JP2003287395A

JP2003287395A - 熱交換器用セラミックス管およびその製造方法

Info

Publication number: JP2003287395A
Application number: JP2002093193A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Yamaguchi; 新一山口
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2002-03-28
Filing date: 2002-03-28
Publication date: 2003-10-10

Abstract

(57)【要約】【課題】耐食性、耐熱性に優れ、灰の付着が少なく、
耐熱衝撃性および高い赤外線放射率を兼ね備えた耐久性
に優れた熱交換器用セラミックス管を提供することであ
る。【解決手段】波長３．３３〜２５．４２μｍにおける
平均放射率が８０％以上であり、主結晶がコージェライ
トであるセラミックスで形成された熱交換器用セラミッ
クス管である。この管に使用するセラミックスは、希土
類酸化物を含有し、６００℃以上の耐熱衝撃温度を有
し、１０００℃における３点曲げ強度が１０ＭＰａ以上
であり、コージェライト以外の結晶相としてＭｇＡｌ₂
Ｏ₄結晶を有しているのが良い。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、焼却炉や熱分解炉
等における焼却により発生する高温廃ガス等の高温流体
から熱を回収するのに適した熱交換器用セラミックス管
（伝熱管）に関する。

【０００２】現在、家庭、会社等で捨てられたゴミはそ
の殆どが地方自治体の焼却炉で焼却されている。焼却さ
れたゴミのうち、未燃分の焼却灰及び排煙に含まれる飛
灰（含有元素；Ｓｉ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｋ、Ｍ
ｎ、Ｃｌ、Ｎａ、Ｓ）には、重金属成分やダイオキシ
ン、フラン等の有毒汚染物質が含まれている。これまで
は、未燃分の焼却灰は最終処分場にそのまま埋められて
いたが、埋め立て場所の確保や立地条件の問題に加え
て、ダイオキシンやフラン等の有害汚染物質の無害化に
関して法律や条例で厳しく規制されているため、焼却灰
および飛灰を回収しこれを再溶融することにより有害汚
染物質を無害化することができる溶融炉の必要性が年々
高まっている。この溶融炉による高温加熱処理法を用い
て、上記した未燃分の焼却灰を高温加熱処理してスラグ
化すれば、焼却灰の１／２〜１／４程度に容積を小さく
することができ、ダイオキシン等の有害汚染物質も分解
し無害化できる。

【０００３】また、これまでは、都市ゴミの焼却炉は、
都市ゴミを焼却して廃棄物の減容化をはかることを目的
として設置されてきたが、これからはエネルギーの有効
利用を考慮して、焼却により生じる高温の廃ガスが有す
る熱エネルギーを熱交換器により回収して再利用するこ
とが重要である。

【０００４】一般的な焼却炉における廃ガスの熱エネル
ギーを熱交換器により熱回収する際には、焼却炉の焼却
温度である５００〜６００℃程度の温度で熱交換が行わ
れていたが、例えば近年商用化が進められつつある熱分
解ガス化溶融炉では、排出される廃ガスの温度が約１０
００〜１３００℃にも達するので、この高温廃ガスから
熱を回収する際には１０００〜１３００℃もの高温で熱
交換が行われる。

【０００５】この熱分解ガス化溶融炉は、ガス化炉と溶
融炉とが一体化されたものである。まず、ガス化炉によ
り５００〜６００℃の低温で熱処理し、可燃性のガスを
発生させ、このガスを溶融炉へ送る。溶融炉では、可燃
性ガス、およびこのガスと共に送られてきた飛灰、チャ
ー、タール等を１０００〜１３００℃程度の高温で燃焼
させることにより、飛灰のスラグ化を行うと同時に、ダ
イオキシン等を完全分解する。この高温燃焼により生じ
た廃ガスは、溶融炉出口から排出され、廃熱ボイラへと
導かれる。この廃ガスの熱エネルギーを回収するための
熱交換器は、通常、溶融炉出口から廃熱ボイラに至るま
での間に設置され、これにより回収した熱は、他の設備
で使用する空気を予熱したり、発電用の蒸気発生器等で
使用されたりして有効利用される。

【０００６】このようにして熱エネルギーが回収される
廃ガス中には、Ｈ₂ Ｏ、ＣＯ₂ 、Ｏ ₂等の他、多量のダ
ストや塩化水素（ＨＣｌ）ガス等が含まれている。この
ダスト中にはＣａ成分が多く含まれており、また、廃ガ
ス中の塩化水素濃度は１５００〜２０００ｐｐｍにも達
することがある。これらのＣａ成分やＨＣｌ成分は腐食
性が高いため、熱交換器に使用する伝熱管等の部材は優
れた耐食性が要求される。

