(57)【要約】【課題】高温燃焼腐食試験において、実缶を用いることなく、簡易な設備によって、かつ、実缶とほぼ同じ条件で高温腐食試験を可能とすること。【解決手段】燃焼室１０と、燃焼室１０に連通して燃焼ガスを流通させる燃焼ガス流路２０と、燃焼ガス流路２０に配置された高温腐食試験部材３０と、を備えた高温燃焼腐食試験装置。高温腐食試験部材３０は、燃焼ガス流路２０に露出した試験面３０ａと外気に露出した冷却面３０ｂとを有し、燃焼ガス流路２０に着脱可能に取り付けられている。【選択図】図１
2014002020.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室と、
前記燃焼室に連通して燃焼ガスを流通させる燃焼ガス流路と、
前記燃焼ガス流路に配置された高温腐食試験部材と、
を備え、
前記高温腐食試験部材は、前記燃焼ガス流路に露出した試験面と外気に露出した冷却面とを有し、前記燃焼ガス流路に着脱可能に取り付けられていること、
を特徴とする高温燃焼腐食試験装置。
【請求項２】
前記高温腐食試験部材は、金属材からなる板状部材であり、前記燃焼ガスが衝突する位置に前記試験面が配置されていること、を特徴とする請求項１に記載の高温燃焼腐食試験装置。
【請求項３】
前記燃焼ガス流路は交換可能な炉高調整リングを備え、該炉高調整リングを交換することにより、前記燃焼室から前記高温腐食試験部材までの距離を調整すること、を特徴とする請求項２に記載の高温燃焼腐食試験装置。
【請求項４】
前記高温腐食試験部材は、金属材からなる筒状部材であり、前記燃焼ガス流路の一部を構成するように配置されていること、を特徴とする請求項１に記載の高温燃焼腐食試験装置。
【請求項５】
前記燃焼ガス流路には、前記高温腐食試験部材の前記燃焼ガスの流通方向上流側で前記燃焼ガスの炎を遮る保炎板が配置されていること、を特徴とする請求項４に記載の高温燃焼腐食試験装置。
【請求項６】
燃焼材として石炭を用いること、を特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の高温燃焼腐食試験装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温燃焼腐食試験装置、特に、石炭を燃焼した際に発生する高温燃焼ガスによるボイラ基材の腐食程度を試験するための高温燃焼腐食試験装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
石炭燃焼ボイラは、石炭の燃焼により発生する１０００℃前後の高温燃焼ガスと金属伝熱管（以下、伝熱管と称する）の内部を流れる３００〜５００℃の高圧水蒸気又は高圧水との熱交換を行い、高温高圧の水蒸気を得ることを目的としている。石炭を燃焼させると、通常、１０〜３０％程度の灰分が発生し、それらが伝熱面に付着して伝熱障害や高温腐食による伝熱面の減肉が発生する。
【０００３】
石炭灰の主成分はアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）やシリカ（ＳｉＯ2）、鉄酸化物（Ｆｅ2Ｏ3）などであるが、灰分中に含まれる硫黄（Ｓ）分やナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）などがＮａ3Ｆｅ（ＳＯ4）3やＫ3Ｆｅ（ＳＯ4）3などの化学式で代表されるアルカリ・鉄・硫酸塩錯化合物を形成し、以下に示す式（１）のように伝熱管と反応し、反応面に腐食が発生して減肉の原因となっている。なお、式（１）では、伝熱管の金属成分を鉄（Ｆｅ）としている。
【０００４】
Ｎａ3（ｏｒＫ3）Ｆｅ（ＳＯ4）3＋６Ｆｅ
→（３／２）ＦｅＳ＋（３／２）Ｆｅ3Ｏ4＋Ｆｅ2Ｏ3＋Ｎａ2（ｏｒＫ2）ＳＯ4＋（３／２）Ｏ2        ……（１）
【０００５】
また、石炭に含有される塩素（Ｃｌ）分などもＮａＣｌとして伝熱管に付着し、高温腐食を加速させることが知られている。石炭灰の伝熱面への付着現象は、衝突付着や凝縮付着に大別される。アルミナやシリカなどの高融点成分は衝突付着である。蒸気圧が高く、ガス成分として存在する割合の大きい硫黄分やナトリウムなどの化合物は、高温燃焼ガスから低温の伝熱面への凝縮付着が主体となる。凝縮した硫黄分やナトリウム、カリウムなどの化合物は以下の表１に示すように融点が低く、その一部は溶融して高融点化合物を固着する“のり”として作用し、灰分の付着を促進する。
