JP3674401B2

JP3674401B2 - 熱交換用伝熱管

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Publication number: JP3674401B2
Application number: JP22859099A
Authority: JP
Inventors: 隆能登; 浩明西尾
Original assignee: JFE Engineering Corp
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1999-08-12
Filing date: 1999-08-12
Publication date: 2005-07-20
Anticipated expiration: 2019-08-12
Also published as: JP2001056197A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、都市ごみ、石炭、下水処理、製紙スラッジ、その他産業廃棄物の高温燃焼排ガスから、蒸気や空気等の流体を介して熱エネルギを回収し発電を行う熱回収・利用システムにおける熱交換用電熱管に関する。
【０００２】
【従来の技術】
都市ごみや産業廃棄物を焼却した時に発生する排ガスは、塩化水素ガスやナトリウム、カリウム等を含むＮａＣｌ，ＫＣｌやＮａ₂ＳＯ₄他の塩基性塩を含んでいる。塩化水素や塩基性塩の腐食性は、その温度が高温になればなるほど大きくなる。そのため、都市ごみや産業廃棄物の燃焼排ガスから熱回収を行う廃熱ボイラにおいて、その熱交換チューブ内を流れる蒸気は、塩化水素や塩基性塩による腐食損傷の被害を少なく抑えるために、一般に、３００℃以下に抑えられている。
【０００３】
そこで、この腐食環境から、より高温の熱エネルギを回収するため、特開平１０−２７４４０１号公報に開示されているように、耐熱金属からなるボイラチューブの外表面を、溶射法、物理的蒸着法または化学的蒸着法によるセラミックス皮膜で被覆して、熱交換チューブの耐高温腐食性を向上させた方法が考え出された。ボイラチューブは、金属を基体とするため、熱交換用チューブに必要な靭性を有し、そして、その表面に、一般に高温強度に優れ塩類との濡れ性も低くて卓抜した高温腐食性能を示すセラミックスを用いて、高温排ガス中における高度の腐食抵抗性を確保した。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のような従来の熱交換チューブでは、セラミックスと金属が溶射法や蒸着法により接着されているため、長時間、高温腐食雰囲気下に曝されると、セラミックスと金属の熱膨張率差の影響により、セラミックスが金属表面から剥離しやすくなる。そして、セラミックスが剥がれたところの金属部が腐食し始める。そのため、この方法は、熱交換チューブの腐食を確実に防止する方法としては不十分であるという問題があった。
【０００５】
そこで、本発明は、熱伝導率を低下させることなく熱膨張差によるセラミックスと金属の剥離問題を解決するためになされたものであり、高温腐食雰囲気下に長時間曝しても、金属面が腐食することなく、従来のものよりも高温の熱回収ができる熱交換用伝熱管を得ることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る熱交換用伝熱管は、高温ガス雰囲気中に設けられ前記高温ガスから伝熱管内の被加熱流体に熱交換をする熱交換用伝熱管において、被加熱流体が流れる管は耐熱合金からなり、該耐熱合金管の外側を熱膨張緩衝材を介してセラミックス合金複合材料からなるカバー材で覆い、前記熱膨張緩衝材は、前記セラミックス合金複合材料製のカバー材および／または前記耐熱合金管に対し非接着構造で、前記耐熱合金管と前記熱膨張緩衝材の少なくとも一部が接触し、さらに、前記熱膨張緩衝材と前記セラミックス合金複合材料製カバー材の少なくとも一部が接触する三層構造からなり、前記カバー材を構成するセラミックス合金複合材料はＡｌとＡｌＮを含み、ＡｌＮを１ wt ％以上９０ wt ％以下、（Ａ１＋ＡｌＮ＋ＡｌＯＮ）の合計割合が５０ wt ％以上１００ wt ％以下であることを特徴としている（請求項１）。