【０００７】通常、伝熱管の内部には空気等のガスが流
され、伝熱管の外面は高温廃ガス雰囲気に曝されるの
で、伝熱管の内外面や長手方向（すなわち、高温廃ガス
に曝されない基端部分と、それ以外の高温に曝される部
分）に温度差が生じて熱応力が発生する。外面から高温
ガスで加熱された伝熱管の内部に低温ガスを投入すると
大きな熱衝撃も加わる。また、伝熱管は飛灰を含んだ環
境中に曝されるため、その表面に飛灰が付着して堆積し
やすい。飛灰の堆積は熱回収効率の低下を招くため、伝
熱管の材質としては飛灰が付着しにくいものが要求され
る。堆積した飛灰は、定期的に圧縮蒸気等を吹き付ける
スートブローと呼ばれる方法で除去されるのであるが、
このスートブローの際には伝熱管に大きな熱衝撃が加わ
る。さらに、伝熱管での熱回収効率を向上させるために
は、伝熱管に用いる材料の熱伝導率と赤外線放射率を高
くする必要がある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】一般に、熱交換器の伝
熱管は、低温用として高熱伝導性を有する銅、銅合金等
が、また使用温度が１０００℃未満の領域ではハステロ
イ、インコネル等の金属材料がそれぞれ使用されている
が、熱分解ガス化溶融炉の場合のように、１０００℃を
越え、しかも塩化水素濃度が高く耐食性が必要となる伝
熱管にはセラミックス材料が適用される。

【０００９】この熱分解ガス化溶融炉では、ゴミ焼却に
より発生した灰を加熱処理する際、灰に含まれるＣｄ、
Ｐｄ、Ｚｎ等の金属元素類やダイオキシン、フラン等の
有害汚染物質を分解するため、１０００℃以上で加熱溶
融処理を行い無害化する。この溶融炉で伝熱管として使
用するセラミックス管は、焼却灰が溶けてできる溶融
塩、溶融スラグの蒸気、さらにＨＣｌガス等に曝される
ことになる。そのため、これら成分中のＳｉ、Ａｌ、Ｆ
ｅ、Ｃａ、Ｎａ、Ｃｌはセラミックス管を成す材料中に
徐々に侵入・浸食し、次にセラミックス管をなす材料が
変質して強度劣化を起こすことから、クラックを生じた
り、破損が生じたり、あるいは所要の熱交換が行われな
くなって、長期にわたり使用することができなかった。

【００１０】従来、耐食性を有する伝熱管としては、特
公昭６０−２１６１９２号公報、特開２０００−２９２
０９１号公報等に開示されている。特公昭６０−２１６
１９２号公報では、普通鋼管体表面にステンレス鋼又は
Ｃｒ−Ｎｉ合金鋼の被覆層を形成し高温腐食を改善した
が、前記したように１２００℃の高温領域では金属材料
は使用できない。また、特開２０００−２９２０９１号
公報では、ＳｉＣやＳｉ₃Ｎ₄等の非酸化物系セラミック
ス材料の適用により耐熱性耐食性は改良しているが、伝
熱管内に低温ガス等を流して、これを熱回収しようとし
た場合、伝熱管の外内面、先端部、取付部などに温度差
ができ、急激な低温ガス投入に起因した熱衝撃が加わっ
た際に割れが発生するという問題があった。また、上記
の非酸化物系セラミックスでは、低酸素濃度の雰囲気下
では酸化膜であるＳｉＯ₂による保護膜形成が充分にな
されないためにアクティブ酸化が顕著となり、伝熱管肉
厚が短期間で腐食し減肉が発生する不具合もあった。さ
らに、ＳｉＣやＳｉ₃Ｎ₄等で形成した伝熱管の表面で、
Ｓｉ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｃａ、Ｎａ、Ｃｌの成分を含む飛灰
と反応を起こし飛灰の付着が発生して、熱回収効率を低
下させる問題も指摘されている。

