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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2023-09-26
(54)【発明の名称】スメルトの粉砕方法及び装置
(51)【国際特許分類】
B02C 19/06 20060101AFI20230919BHJP
F23G 7/04 20060101ALI20230919BHJP
F23J 1/08 20060101ALI20230919BHJP
F23J 1/00 20060101ALI20230919BHJP
F22B 37/54 20060101ALI20230919BHJP
D21C 11/12 20060101ALI20230919BHJP
【ＦＩ】
B02C19/06 B
F23G7/04 601E
F23J1/08
F23J1/00 A
F22B37/54 A
D21C11/12
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023515879
(86)(22)【出願日】2021-09-10
(85)【翻訳文提出日】2023-03-09
(86)【国際出願番号】 US2021049784
(87)【国際公開番号】W WO2022056208
(87)【国際公開日】2022-03-17
(31)【優先権主張番号】63/076,665
(32)【優先日】2020-09-10
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】17/470,618
(32)【優先日】2021-09-09
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】509106500
【氏名又は名称】ザ・バブコック・アンド・ウイルコックス・カンパニー
【氏名又は名称原語表記】Ｔｈｅ Ｂａｂｃｏｃｋ＆Ｗｉｌｃｏｘ Ｃｏｍｐａｎｙ
【住所又は居所原語表記】１２００ Ｅ． Ｍａｒｋｅｔ Ｓｔｒｅｅｔ， Ｓｕｉｔｅ ６５０， Ａｋｒｏｎ， Ｏｈｉｏ ４４３０５ Ｕ．Ｓ．Ａ．
(74)【代理人】
【識別番号】110000523
【氏名又は名称】アクシス国際弁理士法人
(72)【発明者】
【氏名】シモン・ユセフ
(72)【発明者】
【氏名】トニー・ハビブ
(72)【発明者】
【氏名】スティーブン・ショーバー
【テーマコード（参考）】
3K161
4D067
4L055
【Ｆターム（参考）】
3K161AA06
3K161AA25
3K161BA04
3K161CA01
3K161DA72
3K161EA35
3K161HA37
3K161LA02
3K161LA16
3K161LA35
4D067CA02
4D067CA06
4D067GA11
4L055AC06
4L055BC05
4L055FA22
4L055FA30
(57)【要約】
スメルト粉砕装置は、入口オリフィス、出口オリフィス、及び入口オリフィスと出口オリフィスとの間の流体経路を含む。収束発散ゾーンは、入口オリフィスと出口オリフィスの間に位置する。例示的な一構成では、第１の分離可能セクションは入口オリフィスを含み、第２の分離可能セクションは出口オリフィスと収束発散ゾーンの発散ゾーンとを含む。いくつかの構成では、入口オリフィスと流体連通する第２の出口オリフィスがあってもよい。複数の粉砕ジェットにわたって均一性を提供するために、第１の出口オリフィスは断面寸法を有することができ、第２の出口オリフィスは、第１の出口オリフィスから断面寸法の約４倍～約１０倍の間の距離に配置される。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
入口オリフィス；出口オリフィス；
前記入口オリフィスと前記出口オリフィスとの間の流体経路と；及び
前記入口オリフィスと前記出口オリフィスとの間に位置する収束発散ゾーン
を含む、スメルト粉砕装置。
【請求項2】
