特許 7429501 粉体噴射装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-01-31

(45)【発行日】2024-02-08

(54)【発明の名称】粉体噴射装置

(51)【国際特許分類】

   F23D 1/02 20060101AFI20240201BHJP

   F23D 1/00 20060101ALI20240201BHJP

   F23K 3/02 20060101ALI20240201BHJP

【ＦＩ】

F23D1/02 Z

F23D1/00 Z

F23K3/02 301

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2019075103

(22)【出願日】2019-04-10

(65)【公開番号】P2020173059

(43)【公開日】2020-10-22

【審査請求日】2021-12-09

【審判番号】

【審判請求日】2023-01-16

(73)【特許権者】

【識別番号】000000099

【氏名又は名称】株式会社ＩＨＩ

(74)【代理人】

【識別番号】100161207

【弁理士】

【氏名又は名称】西澤 和純

(74)【代理人】

【識別番号】100175802

【弁理士】

【氏名又は名称】寺本 光生

(74)【代理人】

【識別番号】100169764

【弁理士】

【氏名又は名称】清水 雄一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100167553

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 久典

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 隆政

【合議体】

【審判長】間中 耕治

【審判官】鈴木 充

【審判官】村山 美保

(56)【参考文献】

【文献】特開昭５９－２７１０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－９９２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特公昭４７－２９００５（ＪＰ，Ｂ１）

【文献】特開平１０－２９２９０３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

F23D 1/00,1/02

F23K 3/02

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

粉体と気体との混合流体を噴射するノズルと、
前記ノズルの内周面に沿って前記混合流体を供給し、前記混合流体の旋回流を形成する混合流体供給部と、を備え、
前記ノズルは、その内周面に前記混合流体の主流方向に対して交差する方向に延びる邪魔板を有し、
前記邪魔板は、前記主流方向に間隔をあけて５～７個の突部を形成すると共に、前記５～７個の突部が一繋ぎになった前記旋回流と逆巻の螺旋状に形成されている、ことを特徴とする粉体噴射装置。

【請求項2】

前記ノズルは、前記内周面を形成する外スリーブと、前記外スリーブの内側に配置された内スリーブと、を有し、
前記内スリーブは、その外周面に前記旋回流を前記内周面に導く傾斜突部を有し、
前記傾斜突部は、前記主流方向において前記邪魔板が配置されている領域内に設けられている、ことを特徴とする請求項１に記載の粉体噴射装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、粉体噴射装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

下記特許文献１には、粉体噴射装置の一例として、石炭焚ボイラに取り付けられる微粉炭バーナが開示されている（特許文献１の図６参照）。微粉炭バーナでは、石炭粉砕機で石炭を粉砕して微粉炭としたものを燃焼用空気と混合させ、この混合流体をバーナノズルから火炉に噴射して微粉炭を燃焼させるようになっている。このような微粉炭バーナにおいては、バーナノズルの噴射口において微粉炭の粒子濃度を均一化させることにより、燃焼状態を良好に保つことができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２００９－１３１７９３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

微粉炭バーナにおいて、燃焼性能を良好に保つためには、ノズル出口での微粉炭濃度の偏りを無くす必要がある。従来では、ノズルの接線から微粉炭を流入させるダクトを使用し、内部での旋回を抑えるためにノズルの内周面に邪魔板を設けていた。邪魔板は、混合流体の主流方向に対して平行に延び、微粉炭の旋回を止めることで、微粉炭をノズルの内周面近傍に均等に分布させる。

【0005】

しかしながら、微粉炭が邪魔板に十分に衝突せず、微粉炭の粒子濃度が不均一になることが懸念されていた。これにより、極度に粒子濃度が薄いまたは濃い領域が形成されると、保炎性が低下し、排ガス汚染物（ＮＯ、ＣＯ等）が増加してしまう、という問題があった。
また、運転条件が変化し微粉炭及び燃焼用空気の流量が低下すると、混合流体の旋回流の勢いが衰えて、さらに微粉炭の粒子濃度が不均一になることが懸念されていた。

