JP2019082283A - ボイラ伝熱管の耐食・耐磨耗用保護部材 - Google Patents

Abstract

【課題】長期間に亘って飛灰が付着しにくく、また付着しても容易に除去可能なボイラ伝熱管の耐食・耐磨耗用保護部材を提供する。【解決手段】Ｃｒ：１６．００％〜２０．００％、Ｎｉ：８．００％〜１６．００％を含有し、残部が実質的にＦｅ及び不可避的不純物よりなるステンレス鋼母材に対してクロム拡散処理を施した部材を用いる。ここで、前記ステンレス鋼母材は、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３０４Ｌ、ＳＵＳ３０４ＴＢ、ＳＵＳ３０４ＬＴＢ、ＳＵＳ３０４ＨＴＢ、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１６Ｌ、ＳＵＳ３１６ＴＢ、ＳＵＳ３１６ＬＴＢ、ＳＵＳ３１６ＨＴＢ、ＳＵＳ３１７、ＳＵＳ３１７Ｌ、ＳＵＳ３１７ＴＢ、ＳＵＳ３１７ＬＴＢ、ＳＵＳ３２１、ＳＵＳ３２１ＴＢ、ＳＵＳ３２１ＨＴＢ、ＳＵＳ３４７、ＳＵＳ３４７ＴＢ、ＳＵＳ３４７ＨＴＢのいずれかであることができる。更に、クロム拡散処理後、浸炭処理または窒化処理を施した部材を用いることができる。【選択図】図２

Description

本発明は、ボイラ伝熱管の耐食・耐磨耗用保護部材に係り、特に、廃棄物焼却炉のボイラに用いるのに好適な、長期間に亘って飛灰が付着しにくく、また付着しても容易に除去可能なボイラ伝熱管の耐食・耐磨耗用保護部材に関する。

火力発電、バイオマス発電、都市ごみを含む廃棄物焼却炉等のボイラでは、排ガスに飛灰が含まれていて、伝熱管表面に堆積付着した灰分をスートブロワなどから噴出される蒸気などにより除去する際に、灰分を巻き込んだ高速蒸気の噴射によって伝熱管に激しい磨耗損傷が生ずる。この磨耗損傷を防止するため、伝熱管にはプロテクタと呼ばれる保護部材が取り付けられるが、従来のプロテクタは、高温耐腐食性を有するＳＵＳ３１０Ｓ（２５Ｃｒ−２０Ｎｉ）など高クロムステンレス鋼材ａや、ニッケル基合金であるインコネル６２５の無垢材ｂ、インコネル６２５を肉盛溶接した材料ｃ、ニッケル基合金を溶射した材料ｄ、セラミックスを溶射した材料ｅで製作され、伝熱管表面に金具等を使用して取り付けられていた。例えば、特許文献１には、成形された多孔質金属板の外表面に耐食・耐磨耗性に優れたセラミックスを溶射し、多孔質金属板と溶射セラミックスの境界に多孔質金属板と溶射セラミックスの複合層を形成させた耐食・耐磨耗性プロテクタが提案されている。

プロテクタ１２は、図１に例示する如く、半割のパイプのような形をしており、それを伝熱管１０に対してＵ字状の取付け治具１４とボルト１６、ナット１８を用いて固定している。

特開２００１−２６２３１２号公報（図３）

しかしながら、高クロムステンレス鋼材ａは１〜２年で交換が必要であり、ニッケル基合金を溶射した材料ｄも２〜３年で交換が必要であった。又、インコネル６２５の無垢材ｂや肉盛溶接した材料ｃは非常に高価であった。

又、特許文献１に記載の材料ｅは、多孔質金属板にセラミックスを溶射しており、これも多孔質金属材料を製造するため材料が高く、且つ、エネルギー密度の高いプラズマ溶射を用いるため非常に高価であった。

更に、プロテクタ自体にも飛灰が付着、堆積すると、伝熱管同士の間隔を狭めてガスの流れが偏ったり、閉塞を起こすおそれがあった。

本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、長期間に亘って飛灰が付着しにくく、また付着しても容易に除去可能なボイラ伝熱管の耐食・耐磨耗用保護部材を提供することを課題とする。

