JP6043563B2 - 平板状プロテクター又はｌ字状プロテクターを備えた構造物 - Google Patents

Description

本発明は、プロテクターとして平板部材又はＬ字部材を備えた、ダクト等の構造物に関する。

ボイラ等の配管及びダクトには灰や砂等の微粒子を含むガスが通過するため、その曲り部及び内部構造物（保護部）において配管摩耗が生じ易い。
微粒子を含むガスによる摩耗防止対策としては、（１）本体そのものを耐摩耗性材料とする方法、（２）保護部表面を覆うコーティングもしくは板を取り付ける方法、（３）保護部のガス上流側に衝立として板（プロテクター）を取り付ける方法の大きく３つに分類される。

（１）本体そのものをステンレス等の耐摩耗性材料とする方法では、本体全域の摩耗を防止又は軽減されるため、状況によってはメンテナンスフリーとなり得る。しかし、一般に耐摩耗性材料は高価であり、特に設置済の設備を変更する場合は撤去費用がかかるという欠点がある。

（２）保護部表面にコーティングして保護する方法としては、耐摩耗金属溶射、ライニング等が挙げられる（例えば特許文献１及び２）。設置済の設備を変更する場合、一般的に（１）の方法よりも安価となる。しかし、使用環境により、金属溶射皮膜もしくはコーティング材の剥離が短周期で起こる場合はコスト増となる。また、保護部表面に耐摩耗性材料等の板を取り付ける方法では、本体重量の増加が制約となるケースがある。

（３）保護部のガス上流側に衝立としてプロテクターを取り付ける方法では、プロテクターに微粒子を含むガスがぶつかることで保護部への微粒子の接触を防止し、摩耗防止を図っている（例えば特許文献３）。
ダクト又は配管の曲がり部等においては、保護部全面に板を取り付ける場合と比較して、曲がり部上流に衝立として板を取り付ける事で、少ない材料で広範囲の保護が図れる特徴がある。

従来のプロテクターは、ダクトないし配管に対しては平板を取り付け、突起物等内部構造物に対しては保護部上流側に平板もしくは、形状に合わせた板を取り付けていた。しかし、プロテクターそのものが摩耗するため、プロテクターを耐摩耗性材料とするか、摩耗の度に取り替える等の措置が必要になりコスト増となる問題があった。
取り換え措置を減らすため、プロテクター自体の摩耗を軽減した半割り管を設置する方法が提案されているが（特許文献４）、当該半割り管は、円管を半分に分割して製造され、コストの面で不利であった。

特開平１０−１４１５７８号公報 特開平１１−１４８５９２号公報 特開平１１−２２９０１号公報 特開２０１２−９２８７４号公報

本発明の目的は、非常に安価で、摩耗防止効果を長期間継続するプロテクターを提供することである。

本発明によれば、以下の構造物が提供される。
１．粒子を含む流体が内部を通過する構造物であって、
前記構造物の内壁に平板部材が傾斜して設けられており、
前記平板部材の後下がりの傾斜面が、前記流体の上流を向くように傾斜して内壁に設けられた構造物。
２．粒子を含む流体が内部を通過する構造物であって、
前記構造物の内壁にＬ字部材が設けられており、
前記Ｌ字部材の凹面が、前記流体の上流を向くように内壁に設けられた構造物。
３．前記粒子が、灰粒子及び砂粒子であり、前記流体が気体であり、ダクト又は配管である１又は２に記載の構造物。

本発明によれば、非常に安価で、摩耗防止効果を長期間継続するプロテクターが提供できる。

本発明の一実施形態を示す図である。 図１の傾斜平板部材２０及びＬ字部材２２の周辺の拡大図である。 流動解析に用いたダクト部を示す図である。 流動解析に用いたプロテクターを示す図である。 プロテクター自体の摩耗の流動解析結果を示す図である。 プロテクター自体の摩耗の流動解析結果を示す図である。 プロテクター下流側の摩耗の流動解析結果を示す図である。

本発明の構造物は、粒子を含む流体が内部を通過する構造物であって、
構造物の内壁に平板部材が傾斜して設けられており、平板部材の後下がりの傾斜面が、流体の上流を向くように傾斜して内壁に設けられている。
また、本発明の構造物は、粒子を含む流体が内部を通過する構造物であって、構造物の内壁にＬ字部材が設けられており、Ｌ字部材の凹面が、流体の上流を向くように内壁に設けられている。
プロテクターである傾斜を有する平板部材（以下、単に傾斜平板部材という場合がある）及びＬ字部材は、流体が含む粒子による保護部摩耗を防止する機能を有し、且つプロテクター自体も摩耗しにくいため、保護部の摩耗防止効果を長期間継続することができる。また、傾斜平板部材及びＬ字部材は、いずれも既製品をそのまま用いることができるため、コストを極めて低く抑えることができる。

