(57)【要約】【課題】セルフライニングを適用できない伝熱管などにも適用でき、気流中の固体粒子による物体面の摩耗を抑制できる摩耗抑制方法を提供する。【解決手段】主流粒子１を含む気流に対して、その主流粒子１の衝突で摩耗する物体面３を保護するための摩耗抑制方法において、気流に対して物体面３の上流側に導入粒子４を導入する導入ノズル５を設け、その導入ノズル５から導入粒子４を導入して主流粒子１と衝突させ、物体面３に衝突する主流粒子１の衝突エネルギを減じ、物体面３の摩耗を抑制する方法である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
主流粒子を含む気流に対して、その主流粒子の衝突で摩耗する物体面を保護するための摩耗抑制方法において、
前記気流に対して前記物体面の上流側に導入粒子を導入する導入ノズルを設け、その導入ノズルから導入粒子を導入して前記主流粒子と衝突させ、前記物体面に衝突する主流粒子の衝突エネルギを減じ、前記物体面の摩耗を抑制することを特徴とする摩耗抑制方法。
【請求項２】
前記導入粒子は、前記気流の上流側に向けて導入される請求項１記載の摩耗制御方法。
【請求項３】
前記導入粒子は、球形である請求項１又は２記載の摩耗制御方法。
【請求項４】
前記導入粒子は、融点が前記主流粒子よりも高い請求項１〜３いずれか記載の摩耗制御方法。
【請求項５】
主流粒子を含む気流に対して、その主流粒子の衝突で摩耗する物体面を保護するための摩耗抑制装置において、
前記気流に対して前記物体面の上流側に導入粒子を導入する導入ノズルと、
前記導入ノズルに前記導入粒子を含む気流を供給する導入流供給部と、を設け、
前記導入ノズルから導入粒子を導入して前記主流粒子と衝突させ、前記物体面に衝突する主流粒子の衝突エネルギを減じ、前記物体面の摩耗を抑制するように構成したことを特徴とする摩耗抑制装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主流粒子を含む気流に対して、その主流粒子の衝突で摩耗する物体面を保護するための摩耗抑制方法及び摩耗抑制装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
微粉炭ボイラの伝熱管、流動層ボイラのサイクロン、微粉炭バーナ配管、または各種粉体輸送配管など、気流と固体粒子とが混合した固気混相流が流れる配管では、例えば配管の向きが変わるコーナー部などにおいて、固体粒子の衝突により物体面が激しく摩耗するという問題がある。
【０００３】
気流中の固体粒子による摩耗が激しい箇所を保護する方法の一つに、部材表面を粉体層（固体粒子からなる層）で覆った状態に保持して、飛来する固体粒子をまず粉体層と接触させることによって摩耗を抑制するセルフライニングの方法が知られている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００４】
また、気流が流れる通路を構成する構造材の内部に冷却剤を充填し、気化した冷却剤を構造材の表面に噴出させ、構造材表面への伝熱を軽減すると共に、固形成分衝突によるエロージョン発生を防止する装置が知られている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−５６４０７号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】橋本建次著、「粉粒体による摩耗」、産業技術センター、１９７４年、ｐ．２９４
【非特許文献２】S. Elghobashi, On Predicting Particle-Laden Turbulent Flows, Applied Scientific Research, 1994, Vol.52 No.4, p.309-329
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら特許文献１の方法は、気化した冷却剤で構造材の表面に冷却ガス層を形成する方法であり、伝熱管などの高い熱伝達が求められる部材には適用することができない。また、固体粒子には大きな慣性力が生じるため、構造材表面を冷却ガス層で被覆しても、配管のコーナー部などにおいては固体粒子の速度を十分に低下させることができず、構造材表面の摩耗を十分には抑制できなかった。
【０００８】
また、非特許文献１のセルフライニングの手法においても、粉体層は熱抵抗となるので、伝熱管などには適用することができない。
【０００９】
特に、石炭燃焼灰などを扱う場合には、融点付近の高温環境になると灰粒子の溶融が起こって伝熱管などに付着・堆積するため、更なる熱伝達の低下や閉塞トラブルに至ることもある。さらには、低温環境であっても、既存の粉体層に対して、湿った固体粒子が飛来する場合にはやはり付着・成長が進行し、やがては閉塞に至る可能性がある。したがって、セルフライニングの適用条件は、非伝熱面であって、なおかつ、飛来粒子が乾燥していて、さらに粒子の融点より低い温度環境にて使用する場合に限られる。
