JPH01302104A - 外壁の耐火材ライニングの侵食を測定する方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、反応炉の操業中に超音波パルス・工を測定す
る方法および装置に関する。

反応炉外壁の損壊を測定するための様々な方法がすでに
存在する。米国特許筒３．０５６．２４８号には、環境
内に延長させて異なった周波数の超音波を発生させ、そ
の差異が環境の侵食性の関数として働くようなスケール
や腐食測定用の装置と方法が開示されている。米国特許
筒３，２３６，０９６号には、固体材料の侵食量を検知
する電気的測定器が開示されている。米国特許筒４，２
６９，３９７号には、冶金用装置の損耗危険領域におけ
る耐火材の厚さを、監視８＠からの一定時間間隔のパル
スによって測定し、表示装置にその厚さを直線で表示す
る装置が開示されている。米国特許筒４，５１０，７９
３号には、で、耐火材ライニングの損耗を監視する方法
が開示されている。その場合、測定されたヘッド長が当
該時の残存外壁の厚さの指標となる。米国特許筒４，５
３９，８４６号には、侵食中の損耗領域の中にブ中 ロープを置く現場向き超音波腐食モニターが開示されて
いる。該超音波プローブは熱電対を含み、プローブの監
視ゾーンでの所定温度変化と所定時間間隔との相関を求
めている。しかしながら、これらの装置や方法はいずれ
も、操業中の高温・高圧・水冷式の反応炉には有用でな
いものであり、しかもこのような反応炉内では、高温、
高圧及び腐食性のガス体や、未燃焼の燃料粒子、あるい
はスラグなとは、耐火材ライニングにとって有害な極度
に攻撃的環境を提供する。

このような反応炉の耐火材ライニングに要請されるのは
、（１）スラグ中への溶解度が小さく且つスラグや未燃
焼燃料粒子による磨耗への高い抵抗性があること、（２
）スラグの浸透を最少化するために高密度であること、
（３）熱衝撃に強く、ガス雰囲気で使用中に高強度で且
つ高い体積安定性があること、そしてとりわけ、（４）
熱伝導性が高く、耐火材とスラグとの接触面からの熱抽
出効率が良いことである。

本発明の目的は、高温・高圧の水冷式反応炉の外壁耐火
材ライニングの′ＦＳｈ厚さの損耗度を、反応炉が耐火
材にとっ−で過酷な条件で操業している最中に測定し、
それによって耐火材の侵食度の指標を計るための方法と
装置を提供することである。

またこの方法と装置は、耐火材ライニングを横切る温度
傾斜も測定し、炉や環境の温度による材料の熱膨脹又は
性質中の何等かの変化によって起こるプローブ長さの誤
差を補償するものである。

従って本発明は、以下の段階を踏んで、高温・高圧の水
冷式反応炉の耐火材ライニングの厚さの損耗を、反応炉
の操業中に測定するものである。

（ａ）超音波パルス・エコープローブを反応炉の外壁の
開口から耐火材ライニングの内部表面に至るように挿入
する。

（ｂ）ライニングの最初の厚さのためのパルス・エコー
信号の最初の測定と、外壁のライニングの現在の厚さの
ためのパルス・エコー信号の現在の測定とを設けて当該
時間にわたってプローブのパルス・エコー信号を測定す
る。

（ｃ）最初の時点で測った厚さと現在の時点で測った厚
さから外壁のライニングの厚さを計輝する。

（ｄ）　（１）操業の時間にわたってプローブに生ずる
温度傾斜、及び（２）温度の関数としての音速の変化の
うち少なくとも１つを測定する。

（ｅ）　（１）熱膨脹を補ｔ！ｉするための段階（ｄ）
からの温度傾斜及び（２）段階（ｄ）からの音速の変化
のうち少なくとも１つを用いて外壁のライニングの計輝
厚さを調整する。

（ｆ）外壁のライニングの調整計算厚さを提供する。

本発明はまた、操業中の高温・高圧・水冷式の反応炉の
耐火材ライニングの減っていく厚さを測定する方法と８
置として、以下の手段を提供する。

（ａ）超音波パルス・エコープローブを反応炉の外壁開
口部より内の耐火材ライニングの内部表面に至るように
挿入する手段。

（ｂ）外壁のライニングの最初の厚さのためのパルス・
エコー信号の最初の測定と、外壁のライニングの現在の
厚さを求めるためのパルス・エコー信号の現在の測定と
を設けて当該時間にわたって、プローブのパルス・エコ
ー信号を測定する手段。

