JP7379023B2 - 腐食検出装置および腐食検出方法 - Google Patents

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特許法第３０条第２項適用 発行日：２０１８年１２月２０日 刊行物：第４０回全国都市清掃研究・事例発表会 講演論文集 〔刊行物等〕 発表日：２０１９年１月２３日 発表会：第４０回全国都市清掃研究・事例発表会 開催場所：宮崎市民プラザ（宮崎県宮崎市橘通西１丁目１番２号）

本発明は、ボイラの過熱器管等の腐食を検出するための腐食検出装置および腐食検出方法に関する。

従来から、燃料を燃焼炉で燃焼させて、その燃焼により発生する燃焼熱や燃焼排ガスが有する熱によって過熱器内の蒸気を過熱して、高温・高圧の過熱蒸気を発生するボイラが知られている。この過熱蒸気は、発電に利用することができる。

近年、ＣＯ_２削減や廃棄物の熱利用の観点から、例えば建設廃材系木質等のバイオマスや、廃タイヤ及び廃プラスチック等の廃棄物をボイラの燃料として活用することが進められている。

このようなバイオマス燃料や廃棄物燃料にあっては、燃料中に、例えばＮａ、Ｋ、Ｃｌ等の塩類や、鉛および亜鉛等の重金属を含んでいる。したがって、燃焼炉での燃焼により、例えば、ＫＣｌ、ＮａＣｌ、ＺｎＣｌ_２、Ｋ_２ＳＯ_４、Ｎａ_２ＳＯ_４等のうちのいくつかが合わさって、低融点（３００℃程度）の溶融塩（共晶塩）が生成され、このような溶融塩は、燃焼灰とともに下流側の過熱器に流れていく。この過熱器は、上記発電に利用される高温・高圧の蒸気を生成するものであるから、その周囲のガス温度は、上記溶融塩の融点より高い温度に設定されている。したがって、ＫＣｌ、ＮａＣｌ、ＺｎＣｌ_２、Ｋ_２ＳＯ_４、Ｎａ_２ＳＯ_４等のうちのいくつかが合わさって生成された溶融塩が、３００℃以上の高温の過熱器を構成する過熱器管の表面に付着するため、過熱器管は腐食していく。

このため、過熱器管の腐食環境（腐食速度等）をモニタリングすることはボイラの安定運転および設備維持の観点から重要である。下記特許文献１には、過熱器管が設置される排ガス通路内に一対の電極を備えた腐食センサ（電極プローブ）を導入することで上記溶融塩の付着環境における腐食の程度を計測することが開示されている。

一方、過熱器管の腐食を防止するという観点から、排ガス通路内に腐食抑制材（腐食抑制粒子）を散布することも提案されている。下記特許文献２には、腐食抑制粒子を散布すると、燃焼灰に含まれる溶融塩粒子と腐食抑制粒子とが混合され、過熱器管に付着することにより、溶融塩粒子が過熱器管に付着する面積が低減し、腐食が抑制されることが開示されている。

特許第３４８５９０８号公報 特許第６３０９７０９号公報

このように、腐食抑制材の導入は、過熱器管の腐食抑制に有効であるが、上記特許文献１のような腐食環境のモニタリングにも影響を与えてしまう。すなわち、腐食抑制材の導入により上記特許文献１における腐食センサにも溶融塩粒子と腐食抑制粒子との混合物が付着し、一対の電極間の導通が妨げられる。したがって、腐食抑制材の導入後の排ガス通路に新たな燃焼灰が流通してきても、このような混合物が付着した腐食センサでは、適正な腐食環境の検出を行うことができない問題がある。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、燃焼排ガスが通過する排ガス通路内において燃焼排ガスによる腐食環境の検出を適正に行うことができる腐食検出装置および腐食検出方法を提供することを目的としている。

本発明の一態様に係る腐食検出装置は、燃焼排ガスが通過する排ガス通路内において前記燃焼排ガスによる腐食の程度を検出するための腐食検出装置であって、中空の腐食センサ本体と、前記腐食センサ本体の外表面に設けられた電極部と、を備えた腐食センサと、前記電極部に付着した前記燃焼排ガスに含まれる灰の厚さを計測する灰厚さ計測器と、前記電極部に付着した前記灰を除去する灰除去器と、前記灰除去器の動作を制御する制御器と、を備え、前記制御器は、前記電極部に付着した前記灰の厚さが０より大きい所定のしきい値以上となった場合に、前記灰除去器を作動させるよう構成される。

上記構成によれば、腐食センサの電極部に付着した灰の厚さが０より大きい所定のしきい値以上となった場合に、灰除去器により電極部に付着した灰が除去される。付着した灰の厚さがしきい値以上となってから灰除去を行うことにより、腐食センサの電極部に付着した灰の厚さを薄くしつつそのときの腐食環境における計測が可能な程度に付着した灰を残すことができる。これにより、腐食センサを用いて適正な腐食環境の検出を行うことができる。

前記制御器は、所定のタイミングから所定時間経過した場合にも、前記灰除去器を作動させてもよい。これにより、これにより、電極部に付着した灰の厚さが所定のしきい値以上になることを予め防止することができる。

前記制御器は、前記排ガス通路内に配設される配管の腐食を抑制する腐食抑制材が前記排ガス通路内に導入されたことを検出し、前記腐食抑制材が前記排ガス通路内に導入されたことを検出した場合にも、前記灰除去器を作動させてもよい。これにより、腐食抑制材が含まれる灰が電極部に付着することを予め抑制することができる。

前記腐食センサは、前記腐食センサ本体の内部に冷却空気を導入する冷却用ブロアを備え、前記灰厚さ計測器は、前記腐食センサ本体内部への前記冷却空気の流量を検出する流量検出部と、前記腐食センサ本体内部への前記冷却空気の入口温度を検出する入口温度検出部と、前記腐食センサ本体内部からの前記冷却空気の出口温度を検出する出口温度検出部と、前記電極部近傍における前記排ガス通路内のガス温度を検出するガス温度検出部と、前記冷却空気の入口温度、出口温度、および流量と、前記ガス温度とから前記電極部に付着した前記灰の厚さを算出する灰厚さ算出部と、を備えてもよい。上記構成によれば、灰の厚さが演算により算出されるため、簡単な構成で灰の厚さに基づく灰除去器の制御を実現することができる。

