(57)【要約】【課題】燃焼室内部で局部的な摩耗減肉を抑制することのできる循環流動床ボイラを提供することを目的とする。【解決手段】燃焼室１内の下部に設けられる耐火材４と、該耐火材４の直上に立設される蒸発管３とを備える循環流動床ボイラにおいて、蒸発管３に、耐火材４の直上部から所定の位置まで被膜５が溶射され、溶射された被膜５の蒸発管３の軸上方向に、該蒸発管３の母材よりも硬さの低い溶射膜６が設けられる循環流動床ボイラである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室内の下部に設けられる耐火材と、該耐火材の直上に立設される蒸発管とを備える循環流動床ボイラにおいて、
前記蒸発管に、前記耐火材の直上部から所定の位置まで被膜が溶射され、
溶射された前記被膜の蒸発管の軸上方向に、該蒸発管の母材よりも硬さの低い溶射膜が設けられる循環流動床ボイラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、循環流動床ボイラに関し、特に、摩耗対策を施した蒸発管を有する廃棄物焚き循環流動床ボイラに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
循環流動床ボイラは、耐火材と、耐火材直上に立設された蒸発管とから構成される炉壁で囲まれた燃焼室内で、石炭等の燃料を燃焼用空気により珪砂等の粒子（循環材）と共に流動化させながら燃焼させ、蒸気を発生させるものである。
【０００３】
循環流動床ボイラにおいて、燃焼室の上部領域に吹き上げられた循環材の大部分は燃焼ガス排出口から外部へ導出されるものの、吹き上げられた一部の循環材や燃焼室の上部領域まで吹き上げられなかった循環材は、炉壁の内面に沿って下方へ流下する。この際、燃焼ガスのダウンフローにより流下する循環材が、炉壁を摩耗減肉するという現象が発生する。この摩耗減肉は、耐火材直上の蒸発管においても懸念されるため、従来、耐火材直上の蒸発管には、被膜が溶射されている。
【０００４】
特許文献１では、高温環境下で流動層ボイラの伝熱管等の部材を腐食・摩耗現象から保護するための表面被覆用材料について開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−６８０６９号公報（段落［００３１］）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
近年、耐火材直上の蒸発管の減肉よりも、溶射膜が施されていない蒸発管素管の局部的な摩耗減肉や、図６に示すような蒸発管３の被膜５の上端部からＶ字状に摩耗する現象（Ｖ字摩耗）８が報告されている。また、廃棄物焚き循環流動床ボイラの燃料の１つとしてＲＰＦ（高カロリー固形燃料：Ｒｅｆｕｓｅ  Ｐａｐｅｒ  ＆  Ｐｌａｓｔｉｃ  Ｆｕｅｌ）が用いられるようになり、ＲＰＦに高濃度で含有されている塩素によって、上記Ｖ字状の摩耗減肉が加速進行するという問題も発生している。
【０００７】
特許文献１に開示されている表面被覆用材料は、被覆用材料自体の耐食性及び耐摩耗性を改善しているものであり、上記のような蒸発管の局部的な摩耗減肉の発生を解決するものではない。
【０００８】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、燃焼室内部で局部的な摩耗減肉を抑制することができる循環流動床ボイラを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明は、燃焼室内の下部に設けられる耐火材と、該耐火材の直上に立設される蒸発管とを備える循環流動床ボイラにおいて、前記蒸発管に、前記耐火材の直上部から所定の位置まで被膜が溶射され、溶射された前記被膜の蒸発管の軸上方向に、該蒸発管の母材よりも硬さの低い溶射膜が設けられる循環流動床ボイラを提供する。
【００１０】
本発明者は、溶射膜が施されていない蒸発管の素管部分の局部的な摩耗減肉の原因を以下のように考えた。図７（ａ）〜（ｄ）を参照して、説明する。
