JP2002310594A

JP2002310594A - 熱交換用伝熱管を備えた熱交換器

Info

Publication number: JP2002310594A
Application number: JP2002031654A
Authority: JP
Inventors: Koji Ishizeki; 幸二石関; Takashi Noto; 隆能登; Hiroaki Nishio; 浩明西尾
Original assignee: NKK Corp; Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 2001-02-09
Filing date: 2002-02-08
Publication date: 2002-10-23

Abstract

(57)【要約】【課題】比較的高い蒸気温度で使用しても熱交換用伝
熱管の腐食を生じにくく、伝熱管の寿命延長を図ること
ができる熱交換器を提供すること。【解決手段】外部を高温ガスと接触させ、内部を通過
する被加熱流体との間で熱交換させる熱交換用伝熱管を
備えた熱交換器であって、熱交換用伝熱管が鋼管２４と
該鋼管２４の外面を被覆する被覆層２５とからなり、被
覆層２５の少なくとも表層部がセラミック・金属複合材
料、好ましくはＡｌＮ系セラミック・金属複合材料によ
り構成されることを特徴としている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、テールエンドボイ
ラ、空気予熱器、水冷壁管等のような、熱交換用伝熱管
を備えた熱交換器に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、ゴミ焼却炉等において、廃熱の有
効利用の観点から廃熱回収ボイラを後流側に設置し発電
を行う方法が盛んになっている。図１５に縦型廃熱回収
ボイラ（以下、縦型ボイラという）を後流側に設置した
ゴミ焼却プラントのフロー図を示す。縦型ボイラ２はゴ
ミ焼却炉１の後流側に設置されている。

【０００３】ゴミ投入口３より投入されたゴミは燃焼部
で燃焼する。発生した排ガスは太矢印に示すように約８
００〜９００℃の高温部である第１パス部４を通り、高
温ガスのミキシングやガス温度低下のために設置された
第２パス部５に流れる。さらに、ガス温度の低下した第
３パス部６に設置された過熱器７、蒸発管９を通過し、
バグフィルタ１０を経て、煙突１１より大気に放出され
る。符号８はスートブロワである。一方、過熱器７で発
生した過熱蒸気はヘッダ１２を通り蒸気タービン１３に
送られる。

【０００４】従来、過熱器７等に用いられる高温蒸気用
の伝熱管（熱交換用伝熱管）の高温腐食を防止するため
に、ボイラの蒸気温度を３００℃以下に抑えてきた。こ
れは以下のような理由による。ゴミ焼却炉等の排ガスに
は腐食性の強いＨＣｌガスが含まれ、さらに排ガス中に
は腐食性の強いＮａＣｌ、ＫＣｌ等の塩化物や、Ｎａ ₂
ＳＯ₄、Ｋ₂ＳＯ₄等の硫酸塩等を多量に含む飛灰が存在
している。このため排ガス通路中に設置された伝熱管の
表面には、排ガスによって運ばれた飛灰が付着する。伝
熱管表面に付着した飛灰には融点が３００〜４００℃と
低いものが存在し、このような飛灰が蒸気温度が３００
℃を超えるような伝熱管の表面に付着すると溶融塩とな
る。この溶融塩は腐食性が強いので伝熱管の腐食を生じ
る。

【０００５】また、上記のような溶融塩による腐食以外
に、排ガス中に含まれるＨＣｌガスが付着飛灰に含まれ
る鉛化合物や鉄の酸化物の触媒作用により分解して腐食
性の強いＣｌ₂ガスが生成し、このＣｌ₂ガスにより伝熱
管の腐食が生じる。

【０００６】高温腐食を防止する方法として、伝熱管材
料にアロイ（Ａｌｌｏｙ）６２５やアロイ（Ａｌｌｏ
ｙ）８２５等の高Ｎｉ合金を使用する方法、伝熱管表面
にアロイ（Ａｌｌｏｙ）６２５やアロイ（Ａｌｌｏｙ）
８２５等の肉盛りを行う方法、高温伝熱管をできるだけ
ガス下流側に設置し、高蒸気条件になる伝熱管の外面温
度を抑える方法等がなされてきている。また、伝熱面表
面に付着した飛灰を除去する方法としてスートブロワに
よる灰落としも行われている。

【０００７】また、近年、熱回収する伝熱部が縦方向に
設置された縦型ボイラに対して、伝熱部の各熱交換器が
排ガスが水平方向に流れる箇所に設置され、その熱交換
器の伝熱管が縦方向に配置された横型ボイラ（以下、テ
ールエンドボイラと云う）が採用されてきている。

【０００８】図１６にテールエンドボイラを後流側に設
置したゴミ焼却プラントのフロー図を示す。なお、図１
５と共通する構成には同一の符号を付し、詳細な説明は
省略する。このテールエンドボイラ１４ａでは、高温ガ
スのミキシングやガス温度低下のために設置された第２
パス部５に続いて第３パス部１５ａが設けられ、第２パ
ス部５から流れてきた排ガスを太矢印に示すように水平
方向に流している。そして、そのガス雰囲気中に蒸発器
管群１６ａ（以下、蒸発器管という）と過熱器管群１７
ａ（以下、過熱器管という）が設置され、それらを構成
する熱交換用伝熱管が垂直に設置されている。

【０００９】前記熱交換用伝熱管は外部の排ガスと内部
を通過する被加熱流体（水、蒸気、空気等）との間で熱
交換させるもので、前記蒸発器管１６ａ、過熱器管１７
ａの他に、空気予熱器管群１８ａ（以下、空気予熱器管
という）、水冷壁管２３ａ、節炭器管群２０ａ（以下、
エコノマイザという）等も熱交換用伝熱管で構成されて
いる。