【００１０】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、セルフライニングを適用できない伝熱管などにも適用でき、気流中の固体粒子による物体面の摩耗を抑制できる摩耗抑制方法及び摩耗抑制装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために創案された本発明は、主流粒子を含む気流に対して、その主流粒子の衝突で摩耗する物体面を保護するための摩耗抑制方法において、前記気流に対して前記物体面の上流側に導入粒子を導入する導入ノズルを設け、その導入ノズルから導入粒子を導入して前記主流粒子と衝突させ、前記物体面に衝突する主流粒子の衝突エネルギを減じ、前記物体面の摩耗を抑制する摩耗抑制方法である。
【００１２】
前記導入粒子は、前記気流の上流側に向けて導入されると良い。
【００１３】
前記導入粒子は、球形であると良い。
【００１４】
前記導入粒子は、融点が前記主流粒子よりも高いと良い。
【００１５】
また本発明は、主流粒子を含む気流に対して、その主流粒子の衝突で摩耗する物体面を保護するための摩耗抑制装置において、前記気流に対して前記物体面の上流側に導入粒子を導入する導入ノズルと、前記導入ノズルに前記導入粒子を含む気流を供給する導入流供給部と、を設け、前記導入ノズルから導入粒子を導入して前記主流粒子と衝突させ、前記物体面に衝突する主流粒子の衝突エネルギを減じ、前記物体面の摩耗を抑制するように構成した摩耗抑制装置である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、セルフライニングを適用できない伝熱管などにも適用でき、気流中の固体粒子による物体面の摩耗を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施の形態に係る摩耗抑制方法を説明する概略図である。
【図２】本発明の他の実施の形態に係る摩耗抑制方法を説明する概略図であり、（ａ）はダクト内に横置きされた多数の伝熱管を、（ｂ）はサイクロンを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の一実施の形態について図面に基づき説明する。
【００１９】
図１は、本実施の形態に係る摩耗抑制方法を実施するための摩耗制御装置の構成を示す図である。ここでは、一例として、主流粒子１を含む気流（以下、主流ともいう）を通す配管２のコーナー部の摩耗を抑制する場合を説明する。この場合、図１にハッチングで示される位置、すなわち配管２のコーナー部の外側に位置する内壁が、主流粒子１の衝突により摩耗される物体面３となる。
【００２０】
図１に示すように、摩耗抑制装置１００は、導入粒子４を配管２内に導入する導入ノズル５と、導入ノズル５に導入粒子４を含む気流（以下、導入流ともいう）を供給するための導入流供給部１０１と、を設けたものである。
【００２１】
本実施の形態では、導入ノズル５は主流に対して物体面３の上流側に接続されると共に、主流の上流側に噴口を向けて接続され、導入粒子４が主流の上流側へ向けて導入されるようにする。
【００２２】
摩耗抑制装置１００の導入流供給部１０１は、導入粒子４を導入ノズル５側へ供給する粒子導入部６と、気流を導入ノズル５側へ供給する気流導入部７と、粒子導入部６および気流導入部７からの導入粒子４と気流とを混合して固気混相の導入流とし、導入流を導入ノズルへ送る混合部８と、を備える。
【００２３】
粒子導入部６は、導入粒子４を貯留する粒子タンク９と、粒子タンク９内の導入粒子４を混合部８へ定量供給するためのスクリューフィーダ１０と、を備える。なお本発明では、スクリューフィーダ１０の他にテーブルフィーダやロータリーバルブなどを使用することもできる。
【００２４】
気流導入部７は、昇圧した空気を気流として混合部８へ送るためのものであり、本実施の形態ではブロア１１からなる。なお本発明ではブロア１１の他にコンプレッサを使用することもできる。また気流そのものは、主流を上流側で分岐させて昇圧したものを用いることもでき、この場合、主流を上流側から分岐させる配管と、分岐させた主流を昇圧する昇圧手段とを備える構成とすればよい。
【００２５】
粒子導入部６および気流導入部７から供給される導入粒子４と気流は、混合部８において混合されて固気混相の導入流となり、導入ノズル５へ送られる。
【００２６】