前記灰除去器は、前記腐食センサ本体から離間した位置に設けられ、前記電極部に向けて圧縮空気または衝撃波を出射するよう構成されてもよい。上記構成によれば、腐食センサ本体から離間した位置から電極部に向けて圧縮空気または衝撃波が出射されることにより、電極部の灰除去が行われる。したがって、簡単な構成で適切な灰除去を行うことができる。

前記腐食センサは、前記電極部に流れる電流から前記電極部に前記灰が付着することにより生じる溶融塩と前記電極部との界面における分極抵抗を算出するよう構成されてもよい。上記構成によれば、電極部に付着した灰により生じる溶融塩と電極部との界面における分極抵抗が算出される。この分極抵抗は、腐食速度（腐食電流密度）に由来する抵抗値である。したがって、腐食センサにより、腐食の程度を適切に検出することができる。

前記制御器は、前記腐食センサが前記分極抵抗を算出可能な前記灰の厚さの最小値以上が前記電極部に残るように前記灰除去器を作動させてもよい。上記構成によれば、電極部に付着している灰の厚さを、電極部が灰に含まれる溶融塩により導通して分極抵抗の適切な算出が行える程度に薄くすることができる。したがって、腐食センサを用いて適正な腐食環境の検出を継続的に行うことができる。

本発明の他の態様に係る腐食検出方法は、燃焼排ガスが通過する排ガス通路内において前記燃焼排ガスによる腐食の程度を検出するための腐食検出方法であって、前記排ガス通路内に、中空の腐食センサ本体と、前記腐食センサ本体の外表面に設けられた電極部と、を備えた腐食センサを導入するステップと、前記電極部に流れる電流から前記電極部に前記燃焼排ガスに含まれる灰が付着することにより生じる溶融塩と前記電極部との界面における分極抵抗を算出するステップと、前記電極部に付着した前記灰の厚さを算出するステップと、前記灰の厚さが０より大きい所定のしきい値以上となった場合に、前記電極部に付着した前記灰を除去するステップと、を含む。

上記方法によれば、腐食センサの電極部に付着した灰の厚さが０より大きい所定のしきい値以上となった場合に、電極部に付着した灰が除去される。付着した灰の厚さがしきい値以上となってから灰除去を行うことにより、腐食センサの電極部に付着した灰の厚さを薄くしつつそのときの腐食環境における計測が可能な程度に付着した灰を残すことができる。これにより、腐食センサを用いて適正な腐食環境の検出を行うことができる。

本発明によれば、燃焼排ガスが通過する排ガス通路内において燃焼排ガスによる腐食環境の検出を適正に行うことができる。

図１は、本発明の一実施の形態における腐食検出装置が適用されたボイラの内部構造を示す概略断面図である。 図２は、本実施の形態における腐食検出装置の概略構造を示す図である。 図３は、付着灰層の厚さを考慮した有効温度の経時変化を、付着灰層の厚さを考慮しない場合と比較して示すグラフである。 図４は、本実施の形態における灰除去を定期的に行った場合の有効温度および分極抵抗のガス温度に対する追従性を示すグラフである。

以下、本発明の一実施の形態における腐食検出装置およびそれが適用されるボイラについて図面を参照して説明する。本実施の形態においては、ボイラを備えた焼却プラントを例示する。

図１は、本発明の一実施の形態における腐食検出装置が適用されたボイラを備えた焼却プラントの内部構造を示す概略断面図である。図1に示す焼却プラント１は、酸素含有ガスを用いて廃棄物を焼却するための火炉室３を有する焼却炉２と、焼却炉２から排出される燃焼排ガスから排熱を水蒸気として回収する蒸気回収装置であるボイラ４と、を含む。焼却炉２のボイラ４とは反対側（上流側）には、ホッパ５およびシュート６が配置されており、ボイラ４から（下流側）は、燃焼排ガスの排気経路７が煙突８まで延びている。排気経路７には、何れも図示しないが、上流側から順に、エコノマイザー、減温塔、集塵機およびブロワが設けられている。

焼却炉２は、火炉室３の下方に設けられたストーカを有している。ストーカは、廃棄物の搬送手段として機能する。ストーカは、シュート６に近い側から順に乾燥ストーカ１１、燃焼ストーカ１２および後燃焼ストーカ１３を有する。すなわち、これらのストーカ１１～１３は、廃棄物の移動方向に配列されている。乾燥、燃焼および後燃焼ストーカ１１～１３の下方には、風箱１４～１６がそれぞれ設けられている。

さらに、焼却炉２は、火炉室３とボイラ４との間に火炉室３と連続する再燃焼室１７を有する。なお、燃焼ストーカ１２は、図例では１段であるが、２段以上設けられていてもよい。各ストーカ１１～１３は、例えば、互いに異なるインターバルで間欠的に作動する。

火炉室３では、廃棄物の熱分解および部分酸化反応により燃焼ガスが生成され、この燃焼ガスが廃棄物と共に燃焼される。再燃焼室１７は、火炉室３から流出する燃焼ガスを完全燃焼させるためのものである。廃棄物の燃焼後の灰は、後燃焼ストーカ１３に隣接して設けられた排出口１８から排出される。

ボイラ４では、焼却炉２から排出される燃焼排ガス（廃熱）によって蒸気が生成される。より詳しくは、図１に示すように、ボイラ４は、燃焼排ガスが通過する排ガス通路９を備えている。排ガス通路９は、再燃焼室１７の上方に配置された放射室１９と、放射室１９と上部同士が連通する第１煙道２０と、第１煙道２０と下部同士が連通する第２煙道２１と、を含む。

放射室１９および第１煙道２０を規定する壁の各々には、複数の水管２３が設けられている。複数の水管２３は、例えば炭素鋼（例えば、ＳＴＢ３４０）で形成される。ボイラ４は、複数の水管２３に接続されたボイラドラム２４を備えている。複数の水管２３には、ボイラドラム２４から送られてくる水が流れる。複数の水管２３内の水は、放射室１９および第１煙道２０の廃熱を回収して、その一部が蒸発して汽水となりボイラドラム２４へと戻される。ボイラドラム２４に戻った汽水は、一部が気化して蒸気となっている。