本発明の構造物は、好ましくは、ボイラ等の設備に用いるダクト又は配管であり、当該配管は、ボイラ排ガスシステムの配管を含む。この配管は、ボイラ、特に流動層ボイラ等で生じた排気ガスを外部に排出するためのものであり、通常１以上の曲がり部がある。
ボイラの中では、灰粒子及び砂粒子を含む気体流体が内部を循環しているが、当気体流体は速度を維持したまま、気体が流れる配管又はダクトの内壁もしくは内部構造物に衝突して、ダクトを摩耗させる。本発明の傾斜平板部材及びＬ字部材は、例えば炭素鋼等の耐摩耗性の低い材料からなる部材であっても、十分な摩耗防止効果を示すことができるだけでなく、傾斜平板部材及びＬ字部材自体の摩耗も少なく、長期間の摩耗防止効果を発揮することができる。

図１は、傾斜平板部材又はＬ字部材が設けられた曲がり部の断面図である。
排気ガス１００には灰や砂等の粒子が含まれ、これら粒子が曲がり部１０や内部構造物３０の摩耗の原因となる。
内部構造物としては入槽用ラダー、温度計突起部、整流板、旋回羽根、ノズル、梁、接合部等が挙げられる。
曲がり部１０の手前（上流側）には、傾斜平板部材２０又はＬ字部材２２が設けられている。傾斜平板部材２０は、平板部材の後ろ下がりの傾斜面が排気ガス流の上流を向くように傾斜して、配管の内壁に沿って設けられている。同様に、曲がり部１０の手前（上流側）には、Ｌ字部材が、Ｌ字部材の凹面が排気ガス流の上流を向くように、Ｌ字部材の一方の端部と内壁が接して設けられている。
傾斜平板部材２０及びＬ字部材２２を設けることにより、曲がり部１０、内部構造物３０の摩耗を防ぐことができる。

図１の傾斜平板部材２０及びＬ字部材２２の周辺の拡大図を図２に示す。
図２に示す傾斜平板部材２０の高さＨ_１及びＬ字部材２２の高さＨ_２は、好ましくは３．４〜１１．４ｃｍ、より好ましくは６．０〜９．０ｃｍである。この程度の高さで効果的に摩耗を防げる。
尚、微粒子２００の粒径は、例えば、微粒子２００が灰の場合には２０μｍ以上、砂の場合には粒径２００μｍ以上である。このような微粒子に対し、上記の傾斜平板部材２０及びＬ字部材２２を効果的に用いることができる。

微粒子２００から延びる矢印は、微粒子２００の進行方向を示す。傾斜平板部材２０及びＬ字部材２２があることにより、微粒子２００が曲がり部１０に直接衝突することを回避できる。通常曲がり部１０は接合部１１，１２を有する多角型であるが、接合部を有さない形状でもよい。特に接合部が摩耗しやすいが、傾斜平板部材２０及びＬ字部材２２によりその摩耗を防げる。また、摩耗を受けやすい段差３０の内部構造物等も、その上流部に傾斜平板部材２０及びＬ字部材２２があることにより摩耗から守られる。
即ち、傾斜平板部材２０及びＬ字部材２２を設けると、保護対象となる曲がり部及び内部構造物（保護部）から微粒子が遠ざけられ、また、保護部周辺のガス流速が低下する。従って、プロテクター自身が摩耗してなくならない限り、保護対象の摩耗防止効果を維持できる。

プロテクターは長期間排気ガスを受けることにより、プロテクター自体が摩耗して小さくなっていずれ消滅する。しかし、本発明において、プロテクターとして傾斜平板部材２０及びＬ字部材２２を用いることで、傾斜平板部材２０自体及びＬ字部材２２自体の摩耗を防止することも可能となる。傾斜平板部材２０の傾斜部分及びＬ字部材２２の凹部付近においては、微粒子２００が湾曲形状に沿ってガス１００の方向と逆向きに流れるため、傾斜平板部材２０及びＬ字部材２２への微粒子２００の衝突速度が緩和されるためである。

平板部材と保護部の距離及びＬ字部材と保護部の距離は、それぞれ適宜設定できるが通常５０〜２００ｃｍである。
傾斜した平板部材の配管に対する傾斜角は、例えば３０〜６０°である。
また、Ｌ字部材のＬ字角は、例えば６０〜１２０°であり、Ｌ字部材の配管に対する傾斜角は、例えば７０〜１１０°である。