第１の分離可能セクションが前記入口オリフィスを含み、第２の分離可能セクションが前記出口オリフィス、及び前記収束発散ゾーンの発散ゾーンを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項3】
前記収束発散ゾーンの収束ゾーンは、前記第１の分離可能セクションで始まる、請求項２に記載の装置。
【請求項4】
収束ゾーンは、前記第１の分離可能セクションと前記第２の分離セクションとの間の境界で始まる、請求項２に記載の装置。
【請求項5】
前記収束発散ゾーンの前記発散ゾーンは、前記第２の分離可能セクション内の流体経路によって画定されるプロファイルを有する、請求項２～４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項6】
前記収束発散ゾーンの収束ゾーンは、前記収束発散ゾーンの発散ゾーンの上流の流体経路によって画定されるプロファイルを有する、請求項１～４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項7】
さらに、前記入口オリフィスと流体連通する第２の出口オリフィスを含む、請求項１～４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項8】
前記第１の出口オリフィスは断面寸法を有し、前記第２の出口オリフィスは、前記第１の出口オリフィスから断面寸法の約４倍～約１０倍の距離に位置する、請求項７に記載の装置。
【請求項9】
前記第１の出口オリフィスの断面寸法は、前記第２の出口オリフィスの断面寸法より大きい、請求項７に記載の装置。
【請求項10】
前記収束発散ゾーンは、前記入口オリフィスと前記出口オリフィスとの間の流体経路の狭窄部を含む、請求項１～４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項11】
入口オリフィス；出口オリフィス；及び
狭窄部を有する、前記入口オリフィスと前記出口オリフィスとの間の流体経路
を含む、スメルト粉砕ノズル。
【請求項12】
前記入口オリフィスを含む第１のセクション；及び前記出口オリフィスを含む第２のセクション
を含み、前記第１のセクションと前記第２のセクションは一緒に固定されて前記流体経路を画定し、前記狭窄部は前記第１のセクションと前記第２のセクションの間の界面に画定される、請求項１１に記載のスメルト粉砕ノズル。
【請求項13】
前記第２のセクションの前記流体経路の部分は、前記界面から前記出口オリフィスまで広がる、請求項１２に記載のスメルト粉砕ノズル。
【請求項14】
前記界面において、前記第１のセクションにおける前記流体経路の部分は、前記第２のセクションにおける前記流体経路の部分より大きい直径を有する、請求項１３に記載のスメルト粉砕ノズル。
【請求項15】
前記狭窄部から前記出口オリフィスまで延びる前記流体経路の部分は、前記狭窄部から前記出口オリフィスまで広がる、請求項１１に記載のスメルト粉砕ノズル。
【請求項16】
前記入口オリフィスから前記狭窄部まで延びる前記流体経路の部分は、狭窄して前記狭窄部に至る、請求項１５に記載のスメルト粉砕ノズル。
【請求項17】
請求項１１に記載のスメルト粉砕ノズルを複数含み、前記スメルト粉砕ノズルの前記出口オリフィスが直径を有し、複数の前記スメルト粉砕ノズルの前記出口オリフィス間の間隔が前記直径の８倍以下である、スメルト粉砕装置。
【請求項18】
入口オリフィス、出口オリフィス、前記入口オリフィスと前記出口オリフィスとの間の流体経路、及び前記入口オリフィスと前記出口オリフィスとの間に位置する収束発散ゾーンを含む、スメルト粉砕装置を提供すること；前記流体経路を通して流体ストリームを流して、流体ジェットを生成すること；
前記流体ジェットをスメルトストリームと接触させて、前記スメルトストリームを粉砕スメルトに変換すること；及び
前記粉砕スメルトを溶解タンクに投入すること
を含む、スメルトの粉砕方法。
【請求項19】