導入ノズル５と混合部８は、導入配管１２によって接続され、粒子導入部６のスクリューフィーダ１０と混合部８は粒子供給管１３で開閉弁１４を介して接続される。また、気流導入部７のブロア１１と混合部８は気流配管１５で流量調節弁１６を介して接続され、その気流配管１５の流量調節弁１６よりもブロア１１側には、バイパス弁１８を有するバイパス配管１７が接続される。さらに、気流配管１５の途中には、気流配管１５を流れる気流の流量（または流速）を計測するための図示しない流量計（または流速計）が設けられる。
【００２７】
導入流中の導入粒子４の濃度は、主流と干渉後の粒子体積分率が少なくとも１０-3以上になるようにすることが好ましい（つまり、導入流を導入された主流中において、主流粒子１と導入粒子４の合計の体積分率が１０-3以上となるように、導入粒子４の体積分率を調節することが好ましい）。
【００２８】
詳しくは非特許文献２に記載されているが、気流中の固体粒子の体積分率が１０-3未満の範囲では、固体粒子同士は平均的には干渉（直接衝突）しない領域となるが、体積分率が１０-3以上の範囲では、固体粒子同士が干渉する領域となり、主流粒子１の物体面３への衝突速度を効率的に低下させることができる。一般的に、物体の摩耗量は粒子速度の２〜３乗、体積分率（濃度）の１乗に比例するとされており、固体粒子の体積分率を増やしても、物体に衝突する固体粒子の速度を落とすことで、摩耗を抑制することができる。
【００２９】
本発明では、導入粒子４として主流粒子１と同じ固体粒子を用いたり、異なる固体粒子を用いたりすることができる。導入粒子４は下流側の配管２に化学的・物理的な悪影響を及ぼさないような材質・粒径・形状とすればよい。好ましくは、導入粒子４として凹凸のない形状のものを用いるとよく、さらに好ましくは、球形の粒子を用いると良い。球形の粒子は物体面上を滑りやすいことから導入粒子４自体の摩耗への寄与を小さくすることができ、また物体表面を転がりやすいため付着・堆積には至りにくく、熱抵抗にもなりにくいため、好適である。
【００３０】
さらには、導入粒子４として主流粒子１よりも融点が高い材質のものを用いると、導入粒子４の溶融によるスラッギング等を低減できるため、好適である。
【００３１】
次に、本実施の形態に係る摩耗抑制方法について説明する。
【００３２】
主流中に含まれる主流粒子１による物体面３の摩耗が懸念されるとき、まず、流量調整弁１６を全閉、バイパス弁１８を全開にした状態でブロア１１を起動する。ブロア１１の起動が完了した後、混合部８と流量調整弁１６を接続する配管１５の途中の図示しない流量計（または流速計）の指示値が所定値に達するまで、バイパス弁１８を絞りながら流量調整弁１６を開ける。次に、スクリューフィーダ１０を起動すると共に開閉弁１４を開弁してタンク９から導入粒子４を混合部８に向けて定量供給し、混合部８で導入粒子４と気流とを混合して固気混相の導入流とする。
【００３３】
このとき、配管２内の圧力、主流中の主流粒子１の体積分率を基にして、導入流を導入した後の主流粒子１と導入粒子４の合計の体積分率が１０-3以上となるように、スクリューフィーダ１０からの導入粒子４の供給速度を調節すると共に、流量調節弁１６およびバイパス弁１８の開度を調節してブロア１１からの気流の流量を調節する。他の流量調節方法として、ブロア１１をインバータ制御しても良い。なお、粒子供給量の調整にはスクリューフィーダ１０をインバータ制御するなどの方法がある。
【００３４】
配管２に接続された導入ノズル５へ混合部８から導入流を送り、その導入流を導入ノズル５から配管２内へ導入する。配管２に導入された導入流中の導入粒子４は、主流中の主流粒子１と衝突し、主流粒子１の物体面３への衝突速度を低下させ、物体面３への衝突エネルギを減じて物体面３の摩耗を抑制する。その後、導入粒子４は主流粒子１と共に気流に対して下流側に移動する。
【００３５】
なお、主流粒子１の運動エネルギを殺ぐ役割を果たすのは導入流中の導入粒子４だけにとどまらない。導入粒子４とともに導入される気流も、好適には主流と対向して導入されるので主流粒子１の運動エネルギを減少させることができる。同時に、この導入流（気流と導入粒子４）は主流中の気流速度も減少させるので、主流中の気流速度の減少に伴って、気流に同伴する主流粒子１も気流の粘性によって速度が低下する。
【００３６】
その結果、速度が落ちた主流粒子１が物体面３に到達しても、物体面３への衝突エネルギは低下しているので、物体面３の摩耗は抑制されることになる。
【００３７】
つまり本発明は、主流粒子１と導入粒子４の干渉だけでなく、主流粒子１と導入流中の気流の干渉、導入粒子４と主流中の気流の干渉、主流および導入流中の気流同士の干渉を利用して、物体面３の摩耗を抑制することに特徴を有する摩耗抑制方法である。
【００３８】
なお、導入粒子４として凹凸の少ない球形のものを用いると、主流粒子１と衝突した後に物体面３へ到達しても、物体面３上を滑りやすいので、導入粒子４自体の摩耗への寄与を小さくできると共に、物体面３への付着・堆積を抑制できる。また、主流粒子１よりも融点の高いもの（より望ましくは、気流あるいは物体面３の表面温度よりも融点の高いもの）を用いると、導入粒子４自体の溶融や、主流粒子１の溶融によるスラッギングを防止できる。