【0006】

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、運転条件によらず、粉体をノズルの内周面近傍に均等に分布させることができる粉体噴射装置の提供を目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記の課題を解決するために、本発明は、粉体と気体との混合流体を噴射するノズルと、前記ノズルの内周面に沿って前記混合流体を供給し、前記混合流体の旋回流を形成する混合流体供給部と、を備え、前記ノズルは、その内周面に前記混合流体の主流方向に対して交差する方向に延びる邪魔板を有する、粉体噴射装置を採用する。

【0008】

また、本発明においては、前記邪魔板は、前記主流方向に間隔をあけて複数の突部を形成している、という構成を採用する。

【0009】

また、本発明においては、前記邪魔板は、螺旋状に形成されている、という構成を採用する。

【0010】

また、本発明においては、前記邪魔板は、前記旋回流と逆巻の螺旋状に形成されている、という構成を採用する。

【0011】

また、本発明においては、前記ノズルは、前記内周面を形成する外スリーブと、前記外スリーブの内側に配置された内スリーブと、を有し、前記内スリーブは、その外周面に前記旋回流を前記内周面に導く傾斜突部を有し、前記傾斜突部は、前記主流方向において前記邪魔板が配置されている領域内に設けられている、という構成を採用する。

【発明の効果】

【0012】

本発明では、ノズルの内周面に設けられた邪魔板が、混合流体の主流方向に対して交差して配置される。混合流体の流量が増減すると、混合流体がノズルから噴射されるまでに旋回する回数が増減するが、混合流体の主流方向（ノズルが延びる軸心方向）における流れは変わらない。このため、どのような運転条件であっても、必ず粉体が邪魔板に衝突し、粉体がノズルの内周面近傍に均等に分布する。
したがって、本発明によれば、運転条件によらず、粉体をノズルの内周面近傍に均等に分布させることができる粉体噴射装置が得られる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の実施形態における微粉炭バーナの構成を示す斜視図である。

【図2】図１における矢視Ａ－Ａ断面図である。

【図3】本発明の実施形態における微粉炭バーナの（ａ）解析モデルと、（ｂ）その解析モデルを用いた微粉炭の粒子濃度の解析結果である。

【図4】比較例として、主流方向に対して平行な邪魔板を備える従来の微粉炭バーナの（ａ）解析モデルと、（ｂ）その解析モデルを用いた微粉炭の粒子濃度の解析結果である。

【図5】本発明の別実施形態における邪魔板の構成を示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、本発明の粉体噴射装置について図面を参照して説明する。なお、以下の説明では、粉体噴射装置の一実施形態として微粉炭バーナを例示する。

【0015】

図１は、本発明の実施形態における微粉炭バーナ１の構成を示す斜視図である。図２は、図１における矢視Ａ－Ａ断面図である。
微粉炭バーナ１は、微粉炭（粉体）と燃焼用空気（気体）との混合流体Ｆを不図示の火炉に噴射し、微粉炭を燃焼させるものである。本実施形態の微粉炭バーナ１は、ノズル１０と、混合流体供給部２０と、ウインドボックス３０と、を有する。

【0016】

ノズル１０は、混合流体Ｆを噴射する噴射口１１と、噴射口１１に至る混合流体Ｆの搬送流路１２と、を有する。ノズル１０は、筒状に形成されており、その一端に噴射口１１が形成されている。搬送流路１２は、ノズル１０の軸心Ｃ１に沿って、噴射口１１まで略直線的に延在している。本実施形態では、ノズル１０の噴射口１１側が絞られ、軸心Ｃ１に向かって混合流体Ｆを噴射可能な構成となっている。

【0017】

ノズル１０は、同心で設けられた筒状の内スリーブ１３と外スリーブ１４とを有し、二重筒構造となっている。内スリーブ１３は、長手方向の略中腹部位から先端側へ向かって直径が漸減し、且つ先端開口部に、先端に向かって直径が急減する絞り部を有する。外スリーブ１４は、内スリーブ１３の外周に同心状に配設され、内スリーブ１３と略相似形で、且つ先端に向かって直径が急減する絞り部を有する。