【００１１】また、伝熱管としては赤外線放射率が高い
材料ほど、良好な熱回収率が得られることが分かってい
る。

【００１２】以上のことから、１０００℃以上で、かつ
腐食性の高いダストやＨＣｌガスが１５００〜２０００
ｐｐｍ程度存在する使用環境中において、割れの発生が
なく、しかも耐食性・耐熱性に優れ、減耗が発生せず、
さらに飛灰の付着が起きにくく、熱回収率が高いセラミ
ックス材料が望まれている。

【００１３】したがって、本発明の目的は、耐食性、耐
熱性および耐熱衝撃性に優れ、灰の付着が少なく、高い
赤外線放射率を兼ね備えた耐久性に優れる熱交換器用セ
ラミックス管を提供することである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の本発明にかかる熱交換器用セラミックス管は、高温流
体から熱を回収するための伝熱管であって、波長３．３
３〜２５．４２μｍにおける赤外線の平均放射率が８０
％以上であり、主結晶がコージェライトであるセラミッ
クスで形成されたことを特徴とする

【００１５】このように本発明のセラミックス管では、
前記平均放射率が８０％以上であるので、熱の輻射が大
きく、熱の回収効率が向上する。また、ＳｉＣやＳｉ₃
Ｎ₄からなるセラミックスでは表面が酸化してＳｉＯ₂膜
が生成し、これが飛灰中の成分と反応を起こして灰が付
着しやすくなるが、コージェライトは酸化物であるた
め、高温廃ガスに曝されても新たに酸化膜が生成するこ
とはなく、灰の付着を抑制することができる。

【００１６】本発明の熱交換器用セラミックス管では、
前記セラミックスが希土類酸化物を含有しているのが好
ましい。これにより、熱の回収が行われる１０００℃程
度におけるセラミックスの熱伝導率が室温におけるセラ
ミックスの熱伝導率よりも高くなるので、熱の回収効率
が向上する。

【００１７】本発明の熱交換器用セラミックス管では、
前記セラミックスの耐熱衝撃温度が６００℃以上であ
り、かつ１０００℃における３点曲げ強度が１０ＭＰａ
以上であるのが好ましい。これにより、セラミックス管
に生じる温度差に起因した熱応力、熱衝撃にも耐えるこ
とができ、割れが発生するのを防止できる。

【００１８】本発明の熱交換器用セラミックス管では、
前記セラミックスがコージェライト以外の結晶相として
ＭｇＡｌ₂Ｏ₄結晶を有しているのが好ましい。ＭｇＡｌ
₂Ｏ₄は飛灰に対する耐食性に優れているため、これを結
晶相として含むことによりセラミックス管の耐食性が向
上し、飛灰の付着をさらに抑制することができる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を詳細
に説明する。図１は、本実施形態にかかるセラミックス
管１をガス化溶融炉の溶融炉出口から廃熱ボイラに至る
までの間に炉壁２から炉内部に突出するように配置した
状態を示す断面図である。このセラミックス管１の内部
には、パイプ３が配置されており、このパイプ３の一端
の供給口４から空気が供給される。供給された空気はパ
イプ３の他端から排出され、セラミックス管１の内面と
パイプ３の外面とで形成された通路８を進み、排出路５
を経て排出される。

【００２０】一方、セラミックス管１の外面はガス化溶
融炉の１０００℃以上の高温廃ガスに曝されている。こ
れにより、通路８を進む空気と高温廃ガスとの間で熱交
換が行われ、溶融炉の高温廃ガスの熱を回収することが
できる。具体的には、例えば供給口４から２５０℃程度
の空気を供給した場合には、排出路５からは４００〜５
００℃程度の空気を得ることができる。

【００２１】また、セラミックス管１は、その一端が封
止されているキャンドル型の伝熱管である。キャンドル
型形状にすることによって設置スペースを小さくできる
という利点がある。このキャンドル型の伝熱管は例えば
バヨネット型熱交換器等に使用されている。

【００２２】このように一端が封止されたキャンドル型
形状とする場合には、管の長手方向の中間部６における
肉厚に比べてフランジ部７近傍における管の肉厚を厚く
するのが好ましい。具体的には、例えば中間部６の管の
肉厚が５ｍｍ程度のとき、フランジ部７近傍の管の肉厚
はそれより１〜３ｍｍ程度厚くして６〜８ｍｍ程度にす
るのがよい。これは、キャンドル型形状の場合、炉壁２
に固定する際、開口した側の一端のみで固定されるた
め、このフランジ部７に大きな応力が集中するが、上記
のようにフランジ部７近傍の肉厚を厚くしておくこと
で、取り付け時等に発生しやすい割れを防止するためで
ある。肉厚を厚くする部分としては、少なくともセラミ
ックス管１と炉壁２とが接触する部分が含まれていれば
よい。