【０００７】
このように構成することにより、耐熱合金管とセラミックス合金複合材料製のカバー材は、高温雰囲気場に曝され、それぞれが管軸方向に熱膨張しても接着されていないため、耐熱合金管とセラミックス合金複合材料製のカバー材が相互の剪断力によって損傷することがない。また、耐熱合金管が半径方向に膨張しても、中間層の熱膨張緩衝材によって半径方向への伸びは吸収され、セラミックス合金複合材料製のカバー材が損傷することがない。さらに、熱膨張緩衝材とセラミックス合金複合材料製カバー材、あるいは、熱膨張緩衝材と耐熱合金管は接触していても接着していない構造となっているため、繰り返しあるいは長時間の熱膨張変形に関わる熱衝撃に強い構造となっている。よって、この三層構造によって、セラミックス合金複合材料製カバー材の外側に存在する高温流体の熱エネルギを、耐熱合金管の内部を流れる被加熱流体に、長時間安定して伝熱することができる。
【０００８】
熱伝達率に関して、本発明の構造は、耐熱合金管と熱膨張緩衝材の少なくとも一部が接触し、さらに、熱膨張緩衝材とセラミックス合金複合材料製カバー材の少なくとも一部が接触する三層構造からなっているため、セラミックス合金複合材料製カバー材と耐熱合金管の間の熱伝導率が低下することを防ぐ。セラミックス合金複合材料製カバー材の内表面のほぼ全面、および、耐熱合金管の外表面のほぼ全面が中間層となる熱膨張緩衝材に接触することになれば、熱伝導率向上の点でより好ましい。もし、熱膨張緩衝材が無く、セラミックス合金複合材料製カバー材と耐熱合金管が接触することなく完全に離れていれば、すなわち間隙を有していれば、そこに気体の断熱層が形成され熱伝導率が急激に低下するので好ましくない。
【０００９】
ここで、被加熱流体が流れる管体の材質である耐熱合金とは、例えば、ボイラ用炭素鋼・合金鋼、またはステンレス鋼、耐熱鋼、Ｎｉ系／Ｃｏ系耐熱合金（インコネル、ハステロイ、ステライト等）などであり、このほか高融点金属であるクロム等も好適である。さらにまた、カバー材を構成するセラミック合金複合材料とは、酸化物、炭化物、窒化物、硼化物、珪化物、炭素等、およびそれらの混在物と、広範囲の選択が可能である。例としてあげれば、酸化物としてＡｌ₂Ｏ₃やサイアロン（ＳｉＡｌＮＯ）、炭化物としてＳｉＣやＢ₄Ｃ，窒化物としてＡｌＮ，Ｓｉ₃Ｎ₄，硼化物としてＴｉＢ₂，珪化物としてＭｏＳｉ等が適当である。
【００１０】
また、本発明における前記熱膨張緩衝材は、硼素もしくは炭素またはアルミニウムを主成分とする繊維、粉体、フィルム、テープ等の材料を使用して、前記耐熱合金管の外表面または前記セラミックス合金複合材料製カバー材の内表面に形成された、空隙を有する熱膨張吸収層からなることを特徴としている（請求項２）。
【００１１】
この構成により、耐熱合金管の管軸方向および半径方向の熱膨張に対して、吸収層の空隙の容積率が変化するため、熱膨張緩衝材が耐熱合金管とセラミックス合金複合材料製カバー材の熱膨張差を吸収することになり、熱衝撃によるセラミックス合金複合材料製カバー材の損傷を防ぐことができる。空隙を有する熱膨張吸収層は、耐熱合金管の外表面またはセラミックス合金複合材料製カバー材の内表面のいずれか一方側に形成されればよい。このような熱膨張吸収層は、硼素もしくは炭素またはアルミニウムを主成分とする繊維、粉体、フィルム、テープ等の材料を使用することによって形成することができる。
