(57)【要約】      （修正有）【課題】チャンバ内を加熱すると共に台座を冷却することで、ボイラの炉内に於ける燃焼灰の濡れ状態を予測可能とした接触角測定装置及びボイラ炉内に於ける燃焼灰の挙動予測方法を提供する。【解決手段】容器４内に設けられた台座６に載置された試料７の接触角を測定する接触角測定装置１であって、前記容器内で試料を加熱する加熱手段８と、前記台座を冷却する冷却手段９と、前記容器内の温度を検出する第１の温度検出手段１０と、前記台座の温度を検出する第２の温度検出手段１１と、前記第１の温度検出手段及び前記第２の温度検出手段の検出結果に基づき前記加熱手段及び前記冷却手段を制御する制御手段１４と、前記加熱手段により加熱された試料の状態を撮像する撮像手段１２と、該撮像手段により撮像された画像を基に接触角を求める画像解析手段１４とを具備する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
容器内に設けられた台座に載置された試料の接触角を測定する接触角測定装置であって、前記容器内で試料を加熱する加熱手段と、前記台座を冷却する冷却手段と、前記容器内の温度を検出する第１の温度検出手段と、前記台座の温度を検出する第２の温度検出手段と、前記第１の温度検出手段及び前記第２の温度検出手段の検出結果に基づき前記加熱手段及び前記冷却手段を制御する制御手段と、前記加熱手段により加熱された試料の状態を撮像する撮像手段と、該撮像手段により撮像された画像を基に接触角を求める画像解析手段とを具備することを特徴とする接触角測定装置。
【請求項２】
前記容器内に還元ガスを供給するガス供給手段と、前記容器内の雰囲気を排気するガス排気手段とを更に具備する請求項１の接触角測定装置。
【請求項３】
加熱手段により容器内の雰囲気及び台座上に載置された石炭の燃焼灰を加熱する工程と、冷却手段により前記台座を冷却する工程と、前記容器内の雰囲気及び前記台座の温度をボイラの炉内雰囲気及び炉壁と同等とすることでボイラの炉内環境を擬似的に再現する工程と、撮像手段により前記台座上で溶融した燃焼灰を撮像する工程と、画像解析手段により撮像された画像を基に燃焼灰の接触角を測定する工程とを有することを特徴とするボイラ炉内に於ける燃焼灰の挙動予測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体に対する液体の濡れ状態を測定する接触角測定装置、特に石炭の燃焼灰等の融点が高い物質の接触角を測定する接触角測定装置及びボイラ炉内に於ける燃焼灰の挙動予測方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体に対する液体の濡れ状態を測定する際には、接触角測定装置が用いられ、接触角測定装置は台座と、台座上に載置された試験片とを有しており、試験片上に滴下された試料を側方よりカメラにて撮像し、取得した画像を解析することで試料の接触角を測定していた。
【０００３】
又、スラグ等の常温で固体である試料の接触角を測定する際には、台座を加熱することで試験片と試料とを一体に加熱し、或は気密なチャンバ内を加熱することで試験片と試料とを一体に加熱し、試料を溶融させた後に試料の接触角を測定していた。
【０００４】
加熱により溶融させた後に接触角を測定するものの１つとして、石炭焚きボイラに於ける石炭の燃焼灰がある。石炭焚きボイラでは、現在使用される炭種の拡大により、質の低い劣質炭の利用が進められているが、劣質炭は灰分が多く、又アルカリ金属の含有量が多い為、燃焼灰の融点も低くなる。その為、ボイラの炉壁への燃焼灰の粒子の付着量増加に伴う伝熱の阻害や流路の閉塞等、ボイラの安定運転を妨げる現象が発生する虞れがある。
【０００５】
従って、ボイラの炉壁に対する燃焼灰の灰粒子の濡れ状態を予測し、どの様な原因で灰粒子がボイラの炉壁に付着するのかを解明し、炉壁への灰粒子の付着度合を予測する方法が求められている。
【０００６】