【００２３】また、熱の回収効率を向上させるために
は、セラミックス管１の肉厚は極力薄い方が好ましい
が、強度面と製造上の難易度を考慮すると、肉厚は３ｍ
ｍ以上、好ましくは５ｍｍ以上、より好ましくは５〜２
０ｍｍ程度、さらに好ましくは５〜１５ｍｍ程度である
のがよい。

【００２４】上記のセラミックス管１に使用するセラミ
ックスは、波長３．３３〜２５．４２μｍにおける平均
放射率が８０％以上であり、Ｘ線回折による分析で検出
される主結晶相がコージェライトであることが重要であ
る。

【００２５】このコージェライトは、酸化物であるた
め、高温廃ガスに曝されても酸化膜（ＳｉＯ₂膜）が生
成することはなく、しかもコージェライトの含有成分で
あるＭｇＯおよびＡｌ₂Ｏ₃の耐食性が良好であるので灰
が付着しにくい。一方、ＳｉＣやＳｉ₃Ｎ₄からなるセラ
ミックスでは表面が酸化してＳｉＯ₂膜が生成し、これ
が飛灰中の成分と反応を起こして灰が付着しやすくな
る。

【００２６】このセラミックスは、コージェライト以外
の結晶相としてＭｇＡｌ₂Ｏ₄結晶を含んでいるのが好ま
しい。ＭｇＡｌ₂Ｏ₄は飛灰に対する耐食性が優れている
ため、これを結晶相に含むことにより、飛灰による腐食
を防止して飛灰がより付着しにくくなる。

【００２７】セラミックスの平均放射率が８０％未満に
なると、熱の輻射が小さくなるので、熱の回収効率が低
下するおそれがある。ここで、波長３．３３〜２５．４
２μｍにおける平均放射率とは、波長３．３３〜２５．
４２μｍにおける積分放射率（赤外線放射率）の平均値
をいう。積分放射率は遠赤外線分光放射計を用いて測定
することができる。また、３．３３〜２５．４２μｍと
いう波長域を選択した理由は、この波長域の平均放射率
が熱伝達に最も大きく寄与するからである。具体的に
は、平均放射率は、直径４７ｍｍ×厚み２ｍｍの測定用
サンプルを作製して、遠赤外線分光放射計（日本電子
（株）製（ＪＩＥ−Ｅ５００））に平均放射率測定用サ
ンプルをセットし、該サンプルの表面温度を３６℃とし
たときの波長３．３３〜２５．４２μｍにおける平均放
射率を算出する。

【００２８】また、このセラミックスは、水中投下法に
よる測定で６００℃以上の耐熱衝撃温度を有し、かつ１
０００℃における曲げ強度が１０ＭＰａ以上、好ましく
は５０ＭＰａ以上、より好ましくは１５０ＭＰａ以上で
あるのがよい。耐熱衝撃温度が６００℃未満になると、
セラミックス管１に生じる温度差に起因した熱応力に耐
えることができず、セラミックス管１に割れが発生する
おそれがある。また、曲げ強度が過度に低下すると、セ
ラミックス管１の機械的強度が低下して熱応力や熱衝撃
によって割れが生じるおそれがある。

【００２９】以下、本発明のセラミックス管１の製造方
法について説明する。まず、波長３．３３〜２５．４２
μｍにおける平均放射率が９４％以上であるコージェラ
イト粉末に対して希土類酸化物粉末を１〜２０重量％の
割合で添加し、ボールミルや振動ミル等で充分に混合し
て混合粉末とする。ここで使用するコージェライト粉末
および希土類酸化物粉末は共に平均粒径が１０μｍ以下
であるのが好ましい。また、コージェライト粉末の平均
放射率が９４％未満であるときは、後述する成形、焼成
等を経たセラミックスの平均放射率が８０％未満となる
おそれがある。

【００３０】波長３．３３〜２５．４２μｍにおける平
均放射率が９４％以上であるコージェライト粉末を得る
には、例えば平均粒径５〜１０μmのタルク、平均粒径
２〜１０μmのカオリン及び平均粒径４μm以下のアルミ
ナやハイジライト等の原料をコージェライト組成に調合
して、これを予め仮焼してコージェライト粉末としたも
のを粉砕して微粉化すればよい。

