JPS6354595A - 高温熱交換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、高温の燃焼排ガスから各種の媒体により熱を
回収する空気予熱器、ボイラ、温水ボイラ等の熱回収用
の熱交換器において、アルカリ金属塩等によるデポジッ
トを生じない高温熱交換器に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、都市ごみ、各種産業廃棄物、汚泥等の焼却施設で
発生ずる高温の燃焼排ガスは、例えば第５図のフローシ
ートに従って処理されている。

この場合、焼却炉からの温度約９００℃の燃焼排ガスは
空気予熱器で廃熱が回収されたのちガス冷却室で約３０
　（１”ｃに冷却され、Ｆ、　Ｐで除しん処理され′ζ
清浄な排ガスとなり、煙突から大気へ放出される。

〔発明が解決しようとする問題点〕

とごろが、前記燃焼排ガス中に微量のアルカリ金属塩や
溶融金属飛散物が含まれていると融けたＮａ（Ｊ！、　
ＫＩ：１２等のアルカリ金属塩あるいは溶融金属粒子が
各種の熱交換伝熱面（冷却面）に付着・固化し、いわゆ
るデポジットが生ずる。

すなわち、従来のごみ等の焼却施設においては、アルカ
リ金属塩の融点付近又はそれ以上の高温排ガス中で熱回
収を行うと、空気予熱器の伝熱面にデポジットが付着し
、熱回収量が低下するとともに排ガス通路が縮少し、過
度の通風圧力損失が生じ、いずれ運転不能に至るという
問題点があった。

そのため、約１〜２ケ月毎に掃除をしなければならない
し、また、デポジットにより伝熱面つまり金属表面の腐
食を促進させるため、程度の差はあれ伝熱面の材料とし
ては完璧のものはなく、各社ともシステム的に、又は設
計構造上でデボシソ１〜及び腐食を逃げざるを得ないの
が現状である。

また、数年前に某所で、いかなる金属材料を使っても寿
命が短いので、セラミックスを伝熱管として使用する試
みがなされたが、当時のセラミックスは強度が不十分で
あったこと、またＺｒＯ□やＡ　Ｉ！、０．やＳｉＣで
は熱的に安定で強度は十分であるが金属材料以上にデポ
ジットが固着成長してしまい、問題点を根本的に解決す
るまでには至っていない。

これは、金属材料ならば、デポジットが固着してもハン
マー等でたたいて除去することばできるが、セラミック
スではたたいて除去するわけにはいかず実際上、除去す
る方法がないためである。

このように、高温用伝熱材料としてのセラミックスは、
熱的に安定で腐食性ガスに対する耐腐食・ｉｔ　Ｉｆ耗
用材料としては最高のものであるが、高温排ガス中にア
ルカリ金属塩を含むと強固なデボシソＩ・を生じ、致命
的である。

デポジット対策としてカオリン粉末を焼却炉に混入して
炉内のＮａ、に等を融点の高い（９５０℃以上）化合物
に変化させる方法もあるが、ランニングご１ストが高価
であり、石炭の燃焼排ガス処理用に使われているようで
あるが都市ごみ焼却の分野で使われている例は未だない
。

以上のような状況下において、例えばアルカリ金属塩を
わずかに含む都市ごみ等の焼却施設においては、第６図
に示すように高温条件下での空気予熱器の使用を断念し
、ガス冷却室で約９００°Ｃの燃焼排ガスを約り５０℃
〜４００℃程度に冷却した後、空気予熱器に通して更に
冷却し約３００℃にする方法が主流になってきている。

すなわち、融点以上になって融けたアルカリ金属塩を融
点以下まで減温し、固化した後に伝熱部に通すという方
法である。

一般には、排ガス温度を６５０℃以下（好ましくは５５
０℃以下）に減温すればデボシソｌ−）ラブルはなくな
ると言われているが、一部にはごみ成分の地域特性から
か、４００℃〜５００°ＣでもデボシソＩ・の問題が起
きているところもある。これは、各種の塩の複合体が単
体の固化点以下の温度で固化する作用によるものであろ
う。

しかしながら、第６図に示す方法ではエネルギー回収の
効率は極めて小さく、高温側と低温側の温度差が高くと
れないし、総括熱伝達係数が小さいため、所要伝熱面積
が第５図の５〜１０倍にもなるという欠点があり、また
大きな冷却ゾーンを設けなければならなかった。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、これら従来の耐熱構造部材の欠点を的
確に除去するため高温の燃焼排ガス中に融ＬＪたアルカ
リ金属塩が存在していても、冷却面である伝熱面にデポ
ジットを生じない高温熱交換器を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明ば、高温の燃焼排ガスから各種の媒体により熱を
回収する空気予熱器、ボイラ、温水ボイラ等の熱回収用
の熱交換器において、熱の授受を行なう伝熱管等の伝熱
部材料を、ＴｉＯ□を主成分とずろ焼成体として構成し
たことを特徴とする高温熱交換器である。

