JP2011202256A

JP2011202256A - 中和処理容器用材料

Info

Publication number: JP2011202256A
Application number: JP2010072632A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Morimoto; 憲一森本; Wakahiro Harada; 和加大原田
Original assignee: Nisshin Steel Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Priority date: 2010-03-26
Filing date: 2010-03-26
Publication date: 2011-10-13

Abstract

【課題】
潜熱回収型給湯器などの、排ガスから生じたドレン水を中和して排水するために、中和処理を行うための中和処理容器の材料を提供する。
【解決手段】
排ガスから潜熱を回収する際に生成したドレン水を中和する中和処理容器用材料であって、１１〜２５質量％のＣｒを含有する含Ｃｒ鋼を基材とし、基材の表面に５〜６０ｇ／ｍ^２のＺｎを含有する被覆物が存在することを特徴とする中和処理容器用材料。
【選択図】なし

Description

本発明は、潜熱回収型給湯器などの、排ガスから生じたドレン水を中和して排水するために、中和処理を行うための中和処理容器の材料に関するものである。

京都議定書の発効により地球温暖化への関心も一段と高まり、環境汚染物質のみならず、温室効果ガスであるＣＯ₂の排出量削減への取組みも強く求められている。燃焼機器である以上、ＣＯ₂の排出は必須であり、排出量削減には効率の改善により同一熱出力に対する燃料消費量を低減させることが最も有効であるが、現状の効率をさらに高めるためには、燃焼により生じた水蒸気を凝縮させ、その潜熱も回収する必要がある。ガス給湯ならびに石油焚き給湯機器ともにそれらの潜熱を回収して二次熱交換に利用して給湯や暖房などに利用する給湯システムが増加している。

燃焼ガス中に含まれる硫黄酸化物や窒素酸化物が凝縮水に溶解して強酸性溶液となるため、潜熱回収器で生じる強酸性凝縮水は、ｐＨ＝３．０程度であり、そのままでは排水できない。水質汚濁防止法では、排水のｐＨ＝５．８〜８．６に規制されている。そのため、凝縮水を自動的に中和処理してから排水する装置が必要となる。このため、上述したような潜熱回収型給湯器には、中和剤として炭酸カルシウムや酸化マグネシウムを用いたドレン中和装置が備えられる。一般的に中和剤が充填された容器はドレン水や外気に対する耐食性が要求されるため、樹脂製のものが用いられる。
特許文献１には潜熱回収型給湯器等で発生する酸性の凝縮水に対して、中和能力を維持したままコンパクト化した装置が開示されている。

特開２００４−１７００１１号

しかしながら、ドレン水中和装置は中和剤で充填されたドレン水路に古いドレン水が溜まる構造であるため、新しいドレン水と古いドレン水との入れ替えがうまくいかず、古いドレン水に邪魔されて新しいドレン水が中和剤と接触しにくくなっていた。この結果、十分な中和能力を得るためのドレン水と中和剤との接触面積を確保するために、ドレン水路を長くしなければならず、装置が大型化してしまい、給湯器内での設置場所を確保することが大変であった。また、樹脂製の中和容器は強度不足を補うために容器を厚肉化する必要があるために装置が重量化してしまう。給湯機器はマンションなど集合住宅での使用も多くなったことから小型、軽量化が求められており、中和装置容器にもよりコンパクトにすることが望まれている。

しかし、前述の特許文献１のように中和処理槽の構造を複雑化することは製造性が低下し、製造コストの上昇を招くとともに充填する中和剤の量を激的に減らすことは困難であり、軽量化に対しては必ずしも充分ではない。中和処理槽の小型、軽量化のためには中和剤を減らすあるいは用いらずとも、中和機能を有するような中和処理装置が望まれる。

本発明は上述の課題を解決するために、中和処理容器を構成する材料にドレン水の中和能を付与する技術を検討した。さらに軽量化が図れるように肉厚が薄くて強度と耐食性を有する金属材料を調査、検討した。その結果、１１〜２５質量％Ｃｒを含むＣｒ含有鋼の表面にＺｎを含有する被覆層が存在する場合にドレン水に対して中和効果が発現し、特に５〜６０ｇ／ｍ^２のＺｎ被覆層中にＮｉ,Ｆｅ，Ｃｏ，ＡｌおよびＭｇの1以上を含有する場合にその効果が高くなることを見出した。