【0018】

内スリーブ１３の内部には、オイルバーナ（不図示）が挿入されている。オイルバーナは、内スリーブ１３の軸心位置に挿入されると共に、軸心方向に沿って移動可能にエアシリンダ（不図示）に連結されている。オイルバーナは、着火時において内スリーブ１３から突出して油を噴射し、燃焼中においては焼損を防止するため内スリーブ１３内に退避する。内スリーブ１３には、三次空気を供給する三次空気管（不図示）が接続されている。

【0019】

搬送流路１２は、内スリーブ１３と外スリーブ１４との間に形成されている。すなわち、搬送流路１２は、リング状に形成されている。具体的に、搬送流路１２の内縁は、内スリーブ１３の外周面１５よって形成されている。また、搬送流路１２の外縁は、外スリーブ１４の内周面１６によって形成されている。

【0020】

混合流体供給部２０は、図１に示すように、ノズル１０の側部に接続されている。混合流体供給部２０は、搬送流路１２に混合流体Ｆを供給するものである。混合流体供給部２０は、ノズル１０（外スリーブ１４）の内周面１６に沿って接線方向に混合流体Ｆを供給し、混合流体Ｆの旋回流Ｓを形成するようになっている。混合流体供給部２０の上流側には、不図示の微粉炭供給装置及び送風装置が設けられており、微粉炭と燃焼用空気（一次空気）とが予め混合された混合流体Ｆが導入されてくる。

【0021】

ウインドボックス３０は、ノズル１０から噴射された混合流体Ｆに二次空気を混合させるものであり、ノズル１０の噴射口１１の周囲を囲うように設けられている。このウインドボックス３０は、噴射口１１の周りを円形に囲うように配設された複数のエアレジスタ（不図示）と、エアレジスタの内側に周方向に配設された複数のインナーベーン（不図示）と、を有している。エアレジスタは、二次空気の流量を調整し、インナーベーンは、エアレジスタを介して供給される二次空気に旋回力を与える。

【0022】

図示しない石炭粉砕機で粉砕された微粉炭は、燃焼用空気と混合され、混合流体供給部２０を介してノズル１０に供給される。微粉炭と燃焼用空気の混合流体Ｆは、ノズル１０の後端側において内周面１６の接線方向に供給されて旋回流Ｓとなり、内周面１６に沿って周方向に旋回しながら先端側へ流動し、噴射口１１から噴射される。そして、噴射口１１から噴射された混合流体Ｆは、ウインドボックス３０から供給される二次空気と混合して燃焼する。

【0023】

ノズル１０は、保炎性を高めるため、混合流体Ｆに含まれる微粉炭を内周面１６近傍に均等に分布させる邪魔板４０を有する。邪魔板４０は、ノズル１０の内周面１６に対して立設し、内周面１６に沿って流れる混合流体Ｆと衝突する。邪魔板４０は、図２に示す軸心Ｃ１に沿う断面が、矩形状である。なお、邪魔板４０の断面形状は、三角形や、その他の多角形であってもよく、また、丸みを帯びていてもよい。

【0024】

邪魔板４０は、図２に示すように、混合流体Ｆの主流方向（ノズル１０が延びる軸心Ｃ１に沿う方向）に対して交差する方向に延びている。この邪魔板４０は、軸心Ｃ１と直交する基準平面Ｃ２に対して角度αで交差している。角度αは、１０°以下であることが好ましく、より好ましくは５°以下である。本実施形態の邪魔板４０は、軸心Ｃ１と略直交する方向に延びており、角度αが、例えば３．５°に設定されている。

【0025】

邪魔板４０は、主流方向に間隔をあけて複数の突部４１を形成している。この突部４１は、４個以上あることが好ましく、より好ましくは５～７個である。本実施形態では、この突部４１が等間隔で６個配置されている。