然し乍ら、従来の接触角測定装置の場合、チャンバ内で試料及び試料と接触する試験片とを一体に加熱、冷却する構造となっている為、炉内雰囲気迄加熱された灰粒子と、灰粒子が付着する炉壁の温度が炉内雰囲気よりも低いボイラの炉内環境を再現することができず、炉内に於ける灰粒子の濡れ状態を予測するのが困難であった。
【０００７】
尚、抵抗加熱のヒータにより加熱可能、又はペルチェ効果を用いて冷却可能なプレートに基板を保持し、該基板の表面上に滴下した液滴に等間隔の明暗の縞パターンを投影する照明系を設け、前記基板と該基板に滴下された液滴が前記プレートにより一体に加熱又は冷却されると共に、前記照明系により得られた縞パターンから液滴の表面の３Ｄ形状を表す点群データを取得し、該点群データから液滴の接触角を求める接触角の測定装置として特許文献１に示されるものがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００３−１４８９３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は斯かる実情に鑑み、チャンバ内を加熱すると共に台座を冷却することで、ボイラの炉内に於ける燃焼灰の濡れ状態を予測可能とした接触角測定装置及びボイラ炉内に於ける燃焼灰の挙動予測方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、容器内に設けられた台座に載置された試料の接触角を測定する接触角測定装置であって、前記容器内で試料を加熱する加熱手段と、前記台座を冷却する冷却手段と、前記容器内の温度を検出する第１の温度検出手段と、前記台座の温度を検出する第２の温度検出手段と、前記第１の温度検出手段及び前記第２の温度検出手段の検出結果に基づき前記加熱手段及び前記冷却手段を制御する制御手段と、前記加熱手段により加熱された試料の状態を撮像する撮像手段と、該撮像手段により撮像された画像を基に接触角を求める画像解析手段とを具備する接触角測定装置に係るものである。
【００１１】
又本発明は、前記容器内に還元ガスを供給するガス供給手段と、前記容器内の雰囲気を排気するガス排気手段とを更に具備する接触角測定装置に係るものである。
【００１２】
更に又本発明は、加熱手段により容器内の雰囲気及び台座上に載置された石炭の燃焼灰を加熱する工程と、冷却手段により前記台座を冷却する工程と、前記容器内の雰囲気及び前記台座の温度をボイラの炉内雰囲気及び炉壁と同等とすることでボイラの炉内環境を擬似的に再現する工程と、撮像手段により前記台座上で溶融した燃焼灰を撮像する工程と、画像解析手段により撮像された画像を基に燃焼灰の接触角を測定する工程とを有するボイラ炉内に於ける燃焼灰の挙動予測方法に係るものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、容器内に設けられた台座に載置された試料の接触角を測定する接触角測定装置であって、前記容器内で試料を加熱する加熱手段と、前記台座を冷却する冷却手段と、前記容器内の温度を検出する第１の温度検出手段と、前記台座の温度を検出する第２の温度検出手段と、前記第１の温度検出手段及び前記第２の温度検出手段の検出結果に基づき前記加熱手段及び前記冷却手段を制御する制御手段と、前記加熱手段により加熱された試料の状態を撮像する撮像手段と、該撮像手段により撮像された画像を基に接触角を求める画像解析手段とを具備するので、ボイラの炉内環境を擬似的に再現することができ、灰粒子の前記炉内に於ける炉壁への付着の度合を予測することで、ボイラのメンテナンス時期の設定を容易に行うことができると共に、異種石炭の混合或は運転条件の変更等により前記炉壁への灰粒子の付着量を減少させることができ、メンテナンスの周期が延長されることで保守コストの低減を図ることができる。
【００１４】