【０００６】
【表１】
2014002020.tif 000003
【０００７】
以上のように、本発明者らの知見によれば、伝熱面に付着する石炭灰の組成は石炭の炭種は勿論、燃焼ガス流れや燃焼ガスと伝熱面の温度（ガス露出面と外部露出面との温度差）によって決まる。また、伝熱管の高温腐食速度は伝熱管自体の種類と付着する石炭灰の組成、ガス温度、伝熱管の温度によって変化する。
【０００８】
従来、石炭燃焼ボイラの伝熱面に対する石炭灰付着、堆積とそれに起因する高温腐食現象を再現するため、以下のような手法が採用されている。
（１）実缶へ実際の伝熱面と内部流体温度、メタル温度などを同じ条件としたテスト管を挿入し、一定時間運転し、伝熱管の腐食程度を調査する。
（２）実缶同様の腐食試験用石炭燃焼小型ボイラを建設し、燃焼ガス中に伝熱管を挿入して一定時間運転し、伝熱管の腐食程度を調査する。
（３）電気炉中に実缶より採取した付着灰を塗布又は付着灰中へ埋没させた試験片を設置し、所定温度で一定時間暴露し、試験片の腐食程度を調査する。この金属材料の高温腐食試験方法については、非特許文献１として掲げた日本工業規格ＪＩＳＺ２２９１に規定されている。
【０００９】
ところで、前記（１）の試験方法では、実缶へテスト管を挿入するため、炉壁部への設置工事が必要となり、実缶の定期検査などの停缶を利用した改造工事となる。このため、工事期間やテスト開始時期及びテスト期間を実缶の稼動条件に合わせる必要があり、時期的に大きな制約を受ける。また、テスト管の内部は実缶同様に、高圧の水蒸気（又は水）を流して伝熱管の温度を調整するため、設備費用が多大となる。さらに、試験条件は実缶の運転条件に左右されるため、起動、停止や日常の運転条件の変動などの影響を受け、試験結果の解析が困難であるという問題点がある。
【００１０】
前記（２）の試験方法は、試験専用ボイラであるため、各種試験条件の設置が比較的容易であるが、建設に長時間を要し、費用も多大となる。また、ボイラ運転のために専属の有資格者（ボイラ技士など）が必要で、運転（試験）費用も高くなる。
【００１１】
前記（３）の試験方法は、試験設備は比較的簡便で、試験自体も容易であるが、ガス温度と試験片温度が同じで、腐食性成分のガス相からの凝縮がない反面、塗布又は埋没に使用した灰分から腐食性成分の蒸発を生じるため、灰中の腐食性成分濃度が試験時間とともに減少するという問題点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】日本工業規格ＪＩＳＺ２２９１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
そこで、本発明の目的は、実缶を用いることなく、簡易な設備によって、かつ、実缶とほぼ同じ条件で高温腐食試験を行うことのできる試験装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の一形態である高温燃焼腐食試験装置は、
燃焼室と、
前記燃焼室に連通して燃焼ガスを流通させる燃焼ガス流路と、
前記燃焼ガス流路に配置された高温腐食試験部材と、
を備え、
前記高温腐食試験部材は、前記燃焼ガス流路に露出した試験面と外気に露出した冷却面とを有し、前記燃焼ガス流路に着脱可能に取り付けられていること、
を特徴とする。
【００１５】
前記高温燃焼腐食試験装置においては、少なくとも燃焼室と燃焼ガス流路とで構成され、実缶を使用することがない。一方、高温腐食試験部材は燃焼ガス流路に露出した試験面と、外気に露出した冷却面とを有しているため、実缶とほぼ同じ条件で高温腐食試験を実施できる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、実缶を用いることなく、簡易な設備によって、かつ、実缶とほぼ同じ条件で高温腐食試験を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第１実施例である高温燃焼腐食試験装置を示す概略構成図である。
【図２】第２実施例である高温燃焼腐食試験装置を示す概略構成図である。