また、本発明は、高温の燃焼排ガスから各種の媒体によ
り熱を回収する空気予熱器、ボイラ、温水ボイラ等の熱
回収用の熱交換器において、熱の授受を行なう伝熱管等
の伝熱部材料を、金属材料による母材にＴｔＯ□を主成
分とする焼成体をコーティングして構成したことを特徴
とする貰温熱交換器である。

発明者らは、品温条件下でアルカリ金属化合物（Ｎａ２
ＳＯ４，ＮａＯＨ，ＮａＣ１１，Ｎａ２ＳＯ４，ＫｚＣ
Ｏ３、ＫＯＨ＋ＫＣｊ！、　Ｋ、ＳＯ，等）を微量に含
んでいるとセラミックスにデポジットが強固に固着・成
長してしまうが、ＴｉＯ□焼結体が高温下でアルカリ金
属塩あるいは溶融金属に対して極めて安定であることを
知見し、さらに研究を重ねた結果、Ｔｉ（ｈ焼結体中の
不純物金属の含有量が、極めてアルカリ金属塩あるいは
溶融金属との反応性に関係が深いことを新規に知見する
に到り、本発明を完成した。

代表的なサンプルにおいて付着の強さの順に列記すると
、 ＺｒＯ２＞α−５ｉＣ＞β−５ｉＣ＞７１ｊ！２０．　
＞７４Ｑ２となる。

すなわち、ＳｉＣ等は約７００℃以上で強固に固着し、
Ａ７Ｉｔ’３は約７５０℃以下ではまったく付着しない
が、約８００℃以上になると付着しはじめるのに対し、
ある種のＴｉＯ□は９５０℃の高温でもまったく付着し
なかった。

発明者らは、この現象に着目し、ＴｉＯ２を素材とした
焼成体を熱交換器の伝熱面とする（この場合、熱交換器
の伝熱管等の全体をＴｉＯ□焼成体で構成してもよく、
その伝熱表面のみをＴｉ１ｔ焼成体で形成してもよい。

）ことにより、高温排ガス中に溶融アルカリ金属塩が存
在していても付着、固化による熱交換量の低下及び排ガ
ス通路の閉塞を起こすことがなく、長期間安定な連続運
転を可能とすることができた。また、熱交換器の母材を
金属材料で構成すると共に、この母材表面にＴｉ（１２
をコーティングして、前記伝熱面を形成することによっ
ても同様の好結果が得られることが判明した。

なお、本発明では前記伝熱面をＴｉ、０□８５重量％以
上で形成するのが好ましく、９０重量％以上で形成する
のがより好適である。Ｔｉ０ｚにＡ　７！ｚ０３や８１
０２等を少量混合した混合物の焼成体により形成するこ
ともできる。その理由は、ＴｉＯ□含有量が８５重量％
よりも少ないと焼成体中のＴｉ０ｚの塩類に対する安定
性が損なわれるためである。

そして、Ｔｉ０ｚ焼成体に含有されるＬｊ、　Ｂｅ、　
Ｂ。

Ｎａ、　ＭＨ，＾Ｉｌ、　Ｓｉ、　Ｋ、　Ｃａ、　Ｃｒ
、　Ｆｅ、　Ｃｕ、　Ｚｎ、　Ｓｒ。

７、ｒ、　ｎｏｒの合旧ば１０重重量以下であることが
好ましい。これらの元素が多く存在すると、これらの元
素は、前記アルカリ金属塩や溶融食塩との反応性が大き
く、相溶して低融点の塩あるいは低融点のガラス状の化
合物を形成して、強く結合するようになるためであり、
なかでも、これらの元素のうち、Ｌｉ、　Ｌ　Ｎａ、　
Ａｒｔ　＋　Ｓｌｌ　Ｃａ、　Ｋ＋　Ｚｎが上記傾向が
強く顕われ、合せて７重量％以下であることがより好適
な結果を与える。

