JP2013029392A - Contact angle measurement device and prediction method for behavior of combustion ash in boiler furnace - Google Patents
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Abstract
Description
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。 The present invention relates to a contact angle measuring device for measuring the wet state of a liquid with respect to a solid, particularly a contact angle measuring device for measuring a contact angle of a substance having a high melting point such as coal combustion ash and the behavior of combustion ash in a boiler furnace. It relates to the prediction method.
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。 When measuring the wet state of the liquid with respect to the solid, a contact angle measuring device is used. The contact angle measuring device has a pedestal and a test piece placed on the pedestal, and is dropped onto the test piece. The contact angle of the sample was measured by capturing the sample with a camera from the side and analyzing the acquired image.
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。 When measuring the contact angle of a sample that is solid at room temperature, such as slag, the test piece and sample are heated together by heating the pedestal, or the inside of an airtight chamber is tested. The contact angle of the sample was measured after the piece and the sample were heated together to melt the sample.
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。 One of the methods for measuring the contact angle after melting by heating is combustion ash of coal in a coal-fired boiler. In coal-fired boilers, the use of low-quality inferior coal is being promoted due to the expansion of the types of coal currently used, but inferior coal has a high ash content and a high alkali metal content, so the melting point of combustion ash Also lower. For this reason, there is a possibility that phenomena that hinder the stable operation of the boiler, such as inhibition of heat transfer and blockage of the flow path, accompanying the increase in the amount of combustion ash particles adhering to the furnace wall of the boiler may occur.
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。 Therefore, the wet state of the ash particles of the combustion ash on the furnace wall of the boiler is predicted, the cause of the ash particles adhering to the furnace wall of the boiler is elucidated, and the degree of ash particle adhesion to the furnace wall is predicted. There is a need for a way to do that.
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。 However, in the case of the conventional contact angle measuring device, the sample and the test piece contacting the sample in the chamber are integrally heated and cooled, so that the ash particles heated to the furnace atmosphere and the ash particles It was difficult to reproduce the in-furnace environment of the boiler in which the temperature of the furnace wall where the ash adheres was lower than the atmosphere in the furnace, and it was difficult to predict the wet state of the ash particles in the furnace.
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。
An illumination system that holds a substrate on a plate that can be heated by a resistance heater or that can be cooled using the Peltier effect, and projects a light and dark stripe pattern at equal intervals onto droplets dropped on the surface of the substrate. Provided, and the substrate and the droplet dropped onto the substrate are integrally heated or cooled by the plate, and point cloud data representing the 3D shape of the surface of the droplet is obtained from the stripe pattern obtained by the illumination system However, there is a device disclosed in
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。 In view of such circumstances, the present invention provides a contact angle measuring device and a boiler furnace that can predict the wet state of combustion ash in the boiler furnace by heating the chamber and cooling the pedestal. A method for predicting the behavior of combustion ash is provided.
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。 The present invention relates to a contact angle measuring apparatus for measuring a contact angle of a sample placed on a pedestal provided in a container, wherein the heating means heats the sample in the container, and the cooling means cools the pedestal. A first temperature detecting means for detecting the temperature in the container, a second temperature detecting means for detecting the temperature of the pedestal, and detection by the first temperature detecting means and the second temperature detecting means. Based on the result, a control means for controlling the heating means and the cooling means, an imaging means for imaging the state of the sample heated by the heating means, and an image for obtaining a contact angle based on the image captured by the imaging means The present invention relates to a contact angle measuring device comprising an analyzing means.
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。 The present invention also relates to a contact angle measuring apparatus further comprising a gas supply means for supplying a reducing gas into the container and a gas exhaust means for exhausting the atmosphere in the container.
