JPH0151726B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の技術分野 本発明は、実質的に液体の物質から成る分散ス
プレーを発生する噴霧器に係り、より詳細には、
霧化媒体を噴霧器内の実質的に液体の物質に混合
してその液体物質がスプレーとして分散するのを
増長せしめるようにした二流体噴霧器に関する。

従来技術及び問題点 液体物質を一群の小液滴として分散あるいは噴
霧することが望まれる本技術分野では、噴霧器あ
るいはスプレーノズルは周知である。一般に、被
分散液は加圧下で噴霧器に流入するが、その噴霧
器の形状は圧力頭を液体を分散せしめるエネルギ
源として利用するように設計されている。

粘性のある液体の場合、液体流を小さな液滴に
粉砕するのに要するエネルギ量は、液圧のみをそ
のエネルギ源として利用することができなくなる
程に大きなものである。この場合、霧化媒体、す
なわち通常は蒸気や空気等の加圧気体を噴霧器内
の液体物質に混入し、その混合物を加圧下に圧出
する二流体噴霧器が一般に使用されている。噴霧
器内の液体物質の初期粉砕に加えて、霧化媒体が
噴霧器流出時に膨張することによつて、液体物質
を一群の微細液滴として充分分散するのに必要な
エネルギが与えられる。

粘性物質を一群の微細液滴として噴霧しなけれ
ばならないありふれた一つの場面に、重油を燃料
として利用する燃焼炉の場合がある。そこでは、
重油の燃焼空気との良好な混合を可能とし、その
効果的で迅速な燃焼を達成するためにも、重油は
炉内で分散しなければならない。この種の噴霧器
は発電業界では当り前のもので、大きさおよび燃
料の種類共に広範囲に渡つて満足に機能できるよ
う改善されてきた。

最近、キヤリヤー液、例えば水に懸濁させた石
炭等の微細固体粒子のスラリーから成る実質的な
液体燃料に対する興味が高まつている。石炭―水
スラリーとして周知のこれらの燃料は、対BTU
価格基準に基づけば、石油基燃料をしのぎ相当な
る経済的利益をもたらすと共に、石炭の単独使用
が実行不能であつた数多くの用途においても利用
できるものである。

炉内で燃焼しえる石炭―水スラリーを製造する
技術は、すでに存在しているけれども、これらの
燃料のための効果的で信頼できるバーナの開発に
は、なお障害を残している。好結果のスラリー燃
料用バーナの鍵となる一要素は、スラリー燃料を
容易に燃焼しえる液滴あるいは粒子に細砕するこ
とができる噴霧器である。これらの燃料液滴の寸
法、速度および飛跡は、噴霧器の設計並びに局部
空気力学両者の函数であり、火焔の長さ、安定性
および炭素焼尽に関するバーナ性能全体に直接作
用するものである。

石炭―水スラリー燃料の二つの性質は、効果的
な噴霧化を達成する際の問題を起因する潜在力を
有するものと考えられていた。すなわち、これら
の性質とは、内部霧化流路に対するスラリーの腐
蝕性と、従来の石油製品に比べて石炭―水スラリ
ー燃料の相対的に高い粘性の二つである。ところ
で、上述の二流体噴霧器は、重油に対して有効で
あることを示してきたことからも、石炭―水スラ
リー燃料の場合に使用すべき誂え向きの候補者と
考えることができる。また、この二流体噴霧器
は、曲がりくねつた通路を持たない単純な幾何形
状をしているので、耐蝕性材料で簡単に造くるこ
とができそうである。

既存の二流体噴霧器技術に基づいて石炭―水ス
ラリー用噴霧器を設計する試みを通じて、折衷は
しているものの可能な幾つかの設計が生まれてい
る。しかるに、石炭―水スラリー燃料の特殊な性
質のために、設計者は制約を受けることが多く、
二流体噴霧器の固有な特性を充分に利用すること
ができないでいた。例えば、二流体噴霧器内で液
体物質の分散を高める一つの方法に、液体物質を
霧化媒体に混入する際にその運動量を増大させる
方法がある。しかし、一定の熱出力を有するバー
ナの場合、液体物質の運動量を増やす唯一の手法
は、液体の入口通路を制限することである。一般
に、石炭―水スラリーは主に液体として挙動する
けれども、このスラリーはなお液体キヤリヤーに
懸濁した粒子から成つているのである。従つて、
通路を非常に小さな直径にまで制限したとすれ
ば、スラリー中に存在する大きな粒子はこの入口
通路をふさぎ、噴霧器を閉塞することになる。つ
まり、スラリー通路の直径はスラリー内に存在す
る最大粒子の直径の10倍以下ほどに制限すること
が良好な設計実務と言うわけである。また、現時
点で一般に入手可能な石炭―水スラリー用供給ポ
ンプは、出口圧力を100〜200PSI（690〜
1380KPa）の範囲に緩和するよう制限されてい
る。供給ポンプの出口圧力が制限されていること
から、噴霧器を横切る方向の許容全スラリー圧降
下が制限され、その結果として、適当な寸法のそ
の他のスラリー通路を通る重量流量も制限される
ことになる。また、より高圧のスラリーポンプ
は、非常に値段が高いうえに、入手できる製造業
者の数も限られている。