前記流体ストリームはスチームを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項20】
さらに、クラフトパルプミルを使用して、回収ボイラーで黒液を燃焼させることにより、前記スメルトストリームを生成することを含む、請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本出願は、２０２０年９月１０日に出願された「スメルトの粉砕方法及び装置」という名称の米国仮出願第６３／０７６，６６５号の利益を主張する。２０２０年９月１０日に出願された「スメルトの粉砕方法及び装置」という名称の米国仮出願第６３／０７６，６６５号は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【0002】
本発明は、スメルト（ｓｍｅｌｔ）処理、クラフト（Ｋｒａｆｔ）木材パルプ化プロセス、クラフト木材パルプ化ミル、黒液回収プロセス及び装置、ならびに関連分野に関する。
【0003】
木材から木材パルプへの変換は、通常、クラフトプロセスを使用して行われる。木材チップは、水、水酸化ナトリウム、及び硫化ナトリウムを含む混合物で蒸解される。一般に白液と呼ばれるこの混合物は、繊維を一緒に保持しているリグニンからセルロース繊維（木材パルプ）を分離するのに役立つ。次いで、分離されたセルロース繊維が除去され、典型的には黒液と呼ばれる廃棄物が残る。
【0004】
黒液からの蒸解薬品の再生及び再利用は、製紙プロセスに関連するコストを制御するために望ましい。回収プロセス中に、黒液は約６５～８０％の固形分を含む溶液に濃縮される。濃縮溶液は、回収ボイラーとも呼ばれる化学還元炉の内部容積に噴霧される。黒液は回収ボイラーで燃焼され、使用済みのパルプ化薬品が回収され、さまざまなプロセスで使用されるスチームと電力が生成される。燃焼の結果、ボイラーの底部に、主に炭酸ナトリウム（Ｎａ2ＣＯ3）と硫化ナトリウム（Ｎａ2Ｓ）からなる溶融スメルトプールが形成される。溶融スメルトは、密度が約２０００ｋｇ／ｍ3、表面張力が約０．２１Ｎ／ｍで、数本の排出口から、排出口あたり約１Ｌ／ｓの流量で約７８０～８３０℃（１４４０～１５３０°Ｆ）でボイラーから連続的に流出する。好ましくは、スメルトストリームは、粉砕ジェットによって数ミリメートルの小さな液滴に粉砕される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
粉砕されたスメルトの液滴は溶解タンクに落下し、そこで弱い洗浄液（苛性化プラントからリサイクルされた水）に溶解して緑液を形成する。溶融スメルトと緑液の間の相互作用は、騒がしくて激しいものである。極端な場合、溶解タンクの爆発が発生し、機器の損傷、人身事故、及びボイラーの停止を引き起こす可能性がある。これらの極端なケースは望ましくないため、規制がますます厳しくなっている。効果的で安全な溶解タンク操作のための新しく改良されたスメルトノズルと方法の開発は、パルプ工場操作における最優先事項である。
【0006】
本明細書では、特定の改良が開示されている。
【課題を解決するための手段】
【0007】
非限定的な例として本明細書に開示されるいくつかの例示的な実施形態では、スメルト粉砕装置は、入口オリフィス、出口オリフィス、入口オリフィスと出口オリフィスとの間の流体経路、及び入口オリフィスと出口オリフィスとの間に位置する収束発散ゾーンを含む。いくつかのそのような実施形態では、第１の分離可能セクションは入口オリフィスを含み、第２の分離可能セクションは出口オリフィス及び収束発散ゾーンの発散ゾーンを含む。いくつかの実施形態では、入口オリフィスと流体連通する第２の出口オリフィスがあってもよい。いくつかのそのような実施形態では、第１の出口オリフィスは断面寸法を有することができ、第２の出口オリフィスは、第１の出口オリフィスから断面寸法の約４～約１０倍の距離に位置する。
【0008】
