JP2006046757A

JP2006046757A - 耐食性を有するフィン付き伝熱管及び排ガス加熱装置

Info

Publication number: JP2006046757A
Application number: JP2004226733A
Authority: JP
Inventors: Motoroku Nakao; 元六仲尾; Takayuki Saito; 隆行斎藤
Original assignee: Babcock Hitachi KK
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2004-08-03
Filing date: 2004-08-03
Publication date: 2006-02-16

Abstract

【課題】酸性ミストの蒸発による管材の腐食を、他の設備を必要とせず、且つ安全であり、また効果的且つ経済的そして簡便に防止するフィン付き伝熱管と該フィン付き伝熱管を用いた排ガス装置を提供することにある。
【解決手段】ＳＵＳ４３０鋼などのフェライト系ステンレス鋼は塩化物溶液による応力腐食割れに対しては抵抗性がある。一方オーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３１６Ｌなど）は、全面腐食や孔食に対しては抵抗性があるが、応力腐食割れが発生しやすい弱点を有している。両者の長所を生かし、伝熱性能、残留応力分布、ステンレス鋼でのガルバニック効果を効果的に利用して、ボイラ排煙処理系のスチームガスヒータと再加熱側ガスガスヒータに使用する伝熱管をＳＵＳ３１６Ｌなどの市販のオーステナイト系ステンレス鋼管にＳＵＳ４３０などのフェライト系ステンレス鋼フィンを巻きつけた高耐食性フィン管構造とした。
【選択図】図１

Description

本発明は石炭焚き火力発電用ボイラの排ガス処理装置及び該装置に用いる伝熱管に係り、特に脱硫装置ガス後流のスチームガスヒータ（ＳＧＨ）あるいは再加熱側ガスガスヒータ（ＧＧＨ）の酸性塩化物ミストによる孔食や応力腐食割れ（ＳＣＣ）等の腐食を効果的に防止するのに好適なフィン付き伝熱管、それを用いた排ガス加熱装置に関する。

石炭焚き火力発電用ボイラでは、公害防止の観点から排ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）、硫黄酸化物（ＳＯｘ）及び煤塵を除去する装置が設置されている。

図３は、石炭焚きボイラ排ガス処理システムのフローの一例を示す。ボイラ１から排出した排ガスは、脱硝装置２で窒素酸化物（ＮＯ、ＮＯ₂など、以下これらをまとめてＮＯｘという。）が除去され、次いでエアヒータ３を経由した後、熱回収側ＧＧＨ（ガスガスヒータ）４で所定の温度まで冷却され、さらにその後流側の乾式電気集塵機（Ｄ−ＥＰ）５に導かれて除塵される。

熱回収側ＧＧＨ４で１５０〜２００℃の排ガスを７０〜９０℃まで熱回収し、冷却すると乾式電気集塵機（Ｄ−ＥＰ）５の効率が向上し、煤塵量をより低くできるとともに排ガス中の有害水銀や硫黄酸化物（ＳＯ_２、ＳＯ₃など、以下これらをまとめてＳＯｘという。）を低減できる効果もある。その後、脱硫装置６で排ガス中の硫黄酸化物（ＳＯｘ）が除去され、ＳＧＨ（スチームガスヒータ）７や再加熱側ＧＧＨ(ガスガスヒータ）８により排ガス中の液滴やミストを蒸発させ、加熱されてクリーンな排ガスとなって煙突９から排出される。システムによってはＳＧＨ７を備えていないプラントもあり、脱硫装置６の出口にミストセパレータ（デミスタとも呼ばれる）を設置し、排ガス中の液滴やミストを低減する装置がついているシステムもある。

図４は脱硫装置６の後流側のＳＧＨ７と再加熱側ＧＧＨ８の構造例を示す。ＳＧＨ７は伝熱管内に１２０〜２００℃の蒸気を通じ、該伝熱管外の排ガス中の液滴やミストを加熱蒸発させる。再加熱側ＧＧＨ８は、熱回収側ＧＧＨ４で加熱された熱媒を再加熱側ＧＧＨ８の伝熱管内に通じ、ミストを蒸発させるとともに排ガスを加熱昇温させる装置であり、伝熱効率を上げるために通常は前記伝熱管はフィン付き管１０が用いられる。ＳＧＨ７や再加熱側ＧＧＨ８では、ｐＨ２〜６の弱酸性塩化物含有液滴やミストの付着と蒸発の繰返しが生じ、塩化物などの腐食性不純物の濃縮と乾湿が繰り返し行われることから、これらの伝熱管材料にとっては腐食し易い過酷な環境であり、伝熱管の構成材料に対して全面腐食、孔食及び応力腐食割れ（ＳＣＣ）などの種々の腐食損傷が生じることがある。