石炭―水スラリーの供給圧や入口通路の寸法に
ついてこのように制約があるために、設計者に残
された代りの手法は霧化媒体の方の運動量を変更
することである。すなわち、霧化媒体の重量流量
を増大させたり、あるいはその入口通路を縮小す
ることによつて、設計者は、霧化媒体の消費が増
えたための費用並びに圧力と流量を高めたことに
起因するポンプ輸送費がかかるものの、石炭―水
スラリーの分散を改善することができる。

この種の設計は、加工可能であるものの、性能
の点でなお制約を受けている。従つて、閉塞を少
なくすることができるうえに、所定の液体流に対
し最小量の霧化媒体を用いて微細液滴のスプレー
を放出することができる、石炭―水スラリー燃料
用、あるいは他の粘性液体用の、効率が良くエネ
ルギ消費の低い噴霧器の必要性がなお存在してい
ることは明らかである。

発明の目的 従つて、本発明の目的は、石炭―水スラリー燃
料のような実質的に液体の物質の分散スプレーを
発生する噴霧器であつて、閉塞することが少な
く、最小量の霧化媒体を混合することによつて微
細液滴のスプレーを形成し得る低エネルギ消費型
の二流体噴霧器を提供することである。

発明の概要 本発明によれば、混合本体すなわち噴霧器本体
は、液体―固体スラリーと霧化媒体を混合する内
部混合室を備えている。混合されたスラリーと霧
化媒体は、混合室を出た後、スプレー通路を経て
混合本体を加圧下に流出して、微細液滴の分散群
を形成する。

混合室又は好適には混合室とスプレー出口通路
とは霧化媒体の流れ方向に対して直交する方向に
細長く延びる長円形の断面を有する。霧化媒体
は、混合本体内にスプレー出口通路と共線上に配
置された第一入口通路を通つて混合室に流入して
いる。一方、液体―固体スラリーは、混合室の長
円形流れ断面の細長く延びる方向に対して垂直な
方向から霧化媒体の流れ方向に対し斜めに配置さ
れた第二入口通路を通つて混合室内の霧化媒体の
中に流入する。混合されたスラリーと霧化媒体
は、スプレー出口通路を流下した後、混合本体か
らスプレーとなつて流出する。

これらの入口通路並びにスプレー出口通路の特
殊な配置と混合室の形状との結果として、本発明
は、霧化媒体を少量混合はするものの、本技術分
野では公知のスプレー噴霧器よりは低い供給圧力
で、液状スラリーの微細液滴から成るスプレーを
発生することができるスプレーノズルを提供す
る。更に、本発明の特徴は、内部流路の閉塞をで
きるだけ少なくした効率のよい噴霧器を提供する
ことにある。

発明の実施例 以下、本発明を添付図面に示す具体例に基づい
て詳細に説明する。

第１図は、炉室１０の壁に設置した液体１８の
均一なスプレーパターン１６を発生するスプレー
分配手段１２を示す。非常に粘性のある液体１８
の場合、この分配手段１２の一部品として二流体
噴霧器１４を用いることが普通である。この種の
噴霧器１４は、通常蒸気や空気等のガス状流体で
ある霧化媒体２０を必要としている。かかるスプ
レー分配手段１２の目標は、重量分布は均一であ
るが液滴寸法は別々なスプレーパターン１６を発
生することである。この種の分布形態を所望する
大抵の用途では、炉室１０内で液体１８が気体や
その他の物質と接触しなければならないときは特
に、寸法の非常に小さい液滴をスプレーパターン
１６内に形成することが一般に好都合である。