非限定的な例として本明細書に開示されるいくつかの例示的な実施形態では、スメルト粉砕ノズルは、入口オリフィス、出口オリフィス、及び狭窄部を有する入口オリフィスと出口オリフィスの間の流体経路を含む。いくつかのそのような実施形態では、ノズルは、入口オリフィスを含む第１のセクションと、出口オリフィスを含む第２のセクションとを含み、第１のセクションと第２のセクションは一緒に固定されて流体経路を画定し、狭窄部は第１のセクションと第２のセクションとの間の界面で画定される。いくつかのそのような実施形態では、第２のセクションにおける流体経路の部分は、界面から出口オリフィスまで広がる。いくつかのそのような実施形態では、第１のセクションにおける流体経路の部分は、第２のセクションにおける流体経路の部分より大きい直径を有する。いくつかの実施形態では、入口オリフィスから狭窄部まで延びる流体経路の部分は狭窄して狭窄部に至る。
【0009】
非限定的な例として本明細書に開示されるいくつかの例示的な実施形態では、スメルト粉砕装置は、直前の段落で説明したスメルト粉砕ノズルを複数含む。スメルト粉砕ノズルの出口オリフィスは直径を有し、複数のスメルト粉砕ノズルの出口オリフィス間の間隔は当該直径の８倍以下である。
【0010】
非限定的な例として本明細書に開示されるいくつかの例示的な実施形態では、スメルトの粉砕方法が開示される。入口オリフィス、出口オリフィス、入口オリフィスと出口オリフィスとの間の流体経路、及び入口オリフィスと出口オリフィスとの間に位置する収束発散ゾーンを含む、スメルト粉砕装置を提供する。流体ストリームを流体経路を通って流し、流体ジェットを生成する。流体ジェットは、スメルトストリームと接触して、スメルトストリームを粉砕スメルトに変換する。粉砕スメルトを溶解タンクに投入する。いくつかの実施形態では、流体ストリームはスチームを含む。いくつかの実施形態では、方法は、クラフトパルプミルを使用して、黒液を回収ボイラーで燃焼させることによって、スメルトストリームを生成することをさらに含む。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【発明を実施するための形態】
【0012】
図１を参照すると、溶解タンクに供給する、スメルト破砕装置が示されている。クラフトパルプミルを使用して、黒液を回収ボイラー（図示せず）で燃焼させることにより、スメルトストリームが生成される。スメルトノズル１０は、水などの溶媒流体（例えば、苛性化プラントからリサイクルされた水を含む弱い洗浄液）を含む溶解タンク１４に、スメルトストリーム１２を送り出し、緑液１６を形成する。粉砕ジェットノズル２０（内部流体経路２２を明らかにするために図１の断面図で示されている）は、例示としてスチーム２４などの流体ストリーム２４を受け取り、これは、流体経路２２を通って流れ、流体ジェット２６を生成し、スメルトストリーム１２と接触して、スメルトストリーム１２を粉砕スメルト２８に変換し、これはその後、溶解タンク１４に投入される。任意選択で、溶解タンクは、緑液１６を循環させて粉砕スメルト２８の処理を補助するための羽根車３０などを含んでもよい。
【0013】
溶解タンクの安全性について多くの研究が行われてきた。その結果、溶融スメルトの液滴は、水に接触してもすぐに爆発しないことが多く、むしろ爆発する前に数秒間水中で安定していることがわかった。さらに、１つの液滴の爆発が近くの他の液滴の爆発を引き起こし、一連の複数の液滴の爆発につながる可能性があることが観察された。これらの調査結果は、１）溶解タンク内でスメルトを効果的に溶解するには、液滴規模又は「ミニ」なスメルト－水爆発が必要であること、２）大規模な爆発は、溶融スメルトの１つの大きな破片、又は狭い限られた領域内の多数の小さな液滴によって引き起こされることを意味する。
【0014】
図２は、スメルト排出口１０からのスメルトと溶解タンク１４内の水との間の相互作用を、（Ａ）上面図及び（Ｂ）側面図から図式的に示す。スメルト液滴（すなわち、粉砕スメルト２８の液滴）の分布と、液滴が連続して落下する投影面積は、スメルトの粉砕によって大きく影響を受ける。液滴が液中に到達し、沈み続けると、それらは、スメルト－緑液の混合物の円筒形体積３２を形成する（図２のＡ部分では長方形のボックスとして、図２のＢ部分では円として図式的に示されている）。極端なケースのシナリオは、制御体積３２の境界内のすべてのスメルト液滴が同時に爆発する場合に発生する。