【００３１】希土類酸化物粉末を１重量％以上添加する
ことで、温度の上昇と共にセラミックスの熱伝導率を増
大させることができる。希土類酸化物が添加されていな
いコージェライトは温度の上昇と共に熱伝導率は低下す
るが、本発明者等は、コージェライトに希土類酸化物を
混合することによって、温度上昇と共にコージェライト
の熱伝導率が増大することを見出した。コージェライト
以外のＡｌ₂Ｏ₃、Ｓｉ ₂Ｎ₄、ＳｉＣ、ＡｌＮ等のセラミ
ックスでは、高温になるにつれてフォノンが移動しにく
くなるため、１０００℃程度の高温時の熱伝導率は室温
時の熱伝導率に比べて半分以下程度に小さくなる。とこ
ろが、希土類酸化物粉末を添加したコージェライトで
は、温度上昇と共に熱伝導率を増大させ、１０００℃程
度の高温時に室温時の１．４〜１．５倍程度まで添加物
効果により熱伝導率を高めることができる。セラミック
スの中でも特に熱伝導率が高いＳｉＣと、本発明で使用
する希土類酸化物粉末を添加したコージェライトとを比
較すると、室温ではコージェライトの熱伝導率はＳｉＣ
の約３〜４％に過ぎないが、１０００℃程度ではＳｉＣ
の約１４％程度までに高くなる。このように、希土類酸
化物を添加することによって、高温廃ガスの熱を回収す
る際の温度領域である１０００℃近辺において、コージ
ェライトの熱伝導率を高めることができる。なお、１０
００℃における前記セラミックスの熱伝導率は、２Ｗ／
（ｍ・ｋ）以上、好ましくは５Ｗ／（ｍ・ｋ）以上であ
るのがよい。

【００３２】また、希土類酸化物粉末を１重量％以上添
加することで、希土類酸化物が後述する焼成工程でコー
ジェライトと反応し液相を生成することから、低温で焼
結させることができるようになると共に、焼結可能な温
度幅を３５０℃程度（１１００〜１４５０℃の範囲）ま
で広げることができる。これにより、焼成による機械的
特性値や熱的特性値などの品質のばらつきを極めて小さ
くすることができる。

【００３３】一方、希土類酸化物粉末が２０重量％を越
えると、得られるセラミックス管１の熱膨張係数が大き
くなり、耐熱衝撃温度が６００℃以下となり、発生する
熱応力に耐えられず、伝熱管に割れが生じるおそれがあ
る。

【００３４】上記希土類酸化物粉末を構成する希土類元
素としては、Ｙ、Ｙｂ、Ｌｕ、Ｅｒ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｓｍ
等が挙げられ、これらの中でも安価に入手ができるとい
う点で、Ｙ、Ｙｂが好適である。また、希土類元素は、
コージェライト結晶の粒界に存在するが、この希土類元
素は、一層の低熱膨張率を実現するために、ＲＥ₂Ｏ₃・
ＳｉＯ₂またはＲＥ₂Ｏ₃・２ＳｉＯ₂等シリケート化合物
結晶相（ＲＥ：希土類元素）として存在することが好ま
しい。

【００３５】ついで、得られた混合粉末を、例えば金型
プレス成形等の加圧成形、押出成形、ＣＩＰ（冷間静水
圧）成形等により所定の形状に成形し成形体を得る。こ
のとき、各成型方法に応じて混合粉末の組成や焼成条件
を調節すればよい。この成形体を大気雰囲気あるいはＡ
ｒ等の不活性ガス雰囲気中で、１１００〜１４５０℃の
焼成温度で焼成し、その後、１時間当たり１００℃以上
の降温速度で冷却することによって、本発明のセラミッ
クス管１を得ることができる。

【００３６】ここで、焼成温度が１１００℃未満となる
と、相対密度９５％以上の緻密な焼結体を得られないお
それがある。また、焼成温度が１４５０℃を越えると、
コージェライトが溶融してしまうおそれがある。さら
に、１時間当たり１００℃以上の降温速度で冷却するこ
とで、セラミックスの熱膨張率をより低くすることがで
きる。

【００３７】以上のような製造方法によれば、耐食性、
耐熱性および耐熱衝撃性が良好で、灰の付着が少なく、
赤外線放射率の高いセラミックス管１を得ることができ
る。

【００３８】なお、セラミックス管１は、緻密体だけに
限らず多孔体でもよいが、気孔率を大きくすると伝熱管
内部の熱回収媒体ガスがリークする不具合が発生するお
それがあるので、多孔体を用いる場合には気孔率を小さ
くするか、表面に緻密層を設ける多層構造とするのが好
ましい。