【００１２】
また、本発明における前記カバー材を構成するセラミックス合金複合材料はＡｌとＡｌＮを含み、ＡｌＮを１wt％以上９０wt％以下、（Ａｌ＋ＡｌＮ＋ＡｌＯＮ）の合計割合が５０wt％以上１００wt％以下であることを特徴としている（請求項１）。
【００１３】
窒化アルミニウムであるＡｌＮは、セラミックス材料の中でも、空気酸化に対する耐食性、溶鋼等の各種溶融金属に対する耐食性に優れた材料で、不活性雰囲気では、高炉スラグ等の各種溶融スラグに対する耐食性にも優れている。また、硬度が比較的高いので耐摩耗性にも優れ、さらに、極めて高い熱伝導度、低い熱膨張率、比較的低い弾性率を有するので熱衝撃に比較的強い特徴も持っている。このように、ＡｌＮは優れた耐食性と耐摩耗性、比較的優れた耐熱衝撃性を併せ持つ材料である。
【００１４】
ＡｌＮと共に、金属アルミニウムであるＡｌも、熱伝導の極めてよい物質であり、熱衝撃の緩和に有利な金属であり、伝熱管の構成因子としては適している。セラミックス合金複合材料製カバー材の製造過程で、Ａｌの多くは雰囲気のＮ₂と反応してＡｌＮに変わり、ＡｌＮ中に未反応のＡｌが分散した構成になり、ＡｌＮが粒子間の結合力を強化する。
【００１５】
この構成により、焼結体は熱衝撃を受けても、ＡｌＮが形状変形を防ぎ、ＡｌＮに囲まれたＡｌが熱衝撃を緩和する機能を持つ。そのため、この機能を維持するためには、ＡｌＮを少なくとも１wt％以上含有しなければならない。ＡｌＮの含有量が、１wt％未満では粒子間の結合力が小さくて不十分となり、また９０wt％を超えるとセラミックス合金複合材料の特性がセラミックスに近づき、脆くなるため好ましくない。したがって、ＡｌＮの含有重量割合は１wt％以上９０wt％以下とする。
【００１６】
また、前記セラミックス合金複合材料には、ＡｌやＡｌＯＮがＡｌＮ中に分散している。（Ａｌ＋ＡｌＮ＋ＡｌＯＮ）の含有重量割合が、５０wt％以上１００wt％以下であれば、前記セラミックス合金複合材料製カバー材は熱変形特性を有しながら、高い熱衝撃性を維持することができる。また、アルミニウムを含む窒化物は、高温排ガス中に含まれている酸化物のダストに対する濡れ性が悪いので、相当量の濃度が含有されていればセラミックス合金複合材料製カバー材にダストが付き難くなるという特性を持っている。したがって、（Ａｌ＋ＡｌＮ＋ＡｌＯＮ）の含有重量割合が、５０wt％以上有れば、そのダスト付着させない特性が有効に発揮することができる。また、本伝熱管の製造においてＡｌＯＮを無くし、ＡｌとＡｌＮだけでその重量割合が５０wt％以上１００wt％以下であってもかまわない。
【００１７】
なお、ここで、ＡｌＯＮとはＡｌ，Ｏ，Ｎの固液体の総称で、例としては、Ａｌ₁₁Ｏ₁₅Ｎ，ＡｌＯＮ，Ａｌ₁₉₈Ｏ₂₈₈Ｎ₄，Ａｌ₂₇Ｏ₃₉Ｎ，Ａｌ₁₀Ｎ₈Ｏ₃，Ａｌ₉Ｏ₃Ｎ₇，ＳｉＡｌ₇Ｏ₂Ｎ₇，Ｓｉ₃Ａｌ₃Ｏ_4.5Ｎ₅が挙げられる。
【００１８】
また、本発明においては、前記耐熱合金管の外表面に硼素あるいは炭素を含む化合物からなる離型剤を塗布することを特徴としている（請求項３）。
【００１９】
離型剤を塗布することにより、耐熱合金管とセラミックス合金複合材料製カバー材間のすべりを良くし、両部材の熱膨張差による伸びがより滑らかになる。
【００２０】
さらにまた、本発明においては、前記セラミックス合金複合材料の気孔率が２％以上６０％以下であることを特徴としている（請求項４）。
【００２１】
