JP2020169942A - 粒子耐摩耗性評価装置 - Google Patents

Abstract

【課題】粒径分布や密度、粒子形状において多様な特性を持つ様々な粒子について、流体中での粒子群の耐摩耗特性を簡易に評価できるようにする。【解決手段】評価対象の粒子を投入する試験容器１の下方には、第１気体供給装置としての第１送風機２が、試験容器１の上部を封止する蓋部３には、第２気体供給装置としての第２送風機４がそれぞれ設けられている。蓋部３の中央部には、試験容器１の上方から気体を排出する排出管５が設けられている。試験容器１内に投入された粒子は第１送風機２により上方に向けて旋回し、第２送風機４によりこの旋回が維持される。旋回に伴う衝突により発生した粉塵微粒子は、旋回流の中央部に寄せ集められ、排出管５から排出される。排出管５から排出される気体中の粉塵微粒子はフィルタ６により捕集され、重量計測部７によりフィルタ６の重量が計測され、処理装置８がその計測結果に基づいて粒子の耐摩耗性を評価する。【選択図】図１

Description

本発明は、粒子耐摩耗性評価装置に関し、例えば、鋳型や流動床式焼却炉に用いられる珪砂や、石油の流動接触分解や触媒燃焼等に用いられる触媒、また脱硫、脱硝、二酸化炭素吸収等の不用成分除去等に使われる石灰石や活性炭等の吸収・吸着剤に代表される粒子の耐摩耗性を評価するための粒子耐摩耗性評価装置に関するものである。

鋳型の高強度化、低膨張化、繰り返し使用時の環境負荷低減（産業廃棄物の低減）等の目的から、耐摩耗性がより高い鋳型砂が求められている。非特許文献１には、電磁力式微少強度試験機を用い、鋳型砂に一定荷重を一定変位速度で負荷し、最大破壊荷重から圧縮強度を求め、圧力分布と粒子の圧縮強度分布から微粉化率を算出することが提案されている。

焼却炉用の珪砂や吸収・吸着剤、反応触媒では、使用量削減による運転コストや環境負荷低減等の目的から、耐摩耗性がより高い粒子が求められている。非特許文献２には、流動接触分解触媒の粒子に高速の空気を衝突させ、装置外に排出された粒子をフィルタで捕集して増加重量から摩耗速度を算出して、耐摩耗性を評価する手法が提案されている。

黒川 豊、天久 裕樹、素形材２００８．２ 「新しい砂の耐摩耗性評価法」 http://sokeizai.or.jp/japanese/publish/200706/200802kurokawa.pdf ASTM D5757-11, Standard Test Method for Determination of Attrition of FCC Catalysts by Air Jets, ASTM Internationalhttps://www.astm.org/Standards/D5757.htm

鋳型砂等、粒子を装置内部で取り扱うプロセスでは、粒子の耐摩耗性はその寿命を決定するため、運転コストを左右する重要な要素である。粒子の耐摩耗性の評価方法として、粒子１個の強度等を測定する方法がある。非特許文献１に記載された耐摩耗性評価法では、粒子の圧縮強度を測定するとともに、シミュレーションにより想定される環境での粒子衝突時の応力分布を求めて、両者から微粉化率を算出するが、様々な仮定の上で実施するシミュレーションによる応力分布の算出では実装置内の応力分布を正確に求めることは難しく、得られる結果は推定の域を越えるものではないという問題があった。さらに、この耐摩耗性評価法では、電磁力式微小強度試験機など、高価な試験機を必要とするばかりでなく、粒子ごとの基準化応力、動的シミュレーションから、所定の応力を受けた際に、鋳型砂が破壊する比率を求めるなど、高度な計測技術、演算処理が必要となり、容易に実施できるものではない。

より実装置に近い環境で摩耗を測定する方法として非特許文献２等で標準化されているが、これらの方法では測定結果が粒径や粒子密度に強く依存するため、適用できる粒子物性の制限が狭く、多様な特性を持つ粒子を測定することはできない。
そこで本発明は、粒径分布や密度、粒子形状において多様な特性を持つ様々な粒子について、流体中での粒子群の耐摩耗特性を簡易に評価できるようにすることを目的としている。