（ｃ）最初の時点で測った厚さと、現在の時点で測った
厚さから外壁のライニングの厚さを計輝する手段。

（ｄ）　（１）操業の時間中にわたってプローブに生ず
る温度傾斜、及び（２）温度の関数としての音速の変化
のうち少なくとも１つを測定する手段。

（ｅ）　（１）熱膨脹を補償するための段階（ｄ）から
の温度傾斜、及び（２）段階（ｄ）からの音速変化の（
ｆ）外壁のライニングの調整計算厚さを提供する手段。

上記を既に言及したように、本発明は高温・高圧の水冷
式反応炉に適用できる。

石炭、頁岩、タールサンドなどのガス化に用いられる、
高温・高圧・水冷式の炉にはしばしば、耐火材の粗粒を
セメントまたは化学接着物質で接合した、比較的薄い（
約２．５センチ）単層の耐火材ライニングが用いられて
いる。このような耐火材層の薄い反応炉では、スラグと
耐火材との反応速度の低下、または耐火材の表面に固ま
ったあるいは粘性のスラグ１を形成させるため、大量の
冷却水を用いる。冷Ｗ水は金属管から外壁の内部に注が
れ、炉の操業中に連続的に循環する。これらの金属管上
には、耐火材を固定しまた冷却水への熱伝導を補助する
意味でのボルトが位置してあり、耐火材を５きるだけ低
温に保持しようとしている。

耐火材はこれらのボルトも覆っている。

以下で図を参照して示すように耐火材は外壁の上にＤｌ
の厚さにまで敷かれている。ライニングに設定されてい
る操業ｆＡ度は約１３００℃から約１７００℃である。

水冷式の反応炉に適するとされている技術分野の耐火材
は、耐火粘度、アルミナシリカクローム鉱、シリコンカ
ーバイド、アルミナ及びジルコニアを基材とする材料と
その組合わせであって、これに限定されるものではなく
、これらをカルシウムアルミネートセメント、燐酸塩化
合物、珪酸ナトリウム、粘土、ホウ酸及び有機化合物な
どの接合剤で結合する。

超音波パルス・エコープローブは、反応炉外壁の袋外ボ
ート又は他の開口部から挿入される。高圧・高温・水冷
式のガス化炉のボルト埋め外壁なってプローブは３１０
ステンレススチールのような金属、また林ホットプレス
されたシリコンカーバイド（ＨＰＳＣ）のようなセラミ
ック材料で作られる。

プローブは反応炉外壁の耐火材ライニングの内部に置か
れるので、耐火材ライニングと同じ速度でスラグや未燃
焼燃料の粒子、あるいは高温ガスによる侵食を受ける。

プローブを通って送らるパこれから残ってる耐火材ライ
ニングの厚さＤｌが計算できる。侵食された耐火材ライ
ニングは図の基本的には超音波パルス・エコーのパルス
信号は、炉の外壁の外部にあるプローブ端部から伝送さ
れ、プローブの長さ分を移動してエコーがプローブの外
側端部で受信される。したがってパルス・エコーは真の
Ｄｌの２倍の行程を辿るのであり、現実のＤｌの値はパ
ルス・エコー超音波信号の行程の半分である。パルス送
受信装置は、電気的パルスから超音波パルスを生成して
プローブに印加し、また反射超音波パルス・エコーを受
信してそれを対応の電気信号に変換する手段から成る。

熱雷対等を用いる温度の測定は、熱膨脹又は温度による
材料性質のなんらかの変化で生ずるプローブ長さにおけ
る誤差を補償する。

複数の熱雷対をプＯ−プ内に間隔をとって配置すること
によって外壁を横切る熱的傾斜を測定し、各々が既知の
距離に入れであるので残存ライニングの長さを確める。

熱電対はまた複数をボルト植込みの炉壁内に間隔をとっ
て配置して、外壁の耐火材ライニング内の温度傾斜を測
定することもできる。これにより、さらに精密な外壁耐
火材ライニングの厚さ減少の測定が可能である。その場
合プＯ−プの温度傾斜と耐火材ライニングの温度傾斜の
比較を行ない、またこれらの値にもとづいた計算厚さに
補正を行なう。

変換デバイスは従来形のもので、超音波パルス・エコー
信号を他の必要な形に変換し、且つ反応炉外壁のライニ
ングの現在厚みの有効サイン又は信号を提供するもので
あればよい。反応炉外壁の変換器には、ＤｌとＤ２の距
離並びに温度傾斜を計算し、また必要に応じてプローブ
長さ部分での温度傾斜と音速の変化に基づいてＤｌとＤ
２の距離を補正するための手段が伴なう。