【００１０】ここでは、第３パス部１５ａに続いて第４
パス部１９ａを設け、排ガスを下方に流してそのガス雰
囲気中にエコノマイザ２０ａを設置している。第４パス
部１９ａから排出された排ガスはバグフィルタ１０を経
て、煙突１１より大気に放出される。一方、過熱器管１
７ａで発生した過熱蒸気はヘッダ１２（管寄せ）を通り
蒸気タービン１３に送られる。符号２１ａはボイラドラ
ムである。

【００１１】第３パス部１５ａに設けられた蒸発器管１
６ａ、過熱器管１７ａについては、槌打具２２ａ等によ
り付着飛灰を容易に除去できる。

【００１２】上述したテールエンドボイラ１４ａは、槌
打具２２ａ等により熱交換用伝熱管に付着した付着飛灰
を定期的、不定期的に除去できるので、付着飛灰に起因
した腐食を防止して腐食減肉の進行を低減できる。

【００１３】しかしながら、テールエンドボイラ１４ａ
には以下の点で問題がある。すなわち、過熱器管１７ａ
で発生した過熱蒸気を発電プラント等の蒸気タービン１
３の駆動源として用いる場合、発電効率を上げるために
蒸気温度を４５０℃以上にすると、過熱器管１７ａが耐
食性に優れた材料、例えばＮｉ−Ｃｒ−Ｍｏ材料で構成
されていても腐食減肉が激しく生じ、１〜数年に一度は
管を新品と交換する必要がある。

【００１４】したがって本発明の目的は、比較的高い蒸
気温度で使用しても熱交換用伝熱管の腐食を生じにく
く、伝熱管の寿命延長を図ることができる熱交換器を提
供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明者等は上記課題を
解決するために、熱交換用伝熱管の管壁温度と腐食速度
の関係について検討を行った。これについては図１４に
示すような管壁温度と腐食速度との一般的な関係が知ら
れている。図１４に腐食曲線Ｌで示されるように、腐食
領域には低温腐食領域Ｎ（概略１５０℃以下）と高温腐
食領域Ｍ（概略３００℃以上７００℃以下）とがあり、
高温腐食領域Ｍでは特に過熱器管の管壁が腐食の対象箇
所となる。また、空気予熱器管の入口側も対象箇所とな
る。また、低温腐食領域Ｎでは、特にエコノマイザの管
壁が腐食の対象箇所となる。高温腐食領域Ｍには、塩化
鉄またはアルカリ鉄硫酸塩の生成による腐食ゾーンＭａ
と塩化鉄またはアルカリ鉄硫酸塩の分解による腐食ゾー
ンＭｂが存在する。また、低温腐食領域Ｎは電気化学的
腐食ゾーンである。

【００１６】また、上述したようにゴミ焼却炉の排ガス
には腐食性の強いＨＣｌガスが含まれるとともに、排ガ
ス中には腐食の起因になる飛灰が存在しており、この飛
灰が排ガス流路中に設置された熱交換用伝熱管の表面に
付着する。飛灰には融点が３００〜４００℃程度と低い
ものもあるため、蒸気温度が３００℃を超える熱交換用
伝熱管の表面に付着した飛灰は溶融塩となって管の腐食
を生じ、且つ付着飛灰に含まれる鉛化合物や鉄の酸化物
の触媒作用により、排ガス中に含まれるＨＣｌガスから
腐食性の強いＣｌ₂ガスが生成し、このＣｌ₂ガスによる
伝熱管の腐食も生じる。

【００１７】本発明は以上のような検討の結果なされた
ものであり、以下のような特徴を有する。

【００１８】[1] 外部を高温ガスと接触させ、内部を通
過する被加熱流体との間で熱交換させる熱交換用伝熱管
を備えた熱交換器であって、前記熱交換用伝熱管が鋼管
と該鋼管の外面を被覆する被覆層とからなり、該被覆層
の少なくとも表層部がセラミック・金属複合材料により
構成されることを特徴とする熱交換用伝熱管を備えた熱
交換器。

【００１９】[2] 内部に高温ガスを通過させ、外部を流
れる被加熱流体との間で熱交換させる熱交換用伝熱管を
備えた熱交換器であって、前記熱交換用伝熱管が鋼管と
該鋼管の内面を被覆する被覆層とからなり、該被覆層の
少なくとも表層部がセラミック・金属複合材料により構
成されることを特徴とする熱交換用伝熱管を備えた熱交
換器。

【００２０】[3] 上記[1]の熱交換器において、熱交換
器がテールエンドボイラであることを特徴とする熱交換
用伝熱管を備えた熱交換器。

【００２１】[4] 上記[1]又は[2]の熱交換器において、
熱交換器が空気予熱器であることを特徴とする熱交換用
伝熱管を備えた熱交換器。

【００２２】[5] 上記[1]の熱交換器において、熱交換
器が、外部を高温ガスと接触させ、内部を通過する被加
熱流体との間で熱交換させる熱交換用伝熱管を備えた水
冷壁管であり、該水冷壁管が複数の鋼管と該鋼管間を接
続するフィンからなる水冷壁管本体と、該水冷壁管本体
の高温ガスと接触する側を被覆する被覆層とからなり、
該被覆層が、少なくとも表層部がセラミック・金属複合
材料により構成されたパネルからなることを特徴とする
熱交換用伝熱管を備えた熱交換器。

【００２３】[6] 上記[1]〜[5]のいずれかの熱交換器に
おいて、被覆層のセラミック・金属複合材料が窒化アル
ミニウム系セラミック・金属複合材料であることを特徴
とする熱交換用伝熱管を備えた熱交換器。

【００２４】[7] 上記[1]〜[6]のいずれかの熱交換器に
おいて、被覆層の厚さが３ｍｍ以上３０ｍｍ以下である
ことを特徴とする熱交換用伝熱管を備えた熱交換器。