また本発明の、主としてＴｉＯ４からなる焼成体を焼結
体とした場合の気孔率は、該焼結体全体の容積に対し３
０容積％以下であることが好ましい。

その理由は、３０容積％よりも大きいと、焼結体に存在
する開放気孔の割合が畜くなり過ぎ、特に気密性を必要
とする用途への適用が困難になるからであり、中でも２
０容積％以下であることがより好適である。

ところで、ＴｊＯ□は一般に伝熱面として使用される金
属材料に比べて熱伝導率が低いが、これらの値は通常無
視できる程度のものである。以下これを説明する。

さて、伝熱面を介して高温側流体と低温側流体とで熱交
換を行う場合、その伝熱量を総括熱伝達率Ｕ値で表現す
る。

管外側境膜係数り。は、例えば約９００℃の高温排ガス
では約５０　ｋｃａｌ　７ｍ２・ｈ・　℃であり、管内
側境膜係数り、は、例えば空気の場合約５００ｋｃａ７
！／ｍ２・ｈ・’Ｃである。

伝熱面の材料を例えばボイラ用鋼管５ＴＢ４−２とする
と、熱伝導率λ、は約３７ｋｃａ＃　７ｍ　−ｈ　・”
Ｃで、ＴｉＯ２ではλ２は約３ｋｃａｊ！　７ｍ−ｈ　
＝　”Ｃとなる。

一方、Ｕ値は −＋　−□　十□ ｈｏ　　λ　　　ｈ。

で表わされる。ここでｔは伝熱面の肉厚（ｍ）であり、
例えばｔを４１とすると、 ５ＴＢ４２の場合、 □→−□十□ ＝４５．２ｋｃａｊ２／ｍ２・ｈ・”ｃ】１ ＴｉＯ２の場合、 ■ となる。

一方、デポジットによる汚れ係数は、ある実績ではＲｄ
　＝０．００６４ｒＪ　・ｈ　・℃／ｋｃａｌであった
。そこで、この汚れ係数を考慮したＵ値を計算すると５
ＴＢ４．２の場合、 と約７８％に低下するが、Ｔｉｅ、の場合にはＲｄ＃０
であり、Ｕ値の低下はない。

なお、Ｒｄ＝０．００６４は運転中の一例であり、強固
にデポジットが付着すると、Ｕ値が５０％以上低下する
例もある。

以上のように、伝熱面の熱伝導率が例えば１／１０以下
でも総括熱伝達率に及ぼず影響は、わずか５％程度の低
下であり、デポジットによる伝熱量の低下とは比較にな
らない位に微少である。

〔実施例〕

本発明の実施例を従来例と比較しつつ図面に基づいて説
明すると、第１図及び第２図において１は空気予熱器、
２は燃焼排ガスの流入部、３は燃焼１ノ１ガスの流出部
、４は燃焼用空気の導入部、５は予熱空気の導出部、６
は伝熱管、７は環状路である。

この装置では、燃焼用空気は導入部４を経て環状路７内
を上昇したのちＵターンして複数の伝熱管６，６・・・
に分配流入し、該伝熱管内を降下する間に空気予熱器■
内を流過する燃焼排ガスと熱交換して加熱され、予熱空
気となって導出部５から系外へ専用される。なお、燃焼
排ガスは前記伝熱管群の内側に形成される円錐状の空間
（上下に２個所形成されている）内、及び伝熱管群と前
記環状路との間に形成される環状空間内を下方に流過す
るものである。

さて、本発明の空気予熱器では前記各伝熱管６．６・・
・は母材が金属材料で構成され、燃焼排ガスと接触する
伝熱面は、ＴｉＯ□を主成分とする素材による薄膜を前
記母材の表面に積層することによって形成されているが
、従来は伝熱管全体（伝熱面も含めて）が金属材料で構
成されたものであった。

しかして、上記従来の空気予熱器では、プラスチックを
含む都市ごみの焼却炉で発生する燃焼排ガスにより燃焼
用空気の予熱を行なっていたが、運転開始後短期間のう
ちに伝熱管の伝熱面にデポジットが付着すると共に、該
伝熱面がこのデポジットにより相当に腐食されているこ
とが判明した。

すなわち、空気予熱器１内の燃焼排ガス通路のうち第１
図における円錐状空間に位置する伝熱管の伝熱面全面（
第１図Ｒで示す範囲の伝熱面全面）に固いデポジットが
固着し、互いに隣り合う伝熱管と伝熱管との間の隙間に
もデポジットが固着しているうえ、燃焼排ガス通路の中
心部Ｃもデポジットで殆ど閉塞した状態となっていた。