又本発明によれば、加熱手段により容器内の雰囲気及び台座上に載置された石炭の燃焼灰を加熱する工程と、冷却手段により前記台座を冷却する工程と、前記容器内の雰囲気及び前記台座の温度をボイラの炉内雰囲気及び炉壁と同等とすることでボイラの炉内環境を擬似的に再現する工程と、撮像手段により前記台座上で溶融した燃焼灰を撮像する工程と、画像解析手段により撮像された画像を基に燃焼灰の接触角を測定する工程とを有するので、燃焼灰が溶融した灰粒子の前記炉内に於ける炉壁への付着の度合を予測でき、ボイラのメンテナンス時期の設定を容易に行うことができると共に、異種石炭の混合或は運転条件の変更等により前記炉壁への灰粒子の付着量を減少させることができ、メンテナンスの周期が延長されることで保守コストの低減を図ることができるという優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１の実施例に係る接触角測定装置の概略構成図である。
【図２】該接触角測定装置による接触角の測定を説明する説明図である。
【図３】ボイラの炉内に於ける灰粒子の形態を示す説明図である。
【図４】ボイラの炉内に於ける灰粒子の接触角と炉壁への付着、反発の関係を示すグラフである。
【図５】本発明の第２の実施例に係る接触角測定装置の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を説明する。
【００１７】
先ず、図１に於いて、本発明の第１の実施例に係る接触角測定装置について説明する。
【００１８】
第１の実施例に於ける接触角測定装置１は、試料保持部２と試料測定部３とで構成されている。
【００１９】
前記試料保持部２は気密な容器であるチャンバ４を有し、該チャンバ４は例えば耐熱ガラス等の耐熱性材料で形成された透過窓５が設けられている。前記チャンバ４の底面上に所望の材質、例えば後述するボイラの炉壁１６（図３参照）と同材質である鉄製の台座６が設けられ、該台座６上に液体或は固体の試料７が載置される。前記台座６の上方には加熱手段であるヒータ８が設けられ、該ヒータ８は抵抗加熱、或は赤外線加熱等により前記チャンバ４内の雰囲気、及び試料７を加熱する様になっている。尚、前記台座６上に載置される試料７の量が極めて少ない場合には、前記ヒータ８としてレーザ加熱を用いてもよい。又、前記台座６は、材質の異なる台座６を複数製作し、該台座６を条件に応じて自在に交換できる様になっている。
【００２０】
前記台座６の内部には、冷却手段である冷却配管９が設けられている。該冷却配管９は冷却水、冷却ガス等の冷却媒体を流通させる図示しない冷却媒体供給手段に接続されており、前記冷却配管９内を冷却媒体が流通することで前記台座６が冷却される様になっている。尚、該台座６内に前記冷却配管９を設けるのではなく、前記台座６の下面にペルチェ素子を密着させ、ペルチェ素子により前記台座６を冷却する様にしてもよい。
【００２１】
又、前記試料保持部２は外部より前記チャンバ４内に挿通された第１の温度検出手段である第１の熱電対１０と、第２の温度検出手段である第２の熱電対１１を有している。前記第１の熱電対１０は先端が前記台座６と前記ヒータ８との間の空間に延出し、前記ヒータ８により加熱された前記チャンバ４内の温度を検出できる様になっている。又、前記第２の熱電対１１は先端が前記台座６の端部に固定され、前記冷却配管９によって冷却された前記台座６の温度を検出できる様になっている。尚、前記温度検出手段は放射温度計であってもよく、放射温度計を用いる場合には試料７と前記台座６の温度が検出される。
【００２２】
前記試料測定部３は、撮像手段であるＣＣＤカメラ、或はＣＭＯＳセンサ等の撮像部を有するデジタルカメラ１２と、表示手段であるモニタ１３と、画像解析手段及び制御手段を有する制御演算装置（以下ＰＣと称す）１４とで構成されている。又、該ＰＣ１４は前記デジタルカメラ１２、前記モニタ１３とＬＡＮ等の通信手段により接続されると共に、前記ヒータ８、冷却媒体供給手段（図示せず）、前記第１の熱電対１０、前記第２の熱電対１１と電気的に接続されており、前記第１の熱電対１０及び前記第２の熱電対１１により検出された温度を基に、前記ヒータ８及び前記冷却媒体供給手段の制御を行う様になっている。
【００２３】
前記台座６上の試料７は、前記透過窓５を介して前記デジタルカメラ１２によって側方より撮像され、撮像された画像は前記モニタ１３に表示されると共に、前記ＰＣ１４に出力され、該ＰＣ１４にて撮像された画像を基に試料７の前記台座６に対する接触角が演算される様になっている。