この課題を解決するため、本発明は、流体の旋回流によって粒子群が円状の壁面を回転し続ける構造をもつ装置を提供する。
より具体的には、本発明による粒子の耐摩耗性評価装置は、評価対象の粒子を封入するための試験容器と、この試験容器の下方に接続され、粒子を旋回させて試験容器の内壁への衝突及び粒子相互の衝突を発生させるとともに、粒子の摩損により発生した粉塵微粒子を粒子から分離しつつ上方に向けて巻き上げるように気体を噴出させる第１気体供給装置と、試験容器の上方に接続され、上方に巻き上げられた粒子の旋回を維持するとともに、試験容器の上方を封止する蓋部下面への付着を防止するように気体を噴出させる第２気体供給装置と、蓋部の中央に接続され、第１気体供給装置と第２気体供給装置により取り込まれた気体とともに粉塵微粒子を収集する粉塵微粒子収集装置に排出する排出管と、粉塵微粒子収集装置により収集された粉塵微粒子の量を分析する分析装置と、前記第１送風機、前記第２送風機の風量、送風時間を設定するとともに、前記分析装置の分析結果に基づき、前記粒子の耐摩耗性を評価する処理装置とから構成されている。

本発明に係る粒子摩耗評価装置によれば、多種多様な特性をもつ粒子の摩耗特性を単一の装置、条件で比較することができる。
また、高温場や加圧場、また反応ガスと粒子との反応場での摩耗特性も測定可能となる。

図１は、本発明に基づく実施例の概要を示す図である。 図２は、試験容器１の構造を示す図である。 図３は、イルメナイトの測定結果を示す図である。 図４は、触媒粒子の測定結果を示す図である。 図５は、触媒粒子について装置及び流入気体の温度を800℃にした場合の測定結果を示す図である。

図１に、本発明に基づく実施例の概要を示す。この粒子耐摩耗性評価装置は、評価対象の粒子を投入する試験容器１を備えており、この試験容器１の下方には、第１気体供給装置としての第１送風機が設けられている。試験容器１の上部を封止する蓋部３には、第２気体供給装置としての第２送風機４が設けられている。蓋部３の中央部には、試験容器１の上方から気体を排出する排出管５が設けられており、排出管５から排出された気体中の粒子はフィルタ６により捕集され、重量計測部７が、フィルタ６の重量を計測する。重量計測部７の計測結果に基づいて、処理装置８が粒子の耐摩耗性を評価するようにしている。
なお、フィルタ６を通過し、粒子が分離された気体は、増圧機９で増圧された後、再度、第１送風機２及び第２送風機４に循環する

この実施例では、図２に示すように、試験容器１として、内径40mm、高さ500mmの配管用ステンレス鋼管（JIS G 3459）を用いており、下端は底部１ａにより封止され、上端は、排出管５が中央に連結された蓋部３により封止されている。底部１ａの上方には第１送風機２に接続される、内径9.5mmの第１気体流入口１０が、蓋部３の上方には第２送風機４に接続される、内径9.5mmの第２気体流入口１１がそれぞれ形成されている。
第１気体流入口１０、第２気体流入口１１は、それぞれ、試験容器１の内部下方の外周端、蓋部内部の外周端において、接線方向に気体を噴出するものである。

蓋部３の中央部には、内径7.2mmの排出管５が、試験容器１の内部に向けて蓋部３の底面から50mm程度の位置で開口するよう貫入されている。
また、試験容器１の底部１ａには、試験容器１の内部に投入された粒子の旋回を円滑にするとともに、底部での滞留を防止するよう、底面が試験容器１の、内径とほぼ等しく、高さが30mm程度での円錐状に成形されているが、評価対象の粒子や条件によっては必ずしも底部を円錐形状にする必要はない。

第１送風機２の送風量は、第１気体流入口１０から噴出する気体が、評価対象の粒子を試験容器１の上方に向けて巻き上げるとともに旋回流を与えるよう、粒子の比重、大きさ、形状などに応じて選定されている。
また、第２送風機４の送風量は、第２気体流入口１１から噴出する気体が、第１送風機２により形成された旋回流を維持するとともに、粒子が試験容器上端の蓋部下面に押しつけられことなく旋回するように選定されている。

