JPH10274401A - 廃棄物焼却ボイラ・スーパーヒータの耐高温腐食性熱交換用チューブ - Google Patents

廃棄物焼却ボイラ・スーパーヒータの耐高温腐食性熱交換用チューブ

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JPH10274401A
JPH10274401A JP7963097A JP7963097A JPH10274401A JP H10274401 A JPH10274401 A JP H10274401A JP 7963097 A JP7963097 A JP 7963097A JP 7963097 A JP7963097 A JP 7963097A JP H10274401 A JPH10274401 A JP H10274401A
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pipe
temperature
tube
boiler
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JP7963097A
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Ryutaro Motoki
龍太郎 元木
Hideo Fujita
秀雄 藤田
Takahiro Gama
隆弘 蒲
Atsushi Funakoshi
淳 船越
Takashi Nishi
隆 西
Takahiro Kitagawa
貴宏 北川
Akira Kosaka
晃 小阪
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Kubota Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ごみ等廃棄物焼却炉から発生する排ガスの廃
熱回収システムにおけるボイラ,スーパーヒータの熱交
換用管として、耐高温腐食性にすぐれ、過熱蒸気の高温
化を可能とするチューブを提供する。 【解決手段】 この熱交換用管は、耐熱金属(ボイラ用
炭素鋼・合金鋼,ステンレス鋼,Ni/Co系合金等)
の管材を基体とし、その表面をセラミックス皮膜で被覆
保護している。セラミックス皮膜の材種は、Al2 O 3
の酸化物,SiC 等の炭化物,Si3 N 4 等の窒化物,TiB
等の硼化物, MoSi等の珪化物などが好適であり、膜厚は
数ミクロンである。該皮膜は、好ましくは化学蒸着によ
り形成され、また必要に応じ、複数種の皮膜からなる多
層積層膜として形成される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、ごみ等廃棄物の焼
却炉の高温排ガスから熱エネルギを回収し、蒸気発電等
に利用する廃熱回収システムにおけるボイラやスーパー
ヒータの熱交換用チューブに関する。
【0002】
【従来の技術】近年、エネルギの有効利用・多様化促進
の観点から、ごみ等の廃棄物の焼却余熱を利用した廃棄
物発電技術等の開発が推進されている。廃棄物焼却炉の
高温の排ガスから熱エネルギを回収する熱回収システム
は、廃熱ボイラ,スーパーヒータ,集塵器,ガス処理塔
などからなる。廃熱ボイラで、排ガスと水管内の水との
熱交換により飽和蒸気を発生し、飽和蒸気はスーパーヒ
ータに送り込まれ、更に排ガスと熱交換して高温高圧の
過熱蒸気に変換される。過熱蒸気は、蒸気タービンに供
給され、発電に利用される。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】ごみ焼却炉から発生す
る排ガスは、高濃度の塩素(約500 〜2000ppm )を含有
し、また排ガス中の飛灰(焼却灰)には、ナトリウム,
カリウム,カルシウム等の塩基性塩(NaCl,KC
l,Na2 SO4 等)が多量に含まれている。このた
め、高温において強い腐食環境となり、廃熱回収システ
ムの構成部材の腐食損傷が問題となる。廃熱回収システ
ムの発電効率を高めるには、スーパーヒータでの過熱蒸
気をより高温化することが必要であるが、熱交換用パイ
プの腐食防止の点から、管壁温度を比較的低温度(約32
0 ℃程度) に抑えざるを得ず、従って管内の蒸気温度は
高々300 ℃程度にとどまっている。また、廃熱ボイラチ
ューブの表面温度は比較的低いが、その温度管理は難し
く、チューブを腐食から確実に保護することは困難であ
る。
【0004】上記高温腐食環境に対処し、過熱蒸気の高
温高圧化を可能とする管材として、セラミックスパイプ
を使用することが考えられるが、セラミックスは脆性材
料であり、使用時の熱衝撃,機械衝撃,あるいは熱応力
などにより破壊されることもあり、安定使用を保証する
ことはできない。本発明は、廃棄物焼却排ガスと接触す
る高温腐食環境におけるボイラチューブやスーパーヒー
タチューブ等として、耐高温腐食性にすぐれ、スーパー
ヒータによる過熱蒸気の高温高圧化,発電効率の向上等
を可能とする改良された熱交換用チューブを提供するも