かかる状態の一つは、熱エネルギの発生のため
重質の液体燃料を燃焼する際に生じる場合であ
る。そこでは、炉室１０内で液体燃料と酸化用気
体（図示せず）との迅速かつ完全な反応を促進す
るうえで、液滴寸法は小さいことが望ましい。重
質の石油系液体燃料１８に用いる二流体噴霧器１
４は、本技術分野では周知であり、最近では数多
くの大型発電プラントで使用されている。

同様に、石炭―水スラリーも周知であり、これ
は一般に微粉砕した石炭が懸濁状態で混在してい
る水キヤリヤーから成るものである。スラリーの
特殊な種類に依つては、全スラリー量に占める固
形分は65％あるいはそれ以上にも達している。こ
のようなスラリーは、全体として、純粋な液体の
挙動に類似した挙動を呈している、すなわち槽に
注出したり貯蔵できるし、導管で輸送することも
できる。しかるに、ある別な工程では、例えば一
群の微細液滴に噴霧化する場合等では、この類似
性は無くなり、石炭―水スラリーは独特の潜在的
に困難な性質を幾つか示している。

これら独特の性質のうちの第一のものは、スラ
リー内に固形粒子が存在していることに起因して
いる。流路の直径がスラリー内に存在する大型固
形粒子の直径と同じほほどの大きさになる導管や
通路にスラリーを圧送したいときには、これらの
粒子は重要な存在となる。すなわち、このような
場合、液体―固体スラリーは、流路を閉塞しそこ
を通るスラリーの流れを制限したり、あるいは停
止させたりする傾向を持つている。大方の液体―
固体スラリーは、固体をできる限り微細に粉砕す
ることによつて調製されているので、この問題に
対する有効な解決策は、スラリー内の予想される
最大固形粒子の直径の少なくとも10倍以下のスラ
リー通路を使用しないようにすることである。液
体―固体スラリーの重量供給量が低い場合につい
て設計されたスラリー噴霧器では、スラリー通路
の寸法決めのこの下限によつて、混合室に流入す
るスラリー１８の速度は低下され、それ故、その
運動量も低減することになる。このようなスラリ
ー運動量の低減は、本発明以前には、一般に噴霧
器性能の低下を招くものと考えられていた。

その第二の性質は、一般固形粒子の研削性、特
に石炭粒子の研削性である。この性質の結果とし
て、主に、スラリー取扱い部品、特にスラリー流
が高速度で再偏向される処の部品の摩耗が増大さ
れるようである。本発明の噴霧器は、タングステ
ンカーバイドのような耐摩耗性材料で製ることが
好ましいが、スラリーの流れ方向の内部変更を最
小にすることができ、かつスラリー入口通路内の
スラリー速度を低減することができるような形状
にしてある。

更に、第三の性質は、石炭―水スラリー用供給
ポンプに関する技術的な現状によるものである。
効果的な設計のこの種のポンプには数の上でも制
約があるうえ、現在商業上入手できるポンプは、
大方、100〜200psi（690〜1380KPa）程度の中位
な圧力でスラリーを供給するものである。液体―
固体スラリーが高粘性であることに加え、この圧
力制限によつて、上述の二つの障害が克服できた
としても、手にし得る利益は少ないものとなろ
う。すなわち、粘性スラリーを狭い通路に迅速に
通過させようと試みるならば、現在入手できるス
ラリー供給ポンプでは、達成し得ないスラリー圧
要件を負うはめになる。従つて、この問題もま
た、過大なスラリー供給圧力を用いることなく効
率の良い噴霧化と分配を得ようとする本発明が解
決しようと目指したものである。

第２図は、本発明による噴霧器の、その中心軸
線に沿つて縦方向から見た断面図を示す。混合室
２８は、中実の混合本体２２内に配置した空隙と
して示されている。本発明では、霧化媒体２０が
混合室２８には第一入口流路２４を経て流入して
いる。液体―固体スラリー１８は、霧化媒体路に
斜角３２（圧力降下及びエロージヨンを共に最小
にするために、この斜角は実際上45゜以下とする
のが好ましい）をなして交わる第二入口流路２６
を経て混合室２８に入るものとして図示してあ
る。霧化媒体２０とスラリー１８は、混合室２８
内で混合され、スプレー出口通路３０からノズル
本体２２を出て行く。このように混合室２８内の
霧化媒体２０の流路にスラリー１８を斜めに導入
することによつて、混合室２８内におけるスラリ
ー１８に対する横方向の分運動量が存在してい
る。