図１に示した如く、パイプを半割にした形状のプロテクタ１２を表１に示す種々の材料で作成して伝熱管１０に装着し、廃棄物焼却炉ボイラ内に２年間設置して評価試験を行った。ＳＵＳ３１０Ｓ（材料１）は無垢材を使用し、クロム拡散処理材（材料２）、ニッケル基合金溶射材（材料３）は母材としてＳＵＳ３０４を使用した。材料３のニッケル基合金溶射材は、表面材としてＪＩＳ記号 ＭＳＦＮｉ−５を高速フレーム溶射（ＨＶＯＦ）で施工した。材料４のニッケル基合金肉盛溶接材は、母材として炭素鋼（ＢＳＴ−３４０）を使用し、表面材としてインコネル６２５を使用した。材料５のニッケル基合金無垢材はインコネル６２５を使用した。各材料１〜５の腐食速度及び灰付着量の定性的評価を表１に、灰付着量の経時変化を図２に示す。

材料１のＳＵＳ３１０Ｓは、耐食性が低くかつ腐食速度が大きくなり、２年で貫通穴が生じた。また、腐食や磨耗で経時的に表面の凹凸が大きくなり、灰付着量が多くなった。

材料２のクロム拡散処理材は、腐食速度が０．０５ｍｍ／ｙと低くかつ耐食性が高く、灰付着量は少なかった。

材料３のニッケル基合金溶射材は、耐食性が低く、灰付着量も多かった。

材料４のニッケル基合金肉盛溶接材は、耐食性は高いが、腐食速度が０．１５ｍｍ／ｙであり、表面の溶接ビードの間に灰が固着するため、灰付着量が多かった。

材料５のニッケル基合金無垢材は、耐食性が高く、灰付着量は少なかった。

材料２のクロム拡散処理材では、ステンレス鋼母材をクロム拡散処理することで母材表面にクロムを拡散浸透させ、クロム富化層が形成される。このクロム富化層が形成されることで高温における耐食・耐磨耗性が向上する。

従来、クロム拡散処理材は、この耐食・耐磨耗性を利用した用途に用いられていた。

発明者らは、クロム拡散処理材は、耐食性のある肉盛溶接材やニッケル基合金溶射材と比較して表面の凹凸が小さく、経時的な凹凸の増大も小さいため、飛灰を含むガス中でプロテクタとして使用すると飛灰が付着しにくく、たとえ付着しても容易に除去できる効果があることを見出した。

本発明は上記のような新たな知見に基いてなされたもので、Ｃｒ：１６．００％〜２０．００％、Ｎｉ：８．００％〜１６．００％を含有し、残部が実質的にＦｅ及び不可避的不純物よりなるステンレス鋼母材に対してクロム拡散処理を施した部材をボイラ伝熱管の耐食・耐磨耗用保護部材に用いることにより前記課題を解決したものである。

ここで、前記ステンレス鋼母材は、以下に記載する鋼種のいずれかであることができる。（ ）内に代表組成を示し、表２にＪＩＳに定める各鋼種のＣｒとＮｉの下限と上限組成を示す。