【００３９】

【実施例】以下、実施例を挙げて本発明を詳細に説明す
るが、本発明は以下の実施例のみに限定されるものでは
ない。

【００４０】実施例１主結晶相がコージェライトであるセラミック管を以下の
ようにして作製した。純度９９％以上、平均粒径３μ
ｍ、平均放射率が９４％であるコージェライト粉末に対
して、平均粒径が１μｍの希土類元素酸化物粉末（Ｙｂ
₂Ｏ₃）を２０重量％の割合で調合後、ボールミルで２４
時間混合して混合粉末とした。次に、上記混合粉末をプ
レス成形して成形体とした後、焼成温度１４００℃で焼
成し、焼結体を得た。その後、得られた焼結体を研削、
あるいは研磨等の加工を施して、外径８０ｍｍ、内径７
２ｍｍ、全長１２００ｍｍで、管の一端を封止したキャ
ンドル型のセラミック管を得た。比較のため、ＳｉＣ、
Ａｌ₂ Ｏ₃ 、Ｓｉ₃Ｎ₄およびＺｒＯ₂からなる同一寸法
のセラミック管を用いて、以下の試験を行った。

【００４１】セラミックス管の内部には直径４０ｍｍの
ステンレス製パイプをセラミックス管と同軸上に配置
し、供給口から空気を供給しパイプ内部を通じてセラミ
ックス管内に導入して、さらにこの空気を排出路から排
出できる構造とした。

【００４２】ついで、セラミックス管の耐熱性および熱
交換効率を評価するために、溶融炉で生じた廃ガスの熱
を回収する際の実際の環境を想定した試験ができる廃ガ
ス処理模擬装置を作製した。すなわち、セラミックス管
を１２００℃の廃ガス（酸素濃度５％、二酸化炭素濃度
９５％）中に曝露した状態で、セラミックス管内部に２
５０℃の空気を急激に導入できるようにした。

【００４３】＜耐熱試験＞上記廃ガス処理模擬装置を用
いて、セラミックス管を１２００℃の前記廃ガス雰囲気
中に曝露した状態で、セラミックス管内部に２５０℃の
空気を急激に導入してセラミックス管に熱衝撃を与え
た。このとき、セラミックス管に割れが発生するかどう
かを確認した。評価結果を表１に示す。割れが発生して
いない場合には表１中の該当する欄に「○」を記入し、
割れが発生していた場合には該当する欄に「×」を記入
した。

【００４４】＜熱交換試験＞上記廃ガス処理模擬装置を
用いて、耐熱試験と同様に、セラミックス管を１２００
℃の上記廃ガス雰囲気中に曝露した状態で、セラミック
ス管内部に２５０℃の空気を導入し、その空気の排出路
５での温度を測定した。排出路５での温度が３５０℃以
上に上昇していた場合には、熱交換効率が良好であると
判断し、表１中の該当する欄に「○」を記入した。

【００４５】＜耐熱衝撃性試験＞耐熱衝撃性は、前記セ
ラミックス管と同様にして３×４×４５ｍｍの試験片を
作製し、ＪＩＳＣ２１４１に記載の水中投下法に準拠
して評価した。この試験において各試験片にクラック等
が生じることのない温度差を△Ｔ（℃）として表した。
試験結果を表１に示す。

【００４６】＜３点曲げ強度試験＞３点曲げ強度は、耐
熱衝撃性試験と同じ各試験片を作製し、ＪＩＳＲ１６
０１を参考にして測定した。測定温度は１０００℃に設
定した。測定結果を表１に示す。

【００４７】＜熱伝導率の測定＞熱伝導率は、前記セラ
ミックス管と同様にしてφ１０×２ｍｍの試験片を作製
し、ＪＩＳＲ１６１１を参考にしてレーザーフラッ
シュ法により測定した。測定温度は、室温（２５℃）お
よび１０００℃に設定した。

【００４８】＜灰付着試験＞灰付着試験は、前記セラミ
ックス管と同様にしてφ３０×１０ｍｍの試験片を作製
し、実際に運転しているガス化溶融炉より採取した一定
量の飛灰を各試験片上に載せて１０００℃の大気炉中で
１０時間曝露し、冷却した後、試験片上の灰の付着状態
を目視観察した。観察結果を表１に示す。灰の付着が全
くない場合には表１中の該当する欄に「◎」を記入し、
灰の付着はあるが爪等で容易にはぎ取れる場合には該当
する欄に「○」を記入し、灰の付着が化学反応や融着を
伴い、爪等ではぎ取れない場合には該当する欄に「×」
を記入した。