【００２５】[8] 上記[1]〜[7]のいずれかの熱交換器に
おいて、被覆層の少なくとも表層部が、実質的にＡｌＮ
とＡｌＯＮとＡｌとからなるＡｌＮ系セラミック・金属
複合焼結体からなることを特徴とする熱交換用伝熱管を
備えた熱交換器。

【００２６】[9] 上記[1]〜[7]のいずれかの熱交換器に
おいて、被覆層の少なくと表層部が、実質的にＡｌＮと
ＡｌＯＮとＡｌとを主体とし、これにＴｉＯ₂、Ｚｒ
Ｏ₂、Ｃｒ₂Ｏ₃、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂、Ｙ₂Ｏ₃、Ｃｅ
Ｏ₂、Ｓｃ₂Ｏ₃等の酸化物、ＢＮ、ＭｇＢ₂、ＣａＢ₆、
ＴｉＢ₂、ＺｒＢ₂、ＡｌＢ₂等の硼化物、Ｂ₄Ｃ、Ｔｉ
Ｃ、ＺｒＣ、Ｃｒ₃Ｃ₂、Ａｌ₄Ｃ₃、ＳｉＣ等の炭化物、
ＴｉＮ、ＺｒＮ、Ｃｒ₂Ｎ、Ｓｉ₃Ｎ₄等の窒化物、Ｓｉ₂
Ｎ₂Ｏ等の酸窒化物等の中から選ばれる１種又は２種以
上を配合した燒結体からなることを特徴とする熱交換用
伝熱管を備えた熱交換器。

【００２７】本発明において、熱交換器に備えられる熱
交換用伝熱管は、外部又は内部を高温ガスと接触させ、
内部又は外部を通過する被加熱流体（水、蒸気、空気
等）との間で熱交換させる伝熱管の総称であり、過熱器
管、蒸気器管、エコノマイザ、空気予熱器管、水冷壁管
（管とフィンが一体化した熱交換器）等がこの伝熱管で
構成される。

【００２８】請求項３に係る発明において、熱交換器
を、外部を高温ガスと接触させ、内部を通過する被加熱
流体との間で熱交換させる熱交換用伝熱管を備えたテー
ルエンドボイラに限定したのは、テールエンドボイラは
高温ガスを水平方向に流して、そのガス雰囲気中に熱交
換用伝熱管を垂直に配置した横型ボイラであり、このよ
うなテールエンドボイラでは、高温ガスが水平に折り返
しなく流れてガス流れに偏流を発生させないので局部腐
食が防止され、また、槌打具等により付着飛灰を簡易に
除去できるためである。

【００２９】また、本発明における熱交換用伝熱管は、
鋼管の表面に被覆層を形成し、その被覆層の少なくとも
表層部をセラミック・金属複合材料、特に好ましくはＡ
ｌＮ系セラミック・金属複合材料で構成した被覆構造と
なっている。このような熱交換用伝熱管は、通常内部を
通過する被加熱流体の温度、圧力等に対応して伝熱管と
して使用されている炭素鋼、合金鋼、ステンレス鋼等の
鋼管をそのまま採用し、該鋼管の表面に形成した被覆層
によって腐食性排ガスを該鋼管の表面に到達させないよ
うにしている。この場合、セラミック・金属複合材料、
特にＡｌＮ系セラミック・金属複合材料は耐食性、耐摩
耗性、耐熱衝撃性に優れた材料であるので、腐食性排ガ
スと直接接触する被覆層の少なくとも表層部をセラミッ
ク・金属複合材料、特に好ましくはＡｌＮ系セラミック
・金属複合材料により構成した被覆構造とした。これら
の材料は焼結体にすることによって組織を緻密にできる
ので、飛灰の付着力を小さくし、且つ腐食性ガスや付着
飛灰による溶融塩等の腐食成分の侵入を防止できる。

【００３０】特に、上記被覆層の少なくとも表層部は、
実質的にＡｌＮとＡｌＯＮとＡｌとからなるＡｌＮ系セ
ラミック・金属複合焼結体、若しくはＡｌＮとＡｌＯＮ
とＡｌとを主体とし、これにＴｉＯ₂、ＺｒＯ₂、Ｃｒ₂
Ｏ₃、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂、Ｙ₂Ｏ₃、ＣｅＯ₂、Ｓｃ₂Ｏ₃
等の酸化物、ＢＮ、ＭｇＢ₂、ＣａＢ₆、ＴｉＢ₂、Ｚｒ
Ｂ₂、ＡｌＢ₂等の硼化物、Ｂ₄Ｃ、ＴｉＣ、ＺｒＣ、Ｃ
ｒ₃Ｃ₂、Ａｌ₄Ｃ₃、ＳｉＣ等の炭化物、ＴｉＮ、Ｚｒ
Ｎ、Ｃｒ₂Ｎ、Ｓｉ₃Ｎ₄等の窒化物、Ｓｉ₂Ｎ₂Ｏ等の酸
窒化物等の中から選ばれる１種又は２種以上を配合した
燒結体からなることが好ましい。

【００３１】また、上記被覆構造はセラミック・金属複
合材料による被覆層のみの場合と、鋼管と表層部のセラ
ミック・金属複合材料の間に他の材料による中間層を形
成させた場合が含まれる。

【００３２】また、ゴミ焼却プラント等に用いられる熱
交換器では、前記過熱器管等のように本発明が規定する
伝熱管構造が必要なものと、本発明が規定する伝熱管構
造で構成されなくても簡単な処置で寿命の延長を図るこ
とができるものもあるので、本発明の熱交換器には、熱
交換用伝熱管の一部についてのみ本発明が規定する伝熱
管構造としたものも含まれる。