【図３】前記第２実施例である高温燃焼腐食試験装置に使用される試験部材を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は斜視図、（Ｃ）はセグメントの斜視図、（Ｄ）はセグメントの側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明に係る高温燃焼腐食試験装置の実施例について、添付図面を参照して説明する。なお、各図において同じ部材、部分には共通する符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１９】
（第１実施例の構成と稼働、図１参照）
第１実施例である高温燃焼腐食試験装置１Ａは、石炭燃焼時における燃焼ガスの衝突付着の試験を行うためのもので、図１に示すように、石炭を燃焼させる燃焼室１０と、燃焼室１０に連通して燃焼ガスを流通させる燃焼ガス流路２０とで構成され、燃焼ガス流路２０には高温腐食試験部材３０が配置されている。
【００２０】
詳しくは、燃焼室１０は、開閉自在な蓋１１を備えた石炭投入口１２、可動式火格子１３、燃焼灰受け皿１４とで構成されており、開度を調整可能な空気孔１５ａ，１５ｂ，１５ｃが形成されている。燃焼ガス流路２０は、石炭投入口１２とは離れた側に設けた垂直流路部２１と、水平流路部（以下、煙道２６と記す）とを備え、煙道２６の先端は上方に屈曲し、排気ファン２７が取り付けられている。垂直流路部２１には内筒部２２と外筒部２３を設け、内筒部２２上にガス流調整リング２４を設け、外筒部２３上に炉高調整リング２５を設けている。また、煙道２６には、煙道ガス温度計測用熱電対４０、差圧計４１が配置されている。燃焼室１０及び燃焼ガス流路２０を構成する各部材は周知のガスボイラと同じ素材の金属材にて形成されている。
【００２１】
さらに、垂直流路部２１の天井部には高温腐食試験部材３０が設置されている。この試験部材３０は、ステンレスなどの金属材からなる板状部材であって、垂直流路部２１の天井部に着脱可能（例えば、ボルト締めにて）に取り付けられている。試験部材３０は、内面側を燃焼ガス流路２０に露出した試験面３０ａとされ、外面側を外気に露出した冷却面３０ｂとされている。また、試験部材３０には、ガス温度計測用熱電対４２が外部から流路２０に貫通した状態で取り付けられ、さらに、試験部材３０自体の温度を計測するための熱電対４３が取り付けられている。
【００２２】
第１実施例である試験装置１Ａにおいて、稼働させるには、まず、内筒部２２にガス流調整リング２４をセットするとともに、外筒部２３に炉高調整リング２５をセットし、次いで、試験部材３０、熱電対４２，４３を取り付け、さらに、熱電対４０を煙道２６の所定位置に取り付ける。次に、可動式火格子１３上に紙類や木片などを適宜投入し、かつ、投入口１２より石炭を適量投入する。
【００２３】
その後、空気孔１５ａを利用して紙類や木片に着火し、石炭の燃焼を開始する。同時に、排気ファン２７の運転も開始する。熱電対４２，４３にて燃焼ガス温度の上昇と試験部材３０の温度を確認しながら、煙道２６に設置した差圧計４１を監視し、所定の燃焼ガス温度になるように、空気孔１５ａ，１５ｂ，１５ｃの開度を調整する。
【００２４】
燃焼ガス温度が所定温度に到達、安定化した後、試験部材３０の温度を熱電対４３により測定、記録する。さらに、試験条件の確認項目として、差圧計４１による燃焼排ガス量及び熱電対４０による煙道ガス温度を確認、記録する。所定量の石炭を所定時間だけ燃焼させた後、試験部材３０を取り外し、試験面３０ａに対する燃焼ガスの衝突付着による高温腐食について評価する。実験条件やその実験結果については後述する。
【００２５】
なお、石炭の燃焼により発生した灰分は可動式火格子１３の直下にある燃焼灰受け皿１４に落下するが、一部は火格子１３上に堆積し、燃焼を阻害するため、適宜火格子１３を動かし、灰分を受け皿１４に落下させ、石炭の燃焼を促進させる。
【００２６】
また、投入口１２への石炭の供給や受け皿１４に堆積した燃焼灰の除去は、燃焼ガス温度の動向を監視し、燃焼ガス温度が所定温度域より低下し始めるのを目安としてそれらを確認し、必要に応じて実施する。
【００２７】