セラミックス合金複合材料製カバー材の製造において、気孔率を２％未満にするためには、その製造過程において高温高圧雰囲気が必要になり、その製造コストが急激に上昇する。セラミックス合金複合材料中の気孔は、単純な円孔ではなくいびつな形をしている。そのサイズは、線間距離でサブミクロン以下のオーダーから中には数百ミクロンオーダーまである。
このような気孔を持つセラミックス合金複合材料において、気孔率が６０％より大きいと塩基性塩を含むダストがセラミックス合金複合材料の中に浸透しやすくなり、耐熱合金管にまでその腐食影響が及ぶ。したがって、気孔率の下限は２％、上限は６０％が好ましい。
【００２２】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施の形態に係る熱交換用伝熱管の断面を示す（一部拡大断面図を併記してある）。耐熱合金からなる管体１の外側を熱膨張緩衝材２を介してセラミックス合金複合材料からなるカバー材３で覆い、これら３つの部材１、２、３で三層構造とするとともに、熱膨張緩衝材２はセラミックス合金複合材料製のカバー材３および／または耐熱合金管１に対して非接着構造とするものである。
【００２３】
セラミックス合金複合材料からなるカバー材３の外表面外側を高温ガスが流れ、耐熱合金管１の内部を被加熱流体が通る。高温ガスの温度は４００℃〜１２００℃で、ガス雰囲気条件によって、カバー材３を構成するセラミックス合金複合材料が選択される。
【００２４】
高温排ガス中には、ＨＣｌおよび／またはＳＯｘが含まれている。排ガス処理ラインに排ガス温度３００℃以上の高温集塵装置が設置されているとき、除塵後の高温排ガスにも本発明の熱交換用伝熱管を用いることができる。本発明の熱交換用伝熱管内を流れる被加熱流体は、空気、水蒸気、ＣＯ₂を２〜２５vol％（湿ベース）含む燃焼排ガスを表し、本発明により、空気と前記燃焼排ガスは最高８００℃、水蒸気は約５５０℃まで加熱することができる。また、被加熱流体は最高１００ataまで加圧できることを確認した。耐熱合金管１の肉厚は３〜１０mm，熱膨張緩衝材２の厚みは０．１〜８mmが好ましく、またセラミックス合金複合材料製カバー材３の厚みは、３〜２０mmが好ましい。耐熱合金管１、熱膨張緩衝材２、セラミックス合金複合材料製カバー材３の厚みをそれぞれ上限値より大きくすると、熱交換器として実用上設計意義のある熱伝達率を得られなくなる。また、それぞれの下限値より小さくすると、伝熱管として熱衝撃に耐えられなくなり、破損しやすくなる。
【００２５】
セラミックス合金複合材料製カバー材３は、図１に示すように、熱膨張緩衝材２に包まれた耐熱合金管１の外側を覆い、セラミックス合金複合材料製カバー材３と耐熱合金管１の間には熱膨張緩衝材２が介在した構造となっている。本発明の熱交換用伝熱管は、耐熱合金管１の外表面にセラミックスや耐食性合金を溶射や蒸着ほかの方法によって接着する方法は用いず、セラミックス合金複合材料製カバー材３をスリーブのように覆った形状を有しているので、高温に曝され耐熱合金管１が管軸方向および半径方向に膨張しても、熱膨張緩衝材２によってそれらが吸収され、セラミックス合金複合材料製カバー材３を損傷させることがない構造となっている。
なお、セラミックス合金複合材料製カバー材３および耐熱合金管１は、真円の必要はなく、偏心した円、楕円、角型、またはいびつな形状でも構わない。また、耐熱合金管１とセラミックス合金複合材料製カバー材３が、同心円である必要もない。さらに、耐熱合金管１の外側の表面粗さは、粗くても滑らかでも構わない。
【００２６】
耐熱合金管１の外表面と熱膨張緩衝材２の内表面、および、セラミックス合金複合材料製カバー材３の内表面と熱膨張緩衝材２の外表面は、接触面積が多いほど、外部を流れる高温排ガスから耐熱合金管１内の被加熱流体への熱伝達は大きくなる。
【００２７】