第２煙道２１には、過熱器２５が設けられている。過熱器２５は、ボイラドラム２４内の蒸気を燃焼熱または燃焼排ガスの熱で過熱するための過熱器管２６を備えている。過熱器２５により過熱されて高温高圧となった過熱蒸気は、発電機２７と連結されたタービン２８に送られて発電に利用される。ボイラ４を通過した燃焼排ガスの大部分は、排気経路７を流れた後に、煙突８から大気中へ放出される。

上記構成のボイラ４によると、燃焼時に蒸発した成分や燃焼灰の一部が燃焼排ガスにより舞い上がったものが放射室１９、第１煙道２０、および第２煙道２１に順に運ばれる。そして複数の水管２３および過熱器２５の過熱器管２６に付着して堆積する。本実施の形態においては、燃焼灰は、高い腐食性を有している溶融塩を含むため、高温の過熱器２５の過熱器管２６を腐食させる要因となっている。

このような過熱器管２６の腐食を監視するために、ボイラ４には、排ガス通路９内において燃焼排ガスによる腐食の程度を検出するための腐食検出装置４０が取り付けられる。図２は、本実施の形態における腐食検出装置の概略構造を示す図である。

腐食検出装置４０は、ボイラ４の排ガス通路９の側壁部から排ガス通路９内に導入される腐食センサ４１を備えている。腐食センサ４１は、中空の腐食センサ本体４３と、腐食センサ本体４３の外表面に設けられた電極部４４と、を備えている。本実施の形態において、腐食センサ４１は、ボイラ４の第２煙道２１の側壁部であって、過熱器２５よりも燃焼排ガスの流れ方向の上流側に設けられたセンサ取り付け部４２に取り付けられる。このとき、腐食センサ４１は、腐食センサ本体４３の電極部４４を含む先端部分が第２煙道２１（排ガス通路９）内に位置している。

腐食センサ本体４３は、電極部４４が排ガス通路９内に位置した状態で、電極部４４が排ガス通路９における燃焼排ガスの流通方向に対向するように（流通方向上流側を向くように）配置される。これにより、燃焼排ガスに含まれる灰が電極部４４を含む腐食センサ本体４３の外表面に付着して付着灰層ＡＳを形成する。本実施の形態において、腐食センサ本体４３が取り付けられる第２煙道２１は、下方が燃焼排ガスの流通方向上流側となる。したがって、腐食センサ本体４３は、電極部４４が下方を向くように配置される。

電極部４４は、試料電極４５、対極４６および参照電極４７を含んでいる。対極４６は、試料電極４５と回路を構成するための電極である。腐食センサ４１は、電極部４４の表面に灰が付着した状態で、試料電極４５と対極４６との間に交流電圧を印加することにより、試料電極４５と参照電極４７との間に電流を発生させるように構成されている。参照電極４７は、試料電極４５との電位差を求めるための基準となる電極である。

本実施の形態において、腐食センサ本体４３は、ステンレス鋼（ＳＵＳ３１０Ｊ１）により形成される。試料電極４５および参照電極４７も同じステンレス鋼により形成される。対極４６は、白金により形成される。

電極部４４の表面に灰が付着することにより、電極部４４と付着灰層ＡＳとの界面には、付着灰層ＡＳ中の溶融塩が形成される。この溶融塩により、試料電極４５と参照電極４７とが導通する。試料電極４５である金属と溶融塩とが接触すると、金属側では酸化反応が生じ、溶融塩側では還元反応が生じる。これらの反応によって流れる電流（腐食電流）は、互いに平衡状態である。このとき、金属と溶融塩との界面の分極抵抗をＲ_ｐとすると、腐食電流Ｉ_ｃｏｒｒは、比例定数Ｋ_ｃｏｒｒを用いて以下のように表される。

金属と溶融塩との界面のインピーダンスＺは、界面の電荷移動抵抗（分極抵抗）Ｒ_ｐおよび電気二重層容量Ｃ_ｄｌの並列接続回路に、溶融塩の抵抗（溶液抵抗）Ｒ_ｓｏｌを直列接続した回路を用いてモデル化することができる。

腐食検出装置４０は、腐食センサ４１の制御および検出値に基づく演算等を行う制御器５０を備えている。制御器５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、およびＲＡＭ等で構成されたマイクロコントローラや集積回路を備えている。制御器５０は、電気化学測定装置またはパソコン等の外部のコンピュータを含んでもよい。

制御器５０は、腐食センサ４１を制御するセンサ制御部５１として機能する。腐食センサ４１は、センサ制御部５１からの制御信号に基づいて所定の周波数領域において低周波数域から高周波数域まで周波数を変えながら、試料電極４５と対極４６との間に交流電圧を印加して試料電極４５と参照電極４７との間の電流を測定する。制御器５０は、得られた電流からインピーダンスＺを測定し、その結果について周波数応答解析を行う。インピーダンスＺの測定において、低周波数域で得られるインピーダンスＺ１は、溶液抵抗Ｒ_ｓｏｌと分極抵抗Ｒ_ｐとの和となり、高周波数域で得られるインピーダンスＺ２は、溶液抵抗Ｒ_ｓｏｌとなる。制御器５０は、低周波数域のインピーダンスＺ１から高周波数域のインピーダンスＺ２を差し引くことで、分極抵抗Ｒ_ｐを算出する。

このようにして得られる分極抵抗Ｒ_ｐは、腐食電流Ｉ_ｃｏｒｒおよびそれに応じた腐食速度ｒ_ｃｏｒｒに相関する抵抗値である。すなわち、分極抵抗Ｒ_ｐが大きくなると腐食速度ｒ_ｃｏｒｒが遅くなり、分極抵抗Ｒ_ｐが小さくなると腐食速度ｒ_ｃｏｒｒが速くなる。このように、腐食センサ４１は、電極部４４に流れる電流（試料電極４５と参照電極４７との間に流れる電流）から電極部４４に灰が付着する（付着灰層ＡＳが形成される）ことにより生じる溶融塩と電極部４４との界面における分極抵抗Ｒ_ｐを算出するよう構成される。これにより、腐食検出装置４０は、電極４５，４７間の電気抵抗（分極抵抗Ｒ_ｐ）の変化に基づいて過熱器管２６の腐食の程度を検出することができる。

