JP6040308B2 - 耐食性に優れた熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、焼却プラントにおいて流体を加熱するための熱交換器に関するものである。本発明の熱交換器は、熱交換器の構成要素上に形成されたスケールにより耐食性が向上した少なくとも１つの熱交換器構成要素を備える。

焼却プロセスの分野において、流体を加熱するために燃焼排ガスから流体に熱を伝達するための熱交換器が知られている。熱交換器の１つの用途は、飽和蒸気を、例えば発電プロセスでより有用な乾燥（又はいわゆる過熱）蒸気に変換するために、ボイラからの飽和蒸気を加熱することである。乾燥蒸気は、例えば、発電所で蒸気タービンを駆動させるために使用される。

通常は、熱交換器は、多数の熱交換器構成要素を含む。各熱交換器構成要素は、加熱すべき流体と接触する第１の面と、加熱媒体と接触する第２の面とを有する壁とを有する。焼却プロセスでの加熱媒体は、通常、焼却プロセスによって発生される燃焼排ガスである。熱交換器構成要素は、プレート型熱交換器などにおいてはプレートでよいが、代替として、管として形作ることもでき、管壁の内面及び外面が、熱交換器構成要素の第１の面及び第２の面となる。発電のために焼却プラント内で過熱蒸気を発生させるために、熱交換器は、通常、管形状の複数の個別の熱交換器構成要素（過熱器管とも呼ばれる）を備え、それを蒸気が順次に通過する。熱交換器は燃焼排ガスの経路内に配置され、それにより熱交換器構成要素は燃焼排ガスによって加熱され、その際、熱が熱交換器構成要素の壁を通って構成要素内部の蒸気を加熱する。

様々な焼却プロセスで様々な燃料が燃焼される。電力を発生させるための一般的な焼却プラントでは、廃棄物が燃焼される。廃棄物は、家庭廃棄物及び／又は他の類体の廃棄物、例えば産業廃棄物などでよい。そのような焼却プラントは、廃棄物−エネルギー（ｗａｓｔｅ ｔｏ ｅｎｅｒｇｙ）焼き却プラントとも呼ばれる。

焼却プラントで燃焼される廃棄物の性質に関係する問題は、燃焼される廃棄物の性質そのものに多かれ少なかれ依存して燃焼排ガス及び／又は燃焼排ガスに同伴される高温の灰が、塩素などの腐食性化合物を含むことである。燃焼排ガスに同伴される高温の灰は、熱交換器、特に熱交換器構成要素又は過熱器管の比較的低温の表面で凝縮し、表面上に粘着性のコーティングを生成する。このコーティングに存在する塩素は、腐食性が大きく、熱交換器構成要素又は過熱器管の金属材料に激しい腐食を引き起こす。

腐食の程度は、熱交換器構成要素の温度に依存する。蒸気を過熱する際の蒸気と熱交換器構成要素との間の伝熱により、熱交換器構成要素の温度は、通常は蒸気の温度よりも３０〜５０℃高くなる。蒸気の温度が高いと腐食プロセスが加速されるので、熱交換器構成要素の耐用年数を保証するために、過熱すべき蒸気の温度を制限しなければならない。しかし、これは、発電においては特に蒸気タービンの効率が蒸気の温度に依存するので、焼却プラントの効率を大幅に制限する。

主としてＦｅ（鉄）を含む安価な鋼の管が、蒸気を過熱するための熱交換器構成要素として使用される場合、過剰な腐食及び許容範囲内の耐用寿命が実現されるには、最高蒸気温度は約４００℃である。

蒸気温度を上昇させるためのいくつかの手法として、インコネル６２５などより高価な合金でコーティングされた安価な鋼の管を提供することがある。インコネル６２５は、熱及び腐食を受けると、その表面上に酸化クロムのスケールを生成するニッケル基合金である。この手法により、安価な鋼の管を使用して４００℃で可能な腐食速度及び耐用寿命と同じ腐食速度及び耐用寿命で、約４４０℃の蒸気温度が可能になる。