【００４９】＜判定＞上記各試験結果から、総合判定し
て、良好なものから「◎」、「○」、「×」の順に表１
の該当する欄に記載した。

【００５０】

【表１】

【００５１】＜試験結果＞耐熱試験では、試料No.５〜
８（コージェライトを用いたセラミックス管）には割れ
は発生しなかったが、試料No.１〜４および９には割れ
が発生していた。すなわち、試料No.１〜４および９
は、耐熱衝撃性（△Ｔ）が６００℃未満と低く、急激な
温度変化（熱衝撃）に弱いものであったが、それに対し
て試料No.５〜８は耐熱衝撃性が６００℃以上で、耐熱
衝撃性にも優れていた。

【００５２】また、試料No.５〜９の１０００℃におけ
る熱伝導率は、室温における熱伝導率と比較して、同等
か、あるいは増大していた。その他の試料は、室温時よ
りも低下していた。試料No.５〜９の熱伝導率は試料No.
１，２および４と比較すると低い値であるが、逆に平均
放射率は試料No.５〜９の方が高いため、結果的に、熱
伝導率と放射率とが共に関係する熱交換試験では試料N
o.５〜９についても良好な結果が得られたと推測され
る。

【００５３】灰付着試験では、試料No.１，２および４
（ＳｉＣ、Ｓｉ₃Ｎ₄の非酸化物系セラミックス）では灰
の付着が発生したが、試料No.３，５〜９（酸化物系セ
ラミックスのＡｌ₂ Ｏ₃ 、コージェライト、ＺｒＯ₂）
では灰の付着は認められなかった。このうち、試料５，
６および８（コージェライトにＭｇＡｌ₂Ｏ₄結晶相を含
むもの）は、特に灰の付着が生じにくいことが確認でき
た。

【００５４】以上の結果より総合的に判断すると、コー
ジェライトを主結晶相とするセラミックス管は、耐熱
性、熱交換効率（熱の回収効率）、耐熱衝撃性、曲げ強
度、熱伝導率、および灰付着性のいずれにおいても使用
可能なレベルであり、伝熱管として好適に使用できると
判定した。

【００５５】実施例２純度９９％以上、平均粒径３μｍ、平均放射率が９４％
であるコージェライト粉末に対して、平均粒径が１μｍ
のＹ₂Ｏ₃、Ｙｂ₂Ｏ₃、Ｅｒ₂Ｏ₃、ＣｅＯ₂の各希土類元
素酸化物粉末を表２に示す割合（コージェライトとの総
量中の割合）で調合後、ボールミルで２４時間混合して
混合粉末とした。次に、上記混合粉末をプレス成形して
成形体とした後、表２に示す焼成条件で焼成し、焼結体
を得た。その後、得られた焼結体を研削、あるいは研磨
等の加工を施すことで、平均放射率、熱伝導率の測定用
の各試験片（試料No.１〜１６）を得た。Ａｌ₂Ｏ₃材
（試料Ｎｏ．１７）についても、上記と同様にして、Ｃ
ａＯ、ＭｇＯおよびＳｉＯ₂を表２に示す割合で調合
後、上記と同様に混合粉末、成形体、焼結体を経て、各
試験片を得た。

【００５６】ここで、平均放射率測定用試験片の大きさ
は、直径４７ｍｍ×厚み２ｍｍ、熱伝導率測定用試験片
の大きさは、直径１０ｍｍ×厚み２．５ｍｍとした。平
均放射率については、遠赤外線分光放射計（日本電子
(株)製ＪＩＥ−Ｅ５００）に平均放射率測定用試験片を
セットし、波長３．３３〜２５．４２μｍにおける平均
放射率を算出した。また、熱伝導率測定用試験片を用い
て、ＪＩＳＲ１６１１に準拠して１０００℃における
熱伝導率を測定した。上記試験片の平均放射率、熱伝導
率の測定結果を表２に示す。