さらに、電極部４４には、腐食試験片４８が設けられている。腐食試験片４８は、腐食速度を質量変化により求めるものである。なお、腐食センサ４１は、腐食試験片４８を備えていなくてもよい。

腐食センサ４１は、腐食センサ本体４３の内部空間を構成する内管部４３ａに冷却空気を導入する冷却用ブロア４９を備えている。腐食センサ本体４３の先端部には、内管部４３ａと外部（排ガス通路９）との間で空気の流通が可能な貫通孔（図示せず）が設けられている。これにより、内管部４３ａの基端部から入った冷却空気は、内管部４３ａの先端部から出ていく。

腐食センサ本体４３の内管部４３ａの上流側（基端部）には、内管部４３ａへの冷却空気の入口温度Ｔ_ａｉを検出する入口温度検出部６３が設けられ、腐食センサ本体４３の内管部４３ａの下流側（先端部）には、内管部４３ａからの冷却空気の出口温度Ｔ_ａｏを検出する出口温度検出部６４が設けられる。これらの温度検出部６３，６４は、熱電対等の所定の温度センサにより構成される。

さらに、腐食検出装置４０は、冷却用ブロア４９から内管部４３ａへの冷却空気の流量ｑ_ａを検出する流量検出部６５を備えている。流量検出部６５は、冷却用ブロア４９の風量に基づくブロア周波数（指令値）を検出する。なお、これに代えて、流量検出部６５は、冷却用ブロア４９から出力される冷却空気の流量を計測する熱式流量計または超音波式流量計等の所定の流量計により構成されてもよい。

制御器５０は、腐食センサ本体４３の温度を制御するセンサ温度制御部５２として機能する。試料電極４５の温度は、測定対象の過熱器管２６と同じ温度条件とすることが望まれる。そのため、センサ温度制御部５２は、出口温度検出部６４により検出される冷却空気の出口温度Ｔ_ａｏが所定の値になるように、冷却用ブロア４９の動作（オンオフ、風量、またはオン時間）を制御する。

ここで、ボイラ４には、燃焼灰による過熱器管２６の腐食を抑制するため、排ガス通路９（図１の例では第１煙道２０）内に腐食抑制材（腐食抑制粒子）を供給するための複数の粒子供給口３０が設けられている。

複数の粒子供給口３０から排ガス経路内に導入される腐食抑制粒子は、Ｃａ、Ｓｉ、Ａｌ、ＭｇおよびＦｅのうち少なくとも１つの元素を主成分とする化合物である。例えば、腐食抑制粒子は、ＣａＯ、ＳｉＯ_２を含む。腐食抑制粒子の粒子径は、０．１μｍ以上１０μｍ未満である、腐食抑制粒子として、例えば、けい砂、珪藻土、ドロマイト、ゼオライト等が例示できる。

この腐食抑制粒子は、融点が８００℃以上である。複数の粒子供給口３０により腐食抑制粒子を吹き込む領域は、この腐食抑制粒子が吹き込まれた領域の燃焼排ガスによって、腐食抑制粒子が溶融しないガス温度の領域である。本実施の形態では、複数の粒子供給口３０が第１煙道２０の上端部に設けられ、腐食抑制粒子を第１煙道２０内に吹き込むようにしている。この第１煙道２０は、その内側を流れる燃焼排ガスのガス温度が８００℃よりも低い領域である。

さらに、本実施の形態では、水に腐食抑制粒子を混合して得られたスラリー状の混合物質、または腐食抑制粒子よりも粒子径が大きい粉体（例えば燃焼灰）に腐食抑制粒子を混合して得られた粉状の混合物質を、複数の粒子供給口３０を介して第１煙道２０内に吹き込むようにしている。

複数の粒子供給口３０から腐食抑制粒子を散布すると、燃焼灰に含まれる溶融塩粒子と腐食抑制粒子とが混合され、その混合物が過熱器管２６に付着することにより、溶融塩粒子が過熱器管２６に付着する面積が低減し、腐食が抑制される。その一方、腐食センサ４１の外表面にも溶融塩粒子と腐食抑制粒子との混合物が付着し、試料電極４５と参照電極４７との間の導通が妨げられる。したがって、腐食抑制材の導入後の排ガス通路９に新たな燃焼灰（飛灰）が流通してきても、このような混合物が付着した腐食センサ４１では、適正な腐食環境の検出を行うことができない。

そこで、本実施の形態における腐食検出装置４０は、腐食センサ４１の電極部４４に付着した灰を除去する灰除去器６０を備えている。本実施の形態において、灰除去器６０は、腐食センサ本体４３から離間した位置に設けられ、電極部４４に向けて圧縮空気を出射するよう構成される。灰除去器６０は、中空の灰除去器本体６１と、灰除去器本体６１の外表面に設けられた噴射ノズル６６と、を備えている。

本実施の形態において、灰除去器６０は、ボイラ４の第２煙道２１の側壁部であって、センサ取り付け部４２の近傍に設けられた灰除去器取り付け部６２に取り付けられる。このとき、灰除去器６０は、灰除去器本体６１の噴射ノズル６６を含む先端部分が第２煙道２１（排ガス通路９）内に位置している。噴射ノズル６６は、腐食センサ４１の電極部４４に向くように配置される。

灰除去器取り付け部６２は、排ガス通路９における燃焼排ガスの流通方向に関してセンサ取り付け部４２より上流側に位置する。これにより、腐食センサ本体４３の上流側の外表面に付着した付着灰層ＡＳの灰除去を適切に行うことができる。さらに、灰除去器取り付け部６２は、燃焼排ガスの流通方向に直交する方向に関してセンサ取り付け部４２より偏位した位置に位置する。これにより、灰除去器本体６１が腐食センサ本体４３の電極部４４近傍に灰が付着するのを妨げない位置に配置されるため、腐食センサ本体４３の電極部４４近傍を過熱器管２６と同様の腐食環境にすることができる。

本実施の形態において、灰除去器取り付け部６２が形成される第２煙道２１は、下方が燃焼排ガスの流通方向上流側となる。したがって、灰除去器取り付け部６２は、センサ取り付け部４２の側方かつ下方側に位置する。これにより、灰除去器本体６１は、噴射ノズル６６が斜め上方（に位置する腐食センサ４１の電極部４４）を向くように配置される。