しかし、焼却プラントの効率を最大にするために、さらに高い蒸気温度が望まれる。

他の技術分野によれば、α−Ａｌ_２Ｏ_３を含む熱障壁を形成することが知られている（例えば、欧州特許出願公開第９０８８５７号（Ａ２）参照）。しかし、熱障壁は、伝熱を妨げるので、腐食から熱交換器構成要素を保護するためには使用できない。さらに、日本国特許第４０２８９１４号から、α−Ａｌ_２Ｏ_３を含む火格子を形成することが知られている。しかし、火格子は水冷されるので、蒸気を過熱するための熱交換器内での蒸気温度と比較すると低温にしか曝されない。

コーティング又はバリア層に関する他の文献として、欧州特許出願公開第２１４３８１９号（Ａ１）、国際公開第２０１１／１０００１９号、欧州特許出願公開第１９４４５５１号（Ａ１）、欧州特許出願公開第６５９７０９号（Ａ１）、及び米国特許第５１１８６４７号が挙げられる。

欧州特許出願公開第９０８８５７号明細書 特許第４０２８９１４号公報 欧州特許出願公開第２１４３８１９号明細書 国際公開第２０１１１０００１９号明細書 欧州特許出願公開第１９４４５５１号明細書 欧州特許出願公開第６５９７０９号明細書 米国特許第５１１８６４７号明細書

したがって、本発明の目的は、耐食性が向上された熱交換器を提供することである。

本発明の他の目的は、過熱蒸気を生成する焼却プラントの効率を高めるための熱交換器を提供することである。

本発明の他の目的は、燃焼排ガスに同伴される又は含まれる腐食性化合物によって引き起こされる腐食から熱交換器構成要素を保護するためのスケールを生成するための方法を提供することである。

上記の目的の少なくとも１つ、又は以下の説明から明らかになる他の目的の少なくとも１つは、請求項１に記載された熱交換器によって実現される本発明の第１の観点に従う。

α−Ａｌ_２Ｏ_３（アルファアルミナとも呼ばれる）は、高耐食性を有する酸化アルミニウムである。したがって、保護酸化物は、熱交換器の耐食性を高める効果を有する。耐食性が高められるので、流体をより高温に加熱することができ、したがって、熱交換器の許容範囲内の耐用寿命を維持しながら、流体を加熱する効率が高められる。流体は、加熱に適した任意の流体でよい。通常は、流体は水又は蒸気である。蒸気などの流体に関して、本発明の第１の観点による熱交換器は、少なくとも５年の耐用寿命で、少なくとも４８０℃を超える蒸気温度で使用することができる。さらに、少なくとも５年の耐用寿命で、最大６００℃の蒸気温度を使用することができることが企図される。

焼却プラントは、石炭、他の化石燃料、バイオマス、粉砕木屑、廃棄物固形燃料、又は廃棄物などの燃料を焼却することができる。本発明の文脈で、用語「燃焼排ガス」は、燃料の焼却によって発生する物質及び粒子も含むものと理解することができる。燃焼排ガスは、最大１１００℃〜１２００℃の温度を有することがあり、この温度で燃焼排ガスが発生、すなわち焼却が行われる。

金属は大きい熱伝導率を有し容易に成形できるので、熱交換器構成要素は、金属から形成されることが好ましい。腐食は、通常は熱腐食である。

本発明の第１の観点の好ましい一具体例が、従属請求項２に規定されている。飽和蒸気の加熱は、本発明の第１の観点による熱交換器の向上された耐食性が有用である高温で行われるので、蒸気が飽和されることが好ましい。

流体は蒸気であり、熱交換器が過熱器である熱交換器の具体例では、少なくとも１つの熱交換器構成要素が、管（過熱器管とも呼ばれる）であることが好ましい。

本発明の第１の観点によれば、スケールは、一般に酸化物層として理解される。スケールは、最大１０μｍの厚さであり、主としてα−Ａｌ_２Ｏ_３を含む。スケールは、実質的にα−Ａｌ_２Ｏ_３のみを含むことがより好ましい。これは、スケールの耐食性を高めるので有利である。スケールは高密度であることが好ましい。

本発明の第１の観点によれば、熱交換器構成要素を提供する単純な方法が提供される。熱交換器構成要素が過熱器管であるとき、過熱器管は、通常は０．５インチ〜３インチ（１２〜７７ｍｍに相当）の直径を有することができる。この熱交換器構成要素は、例えば管又はプレートでよい。