表２から、ＳＵＳ３０４（１８Ｃｒ−８Ｎｉ）、ＳＵＳ３０４Ｌ（１８Ｃｒ−９Ｎｉ−低Ｃ）、ＳＵＳ３０４ＴＢ（１８Ｃｒ−８Ｎｉ）、ＳＵＳ３０４ＬＴＢ（１８Ｃｒ−８Ｎｉ）、ＳＵＳ３０４ＨＴＢ（１８Ｃｒ−８Ｎｉ−高Ｃ）、ＳＵＳ３１６（１７Ｃｒ−１２Ｎｉ−２Ｍｏ）、ＳＵＳ３１６Ｌ（１７Ｃｒ−１２Ｎｉ−２Ｍｏ−低Ｃ）、ＳＵＳ３１６ＴＢ（１７Ｃｒ−１２Ｎｉ−２Ｍｏ）、ＳＵＳ３１６ＬＴＢ（１７Ｃｒ−１２Ｎｉ−２Ｍｏ−低Ｃ）、ＳＵＳ３１６ＨＴＢ（１７Ｃｒ−１２Ｎｉ−２Ｍｏ−高Ｃ）、ＳＵＳ３１７（１８Ｃｒ−１２Ｎｉ−３．５Ｍｏ）、ＳＵＳ３１７Ｌ（１８Ｃｒ−１２Ｎｉ−３．５Ｍｏ−低Ｃ）、ＳＵＳ３１７ＴＢ（１８Ｃｒ−１２Ｎｉ−３．５Ｍｏ）、ＳＵＳ３１７ＬＴＢ（１８Ｃｒ−１２Ｎｉ−３．５Ｍｏ−低Ｃ）、ＳＵＳ３２１（１８Ｃｒ−９Ｎｉ−Ｔｉ）、ＳＵＳ３２１ＴＢ（１８Ｃｒ−９Ｎｉ−Ｔｉ）、ＳＵＳ３２１ＨＴＢ（１８Ｃｒ−９Ｎｉ−Ｔｉ−高Ｃ）、ＳＵＳ３４７（１８Ｃｒ−９Ｎｉ−Ｎｂ）、ＳＵＳ３４７ＴＢ（１８Ｃｒ−９Ｎｉ−Ｎｂ）、ＳＵＳ３４７ＨＴＢ（１８Ｃｒ−９Ｎｉ−Ｎｂ−高Ｃ）のいずれかであることができる。

又、クロム拡散処理後、浸炭処理または窒化処理を施した部材を用いることができる。

又、パイプを半割にした形状とし、ボイラ伝熱管の噴出蒸気側を覆うように設置して使用することができる。

本発明によれば、保護部材の表面にクロム富化された緻密な層ができ、耐食性が高く、表面の凹凸が小さく、経時的な凹凸の増大も小さいため、長期間に亘って耐食性が高く、飛灰が付着しにくく、また付着しても容易に除去可能となる。

又、安価なステンレス鋼母材に対してクロム拡散処理を施した部材を用いるため、安価で耐食・耐磨耗性に優れた保護部材を提供することができる。

本発明の部材に、更に、浸炭処理や窒化処理を施すことで、表面の硬度が高くなり、スートブロワなどによる灰分を巻き込んだ高速蒸気の噴射に対する耐磨耗性が一層高くなる。

保護部材を伝熱管に取り付けた状態を示す正面図及び断面図 本発明の効果を示す図 本発明が取り付けられる廃棄物焼却炉とボイラの例を示す断面図 スートブロワと伝熱管の関係を示す正面図及び断面図

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施形態及び実施例に記載した内容により限定されるものではない。又、以下に記載した実施形態及び実施例における構成要件には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。更に、以下に記載した実施形態及び実施例で開示した構成要素は適宜組み合わせてもよいし、適宜選択して用いてもよい。

本発明の適用対象の一つである廃棄物焼却炉とボイラの一例の全体構成を図３に示す。図３において、ホッパ３０に投入された廃棄物２０は、焼却炉４０に送られ、焼却炉４０内の燃焼室４２で３段階の焼却処理を経て灰となり、灰は灰コンベアを介して灰シュート５０から灰ピット（図示省略）へ放出される。

焼却処理では、乾燥工程、燃焼工程、後燃焼工程の３段階の処理が行われる。

まず、乾燥工程において、ホッパ３０に投入された廃棄物２０が給塵装置により乾燥ストーカ４４に運ばれ、ストーカ下からの空気と炉内の輻射熱により乾燥されるとともに、昇温されて着火する。

着火して燃焼を開始した廃棄物２０は、次の工程である燃焼工程において燃焼ストーカ４６に送られ、ストーカ下から送られる燃焼用空気により熱分解されてガス化され、ガス化されたガスと廃棄物の可燃固形分が燃焼される。

そして、後燃焼工程において、燃焼工程における未燃分が後燃焼ストーカ４８に送られ、完全に燃焼される。

更に、燃焼工程と後燃焼工程において廃棄物２０が焼却され、燃焼室４２内のガスは２次燃焼領域５１に送られ、未燃分が完全に燃焼される。

２次燃焼が行われた後の排ガスはボイラ６０の放射伝熱室６１へ送られる。放射伝熱室６１の壁内部には水管が配設されており、水との熱交換によって排ガスの廃熱を回収して蒸気を発生させている。

