(57)【要約】蒸気ボイラー設備の熱交換管（１）を保護するため、繊維強化セラミックから成る特殊な被覆エレメント（２）が提案される。これらの被覆エレメントは、熱交換管の堆積物及び腐食の形成を防止するか、又は低下させることによって、ボイラー装置の蒸気パラメータを増加させることができ、それに応じて熱効率が高まる。【選択図】なし
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸気ボイラー設備の熱交換管が、少なくとも部分的にセラミックによって取り囲まれることを特徴とする、蒸気ボイラー設備の熱交換管の保護方法。
【請求項２】
前記セラミックが、繊維強化されていることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記セラミックが、少なくとも部分的に炭化ケイ素から形成されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記セラミックが、少なくとも部分的に黒鉛フォイル又は炭素フォイルのシリコナイジングによって形成されていることを特徴とする、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記セラミックが、前記熱交換管（１）に対して移動可能に配置されることを特徴とする、請求項１〜４のうちいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記セラミックが、複数の互いに接触する被覆エレメントの形で配置されることを特徴とする、請求項１〜５のうちいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記被覆エレメントが、欠円シェルから形成されていることを特徴とする、請求項１〜６のうちいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記欠円シェルが、軸方向及び／又は半径方向にポジティブ結合で相互に接続されていることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
【請求項９】
前記セラミックが、炭素繊維を有していることを特徴とする、請求項１〜８のうちいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記セラミックが、４００℃以上の温度にさらされることを特徴とする、請求項１〜９のうちいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記熱交換管の内側が４０ｂａｒ以上の圧力にさらされることを特徴とする、請求項１〜１０のうちいずれか一項に記載の方法
【請求項１２】
前記セラミックの内径と外径との間の厚さが、１０ミリメータよりも小さく、好ましくは５ミリメータよりも小さいことを特徴とする、請求項１〜１１のうちいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
前記セラミックが、３０ｍｍより大きい内径を有することを特徴とする、請求項１〜１２のうちいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記セラミックの前記表面が、流れに影響を与える構造及び粒子の分離特性に影響を与える構造を有していることを特徴とする、請求項１〜１３のうちいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
前記被覆エレメントが、ブラケット又は溶接ポイントによって前記被覆エレメントの位置に固定されることを特徴とする、請求項1〜１４のうちいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
熱交換管の被覆に適した、請求項１〜１５に記載の方法を実施するための、繊維強化セラミックを含む成形物。
【請求項１７】
表面が、堆積物又はケーキングを回避するためにナノ粒子でコーティングされている、請求項１〜１６のうちいずれか一項に記載の成形物。
【請求項１８】
請求項９に記載の成形物によって取り囲まれている熱交換管。
【請求項１９】
前記成形物と前記熱交換管との間に、好ましくはリング型の隙間が配置されていることを特徴とする、請求項１８に記載の熱交換管。
【請求項２０】
例えば繊維強化セラミックマットなどの繊維材料によって取り囲まれる熱交換管。
【請求項２１】
請求項１〜２０のうちいずれか一項に記載の熱交換管を有する蒸気ボイラー装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蒸気ボイラー設備の熱交換管保護方法及び本方法を実行するための成形物に関する。さらに、本発明は、熱交換管及びその種の熱交換管を備える蒸気ボイラー設備にも関する。