なお、これに代えて、灰除去器取り付け部６２は、排ガス通路９における燃焼排ガスの流通方向に関してセンサ取り付け部４２と実質的に同じ位置に位置してもよい。本実施の形態と同様に、腐食センサ本体４３および灰除去器本体６１を第２煙道２１に設ける場合には、灰除去器取り付け部６２は、センサ取り付け部４２の側方に位置する。これにより、灰除去器本体６１は、噴射ノズル６６が側方（に位置する腐食センサ４１の電極部４４）を向くように配置される。

灰除去器６０は、空気を圧縮して圧縮空気を生成するコンプレッサ６７と、生成された圧縮空気を貯留するタンク６８と、圧縮空気を灰除去器本体６１に送り込むブロア６９とを備えている。タンク６８と灰除去器本体６１の中空部との間には第１制御弁７１が設けられる。ブロア６９と灰除去器本体６１の中空部との間には第２制御弁７２が設けられる。

制御器５０は、灰除去器６０の動作を制御する灰除去器制御部５３として機能する。灰除去器制御部５３は、電極部４４に付着した灰（付着灰層ＡＳ）の厚さδ_ａｓｈが０より大きい所定のしきい値δ_ｔｈ以上となった場合に、灰除去器６０を作動させる。灰除去器制御部５３は、制御弁７１，７２を開閉制御することにより、灰除去器６０の作動および非作動を切り替える。さらに、灰除去器制御部５３は、ブロア６９に対してブロア６９の出力を調整することにより風量を制御してもよい。

腐食検出装置４０は、電極部４４に付着した燃焼排ガスに含まれる灰（付着灰層ＡＳ）の厚さを計測する灰厚さ計測器を備えている。本実施の形態において、腐食検出装置４０は、電極部４４の近傍における排ガス通路９内のガス温度Ｔ_ｇを検出するガス温度検出部７３を備えている。ガス温度検出部７３は、腐食センサ本体４３に平行な棒状の本体を備えている。棒状の本体の先端部に熱電対等の所定の温度センサが設けられている。ガス温度検出部７３の本体および腐食センサ本体４３は、１つのユニットとして構成されている。

本実施の形態において、灰の厚さδ_ａｓｈは、上記冷却空気の入口温度Ｔ_ａｉ、出口温度Ｔ_ａｏ、流量ｑ_ａ、およびガス温度Ｔ_ｇを用いて演算により求められる。そのため、灰厚さ計測器は、上記流量検出部６５と、入口温度検出部６３と、出口温度検出部６４と、制御器５０と、ガス温度検出部７３と、で構成される。灰厚さ計測器としての制御器５０は、冷却空気の入口温度Ｔ_ａｉ、出口温度Ｔ_ａｏ、および流量ｑ_ａと、ガス温度Ｔ_ｇとから電極部４４に付着した灰の厚さδ_ａｓｈを算出する灰厚さ算出部５４として機能する。

以下、上記各値から灰の厚さδ_ａｓｈを算出する方法について説明する。まず、排ガス通路９における燃焼排ガスから腐食センサ本体４３（試料電極４５）への入熱量Ｑ_ｉｎは、以下の式で表される。

ここで、Ｋは燃焼排ガスから腐食センサ本体４３の内管部４３ａ内の冷却空気に熱が伝達する際の総括熱伝達係数を示し、Ａは伝熱面積を示し、ΔＴは、燃焼排ガスと腐食センサ本体４３の内管部４３ａ内の冷却空気の対数温度差を示す。伝熱面積Ａは、予め与えられる。

この対数温度差ΔＴは、入口温度Ｔ_ａｉ、出口温度Ｔ_ａｏおよびガス温度Ｔ_ｇを用いて、以下の式で表される。

一方、腐食センサ本体４３から冷却空気への入熱量Ｑ_ｏｕｔは、入口温度Ｔ_ａｉ、出口温度Ｔ_ａｏ、冷却空気の流量ｑ_ａ、および冷却空気の比熱γ_ａを用いて以下の式で表される。なお、比熱γ_ａは、予め与えられる。

上述のように、センサ温度制御部５２は、出口温度検出部６４により検出される冷却空気の出口温度Ｔ_ａｏが所定の値になるように、冷却用ブロア４９の動作を制御する。したがって、腐食センサ本体４３の温度は、実質的に一定に保たれる。この場合、上記入熱量Ｑ_ｉｎおよびＱ_ｏｕｔは等しくなる（Ｑ_ｉｎ＝Ｑ_ｏｕｔ）。したがって、式（２）および式（４）より、総括熱伝達係数Ｋは、以下の式で表される。

また、総括熱伝達係数Ｋは、灰の厚さδ_ａｓｈ、腐食センサ本体４３と冷却空気との間の熱伝達係数ｈ_ｍａ、燃焼排ガスと付着灰層ＡＳとの間の熱伝達係数ｈ_ｇａ、腐食センサ本体４３の熱伝導率λ_ｍ、付着灰層ＡＳの熱伝導率λ_ａｓｈ、および、腐食センサ本体４３の管厚δ_ｍを用いた以下の式でも表すことができる。

この式（６）より、灰の厚さδ_ａｓｈは、以下の式で表される。

上記式（７）のうち、式（５）で示される総括熱伝達係数Ｋ以外の各値は、予め与えられる。したがって、灰の厚さδ_ａｓｈは、係数（定数）ａ_１，ａ_２を用いて以下のように書き直せる。

以上より、灰（付着灰層ＡＳ）の厚さδ_ａｓｈは、総括熱伝達係数Ｋに含まれる冷却空気の入口温度Ｔ_ａｉ、出口温度Ｔ_ａｏ、流量ｑ_ａ、およびガス温度Ｔ_ｇを用いて演算により推定することができる。

このようにして、灰厚さ算出部５４は、灰の厚さδ_ａｓｈを算出する。灰除去器制御部５３は、電極部４４に付着した灰（付着灰層ＡＳ）の厚さδ_ａｓｈが０より大きい所定のしきい値δ_ｔｈ以上となった場合に、灰除去器６０を作動させる。これにより、電極部４４に付着した灰が除去される。付着した灰の厚さδ_ａｓｈがしきい値δ_ｔｈ以上となってから灰除去を行うことにより、腐食センサ４１の電極部４４に付着した灰の厚さを薄くしつつそのときの腐食環境における計測が可能な程度（電極４５，４７間が導通する程度）に、付着した灰を残すことができる。