【0015】
ヒックス・メンジーズの原理に基づく熱力学モデルを開発して、溶解タンク内の大きなスメルト－水相互作用によって放出されるエネルギーを計算した。その結果、全爆発エネルギーとスメルトに蓄えられた利用可能な熱エネルギーの比である変換比（ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｒａｔｉｏ、ＣＲ）は、緑液温度と緑液対スメルトの体積比の増加に伴って増加することが示された。これは、溶解タンクの爆発の可能性を減らすために、溶融スメルトの液滴が緑液の広い領域に均一に分布できるように、粉砕ジェットの設計を最適化する必要があることを意味する。
【0016】
スメルト粉砕ジェットの設計及び粉砕方法は、ミルごとに大きく異なり、ノズルの設計、構成、及び操作に関する明確なガイドラインは業界には存在しない。通常、ノズルは飽和スチーム（３．５～１５．５バール、５０～２２５ｐｓｉｇに相当；及び１５０～２５０℃、３００～４８０°Ｆに相当）で作動し、結果として生じる粉砕ジェットは垂直に下向きに、又はスメルトの流れの方向に対してわずかに反対に向けられる。
【0017】
図３を参照すると、（Ａ）溶解タンク１４内の緑液１６へのスメルトの入口領域における粉砕スメルト２８の濃度が低い場合、及び（Ｂ）入口領域における粉砕スメルト２８の濃度が高い場合における、スメルトと水の相互作用が図式的に示されている。図３はまた、図１を参照して前述したように、スメルト排出口１０、スメルトストリーム１２、及び粉砕ジェット２６を図式的に示す。溶解タンクの操作の混乱は、スメルトの流れが粉砕ジェットの能力を超えた場合によく発生する。このようなオーバーフローの状況には、スメルトの越流（スメルトの流れの急激な増加）と「ゼリーロール」（Ｊｅｌｌｙｒｏｌｌ）スメルトが含まれる。ゼリーロールスメルトは、溶融スメルトの突然の凍結、落下した堆積物、又は大量の未燃炭の混入によって引き起こされる可能性がある。この動きの遅い粘性のあるスメルトは、スメルト１２の粉砕をより困難にし、それが取り除かれると、その後ろにある溶融スメルトの急増が越流の状況につながる可能性がある。これが発生すると、スメルトの流れがスメルト粉砕ジェットの能力を圧倒し、効果がなくなる。その結果、溶融スメルトは通常、図３（Ｂ）に図式的に示すように、排出口の真下の領域に集中し、爆発エネルギーが増加する。したがって、通常のスメルトの流れと混乱状態の両方を処理するのに十分な粉砕エネルギーを有する粉砕ジェットが望ましい。
【0018】
いくつかの場合において、粉砕ジェット２６は、スメルトの流れ特性の変化により、スメルトの流れ１２の一部又は全部を逃すことができる。したがって、広範囲をカバーする粉砕ジェットも望ましい。さらに、スメルト粉砕は最適な液滴分布を達成するべきであるが、運転コストを削減するためにスチーム消費を最小限に抑えたいという要望もある。
【0019】
したがって、本明細書では、粉砕ジェットノズルが複数の基準を満たすことができることが望ましいことが認識される：ｉ）高い粉砕エネルギーを生成すること、ｉｉ）広範囲のカバーが可能であること、及びｉｉｉ）スチームの消費を最小化すること。本明細書に開示されるのは、これらの複数の基準（例えば、通常のスメルトとの流れと混乱状態の両方を処理するのに十分な粉砕エネルギーを有し、広いカバー範囲を提供し、スチームの消費を最小限に抑えること）に対処する、粉砕ジェットノズルの実施形態、及びスメルト粉砕を実行する方法である。
【0020】