前記第１実施例である高温燃焼腐食試験装置１Ａにおいては、少なくとも燃焼室１０と燃焼ガス流路２０とで構成され、実缶を使用することなく、高温腐食試験を実施できる。即ち、実缶を用いることはないので、試験を実缶の稼働条件に合わせる必要はなく、ボイラでもないので専属の有資格者を必要とすることもない。また、高温腐食試験部材３０は燃焼ガス流路２０に露出した試験面３０ａと、外気に露出した冷却面３０ｂとを有しているため、試験面３０ａや冷却面３０ｂの温度を調整しながら、実缶とほぼ同じ条件で高温腐食試験を実施できる。さらに、炉高調整リング２５やガス流調整リング２４を交換可能としているため、燃焼室１０から試験部材３０までの距離を調整できる。
【００２８】
（第２実施例の構成と稼働、図２及び図３参照）
第２実施例である高温燃焼腐食試験装置１Ｂは、石炭燃焼時における燃焼ガスの凝縮付着の試験を行うためのもので、図２に示すように、石炭を燃焼させる燃焼室１０と、燃焼室１０に連通して燃焼ガスを流通させる燃焼ガス流路２０とで構成され、燃焼ガス流路２０には高温腐食試験部材３５が配置されている。
【００２９】
燃焼室１０は、前記第１実施例と同様の構成を備えている。燃焼ガス流路２０は、石炭投入口１２とは離れた側に設けた垂直流路部２１と、水平流路部（煙道２６）とを備えている。煙道２６は垂直流路部２１の先端部から水平方向に延在している。垂直流路部２１には内筒部２２と外筒部２３が設けられ、外筒部２３上に円錐形状をなす炉高調整リング５０を設けている。炉高調整リング５０にはガス温度計測用熱電対４４が設置されている。外筒部２３と炉高調整リング５０との間には金網５１が設置されており、該金網５１の中央部には保炎板５２が載置される。また、煙道２６には、煙道ガス温度計測用熱電対４０、差圧計４１及び排気ファン２７が配置されていることは前記第１実施例と同様である。
【００３０】
さらに、炉高調整リング５０の上端部には高温腐食試験部材３５が設置されている。この試験部材３５は、ステンレスなどの金属材からなる筒状部材であって、炉高調整リング５０の上端部に着脱可能（例えば、リングとの嵌合にて）に取り付けられている。試験部材３５は、図３に示すように、互いに嵌合可能なように３等分されたセグメント３６にて構成され、内面側を燃焼ガス流路２０に露出した試験面３５ａとされ、外面側を外気に露出した冷却面３５ｂとされている。また、試験部材３５には、ガス温度計測用熱電対４２が上方から流路に貫通した状態で配置され、さらに、試験部材３５自体の温度を計測するための熱電対４３が取り付けられている。前記保炎板５２は、試験部材３５が燃焼室１０からの炎に直接晒されることを防止するために、炎を遮るものである。
【００３１】
第２実施例である試験装置１Ｂにおいて、稼働させるには、まず、金網５１に保炎板５２をセットするとともに、外筒部２３に炉高調整リング５０をセットし、次いで、試験部材３５、熱電対４２，４３を取り付け、さらに、熱電対４０を煙道２６の所定位置に取り付ける。次に、可動式火格子１３上に紙類や木片などを適宜投入し、かつ、投入口１２より石炭を適量投入し、着火、石炭の燃焼を開始し、排気ファン２７の運転を開始することは前記第１実施例と同様である。そして、熱電対４２，４３，４４にて燃焼ガス温度の上昇と試験部材３５の温度を確認しながら、煙道２６に設置した差圧計４１を監視し、所定の燃焼ガス温度になるように、空気孔１５ａ，１５ｂ，１５ｃの開度を調整する。
【００３２】
燃焼ガス温度が所定温度に到達、安定化した後、試験部材３５の温度を熱電対４３により測定、記録する。さらに、試験条件の確認項目として、差圧計４１による燃焼排ガス量及び熱電対４０による煙道ガス温度を確認、記録する。所定量の石炭を所定時間だけ燃焼させた後、試験部材３５を取り外し、試験面３５ａに対する燃焼ガスの凝固付着による高温腐食について評価する。実験条件やその実験結果については後述する。
【００３３】
前記第２実施例である高温燃焼腐食試験装置１Ｂにおける作用効果は、基本的に前記第１実施例と同様である。
【００３４】
（実験例）
以下に、第１実施例である試験装置１Ａを使用した実験例１，２，３及び第２実施例である試験装置１Ｂを使用した実験例４と、それらの実験結果について説明する。以下の実験例１〜４では、国内で比較的入手が容易な太平洋の海底炭（精選新特中塊炭：太平洋石炭販売輸送株式会社）を使用した。
【００３５】
実験例１での装置と試験条件
燃焼室：直径１５０ｍｍ
炉高調整リング：外径２８５ｍｍ、内径２７９ｍｍ、高さ５０ｍｍ