【背景技術】
【０００２】
例えばゴミ及びバイオマス焼却設備など、固体燃料を燃やすための焼却炉は、熱交換管を備える蒸気ボイラーを有している。これらの熱交換管は、一部が水を蒸発させるために用いられ、一部は蒸発した水を過熱させるために用いられる。
【０００３】
この種の設備では、作動中に熱交換管が腐食するという問題が生じる。数多くの研究から、この腐食は、灰と塩とからなる付着堆積物によって誘発されることが判明している。例えばＨＣｌ及びＳＯ２といった気体の排気ガス成分は、堆積物の組成に影響を与えるが、これらの構成部品を直接腐食させることはない。
【０００４】
ゴミ及びバイオマス焼却設備は、極端な場合、１，０００時間当たり最大１ミリメートルの割合で腐食が生じるおそれがある。
【０００５】
腐食防止対策として、セラミックの被覆及び金属コーティングが用いられる。セラミックの被覆は、モルタルのような形で管の上に塗布され、いわゆる加熱乾燥によって実際の稼働前に硬化させるか、又は腐食にさらされている管部分を覆う成形煉瓦として取り付けられる。金属コーティングは肉盛り溶接されるか、又は熱溶射される。
【０００６】
ＤＥ３８２３４３９Ｃ２は、互いにかみ合わされたハーフシェルから成るセラミックの、焼結仕上げの保護エレメントを説明している。好ましくは炭化ケイ素から製造されるこれらのシェルは、実際にはうまくいかないことが証明されている。なぜなら、ボイラー設備の稼働中の負荷に耐えるように、必要な材料を比較的肉厚に、重く実施する必要があるからである。さらに、この保護エレメントは比較的多くのモルタルで埋め戻しされる。かみ合い部は熱膨張が許されないため、通常作動において生じる高温時に亀裂が起こり、シェルが破裂してしまう。
【０００７】
ＤＥ２０２００８００６０４４Ｕ１は、炭化ケイ素の多重ハーフシェルから成る別のセラミック製保護カバーを説明している。
【０００８】
壁に取り付けられるセラミック被覆は、燃焼室では適することが証明されているが、過熱領域でセラミック製保護シェルを使用することはできない。保護シェルの重量による鉄骨構造の静負荷の他にも、過熱領域の熱交換管は、クリーニング時の機械的負荷を受ける。
【０００９】
堆積物を除去するために、過熱領域の管に機械的に作用する叩き装置が広く普及している。水及び蒸気ブロワで堆積物を除去する試みもあるが、これにより、さらに化学的負荷が発生する。これらの負荷は、過熱領域における腐食防止対策のためのセラミック被覆の使用可能性を大きく制限する。
【００１０】
放射線ダクト内では、ビルドアップ溶接が有効な腐食防止として証明されている。溶接材料としては、材料２．４８５８（インコネル６２５）が認められている。
【００１１】
しかし、過熱領域において、及び作動圧力が非常に高い場合にはエバポレータの管内においても生じる４００℃を超える材料温度は、この材料の腐食防止を著しく制限する。その他の溶接添加材料、例えば２．４６０６（インコネル６８６）などの使用も、経験上、顕著な改善を示さない。
【００１２】
その他に、熱溶射法も腐食防止対策としてしばしば用いられる。ボイラー構成部品上の腐食保護層として、様々な材料組成を用いた試験は、この種の保護層が予想外に短時間で機能しなくなる可能性があることを示している。従って、この種の方法では、長期間の腐食防止を保障することはできない。
【００１３】
ボイラー管の腐食防止は、一方で、蒸気発生器の効率に影響を及ぼす。なぜなら、付着した堆積物が熱伝導を妨げるおそれがあるからである。他方で、主なゴミ及びバイオマス燃焼設備を、最大蒸気圧４０ｂａｒ、最大４００℃の蒸気温度でのみ作動させることにより、腐食を制御可能な範囲に保っている。これらの蒸気パラメータを増加させることは、耐圧殻の顕著な腐食速度の上昇、及びそれによる設備の使用可能性の減少に結びつく。これらの周知の腐食防止対策では、必要な改善を提供することができなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】独国特許出願公開第３８２３４３９Ｃ２
【特許文献２】独国実用新案公開第２０２００８００６０４４Ｕ１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
従って、本発明は、蒸気ボイラー設備の熱交換管に生じる腐食を軽減すると同時に、説明した欠点を最小限に抑えるという課題に基づいている。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