本発明の具体的な構成は、以下の通りである。
請求項１に記載の発明は、潜熱回収型給湯器などにおいて、排ガスから潜熱を回収する際に生成したドレン水を中和する中和処理容器用材料であって、１１〜２５質量％のＣｒを含有する含Ｃｒ鋼を基材とし、基材の表面に５〜６０ｇ／ｍ^２のＺｎを含有する被覆物が存在することを特徴とする中和処理容器用材料である。
請求項２に記載の発明は、表面のＺｎを含む被覆物がＮｉ，Ｆｅ，Ｃｏ，ＡｌおよびＭｇの１種以上を含有することを特徴とする、請求項１に記載の中和処理容器用材料である。

Ｚｎはドレン水などの低ｐＨ環境では容易に腐食する。Ｚｎをドレン水に接触させた場合に、Ｚｎの腐食にともないｐＨ＝３程度の水であればカソード反応で水の還元反応が起こり、水酸基が生成されるためにｐＨは上昇していく。さらに生成する腐食生成物中の水酸化亜鉛が解離することにより、ｐＨ緩衝作用を有する。Ｚｎ被覆層中にＮｉ，Ｆｅ，Ｃｏ，ＡｌおよびＭｇの１種以上が存在する場合には、それらの金属種の加水分解反応における下限界ｐＨが各金属種によって決まっており、ｐＨ＝３より高い限界ｐＨを示すことから、より中和反応に対しては有効にはたらく。またそれらの金属種と存在することにより腐食生成物の粘性が上がり、長期にわたって鋼板の表面に存在することができる。

煮沸結露試験条件ＣＣＴ条件中和能評価条件模擬凝縮水のｐＨ変化

本発明における中処理容器の材料に１１〜２５質量％Ｃｒを用いることにより、Ｚｎ被覆層が犠牲溶解してもドレン水に対して耐食性を有するために、内面から穴あき腐食に至ることはない。また熱交換器周辺は外気より海塩粒子が侵入するために海岸近辺で長期間にわたって使用されると塩害腐食環境が形成され、構造によっては各種部品との隙間部分が存在し、隙間腐食の懸念もある。しかし、Ｚｎ被覆層を有する１１〜２５質量％Ｃｒはこれらの塩害腐食に対しても極めて耐食性、耐隙間腐食性を有する。Ｚｎの腐食生成物の防食作用はＣｒ含有鋼の隙間腐食を抑制するのに極めて有効である。隙間腐食においては(1)隙間内外の酸素濃淡電池に起因し、(2)隙間内の腐食が進行することにより溶解したＣｒイオンが加水分解反応を起こす際ｐＨが低下し、隙間内はより厳しい腐食環境となり、(3)さらに電気的中性を保つために隙間外のＣｌ⁻が隙間内に侵入するため、Ｃｌ⁻濃度の濃縮が生じる。隙間内にＺｎめっき層が存在するとその犠牲溶解は基より腐食生成物に変わることにより、(2)の隙間内ｐＨ低下を腐食生成物の緩衝作用により抑制できる。その結果、(3)のＣｌ⁻濃縮も生じない。したがって、特にＣｌ⁻濃度が濃縮するような隙間環境では容易に腐食生成物が生成されるため、隙間構造でも有効に作用できる。

また金属材料であるために強度を有しており、薄肉化が可能であり、溶接による接合や絞り加工より容器を成型することが可能である。樹脂と比較するとリサイクルも容易であり、環境に優しい。少量の中和剤と併用することにより長期的に中和能を持続させることができる。

本発明では１１〜２５質量％のＣｒ含有鋼を中和処理槽の基材に用いる。Ｃｒは不動態皮膜の構成元素で耐孔食性、耐隙間腐食性および一般の耐食性を向上させる。またＺｎ被覆層の腐食によるＺｎの腐食生成物による防食作用はＣｒが１１質量％以上の場合に発現する。Ｃｒ含有量が多いほど容器の耐食性は向上するが、あまりＣｒを多くすると機械的性質や靱性を損ねステンレス鋼の製造コスト増に繋がる。したがって本発明ではＣｒの含有量を１１〜２５質量％とした。また、本発明におけるＣｒ含有鋼にはそのＣｒ含有量であれば材料は問わず、ＳＵＳ３０４やＳＵＳ３１６などのＪＩＳ規格に定められた種々のステンレス鋼も本発明に係る基材として適用可能である。溶接時の鋭敏化抑制のためにＴｉやＮｂなどの安定化元素を添加してもよい。