本発明の第１の観点によれば、熱交換器構成要素の材料コストを低減させることができる。その理由は、基材は、腐食を受けやすい単純で安価な鋼でよく、比較的薄いコーティングのみが前駆体材料からなっていればよいからである。コーティングによりスケールの形成が可能になり、コーティングは操作中に合金内のアルミニウム枯渇を避けるのに十分な厚さを有してさえすればよい。この熱交換器構成要素は、例えば管又はプレートでよい。

従属請求項３に規定される本発明の第１の観点の好ましい具体例によって、新規の熱交換構成要素を製造する目的と、既存の熱交換構成要素の耐食性を高めるために既存の熱交換器構成要素に前駆体材料を後付けする目的との両方に使用することができる単純なプロセスが提供される。

溶接法が前駆体材料を塗布する一例であるが、当技術分野で知られている他の方法も前駆体材料を塗布するために利用することができる。

コーティングは、１ｍｍ〜２０ｍｍの厚さでよい。

本発明の第１の観点によれば、使用できる前駆体材料は、最低で４〜５ｗｔ％のアルミニウム含有量を有する合金であるべきである。

１つの例示的な前駆体材料は、Ｈａｙｎｅｓ２１４合金である。

他の例示的な前駆体材料には、表１における合金が含まれる。

本発明の第１の観点の好ましい一具体例が従属請求項４に規定されている。焼却プラントは、例えば地域暖房で使用するための熱と発電のため蒸気の両方を発生する廃棄物−エネルギー焼却プラントでよい。廃棄物は、家庭廃棄物又は産業廃棄物でよく、家庭廃棄物又は軽量産業廃棄物が好ましい。

α−Ａｌ_２Ｏ_３は、Ｓ、Ｏ_２、Ｈ_２Ｏ、Ｃｌ_２、Ｎ_２、ＣＯ／ＣＯ_２などの腐食性化合物に対する耐食性がある。焼却プラント内で生じ得る他の腐食性化合物は、Ｎａ、Ｃａ、Ｃｕ、Ｋ、Ｃｌ、Ｓ、Ｃｒ、Ｐｂ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ｓｎ、及びＡｌを含む。

従属請求項５に規定される本発明の第１の観点の好ましい具体例によって、熱交換器の熱交換能力が高められる。熱交換器は、典型的には１５０本〜３００本の過熱器管を備える過熱器であることが好ましい。

従属請求項６に規定される本発明の第１の観点の好ましい具体例によって、容易に形成でき、焼却プラントで液体を加熱するのに適した熱交換器構成要素が提供される。さらに、例えば過熱蒸気など液体が加圧される管が適している。熱交換器が過熱器であり、熱交換器構成要素が過熱器管である場合、過熱器管は、通常は最大６ｍの長さである。

さらに、上述の目的及び他の目的の少なくとも１つは、請求項７に記載された、燃焼排ガスに同伴される又は含まれる腐食性化合物によって引き起こされる腐食から熱交換器構成要素を保護するためのスケールを生成する方法に関する本発明の第２の観点によって実現される。

主としてα−Ａｌ_２Ｏ_３を含むスケールを前駆体材料上に生成するように適合された温度、雰囲気、及び時間で熱交換器構成要素を酸化することによって、一様な完全なスケールが熱交換器構成要素に設けられ、熱交換器構成要素を効果的に保護する。

温度、雰囲気及び時間は、高密度スケールが生成されるように適合すべきである。酸化ステップ中に生成されるスケールは、０．１μｍ〜２μｍの厚さを有するべきである。必要な時間は、使用される前駆体材料そのものに依存する。

