｘの抑制に限ったこのエマルジョン法は、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　ＮＯｘ　　は火炎温度を低下させるこ
とにより抑制できるが、ｆｕｅｌ　ＮＯＸ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、ｆｕｅｌＮＯｘ
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ョン燃料中の水
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ＮＯｘ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
ッシング）を起こす。こｎ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、ＮＯｘ生成の抑制にも効果がある
と考えらｎている。付言するならば、エマルジョン法は
劣質油相アトマイザのＮＯｘ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じてもかなり効果的
である。こ扛は、特に上記原理（３）により、いわば予
混合火炎に近い状態’に！現できるためである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

こｎらの原理による工゛マルジョ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っては
、ＮＯｘ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、却っ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【ていないもの）が必要なことや、エマルジョン化す
るために見掛は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、従来のアスファルト燃焼技術では、アスファル
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ョン
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。

したがって、このようなアスファルトなどの劣質残渣油
の燃焼並びに水添加のエマルジョ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ｎ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
着火乞安定化し、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）　　残留固形物による犀耗対策からアトマイザ
の構造を簡単にする、 ＧＶ）　　水分の蒸発を速やかに行わせる、（Ｖ）　　
油−水の混合法（エマルジョン化法）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
欠点ン解消し、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、ＮＯｘ　ｙ！ｌ−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、本発明に係る水混入式エマルジ
ョン法は、アトマイザ内部において予熱した劣質燃料油
中に高温水？添加してエマルジョンをつくり出し、アト
マイザからの噴射に伴う減圧で過熱（雰囲気圧における
沸点以上の温度）状態となった水滴の突沸（フラッシン
グ）現象によって＃！料油？微粒化すること？骨子とす
るものである。

以下に本発明を実施例に基づいて拝細に説明する。

〔実施例〕

第１図は本発明の水混入式エマルジョン法の実施に用い
るアトマイザの構造例な示している。

このアトマイザは単孔式であり、予熱された劣質燃料油
ｌ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ｌ、内側が水４）に流扛、アトマイザチップ
３の内部で混合する。この場合、燃料油１の噴出圧力Ｐ
ｆ　よりも水の噴射圧力Ｐｗｉ高くし、水噴射ノズル５
から高温高圧水４をアトマイズチック３内の燃料油中に
吹き込む。

こうして油中で水の微細化を行い、油中水滴型のエマル
ジョンをつ＜９出−ｔ。

水は噴射後の雰囲気圧（図示しない燃焼器内の圧力）に
相当する飽和温度（すなわち沸点）以上に加熱されてお
り、微細化した水滴はアトマイザチップ３の絞り部６と
噴出孔７を通過する際の減圧によって過熱状態となり、
急激な突沸（フラッシング）を起こし５周囲の油？激し
くはじき飛ばして噴霧ン生成する。

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ョン
生成と、（２）圧力一温度の操作について更に詳述する
。

（１）　　アトマイズチップ３内では、流れる油と噴射
さｎ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
の釣合を表わすウェーバ数Ｗｅ。

すなわち、 ｐＤＵｒ鵞 Ｗｅ　　□ 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 で表示さ扛るが、一般にＷｅ＞８’Ｊｔ満足するように
Ｕｒを設定する。

したがって、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扛、混合微粒化が良好になる
。

また、Ｕｒを十分に大きくしてＷｅ７ａ’より大きくと
るためには、水４の噴射圧力Ｐｗと油ｌの噴射圧力Ｐｆ
と７ａ′Ｐ　ｗ　＞＞　Ｐ　ｆ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、孔径な小
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ｎた。

こｎは、突沸の引き金となる気泡核が主として液−液界
面に集っているものと考えらｎ、できるだけ油−水の界
面積な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っても、長いバーナガ
ン内乞並行的に流ｎるうちに熱交換さｎ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ｎ以上の温度になると、アトマ
イザチップ３内の油中で水が沸騰してアトマイザの圧力
が上昇し、ベーパロック現象を生じ、供給圧力の高い水
のみの噴射になっ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（Ｔ＋→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　Ｙ：変化させたときの実験結果である。液
温かＴｍに近づくにつｎて急激に水流量比Ｑｗ／Ｑｔｏ
ｔ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　ｊり５〜２
０℃低い温度が好ましい。