この課題は、蒸気ボイラー設備の熱交換管を少なくとも部分的に繊維強化セラミックによって取り囲む、蒸気ボイラーの熱交換管保護方法によって解決される。
【００１７】
本発明は、蒸気ボイラー設備内の熱交換管から生じる腐食が、付着する堆積物によって誘発されるという知識に基づいている。塩と灰との混合物である堆積物を管表面から遠ざけることは、本発明に基づき、腐食プロセスの顕著な低下につながるか、又は腐食プロセスを停止させる。
【００１８】
堆積物は、熱交換管が少なくとも部分的に繊維強化セラミックによって取り囲まれることによって、蒸気ボイラー設備の熱交換管から遠ざけることができる。
【００１９】
高温の過熱領域においても、クリーニングシステムによる強い機械的負荷がある場合でも、熱交換管の堆積物の形成を減少させるために繊維強化セラミックが使用可能であることが判明した。繊維強化セラミックは高温に損傷なく耐えることができ、水蒸気を含む大気に対しても良好な耐久性を有している。さらに、この材料は、良好な熱伝導性と少ない熱膨張とを有している。
【００２０】
熱交換管保護に繊維強化セラミックを用いることにより、明らかにより高い温度でボイラー設備を作動させることが可能となり、これにより、設備の熱効率を顕著に改善することができる。
【００２１】
セラミック被覆と熱交換管との間に応力が生じるのを防ぐため、管に対してセラミックを移動可能に配置することが提案される。このために、熱交換管を取り付ける前に、これらの管の上にセラミック管又はセラミックスリーブを取り付けることができる。このことにより、セラミックは、複数の互いに接触する被覆エレメントの形で配置される。
【００２２】
特に、装着済みの熱交換器の上にセラミックを取り付けなければならない場合、熱交換管を損傷することなく、セラミックリング又はスリーブを熱交換管の上に通すことはもはや不可能である。従って、被覆エレメントを欠円シェルから形成することが提案される。例えば、２つの欠円シェルを組み立てて１つのスリーブにしてもよい。この種のスリーブは、スリーブのハーフ部品を向かい合った側から管に当てることによって、管に後装着することができる。
【００２３】
スリーブのハーフ部品は、続いて、互いに接続されるか、又は互いにかみ合わせることができる。欠円シェルが、軸方向及び／又は半径方向にポジティブ結合で相互に接続されている場合は有利である。例えば、凹部又は段によってＺ形ジョイントを形成することができる。２つの向かい合った欠円シェルは、接続箇所における熱交換管への粒子の侵入が防止されるように互いにかみ合わされるか、又は互いに接続されることができる。
【００２４】
しかし、例えばＺ形ジョイントによって２つの被覆エレメントの間から粒子が熱交換管に入り込むことを制限するために、軸方向に互いに接触する被覆エレメントが、相互にかみ合う凹部又は段を有することもできる。
【００２５】
この場合、被覆エレメントは、ブラケット、管曲によって、及び／又は溶接ポイントによって熱交換管上の被覆エレメントの位置に固定することができる。
【００２６】
繊維強化セラミックは、安定性と表面特性を改善するための様々な添加物を有することができる。セラミックが炭素繊維を有する場合は有である。炭素繊維は難燃性であり、特に機械的な叩くクリーニング法に関して非常に重要である、特別なセラミック安定性を得ることができる。
【００２７】
腐食防止のコストを下げ、熱伝導への影響をできるだけ小さくするため、セラミックの内径と外径との間の厚さを１０ミリメータよりも小さく、好ましくは５ミリメータよりも小さくすることが提案される。
【００２８】
材料の厚さをできるだけ小さくし、管と一緒にセラミック材料の膨張を可能にするため、繊維強化セラミックを、コーティングとして管の上に直接取り付けることもできる。セラミック材料が管に固定されている限り、セラミック材料の亀裂形成は容認することができる。なぜなら、これらの亀裂は被覆機能にほとんど影響を与えないからである。
【００２９】
また、例えば繊維強化セラミックマットなどの繊維材料によって、管を取り囲むこともできる。この場合、セラミックは、管の上に取り付ける前に形成してもよく、また、管の上に取り付けた後に炉内で形成することも、又は燃焼設備内のボイラーの使用開始後の材料加熱時に形成することもできる。
【００３０】
このために、ボイラー管は、この材料によって被覆されるか、又は取り囲まれる。この場合、材料は、マット、布又はある種の鎖帷子のような形が適している。これらの材料はすでに繊維強化セラミックを有しているか、又は管の上に取り付けた後に、焼結、硬化などの工程によってセラミックが形成されるかいずれかである。
【００３１】
試験は、セラミックが４００℃以上の温度にさらされることが可能であることを示した。
【００３２】
従って、熱交換管の内側を４０ｂａｒ以上の圧力にさらすことができる。
