バイオガス予熱における摩耗の課題
嫌気性蒸解缶の流出物には、原料とともに蒸解缶に運ばれる砂、土壌、鉱物残留物からの浮遊シリカ粒子が含まれています。これらの粒子は、通常、直径 20 ～ 150 ミクロン、濃度 500 ～ 3000 mg/L で、浸漬ヒーターに浸食環境を作り出します。ショア D スケールで測定される PFA カプセル化硬度は、長期間の使用中に研磨粒子がポリマー表面をどれだけ深くえぐるかを直接決定します。 36 の農業および地方自治体の消化槽からの現場データは、PFA 硬度をショア D 65 から 72 に増加させると、8,760 時間の連続運転後に浸食摩耗の深さが 55% から 65% 減少することを示しています。
粒子衝撃浸食に対する硬度の影響
浮遊研磨粒子によるポリマーの浸食速度は、材料の硬度とのべき乗則の関係に従います。{0}ショア D 範囲が 60 ～ 75 の PFA の場合、硬度が 1 ポイント増加するごとに、同一の粒子負荷と流速のもとで体積浸食率が約 8% 減少します。-標準的な非充填 PFA グレードは通常、成形後のショア D 65 ～ 67 を測定します。ショア D 71 ～ 73 を達成する硬化 PFA グレードには、重量の 10% ～ 15% のガラス繊維または炭素繊維強化材が組み込まれており、粒子の侵入に対する表面抵抗を高めます。 1500 mg/L のシリカ添加で 1.2 m/s の流速で運転する蒸解釜からのヒーター サンプルの断面顕微鏡検査では、Shore D 65 PFA が 1 年後に平均 0.28 mm の浸食深さを生じることが示されています。同一条件下での Shore D 72 PFA は、平均深さ 0.11 mm、61% の減少を示しました。
流れの衝突角度に対する摩耗パターンの依存性
研磨粒子がヒーター表面に当たる角度によって、硬度の利点が変化します。垂直衝突（90-度の角度）は、粒子の運動エネルギーがポリマー表面に完全に伝達されるため、最大の浸食を引き起こします。垂直衝撃では、ショア D 72 PFA はショア D 65 グレードよりも浸食が 52% 少ないことがわかります。浅い衝突角度（15 ～ 30 度）では、衝突によるクレーターではなく、主に滑り摩耗が発生します。角度が浅い条件下では、硬度の優位性は 30% ～ 35% に減少します。これは、主な摩耗メカニズムが切削と耕起に移行し、硬度が破壊靱性よりも保護力が低下するためです。ヒーターが流れと平行に垂直に配置される嫌気性蒸解釜の構成では、衝突角度は通常 30 ～ 60 度の範囲であり、より硬いグレードに対して 45% ～ 50% の効果的な硬度の利点が得られます。
温度と粒子サイズの相互作用
蒸解装置の動作温度により、両方の硬度グレードの実効耐浸食性が変化します。 35 度から 40 度 (中温消化) では、Shore D 65 PFA は周囲硬度と耐浸食性のほとんどを維持します。 55 度から 60 度 (好熱性消化) では、同じポリマーが軟化し、ショア D は 3 ～ 4 ポイント減少します。 55 度でのショア D 72 ハード グレードの測定値はおよそショア D 68 ですが、室温での標準グレードよりもさらに硬いです。粒子サイズも硬度の利点に影響します。 50 ミクロン未満の粒子の場合、小さな粒子はクレーターではなく研磨によって摩耗するため、グレード間の硬度の違いによって浸食が 25% しか減少しません。 100 ミクロンを超える粒子の場合、硬度の利点は 70% を超えます。これは、粒子が大きくなると、硬度が直接貫通に抵抗するより深い衝突クレーターが形成されるためです。
-硬度グレード別の長期摩耗予測
| 蒸解装置のタイプと粒子の充填 | PFA硬度（ショアD） | 1年後の予測侵食深さ | 0.5mm 摩耗までの予測時間 (故障しきい値) |
|---|---|---|---|
| 好熱性 (55 度)、高砂 (2500 mg/L)、大きな粒子 | 71～73（ハードグレード） | 0.20～0.25mm | 2.0～2.5年 |
| 好熱性 (55 度)、高砂 (2500 mg/L)、大きな粒子 | 65～67（標準） | 0.45～0.55mm | 0.9～1.1年 |
| 中温性 (38 度)、中程度の砂 (1000 mg/L)、混合サイズ | 71～73（ハードグレード） | 0.08～0.12mm | 4.0～6.0年 |
| 中温性 (38 度)、中程度の砂 (1000 mg/L)、混合サイズ | 65～67（標準） | 0.18～0.24mm | 2.0～2.8年 |
| 低固形物蒸解釜 (< 300 mg/L silica), any temperature | 65～67（標準） | 0.05～0.08mm | 6.0～10.0年 |
表面仕上げと浸食速度の相互作用
PFA ヒーターの初期表面の滑らかさは硬度と相互作用し、侵食の進行を決定します。硬質-グレードのPFAの滑らかな表面（Ra < 0.8µm）は、初期応力集中部位がないため、局所的な摩耗加速が防止されるため、低い浸食速度を長期間維持します。同じ硬質グレードの粗い表面（Ra > 1.5µm）では、最初の凹凸が優先的な侵食サイトを形成するため、2000 時間後に摩耗率が標準グレードの滑らかな表面の摩耗率に近づきます。-研磨サービスにハード-グレードの PFA を指定するエンジニアは、完全に 60% の侵食低減を達成するために、Ra が 0.8µm 未満の滑らかな成形仕上げも必要とします。ショア D 72 硬度と Ra 0.6 μm 仕上げの組み合わせにより、高砂消化槽で 1 年間使用した後、Ra 1.8 μm のショア D 65 よりも侵食深さが 70% 低くなります。-。
蒸解器予熱器選択の仕様ガイド
シリカ粒子濃度が 500 mg/L を超える原料を処理する嫌気性蒸解釜の場合、ショア D 硬度 71 最小の PFA カプセル化を指定すると、ヒーターの耐用年数が大幅に延長されます。ハード-グレードのPFAを使用する場合、加熱コアを露出させることなく、減少はしているものの依然として存在する浸食に対応するために、壁の厚さを2.5mmに増やす必要があります。標準グレードの PFA は、効果的なグリット除去システムを備えた蒸解釜、または懸濁シリカ 500 mg/L 以下で稼働する蒸解釜に使用できます。-炭素繊維強化材はガラス繊維とは異なるメカニズムで硬度を実現し、熱伝導率に異なる影響を与える可能性があるため、見積りを依頼する場合は、強化材の種類と荷重割合の文書とともに、サプライヤーから認定されたショア D 硬度測定値を要求してください。