雰囲気は、低い酸素分圧ｐＯ_２を有するべきである。ｐＯ_２は、１０^−６ａｔｍ未満、より好ましくは１０^−１１ａｔｍ未満にすべきである。

本発明の第２の観点による方法の好ましい具体例では、この方法は、酸化された熱交換器構成要素を熱交換器に組み立てる追加のステップをさらに含む。

本発明の第２の観点による方法の代替具体例では、この方法は、熱交換器構成要素が酸化される前に、熱交換器構成要素を熱交換器に組み立てる追加のステップをさらに含む。

本発明の第２の観点の好ましい一具体例が従属請求項８、９に規定されている。温度は、他のタイプの酸化アルミニウムではなくα−Ａｌ_２Ｏ_３が生成されるように適合されなければならない。温度が低すぎる場合にはα−Ａｌ_２Ｏ_３は生じない。

従属請求項１０に規定される本発明の第２の観点の好ましい具体例によって、ほとんどの前駆体材料に関する酸化ステップに適した雰囲気が提供される。

従属請求項１１に規定される本発明の第２の観点の好ましい具体例によって、ほとんどの前駆体材料に関する酸化ステップに適した時間が提供される。

本発明及びその多くの利点を、添付の概略図面を参照して以下により詳細に述べる。図面は、例示の目的で、いくつかの非限定的な具体例を示す。

本発明の第１の観点による熱交換器を設けられた廃棄物−エネルギー焼却プラントの部分概略図。 本発明の第１の観点による熱交換器の、過熱器管の形態での熱交換器構成要素の側面図。 本発明の第１の観点による熱交換器の第１の具体例の、過熱器管の形態での熱交換器構成要素の第１の具体例の部分切欠き側面図。 本発明の第１の観点による熱交換器の第２の具体例の、過熱器管の形態での熱交換器構成要素の第２の具体例の部分切欠き側面図。 本発明の第１の観点による熱交換器の第３の具体例の、過熱器管の形態での熱交換器構成要素の第３の具体例の部分切欠き側面図。

以下の説明では、符号に付加された１つ又は複数の下付きのローマ数字は、その符号を付された要素が、下付き数字なしの符号を付された要素の他の例であることを示す。

さらに、符号に付加された上付きのローマ数字は、その符号を付された要素が、上付き数字なしの符号を付された要素と同一又は同様の機能を有するが、構造が異なることを示す。

本発明の別の具体例が図面に示されるとき、先に示された具体例に対して新しい要素には新しい符号が付され、前に示された要素は、上述したように参照される。異なる具体例の同一の要素には同じ符号が付されており、それらの要素についてさらには説明しない。

図１は、廃棄物−エネルギー焼却プラント２の部分概略図を示す。焼却すべき廃棄物４は、コンベア６によって焼却プラント内の格子８上に供給され、格子８上で廃棄物４が燃焼される。格子８上の廃棄物４の焼却により生じる燃焼排ガスは、矢印１２によって示されるように上昇する。燃焼排ガス１２は、最大１１００℃〜１２００℃の温度を有することがあり、次いで、第１、第２及び第３の放熱経路１０、１４及び１６を通って水平伝熱経路１８に導かれ、その後、燃焼排ガスは、矢印２０によって示されるように、最終的に煙突に導かれて、雰囲気中に解放される。

第１、第２及び第３の放熱経路１０、１４及び１６の壁２２には管２４が設けられ、管２４に、蒸気を発生させるための水が供給される。次いで、矢印２６によって示されるように、蒸気は、過熱器２８、３０及び３２を通ってさらに導かれる。各過熱器は、水平伝熱経路１８内に位置された熱交換器を表す。過熱器２８、３０及び３２は、矢印３４によって示されるように燃焼排ガス１２が伝熱経路１８を通過することによって加熱される。燃焼排ガス３４からの熱は、蒸気２６を加熱し、それにより蒸気２６が過熱蒸気３６に変換され、過熱蒸気３６は蒸気タービン（図示せず）又は同様の過熱蒸気の消費機器に導かれる。

さらに、過熱器２８よりも前に、さらなる飽和蒸気を生成するための蒸発器を設けてもよい（図示せず）。この蒸発器は、燃焼排ガス１２の経路内で過熱器３０の上流に配置され、過熱器２８と同様の構成を有する。

過熱器２８、３０及び３２を加熱する燃焼排ガス３４は、とりわけ腐食性化合物及び高温の灰３８の粒子（図１には図示せず）を含み、高温の灰３８の粒子は、それ自体、腐食性化合物を含むこともある。