本実施の形態においては、上記のような灰除去を適宜行いながら、電極部４４に付着した灰により生じる溶融塩と電極部４４との界面における分極抵抗Ｒ_ｐが算出される。この分極抵抗Ｒ_ｐは、上述したように、腐食速度ｒ_ｃｏｒｒ（腐食電流Ｉ_ｃｏｒｒ）に由来する抵抗値である。これにより、腐食センサ４１を用いて腐食環境の検出を適正に行うことができる。

特に、複数の粒子供給口３０から腐食抑制粒子が排ガス通路９内に導入された後、新たな燃焼灰が排ガス通路９内に流通してきた場合でも、灰除去器６０により、電極部４４に付着した腐食抑制粒子と灰との混合層が除去される。このため、新たな燃焼灰が電極部４４に付着することにより、最新の腐食環境の検出を適正に行うことができる。

また、灰除去器６０を作動させる契機となる灰の厚さδ_ａｓｈが演算により算出されるため、簡単な構成で灰の厚さδ_ａｓｈに基づく灰除去器６０の制御を実現することができる。

また、本実施の形態においては、腐食センサ本体４３から離間した位置から電極部４４に向けて圧縮空気が出射されることにより、腐食センサ４１に強い衝撃を与えることなく、電極部４４の灰除去が行われる。したがって、簡単な構成で適切な灰除去を行うことができる。

なお、ボイラ４は、過熱器管２６に付着した灰を除去するための過熱器管用スートブロア（図示せず）を備えている。灰除去器６０は、この過熱器管用スートブロアとは別に設けられる。すなわち、灰除去器６０は、腐食センサ４１専用に設けられる。過熱器管用スートブロアは、過熱器管２６の全域における灰の除去を行うために、大サイズかつ大出力の装置として構成される。一方、灰除去器６０は、腐食センサ本体４３の電極部４４近傍の灰除去が行える程度のサイズおよび出力でよい。すなわち、灰除去器６０は、過熱器管用スートブロアより小サイズかつ小出力でよい。これにより、腐食センサ４１の電極部４４に対して省電力かつ適切な灰除去を行うことができる。

また、灰除去器６０の灰除去器本体６１は、過熱器管用スートブロアより腐食センサ本体４３に近接する位置に配置される。これにより、より直接的かつ局所的に腐食センサ本体４３の電極部４４近傍における灰除去を行うことができる。

灰除去器制御部５３は、腐食センサ４１が分極抵抗Ｒ_ｐを算出可能な灰の厚さの最小値δ_ｍｉｎ以上が電極部４４に残るように灰除去器６０を作動させる。この灰の厚さの最小値δ_ｍｉｎと、しきい値δ_ｔｈと、灰除去能力（所定の作動時間、圧縮空気の噴射圧力等）との関係が予め実験等により取得される。所定の灰除去能力で灰除去器６０を作動させたときに、その作動後の灰の厚さδ_ａｓｈが最小値δ_ｍｉｎとなるようなしきい値δ_ｔｈが設定される。

これによれば、灰の厚さδ_ａｓｈがしきい値δ_ｔｈ以上となった場合に、灰除去器６０が所定の灰除去能力で作動することにより、灰の厚さδ_ａｓｈを、電極部４４が灰に含まれる溶融塩により導通して分極抵抗Ｒ_ｐの適切な算出が行える程度に薄くすることができる。これにより、過去に散布された腐食抑制粒子による腐食環境の検出への影響を抑制することができ、排ガス通路９内の飛灰の状況変化に即した腐食環境の検出を行うことができる。したがって、腐食センサ４１を用いて適正な腐食環境の検出を継続的に行うことができる。

さらに、本実施の形態によれば、灰の厚さδ_ａｓｈを考慮した分極抵抗Ｒ_ｐの算出も可能である。分極抵抗Ｒ_ｐは、腐食センサ本体４３（電極部４４）と付着灰層ＡＳとの界面の温度（有効温度）Ｔ_ｅｆｆを用いて以下の式で表される。なお、Ｒ_ｐ ^∞は実験から予め求められる定数を示し、ｋはボルツマン定数を示し、εは、試料電極４５の電極温度Ｔ_ｍとガス温度Ｔ_ｇとが等しい場合における腐食反応の活性化エネルギーを示す。

有効温度Ｔ_ｅｆｆは、試料電極４５の電極温度Ｔ_ｍ、上記腐食反応の活性化エネルギーε、ガス温度Ｔ_ｇが試料電極４５の電極温度Ｔ_ｍに比べて高い場合における腐食反応の活性化エネルギーε_ｇを用いて以下の式で表される。なお、電極温度Ｔ_ｍは、例えば試料電極４５に熱電対を設けること等により検出可能である。

腐食反応の活性化エネルギーεは、分極抵抗の逆数ｌｎ（１／Ｒ_ｐ）を温度の逆数１／Ｔに対してプロットした際の傾きから求められる。付着灰層ＡＳの厚さδ_ａｓｈが厚くなるほど腐食反応の活性化エネルギーεは小さくなる。この結果、ε_ｇ／εは、付着灰層ＡＳの厚さδ_ａｓｈの逆数に比例する（付着灰層ＡＳの厚さδ_ａｓｈが厚くなるほどε_ｇ／εが０に近づく）と近似される。

したがって、付着灰層ＡＳの厚さδ_ａｓｈに応じて変化する有効温度Ｔ_ｅｆｆを用いて分極抵抗Ｒ_ｐを算出する、すなわち、付着灰層ＡＳの厚さδ_ａｓｈに応じて分極抵抗Ｒ_ｐを算出するための有効温度Ｔ_ｅｆｆを補正することにより、付着灰層ＡＳの厚さδ_ａｓｈを考慮した分極抵抗Ｒ_ｐの算出が可能となる。

図３は、付着灰層の厚さを考慮した有効温度の経時変化を、付着灰層の厚さを考慮しない場合と比較して示すグラフである。図３において、グラフＴ_{ｅｆｆ＿δ}は、付着灰層ＡＳの厚さδ_ａｓｈを考慮した場合の有効温度の経時変化を示すグラフであり、グラフＴ_{ｅｆｆ＿０}は、付着灰層ＡＳの厚さδ_ａｓｈを考慮しない場合の有効温度の経時変化を示すグラフである。すなわち、グラフＴ_{ｅｆｆ＿０}は、付着灰層ＡＳの厚さδ_ａｓｈを固定値とした場合の有効温度の経時変化を示すグラフである。