【００３９】
主流粒子１の融点よりも温度の低い導入流を導入する場合には、主流粒子１が物体面３に衝突するまでに、導入流との対流熱伝達によって、主流粒子１の温度が融点以下に低下するので、主流粒子１が溶融状態のまま物体面３上に到達することを防止でき、スラッギング等の障害も抑制できる。
【００４０】
また、低温環境下で、湿った粒子が飛来する場合でも、導入流中の気流との対流熱伝達によって、主流粒子１の脱水・乾燥が進行するので、物体面３への付着・成長を抑制することができる。
【００４１】
主流中の主流粒子１の体積分率（濃度）が低くなるなどして、物体面３の摩耗の懸念が低下したときには、バイパス弁１８を開弁しながら開閉弁１４および流量調節弁１６を閉弁して導入ノズル５側への導入流の供給を停止し、しかる後にブロア１１を停止して、摩耗抑制装置１００の運転を終了する。
【００４２】
以上要するに、本発明の摩耗抑制方法では、主流中の主流粒子の衝突により摩耗する物体面３の摩耗を抑制すべく、主流に対して上流側に導入粒子４を導入する導入ノズル５を設け、導入ノズル５から導入された導入粒子４を主流粒子１に衝突させて主流粒子１の物体面３への衝突エネルギを減じ、物体面３の摩耗を抑制している。
【００４３】
本発明によれば、固体粒子である導入粒子を衝突させて主流粒子の物体面への衝突速度を低下させるので、従来用いられてきた気流（ガス）のみによる主流の流速を低減させる方法に比して、主流粒子の減速効果（クッション効果）が大きく、物体面の摩耗をより抑制することができる。
【００４４】
また、主流粒子や導入粒子を物体面に付着・堆積させることがないので、熱伝達の抵抗になりにくく、セルフライニングを適用できない伝熱管にも適用できる。
【００４５】
なお、上記実施の形態では固体粒子を含む気流が流れる配管２のコーナー部に摩耗抑制装置１００を設けて物体面３の摩耗を抑制する方法について説明したが、本発明は固気混相の気流が流れる流路全般に対して適用可能である。
【００４６】
例えば図２（ａ）に示すような、横置きした多数の伝熱管２１を有するダクト２０においては、主流粒子１による伝熱管２１表面の摩耗を抑制するために、主流に対して伝熱管２１の上流側のダクト２０に導入ノズル５を接続し、導入粒子４を主流粒子１に衝突させるような構成とすることができる。ここでは、主流に対して上流側に位置する伝熱管２１の表面部分が、主流粒子１の衝突により摩耗する物体面３となる。
【００４７】
図２（ａ）では、配管内で広範囲に配置されている多数の伝熱管２１を主流粒子１による摩耗から保護するために、２つの導入ノズルがダクト２０の両側に対称に設けられている。このように、本発明では複数の導入ノズル５を設けることで、広範囲で主流粒子１による摩耗を抑制することができる。
【００４８】
また、図２（ｂ）に示すような、固気混相の主流を主流粒子１とガスとに分離するためのサイクロン２２においても、導入ノズル５を設けて導入粒子４を主流粒子１に衝突させるように構成することができる。
【００４９】
これら図２（ａ），（ｂ）に示すような構成においても、本発明に係る摩耗抑制方法は主流粒子１の衝突による摩耗を効果的に抑制することができる。
【００５０】
本発明は上記実施の形態に限られるものではなく、種々の変更が可能である。
【００５１】
例えば、主流粒子１によって摩耗される部位が配管２の中央に位置するような場合には、導入ノズル５の噴口を配管２の中央に配置するなど、摩耗する部位の位置に合わせて導入ノズル５の配置を適宜変更することなどが可能である。
【００５２】
また、導入ノズル５を主流の下流側に向けて傾斜して接続し、主流の下流側に向けて導入粒子４を導入するようにしてもよい。主流粒子１の減速効果の観点からは、導入粒子４の導入方向を主流の上流側に向けることが好ましいが、下流側に向けて導入粒子４を導入しても、導入粒子４の速度を主流粒子１より遅くすれば、導入粒子４が主流粒子１に衝突する際に、主流粒子１の速度を減少させるので、物体面の摩耗を抑制することができる。
【００５３】
さらに、導入流による主流の温度低下が問題となるような場合には、導入流を昇温するためのヒータや熱交換機構を設けてもよい。
【符号の説明】
【００５４】
１  主流粒子
２  配管
３  物体面
４  導入粒子
５  導入ノズル
６  粒子導入部
７  気流導入部
８  混合部
１００  摩耗抑制装置
１０１  導入流供給部
【図１】
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【図２】
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