熱膨張緩衝材２には、硼素もしくは炭素またはアルミニウムを主成分とする材料を用いる。これらの材料を用いて、耐熱合金管１の外表面、あるいは、セラミックス合金複合材料製カバー材３の内表面に、空隙を有する熱膨張吸収層を形成する。この熱膨張吸収層を形成する材料としては、例えば炭素繊維や硼素、炭素を含むフィルム、あるいはアルミ箔などがよい。また、他に、プラスチックの微粉を耐熱合金管１に散布するか、あるいは炭素を含むテープの類を耐熱合金管１に巻きつけ、本発明の伝熱管を製造する熱工程でそれらの成分から低沸点媒体を揮発させ、炭素主体の材料を熱膨張緩衝材としても機能的には構わない。熱膨張緩衝材２は、耐熱合金管１とセラミックス合金複合材料製カバー材３の間の熱膨張差を吸収するために用いるので、熱膨張緩衝材２には空隙があり、その容積率が変化することによってこの機能を果たす。
【００２８】
セラミックス合金複合材料の中で、アルミニウム元素を主体とするＡＩＮ＋Ａｌ＋ＡｌＯＮから構成される材料は、性能面において本発明の伝熱管に最も好ましい。なぜなら、本発明では、セラミックス合金複合材料に、セラミックス特性の高温耐腐食性と合金特性の延性を望んでいるが、この点において、アルミニウム元素は他のセラミックス合金複合材料を成す主元素に比べ、延性の点で最適である。また、耐熱合金とセラミックス合金複合材料の接触面も、延性の優れたアルミニウム系セラミックス合金複合材料を使うことにより、膨張伸縮時に破損する割合が他のセラミックス合金複合材料より少なくなるというメリットを持っている。
【００２９】
このアルミニウム元素を主体とするセラミックス合金複合材料は、例えば、低純度Ａｌ源粉末と高純度Ａｌ源粉末との混合粉末とを加圧成形し、この成形体を焼結することによって得られる。低純度Ａｌ源粉末は、例えば、金属ＡｌまたはＡｌ合金粉未で、Ｓｉ、Ｍｇ等の合金元素を含むこともある。高純度Ａｌ源粉末は、例えば、Ａｌを９０wt％以上含む。これらの混合粉末を成形して得られた充填体を窒素雰囲気中で加熱する。粉末中のＡｌが溶融し（純粋のＡｌの融点は６６０℃であるが、Ａｌ−Ｍｇ合金は最大４５０℃まで融点が降下し、Ａｌ−Ｓｉ合金では最大５７７℃まで融点が降下する）、６８０℃に達すると、ある量のＡｌは、雰囲気のＮ₂と反応してＡＩＮに変わり、ＡＩＮ中に少量の未反応のＡｌが分散した構成となる。セラミックス特性を有するＡｌＮがＡｌの回りに皮膜を作るので、製品化されたＡＩＮ＋Ａｌ＋ＡｌＯＮのセラミックス合金複合材料製カバー材３は、Ａｌの融点以上の高温に曝されても溶けてその形状を崩すことはない。また、成形時および加熱時の温度や圧力の設定により窒化の度合いを制御することができるので、高温排ガスと回収熱量の条件に応じて、セラミックス特性を強くするＡＩＮ濃度を調整することができる。もし、ＡＩＮあるいはＡｌの濃度を成形、加熱時に設定値にすることができなければ、ＡＩＮあるいはＡｌをセラミックス合金複合材料と耐熱合金の間に供給しても良い。
【００３０】
アルミニウム元素を主体とするセラミックス合金複合材料には、ＡｌＮ、Ａｌ以外にも耐熱性のよい物質であれば配合されてもよい。すなわち、ＴｉＯ₂，ＺｒＯ₂，Ｃｒ₂Ｏ₃，Ａｌ₂Ｏ₃，ＳｉＯ₂，Ｙ₂Ｏ₃，ＣｅＯ₂，Ｓｃ₂Ｏ₃の中から選択された１種または複数の酸化物、そしてまた、これらの酸化物中の少なくとも一つを含む複合酸化物が入ってもよい。また、ＢＮ，ＭｇＢ₂，ＣａＢ₆，ＴｉＢ₂，ＺｒＢ₂，ＡｌＢ₂の中から選択された１種または複数のホウ化物が入ってもよい。また、Ｂ₄Ｃ，ＴｉＣ，ＺｒＣ，Ｃｒ₃Ｃ₂，Ａｌ₄Ｃ₃，ＳｉＣの中から選択された１種または複数の炭化物が入ってもよい。また、ＴｉＮ，ＺｒＮ，Ｃｒ₂Ｎ，Ｓｉ₃Ｎ₄の中から選択された１種または複数の窒化物が入ってもよい。Ｓｉ₂Ｎ₂Ｏに代表される酸窒化物が入ってもよい。組成について、この発明ではいかなる組成であってもよい。また、ＡｌＯＮのＡｌの一部がＳｉで置換されてもよい。ただし、Ｓｉ／Ａｌのモル比で１．０以下であることが耐食性の観点から好ましい。