【００２４】
次に、上記した前記接触角測定装置１を用いて試料７、例えばボイラ内より採取した石炭の燃焼灰の接触角を測定する場合について説明する。
【００２５】
先ず、前記台座６上に試料７を載置し、前記ヒータ８により試料７を加熱すると共に、前記冷却配管９に冷却媒体を流通させる。
【００２６】
前記第１の熱電対１０により検出された温度を基に、前記ＰＣ１４は例えば前記チャンバ４内の雰囲気及び試料７の温度がボイラの炉内雰囲気と同等となる様、８００℃〜１５００℃程度迄前記ヒータ８に加熱させることで試料７が溶融し、溶融した試料７が前記台座６上に広がる。この時、前記ＰＣ１４により前記冷却配管９を流れる冷却媒体の温度が、例えば最高で５００℃程度となる様制御され、前記台座６の温度はボイラの炉壁１６と同等となる３００℃〜８００℃程度となっている。
【００２７】
試料７が溶融したところで、前記デジタルカメラ１２により図２に示される様な、前記台座６と試料７の画像が取得され、取得された画像が前記モニタ１３に表示されると共に、前記ＰＣ１４に出力される。
【００２８】
取得された画像が該ＰＣ１４により解析されることで、試料７が前記台座６の表面と接する角度が演算され、試料７の表面よりも低温な前記台座６に対する試料７の接触角θを得ることができる。
【００２９】
上記した前記接触角測定装置１で得られた結果は、例えば石炭焚きボイラの炉内に於ける石炭の燃焼灰の挙動の予測等に利用することができる。
【００３０】
燃焼灰の灰粒子１５がボイラの炉壁１６に付着する原因の１つとして、高温となったボイラ内で灰粒子１５が溶融し、溶融した灰粒子１５の液滴が炉壁１６に付着することが挙げられる。
【００３１】
図３は溶融した灰粒子１５のボイラの炉壁１６への付着と反発の概念を示した図であり、灰粒子１５は前記炉壁１６と衝突する過程で大きく分けて５つの形態に分けることができる。
【００３２】
図３中、１５ａは灰粒子１５が前記炉壁１６に衝突する前の溶融した形態を示し、１５ｂは前記炉壁１６との衝突により灰粒子１５が最も広がった形態を示し、１５ｃは前記炉壁１６との衝突による反動で灰粒子１５が前記炉壁１６より飛上がる直前の形態を示している。又、１５ｄは灰粒子１５が前記炉壁１６より飛上がった後、該炉壁１６より離反せずに該炉壁１６に付着して安定した形態を示し、１５ｒは灰粒子１５が前記炉壁１６に反発し、該炉壁１６から離反した形態を示している。
【００３３】
該炉壁１６から飛上がる直前の灰粒子１５ｃの形態でのエネルギＥｃが、前記炉壁１６から離れた状態の灰粒子１５ｒの形態でのエネルギＥｒよりも大きい場合には、灰粒子１５が反発して前記炉壁１６より離反し、ＥｃがＥｒよりも小さい場合には、灰粒子１５が前記炉壁１６より離反せず付着する。即ち、（Ｅｃ−Ｅｒ）／Ｅｒが０よりも大きければ灰粒子１５が前記炉壁１６に反発して離反し、（Ｅｃ−Ｅｒ）／Ｅｒが０以下であれば灰粒子１５が前記炉壁１６に付着する様になっている。
【００３４】
更に、該炉壁１６に対する灰粒子１５の衝突角度や衝突速度、灰粒子１５の粒径、灰粒子１５の前記炉壁１６に対する接触角等の種々の因子の内、接触角が前記炉壁１６への付着及び反発により影響することが推察される。
【００３５】
図４は前記炉壁１６に対する接触角と（Ｅｃ−Ｅｒ）／Ｅｒとの関係を示したグラフである。
【００３６】
図４に示される様に、灰粒子１５は、前記炉壁１６に対する接触角がαの時に（Ｅｃ−Ｅｒ）／Ｅｒ＝０となっている。従って、接触角がαよりも大きければ灰粒子１５は全て反発して前記炉壁１６より離反し、接触角がα以下であれば灰粒子１５が前記炉壁１６に付着する様になっており、更に灰粒子１５の接触角がα未満で且つ小さくなる程、より前記炉壁１６に付着し易くなる様になっている。
【００３７】
従って、ボイラの炉内で燃焼された燃焼灰の灰粒子１５の接触角を測定することで、灰粒子１５が前記炉壁１６に付着するかしないか、又灰粒子１５が前記炉壁１６にどの程度付着するかを予測することができる。
【００３８】