なお、前記環状空間内にはサラザラした灰が留まってい
た。

そこで、伝熱管をすべて本発明に係るものと交換し、上
記従来例の場合と同一の条件で運転を再開し、上記従来
例と同一の運転期間経過後に再び空気予熱器内を点検し
た。その結果、上記従来例とは異なり、伝熱管伝熱面へ
のデポジットの固着は全く見当たらなかった。なお、デ
ポジットが伝熱面に付着しているように見えるものもあ
ったが、その実体は素手で簡単に除去できる灰であり、
その量や大きさは殆ど無視できる程度であり、伝熱面の
腐食も全く発生していなかった。

ところで、例えば発熱量の低い汚泥等の焼却でシ：！、
予熱空気温度をできるだけ高くすることが望ましいが、
伝熱面を金属材料とすると、その耐用温度に限界がある
ため従来の空気予熱器では予熱空気温度に限界があった
が、本発明によるＴｉＯ□焼成体による伝熱面とするこ
とにより、従来の限界を超える予熱空気温度とすること
ができる。

その実施例を第３図及び第４図に示す。この空気予熱器
１１は、第３図のように耐火材により構成された箱型の
高温排ガスダクト１２内にＴｉＯ２焼成体による伝熱管
１６が複数はぼ平行に並列配備され、前記ダクト内の空
間が燃焼用空気流路１７と、高温排ガス流路１８に区画
されたものである。

伝熱管１６の取付要領は第４図に示すとおりで高温パツ
キン１９、パツキン押え２０などを介して前記ダクトに
固定されている。

この空気予熱器１１では伝熱管１６にデポジットが付か
ないため、伝熱管の配列には特に気づかう必要はなく、
熱膨張対策さえしっかりしていれば十分であるという利
点がある。

なお、前記金属材料は用途に応じて使い分けるが、Ｔｊ
Ｏ□質焼成体と近似した熱膨張係数を有するものが特に
好ましい。本実施例におけるＴｉＯ２の熱膨張率は約１
０　Ｘ　１０−６／　”ｃであり、母材とした金属材料
は、５ＴＢ４２（ボイラ熱交換器用炭素鋼鋼管）は約１
１ｘｌＯ−６／”ｃであった。

（実験例１〜７） ＴｉＯ□含有量が８８〜９７重景％の重量内にある７種
類の板状のＴｔＯ□焼結体を用意し、これらの各試料１
．　Ｏ０重量部に対し、３種類の粉末状アルカリ土 類金属塩ＮａＣＺ　＋　Ｎａ２ＣＩ）３＋　ＫＣｊ２を
それぞれ５重量部まぶして試料を作製した。この試料を
９５０℃の高温空気中で１時間加熱し、アルカリ金属塩
の上記各　ＴｉＯ□焼結体への付着の程度を調べた結果
は、第１表にまとめた通りとなった。また、いずれの試
料についても腐食は全く認められなかった。

なお、第１表において、「アルカリ金属塩との結合性」
を示す指標の意味は、次の通りである。

すなわち、 ０；アルカリ金属塩と焼結体とが全く独立して、結合し
ていない、 ２；局部的に塊を形成し付着しているが、容易に剥離す
る、 ４；局部的に溶着し、棒で突かないと離れない、６；全
体的に均一に溶着し、棒で突いても壊れない、 である。なお、例えば指標３は「２と４の中間の結合性
を有する」ことを意味している。指標１゜５についても
同様である。

第１表の結果から、ＴｌＯ２含有率が８５重量％以」二
で１．＋、Ｂｅ、Ｂ＋Ｎａ、Ｍｇ＋ＡＩＶ、、Ｓｔ、に
＋Ｃａ、Ｃｒ＋Ｆｅ、　Ｃｔ＋、　Ｚｎ、　Ｓｒ＋　Ｚ
ｒ＋　Ｂａの合量が１０重量％以下のもののみが、デポ
ジットの生成が皆無で腐食を生じないことが確認できた
。

（以下、余白） Ｉ９ （比較例１．２） 実験例１〜７におけるＴｉＯ□焼結体に代えて、ＴｉＯ
□含有量が８４重重量で不純物元素の含有量（重量％）
が１４．１．１４．４のＴｉ０ｚ焼結体を用意し、同実
験例と同一の条件で処理を行い、アルカリ金属塩の付着
の状態を調べた。

結果をまとめると第２表のとおりであり、いずれの試料
にあってもタリン力状のデポジットが固着し、除去困難
で実用に供し得ないことが判明した。

（以下、余白） 〔発明の効果〕 以上述べたように本発明の高温熱交換器では伝熱管等の
伝熱面にデポジットが付着したり、伝熱面が腐食するこ
とはなく、従来装置の問題点を根本的に解決できる効果
がある。これを具体的に列挙すれば次のとおりである。