【００３１】
高温に曝されたとき、耐熱合金管１の外表面とセラミックス合金複合材料製カバー材３の内表面の相互のすべりを良くするために、耐熱合金管１の外表面に、ＢＮあるいはＢ₄Ｃ等の硼素あるいは炭素を含む化合物を塗布する。これは、セラミックス系材料と金属の接着をより効果的に防ぎ、それぞれのすべりを良好にする離型剤として機能する。塗布する厚みは、１〜６０ミクロンが好ましい。
【００３２】
高温排ガス中には、腐食性物質として、ＨＣｌやＳＯｘのガス体とＮａＣｌやＫＣ１等の塩基性塩からなる凝縮体がある。この凝縮体は、小さいものでサブミクロンオーダー、大きいもので凝集体を形成する２０ミクロン程度の大きさを持つ。本発明の熱交換用伝熱管を低コストに抑えるためには、セラミックス合金複合材料の気孔率を２％以上にすることが有効であるが、気孔率を大きくしすぎると、前記腐食性凝縮体がセラミックス合金複合材料の中に侵食し易くなり、経験的に６０％より気孔率を大きくすると、本発明の効果を発揮することができないことが分かった。
【００３３】
本発明による熱交換用伝熱管の側面形状およびその断面を、図２に示す。高温ガスが流れる雰囲気に熱交換用伝熱管はセットされ、被加熱流体は、耐熱合金管１の内部を一方端から入り他方端へ抜ける構造になっている。基本的には、高温ガスに曝される耐熱合金管１の外周は、熱膨張緩衝材２を介してセラミックス合金複合材料製カバー材３によって覆われている。熱膨張緩衝材２がセラミックス合金複合材料製カバー材３および／または耐熱合金管１に対して非接着構造となっていることは前述したとおりである。
【００３４】
被加熱流体の管内流速は、これまでの廃棄物燃焼や石炭燃焼のボイラに準じるが、目的によっては、その流速を低速側や高速側に変化させることもある。熱交換用伝熱管の被加熱流体が流れる耐熱合金管１の管径は、被加熱流体が流れればいくらでもよいが、その中でも、排ガス中に管全周を曝すときは１５Ａから４０Ａにすることが製作上好ましい。熱交換用伝熱管の長さは、１ｍから６ｍが好ましい。熱交換用伝熱管が長くなると耐熱合金管１のたわみ量が大きくなり、カバー材３のセラミックス合金複合材料の割れが心配されるが、この場合、セラミックス合金禎合材料製カバー材３を外側から支える支柱を設け、耐熱合金管１のたわみ量を小さくすれば問題は解決される。また、図２からわかるように、短い伝熱管のセラミックス合金複合材料に覆われていない耐熱合金管１の両端を溶接で継ぎ足すことによって、長い伝熱管を作ることができる。
【００３５】
また、本発明から得られる熱交換用伝熱管の別の構成例を図３、図４に示す。図３は、熱交換伝熱管の一端都を閉じ、被加熱流体を耐熱合金管１内に設けられた耐熱チューブ４を通じて流し、耐熱チューブ４と耐熱合金管１の間隙内を被加熱流体が折り返し流れるようにして加熱する構造で、被加熱流体に熱を与える高温ガスに曝される部分はすべてセラミックス合金複合材料製のカバー材３によって覆われている。この形式の場合、熱交換用伝熱管の外径は、φ３０〜２００mmが好ましい。
【００３６】
図４は、被加熱流体が流れる耐熱合金管１をＵ字状に形成し、その曲がり部を含む外側部分をセラミックス合金複合材料製のカバー材３で覆った熱交換用伝熱管である。Ｕ字状の曲がり部は、直管形状の熱交換用伝熱管に比べ、耐熱合金とセラミックス合金複合材料の熱膨張変形が複雑なため、より多くの空隙５が必要になる。
【００３７】
【実施例】