例えばＳＴＢ３４０で代表される炭素鋼やＳＴＢＡ１０で代表されるクロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）などの成分を１重量％（以下「重量％」を単に「％」ということがある。）以下含む低合金鋼では、全面腐食が発生し、伝熱管の構成材料として使用できない。一方約１７％のＣｒを含むＳＵＳ４３０鋼は、全面腐食に対しては耐食性があるが、例えばｐＨ４以下にｐＨが低下し、ミスト量が増加する液膜生成の条件下では孔食を生じることがある。しかしフェライト系ステンレスであるＳＵＳ４３０鋼は、塩化物溶液による応力腐食割れ（ＳＣＣ）に対しては抵抗性がある。一方重量％で１６〜２６％Ｃｒ−８〜１６％Ｎｉ−０〜６％Ｍｏを含むオーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４Ｌ、ＳＵＳ３１６Ｌ、ＳＵＳ３１７Ｌなど）は、全面腐食や孔食に対しては抵抗性があるが、応力腐食割れ（ＳＣＣ）が発生しやすいという弱点を有している。

こうしたＳＧＨ７や再加熱側ＧＧＨ８の腐食を防止したり抑制する手法として下記特許出願がある。
特開２００２−２５０５１４号公報（ＳＧＨのドレンで再加熱側ＧＧＨを加熱してミストを蒸発除去させ腐食防止）特開２００１−２４８８２６号公報（排ガスを４０℃以下に冷却してミスト量を低減して腐食抑制）特開２００１−３３０２６号公報（ＳＧＨ、ＧＧＨ外面にアルカリ剤を散布してミストのｐＨを制御）特開平１１−２３０５３７号公報（ＳＧＨのガス流速を高速化してミストを捕獲）特開２０００−３１７２６０号公報（脱硫装置出口のアルカリ投入）

需要が増加している海外向け石炭焚きボイラ用排煙処理システムでの再加熱側ＳＧＨ及びＧＧＨは、高濃度塩素を含む弱酸性のミストを蒸発乾燥させるため、過酷な腐食環境となり、通常のステンレス鋼では孔食や応力腐食割れ（ＳＣＣ）が生じるという問題がある。しかし、前記従来技術を示した特許文献に記載された発明は環境面での対応であり、そのまま上記孔食や応力腐食割れ（ＳＣＣ）に対する対応策にはならない。特許文献１、２、４に記載の発明を実用化するためには更にドレンの冷却装置やミスト蒸発管などの他の設備を必要とし、また特許文献３及び特許文献５記載の発明を実用化するためには更にアルカリ処理といった安全面での配慮も必要となる。またＳＧＨやＧＧＨ内の伝熱管の構成材料については特に検討されたものではない。

一方、ＳＧＨや再加熱側ＧＧＨの腐食防止法として、伝熱管の構成材料に高耐食性の、モリブデン（Ｍｏ)を含むニッケル（Ｎｉ）基合金材料（商品名：インコネル６２５、ハステロイＣ−２７６）を使用する方法があるが、現在汎用されている材料である炭素鋼、低Ｃｒ鋼、ステンレス鋼に比べてコストが１０〜３０倍であり、経済上使用しがたいという問題がある。また応力腐食割れ（ＳＣＣ）と孔食の両方を構成材料の材質を選択することで防止しようとするとＳＵＳ３２９Ｊ４Ｌ等の二相ステンレス鋼、ＮＣＦ８２５、ＮＣＦ６２５等（ＪＩＳ規格表示）のＮｉ基高Ｃｒ高Ｍｏ合金やチタン、タンタルなどの高耐食合金が必要となり、経済上好ましくない。

本発明の課題は、酸性ミストの蒸発による管材の腐食を、他の設備を必要とせず、且つ安全であり、また効果的且つ経済的そして簡便に防止するフィン付き伝熱管と該フィン付き伝熱管を用いた排ガス装置を提供することにある。