図４を参照すると、図１の粉砕ジェットノズル２０の拡大側面断面図が示されている。スチームの消費を最小限に抑えながら粉砕ジェットの強度を向上させるために、粉砕ジェットノズル２０は、収束発散（ｃｏｎｖｅｒｇｉｎｇ－ｄｉｖｅｒｇｉｎｇ、ＣＤ）ノズル設計を備える。例示的な設計では、粉砕ジェットノズル２０は、入口オリフィス４０、出口オリフィス４２、及び入口オリフィス４０と出口オリフィス４２との間の内部流体経路２２を含む。出口オリフィス４２は、断面寸法Ｄoを有し、これは、出口オリフィス４２が円形の断面を有するときの直径Ｄoである。スチーム又は他の作動流体の流れは、「流れ」の矢印によって示されるように、図１に示されるノズル２０の向きで左から右へと流れる。すなわち、スチームは入口オリフィス４０に入り、流体経路２２を通過し、出口オリフィス４２を出る。
【0021】
流体経路２２は、狭窄部又はスロート４４を有し、これは、流体経路２２を、入口オリフィス４０からスロート４４までの間の収束ゾーン４６と、スロート４４から出口オリフィス４２までの間の発散ゾーン４８とに分割する。「狭窄部」及び「スロート」という用語は、本明細書では交換可能に使用され、収束ゾーン４６と発散ゾーン４８を分ける流体経路２２の狭窄部分を指す。一般に、スチームは、狭窄部又はスロート４４内で収束するにつれて、収束ゾーン４６内を高圧及び低速で流れる；その後、スチームはスロート４４を出るときに発散し、その結果、発散ゾーン４８内のスチームは、収束ゾーン４６内のそれぞれ高圧及び低速と比較して、低圧及び高速になる。発散ゾーン４８は、狭窄部又はスロート４４から出口オリフィス４２まで広がる。収束ゾーン４６、すなわち入口オリフィス４０から狭窄部４４まで延びる流体経路２２の部分は、任意選択で狭窄して狭窄部４４に至る。ただし、他の実施形態では、一定の内腔直径であってもよい（例えば、図１３を参照）。収束ゾーン４６、狭窄又はスロート４４、及び発散ゾーン４８の組み合わせは、本明細書では、入口オリフィス４０と出口オリフィス４２との間に位置する収束発散ゾーンと呼ばれることがある。示されたスチームの流れに対して、収束ゾーン４６は発散ゾーン４８の上流にある；又は、逆に、発散ゾーン４８は収束ゾーン４６の下流にある。
【0022】
粉砕ジェットノズル２０の複雑な流体力学は、スチームの流れがスロート又は狭窄部４４で音速に到達し、出口、すなわち出口オリフィス４２でさらにそれ以上に到達することを可能にする。出口直径Ｄo、狭窄部又はスロート４４のスロート直径Ｄth、発散ゾーン４８の拡張角度Ａdiv、及びノズル長さを含む要因により、様々なスメルト流動特性と共に使用するための粉砕ジェットノズル２０のカスタマイズが可能になる。
【0023】
適切に設計されたスロートと出口のオリフィス面積比Ｒ：
を備えた収束発散（ＣＤ）ノズルは、より少ないスチーム消費量で同じ強度を達成するより効果的なジェット膨張により、所定のスチームの流れで、円筒孔ノズルよりも高い衝撃圧力を実現する。ノズルの流量は、次の式で計算できる：
式中、ｍは質量流量、Ｃdは流量係数、Ａはチョークポイントの断面積である（すなわち、
）。γはスチームの熱容量比、ρoは入口圧力Ｐoと温度における密度である。
【数1】
【数2】
【数3】
【0024】
広いカバー範囲を達成するために、複数の出口オリフィス４２を互いに隣接して配置して、より広い圧力プロファイルを達成することができる。（例えば、単一の入口オリフィス４０及び２つの出口オリフィス４２を有する図１２及び１３の実施形態を参照されたい）。隣接する出口オリフィス４２間の間隔ΔＤ（図１２及び１３を参照）は、好ましくは、全体の性能を最適化するように設計される。間隔ΔＤが小さすぎると、必要なカバー範囲が得られない場合がある。一方、間隔ΔＤが大きすぎると、隣接するオリフィス４２間に低圧領域が生じる可能性がある。
【0025】
図６を参照すると、二次元非対称計算流体力学モデリングに基づいて、１５０ｐｓｉｇの入口蒸気圧を有するＣＤノズルから発生した単一ジェット（図６（Ａ））の速度等高線が示されている。この結果は、このジェットの場合、隣接するオリフィス間の最適な間隔が８Ｄo（オリフィスの直径Ｄoの８倍に等しい距離）を超えてはならないことを示している。そうでないと、望ましくない低圧領域が中央に形成される可能性がある。したがって、収束発散マルチジェットノズル設計は、スチームの消費を最小限に抑えながら、強度とカバー範囲の両方を備えたジェットを生成できる。図６（Ｂ）は、１５０ｐｓｉｇの入口蒸気圧でＣＤノズルから発生したデュアルジェットの速度等高線を示している。この結果は、６Ｄoの間隔が望ましくない低圧領域を生成しないことを示している。