（１）都市ゴミや産業廃棄物を処理するゴミ焼却パイロットプラントにおいて、焼却炉を出た約９５０℃から約６５０℃の高温排ガス中に、以下の数種類の熱交換用伝熱管を挿入した。
▲１▼耐熱合金管：ＳＵＳ３０４−１５Ａ
熱膨張緩衝材：Ａｌ箔の成分を主体とする層、厚み１〜２mm
セラミックス合金複合材料製カバー材：Ａｌ＋ＡｌＮ＋ＡｌＯＮ−９０wt％以上、肉厚−４〜１０mm、気孔率４０％
▲２▼耐熱合金管：ＳＵＳ３０４−２０Ａ
熱膨張緩衝材：炭素繊維相当、厚み０．２〜２mm
セラミックス合金複合材料製カバー材：Ａｌ＋ＡｌＮ＋ＡｌＯＮ−９０wt％以上、肉厚−３〜８mm、気孔率２０％
▲３▼耐熱合金管：ＳＵＳ３０４−２０Ａ、外表面一ＢＮコート
熱膨張緩衝材：炭素繊維相当、厚み０．２〜２mm
セラミックス合金複合材料製カバー材：Ａｌ十ＡｌＮ＋ＡｌＯＮ−９０wt％以上、肉厚−３〜８mm、気孔率２０％
▲４▼耐熱合金管：ＳＵＳ３０４−２０Ａ
熱膨張緩衝材：炭素繊維相当、厚み１〜２mm
セラミックス合金複合材料製カバー材：Ａｌ₂Ｏ₃−８０wt％以上、肉厚−２〜４mm、気孔率３０％
排ガスのＮ₂以外の主成分は、Ｏ₂：２〜１６（vol,dry）％，ＨＣｌ：２００〜６００（vol,dry）ppm，ＳＯｘ：max３００（vol,dry）ppm，ＣＯ₂：４〜１９（vol,dry）％で、都市ゴミや産業廃棄物を燃やしたときに生じる一般的な排ガス雰囲気である。
【００３８】
暴露試験の結果、どの条件においても、セラミックス合金複合材料製カバー材には亀裂が発生しなかった。
また、１２００時間の暴露試験後、各伝熱管を取り出しその断面を観測した結果、ＳＵＳ外表面にＢＮを塗布した伝熱管▲３▼の断面は製作当初と変わりなく、ＢＮコートとセラミックス合金複合材料製カバー材のすべりが、伝熱管▲１▼▲２▼に比べてより滑らかであることが分かった。
被加熱流体として入口温度２８０℃から４００℃の水蒸気を用いたとき、▲１▼〜▲４▼のすべての条件において、熱交換用伝熱管群の出口で、５４０℃以上、１００ataの可能性を見出した。
また、空気または廃棄物燃焼排ガスを被加熱流体としてしたとき、１０００〜４０００mmＡｑの空気および５０〜４００mmＡｑの廃棄物燃焼排ガスを最高８００℃まで加熱可能なことを確認した。
但し、伝熱管▲４▼のセラミックス合金複合材料製カバー材は、熱伝導率が比較的低いＡｌ₂Ｏ₃を主体としたため、伝熱管▲１▼〜▲３▼より熱伝達係数が低くなった。
【００３９】
（２）都市ゴミを部分酸化し、約１０００〜７００℃の還元排ガス雰囲気に、
▲５▼耐熱合金管：ボイラ用耐熱管ＳＴＢＡ２８−２０Ａ
熱膨張緩衝材：炭素８０wt％以上の繊維、厚み０．５〜３mm
セラミックス合金複合材料製カバー材：Ａｌ＋ＡＩＮ−８６wt％、Ａｌ₂Ｏ₃−６wt％、肉厚−４〜５mm、気孔率２５％
▲６▼耐熱合金管：ボイラ用耐熱管ＳＴＢＡ２８−２０Ａ
熱膨張緩衝材：炭素８０wt％以上の繊維、厚み１〜３mm
セラミックス合金複合材料製カバー材：ＳｉＣ−９５wt％以上、肉厚−４〜５ mm、気孔率２％
の熱交換用伝熱管を挿入した。
被加熱流体は、水蒸気と空気である。
【００４０】
ＣＯ濃度が５〜１５（vol,dry）％存在する還元雰囲気で熱交換試験を行った結果、高温ガスが還元性ガスであったため、ＳｉＣやＡＩＮが酸化して劣化する現象がほとんど見られず、良好な熱交換を実施することができた。
【００４１】
（３）石炭、下水汚泥脱水ケーキおよび乾操汚泥焼却炉の燃焼排ガス中に、
▲７▼耐熱合金管：ボイラ用耐熱管ＳＴＢＡ２８−４０Ａと６５Ａの２種類
熱膨張援衝材：炭素８０wt％以上の微粉・繊維混在層、厚み０．２〜４mm
セラミックス合金複合材料製カバー材：ＳｉＣ−９５wt％以上、肉厚−約７mm、同軸管形状（図３相当）
▲８▼耐熱合金管：ボイラ用耐熱管ＳＴＢＡ２８−２０Ａと５０Ａの２種類、