のである。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明に係る廃棄物焼却
ボイラ・スーパーヒータの熱交換用チューブは、耐熱金
属からなるチューブの外表面をセラミックス皮膜で被覆
したことを特徴としている。
【0006】セラミックスは一般に、高温強度にすぐれ
ると共に、塩類との濡れ性も低く、卓抜した高温腐食抵
抗性を示す。金属は、塩類との濡れ性がよいので、耐熱
合金でも、高温環境での塩類の付着と著しい腐食を避け
得ないが、セラミックスと異なり靱性にすぐれている。
本発明の熱交換用チューブは、金属チューブを基体とす
ることにより、熱交換用チューブに必要な靱性を有し、
その表面をセラミックス皮膜で被覆していることによ
り、高温排ガス中の塩類等の腐食物質に対する高度の腐
食抵抗性を確保している。
【0007】
【発明の実施の形態】基体である金属チューブを形成す
る耐熱金属は、例えば、ボイラ用炭素鋼・合金鋼、また
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。該チュー
ブは、鍛圧管,遠心鋳造管等が適宜使用される。基体表
面を被覆するセラミックスは、酸化物,炭化物,窒化
物,硼化物,珪化物,炭素等、広範囲の選択が可能であ
る。特に、ごみ焼却炉排ガスのように塩素ガスが存在
し、かつ,Na,K,Ca等の塩基性塩を含む飛灰が混
在した高温ガス用フィルタのセラミックス皮膜では、酸
化物としてアルミナ(Al2 3 ) やサイアロン(Si
AlNO),炭化物として炭化珪素(SiC),窒化物
として窒化珪素(Si3 4 ),硼化物として硼化チタ
ン(TiB2 ),珪化物として珪化モリブデン(MoS
i)等が好適である。これらのセラミックス皮膜の厚さ
は数μm(約1〜5μm程度)であってよい。
【0008】基体の金属チューブは、油脂,スケール,
その他の付着汚染物の除去処理を施されたうえ、セラミ
ックス皮膜が形成される。セラミックス皮膜の形成は、
溶射法,物理的蒸着法(PVD) 、または化学的蒸着法(CV
D) により行われる。化学蒸着法によれば、溶射法等で
は得られない高緻密質かつ密着性のよいセラミックス皮
膜を形成することができ、また物理的蒸着法に比し、比
較的簡素な装置で、チューブ周面の全体に均一にセラミ
ックス皮膜を形成することができる。
【0009】化学蒸着は、原料ガスとしてハロゲン化
物,硫化物,水素化物等を含む調整されたガスまたはガ
ス混合物を高温中で、熱分解,酸化・還元,重合,ある
いは気相化合反応等させて皮膜組成を被処理物上に沈着
させる方法であり、原料ガス組成および処理温度は、形
成するセラミックス皮膜の材種に応じて調節される。例
えば、アルミナ皮膜(Al2 O 3 ) の化学蒸着処理は、塩
化アルミニウム(AlCl3 ) ,二酸化炭素(CO2 ) および
水素 (H 2 ) からなる混合ガスを原料ガスとし、処理温
度を約1000℃として行われる。また、窒化珪素皮膜(Si
3 N 4 ) は、四塩化珪素(SiCl 4 ) とアンモニア (N
H3 ) との混合ガスを使用し、処理温度を約1200℃とし
て成膜することができ、炭化珪素皮膜(SiC )は、四塩
化珪素(SiCl 4 ) とプロパン(C3 H 8 ) の混合ガスを使
用し、処理温度を約1200℃として成膜される。このほ
か、被処理物(金属チューブ)の合金元素と原料ガスと
の反応によりセラミックスを成膜することもでき、例え
ば、金属チューブが、Mo含有合金(ニッケルクロムモ
リブデン合金等)である場合において、四塩化珪素(SiC
l 4 ) を原料ガスとし、約1000℃で処理することによ
り、珪化モリブデン(MoSi)のセラミックス皮膜を形成す
ることができる。
【0010】なお、金属とセラミックスとは一般に熱膨
張係数が大きく異なるので、その熱膨張率の差異によ
り、基体(金属チューブ)とセラミックス皮膜との界面
の密着強度を十分に確保することが困難であるような場
合には、セラミックス皮膜を、材種の異なる複数層から
なる積層構造とし、膜厚方向に熱膨張率の勾配をもたせ
るようにすればよい。例えば、ステンレス鋼等の多孔質
焼結体を被処理物とし、これにAl2 O 3 被膜を成膜する
場合において、例えば第1層としてTiC 皮膜を形成し、
中間層としてTiN 被膜を積層し、そのうえにAl2 O 3
膜を積層成膜することにより、熱望膨張率の勾配が緩和
され、基体に対する皮膜の密着強度が高められる。この
積層構造は、化学蒸着処理における原料ガスの切り換
え,処理温度の調整操作により容易に形成することがで
きる。
【0011】
【実施例】
〔1〕供試材の作製 耐熱耐食合金として市販の実用合金を基材とし、試験片
(10×10×3,mm)を切出し、全面を研磨仕上げ(エメリ
研磨, ♯400)し、アセトンで脱脂洗浄したうえ、化学蒸
着に付し、セラミックス皮膜を形成する。処理時間は、
膜厚が約1〜3μmとなるように調整した。複数皮膜の
積層形成は、原料ガス組成および処理温度の切り換え調