【0026】

邪魔板４０は、複数の突部４１が一繋ぎになった螺旋状に形成されている。この邪魔板４０は、図２に示すように、混合流体Ｆの旋回流Ｓと逆巻の螺旋状に形成されている。すなわち、旋回流Ｓが、軸心Ｃ１を中心に時計回りであるとき、邪魔板４０は、軸心Ｃ１を中心に反時計回りに渦を巻く。また、旋回流Ｓが、軸心Ｃ１を中心に反時計回りであるとき、邪魔板４０は、軸心Ｃ１を中心に時計回りに渦を巻く。

【0027】

ノズル１０は、上述の邪魔板４０が設けられた内周面１６に旋回流Ｓを導く傾斜突部５０を有する。傾斜突部５０は、内スリーブ１３の外周面１５に環状に形成されている。この傾斜突部５０は、混合流体Ｆの主流方向において邪魔板が配置されている領域Ｘ内に設けられている。傾斜突部５０は、ノズル１０の先端側に向かうに従って高くなる傾斜面５１を有し、ノズル１０の中心部に集まってしまった混合流体Ｆに含まれる微粉炭を邪魔板４０に衝突させる。

【0028】

続いて、上記構成の邪魔板４０を備える微粉炭バーナ１の作用について、図３及び図４を参照して説明する。
図３は、本発明の実施形態における微粉炭バーナの（ａ）解析モデル１００と、（ｂ）その解析モデル１００を用いた微粉炭の粒子濃度の解析結果である。図４は、比較例として、主流方向に対して平行な邪魔板を備える従来の微粉炭バーナの（ａ）解析モデル２００と、（ｂ）その解析モデル２００を用いた微粉炭の粒子濃度の解析結果である。

【0029】

図４（ａ）に示す解析モデル２００は、混合流体の主流方向に対して平行な邪魔板２４０を備える点で、図３（ａ）に示す解析モデル１００と相違し、その他の点で一致している。この解析モデル２００を用い、混合流体Ｆの流量を低下させた条件で解析した結果、図４（ｂ）に示すように、ノズル１０の内周面１６近傍に粒子濃度が薄い領域や濃い領域が円環斑状に形成されることが確認された。このため、保炎性の低下が懸念される。

【0030】

一方、図３（ａ）に示す解析モデル１００を用い、混合流体Ｆの流量を低下させた同じ条件で解析した結果、図３（ｂ）に示すように、粒子濃度が異常に濃い領域が無くなり、ノズル１０の内周面１６近傍に周方向に沿って略均一の粒子濃度が得られることが確認された。すなわち、本実施形態では、図２に示すように、ノズル１０の内周面１６に設けられた邪魔板４０が、混合流体Ｆの主流方向に対して交差して配置される。混合流体Ｆの流量が増減すると、混合流体Ｆがノズル１０から噴射されるまでに旋回する回数が増減するが、混合流体Ｆの主流方向（ノズル１０が延びる軸心方向）における流れは変わらない。このため、どのような運転条件であっても、必ず微粉炭が邪魔板４０に衝突するため、微粉炭がノズル１０の内周面１６近傍に均等に分布する。

【0031】

本実施形態では、邪魔板４０が主流方向に間隔をあけて複数の突部４１を形成している。この構成によれば、混合流体Ｆに含まれる微粉炭が、主流方向において複数回、邪魔板４０と衝突するため、ノズル１０の内周面１６近傍における粒子濃度を均一化する効果が高くなる。解析結果では、突部４１が４個までは段階的に粒子濃度の均一化が図られ、突部４１が５～７個になると粒子濃度の十分な均一化が図られ、突部４１が８個以上になるとそれ以降の改善は殆ど無くなった。このため、突部４１は、４個以上あることが好ましく、より好ましくは５～７個である。