上記本発明の課題は、ＳＧＨや再加熱側ＧＧＨフィン付き伝熱管の材質を適正に組合わせることにより達成できる。具体的には下記の方法を採用することにより達成できる。

すなわち、請求項１記載の発明は、重量％でＣｒ量：１６〜２６％、Ｎｉ量：８〜１６％、Ｍｏ量：０〜６％を含むオーステナイト系ステンレス鋼から成る伝熱管の外面に、重量％でＣｒ量：１２〜２６％、Ｍｏ量：０〜３％を含むフェライト系ステンレス鋼から成るフィン材を取り付けたことを特徴とする耐食性を有するフィン付き伝熱管である。
請求項２記載の発明は、石炭焚きボイラから排出する排ガス流路に設けるスチームガスヒータあるいはガスガスヒータの伝熱管として、請求項１記載のフィン付き伝熱管を用いたことを特徴とする排ガス加熱装置である。

（作用）
本発明は、伝熱性能、残留応力分布、ステンレス鋼でのガルバニック効果を効果的に利用して、ＳＵＳ３１６Ｌなどの市販のオーステナイト系ステンレス鋼管にＳＵＳ４３０などのフェライト系ステンレス鋼フィンを巻きつけた高耐食性フィン付き伝熱管構造を採用したことにより、伝熱管の応力腐食割れ（ＳＣＣ）と孔食が従来より大幅に改善された。前述したように、ＳＵＳ４３０鋼は、フェライト系のため塩化物溶液による応力腐食割れ（ＳＣＣ）に対しては抵抗性がある。

一方、１６〜２６％Ｃｒ−８〜１６％Ｎｉ−０〜６％Ｍｏを含むオーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４Ｌ、ＳＵＳ３１６Ｌ、ＳＵＳ３１７Ｌなど）は、全面腐食や孔食に対し耐食性が優れ、一般に多く市販されていることから汎用性や経済性の問題はないが、塩化物による応力腐食割れ（ＳＣＣ）に対して感受性が高いという弱点がある。応力腐食割れ（ＳＣＣ）は、材料、引張応力及び塩化物環境の組合せで生じるものであり、応力面からショットブラスト加工による残留応力圧縮化で防止可能であるが、フィン間隔が１〜１０ｍｍ、フィン高さが２〜３０ｍｍのフィン管には採用できない。

一般に異種金属が接触すると、電位差を生じ、電位の卑な金属側が優先的に腐食し、相手側の貴な金属側の腐食が抑制される現象(ガルバニック効果）が起きる。
そしてボイラ煙道の炉外製品では、アルミニウム（Ａｌ）とステンレス鋼の電位差によるガルバニック効果を利用してＳＵＳ３１６Ｌで代表されるオーステナイト系ステンレス鋼の応力腐食割れ（ＳＣＣ）防止にアルミニウム（Ａｌ）の箔を巻き付けることが行われている。しかしボイラ煙道炉内で使用されるフィン付き伝熱管は石炭焚きボイラなどからのＳＯｘを含む酸性排ガス中で用いられることが多いので、オーステナイト系ステンレス鋼にアルミニウム（Ａｌ）の箔を巻き付けるこの方法は使用できない。
もし、フィンのＳＵＳ４３０Ｌと伝熱管のＳＵＳ３１６Ｌに有効な電位差があれば、ガルバニック効果により管材のＳＵＳ３１６Ｌの応力腐食割れ（ＳＣＣ）を防止できる。

本発明者は鋭意研究の結果、以下のことを見出した。オーステナイト系ステンレスであるＳＵＳ３１６Ｌとフェライト系ステンレスであるＳＵＳ４３０ＬのＣｒ量に差がないことから、同じ不動態域にあれば電位差もほとんど生じない。しかし前者にはＮｉ及びＭｏが含まれているため耐食性がより優れ、ＳＧＨやＧＧＨ内の環境下では前者は不動態域、後者は活性体域となる。したがって両者間に５０〜２００ｍＶの電位差が発生し、先に述べたガルバニック効果により前者のＳＵＳ３１６Ｌでの腐食が抑制されて、応力腐食割れ（ＳＣＣ）が防止可能となる。