■　焼却炉出口の高温排ガス中に各種の熱交換用の伝熱
面として効率良く使用することができる。

デポジットが固着しないので、汚れ係数による伝熱面積
の余裕分が不要である。また、伝熱管方式で熱膨張差に
よる伸縮を逃がす方式でも、摺動部にデポジットが固着
しないので、摺動不良になって破損することもない。

■　熱回収媒体の温度を高温にすることができる。

■　ボイラ等では、特に都市ごみ等のように排ガス中に
粘着物質が含まれているとダスト付着トラブルがあるた
め、通常約６５０℃程度までの減温（熱回収）は輻射伝
熱面とし、約６５０℃以下のゾーンで対流伝熱管群とし
て構成しているが、一般に、第７図に示すように、廃熱
ボイラの輻射部は例えば箱型の容器状とするため、形状
ばかなり大きく全体の約６０〜７０％程度の大きさを占
めてしまう。そのため従来は装置、建屋、据付費等が高
価となるという問題点があった。

これに対し、本発明に係るボイラーチューブを適用すれ
ば、輻射部が不要になり、全て対流伝熱管群とすること
ができるので、全体で従来の】／２程度の大きさで済み
、装置、建屋、据付費等を大幅に縮小・削減することが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る空気予熱器の実施例の主要部の正
面断面図、第２図はその平面図、第３図は空気予熱器の
別の実施例の断面図、第４図はそのＡ部拡大図であり、
第５図及び第６図はそれぞれ従来の燃焼排ガスの処理プ
ロセスを示すフローシート、第７図は従来のごみ焼却施
設の概要を示す縦断面図である。 １・・・空気予熱器、２・・・流入部、３・・・流出部
、４・・・導入部、５・・・導出部、６・・・伝熱管、
７・・・環状路、ＩＩ・・・空気予熱器、１２・・高温
排ガスダクト、１６・・・伝熱管、１７・・・燃焼用空
気流路、１８・・・高温ｆＪｌガス流路、１９・・・高
温パツキン、２０・・・パツキン押え。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. （１）高温の燃焼排ガスから各種の媒体により熱を回収
   する空気予熱器、ボイラ、温水ボイラ等の熱回収用の熱
   交換器において、熱の授受を行なう伝熱管等の伝熱部材
   料を、ＴｉＯ＿２を主成分とする焼成体として構成した
   ことを特徴とする高温熱交換器。
2. （２）前記伝熱部材料を、少なくとも８５重量％がＴｉ
   Ｏ＿２からなる焼成体とした特許請求の範囲第１項記載
   の高温熱交換器。
3. （３）前記伝熱部材料を、Ｌｉ、Ｂｅ、Ｂ、Ｎａ、Ｍｇ
   、Ａｌ、Ｓｉ、Ｋ、Ｃａ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｓ
   ｒ、Ｚｒ、Ｂａの含有量の合計が１０重量％以下である
   ＴｉＯ＿２質焼成体とした特許請求の範囲第１項又は第
   ２項記載の高温熱交換器。
4. （４）前記伝熱部材料は、気孔率が３０容積％以下の焼
   結体である特許請求の範囲第１〜３項のいずれか一つの
   項記載の高温熱交換器。
5. （５）高温の燃焼排ガスから各種の媒体により熱を回収
   する空気予熱器、ボイラ、温水ボイラ等の熱回収用の熱
   交換器において、熱の授受を行なう伝熱管等の伝熱部材
   料を、金属材料による母材にＴｉＯ＿２を主成分とする
   焼成体をコーティングして構成したことを特徴とする高
   温熱交換器。
6. （６）前記焼成体を、少なくとも８５重量％がＴｉＯ＿
   ２からなる焼成体とした特許請求の範囲第５項記載の高
   温熱交換器。
7. （７）前記焼成体をＬｉ、Ｂｅ、Ｂ、Ｎａ、Ｍｇ、Ａｌ
   、Ｓｉ、Ｋ、Ｃａ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｓｒ、Ｚ
   ｒ、Ｂａの含有量の合計が１０重量％以下であるＴｉＯ
   ＿２質焼成体とした特許請求の範囲第５項又は第６項記
   載の高温熱交換器。
8. （８）前記焼成体は、気孔率が３０容積％以下の焼結体
   である特許請求の範囲第５〜７項のいずれか一つの項記
   載の高温熱交換器。