整操作により行った。
【0012】アルミナ(Al 2 O 3 ) 膜: AlCl3 - CO2 -H
2 ガス,処理温度 1000 ℃ 炭化珪素(SiC) 膜: SiCl 4 -C 3 H 8 ガス,処理温度 1
000 ℃ 窒化珪素(Si 3 N 4 ) 膜: SiCl 4-NH 3 ガス,処理温度
1200 ℃ 硼化チタン(TiB2 ) 膜:TiCl 4 -BCl3 ガス,処理温度 1
150 ℃ 珪化モリブデン(MoSi)膜: SiCl4 ガス,処理温度 1000
℃ 炭化チタン(TiC) 膜: TiCl4 -CH 4 -H2 ガス, 処理温度
1200 ℃ 窒化チタン(TiN) 膜: TiCl4 -N2 -H2 ガス, 処理温度 9
00℃
【0013】〔2〕高温腐食試験 実缶灰を乳鉢で細かくすりつぶし、アセトンでスラリー
とした後、試験片の表面に刷毛で塗布する。塗布量: 40
0g/m2 。試験片を石英管内に設置し、雰囲気ガス(ごみ
焼却炉排ガスの標準組成)を流通し、試験後、腐食減量
(g/m2 ) を測定する。 ガス組成: NO 100ppm, SO 2 50ppm, HCl 1000ppm, CO 1
00ppm, CO 2 10ppm, O 2 10%, H2 O 20%, N2 Bal 。 灰の組成: Al 3.8, Si 5.07, Fe 1.72, Na 6.43, K 7.7
7, Ca 14.2, Mg 1.56,Pb 0.78, Zn 1.95, Total S 13.4
5, Total Cl 2.06, H2 O 0.43 (mass %) 。 試験温度: 500℃ ガス流量: 500cm3 / min 試験時間: 96Hr
【0014】〔3〕耐剥離性試験 試験片を温度 500℃に急速加熱(1000℃/ min )した
後、15℃まで強制空冷(250 ℃/ min )する加熱・冷却
処理を1サイクルとして20回反復実施する。試験後の
セラミックス皮膜の剥離の有無および程度を目視観察す
る。
【0015】表1に、各供試材の腐食試験および耐剥離
性試験結果を示す。No.1〜7 は発明例、No.11 〜13は、
セラミックス皮膜を有しない比較例である。発明例のも
のは、セラミックス皮膜の卓抜した耐高温腐食性により
基材管体を、腐食からほぼ完全に保護している。このよ
うに本発明のチューブは、塩基性塩を含有する飛灰と接
触する高温腐食環境に対して、卓抜した腐食抵抗性を有
するので、スーパーヒータでは約450〜500℃の高
温運転も可能である。
【0016】
【表1】
【0017】
【発明の効果】本発明の熱交換用チューブは、基体であ
る金属管の靱性と、その表面を被覆するセラミックス皮
膜による卓抜した耐高温腐食性を有し、ごみ等廃棄物焼
却炉の排ガスの廃熱回収システムにおけるボイラやスー
パーヒータの熱交換用チューブとして、その熱交換用管
の耐用温度の制約を解消し、より高温の運転(例えば、
450 〜500 ℃)を可能とし、過熱蒸気の高温化による廃
熱回収システムの発電効率を飛躍的に高めることを可能
にするものである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 船越 淳 大阪府枚方市中宮大池1丁目1番1号 株 式会社クボタ枚方製造所内 (72)発明者 西 隆 大阪府枚方市中宮大池1丁目1番1号 株 式会社クボタ枚方製造所内 (72)発明者 北川 貴宏 大阪府枚方市中宮大池1丁目1番1号 株 式会社クボタ枚方製造所内 (72)発明者 小阪 晃 大阪府枚方市中宮大池1丁目1番1号 株 式会社クボタ枚方製造所内

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 耐熱金属からなるチューブの外表面を、
    セラミックス皮膜で被覆したことを特徴とする廃棄物焼
    却ボイラ・スーパーヒータの耐高温腐食性熱交換用チュ
    ーブ。
  2. 【請求項2】 セラミックス皮膜は化学蒸着により形成
    された皮膜であることを特徴とする請求項1に記載の廃
    棄物焼却ボイラ・スーパーヒータの耐高温腐食性熱交換
    用チューブ。
  3. 【請求項3】 セラミックスは、酸化物,炭化物,窒化
    物,硼化物,または珪化物からなることを特徴とする請
    求項1または請求項2に記載の廃棄物焼却ボイラ・スー
    パーヒータの耐高温腐食性熱交換用チューブ。
  4. 【請求項4】 酸化物が、アルミナまたはサイアロン,
    炭化物が炭化珪素,窒化物が窒化珪素,硼化物が硼化チ
    タン,珪化物が珪化モリブデンであることを特徴とする
    請求項3に記載の廃棄物焼却ボイラ・スーパーヒータの
    耐高温腐食性熱交換用チューブ。
JP7963097A 1997-03-31 1997-03-31 廃棄物焼却ボイラ・スーパーヒータの耐高温腐食性熱交換用チューブ Pending JPH10274401A (ja)

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