【００３３】請求項４に係る発明において、熱交換器を
空気予熱器に限定したのは、ゴミ焼却プラント等におい
ては、通常ゴミ焼却のために予熱空気が必要であり、且
つ空気予熱器は前述したようにその入口側が高温腐食領
域Ｍの対象箇所であることによる。

【００３４】請求項５に係る発明において、熱交換器
を、外部を高温ガスと接触させ、内部を通過する被加熱
流体との間で熱交換させる熱交換用伝熱管を備えた水冷
壁管に限定したのは次のような理由による。すなわち、
ゴミ焼却プラント等では、ゴミ焼却炉等で発生した高温
の燃焼排ガス（以下、排ガスという）は、その廃熱を前
述したテールエンドボイラ、空気予熱器等で有効利用す
るためにそれらに接続された処理室、処理塔等を含む排
ガス路を通過する。通常、排ガス路には排ガスの温度を
調整したり、飛灰等のダスト付着防止のために複数の管
とフィンからなる水冷壁管が用いられている。しかし、
前記水冷壁管では飛灰等を含んだ腐食性の排ガスにより
腐食が生じ易いので、請求項５に係る発明においては、
高温ガスと接触する片側又は両側の水冷壁管本体に被覆
層を形成し、該被覆層の少なくとも表層部をセラミック
・金属複合材料による被覆層部を有するパネルで形成
し、腐食性排ガスによる水冷壁管の腐食を防止する。

【００３５】また、本発明における熱交換用伝熱管の被
覆層の厚さは３ｍｍ以上３０ｍｍ以下が好ましい。被覆
層の厚さが３ｍｍ未満では熱交換用伝熱管の腐食防止効
果が十分でない場合があり、一方、３０ｍｍを超えると
被覆層の厚み方向に熱勾配が生じてセラミック・金属複
合材料に割れが生じ易い。より好ましい厚さは３ｍｍ以
上１２ｍｍ以下である。

【００３６】以上のように、本発明によれば、腐食性排
ガスに含有する飛灰が熱交換用伝熱管の表面に付着して
も付着力が小さいので、熱交換用伝熱管を槌打具等で槌
打して腐食の起因となる付着飛灰を簡単に除去すること
ができ、また被覆層の少なくとも表層部がセラミック・
金属複合材料、より好ましくはＡｌＮ系セラミック・金
属複合材料で構成されるため、腐食性排ガスの侵入によ
る熱交換用伝熱管の腐食を防止できる。従って、結果と
して熱交換器の寿命が延長できる。

【００３７】

【発明の実施の形態】以下、本発明による熱交換器の構
造をテールエンドボイラに適用した場合の一実施形態に
ついて説明する。

【００３８】図１は本発明の一実施形態であるテールエ
ンドボイラの概略側面図、図２は図１中の過熱器管の要
部を示す斜視図、図３は図２のＡ−Ａ線に沿う断面図で
ある。また、図４は図１中の過熱器管の他の実施形態を
示す断面図である。

【００３９】テールエンドボイラ１４ｂでは、第２パス
部５に続いてテールエンドボイラ方式の特徴である第３
パス部１５ｂを設けている。前記第２パス部５では高温
腐食を軽減するために排ガス温度を低下させ、飛灰等を
分離除去するためにミキシングが行われる。前記第３パ
ス部１５ｂでは、第２パス部５で所定の排ガス温度等に
調整された排ガスを水平方向に流してそのガス雰囲気中
に熱交換用伝熱管Ｐで構成された蒸発器管１６ｂ、過熱
器管１７ｂが設置されており、これら熱交換用伝熱管Ｐ
は排ガスの水平方向の流れに対して垂直に設置されてい
る。

【００４０】以下、テールエンドボイラ１４ｂを構成す
る伝熱部の代表例として過熱器管１７ｂについて詳述す
る。

【００４１】図２及び図３に示すように、過熱器管１７
ｂを構成する伝熱管（熱交換用伝熱管Ｐ）は鋼管２４と
その外面を被覆する被覆層２５とからなり、この被覆層
２５がＡｌＮ系セラミック・金属複合材料により構成さ
れている。

【００４２】通常、内部を通過する蒸気の温度、圧力等
に応じて炭素鋼、合金鋼、ステンレス鋼等の鋼管２４が
使用されるので、ここでもそれらをそのまま採用し、鋼
管２４の表面に形成された被覆層２５によって矢印で示
す腐食性排ガスが鋼管２４の表面に到達しないようにし
ている。

【００４３】本実施形態の被覆層２５は、被覆層全体を
ＡｌＮ系セラミック・金属複合材料で構成してある。し
かし、被覆層２５はこれに限定されるものではなく、必
要に応じて表層部のみをＡｌＮ系セラミック・金属複合
材料で構成してもよい。

【００４４】上記した被覆構造のいずれの場合でも、Ａ
ｌＮ系セラミック・金属複合材料が耐食性、耐摩耗性、
耐熱衝撃性に優れた材料であり、この材料による被覆層
部が腐食性排ガスと直接接触する表層部を含むことが必
要である。

【００４５】これによって、熱交換用伝熱管Ｐへの飛灰
の付着力を小さくし、熱交換用伝熱管を槌打具等で槌打
して腐食の起因となる付着飛灰を簡単に除去でき、且つ
被覆層の少なくとも表層部がセラミック・金属複合材
料、好ましくはＡｌＮ系セラミック・金属複合材料で構
成されるため、腐食性排ガスの侵入による熱交換用伝熱
管の腐食を防止できる。

【００４６】ＡｌＮ系セラミック・金属複合材料はＡｌ
Ｎ系セラミックと金属を複合させた材料であり、セラミ
ック材料のＡｌＮは焼結体として組織を緻密にできるの
で、上記特性によって優れた耐食性と摩耗性、比較的優
れた耐熱衝撃性を発揮できる。