本発明におけるＺｎ被覆層の形成は電気めっき、溶融めっき、蒸着めっきのいずれの方法でもよい。Ｚｎ被覆層で中和機能ならびに耐食性を持たせるのに有効な被覆量は5g/m²以上である。被覆量が多いほど中和能ならびに耐食性には有利であるが、被覆層が厚いと溶接によりＺｎ脆化割れを起こし、強度の低下をもたらす。さらにコスト的にも不利になる。中和処理容器としての溶接加工性を得るためには、溶接によるＺｎの脆化割れを抑制するために、Ｚｎ被覆量を６０ｇ／ｍ^２以下にする必要がある。

Ｚｎ被覆層にはＮｉ，Ｆｅ，Ｃｏ，ＡｌおよびＭｇの１種以上が存在してもよい。その含有量はＺｎに対して比率が少なくてもよく、２０質量％以下の含有量が望ましい。前述のごとくそれらの金属種の存在によりＺｎ被覆層の耐食性が向上するとともに、それらの各種金属のもつ加水分解時の下限界ｐＨによりｐＨが下がりにくくなる。また腐食生成物に粘性をもたせる作用も有する。特にＮｉを含有する場合にその作用は顕著となる。Ｚｎ−Ｎｉ合金電気めっきの場合、Ｎｉ組成は５〜２０％でよく、それ以上の組成でも防食作用は認められるがＮｉは異常型共析を起こすために高組成での電気めっきは困難となる。

また本発明における中和処理容器用材料は容器以外にも容器内にドレン水の流路材としての利用も可能である。流路材に利用することによりＺｎ被覆層の表面積が増え、中和能力が向上する。また内部に従来用いている中和剤を少量充填することも可能である。

以下に、実施例をあげて本発明の作用効果を具体的に示す。
［実施例１］
表１に示す化学成分を有する鋼を実験室的に溶製し、熱間圧延にて板厚３．０ｍｍの熱延板を作製した。その後、板厚１．０ｍｍにまで冷間圧延し、９７５〜１０５０℃で仕上焼鈍を施し、酸洗した。鋼Ｎｏ．１〜５は本発明の中和処理層基材の成分である。熱処理時の鋭敏化を考慮してＴｉやＮｂなどの安定化元素を少量添加している。鋼Ｎｏ．４はＳＵＳ３０４、鋼Ｎｏ．５はＳＵＳ４３６Ｌである。鋼Ｎｏ．６は本発明の基材のＣｒ成分を外れるものであり、鋼Ｎｏ．７は普通鋼である。

これらの鋼を用いて電気めっき法と溶融めっき法によってＺｎ被覆層およびＮｉ，Ｆｅ，Ｃｏ，ＡｌおよびＭｇの１種以上を含有する合金層をもうけた。表２にサンプルの明細を示す。電気めっきは硫酸系のめっき浴を用い、６０℃で電流密度２０Ａ／ｄｍ²で実験室的に実施した。溶融めっきの場合には硫酸系のＦｅめっき浴を用いて２ｇ／ｍ²のプレめっきを施した後に還元式めっき炉で溶融めっきを実施した。比較としてＺｎ被覆層を有しないＣｒ含有鋼であるサンプルＨ、被覆層の付着量が本発明に満たないサンプルＩおよび本発明の被覆層とは異なる溶融Ａｌめっきを施したサンプルＪも準備した。

本サンプルを用いて、排ガスの凝縮水を模擬した試験液を用い、２０℃の試験液に１週間浸漬した後のｐＨを測定し中和能を評価した。試験液にはＳＯ₄ ^2-：２０ｐｐｍ、ＮＯ₃ ^-：１００ｐｐｍの水溶液を用いた。試験液の調整はいずれもアンモニウム塩で行った。初期ｐＨ＝３．０である。試験液量を１５０ｍｌとし、５０×１００ｍｍのサンプルを半浸漬した。