図３に示されるように、付着灰層ＡＳの厚さδ_ａｓｈを考慮した場合の有効温度Ｔ_{ｅｆｆ＿δ}の経時変化は、付着灰層ＡＳの厚さδ_ａｓｈを考慮しない場合の有効温度Ｔ_{ｅｆｆ＿０}の経時変化に比べて、有効温度の変化量（振幅）が大きくなる。このことから、付着灰層ＡＳの厚さδ_ａｓｈを考慮することにより、有効温度Ｔ_ｅｆｆのガス温度Ｔ_ｇに対する追従性がよくなることが理解できる。したがって、付着灰層ＡＳの厚さδ_ａｓｈを考慮することにより、排ガス通路９内の腐食環境の変化を高感度に検出可能となることが分かる。

図４は、本実施の形態における灰除去を行った場合の有効温度のガス温度に対する追従性を示すグラフである。図４のグラフにおいては、一周期（例えば１日）の間に５回灰除去が行われている。

図４に示すように、灰除去は行うが付着灰層ＡＳの厚さδ_ａｓｈを考慮しない場合の有効温度Ｔ_{ｅｆｆ＿０}でも、ガス温度Ｔ_ｇに追従して変動する。さらに、付着灰層ＡＳの厚さδ_ａｓｈを考慮した場合の有効温度Ｔ_{ｅｆｆ_δ}は、付着灰層ＡＳの厚さδ_ａｓｈを考慮しない場合の有効温度Ｔ_{ｅｆｆ＿０}に比べて変動幅が大きく、ガス温度Ｔ_ｇにより追従する。

したがって、付着灰層ＡＳの厚さδ_ａｓｈを考慮した場合の有効温度Ｔ_{ｅｆｆ＿δ}を用いて算出された分極抵抗Ｒ_ｐ＿δは、付着灰層ＡＳの厚さδ_ａｓｈを考慮しない場合の分極抵抗Ｒ_ｐ＿０に比べてガス温度Ｔ_ｇの変動により追従したものとなる。このような結果からも、付着灰層ＡＳの厚さδ_ａｓｈを考慮することにより、排ガス通路９内の腐食環境の変化を高感度に検出可能となることが分かる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変更、修正が可能である。

例えば、上記実施の形態において、腐食センサ４１が過熱器２５の上流側に１つ設けられる例を示したが、腐食センサ４１（腐食センサ本体４３および電極部４４）の取り付け場所およびその数は種々採用可能である。なお、腐食センサ４１は、過熱器２５のうち腐食が激しい（蒸気温度が高い）過熱器管２６群の近傍に設けることが好ましい。

例えば、腐食センサ４１は、過熱器２５の上流側において排ガス流通方向に交差する方向に２つ以上並べて設けられてもよい。このように複数の腐食センサ４１を分散配置することにより、排ガス通路９の複数個所において腐食の程度を検出して、排ガス通路９における腐食速度の分布を取得することができる。また、腐食センサ４１は、過熱器２５の上流側に１または複数個設けられ、さらに、それより下流側（例えば、過熱器２５の排ガス流通方向中間位置）に１または複数個設けられてもよい。また、腐食センサ４１は、第２煙道２１以外の排ガス通路９（放射室１９または第１煙道２０）に設けられてもよい。

また、腐食センサ４１が複数設けられる場合、灰除去器６０（灰除去器本体６１）は複数の腐食センサ４１に対応して複数の灰除去器６０が設けられてもよい。また、１つの灰除去器６０に対して複数の腐食センサ４１が設けられてもよい。あるいは、１つの腐食センサ４１に対して複数の灰除去器６０が設けられてもよい。

また、上記実施の形態において、灰除去器６０は、圧縮空気を出射するよう構成された例を示したが、これに代えて、腐食センサ本体４３から離間した位置に設けられ、電極部４４に向けて衝撃波（ショックパルス）を出射するよう構成されてもよい。また、灰除去器６０は、腐食センサ本体４３に直接または間接的に打撃を加えるハンマリング装置として構成されてもよい。

上記実施の形態において、制御器５０は、１つの構成要素として説明したが、制御器５０は、一または複数の制御器、電気回路、計測装置等を組み合わせて構成されてもよい。例えば、制御器５０は、センサ制御部５１として機能するポテンショスタットと、センサ温度制御部５２として機能する温度制御装置と、灰除去器制御部５３として機能する灰除去器６０の制御装置と、灰厚さ算出部５４として機能する電気化学計測装置の演算装置または上位のシステムコンピュータと、を含んでもよい。

また、上記実施の形態において、ボイラ４に設置される過熱器２５における腐食の程度を検出する態様を例示したが、燃焼排ガスが通過する排ガス通路９内において燃焼排ガスによる腐食が懸念される環境である限り、検出対象は、これに限定されない。

また、上記実施の形態において、制御器５０が、電極部４４に付着した灰の厚さδ_ａｓｈが０より大きい所定のしきい値δ_ｔｈ以上となった場合に、灰除去器６０を作動させることを説明したが、灰除去器６０の作動タイミングはこれに限られない。

例えば、制御器５０は、所定のタイミングから所定時間経過した場合にも、灰除去器６０を作動させてもよい。例えば、制御器５０は、計時を行うタイマ（図示せず）を備えており、所定のタイミングから計時を行う。所定のタイミングは、例えば、腐食検出装置４０および／または焼却炉２の稼働開始時、前回の灰除去器６０の作動終了時、所定時刻等、種々設定可能である。制御器５０はタイマで計測した時間が所定時間に達すると灰除去器６０を作動させる。これにより、電極部４４に付着した灰の厚さδ_ａｓｈが所定のしきい値δ_ｔｈ以上になることを予め防止することができる。