これにより、粒子は、試験容器１内部の全域で内壁あるいは相互に衝突を繰り返し、衝突した粒子は一部微粉化される。これらの粉塵微粒子は、容器内部に形成された旋回流により巻き上げられる。その際、粒子径が小さくなるほど旋回速度、旋回半径が減衰し、試験容器の中央付近部で遠心力と空気抵抗が拮抗した状態で旋回することになる。

そこで、第１送風機２の送風量により形成される旋回流の回転速度を選定し、第２送風機４の送風量により、この回転速度が維持されるように選定することで、所定以下の粒径となった粉塵微粒子のみが中央部に寄せ集められつつ上昇することになる。
こうして、試験容器１の内部に投入された粒子は、内部で内壁への衝突、相互間の衝突を繰り返し、時間経過に伴って所定以下の粒径となった粉塵微粒子のみを効率よく、かつ、確実に正常範囲の粒子から分離することができる。しかも、第１送風機２及び第２送風機４の送風量を選定することにより、蓋部３の下面にも付着することなく、流入した気体とともに、所定以下の粒径になった微粉微粒子のみが、蓋部３の中央に接続された排出管５から確実に排出されることになる。

なお、仮に正常粒子や粉塵微粒子が試験容器１の底部に落下したとしても、円錐形状の底部により、試験容器１の底部外周側に向けて落下し、再度旋回流に巻き込まれることになる。
また、正常粒子や粉塵微粒子が試験容器１の内壁に付着したとしても、旋回する粒子との衝突により内壁から剥がされ、最終的には、正常粒子は再度旋回流に乗り、粉塵微粒子は、蓋部３の中央に接続された排出管５に向かう気流に乗って排出されることになる。
排出管５から排出された気体は、フィルタ６で粉塵微粒子を分離捕集した後、増圧機９で試験容器１や配管、フィルタ６による減圧分が補償され、再度、第１送風機２、第２送風機４に循環供給される。

フィルタ６で捕集された粉塵微粒子の重量を一定時間毎に計測すれば、（粉塵微粒子の全重量／評価対象の粒子全重量）の増加率が判明し、この値は、耐摩耗性が高いほど減少することになる。
そこで、この増加率を摩耗化率として、排出管から排出された粉塵微粒子をフィルタ６で収集して重量計測部７により計測し、処理装置８により、第１送風機２及び第２送風機４の運転時間と、収集した微粒子の重量、すなわち、フィルタ６の重量増加分との関係を演算処理することで、粒子の耐摩耗性を正確に評価することが可能となる。なお、フィルタ６の重量変化をより高精度に測定する場合は、第１送風機２、第２送風機４を一定時間停止した上で、オフラインで計測することを繰り返せばよい。

図３は、本実施例に基づいて、イルメナイト粒子を評価対象としたときの第１送風機２、第２送風機４の運転時間に対する微粒子重量の計測結果を示すものである。
なお、第１送風機、第２送風機の送風量は、イルメナイト粒子の全量が試験容器の底部に滞留することなく上方に巻き上げられ、蓋部下面に鉄鉱石粒子が押しつけられることなく旋回を継続するよう予めそれぞれ調整を行い、本実施例では第１送風機及び第２送風機からそれぞれ50〜120L/min、30〜80L/minの空気を供給した。

この計測結果から分かるように、微粉化率（摩耗化率）（微粒子の全重量／評価対象の粒子全重量）は、40分経過後の8.7％から60分経過後の11.6％まで、ほぼ一定の微粉化速度8.7%/hの割合で上昇することが確認できた。この微粉化速度を比較することにより、イルメナイト粒子の耐摩耗性の相対的な評価を行うことが可能である。
また、摩耗化率が既知の基準粒子について、予め、第１送風機及び第２送風機の送風量を含め同一条件で摩耗化率を計測しておけば、評価対象の粒子で評価した摩耗化率との対比により、基準粒子に対しどの程度の耐摩耗性を有するかの評価も可能である。

上記の実施例では、試験容器１として、ステンレス鋼管を用いたが、粒子が実際に使用される機器の素材に合わせて、例えば、ガラス、鉄、アルミ、銅、耐火煉瓦などに変更することができ、表面粗さを使用機器に合わせるのも好適である。また、試験容器1は直管ではなく逆円錐台などとしても良い。