プロテクターである平板部材及びＬ字部材は、既製品をそのまま使用することができ、必要に応じて目的の寸法にカットすればよい。
これら平板部材及びＬ字部材の配管への取り付けは、通常溶接により行うことができる。

実施例１
本発明のプロテクターの摩耗防止効果を確認するため、以下に示す解析を行った。
流動解析ソフトＦｌｕｅｎｔ（フルエント：アンシス・ジャパン株式会社製）を用いて、図３に示すダクト部を模擬した直線的な流路を作製し、ダクト部のプロテクターとして、図４に示す傾斜していない平板、半割管（湾曲部材）、Ｌ字板（Ｌ字部材）及び傾斜した平板それぞれを用いた場合について、ＬＥＳ（Ｌａｒｇｅ Ｅｄｄｙ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ）による流動及び粒子追跡衝突解析を行い、用いたプロテクター及びプロテクター後方領域の摩耗を解析した。
具体的には、以下の条件を設定し、それぞれ解析した。得られた結果を図５〜図７に示す。

［解析条件］
ガス平均流速：１３ｍ／ｓ
ガス密度：０．８３４ｋｇ／ｍ^３
粘度：０．０００２９１Ｐａ・ｓ、
粒子密度：８００ｋｇ／ｍ^３
粒子流量：０．１ｋｇ／ｓ
粒子径：１０μｍ又は５０μｍ
粒子飛散（摩耗計測）時間：１．０〜２．０ｓｅｃの１秒間計測

図５は、粒子径が１０μｍの場合のプロテクター自体の摩耗を示す図である。
粒子径１０μｍの場合のプロテクター自体の摩耗は、傾斜していない平板では上部が１ｅ^−１０（ｋｇ／ｍ^２）以上になっているのに比べ、Ｌ字部材及び傾斜平板部材では、全面が１ｅ^−１１（ｋｇ／ｍ^２）以下になっており、殆ど摩耗していないことが分かる。

図６は、粒子径が５０μｍの場合のプロテクター自体の摩耗を示す図である。
粒子径５０μｍの場合のプロテクター自体の摩耗は、傾斜していない平板では上部が８ｅ^−１０（ｋｇ／ｍ^２）となっているのに対し、Ｌ字部材は一部が６ｅ^−１０（ｋｇ／ｍ^２）程度であるものの、大部分が１ｅ^−１０（ｋｇ／ｍ^２）以下となっており、傾斜平板部材では全面が１ｅ^−１０（ｋｇ／ｍ^２）以下となっていることが分かる。
また、粒子径５０μｍにおいては、半割り管に比べて、傾斜平板のほうが摩耗が小さくなっている。

図７は、粒子径が１０μｍの場合のプロテクターの流体下流側の摩耗を示す図である。
プロテクター後方の摩耗は、プロテクター直後の摩耗が極めて小さい領域Ａの範囲は各形状ともに同等となった。
プロテクターの流体下流側の全領域の摩耗を合計した値は、摩耗値の合計が大きい順に、傾斜していない平板の５．０７ｅ^−１２（ｋｇ／ｍ^２）、半割り管の６．１０ｅ^−１２（ｋｇ／ｍ^２）、Ｌ字部材の５．７３ｅ^−１２（ｋｇ／ｍ^２）、傾斜平板の４．５８ｅ^−１２（ｋｇ／ｍ^２）であり、プロテクターが傾斜平板の場合に、摩耗が最も小さくなっている。

本発明の傾斜した平板部材又はＬ字部材からなるプロテクターは、摩耗防止のためにボイラ等の配管及びダクトに用いることができる。

１０ 曲がり部
１１，１２ 接合部
２０ 傾斜平板部材
２２ Ｌ字部材
３０ 内部構造物
１００ ガス
２００ 微粒子

Claims (4)

1. 粒子を含む気体が内部を通過する構造物であって、
   前記構造物の内壁に前記気体を受ける平板部材が傾斜して設けられており、
   前記平板部材の後下がりの傾斜面が、前記気体の上流を向くように傾斜して内壁に設けられており、
   前記平板部材が、前記構造物の曲がり部及び／又は内部構造物の前記気体上流側にある構造物。
2. 粒子を含む気体が内部を通過する構造物であって、
   前記構造物の内壁に前記気体を受けるＬ字部材が設けられており、
   前記Ｌ字部材の凹面が、前記気体の上流を向くように内壁に設けられた構造物。
3. 前記Ｌ字部材が、前記構造物の曲がり部及び／又は内部構造物の前記気体上流側にある請求項２に記載の構造物。
4. 前記粒子が、灰粒子及び砂粒子であり、ダクト又は配管である請求項１〜３のいずれかに記載の構造物。