【0032】

また、本実施形態においては、邪魔板４０は、螺旋状に形成されている。邪魔板４０が螺旋状であれば、ノズル１０の軸心方向から見て、突部４１が内周面１６の周方向全体に重なって配置されるため、混合流体Ｆが突部４１のいずれにも衝突しないパスルートが形成されない。なお、微粉炭バーナ１は、定期的にノズル１０の内周面１６に堆積した微粉炭を清掃しており、その清掃の際には、ノズル１０から空気のみを噴射させ、内周面１６に堆積した微粉炭を排出している。ここで、邪魔板４０が螺旋状であれば、微粉炭が邪魔板４０の根元部に溜まることなく、微粉炭が内周面１６に沿って周方向に旋回しながら噴射口１１から排出されるため、メンテナンスが容易になる。

【0033】

また、本実施形態の邪魔板４０は、旋回流Ｓと逆巻の螺旋状に形成されている。この構成によれば、邪魔板４０が、旋回流Ｓとなる混合流体Ｆと衝突し易くなるため、ノズル１０の内周面１６近傍における粒子濃度を均一化する効果が高くなる。また、ノズル１０の内スリーブ１３には、その外周面１５に旋回流Ｓを内周面１６に導く傾斜突部５０が設けられ、傾斜突部５０は、主流方向において邪魔板４０が配置されている領域Ｘ内に配置されているため、ノズル１０の中心部に集まってしまった混合流体Ｆに含まれる微粉炭を邪魔板４０に衝突させ、ノズル１０の内周面１６近傍における粒子濃度をより確実に均一化することができる。

【0034】

このように、上述の本実施形態によれば、微粉炭と燃焼用空気との混合流体Ｆを噴射するノズル１０と、ノズル１０の内周面１６に沿って混合流体Ｆを供給し、混合流体Ｆの旋回流Ｓを形成する混合流体供給部２０と、を備え、ノズル１０は、その内周面１６に混合流体Ｆの主流方向に対して交差する方向に延びる邪魔板４０を有する、という構成を採用することによって、運転条件によらず、微粉炭をノズル１０の内周面１６近傍に均等に分布させることができる微粉炭バーナ１が得られる。

【0035】

以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

【0036】

図５は、本発明の別実施形態における邪魔板４０Ａの構成を示す断面図である。なお、図５において上述の実施形態と同一又は同等の構成については同一の符号を付し、その説明は簡略若しくは省略する。
図５に示す邪魔板４０Ａは、リング状に形成されている。この邪魔板４０Ａは、混合流体Ｆの主流方向において間隔をあけて複数配置されている。また、邪魔板４０Ａは、内周面１６に沿って混合流体Ｆの主流方向に対して直交する方向に延びている。

【0037】

図５に示す邪魔板４０Ａにおいても、混合流体Ｆに含まれる微粉炭が、主流方向において複数回、邪魔板４０Ａと衝突するため、ノズル１０の内周面１６近傍における粒子濃度を均一化することができる。しかし、邪魔板４０Ａを複数配置する必要があるため、上述した実施形態と比べて、邪魔板４０Ａの間隔の調整作業に手間がかかる。なお、清掃の際に、堆積した微粉炭を排出できるように、邪魔板４０Ａに切り欠きを形成してもよい。この切り欠きは、パスルートが形成されないように、ノズル１０の軸心方向から見て、重ならないように配置することが好ましい。

【0038】

また、例えば、上記実施形態では、本発明の粉体噴射装置を微粉炭バーナ１に適用した構成について説明したが、本発明はこの構成に限定されず、例えば、同じく粉体を噴射し、被対象物の表面にコーティング層を形成するコールドスプレー装置等にも適用することができる。また、本発明は、上述した工業分野に限らず、食品分野や医薬品分野において同じように粉体を噴射する粉体噴射装置全般に適用することができる。

【符号の説明】

【0039】

１ 微粉炭バーナ
１０ ノズル
１３ 内スリーブ
１４ 外スリーブ
１６ 内周面
２０ 混合流体供給部
４０ 邪魔板
４１ 突部
５０ 傾斜突部
Ｃ１ 軸心
Ｆ 混合流体
Ｓ 旋回流
Ｘ 領域

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】