第３図は、スプレー出口通路３０の中心線を横
切る方向から見た同一噴霧器の断面図を示す。第
３図に図示の混合室２８とスプレー出口通路３０
との断面流れ面積は、興味深く、本発明による噴
霧器の著しい特徴のうちの１つを示すものであ
る。混合室２８およびスプレー出口通路３０の流
れ断面は、従来技術のような真円形と言うよりは
むしろ長円形とされ、霧化媒体２０の流れ方向に
対して直交する方向に細長く延びる形状になつて
いる。本発明による噴霧器が霧化媒体を過剰に消
費することなく、かつ混合室２８に入るスラリー
が非常に高い運動量を持つ必要もなく、微細液滴
の均一なスプレーをつくることができるのは、こ
の“長円形”断面形状によるものである。

第４図に図示の実験結果は、本発明による噴霧
器の効率を従来技術の噴霧器と比較して示すもの
である。すなわち、第４図のグラフは、霧化媒体
としての90PSIの空気と水および石炭粒子から成
る液体―固体スラリーとを使用した二流体噴霧器
について、空燃比に対する重量メジアン直径（単
位ミクロン）を示している。丸形のデータ点５
０，５１は、真円形断面の流路を有する従来技術
の噴霧器の性能を指し、四角形のデータ点５２，
５３は、“長円形”流れ断面を混合室内に有する
本発明による噴霧器の性能を示すものである。

一般に、これらのデータ点が、二軸の交点、即
ち最小量の霧化用空気を使用して直径メジアン値
が非常に小さい液滴が得られる点に近づけば近づ
くほど、より優れた性能が得られる。第４図から
理解できるように、完全負荷状態にある従来技術
の噴霧器は、空燃重量流量比がおよそ0.1程度で
あるときに、直径メジアン値が140〜180ミクロン
程度の（データ点５０で示す）液滴を発生してい
る。

これと比較して、本発明による噴霧器は、空燃
重量流量比が同じく0.1のとき、、直径メジアン値
がおよそ110〜70ミクロンの液滴を発生している
のである。この差が重大な意味を持つていること
は、当業者にとつて見逃すはずのないものであ
る。このように、空燃比を低減した状態の下で液
滴のメジアン直径を切り下げることによつて、本
発明による噴霧器は、従来技術の噴霧器により石
炭―水スラリーを分散する際偶然最適なものとな
つたスプレーよりも、はるかに燃焼が容易な石炭
―水スラリーのスプレーを発生することができ
る。

白地のデータ点５１，５３は、燃料の重量流量
を設計の50％におさえた状態における両噴霧器の
性能を示すもので、空燃比が0.3以上の場合の性
能に類似した性能を示している。

長円形の流れ断面は、この好ましい具体例で
は、スプレー出口通路３０と混合室２８両者に存
在するものとして示されているけれども、この形
状が第４図に示した有益な結果を生みだすように
働いているのは混合室２８の方である。液体―固
体スラリー１８を霧化媒体２０によつて形成され
る流れの中に混合室２８の長円形流れ断面の細長
く延びる方向に対して垂直の方向から噴射するこ
とによつて、本発明による噴霧器は、スラリーが
霧化媒体流全体を貫通するため走行しなければな
いない距離を短縮している。これに対し、混合室
が真円形の流れ断面である従来技術の噴霧器で
は、スラリーが霧化媒体流を完全に貫通しこれら
両流体の完全混合を得るうえで走行しなければな
らない距離は非常に大きい。従つて、本発明によ
る噴霧器は、同等の性能を有する従来技術の噴霧
器の場合の圧力および運動量よりも低い圧力およ
び運動量の状態の下で、混合室２８内で液体―固
体スラリーと霧化媒体との完全混合を行なうこと
ができる。

上で論述したように、噴霧器スプレー通路の寸
法決めは、液体の粘度、設計目標の重量流量、作
業圧力あるいは他の諸性質等用途に特有の幾つか
の変数に依存している。混合したスラリーと霧化
媒体のスプレー出口通路３０における速度は少な
くとも超音速であることが好ましいこと、また、
石炭―水スラリーの最適噴霧化のためには、これ
らの通路と混合室２８との間の寸法にある経験的
関係を維持しなければならないこと等は、実験を
通じて既に見い出されている。例えば、第２図を
参照して説明するが、スプレー出口通路の長さ34
（次式中、L₀と記す）の混合室の流れ長さ36（同
様、L_nと記す）に対する比は、およそ2.3である。