【００５７】

【表２】

【００５８】表２から分かるように、本発明のＮｏ．１
〜７、９〜１６で平均放射率８０％以上の良好な数値を
得た。また、波長３．３３〜２５．４２μｍにおける平
均放射率が９４％以上であるコージェライト粉末に対
し、希土類酸化物粉末を１〜２０重量％の割合で添加、
混合して得られた粉末を所望の成形手段で成形後、温度
１１００〜１４５０℃で焼成して得られる材料（試料N
o.２，３，５〜７，９〜１６）は、さらに良好な特性値
を示すことが分かった。

【００５９】実施例３表１の試料No.８の材料を用いて、実施例１と同様の条
件で２種類の形状のセラミック管（伝熱管）を作製し
た。外径８０mm、内径７２mm、全長１２００mmの管の一
端を封止したキャンドル型形状で、封止端と反対側に外
径９２mm、厚み８mmのフランジ部を設けたものをＡ種と
した（管部分の厚みは全て４mm）。また、フランジ部の
端部（軸方向の端部）から軸方向に１００mmの領域まで
のセラミック管の外径を８２mmとすることにより、この
部分の肉厚を５mmとした他は、Ａ種と同様にしてＢ種を
作製した。Ａ種、Ｂ種は各１０本ずつ作製した。

【００６０】これらのセラミック管Ａ種およびＢ種を、
実施例１の耐熱試験で使用した廃ガス処理模擬装置のセ
ラミック管セット孔において着脱を繰り返した結果、Ａ
種では極まれにフランジ部で割れが生じることがあった
が、Ｂ種では割れは生じなかった。

【００６１】以上の結果より、セラミックス管を固定す
るフランジ部近傍の管の肉厚を中間部の管の肉厚よりも
厚くすることにより、強度が向上し、割れを防止できる
ことを確認した。

【００６２】

【発明の効果】本発明によれば、耐食性、耐熱性、耐熱
衝撃性に優れ、灰の付着が少なく、高い平均放射率（赤
外線放射率）を兼ね備えた耐久性に優れた熱交換器用セ
ラミックス管を得ることができるので、伝熱管として長
期間良好な状態で使用することができるという効果があ
る。特に、ゴミ焼却炉・溶融炉や熱分解ガス化溶融炉の
セラミックス管として用いれば、焼却灰成分中の腐食元
素の浸食を防止し、強度劣化や特性変化が非常に少な
く、伝熱管の寿命を長くすることができるという効果が
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のセラミックス管をガス化溶融炉の溶融
炉出口から廃熱ボイラに至るまでの間に炉壁から炉内部
に突出するように配置した状態を示す断面図である。

【符号の説明】

１：セラミックス管２：炉壁３：パイプ４：供給口５：排出路６：中間部７：フランジ部８：通路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】高温流体から熱を回収するための伝熱管で
あって、波長３．３３〜２５．４２μｍにおける赤外線
の平均放射率が８０％以上であり、主結晶がコージェラ
イトであるセラミックスで形成されたことを特徴とする
熱交換器用セラミックス管。
【請求項２】前記セラミックスが希土類酸化物を含有す
る請求項１記載の熱交換器用セラミックス管。
【請求項３】１０００℃における前記セラミックスの熱
伝導率が、２Ｗ／（ｍ・ｋ）以上で、かつ室温における
前記セラミックスの熱伝導率よりも高い請求項１または
２記載の熱交換器用セラミックス管。
【請求項４】前記セラミックスの耐熱衝撃温度が６００
℃以上であり、かつ１０００℃における３点曲げ強度が
１０ＭＰａ以上である請求項１〜３のいずれかに記載の
熱交換器用セラミックス管。
【請求項５】前記セラミックスがコージェライト以外の
結晶相としてＭｇＡｌ₂Ｏ₄結晶を有する請求項１〜４の
いずれかに記載の熱交換器用セラミックス管。
【請求項６】一端が封止されている請求項１〜５のいず
れかに記載の熱交換器用セラミックス管。
【請求項７】管の長手方向の中間部における肉厚に比べ
てフランジ部近傍における管の肉厚を厚くした請求項１
〜６のいずれかに記載の熱交換器用セラミックス管。
【請求項８】高温流体から熱を回収するための熱交換器
用セラミックス管の製造方法であって、波長３．３３〜
２５．４２μｍにおける平均放射率が９４％以上である
コージェライト粉末に対して希土類酸化物粉末を１〜２
０重量％の割合で混合し、得られた混合粉末を所定の形
状に成形した後、１１００〜１４５０℃の焼成温度で焼
成することを特徴とする熱交換器用セラミックス管の製
造方法。