図７（ａ）：耐火材４直上の蒸発管３に溶射されている被膜５は、小粒の溶射材５ｃが積層して形成されている。被膜５の上端部は、通常、スムージング処理されている。
図７（ｂ）：廃棄物焚き循環流動床ボイラの運転中に、例えば、ＲＰＦ中の塩素から発生したＨＣｌガスやＨＣｌガスから気相凝縮するＫＣｌ、ＮａＣｌなどの溶融塩９が気相凝縮し、被膜５内に侵入する。
図７（ｃ）：溶融塩９によって、被膜５の腐食が進行し、溶射材粒子間の結合力が弱まる。そのため、循環材７のエロードにより被膜５の上端部が、蒸発管３の軸下方向へ徐々に摩耗減肉される。それによって、被膜５のスムージング処理された部分５ａが消失し、蒸発管３の素管と、被膜５との境界に段差５ｂが形成される。
図７（ｄ）：通常、耐火材４直上部の蒸発管３に溶射される被膜５は、耐食・耐摩耗を目的として施工されているため、蒸発管３の母材よりも硬度が高い。そのため、燃焼室内を飛散している循環材７は、段差５ｂに引っ掛かることで該段差５ｂを起点として、被膜５より軟らかい素管の方を局部的に摩耗減肉する。
【００１１】
本発明によれば、耐火材直上の蒸発管に溶射される被膜の軸上方向に、蒸発管の母材よりも軟らかい溶射膜が施工されることで、循環材が、直接被膜の上端部に衝突することを防止できるようになる。また、循環材が、上記溶射膜を優先的に摩耗減肉するようになるため、摩耗減肉される範囲が分散される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、蒸発管の母材よりも硬度の低い溶射膜が施工されることで、燃焼室内部における局部的な摩耗減肉の発生を抑制できる。従って、定期的に蒸発管に溶射膜を施工することで循環流動床ボイラの寿命を延長させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る循環流動床ボイラの一実施形態について、燃焼室の縦断面概略図である。
【図２】図１のＡ部分の拡大図である。（ａ）は、溶射膜が施工された蒸発管の部分断面概略図である。（ｂ）は、循環材によって溶射膜が摩耗減肉される際のイメージ図である。
【図３】摩耗試験に用いる遠心スプレッダ式高温エロージョン試験装置の構造を示す部分概略図である。
【図４】摩耗試験に用いる遠心スプレッダ式高温エロージョン試験装置の原理を説明する図である。
【図５】摩耗試験の結果のグラフを示す図である。
【図６】蒸発管の溶射された被膜の上端部のＶ字摩耗の説明図である。
【図７】耐火材直上部蒸発管の溶射上端部における局部的な摩耗減肉の推定メカニズムの説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に、本発明に係る循環流動床ボイラの一実施形態について、図面を参照して説明する。
図１に、循環流動床ボイラの燃焼室１の縦断面概略図を示す。燃焼室１内には、燃焼室（火炉）の壁面に沿って炉底部２から一定の高さまで上下方向に延びて隣接配置された複数の蒸発管３が備えられている。蒸発管３の下部は、例えば、シリカとアルミナの混合物からなる耐火材４で被覆されている。燃焼室１内には、燃焼用の空気が図示しないブロワから炉底部２に供給される。また、廃棄材やＲＰＦ等の燃料も炉底部２に供給される。燃焼室１内には、珪砂等の循環材７が充填されている（不図示）。燃料は、燃焼室１内部を炉底部２から吹き上げるように、空気によって循環材７と一緒に攪拌されながら高速流動床と呼ばれる流動状態を形成し、その流動床の中で燃料が燃焼される。
【００１５】
燃焼室１には、ガス・循環材分離手段、シールポット、及び外部熱交換器などのボイラとして機能するための他の手段が適宜接続されていても良い。本実施形態では、説明の簡略化のため、図示を省略する。
【００１６】
図２（ａ）に、図１のＡ部分の拡大図を示す。上記のような構成の循環流動床ボイラの燃焼室１において、蒸発管３の耐火材４の直上に位置する部分には、被膜５が溶射されている。被膜５の蒸発管３軸上方向には、溶射膜６が施工されている。