上述の様に、第１の実施例では、前記ヒータ８によって前記チャンバ４内を高温雰囲気とすることができると共に、前記冷却配管９により溶融した試料７が載置された台座６を冷却することができる。即ち、バーナによって加熱され炉内が高温雰囲気となると共に、水冷構造により炉壁が炉内雰囲気よりも低温となるボイラの炉内環境を擬似的に再現することができる。
【００３９】
従って、ボイラ内から採取された燃焼灰、或は燃焼灰の組成を分析し、組成が一致する様作製した試料７を前記接触角測定装置１に適用し、燃焼灰或は試料７の接触角を測定することで、炉内に於ける灰粒子１５の前記炉壁１６への付着の度合を予測することができ、ボイラのメンテナンス時期の設定を容易に行うことができる。
【００４０】
又、石炭毎の灰粒子１５の接触角を測定し、灰粒子１５の前記炉壁１６への付着度合を予測することで、種類の異なる石炭を混合させる、或はボイラの運転条件を変更する等の処理により前記炉壁１６への灰粒子１５の付着量を減少させることができ、メンテナンスの周期が延長されることで保守コストの低減を図ることができる。
【００４１】
次に、図５に於いて、本発明の第２の実施例について説明する。尚、図５中、図１中と同等のものには同符号を付し、その説明を省略する。
【００４２】
第２の実施例では、チャンバ４にガス供給管１７とガス排気管１８とがそれぞれ接続されている。前記ガス供給管１７にはガス供給バルブ１９が設けられると共に、図示しない還元ガス供給源に接続されている。前記ガス供給管１７、前記ガス供給バルブ１９、前記還元ガス供給源によりガス供給手段２１が構成され、該ガス供給手段２１によりＣＯ、Ｈ2 等の還元ガスが前記チャンバ４内に供給される様になっている。
【００４３】
又、前記ガス排気管１８にはガス排気バルブ２２が設けられると共に、真空ポンプ等の図示しない排気装置に接続されている。前記ガス排気管１８、前記ガス排気バルブ２２、前記排気装置によりガス排気手段２３が構成され、該ガス排気手段２３により前記チャンバ４内の雰囲気が排気される様になっている。第２の実施例では、前記チャンバ４、台座６、ヒータ８、冷却配管９、第１の熱電対１０、第２の熱電対１１、前記ガス供給手段２１、前記ガス排気手段２３とで試料保持部２が構成される。
【００４４】
又、第２の実施例では、前記ガス供給バルブ１９、前記ガス排気バルブ２２、前記排気装置がＰＣ１４と電気的に接続されており、該ＰＣ１４は前記ガス供給バルブ１９を開、前記ガス排気バルブ２２を閉として還元ガスを前記チャンバ４内に供給し、或は前記ガス供給バルブ１９を閉、前記ガス排気バルブ２２を開とし、前記チャンバ４内から還元ガスを排気する様制御される。
【００４５】
第２の実施例では、前記チャンバ４内に還元ガスを供給し、該チャンバ４内を還元性雰囲気とすることができるので、該チャンバ４内に擬似的に再現されたボイラの炉内環境をより炉内環境へと近づけることができ、炉内に於ける灰粒子１５（図３参照）の炉壁１６（図３参照）への付着の度合をより高精度に予測することができる。
【符号の説明】
【００４６】
１              接触角測定装置
２              試料保持部
３              試料測定部
４              チャンバ
６              台座
７              試料
８              ヒータ
９              冷却配管
１０            第１の熱電対
１１            第２の熱電対
１２            デジタルカメラ
１４            ＰＣ
２１            ガス供給手段
２３            ガス排気手段
【図１】
2013029392.tif 000003
【図２】
2013029392.tif 000004
【図３】
2013029392.tif 000005
【図４】
2013029392.tif 000006
【図５】
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