【0026】
ＣＤマルチジェットノズルの性能を評価するために、様々な設計パラメータを調査したが、従来の多孔（非ＣＤ）ノズルも性能比較のために試験した。実験条件の概要を表１に示す。
【0027】
【表1】
【0028】
この研究で使用される実験装置では、スチームをシミュレートするために実験で圧縮空気が使用された。テスト対象のノズルの前にピトー管アレイを配置して、ジェットのピーク衝撃圧力を測定した。これは、粉砕ジェットの強度を示す。ピトー管の位置は、ｘ、ｙ、ｚ方向に調整できる。ｘ位置とｙ位置の変化によってジェット圧力プロファイルが生成され、ｚ位置の変化によってノズルとピトー管の間の距離が変化する。
【0029】
図６を参照すると、１／４インチ、５／１６インチ、１１／３２インチ、３／８インチ、及び１／２インチの異なるスロート径を有する５つのＣＤシングルジェットノズルのノズル性能が示されている。図６は、さまざまなオリフィスサイズ（距離：２０インチ、圧力：１５０ｐｓｉｇ）での粉砕ジェットの圧力プロファイルをプロットしたものである。結果は、一般に、オリフィスのサイズが大きいほど、ジェットの強度が高くなることを示している。参考として使用される従来の多孔ノズルは、総開口面積に基づいて計算された０．４８インチの等価オリフィス直径を持ち、１／２インチの最大のＣＤノズルよりわずかに小さい。オリフィスの数が多いため、ＣＤシングルジェットノズルよりも広い範囲をカバーするが、同様のオリフィスサイズのＣＤノズルより強度が大幅に低下する。
【0030】
図７及び８を参照すると、ノズルの数及びＣＤオリフィス間の間隔の影響も調査した。図７は、デュアルジェットノズルとトリジェットノズル（距離：２０インチ、圧力：１５０ｐｓｉｇ）の圧力プロファイルを示し、図８は、オリフィス間の間隔が異なる（８Ｄo（直径の８倍）と１６Ｄo）のデュアルジェットノズルの圧力プロファイルを示す。図８でも、距離は２０インチで、圧力は１５０ｐｓｉｇである。結果は、ノズルの数を増やすと、中心線で同様のピーク衝撃圧力を持つより広い圧力プロファイルが生成されることを示している。オリフィスを離しすぎると、中央に低圧領域が形成され、粉砕ジェットの効果が低下する。
【0031】
図９を参照すると、オリフィス間隔は同じであるがスロートサイズ（Ｄth）が異なる２つのＣＤデュアルジェットノズルの圧力プロファイルと、比較のための従来の多孔粉砕ジェットノズルの圧力プロファイルが示されている。この結果は、図４の収束発散マルチジェットノズル２０が、より少ないスチームを消費しながら、より高いエネルギーとより広いカバー範囲を達成することにより、従来の粉砕ジェットノズルよりも優れた性能を発揮できることを示している。図９に示される最適化されたノズルと従来のノズルからのジェット圧力プロファイルの比較も、２４インチの距離と１５０ｐｓｉｇの圧力に対するものである。
【0032】
図１０及び１１を参照すると、スメルトストリームと粉砕ジェットとの間の入口圧力及び距離も、粉砕ジェットの性能に影響を与える可能性がある。図１０は、さまざまな蒸気圧での粉砕ジェット圧力プロファイルをプロットすることにより、ＣＤデュアルジェットノズルの性能をさまざまな入口圧力で比較している。図１１は、ピトー管までのさまざまな距離での粉砕ジェットのプロファイルをプロットすることにより、ＣＤデュアルジェットノズルの性能をピトー管からのさまざまな距離で比較している。図１０及び１１に示される結果は、圧力の増加及び距離の減少が、より高いジェット強度及びより広い適用範囲につながることを示している。
【0033】
要約すると、開示された粉砕ジェットの設計（例えば、図４の例示的な粉砕ジェットノズル２０によって具現化されるもの）は、スメルト粉砕の有効性及び溶解タンク操作の安全性を改善する。
【0034】