蒸気２６の温度は、蒸気２６が過熱器２８、３０及び３２を通って導かれる間に上昇する。過熱器２８で２５０℃〜３００℃の最低蒸気温度が生じ、過熱器３２で最高蒸気温度となる。したがって、腐食の危険は過熱器３２で最大である。焼却プラント２において、全ての過熱器が、本発明による熱交換器である過熱器３２と同一であることができる。代替としては、コストを節約するために、過熱器３２のみが本発明による熱交換器であり、過熱器２８及び３０は従来の材料からなる過熱器である。

各過熱器２８、３０、３２は、熱交換器構成要素を表すいくつかの過熱器管を備える。

図２は、図１の過熱器３２の過熱器管を示し、その１つが符号４０で表されている。図２に示されるように、蒸気２６は、過熱器管４０を通って進み、一方、燃焼排ガス３４は、過熱器管４０の間を通って、過熱器管４０と、過熱器管４０の内部を進む蒸気２６とを加熱する。過熱器管４０は、ベンドによって互いに接合することができ、その１つが符号４２で表されており、過熱器管４０とは別個に形成されて過熱器管４０に接合されても、又は代替として過熱器管４０と一体形成されてもよい。

図３Ａは、過熱器３２の熱交換器構成要素を表す過熱器管４０の第１の具体例を示し、これは、本発明の第１の観点による熱交換器の第１の具体例を表す。

過熱器管４０は、蒸気２６と接触する第１の面４６と、燃焼排ガス３４に面する第２の面４８とを有する壁を含む主管４４を備える。主管４４は、前駆体材料から形成され、前駆体材料は、酸化時にα−Ａｌ_２Ｏ_３を含むスケール５０を少なくとも第２の面に生成する。

燃焼排ガス３４は、過熱器管４０を通り、主管４４に高温の灰３８の粒子を堆積させ、それにより、単一材料管４４の第２の面４８に粘着性の堆積物５２を生成する。したがって、燃焼排ガス３４及び／又は高温の灰３８の粒子が含む腐食性化合物が、粘着性のコーティング５２中に存在する。しかし、スケール５０が主管４４の第２の面４８を覆うことによって、主管４４の腐食は防止されるか又は少なくとも低減される。

図３Ｂは、過熱器３２^Ｉの熱交換器構成要素を表す過熱器管４０^Ｉの第２の具体例を示し、これは、本発明の第１の観点による熱交換器の第２の具体例を表す。

過熱器管４０^Ｉは、主管４４^Ｉを備え、主管４４^Ｉは、酸化時にα−Ａｌ_２Ｏ_３を含むスケールを生成しない材料から形成される。代わりに、過熱器管４０^Ｉは、主管４４^Ｉの第２の面４８に、酸化時にα−Ａｌ_２Ｏ_３を含むスケール５０を生成する前駆体材料の溶接クラッディング５４を備える。溶接クラッディング５４上のスケール５０は、燃焼排ガス３４及び／又は高温の灰３８の粒子が含む腐食性化合物による主管４４^Ｉの腐食を防止するか又は少なくとも低減させる。

図３Ｃは、過熱器３２^ＩＩの熱交換器構成要素を表す過熱器管４０^ＩＩの第３の具体例を示し、これは、本発明の第１の観点による熱交換器の第３の具体例を表す。

過熱器管４０^ＩＩは、内管４４^ＩＩを備え、これは、酸化時にα−Ａｌ_２Ｏ_３を含むスケールを生成しない材料から形成された主管を表す。代わりに、過熱器管４０^ＩＩは、主管４４^ＩＩの第２の面４８に、酸化時にα−Ａｌ_２Ｏ_３を含むスケール５０を生成する前駆体材料からなる外管５６を備える。外管５６上のスケール５０は、燃焼排ガス３４及び／又は高温の灰３８の粒子が含む腐食性化合物による内管４４^ＩＩの腐食を防止するか又は少なくとも低減させる。