プローブの材料（たとえばステンレススチールの場合）
の熱膨脹に伴なって必要になる補正は、１センチメータ
あたり１℃で２．５Ｘ　１０−５、あるいは温度変化１
００℃あたり２．５ｘ　１０’センチメータである。こ
の発明を比較的厚い外壁に適用する場合でも、この補正
はおそらく無視できる。

音速の変化に伴なって必要となる補正は、鴬材料の熱ｌ
ｌ！脹効果の場合よりも大きくしたがって修正が必要で
ある（熱膨脹による効果の約１０倍大きい い）。よく近似として速度の効果は、同じ温度または温
度傾斜に置かれる標準テストプローブの較正によって相
殺できる場合がある。しかしながら本適用の好ましい精
度が要求される場合には、プローブ自体から得られる温
度測定からのプローブの平均温度に較正係数（プローブ
長１センチあたり１℃で約３．８ｘ　１０’と決められ
た）を乗する簡単な近似を行なうことができる。

精度はさらに、外壁の（ＤＩにわたる）高温側に曝され
ているプローブの平均温度を測定し、この値を外壁の低
温側に突出しているプローブ長さとは独立的に補正する
ことによって向上できる。

度を測定する。長さＤｌの平均温度を求める。この長さ
に上記の係数を乗する。同様にして低温側すなわちＤ３
の部分の平均温度を求める。そして補正を行う。全体と
しての補正は２つの補正の和である。この方法は、Ｄｌ
における温度傾斜が、プローブの他の部分の温度傾斜よ
りも著しく大きい場合に測定精度を向上できる。

空気フィンのような付加的な冷却源を用いて、距離Ｄ１
にわたるプローブの急な温度傾斜を維持し、外壁内の金
属管に取りつけられているボルトに生ずる温度傾斜を維
持する。この温度傾斜のオーダーは、７５０　Ｋｖｌ／
ｄ、あるいは４７０℃／ｃＩＪである。

本発明は、石油化学工業における反応炉の外壁の耐火材
ライニングの侵食を計測することにも適用できる。たと
えば触媒クラッキング用のサイクロンやライザーである
。

以下に図を併用して、この発明に関し具体例によって詳
細に記述する。図は耐火ライニングのある反応炉の外壁
内に挿入された、超音波反射測定器のプローブを示す。

具体例 図に従えば、超音波パルス・エコープローブ１が高温・
高圧・水冷式ガス化反応炉の外壁１０の中に挿入されて
おり、そこには初期厚ＤＩ　　（約２．５センチ）の耐
火材ライニング２０が設けられている。

耐火材ライニングはまた、冷却水用のチューブ４０の上
にあるボルト３０も覆っている。ボルト３０は１平方米
あたり１０００本から４０００本であるが、好適には１
平方米あたり２５００本である。耐火材は、燐酸塩で結
合したシリコンカーバイドまたはアルミナ、クロームア
ルミナなどである。冷却チューブ４０は冷却水への熱伝
導を支援し、ライニングをできるかぎり低温にするもの
である。たとえば３３０℃の蒸気がチューブ内で発生す
る。プローブ１は外壁上の適切な開口部から挿入され、
コネクタ７０にネジ止めされて耐火材ライニングの内側
に達する。

プローブのアセンブリには熱電対５０があり、様々な深
さにおける温度を測定し、プローブの熱膨脹並びに温度
によるプローブ材料のなんらかの性質変化等に伴う長さ
の補償を可能にする。超音波パルス・エコー変換器６０
は、距離Ｄ２であったプローブを通過伝達するパルス・
エコー信号によってプＯ−プ長さを測定する手段を提供
し、これから耐火材の残り厚さＤｌを針環することがで
きる。

耐火材ライニングの損耗は図では点線で示すが、その損
耗はプローブやボルトの損耗と同じ率で進むものである
ので、従って炉の操業中にプローブを測定することによ
って、その間に生ずる損耗が求められるのである。冷却
フィン８０（例えば空気し、外壁のライニングとボルト
内に約７５０にＷ／　ｍ’　。

あるいは４７０℃／　ｃｍまでを生ずるような温度傾斜
に保つ。

温度の計測はすべて通常の熱電対で行うが、そのタイプ
や接続方法はそれらの設置場所で異なる。

ボルトまたはチューブの温度計測には、酸化マグネシウ
ムで絶縁した３０ゲージのクロメルアルメル熱電対をプ
ローブの適所に配置する。耐火材ライニング内の温度測
定には、直径０．０８１の小さなステンレスの鞘に入れ
た熱電対を用いる。熱電対は熱によって溶解または損耗
した場合には温度測定が不能になるので、このことを利
用してパルス・エコーの測定の各箇所による有効性をチ
エツクする指標ともなる。冷却水によって吸収される熱
量を測定する必要がある場合は、小型のむき出しの熱電
対を水流中央に挿入することによって、入口と出口にお
ける水温を測定する。