なお、本発明による最適の噴霧器を設計するに
は、スプレー出口通路長さ34の全スラリー水力直
径（次式に、D_tptと記す）に対する比を、およそ
4.65〜6.25（両端を含む）の範囲に維持すること
が必要である。この全スラリー水力直径は、スラ
リー入口通路２６の流れ面積と長円形の混合室自
由流れ面積を加算し、等しい面積をもつ真円形流
路の直径を決めることによつて計算することがで
きる。これらのパラメータを、図面の符号を添え
て、まとめれば、次の通りである。

L_p／L_n＝2.3 D_tpt＝（４〔（πD² _f／４）＋（Ｈ×Ｗ）〕／π）^1/2 4.65≦L_p／D_tpt≦6.25 式中、L_pはスプレー出口通路の長さ34、L_nは
混合室の流れ長さ36、D_fはスラリー入口通路の
直径38、Ｗは混合室の両端の丸形部分を除いて細
長く延びる方向の幅42、D_tptは上で定義した全ス
ラリー水力直径、Ｈは混合室の細長く延びる方向
に垂直な高さ40である。

上記等式中の定数の精密な大きさは、石炭―水
スラリー以外の実質的な液体物質の場合には変わ
ることもあるけれども、これらの関係の予想値
は、石炭―水スラリー以外の粘性液体のための長
円形の形の噴霧器を設計する際に有効であること
が期待できるし、それ故に、ここに示した数値
は、充分な説明をしたいと言う本出願人の義務を
満たさんがための説明上の意味に解釈すべきもの
であり、従つてここに開示した範囲に限定する必
要もないことを理解するべきである。

発明の効果 本発明による噴霧器は、スラリーおよび霧化媒
体の入口通路やスプレー出口通路を上述の如く配
置し、混合室の流れ断面を長円形の形状にしたこ
とによつて、低い供給圧力の下で微細な液適のス
プレーを発生することができる。また、本発明の
霧化器では、混合室の流れ断面が長円形であつ
て、従来例の真円形の場合よりも噴霧圧力を高く
しないですむので、使用する霧化媒体の量を少な
くすることができる。そして、本発明の噴霧器に
おける混合室の長円形流れ断面積は従来例の真円
形流れ断面積よりも大きいので、粒子が同一の粒
径を有するとした場合には、従来例よりも本発明
の方が粒子は噴霧器からより容易に放出されやす
くなり、したがつて噴霧器の内部流路の閉塞を少
なくすることができる。

更に、ここに開示した形状は、液体―固体スラ
リー用の噴霧器のみに限る必要もないし、微細液
滴のスプレーとして優れた分散が要望される他の
粘性液体に使用した場合にも有益な結果を与える
ことは、極く一般の読者にとつてさえ明白なこと
であるので、ここに再度断言しておくものであ
る。ここに列記しなかつた他の具体例について
も、上述の明細書を熟読し、付記した特許請求の
範囲および添付図面を検証すれば、当業者にとつ
て同様明白なものとなろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は、液体を微細液滴のスプレーに分散す
る噴霧器を示す略図である。第２図は、本発明に
よる噴霧器の縦断面図である。第３図は、第２図
の３―３線に沿う断面図である。第４図は、本発
明による噴霧器の性能を従来技術の噴霧器の性能
と比較して示すグラフである。 １０……炉室、、１２……スプレー分配手段、
１４……二流体噴霧器、１６……スプレーパター
ン、１８……液体―固体スラリー、２０……霧化
媒体、２２……混合体、２４……第一入口流路、
２６……第二入口流路、２８……混合室、３０…
…スプレー出口通路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 実質的に液体の物質を分散する二流体噴霧器
   であつて、霧化媒体用の第一入口流路と、前記の
   実質液体物質用の第二入口流路と、混合室と、前
   記混合室と前記噴霧器の外部との間にあるスプレ
   ー出口通路とを包含して成る二流体噴霧器におい
   て、前記第一入口流路が前記スプレー出口通路と
   共線上にあり、かつ前記混合室が前記霧化媒体お
   よび前記実質液体物質を収容しこれら両者を混合
   した混合物として前記スプレー出口通路を通して
   放出するように前記第一入口流路と前記スプレー
   出口通路との間に配置されており、この混合室は
   また前記霧化媒体の流れ方向に対して直交する方
   向に細長く延びる長円形の流れ断面を有してお
   り、更に前記第二入口流路が前記混合室の長円形
   断面の細長く延びる方向に対して垂直な方向から
   前記霧化媒体の流れ方向に対して斜めに配置され
   ていることを特徴とする二流体噴霧器。