ここで図１２及び１３を参照すると、収束発散（ＣＤ）アプローチを採用する別の例示的な粉砕ジェットノズル１２０が図式的に示されている。図１２は、２つの出口オリフィス４２を有するデュアルジェット設計である粉砕ジェットノズル１２０の斜視図を示し、一方、図１３は、内部流体経路１２２を明らかにするための粉砕ジェットノズル１２０の斜視断面図を示す。この実施形態では、ノズルは、収束ゾーン４６が形成される第１のセクション１２６と、発散ゾーン４８が形成される第２のセクション１２８とを含む。第１のセクション１２６及び第２のセクション１２８が接合される界面１３４は、狭窄部又はスロート４４の輪郭を描く。２つのセクション１２６及び１２８は、ボルト１４０（図示のように）を介して、又はクリップ、溶接、ねじなどの他の接続手段によって互いに接続され得る別個の部品である。図１２及び１３の例示的な粉砕ジェットノズル１２０では、第１のセクション１２６は入口オリフィス４０を含み、第２のセクション１２８は出口オリフィス４２（又は、例示的な２ジェット設計では２つの出口オリフィス４２）を含む。第１のセクション１２６及び第２のセクション１２８は、一緒に固定されて、入口オリフィス４０と各出口オリフィス４２との間に流体経路１２２を画定し、図１３の断面図に見られるように、単一の入口オリフィス４０が両方の出口オリフィス４２にスチームを供給することを可能にするために、流体経路１２２は「Ｙ」分岐を有する。この実施形態では、狭窄部又はスロート４４は、第１のセクション１２６と第２のセクション１２８との間の界面１３４に画定される。第２のセクション１２８内の流体経路の部分（すなわち、発散ゾーン４８）は、界面１３４（狭窄部又はスロート４４に対応する）から出口界面４２まで広がる。図１３に見られるように、界面１３４において、第１のセクション１２６における流体経路１２２の部分（すなわち、収束ゾーン４６）は、第２のセクション１２８における流体経路１２２の部分（すなわち、発散ゾーン４８）より大きい直径を有する。結果として生じる界面１３４での流体経路１２２の直径の急激な減少は、狭窄部又はスロート４４を画定する。
【0035】
図１３では、蒸気を単一の入口オリフィス４０とともに２つの出口オリフィス４２に供給するために「Ｙ」分岐を採用しているが、より一般的には、流体経路１２２は、単一の入口オリフィスがスチームをＮ個の出口オリフィスに供給する１対Ｎのマニホルドを含むことができる。
【0036】
図１２及び１３の粉砕ジェットノズル１２０は、オリフィスの数、オリフィスの断面形状、オリフィスの断面積、各部分内の収束及び／又は発散プロファイル、及び出口オリフィスの指向性アウトプットなどさまざまな特性（ただし、これらに限定されない）を有する、収束及び／又は発散部分１２６、１２８の選択的な対を介した現場での調整を可能にする。
【0037】
出口オリフィス４２間の幾何学的な間隔は、所望の衝突圧力プロファイルを維持しながらスチームパターンを広げることを可能にする。少なくとも１つの実施形態では、デュアルジェットノズル１２０のオリフィス出口４２間の間隔ΔＤは４Ｄoであり、ここでＤoはオリフィス出口４２の直径である（Ｄoは図１２にのみ表示されている）。別の実施形態では、間隔ΔＤは、約４Ｄo～約１６Ｄの範囲であり、より好ましくは、約４Ｄo～約８Ｄoである。いくつかの実施形態では、出口オリフィスは異なるサイズであってもよく、例えば、第１の出口オリフィスの断面寸法は、第２の出口オリフィスの断面寸法より大きくてもよい（デュアルジェットノズル１２０の両方の出口オリフィス４２について同じＤoを有する図１２及び１３では、変形が示されていない）。
【0038】
上記の説明は本発明の好ましい実施形態を構成するが、本発明は、添付の特許請求の範囲の適切な範囲及び公正な意味から逸脱することなく、修正、バリエーション、及び変更が容易であることが理解される。
【図1】
【図2(A)】
【図2(B)】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【国際調査報告】