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。 Furthermore, the present invention includes a step of heating the atmosphere in the container and the coal combustion ash placed on the pedestal by the heating means, a step of cooling the pedestal by the cooling means, the atmosphere in the container and the pedestal The temperature of the boiler is equal to the furnace atmosphere and the furnace wall of the boiler, the process of simulating the furnace environment of the boiler, the process of imaging the combustion ash melted on the pedestal by the imaging means, and the image analysis The present invention relates to a method for predicting the behavior of combustion ash in a boiler furnace having a step of measuring a contact angle of combustion ash based on an image picked up by means.
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。 According to the present invention, there is provided a contact angle measuring device for measuring a contact angle of a sample placed on a pedestal provided in a container, the heating means for heating the sample in the container, and the pedestal is cooled. Cooling means, first temperature detection means for detecting the temperature in the container, second temperature detection means for detecting the temperature of the pedestal, the first temperature detection means and the second temperature detection means A control means for controlling the heating means and the cooling means based on the detection result, an imaging means for imaging the state of the sample heated by the heating means, and a contact angle based on the image taken by the imaging means. It is possible to simulate the boiler furnace environment by predicting the degree of adhesion of ash particles to the furnace wall in the furnace, and to maintain the boiler. Easy time setting In addition, the amount of ash particles adhering to the furnace wall can be reduced by mixing different types of coal or changing operating conditions, etc., and maintenance costs can be reduced by extending the maintenance cycle. .
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。 According to the invention, the heating means heats the atmosphere in the container and the coal combustion ash placed on the pedestal; the cooling means cools the pedestal; the atmosphere in the container; and A step of reproducing the environment inside the boiler in a pseudo manner by making the temperature of the pedestal equivalent to the furnace atmosphere and the wall of the boiler, a step of imaging the combustion ash melted on the pedestal by an imaging means, and an image And a step of measuring the contact angle of the combustion ash based on the image taken by the analysis means, so that the degree of adhesion of the ash particles melted by the combustion ash to the furnace wall in the furnace can be predicted, and the boiler The maintenance period can be easily set, and the amount of ash particles adhering to the furnace wall can be reduced by mixing different types of coal or changing the operating conditions, thereby extending the maintenance cycle. Maintenance There is exhibited an excellent effect that it is possible to achieve a reduction of the door.
以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
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。 First, referring to FIG. 1, a contact angle measuring apparatus according to a first embodiment of the present invention will be described.
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。
The contact
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。
The
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。
Inside the
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。
The
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。
The sample measurement unit 3 includes a CCD camera as an imaging unit or a
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。
The
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。
Next, the case where the contact angle of the combustion ash of coal sampled from the inside of the
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。
First, the
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。
Based on the temperature detected by the
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。
When the
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。
By analyzing the acquired image by the
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。
The results obtained by the contact
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。
As one of the causes that the ash particles 15 of the combustion ash adhere to the
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。
FIG. 3 is a view showing the concept of adhesion and repulsion of the molten ash particles 15 to the
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。
In FIG. 3, 15 a indicates a molten form before the ash particles 15 collide with the
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。
When the energy Ec in the form of the
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。
Further, among various factors such as a collision angle and a collision speed of the ash particles 15 against the
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。
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the contact angle with the
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。
As shown in FIG. 4, the ash particles 15 have (Ec−Er) / Er = 0 when the contact angle with the
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。
Therefore, by measuring the contact angle of the ash particles 15 of the combustion ash burned in the furnace of the boiler, whether the ash particles 15 adhere to the
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。
As described above, in the first embodiment, the inside of the
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。
Therefore, the composition of the combustion ash collected from the boiler or the combustion ash is analyzed, and the
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。
Further, the contact angle of the ash particles 15 for each coal is measured, and the degree of adhesion of the ash particles 15 to the
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。 Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 5 that are the same as those in FIG. 1 are given the same reference numerals, and descriptions thereof are omitted.
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。
In the second embodiment, a
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。
The
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。
In the second embodiment, the
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。
In the second embodiment, a reducing gas is supplied into the
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
DESCRIPTION OF
21 Gas supply means 23 Gas exhaust means
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