内筒：外径１９０ｍｍ、内径１８４ｍｍ、高さ８０ｍｍ
試験部材：ＳＳ４００鋼、直径３００ｍｍ、厚さ１０ｍｍ
石炭燃焼量：約２０ｋｇ／ｈ（定常燃焼時）
試験時間：連続１０時間
【００３６】
実験例２での装置と試験条件
燃焼室：直径１５０ｍｍ
炉高調整リング：外径２８５ｍｍ、内径２７９ｍｍ、高さ１００ｍｍ
内筒：外径１９０ｍｍ、内径１８４ｍｍ、高さ１３５ｍｍ
試験部材：ＳＳ４００鋼、直径３００ｍｍ、厚さ１０ｍｍ
石炭燃焼量：約２０ｋｇ／ｈ（定常燃焼時）
試験時間：連続１０時間
【００３７】
実験例３での装置と試験条件
燃焼室：直径１５０ｍｍ
炉高調整リング：外径２８５ｍｍ、内径２７９ｍｍ、高さ１５０ｍｍ
内筒：外径１９０ｍｍ、内径１８４ｍｍ、高さ１８５ｍｍ
試験部材：ＳＳ４００鋼、直径３００ｍｍ、厚さ１０ｍｍ
石炭燃焼量：約２０ｋｇ／ｈ（定常燃焼時）
試験時間：連続１０時間
【００３８】
実験例４での装置と試験条件
燃焼室：直径１５０ｍｍ
炉高調整リング：上面外径１０５．５ｍｍ、底面外径２８０ｍｍ、厚さ３．２ｍｍ、高さ２５７ｍｍ
内筒：外径１９０ｍｍ、内径１８４ｍｍ、高さ１８５ｍｍ
試験部材：ＳＳ４００鋼、外形１０５．５ｍｍ、厚さ４ｍｍ、高さ７７ｍｍの円筒管を図３に示すように３分割したもの。
石炭燃焼量：約２０ｋｇ／ｈ（定常燃焼時）
試験時間：連続２４時間
【００３９】
次に、各実験例１〜４における実験結果について記載する。
【００４０】
実験例１での結果
燃焼ガス温度：９５０〜１１５０℃
試験部材温度：５５０〜６５０℃
試験面（内側面）に灰白色の石炭灰が付着していた。石炭灰の分析結果は表２に示す。また、試験面には燃焼ガス衝突部を中心に１００μｍ程度の凹凸が発生していた。
燃焼廃ガス温度：８００〜９５０℃
【００４１】
実験例２での結果
燃焼ガス温度：９００〜１１００℃
試験部材温度：５００〜５５０℃
試験面（内側面）に灰白色の石炭灰が付着していた。石炭灰の分析結果は表２に示す。また、試験面には燃焼ガス衝突部を中心に５０〜６０μｍ程度の凹凸が発生していた。
燃焼廃ガス温度：８００〜９００℃
【００４２】
実験例３での結果
燃焼ガス温度：８５０〜１０００℃
試験部材温度：４００〜４５０℃
試験面（内側面）に灰白色の石炭灰が付着していた。石炭灰の分析結果は表２に示す。また、試験面には燃焼ガス衝突部を中心に２０〜３０μｍ程度の凹凸が発生していた。
燃焼廃ガス温度：８００〜９００℃
【００４３】
実験例４での結果
燃焼ガス温度：８５０〜１０００℃
試験部材温度：４００〜４５０℃
試験面（内側面）に灰白色若しくは灰黒色の石炭灰が付着していた。また、試験面には酸化腐食による５μｍ程度の凹凸が発生していた。
燃焼廃ガス温度：８００〜９００℃
【００４４】
【表２】
2014002020.tif 000004
【００４５】
（他の実施例）
なお、本発明に係る高温燃焼腐食試験装置は前記実施例に限定するものではなく、その要旨の範囲内で種々に変更することができる。
【００４６】
特に、試験装置全体の構成や大きさ、その細部の構成は任意であり、試験部材を着脱可能に取り付ける構成なども任意である。また、本発明は、石炭を燃焼したガスの腐食試験に限ることなく、他の燃料を燃焼したガスの腐食試験に適用することも可能である。そして、試験方法や試験条件はそれぞれ例示した前記のもの以外に種々の方法、条件を採用可能であることは勿論である。狭い意味での「腐食」という文言にこだわることなく、例えば、試験面に灰付着成分の抑制のための添加剤を設け、該添加剤の性能試験なども行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
以上のように、本発明は、高温燃焼腐食試験装置に有用であり、特に、実缶を用いることなく、簡易な設備によって、かつ、実缶とほぼ同じ条件で高温腐食試験を行うことができる点で優れている。
【符号の説明】
【００４８】
１Ａ，１Ｂ…高温燃焼腐食試験装置
１０…燃焼室
２０…燃焼ガス流路
２５，５０…炉高調整リング
３０，３５…高温腐食試験部材
３０ａ，３５ａ…試験面
３０ｂ，３５ｂ…冷却面
５２…保炎板
【図１】
2014002020.tif 000005
【図２】
2014002020.tif 000006
【図３】
2014002020.tif 000007