【００４７】一方、ＡｌＮ系セラミック材料と共存する
金属材料には、通常金属アルミニウム（Ａｌ）が用いら
れる。Ａｌは熱伝導の極めて良い物質で、且つ衝撃の緩
和に有利な金属であり、過熱器管１７ｂ等の被覆層の構
成材料として適している。

【００４８】被覆層２５が、実質的にＡｌＮとＡｌＯＮ
とＡｌとからなるＡｌＮ系セラミック・金属複合焼結体
で構成される場合、この複合材料を鋼管２４の表面に被
覆する焼結の段階で、Ａｌの多くは雰囲気の窒素
（Ｎ₂）と反応してＡｌＮに変わり、図３（ｂ）に示す
ように未反応のＡｌがアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）に包まれた
粒子２６としてＡｌＮ中に分散した構造になり、ＡｌＮ
がそれらの粒子間の結合力を強化すると考えられる。上
記焼結工程は窒化炉等を用いて行なわれる。

【００４９】図４に示す被覆層による被覆構造では、Ａ
ｌＮ系セラミック・金属複合材料による表層部２５ａと
鋼管２４との間に他の材料による中間層部２５ｂを形成
させている。

【００５０】この中間層部２５ｂを形成する材料として
は、例えば炭素繊維を主体とした耐熱性、熱伝導率等の
優れた材料等が用いられる。他の材料による中間層部２
５ｂは必要に応じて適宜採用することができる。

【００５１】本発明で対象とする熱交換器は、外部又は
内部の排ガスと内部又は外部を通過する被加熱流体との
間で熱交換させる全てのものを含み、上記したテールエ
ンドボイラ内の蒸発器管１６ｂ、耐食性過熱器管１７ｂ
の他に、空気予熱器管１８ｂ、水冷壁管２３ｂ、エコノ
マイザ２０ｂ等も含まれる。

【００５２】したがって、空気予熱器管１８ｂ、水冷壁
管２３ｂ、エコノマイザ２０ｂ等も必要に応じて本発明
による熱交換用伝熱管Ｐで構成することができる。

【００５３】図１では第３パス部１５ｂに続いて第４パ
ス部１９ｂを設け、排ガスを下方に流してそのガス雰囲
気中にエコノマイザ２０ｂ、空気予熱器管１８ｂを設置
している。この第４パス部１９ｂから排出された排ガス
はバグフィルタ１０を経て、煙突１１より大気に放出さ
れる。一方、過熱器管１７ｂで発生した過熱蒸気は、ヘ
ッダ１２を通って蒸気タービン１３に送られる。符号２
１ｂはボイラドラムである。

【００５４】図１〜図４における熱交換用伝熱管Ｐで構
成した蒸発器管１６ｂ、過熱器管１７ｂを備えたテール
エンドボイラを用いて、焼却炉１から発生する高温排ガ
スにより熱交換用伝熱管Ｐの内部を通過する被加熱流体
の間で熱交換させる操業を行った。この場合、過熱器管
１７ｂでは蒸気温度が４５０℃以上の過熱蒸気を発生さ
せて通過させ、ヘッダ１２を通し蒸気タービン１３に送
った。この際、過熱器管１７ｂを構成する熱交換用伝熱
管Ｐに付着する付着飛灰を適宜槌打具２２ｂにより槌打
して除去した。操業開始一年後の過熱器管１７ｂの腐食
状況を調べたが、過酷な条件に曝されているにも拘らず
鋼管２４は腐食減肉の兆が全く見られなかった。また、
過熱器管１７ｂの槌打に対してＡｌＮ系セラミック・金
属複合材料による被覆層２５は亀裂の発生も見られなか
った。

【００５５】以上の結果から、熱交換用伝熱管Ｐを備え
たテールエンドボイラによれば、蒸気温度が４５０℃以
上の過熱蒸気を通過させる過熱器管１７ｂを上記ボイラ
内に設置した場合、従来の過熱器管１７ａに比較して寿
命の延長を大きくできることが判った。

【００５６】図５は本発明による熱交換器の構造を水冷
壁管に適用した場合の一実施形態を示す水平断面図であ
り、図６は図５中のＢ−Ｂ線に沿う矢視図である。

【００５７】この水冷壁管２７は、複数の鋼管２４ａと
その間を接続するフィン２９からなる水冷壁管本体２８
と被覆パネル３０から構成されている。すなわち、この
水冷壁管２７は、高温ガスと接触する水冷壁管本体２８
の片面側にセラミック・金属複合材料、好ましくはＡｌ
Ｎ系セラミック・金属複合材料からなる被覆パネル３０
を取り付けた被覆構造を有している。前記被覆パネル３
０は、水冷壁管本体２８に接触する側の面をそれらの形
状に合わせた形状にしている。排ガス側と接触する面の
形状は特に限定されない。

【００５８】前記被覆パネル３０は、水冷壁管本体２８
のフィン２９と接触する箇所に取付け具３１によって固
定されている。ここでは、被覆パネル３０全体をセラミ
ック・金属複合材料、好ましくはＡｌＮ系セラミック・
金属複合材料で構成したが、これに限定されるものでは
なく、他の耐熱性材料等による基材を適用することがで
きる。

【００５９】前記被覆パネル３０の形状、厚さ、大きさ
等は適宜選定することができるが、いずれの被覆パネル
であっても、排ガスと接触する少なくとも表層部はセラ
ミック・金属複合材料、好ましくはＡｌＮ系セラミック
・金属複合材料で構成することが必要である。

【００６０】前記被覆パネル３０間の隙間等は耐食性目
地材を塗布したり、被覆パネル３０と水冷壁管本体２８
の間にはカオール等のバッキン材を介挿させて排ガスに
よる侵入を防止する。

