この学術論文では、高質量濃度のスラリースプレーをモニタリングするための光学式スプレー測定手法を紹介します。対象は、ベース液体と懸濁固体粒子を含む動的なスラリー液滴です。
多くの産業プロセスにおいて、スラリースプレーの測定は困難です。液滴には石炭粒子、顔料、骨材などの懸濁固体が含まれることがあります。そのため、従来のスプレー測定手法では、液滴内部の材料組成について十分な情報が得られないことが少なくありません。
本手法は、個々のスラリー液滴の透明度を解析します。これにより、固体粒子の質量濃度を推定し、液滴内部の平均粒子径に関する情報を得ることができます。
スラリースプレー測定が重要な理由
スラリースプレープロセスは、燃焼、ガス化、リサイクル、コーティング技術などの産業用途で重要です。これらのプロセスでは、スプレーは液体だけでなく懸濁粒子も輸送します。
このため、スラリーの混合プロセスの品質が重要になります。粒子径、粒子濃度、スプレー挙動は、プロセスの安定性と効率に影響を与えます。燃焼やガス化のプロセスでは、これらのパラメータが反応挙動や燃料転換にも影響を及ぼします。
動的なスラリー液滴の光学解析
本手法は、整形された光ビームを通過する個々の懸濁液滴からの光散乱に基づいています。これらの液滴は、粒子濃度と粒子径に応じて、半透明または非透明の液滴として振る舞います。
固体濃度が低い場合、屈折光はまだ液滴を透過できます。この場合、液滴は半透明に分類されます。濃度が高くなると、懸濁粒子が屈折光を遮断または散乱します。すると、液滴は非透明の液滴に近い振る舞いを示します。
半透明液滴と非透明液滴の相対数を数えることで、本手法はスラリーの組成に関する情報を提供できます。
TSTOFベースのスプレー測定
実験にはTime-Shift Time-of-Flight測定システムを使用しました。このTSTOFベースの構成は後方散乱領域で動作します。そのため、光源と検出器をスプレーの片側に配置できます。
実際の多くのプロセスでは光学的なアクセスが限られているため、これは産業用スプレー測定において有用です。
石炭スラリースプレーによる実験的研究
実験的研究では、質量濃度と粒子径分布の異なるスラリースプレーを用いました。石炭粒子をモノエチレングリコールに分散させ、粒子のザウター平均径が4.0 µm、9.4 µm、18.7 µmの3種類の粒子径分布を用意しました。
粒子の質量濃度は5%、10%、20%の間で変化させ、合計5種類のスラリー組成を試験しました。
スラリースプレーはガスアシスト式の同軸ノズルで生成しました。実験はKIT/ITCの施設にあるATMOスプレー試験装置で実施しました。測定位置はノズル出口から120 mm下方に固定しました。
スラリースプレーモニタリングの結果
結果から、光学信号とスラリー組成の間に明確な相関があることが示されました。粒子濃度が低いほど、より多くの半透明液滴が検出されました。また、同じ質量濃度では、粒子が大きいほど半透明液滴の数が多くなりました。
本研究では、スラリースプレーモニタリングに有用な2つのパラメータとして、半透明液滴の相対液滴レートと、半透明液滴のザウター平均径（Sauter Mean Diameter）を特定しました。
これらのパラメータは、質量濃度や粒子径分布の変化の検出に役立ちます。そのため本手法は、霧化前のスラリー混合プロセスや粉砕プロセスにおける異常の検出にも活用できます。
コンパクトなスプレー測定装置に向けて
本論文では、簡素化した測定コンセプトも提案しています。多くのモニタリング用途では、半透明液滴と非透明液滴を数えるだけで十分な場合があります。その場合、システムは各ステップで液滴径と速度を測定する必要がありません。
これにより、コンパクトで低コストなスプレー測定装置への道が開かれます。光源1つと検出器2つによる簡素な構成で十分な可能性があります。さらに、機械学習モデルによって光散乱信号から液滴の透明度を分類することも考えられます。
このようなコンパクトなシステムは、スラリースプレー、塗料スプレー、その他の不均質な液滴を含むスプレーのリアルタイムモニタリングに役立つ可能性があります。
応用の可能性
本手法は、高質量濃度スラリースプレーのモニタリング、燃焼研究、噴流床ガス化、リサイクルプロセス、粒子を含む液体、産業プロセス制御に関連します。
また、複雑な液滴を対象とした将来の光学式スプレー測定システムの開発にも貢献できます。こうしたシステムは、質量濃度、粒子径、霧化条件がスプレー挙動にどのように影響するかを研究者や技術者が理解する助けとなります。
参考文献
Schaefer, W., Fleck, S., Haas, M., & Jakobs, T. (2025). Optical Measurement Method for Monitoring High-Mass-Concentration Slurry Sprays: An Experimental Study. Photonics, 12(7), 673. https://doi.org/10.3390/photonics12070673