また本発明者は以下のことも見出した。すなわち、伝熱性能、残留応力分布、ステンレス鋼でのガルバニック効果に着目し、ＳＵＳ３１６Ｌ等の伝熱管に１２〜２６％のＣｒを含有するＳＵＳ４３０やＳＵＳ４３０Ｌ鋼板を高周波溶接などでフィン巻きした管は、耐食性が優れていることを見出した。つまりＳＵＳ４３０Ｌ等のフェライト系ステンレス鋼は、全面腐食や応力腐食割れ（ＳＣＣ）に対し優れた抵抗性がある。これらフェライト系ステンレス鋼は液膜状の酸性塩化物水溶液に接すると孔食を生じることがあるが、フィンでは液膜が形成されにくく、孔食も生じないことが判明した。

したがって、ＳＧＨやＧＧＨ内の環境条件において塩素が高濃度で存在する状態になると、伝熱管の腐食が促進されやすくなり、フィンに孔食が発生することがあるが、フィンの孔食は、管内熱媒体の漏洩や伝熱阻害には繋がらない。それゆえ例えばＳＵＳ３１６Ｌの管にＳＵＳ４３０Ｌのフィンを高周波溶接によって伝熱管外周にフィン巻き接合すると、管外表面の残留応力が低下し、更にＳＵＳ４３０Ｌのフィンとの電位差によるガルバニック効果で伝熱管の応力腐食割れ（ＳＣＣ）が抑制される。

請求項１記載の発明によれば、Ｃｒ量：１６〜２６％、Ｎｉ量：８〜１６％、Ｍｏ量：０〜６％を含むオーステナイト系ステンレス鋼から成る伝熱管の外面に、Ｃｒ量：１２〜２６％、Ｍｏ量：０〜３％を含むフェライト系ステンレス鋼から成るフィン材を取り付けたフィン付き伝熱管を使用することにより、ＳＧＨや再加熱側ＧＧＨ内の管材の腐食を、他の設備を必要とせず、且つ安全であり、また効果的且つ経済的そして簡便に防止できる。

また請求項２記載の発明によれば、石炭焚きボイラから排出する酸性ミストの多い排ガス流路に設けるスチームガスヒータあるいはガスガスヒータの伝熱管として、上記のフィン付き伝熱管を用いた排ガス加熱装置に適用すれば、石炭焚きボイラを低ユーティリティで安定に運転でき、煤塵量低減の公害防止にも寄与できる。

以下に、本発明の具体的実施例を図面と共に説明する。
図１には、実施例のステンレス鋼製フィン付き伝熱管１０を示す。図１（ａ）はフィン１３付きステンレス鋼管１２からなる伝熱管１０の側面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線矢視図を示す。
図２には、図１のフィン付きステンレス鋼管を伝熱管として用いた石炭焚きボイラから排出する排ガスを浄化するための排煙脱硫装置のガス後流のＳＧＨ（スチームガスヒータ）あるいは再加熱側ＧＧＨ（ガスガスヒータ）の構造図を示す。

図１に示す伝熱管１０は、重量％でＣｒ量１６〜２６％、Ｎｉ量８〜１６％、Ｍｏ量０〜３％のオーステナイト系ステンレス鋼管（代表鋼種ＳＵＳ３１６Ｌ）の外面に、Ｃｒ量１２〜２６％、Ｍｏ量０〜３％のフェライト系ステンレス鋼（代表種ＳＵＳ４３０Ｌ）の板を螺旋状に高周波抵抗溶接したステンレス鋼製フィン付き伝熱管である。
表１に上記ステンレス鋼製フィン付き伝熱管１０の残留応力測定結果を示す。

サンプル管は、直径３８．１×３．２ｍｍの管に１５×１．２ｍｍのフィン板を１インチ当たり３つのフィンになるように高周波抵抗溶接したものであり、いずれもフィンには１５０Ｎ／ｍ²以上の高い引張の残留応力が生じている。伝熱管でのＳＣＣ感受性の対象となるのは管外面側であるが、残留応力の値は、フィンにＳＵＳ４３０Ｌのフェライト系ステンレス鋼を用いた方が、ＳＵＳ３１６Ｌを用いた場合より、低めになっている。これは、伝熱管（ＳＵＳ３１６Ｌオーステナイト系ステンレス鋼）とフィン（ＳＵＳ４３０Ｌフェライト系ステンレス鋼）の強度差、熱膨張率の差に起因するものであり、ＳＣＣ感受性の低減に有効に作用する。