【００１７】
蒸発管３の母材（素管）は、許容応力以上の強度と、その使用環境に耐えうる耐食性及び耐酸化性を有する材料とされ、本実施形態では炭素鋼、例えばＳＴＢ５１０などで構成されている。炭素鋼を用いた場合、そのビッカース硬さは１５０ＨＶ程度となる。
【００１８】
被膜５は、循環材７による摩耗、または燃焼ガスなどによる腐食から蒸発管素管を保護する目的で、蒸発管３の耐火材４直上部から所定の高さまでの範囲に溶射されている。溶射材としては、高Ｃｒ合金や５０Ｃｒ−５０Ｎｉなどの材料が使用され、通常、蒸発管３の素管よりも硬い膜（例えば、ビッカース硬さで３５０ＨＶ程度）として形成される。
【００１９】
溶射膜６は、上記被膜５が溶射された蒸発管の軸上方向に所定の範囲で施工される。溶射膜６は、蒸発管３の母材（素管）よりも硬さの低い溶射膜とする。例えば、母材が炭素鋼からなる場合、溶射膜の材料は、Ａｌ合金（ビッカース硬さ：１３０ＨＶ）やＮｉ−５Ａｌ（ビッカース硬さ：１２０ＨＶ）を用いることができる。溶射膜６の膜厚は、被膜５の膜厚や溶射膜６の材料などを考慮して、適宜設定する。
【００２０】
被膜５及び溶射膜６の溶射は、ガス式フレーム溶射、電気アーク溶射、及びプラズマ溶射などによって行う。
【００２１】
本実施形態によれば、図２（ｂ）に示すように、耐火材４直上部蒸発管３に溶射された被膜５の軸上方向に、更に蒸発管３の母材よりも硬さの低い溶射膜６を施工することで、燃焼室１内を飛散している循環材７が被膜５に衝突しないようになる。また、溶射膜６が素管（母材）と比べて軟らかいので、素管よりも優先的に摩耗され、循環材７が溶射膜６の全周を侵食するため、循環材７の衝突箇所を分散することができる。すなわち、蒸発管３素管の局部的な摩耗減肉を抑制させることができる。そのため、定期的に蒸発管３に溶射膜６を施工することで、循環流動床ボイラの寿命を延ばすことができる。
【００２２】
以下で、溶射膜の摩耗試験を実施した。
摩耗試験に用いた遠心スプレッダ式高温エロージョン試験装置は、図３に示すように、炉１１、モーター１２、ノズル１３、ヒーター１４、回転円板１５、粉体供給用ノズル１６から構成される。
図４に、遠心スプレッダ式高温エロージョン試験法の原理を説明する図を示す。回転円板１５の外側に試験片１７を配置し、円板１５をＸ方向に回転させながら、その中央部に粉体１８を供給し、外向きに設けたノズル１３を通して遠心力により粉体１８を飛散させて、内部からカートリッジヒーターで加熱した試験片１７に衝突させる。このようにして、一定条件下で摩耗させた後、試験片１７の三次元形状の変化に基づいて、粉体１８の衝突角度に対する摩耗量を求める。
【００２３】
本実施形態おいては、試験片１７（外径２０ｍｍ×内径１２ｍｍ×高さ５０ｍｍ）として、Ａｌ溶射合金（ビッカース硬さ：１３０ＨＶ）または炭素鋼（ビッカース硬さ：１５０ＨＶ）を用いて摩耗試験を実施した。粉体１８は実缶流動材：実機で使用されていたシリカ−アルミナ系の流動材とし、粉体衝突速度：１００ｍ／秒、温度：３５０℃の条件下で４時間摩耗した後、試験片１７の三次元形状の変化に基づいて、粉体１８の衝突角度に対する摩耗量を求めた。
【００２４】
図５に、摩擦試験の結果を示す。同図において、横軸は試験片名、縦軸は平均摩擦深さである。Ａｌ合金の平均摩擦深さが９０μｍ程度であったのに対し、炭素鋼の平均摩擦深さは４０μｍ程度であった。
【符号の説明】
【００２５】
１  燃焼室
２  炉底部
３  蒸発管
４  耐火材
５  被膜
６  溶射膜
７  循環材
８  Ｖ字摩耗
９  溶融塩
１１  炉
１２  モーター
１３  ノズル
１４  ヒーター
１５  回転円板
１６  粉体供給用ノズル
１７  試験片
１８  粉体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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