当業者であれば、上記の説明および図からこの発明の様
々な変更例を思いつくはずである。そのような変更例は
しかしこの発明の請求の範囲にすべて含まれるものであ
る。

【図面の簡単な説明】

図は反応炉の外壁の耐火材ライニング中へ亀音波パルス
・エコープローブを設置した状態を示す断面図である。 １・・・・・・超音波パルス・エコープローブ、１０・
・・・・・外壁、２０・・・・・・ライニング、３０・
・・・・・ボルト、４０・・・・・・冷却チューブ、５
０・・・・・・熱電対、６０・・・・・・パルス・エコ
ー変換器、７０・・・・・・コネクタ、８０・・・・・
・冷却フィン。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）高圧・高温・水冷式反応炉の外壁の耐火材ライニ
   ングの減少していく厚さを炉の操業中に測定する方法で
   あつて、 （ａ）超音波パルス・エコープローブを反応炉の外壁の
   開口部より耐火材ライニングの内部表面に至るように挿
   入し、 （ｂ）ライニングの最初の厚さのためのパルス・エコー
   信号の最初の測定と、ライニングの現在の厚さのための
   パルス・エコー信号の現在の測定とを設けて該当時間に
   わたつてプローブのパルス・エコー信号を測定し、 （ｃ）最初の時点で測つた厚さと、現在時点で測った厚
   さから外壁のライニングの厚さを計算し、 （ｄ）（１）操業の時間中にわたってプローブに生ずる
   温度傾斜、及び（２）温度の関数としての音速の変化の
   うち少なくとも１つを測定し、 （ｅ）（１）熱膨脹のために補償すべき温度傾斜、及び
   （２）段階（ｄ）の音速の変化のうち少なくとも１つを
   用いて外壁のライニングの計算厚さを調整し、 （ｆ）外壁のライニングの調整計算厚さを提供する、諸
   段階を含む方法。 （２）プローブ内の温度傾斜を維持するため、且つ反応
   炉の外壁のボルト内の温度傾斜を維持するためにプロー
   ブが冷却されることを特徴とする請求項１に記載の方法
   。 （３）外壁の耐火材ライニングの温度傾斜を測定し、プ
   ローブと耐火材ライニングの温度傾斜を比較し、且つ外
   壁のライニングの計算厚さの調整を行うことを特徴とす
   る請求項１に記載の方法。 （４）耐火材ライニングの内部側に曝されているプロー
   ブの平均温度が測定され、且つ反応炉の外壁の低温側に
   突出しているプローブの長さでの平均温度とは独立的に
   補正されることを特徴とする請求項１に記載の方法。 （５）高圧・高温・水冷式反応炉の、耐火材ライニング
   の減少していく厚さを反応炉の操業中に測定するための
   装置であつて、 （ａ）超音波パルス・エコープローブを反応炉の外壁の
   開口部より耐火材ライニングの内部表面に至るように挿
   入する手段と、 （ｂ）外壁のライニングの最初の厚さのためのパルス・
   エコー信号の最初の測定と、外壁のライニングの現在の
   厚さのためのパルス・エコーの現在の測定とを設けて該
   当時間にわたってプローブのパルス・エコー信号を測定
   する手段と、 （ｃ）最初の時点で測った厚さと現在時点で測つた厚さ
   から、外壁のライニングの厚さを計算する手段と、 （ｄ）（１）操業の時間中にわたつてプローブに生ずる
   温度傾斜、及び（２）温度の関数としての音速の変化の
   うち、少なくとも１つを測定する手段と、 （ｅ）段階（ｄ）からの（１）熱膨脹及び（２）音速の
   変化を補償すべく外壁のライニングの計算厚さを調整す
   るための手段と、、 （ｆ）外壁のライニング調整計算厚さを提供する手段と
   から成ることを特徴とする装置。（６）プローブ内の温
   度傾斜を維持するため、且つ反応炉の外壁のボルト内の
   温度傾斜を維持するべくプローブを冷却するための手段
   が設けられている請求項５に記載の装置。 （７）外壁の耐火材ライニングの温度傾斜を測定し、プ
   ローブと耐火材ライニングの温度傾斜を比較し、且つ外
   壁のライニングの計算厚さを調整するための手段が設け
   られていることを特徴とする請求項５に記載の装置。 （８）耐火材ライニングの内部側に曝されているプロー
   ブの温度を測定し、且つ反応炉の外壁の低温側に突出し
   ているプローブの長さでの平均温度とは独立的に補正す
   るための手段が設けられていることを特徴とする請求項
   ５に記載の装置。