表２に、本発明の実施例のフィン付き伝熱管と従来技術になるフィン付き伝熱管の腐食及びＳＣＣ試験での管外面の調査結果を示す。

従来技術になる耐硫酸鋼管（ＳＴＢＡ１０）／炭素鋼フィン（ＳＳ４００）からなるフィン付き伝熱管では全面腐食、フェライト系ステンレス鋼管（ＳＵＳ４３０Ｌ）／フェライト系ステンレス鋼フィン（ＳＵＳ４３０Ｌ）からなるフィン付き伝熱管では孔食が生じ、さらにオーステナイト系ステンレス鋼管（ＳＵＳ３０４Ｌ又はＳＵＳ３１６Ｌ）／オーステナイト系ステンレス鋼フィン（ＳＵＳ３０４Ｌ又はＳＵＳ３１６Ｌ）からなるフィン付き伝熱管ではＳＣＣが生じた。

これに対し、本実施例のオーステナイト系ステンレス鋼管（代表鋼種ＳＵＳ３１６Ｌ）／フェライト系ステンレス鋼フィン（代表鋼種ＳＵＳ４３０Ｌ）からなるフィン付き伝熱管では、伝熱管での腐食及びＳＣＣは発生せず、フィンでの孔食もスプレがミスト状に付着することから軽微であり、本実施例のフィン付き伝熱管は、種々の耐食性に優れていることが表２に示す結果から確認された。
なお表２中の火ＳＵＳ３０９Ｊ１ＴＢとは発電用技術基準で定められた伝熱管材料であり２４％Ｃｒ−１５％Ｎｉ−１％Ｍｏ−０．５％Ｎからなる材料である。

オーステナイト系ステンレス鋼管にフェライト系ステンレス鋼のフィンを取り付けることにより、鋼管外面の残留応力が低下し、オーステナイト系ステンレス鋼管とフェライト系ステンレス鋼のフィン間の電位差によるガルバニック効果でオーステナイト系ステンレス鋼管の弱点である塩化物による応力腐食割れ（ＳＣＣ）が防止できるものである。

ここでは、フィン付き伝熱管の製造方法として高周波抵抗溶接を採用したが、本発明におけるフィン付き伝熱管の伝熱管とフィンのガルバニック効果は別の接合方法でも発揮されるので、本発明ではフィンの接合方法は特に規定しない。またフィンの形状についてもどのような形状でもガルバニック効果は発揮されるので特に規定しない。

本発明のフィン付き伝熱管は石炭焚きボイラ排ガス処理装置の熱交換器に利用できるが、前記石炭焚きボイラ排ガス処理装置に限らず冷暖房装置など、他の技術分野の熱交換器にも利用可能である。また本発明の排ガス加熱装置は耐食性に優れており、塩素濃度の高い（塩素濃度１００ｐｐｍ以上）ミスト仕様の石炭焚きボイラ排ガス処理装置に利用可能性があり、また他の技術分野でも応用できる。

本発明の実施の形態を示すフィン付きステンレス鋼管の側面図（図１（ａ））と図１（ａ）のＡ−Ａ線矢視図（図１（ｂ））である。本発明の実施の形態を示すＳＧＨ（スチームガスヒータ）あるいは再加熱側ＧＧＨ（ガスガスヒータ）の構造図である。石炭焚きボイラ排ガス処理システムのフローである。従来のＳＧＨ（スチームガスヒータ）あるいは再加熱側ＧＧＨ（ガスガスヒータ）の構造図である。

符号の説明

１ボイラ
２脱硝装置
３空気予熱器（ＡＨ）
４熱回収側ＧＧＨ（ガス／ガスヒータ）
５乾式電気集塵機
６脱硫装置（ＦＧＤ）
７スチームガスヒータ（ＳＧＨ）
８再加熱側ＧＧＨ
９煙突
１０フィン付き伝熱管
１２鋼管
１３フィン
１４フィン付き伝熱管

Claims

重量％でＣｒ量：１６〜２６％、Ｎｉ量：８〜１６％、Ｍｏ量：０〜６％を含むオーステナイト系ステンレス鋼から成る伝熱管の外面に、重量％でＣｒ量：１２〜２６％、Ｍｏ量：０〜３％を含むフェライト系ステンレス鋼から成るフィン材を取り付けたことを特徴とする耐食性を有するフィン付き伝熱管。
石炭焚きボイラから排出する排ガス流路に設けるスチームガスヒータあるいはガスガスヒータの伝熱管として、請求項１記載の耐食性を有するフィン付き伝熱管を用いたことを特徴とする排ガス加熱装置。