熱膨張緩衝材：硼素８０wt％以上の微粉層、厚み０．３〜２mm
セラミックス合金複合材料製カバー材：Ａｌ₂Ｏ₃−９５wt％以上、肉厚−約４ mm、同軸管形状（図３相当），
▲９▼耐熱合金管：ボイラ用耐熱管ＳＴＢＡ２８−１５Ａと２０Ａの２種類、
熱膨張緩衝材：炭素８０wt％以上の繊維、厚み０．４〜１mm
セラミックス合金複合材料製カバー材：Ａｌ＋ＡＩＮ−９０％以上、肉厚−６〜８mm、Ｕ字管形状（図４相当）
の熱交換用伝熱管を挿入した。
【００４２】
試験の結果、石炭、下水汚泥の燃焼排ガスには、数百（vol,dry）ppmのＳＯｘが含まれるが、この条件においても伝熱管▲７▼〜▲９▼は腐食することなく、発電効率３０％以上を達成する高温高圧水蒸気の回収、そしてまた、高温空気や高温燃焼排ガスの回収が可能なことを見出した。
【００４３】
【発明の効果】
以上のように、本発明の熱交換用伝熱管は、耐熱合金からなるチューブの優れた靭性と、その外表面を覆うカバー材を構成する、セラミックスと金属の両方の性質を有するセラミックス合金複合材料の優れた耐高温腐食性を併せ持ち、しかも両部材の間に熱膨張差を吸収する熱膨張緩衝材を設け、該熱膨張緩衝材がセラミックス合金複合材料製カバー材および／または耐熱合金管に対して非接着構造としたものであるので、セラミックス合金複合材料製カバー材の熱衝撃による損傷を防ぐことができ、その結果、廃棄物燃焼排ガス、石炭燃焼排ガス、下水汚泥燃焼排ガス、その他産業廃棄物燃焼排ガス中の高温腐食環境から、これまで未利用であった高温の熱を回収することを可能にするものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る熱交換用伝熱管の断面図である。
【図２】本発明の熱交換用伝熱管の側面図と断面図である。
【図３】本発明の他の実施の形態を示す断面図である。
【図４】本発明のさらに他の実施の形態を示す断面図である。
【符号の説明】
１耐熱合金管
２熱膨張緩衝材
３セラミックス合金複合材料製カバー材
４耐熱チューブ
５空隙

Claims

高温ガス雰囲気中に設けられ前記高温ガスから伝熱管内の被加熱流体に熱交換をする熱交換用伝熱管において、
被加熱流体が流れる管は耐熱合金からなり、該耐熱合金管の外側を熱膨張緩衝材を介してセラミックス合金複合材料からなるカバー材で覆い、
前記熱膨張緩衝材は、前記セラミックス合金複合材料製のカバー材および／または前記耐熱合金管に対し非接着構造で、前記耐熱合金管と前記熱膨張緩衝材の少なくとも一部が接触し、さらに、前記熱膨張緩衝材と前記セラミックス合金複合材料製カバー材の少なくとも一部が接触する三層構造からなり、
前記カバー材を構成するセラミックス合金複合材料はＡｌとＡｌＮを含み、ＡｌＮを１ wt ％以上９０ wt ％以下、（Ａ１＋ＡｌＮ＋ＡｌＯＮ）の合計割合が５０ wt ％以上１００ wt ％以下であることを特徴とする熱交換用伝熱管。
前記熱膨張緩衝材は、硼素もしくは炭素またはアルミニウムを主成分とする繊維、粉体、フィルム、テープ等の材料を使用して、前記耐熱合金管の外表面または前記セラミックス合金複合材料製カバー材の内表面に形成された、空隙を有する熱膨張吸収層からなることを特徴とする請求項１記載の熱交換用伝熱管。
前記耐熱合金管の外表面に硼素あるいは炭素を含む化合物からなる離型剤を塗布することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱交換用伝熱管。
前記セラミックス合金複合材料の気孔率が２％以上６０％以下であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一に記載の熱交換用伝熱管。