以上のことかられかるように、本発明の水混入式アトマ
イズ法は、アトマイズチップ内で瞬時に水と油をエマル
ジョン化することと、水の突沸を利用して噴ｇｉｔつく
り出すことに特長がある。したがって、二流体噴射弁の
ように気体の微粒化媒体？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（質景）Ｍｗと全体流量（水と
燃料を合わせた質量流量）　Ｍｔｏｔとの比Ｍｗ／Ｍｔ
ｏｔに対する体面積規準の噴霧平均粒径ｉ３２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
フィンを用いた。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ョンの見
掛は上の粘度が高くなり、ｄ！２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ｄ　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ｎていく。

第５図にはｄＳＳ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、ｄａｔが小さい
ときはＵｊが高く、またＵｊヲ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、微粒化媒体な用いないため、ｄ３２とは無
関係にｔｇ　　が極めて小さく、着火が著しく容易にな
る。

第６図〜第８図は直径２Ｊ、長さｌＱｍの中盤の燃焼炉
におけるストレートアスファルトの２００ｋｌ？／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、ＮＯｘ、　ＳＯｓの濃度を測定し
た。燃料は２３０℃の予熱な行ったため、二流体アトマ
イザの下では通常のエマルジョン化が不可能であった。

本発明によれば、特に煤塵濃度ケ６０％近くも低下させ
ることができる。

また、従来、煤塵とＮＯＸの排出特性には麗腹な関係が
あって、共に低下させることが難しいと云わｎていたが
、本発明によｎば、ＮＯｘのみならずＳ０３までも低下
させること？可能にしている。

総じて、本発明はＮＯｘやＳＯｓ　’ｒ：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、プラスチック焼却の場合につ
いて示す。

廃棄さｎたプラスチッ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ｎても溶融
プラスチックが空気による急加速で細い糸状に伸ひてし
まい、納豆の糸が束になったように噴射され、未撚のま
ま炉床に落下し、これまでのところ、艮好な燃焼が実現
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
チックをその内部から水滴の突沸ではじき飛ばすので、
は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【ている。

なお、これまでも燃料のエマルジョン化は煤発生の防止
対策として知らｎている。第９図は、燃料が軽油−水エ
マルジョンであるが、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ｎば、二流体アトマイザ使用
の場合に比べて発生煤濃度が６０〜７’０％近くも低下
するという顕著な効果が得られている。こｎ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“１
ｌＩＪｔ霧が得らｎ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１本発明の水混入式アトマイズ法は
、アトマイズチッ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乞つくジ出すため、
空気や蒸気などの微粒化媒体、ミキサ並ひに乳化促進剤
が不要となり、経済的に優ｎ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、ＮＯｘ　＋ＳＯｓ　ｖ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な表わす図、ｗｃ４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、ＮＯＸ濃度、
Ｓ０３濃度及び発生煤濃度の関係ン示す図である。 ｌ・・・燃料油、３・・・アトマイザチップ、４・・・
水、５・・・水噴射ノズル、６・・・絞９部、７・・・
アトマイザ噴出孔。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）アトマイザを用いて、水に不溶性で、かつ、沸点
   の高い油、溶融プラスチック等の劣質残渣燃料油に水を
   添加して微粒化する方法において、前記水を該アトマイ
   ザからの噴射後の雰囲気圧に相当する飽和温度以上に加
   熱して混合し、噴射に伴う減圧で過熱水滴を突沸させる
   ことにより、該燃料油を微粒化することを特徴とする水
   混入式アトマイズ法。
2. （２）前記水として高温加圧水を用いることにより、ア
   トマイザ内部で油中水滴型のエマルジョンを生成させる
   特許請求の範囲第１項記載の方法。
3. （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。
4. （４）前記水の噴射圧力は該燃料油の噴射圧力よりも高
   くする特許請求の範囲第２項記載の方法。