【００６１】上記のような水冷壁管２７の構造は施工が
容易であり、また、損傷箇所が発生した際に、その箇所
のみの被覆パネル３０を交換すればよいので修理が迅速
にできる。

【００６２】また、図５及び図６の実施形態では、片側
に被覆パネル３０を備えた水冷壁管２７について述べた
が、必要に応じて両側に被覆パネル３０を備えた水冷壁
管とすることができる。

【００６３】伝熱管の被覆層を形成するＡｌＮ系セラミ
ック・金属複合材料は、ＡｌやＡｌＯＮをＡｌＮ中に分
散させた構成になっている。ＡｌＯＮはＡｌ、Ｏ、Ｎか
らなる固溶体の総称で、例えば、Ａｌ₁₁Ｏ₁₆Ｎ、ＡｌＯ
Ｎ、Ａｌ₁₉₈Ｏ₂₈₈Ｎ₄、Ａｌ₂ ₇Ｏ₃₉Ｎ、Ａｌ₁₀Ｏ₈Ｎ₃、
Ａｌ₉Ｏ₃Ｎ₇、ＳｉＡｌ₇Ｏ₂Ｎ₇、Ｓｉ₃Ａｌ₃Ｏ_4.5Ｎ₅等
を挙げることができる。これらの材料は熱変形特性を有
しながら、熱衝撃を吸収することができる。

【００６４】図１〜図６の実施形態では、セラミック・
金属複合材料を構成する金属としてはＡｌについて述べ
たが、金属はこれに限定されるものではなく、例えばＡ
ｌとＳｉ、Ｍｇ等の合金等を用いることができる。

【００６５】また、ＡｌＮ系セラミック・金属複合材料
には、ＡｌＮ、ＡｌＯＮ、Ａｌ以外の耐熱性に優れた物
質、例えばＴｉＯ₂、ＺｒＯ₂、Ｃｒ₂Ｏ₃、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｓ
ｉＯ ₂、Ｙ₂Ｏ₃、ＣｅＯ₂、Ｓｃ₂Ｏ₃等の酸化物、ＢＮ、
ＭｇＢ₂、ＣａＢ₆、ＴｉＢ₂、ＺｒＢ₂、ＡｌＢ₂等の硼
化物、Ｂ₄Ｃ、ＴｉＣ、ＺｒＣ、Ｃｒ₃Ｃ₂、Ａｌ₄Ｃ₃、
ＳｉＣ等の炭化物、ＴｉＮ、ＺｒＮ、Ｃｒ₂Ｎ、Ｓｉ₃Ｎ
₄等の窒化物、Ｓｉ₂Ｎ ₂Ｏ等の酸窒化物等の中から選ば
れる１種又は２種以上を配合してもよい。

【００６６】図７〜図９は本発明による熱交換器の構造
をゴミ焼却炉の燃焼排ガス路に設けられた空気予熱器に
適用した場合の一実施形態を示すもので、図７はガスク
ーラータイプの火格子式ゴミ焼却炉及びその燃焼排ガス
路を示す部分切欠き側面図、図８は図７中の空気予熱器
の部分切欠斜視図であり、図９は図８中に示す熱交換用
伝熱管のＣ−Ｃ線に沿う断面図である。また、図１０は
図８に示す熱交換用伝熱管の他の実施形態を示す断面図
である。これらの実施形態において、図１〜図４と共通
する構成には同一の符号を付してある。

【００６７】本発明の熱交換器の一つである空気予熱器
４５は空気予熱器管群４６（以下、管群という）を備
え、これら管群４６は熱交換用伝熱管Ｑで構成されてい
る。この空気予熱器４５は、火格子式ゴミ焼却炉１の燃
焼排ガス路４３の下流側に設置されている。

【００６８】前記燃焼排ガス路４３は、燃焼炉（本実施
形態ではゴミ焼却炉）の燃焼部以降において廃熱の有効
利用を図るための燃焼排ガスが通過する箇所の総称であ
り、ここでは主要な熱交換の伝熱部である空気予熱器４
５へ排ガスが流入するまでの箇所を示し、その間に設置
された二次燃焼室、減温塔等が含まれる。燃焼炉の燃焼
部から排出される排ガスは高温で飛灰等を含む腐食性排
ガスであり、そのまま排ガスを空気予熱器４５に流入さ
せて廃熱の有効利用を図ることは実際上困難である。

【００６９】したがって、空気予熱器４５では円滑に廃
熱の有効利用を図るために燃焼排ガス路４３に水冷壁管
を設置している。

【００７０】空気予熱器４５は予熱器本体４５ａ内に管
群４６を備え、この管群４６は複数の熱交換用伝熱管Ｑ
で構成されている。これら複数の熱交換用伝熱管Ｑは管
固定板４７により横方向に固定されている。

【００７１】排ガスは予熱器本体４５ａ内を上方から下
方に通過し、その間に熱交換用伝熱管Ｑ内を矢印に示す
ように通過する空気と熱交換し空気を予熱する。

【００７２】熱交換用伝熱管Ｑは、図９に示すように、
鋼管２４とこの鋼管２４の表面を被覆した被覆層２５と
からなり、この被覆層２５の少なくとも表層部がセラミ
ック・金属複合材料、好ましくはＡｌＮ系セラミック・
金属複合材料で構成されている。

【００７３】熱交換用伝熱管Ｑは、通常内側を通過する
空気の温度、圧力等に対応して炭素鋼、合金鋼、ステン
レス鋼等の鋼管２４が使用されているので、それらをそ
のまま採用し、鋼管２４の外周面を被覆した被覆層２５
によって腐食性排ガスが鋼管２４の表面に到達しないよ
うにしている。