過熱器管４０^ＩＩは、主管４４^ＩＩと外管５６を共押出成形することによって製造することができる。

２ 焼却プラント
４ 廃棄物
６ コンベア
８ 格子
１０ 第１の放熱経路
１２ 燃焼排ガス
１４ 第２の放熱経路
１６ 第３の放熱経路
１８ 水平伝熱経路
２０ 最終的に煙突に導かれる燃焼排ガスを示す矢印
２２ 放熱経路の壁
２４ 管
２６ 飽和蒸気
２８ 過熱器
３０ 過熱器
３２ 過熱器
３４ 伝熱経路を通過する燃焼排ガスを示す矢印
３６ 過熱蒸気
３８ 高温の灰の粒子
４０ 過熱器管
４２ ベンド
４４ 主管
４６ 第１の面
４８ 第２の面
５０ スケール
５２ 粘着性の堆積物
５４ 溶接クラッディング
５６ 外管

Claims (11)

1. 廃棄物−エネルギー焼却プラント（２）において流体（２６）を加熱するための熱交換器（３２）であって、前記焼却プラント（２）が、動作中に燃焼排ガス（３４）を生成し、前記熱交換器が、少なくとも１つの熱交換器構成要素（４０）を備え、前記熱交換器構成要素（４０）が、前記流体（２６）と接触する第１の面（４６）と、前記燃焼排ガス（３４）と接触する第２の面（４８）とを有する壁を備え、前記第２の面（４８）が、前記燃焼排ガス（３４）に同伴する又は含まれる腐食性化合物によって引き起こされる腐食から前記熱交換器構成要素（４０）を保護するための保護酸化物（５０）を有し、
   前記熱交換器構成要素（４０）が、基材（４４）と該基材（４４）の前記第２の面（４８）側に被覆された少なくとも４ｗｔ％のアルミニウムを含有する前駆体材料（５４）とからなり、前記前駆体材料が１〜２０ｍｍの厚さであり、
   前記保護酸化物（５０）が、前記前駆体材料（５４）上に形成されたスケール（５０）であり、最大１０μｍの厚さを有し、主としてα−Ａｌ _２ Ｏ _３ を含むことを特徴とする熱交換器（３２）。
2. 前記流体（２６）が蒸気であり、前記熱交換器（３２）が、前記蒸気（２６）を過熱するための過熱器（３２）である請求項１に記載された熱交換器（３２）。
3. 前記前駆体材料（５４）が、溶接によって前記基材（４４^Ｉ）上に被覆されている請求項１または請求項２に記載された熱交換器（３２）。
4. 前記焼却プラント（２）が動作時に廃棄物を焼却し、前記腐食性化合物が塩素を含む請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載された熱交換器（３２）。
5. 複数の前記熱交換器構成要素（４０）を備える請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載された熱交換器（３２）。
6. 前記熱交換器構成要素（４０）が管である請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載された熱交換器（３２）。
7. 燃焼排ガス（３４）に同伴されるか又は含まれる腐食性化合物によって引き起こされる腐食から廃棄物−エネルギー焼却プラントの熱交換器（３２）の熱交換器構成要素（４０）を保護するためのスケール（５０）を生成する方法であって、前記熱交換器構成要素（４０）が、前記熱交換器（３２）により加熱すべき流体（２６）と接触する第１の面（４６）と前記燃焼排ガス（３４）と接触する第２の面（４８）とを有する壁を備える、前記方法において、
   基材（４４）と該基材（４４）の前記第２の面（４８）側に被覆された少なくとも４ｗｔ％のアルミニウムを含有する１〜２０ｍｍの厚さの前駆体材料（５４）とからなる熱交換器構成要素（４０）を提供するステップと、
   主としてα−Ａｌ_２Ｏ_３を含む最大１０μｍの厚さの前記スケール（５０）を前記前駆体材料上に生成するように適合された温度、雰囲気及び時間で、前記熱交換器構成要素（４０）を酸化するステップと
   を含む方法。
8. 前記温度が、少なくとも９５０℃である請求項７に記載された方法。
9. 前記温度が、１１００℃〜１２００℃である請求項７に記載された方法。
10. 前記雰囲気が、２％の水蒸気を含むアルゴン−水素混合物を含む請求項７から請求項９までのいずれか１項に記載された方法。
11. 前記時間が少なくとも２時間である請求項７から請求項１０までのいずれか一項に記載された方法。