また、試験容器１の内部に旋回流を形成する手段として、第１送風機２及び第２送風機４を用いたが、第１気体流入口１０及び第２気体流入口１１から噴出される気体の供給量により、試験容器１の内部に発生する旋回流の強度を個別に調整可能の気体供給装置であれば、これに限られるものではない。
例えば、第１気体流入口１０及び第２気体流入口１１の上流側に、個別に気体供給装置としての流量制御弁を設け、圧縮ポンプ、蓄圧タンク、レギュレータなどにより常時一定圧に維持された気体の噴出量を制御するようにしてもよい。

供給する気体については、一般的には空気を用いるが、これも粒子の使用環境に合わせて、窒素や水蒸気、あるいはメタンとの反応等、様々な気体を選択することが好ましい。
さらに、試験容器１内の温度や圧力についても、実際の使用環境に合わせることが好ましい。ただし、試験容器１内を負圧にする場合には気体出口側に減圧機を設置する必要がある。
図４は、室温時における触媒粒子の測定結果を示すものであり、微粉化率は平均7.8％である。これに対し、図５は、流入温度を800℃としたとき触媒粒子の測定結果のものであり、微粉化率は平均5.1％であり、気体温度上昇に応じて微粉化率が低減していることが確認できる。

また、粉塵微粒子収集装置として、フィルタ６に換え、排出管５の末端出口が水没されるように液体を封入したガラス管（インピンジャー管）などの透明容器を用いて、液体により粉塵微粒子を捕集するようにしてもよい。捕集した粉塵微粒子の量に応じて、液体の懸濁が進行するので、市販のレーザー計測器などを用いて、懸濁の度合いを計測することで、微粉の量を間接的に計測することが可能となる。
このように、本発明は、対象とする粒子、使用環境などに応じて、様々な変更が可能である。

以上説明したように、本発明の粒子摩耗評価装置によれば、低コストの単一装置により、多種多様な特性をもつ粒子の摩耗特性を、高温場や加圧場、また反応ガスと粒子反応場など、その使用環境に合わせて、高精度に比較することが可能となる。

１：試験容器 ２：第１送風機 ３：蓋部
４：第２送風機 ５：排出管 ６：フィルタ
７：重量計測部 ８：処理装置 ９：増圧機
１０：第１気体流入口 １１：第２気体流入口

Claims (6)

1. 評価対象の粒子を封入するための試験容器と、
   前記試験容器の下方に接続され、前記粒子を旋回させて前記試験容器の内壁への衝突及び粒子相互の衝突を発生させるとともに、前記粒子の摩損により発生した粉塵微粒子を前記粒子から分離しつつ上方に向けて巻き上げるように気体を噴出させる第１気体供給装置と、
   前記試験容器の上方に接続され、上方に巻き上げられた粒子の旋回を維持するとともに、前記試験容器の上方を封止する蓋部下面への付着を防止するように気体を噴出させる第２気体供給装置と、
   前記蓋部の中央に接続され、前記第1気体供給装置と第２気体供給装置により取り込まれた気体とともに前記粉塵微粒子を収集する粉塵微粒子収集装置に排出する排出管と、
   前記粉塵微粒子収集装置により収集された粉塵微粒子の量を分析する分析装置と、
   前記第１送風機、前記第２送風機の風量、送風時間を設定するとともに、前記分析装置の分析結果に基づき、前記粒子の耐摩耗性を評価する処理装置とからなる
   粒子の耐摩耗性評価装置。
2. 前記第１気体供給装置及び前記第２気体供給装置が、電動送風機である、請求項２に記載された粒子の耐摩耗性評価装置。
3. 前記第１気体供給装置及び前記第２気体供給装置が、一定圧に維持された気体の噴出量を調整可能な流量制御弁である、請求項２に記載された粒子の耐摩耗性評価装置。
4. 前記試験容器の底部を、中央部を頂点とした円錐形状にした、請求項１から３のいずれか１項に記載された粒子の耐摩耗性評価装置。
5. 前記分析装置が、前記粉塵微粒子収集装置の重量を計測するものであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載された粒子の耐摩耗性評価装置。
6. 前記粉塵微粒子収集装置が、前記排出管の末端が水没されるように液体が充填された透明容器からなり、前記分析装置が、前記透明容器に充填された液体の懸濁の度合いを計測するものであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載された粒子の耐摩耗性評価装置。
   
   
   

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