【００７４】前記被覆層２５は、図９に示すように、被
覆層全体がセラミック・金属複合材料、好ましくはＡｌ
Ｎ系セラミック・金属複合材料で構成されている。しか
し、被覆層２５はこれに限定されるものではなく、例え
ば図１０に示すように表層部２５ａのみをセラミック・
金属複合材料、好ましくはＡｌＮ系セラミック・金属複
合材料で構成し、中間層部２５ｂに他の耐熱性、熱伝導
性に優れた例えば炭素繊維等の材料を用いることができ
る。

【００７５】また、燃焼排ガス路４３では二次燃焼室４
２に水冷壁管２３ｃを設置している。この燃焼排ガス路
４３に設置された水冷壁管２３ｃの少なくとも一つは、
複数の鋼管と該鋼管間を接続するフィンとからなる水冷
壁管本体と、該水冷壁管本体の高温ガスと接触する面側
を被覆する被覆層とからなり、それらの被覆層の少なく
とも表層部をセラミック・金属複合材料で構成してい
る。なお、この水冷壁管２３ｃの好ましい実施形態は、
前述の図５及び図６と同じく水冷壁管の被覆層の表層部
がセラミック・金属複合材料による被覆層部を有するパ
ネルで構成した構造である。

【００７６】次に、図７〜図９に示した空気予熱器４５
の作用について説明する。

【００７７】火格子式ゴミ焼却炉１で発生した燃焼排ガ
スは二次燃焼室４２で出口温度が８００〜９５０℃（好
ましくは８５０〜９５０℃）になるように調整される。
二次燃焼室４２では、二次燃焼によって燃焼排ガスが高
温になるので、二次燃焼室４２等に水冷壁管２３ｃを設
けて燃焼排ガスと水冷壁管２３ｃの外面側を接触させ、
内部を通過する被加熱流体（水）との間で熱交換させて
二次燃焼室４２等の保護を図るとともに、下流側に接続
されている空気予熱器４５での排ガスの廃熱を利用し易
くしている。

【００７８】二次燃焼室３６から排出された排ガスは減
温塔４４等で水スプレーにより所定の温度まで冷却さ
れ、飛灰等の大きなダストが除去される。減温塔４４を
通過し、所定の温度等に調整された排ガスは空気予熱器
４５に流入する。この空気予熱器４５では、排ガスが熱
交換用伝熱管Ｑで構成された管群４６において熱交換用
伝熱管Ｑの内側を通過する空気と熱交換されて、燃焼用
予熱空気が得られる。その後、排ガスはバグフイルタ４
８等の排ガス処理装置等を経由して浄化されて煙突１１
から大気中に放出される。図中、４０は主燃焼室、４１
は火格子である。

【００７９】また、図１１及び図１２は本発明による熱
交換器の構造を空気予熱器に適用した場合の他の実施形
態を示すもので、図１１は空気予熱器の部分切欠斜視
図、図１２は図１１のＤ−Ｄ線に沿う断面図である。ま
た、図１３は図１１に示す熱交換用伝熱管の他の実施形
態を示す断面図である。

【００８０】空気予熱器５０は予熱器本体５０ａ内に空
気予熱器管群５１（以下、管群という）を備え、これら
管群５１は複数の熱交換用伝熱管Ｒで構成されている。
この複数の熱交換用伝熱管Ｒは管固定板５２により縦方
向に固定されている。

【００８１】燃焼排ガスは予熱器本体５０ａ内の耐食性
伝熱管Ｒ内を矢印に示すように上方から下方に通過し、
その間に耐食性伝熱管Ｒの間を矢印に示すように通過す
る空気と熱交換し予熱空気を得る。

【００８２】熱交換用伝熱管Ｒは、図１２に示すよう
に、鋼管５５とこの鋼管５５の内面に形成させた被覆層
５６とからなり、この被覆層５６の少なくとも表層部が
セラミック・金属複合材料、好ましくはＡｌＮ系セラミ
ック・金属複合材料で構成されている。この鋼管５５の
内面に形成された被覆層５６は、太矢印で示す腐食性排
ガスの侵入を防止し、鋼管５５の内面に到達しないよう
にしている。

【００８３】被覆層５６は被覆層全体がセラミック・金
属複合材料、好ましくはＡｌＮ系セラミック・金属複合
材料により構成したものであるが、被覆層５６はこれに
限定されるものではなく、図１３に示すように必要に応
じて表層部５６ａのみをセラミック・金属複合材料、好
ましくはＡｌＮ系セラミック・金属複合材料で構成し、
中間層部５６ｂに他の耐熱性、熱伝導性の優れた例えば
炭素繊維等の材料を用いてもよい。

【００８４】ＡｌＮ系セラミック・金属複合材料はＡｌ
Ｎ系セラミックと金属を複合させた材料であり、これら
の材料は図３（ｂ）に関して述べたように焼結体として
使用することにより組織が緻密にできるので、飛灰の付
着力を小さくし、且つ腐食性ガスや飛灰中の塩等による
腐食成分の侵入を防止することができ、優れた耐食性と
耐摩耗性、比較的優れた耐熱衝撃性を発揮できる材料で
ある。

【００８５】

【発明の効果】以上述べた本発明によれば、比較的高い
蒸気温度で使用しても熱交換用伝熱管の腐食が生じにく
く、また排ガス中の飛灰の熱交換用伝熱管への付着性も
小さくでき、これらにより熱交換用伝熱管の寿命延長を
図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の熱交換器の構造をテールエンドボイラ
に適用した場合の一実施形態を示す概略側面図