これに加えて、または、これに代えて、例えば、制御器５０は、排ガス通路９内に配設される配管（過熱器管２６）の腐食を抑制する腐食抑制材が排ガス通路９内に導入されたことを検出し、腐食抑制材が排ガス通路９内に導入されたことを検出した場合にも、灰除去器６０を作動させてもよい。腐食抑制材の排ガス通路９内への導入は、例えば、腐食抑制材の導入装置（図示せず）からの導入実行信号を制御器５０が受信することで検出する。また、これに代えて、腐食抑制材の排ガス通路９内への導入が、例えば、排ガス通路９内に設置された腐食抑制材の主成分を検出するためのセンサの検出信号を制御器５０が受信することで検出してもよい。制御器５０は、これらの信号を検出した場合に、腐食抑制材が排ガス通路９内に導入されたと判定し、灰除去器６０を作動させる。これにより、腐食抑制材が含まれる灰が電極部４４および排ガス通路９内の配管（過熱器管２６）に付着することを予め抑制することができる。

燃焼排ガスが通過する排ガス通路内において燃焼排ガスによる腐食環境の検出を適正に行うために有用である。

９ 排ガス通路
４０ 腐食検出装置
４１ 腐食センサ
４３ 腐食センサ本体
４４ 電極部
４９ 冷却用ブロア
５０ 制御器
５３ 灰除去器制御部
５４ 灰厚さ算出部（灰厚さ計測器）
６０ 灰除去器
６３ 入口温度検出部（灰厚さ計測器）
６４ 出口温度検出部（灰厚さ計測器）
６５ 流量検出部（灰厚さ計測器）
７３ ガス温度検出部（灰厚さ計測器）

Claims (7)

1. 燃焼排ガスが通過する排ガス通路内において前記燃焼排ガスによる腐食の程度を検出するための腐食検出装置であって、
   中空の腐食センサ本体と、前記腐食センサ本体の外表面に設けられた電極部と、を備えた腐食センサと、
   前記電極部に付着した前記燃焼排ガスに含まれる灰の厚さを計測する灰厚さ計測器と、
   前記電極部に付着した前記灰を除去する灰除去器と、
   前記灰除去器の動作を制御する制御器と、を備え、
   前記腐食センサは、前記電極部に流れる電流から前記電極部に前記灰が付着することにより生じる溶融塩と前記電極部との界面における分極抵抗を算出するよう構成され、
   前記制御器は、前記電極部に付着した前記灰の厚さが０より大きい所定のしきい値以上となった場合に、前記腐食センサが前記分極抵抗を算出可能な前記灰の厚さの最小値以上が前記電極部に残るように前記灰除去器を作動させる、腐食検出装置。
2. 燃焼排ガスが通過する排ガス通路内において前記燃焼排ガスによる腐食の程度を検出するための腐食検出装置であって、
   中空の腐食センサ本体と、前記腐食センサ本体の外表面に設けられた電極部と、を備えた腐食センサと、
   前記電極部に付着した前記燃焼排ガスに含まれる灰の厚さを計測する灰厚さ計測器と、
   前記電極部に付着した前記灰を除去する灰除去器と、
   前記灰除去器の動作を制御する制御器と、を備え、
   前記制御器は、
   前記電極部に付着した前記灰の厚さが０より大きい所定のしきい値以上となった場合に、前記灰除去器を作動させ、
   前記排ガス通路内に配設される配管の腐食を抑制する腐食抑制材が前記排ガス通路内に導入されたことを検出し、前記腐食抑制材が前記排ガス通路内に導入されたことを検出した場合にも、前記灰除去器を作動させる、腐食検出装置。
3. 前記制御器は、所定のタイミングから所定時間経過した場合にも、前記灰除去器を作動させる、請求項１または２に記載の腐食検出装置。
4. 前記腐食センサは、前記腐食センサ本体の内部に冷却空気を導入する冷却用ブロアを備え、
   前記灰厚さ計測器は、
   前記腐食センサ本体内部への前記冷却空気の流量を検出する流量検出部と、
   前記腐食センサ本体内部への前記冷却空気の入口温度を検出する入口温度検出部と、
   前記腐食センサ本体内部からの前記冷却空気の出口温度を検出する出口温度検出部と、
   前記電極部近傍における前記排ガス通路内のガス温度を検出するガス温度検出部と、
   前記冷却空気の入口温度、出口温度、および流量と、前記ガス温度とから前記電極部に付着した前記灰の厚さを算出する灰厚さ算出部と、を備えた、請求項１から３の何れかに記載の腐食検出装置。
5. 前記灰除去器は、前記腐食センサ本体から離間した位置に設けられ、前記電極部に向けて圧縮空気または衝撃波を出射するよう構成される、請求項１から４の何れかに記載の腐食検出装置。
6. 燃焼排ガスが通過する排ガス通路内において前記燃焼排ガスによる腐食の程度を検出するための腐食検出方法であって、
   前記排ガス通路内に、中空の腐食センサ本体と、前記腐食センサ本体の外表面に設けられた電極部と、を備えた腐食センサを導入するステップと、
   前記電極部に流れる電流から前記電極部に前記燃焼排ガスに含まれる灰が付着することにより生じる溶融塩と前記電極部との界面における分極抵抗を算出するステップと、
   前記電極部に付着した前記灰の厚さを算出するステップと、
   前記灰の厚さが０より大きい所定のしきい値以上となった場合に、前記分極抵抗を算出可能な前記灰の厚さの最小値以上が前記電極部に残るように前記電極部に付着した前記灰を除去するステップと、を含む、腐食検出方法。
7. 燃焼排ガスが通過する排ガス通路内において前記燃焼排ガスによる腐食の程度を検出するための腐食検出方法であって、
   前記排ガス通路内に、中空の腐食センサ本体と、前記腐食センサ本体の外表面に設けられた電極部と、を備えた腐食センサを導入するステップと、
   前記電極部に流れる電流から前記電極部に前記燃焼排ガスに含まれる灰が付着することにより生じる溶融塩と前記電極部との界面における分極抵抗を算出するステップと、
   前記電極部に付着した前記灰の厚さを算出するステップと、
   前記灰の厚さが０より大きい所定のしきい値以上となった場合に、前記電極部に付着した前記灰を除去するステップと、
   前記排ガス通路内に配設される配管の腐食を抑制する腐食抑制材が前記排ガス通路内に導入されたことを検出し、前記腐食抑制材が前記排ガス通路内に導入されたことを検出した場合にも、前記電極部に付着した前記灰を除去するステップと、を含む、腐食検出方法。

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