そして、放射伝熱室６１から排ガスはボイラ６０の対流伝熱室６２に送られ、そこに配置されている蒸発器６６、過熱器（スーパーヒータ）６８、節炭器（エコノマイザ）７０などにより排ガスの廃熱を回収した後に、減温塔７２、ろ過式集塵器（バグフィルタ）７４などの排ガス処理装置を経由して、浄化されてから煙突７６を介して大気中に放出される。なお、図３において、６３はボイラドラムである。

又、蒸発器６６内の水平蒸発管（接触伝熱管）は、節炭器７０により加温された水を加熱して、蒸気を発生させる。

過熱器６８は、発生した蒸気を飽和温度以上に加熱して、過熱蒸気を発生させ、過熱蒸気が蒸気タービン（図示省略）に送られ、発電に用いられる。

節炭器７０は、排ガスの余熱を利用して、蒸発器への給水や燃焼室４２に送る空気を余熱する。

ところで、本発明に係るプロテクタ１２は、前記蒸発器６６、過熱器６８、節炭器７０などの内部に配設される伝熱管１０に装着される。このプロテクタ１２は、図１に示した従来例と同様に、パイプを半割にした形状とされ、ボイラ伝熱管１０を覆うようにして設置される。

本実施形態におけるスートブロワ８０との位置関係を図４に示す。本発明に係るプロテクタ１２は、例えば図１と同様な取付け治具１４、ボルト１６、ナット１８を用いて、スートブロワ８０から噴出される蒸気８２が当たる側に装着される。また、プロテクタ１２の噴出蒸気側の表面には、クロム拡散処理が施されていて、耐食・耐磨耗性に優れた性状を有している。このようにして本発明に係るプロテクタ１２を装着することにより、ボイラ伝熱管１０を保護することができる。

なお、プロテクタ１２の伝熱管１０への取付方法は、図１の方法に限定されない。

本発明は、発生する飛灰が腐食物質を多く含む廃棄物焼却炉に好適であるが、本発明の適用対象はこれに限定されず、火力発電、バイオマス発電等のボイラ一般に同様に適用できる。

１０…伝熱管
１２…プロテクタ
２０…廃棄物
３０…ホッパ
４０…焼却炉
４２…燃焼室
６０…ボイラ
６１…放射伝熱室
６２…対流伝熱室
６６…蒸発器
６８…過熱器
７０…節炭器
７２…減温塔
７４…ろ過式集塵器
７６…煙突
８０…スートブロワ
８２…蒸気

Claims (4)

1. Ｃｒ：１６．００％〜２０．００％、Ｎｉ：８．００％〜１６．００％を含有し、残部が実質的にＦｅ及び不可避的不純物よりなるステンレス鋼母材に対してクロム拡散処理を施した部材を用いることを特徴とするボイラ伝熱管の耐食・耐磨耗用保護部材。
2. 前記ステンレス鋼母材が、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３０４Ｌ、ＳＵＳ３０４ＴＢ、ＳＵＳ３０４ＬＴＢ、ＳＵＳ３０４ＨＴＢ、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１６Ｌ、ＳＵＳ３１６ＴＢ、ＳＵＳ３１６ＬＴＢ、ＳＵＳ３１６ＨＴＢ、ＳＵＳ３１７、ＳＵＳ３１７Ｌ、ＳＵＳ３１７ＴＢ、ＳＵＳ３１７ＬＴＢ、ＳＵＳ３２１、ＳＵＳ３２１ＴＢ、ＳＵＳ３２１ＨＴＢ、ＳＵＳ３４７、ＳＵＳ３４７ＴＢ、ＳＵＳ３４７ＨＴＢのいずれかであることを特徴とする請求項１に記載のボイラ伝熱管の耐食・耐磨耗用保護部材。
3. クロム拡散処理後、浸炭処理または窒化処理を施した部材を用いることを特徴とする請求項１又は２に記載のボイラ伝熱管の耐食・耐磨耗用保護部材。
4. パイプを半割にした形状とし、ボイラ伝熱管の噴出蒸気側を覆うように設置して使用することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のボイラ伝熱管の耐食・耐磨耗用保護部材。

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