【図２】図１に示す過熱器管の要部を示す斜視図

【図３】図２に示す伝熱管のＡ−Ａ線に沿う断面図

【図４】図２に示す伝熱管の他の実施形態を示す断面図

【図５】本発明の熱交換器の構造を水冷壁管に適用した
場合の一実施形態を示す水平断面図

【図６】図５中のＢ−Ｂ線に沿う矢視図

【図７】本発明の熱交換器の構造をゴミ焼却プラントの
空気予熱器に適用した場合の一実施形態を示す部分切欠
き側面図

【図８】図７に示す空気予熱器の部分切欠き斜視図

【図９】図８に示す伝熱管のＣ−Ｃ線に沿う断面図

【図１０】図８に示す伝熱管の他の実施形態を示す断面
図

【図１１】図７に示す空気予熱器の他の実施形態を示す
部分切欠き斜視図

【図１２】図１１に示す伝熱管のＤ−Ｄ線に沿う断面図

【図１３】図１１に示す伝熱管の他の実施形態を示す断
面図

【図１４】管壁温度と腐食速度の関係を示すグラフ

【図１５】従来の縦型ボイラを後流側に設置したゴミ焼
却プラントのフロー図

【図１６】従来のテールエンドボイラを後流側に設置し
たゴミ焼却プラントのフロー図

【符号の説明】

１ゴミ焼却炉１４ｂテールエンドボイラ１６ｂ蒸発器管１７ｂ過熱器管１８ｂ空気予熱器管２０ｂエコノマイザ２２ｂ槌打具２３ｂ水冷壁管２３ｃ水冷壁管２４鋼管２４ａ鋼管２５被覆層２５ａ表層部２５ｂ中間層部２７水冷壁管２８水冷壁管本体２９フィン３０被覆パネル４０主燃焼室４２二次燃焼室４５空気予熱器４５ａ予熱器本体５０空気予熱器５０ａ予熱器本体５５鋼管５６被覆層５６ａ表層部５６ｂ中間層部Ｐ熱交換用伝熱管Ｑ熱交換用伝熱管Ｒ熱交換用伝熱管

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者西尾浩明東京都千代田区丸の内一丁目１番２号日本鋼管株式会社内Ｆターム(参考） 3K023 QA01 QA11 QB03 QC08 QC13 RA01 3K065 AA24 AB01 AC01 BA06 JA05 JA15 JA18

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】外部を高温ガスと接触させ、内部を通過
する被加熱流体との間で熱交換させる熱交換用伝熱管を
備えた熱交換器であって、前記熱交換用伝熱管が鋼管と
該鋼管の外面を被覆する被覆層とからなり、該被覆層の
少なくとも表層部がセラミック・金属複合材料により構
成されることを特徴とする熱交換用伝熱管を備えた熱交
換器。
【請求項２】内部に高温ガスを通過させ、外部を流れ
る被加熱流体との間で熱交換させる熱交換用伝熱管を備
えた熱交換器であって、前記熱交換用伝熱管が鋼管と該
鋼管の内面を被覆する被覆層とからなり、該被覆層の少
なくとも表層部がセラミック・金属複合材料により構成
されることを特徴とする熱交換用伝熱管を備えた熱交換
器。
【請求項３】熱交換器がテールエンドボイラであるこ
とを特徴とする請求項１に記載の熱交換用伝熱管を備え
た熱交換器。
【請求項４】熱交換器が空気予熱器であることを特徴
とする請求項１または２に記載の熱交換用伝熱管を備え
た熱交換器。
【請求項５】熱交換器が、外部を高温ガスと接触さ
せ、内部を通過する被加熱流体との間で熱交換させる熱
交換用伝熱管を備えた水冷壁管であり、該水冷壁管が複
数の鋼管と該鋼管間を接続するフィンからなる水冷壁管
本体と、該水冷壁管本体の高温ガスと接触する側を被覆
する被覆層とからなり、該被覆層が、少なくとも表層部
がセラミック・金属複合材料により構成されたパネルか
らなることを特徴とする請求項１に記載の熱交換用伝熱
管を備えた熱交換器。
【請求項６】被覆層のセラミック・金属複合材料が窒
化アルミニウム系セラミック・金属複合材料であること
を特徴とする請求項１、２、３、４又は５に記載の熱交
換用伝熱管を備えた熱交換器。
【請求項７】被覆層の厚さが３ｍｍ以上３０ｍｍ以下
であることを特徴とする請求項１、２、３、４、５又は
６に記載の熱交換用伝熱管を備えた熱交換器。
【請求項８】被覆層の少なくとも表層部が、実質的に
ＡｌＮとＡｌＯＮとＡｌとからなるＡｌＮ系セラミック
・金属複合焼結体からなることを特徴とする請求項１、
２、３、４、５、６又は７に記載の熱交換用伝熱管を備
えた熱交換器。
【請求項９】被覆層の少なくとも表層部が、実質的
に、ＡｌＮとＡｌＯＮとＡｌとを主体とし、これにＴｉ
Ｏ₂、ＺｒＯ₂、Ｃｒ₂Ｏ₃、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂、Ｙ
₂Ｏ₃、ＣｅＯ₂、Ｓｃ₂Ｏ₃等の酸化物、ＢＮ、ＭｇＢ₂、
ＣａＢ₆、ＴｉＢ₂、ＺｒＢ₂、ＡｌＢ₂等の硼化物、Ｂ₄
Ｃ、ＴｉＣ、ＺｒＣ、Ｃｒ₃Ｃ₂、Ａｌ₄Ｃ₃、ＳｉＣ等の
炭化物、ＴｉＮ、ＺｒＮ、Ｃｒ₂Ｎ、Ｓｉ₃Ｎ₄等の窒化
物、Ｓｉ₂Ｎ₂Ｏ等の酸窒化物等の中から選ばれる１種又
は２種以上を配合した燒結体からなることを特徴とする
請求項１、２、３、４、５、６又は７に記載の熱交換用
伝熱管を備えた熱交換器。