JPS6349612A - 二流体アトマイザ - 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（スケールアン
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０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＜＜くシかも高温にならな
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
トマイザチップ本体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ゾイエイトプレート１０が配
設され、このインタメゾイエイトプレート１０に対しア
トマイザチップ本体１がキャンプナフト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、インタメゾイエイトプ
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
菱重工枝軸Ｖｏ１．２２．Ｎｏ。

５　　（１９８５−９）６６４頁、石川島Ｉ′Ｉ磨重工
枝軸Ｖｏｌ、２５．Ｎｏ、（１９８５９）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、本発明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ではあるが
、混合室の上流側または下流側に微粒化促進手段を設け
たものである。

〔作用〕

副噴出孔を設けることによって着火アシスト用の副噴霧
流が発生し、或いはバーナガン内筒を軸方向へ移動させ
ることにより、気液衝突距離が調整され、微粒化特性を
制御できる。この状態におけるスラリ燃料は、着火性及
び保炎性の良好な燃焼がなされる。

〔発明の実施例〕

以下、図面に基づいて本発明の詳細な説明する。

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０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、アトマイザチップ本体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ｅｉ　　（ｉ−０〜
４）は次の如く設定される。

θ１くθ。−０２＝８．〈θ４・・・・・・（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Ｏ″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ッ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Ｎ
Ｏｘ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するしており、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６したがって燃焼アシスト用もしく
は低Ｏｔ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つの噴霧の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０２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１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が半分程変まで低
減されたことがわかる。さらに、同−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０本実施例はＹシェフ
）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。

アトマイザチップ本体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３
２、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
させるインタメゾイエイトプレート１０、アトマイザチ
ップ本体１、及びインタメゾイエイトプレートを中間位
置にはさみ込みアトマイザチップ本体１とバーナガン外
筒３１を固定するキャップナツト９を主として構成され
る。

アトマイザチップ本体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、インタメゾイエイトプレート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程度とする内温室内ノズル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、
アトマイザチップ本体と内温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
ゾイエイトプレート１０の微粒化媒体孔５より供給され
る微粒化媒体３は、内温室内ノズル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、内温室内ノ
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Ｊｉ突する１次微
粒化と、アトマイザチップ本体の混合室に開口する噴出
孔での２次微粒化の両者の阻み合わせによって、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しきる。

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、内温室
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３
３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、
の第９図の実施例と従来例の比較特性図である６実缶の
運転と同様にして気液比（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ｄ。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ｄ’Ｊｔ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、
４００　Ｋ　ｇ　／　ｈまで、すなわち２１５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、を４（す定した結果を示す。従
来型では、負荷の低下に伴いＵ、が急増するのに対し、
本実施例のアトマイザでは、Ｕ６の増加が１％程度にお
さまっている。

このＵＩｌ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、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　　５ｔａｒｔ−３ｔｏｐ）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）Ｐ
ＷＭ　（石油コークス・水スラマ月（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人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、タリンカアッシ
ェ等の灰中未燃分を低減することができ、燃焼性の劣る
高燃料比炭（燃料比＝固に炭素／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（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
せ配役例を示す平面図、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・・・・・・アトマイザチップ本体、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・・・
・・・内温室内ノズル、３６・・・・・・スプリングコ
イル。 代理人　弁理士　西　元　勝　− 第１図 第２図 第３図 （ａ） （ｂ） （Ｃ） 第４図 第５図 第１３図 第１４図 （％°↓＾Ａ）　　赤、６シミ域ｔメ　“〉ヒ　＝ｔ＝
’Ｍ未救分率Ｕｓ（ｗｔ、％］

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）燃料供給炉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させるアトマイザ噴
   出孔とを備えた二流体アトマイザにおいて、前記混合室
   の上流側または下流側に微粒化促進手段を設けたことを
   特徴とする二流体アトマイザ。 （２）前記微粒化促進手段は、前記噴出孔に隣接させて
   、その同軸円周上に複数の副噴出孔を設けたものである
   ことを特徴とする特許請求の範囲第（１）項記載に記載
   の二流体アトマイザ。 （３）前記副噴出孔の口径を前記噴出孔の孔径以下にし
   たことを特徴とする特許請求の範囲第（２）項記載の二
   流体アトマイザ。 （４）バーナ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（２）項記載の二流体アトマイザ。 （５）バーナ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（２）項記載の二流体アトマイザ。 （６）前記微粒化促進手段は、燃料を供給するバーナガ
   ン内筒をバーナ軸方向へ移動自在に配設し、微粒流化媒
   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）項記載に記載の二流体ア
   トマイザ。 （７）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（６）項記載の二流体アト
   マイザ。