耐食性を評価するために、上述の模擬凝縮水を用いて煮沸結露試験ならびに塩乾湿複合サイクル試験（ＣＣＴ）を実施した。図１に煮沸結露試験条件を示す。煮沸結露試験では試験片を試験液に半浸漬状態で浸漬し、１３０℃の乾燥器内で７ｈ乾燥させ、その後３０℃、相対湿度８０％の湿潤状態で１７ｈ保持した。これを１０回繰返した。図２にＣＣＴ試験条件を示す。ＣＣＴは塩水噴霧、乾燥および湿潤の３ステップからなり、ステンレス鋼の赤さび発生に寄与しない塩水噴霧時間は短くしている。試験片は供試鋼から５０×１００ｍｍの短冊型試験片を切り出し、切断端面をシリコン樹脂でシールし７５°の角度で試験機に設置した。試験サイクルは２００サイクルとした。耐塩害性の評価として試験片に生じた孔食深さを調べた。

表３に各サンプルの中和能ならびに耐食性試験結果を示す。
本発明例Ａ〜Ｅにおいては模擬凝縮水に浸漬後１週間経過してもｐＨ＝６．５以上であり、中和能を有していた。さらに煮沸結露試験ならびにＣＣＴにおいても腐食による最大侵食深さは０．２ｍｍ以下であり、良好な耐食性を示しした。一方、比較例Ｆ，Ｇは表面にＺｎ被覆物が存在するためにｐＨの中和能を有していたが、煮沸結露試験あるいはＣＣＴにおいて最大侵食深さが０．２ｍｍを超えており、耐食性が充分でなかった。さらに比較例Ｈ〜Ｊは表面に本発明範囲内の付着量のＺｎ被覆層が存在しないために、模擬凝縮水に浸漬１週間経過してもｐＨに対する中和能を有しておらず、耐食性も充分でなかった。本発明により潜熱回収型給湯器などの排ガスから生じたドレン水を中和するための中和処理容器として用いることで、容器自体でドレン水の中和ができるとともに耐食性も有することがわかった。

［実施例２］
本発明における中和能を、中和剤を用いた場合と比較検討した。供試材には表２のサンプルＮｏ．Ａを用いた。試験方法を図3に示す。試験液には実施例１で用いた模擬凝縮水を用い、中和剤である炭酸カルシウムを１５０ｍｌの試験液に対して５ｇ、１８ｇ添加した試験液を比較に用いた。模擬凝縮水中に３５ｃｍ^２の面積のサンプルＮｏ．Ａを浸漬させ、２４ｈのｐＨ変化を調査した。図4に模擬凝縮水のｐＨ変化を示す。発明例であるサンプルＮｏ．Ａを模擬凝縮水中に浸漬した場合は２１時間後には模擬凝縮水のｐＨが７まで中和されており、一般的に用いられる炭酸カルシウムの中和速度と比較して早かった。本結果から本発明による材料は潜熱回収型給湯器などの排ガスから生じたドレン水を中和するための中和処理容器材料として、現状用いられている中和剤を用いることなく、早期にドレン水を中和できることがわかった。

以上に説明したように、本発明による材料を潜熱回収型給湯器などの排ガスから生じたドレン水を中和するための中和処理容器材料として用いることにより中和剤を省略し、容器自体の薄肉化による軽量化をはかることにより、二次熱交換器を用いたガス、石油焚き潜熱回収型給湯器の小型軽量化が可能となる。本中和処理容器材料は容器の外板以外にもドレン水の流路材料として用いることが可能であり、ドレン水と接触できる表面積が多いほどその中和能は高くなる。また、少量の中和剤と併用することにより中和能を上げることが可能となる。本中和処理容器用材料は潜熱回収型給湯器以外にも例えば自動車などの排ガスを利用する熱交換器のドレン水中和処理部品用としても使用可能である。

Claims

潜熱回収型給湯器などにおいて、排ガスから潜熱を回収する際に生成したドレン水を中和する中和処理容器用材料であって、１１〜２５質量％のＣｒを含有する含Ｃｒ鋼を基材とし、基材の表面に５〜６０ｇ／ｍ^２のＺｎを含有する被覆物が存在することを特徴とする中和処理容器用材料。
表面のＺｎを含む被覆物がＮｉ，Ｆｅ，Ｃｏ，ＡｌおよびＭｇの１種以上を含有することを特徴とする、請求項１に記載の中和処理容器用材料。