【００３３】
金属管とセラミックとは、例えばセラミックの複合管を製造することにより、互いに固定することもできる。
【００３４】
被覆エレメントが、技術的燃焼炉の熱交換管での使用に適するように、セラミックが、３０ｍｍより大きく、好ましくは約４０〜６０ｍｍの内径を有していることが提案される。
【００３５】
熱交換管の被覆に適する方法を実施するための、繊維強化セラミックを含む成形物も本発明の対象である。さらに、その種の成形物によって取り囲まれる熱交換管も本発明の対象である。成形物と熱交換管との間には、好ましくはリング型の隙間を配置することができる。最後に、本発明は、その種の熱交換管を備える蒸気ボイラー設備にも関する。
【００３６】
以下に、本発明を実施例に基づいて詳しく説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】被覆エレメントを備える熱交換管の図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
図１に示されている熱交換管１は、蒸気ボイラー設備（図示されていない）の熱交換器（図示されていない）の多数の熱交換管の管である。この熱交換管１は、多くの被覆エレメント２で取り囲まれている。これらの被覆エレメント２の中から、１つの被覆エレメントの欠円シェル３のみが示されている。この欠円シェル３は、熱交換管１の外面５に接している内面４を有している。
【００３９】
この内面４から例えば５ミリメータ離れて、欠円シェル３は外面６を有しており、この外面は堆積を防止するために特に滑らかに形成されている。
【００４０】
外面６には、波形構造又は流れ制御ピンなど、流れに影響を与える構造を設けて、乱気流又は表面積の拡大だけで熱伝導を改善することもできる。適合する構造を用いることにより、被覆エレメント表面の分離特性にも有利な影響を及ぼすことができる。堆積物を回避するための欠円シェル３の外面６の顕微鏡的構造はできる限り滑らかにするべきであるが、滑らかな表面の巨視的構造は、例えば波を有してもよい。
【００４１】
従って１つの変更例では、排気ガスからの粉塵などの微粒子の粘結を最小化するために、例えばナノ粒子によって、セラミック表面の非常に滑らかなコーティングが達成されるようになっている。
【００４２】
欠円シェル３は、プラグ形に突出したエレメント７、８を有しており、これらのエレメントは、向かい合った欠円シェルの対応する凹部と相互作用して、ポジティブ結合及び必要に応じて摩擦結合による、半径方向に向かい合った２つの欠円シェル間の適切な接続を可能にする。
【００４３】
欠円シェル３は、そのもう一方の正面９に２つのボルト穴１０、１１を有し、これらのボルト穴は向かい合った欠円シェル（図示されていない）のプラグと相互作用することができる。プラグ及び穴は、例えば約４５の角度で取り付けることができる。このことにより、相対的なシェルの相互の位置決め及びシェル相互の十分な固定が生じる。
【００４４】
欠円シェルの左右対照の形態により、この成形部品を、ポジティブ結合によって接続可能な、向かい合った２つの欠円シェルに用いることが可能となる。
【００４５】
さらに欠円シェル３の形態により、軸方向に互いに接触している２つの欠円シェルをポジティブ結合によって接続することが可能となる。
【００４６】
このために、軸方向に向かい合った正面１２、１３には、それぞれ１つの段１４、１５又は１６、１７が設けられ、これらの段により、軸方向に突出しているエレメント１６、１７を隣接する次の欠円シェルの凹部１４、１５に挿入することが可能となる。
【００４７】
図示されている形状は、被覆エレメントの基本的な構造を明確にする実施例にすぎない。本発明の範囲内において、その他にも、好ましくはポジティブ結合によって半径方向及び必要に応じて軸方向にも相互作用する被覆エレメントを形成する様々な方法があることは、当業者には明白である。これにより、熱交換管１の良好な保護が達成される。
【００４８】
この場合、熱交換管１と被覆エレメント２との間の嵌め合いは、被覆エレメント２に対する熱交換管１の膨張によって被覆エレメント２が損傷しないように決定され、また、皮膚エレメント３の内部表面４と熱交換管１の外部表面５との間の距離が最小になるように選択されている。このことにより、熱交換管は作動温度において繊維強化セラミックに密着しているが、高すぎる圧力がこのセラミックに加わることはない。
【００４９】
被覆エレメント３の内部表面４と熱交換管の外部表面５との間に残る隙間には、熱伝導に有利に影響する材料を挿入してもよい。
【００５０】
この隙間は、繊維強化セラミックが簡単に熱交換管の上を移動できるように寸法決めすることもでき、セラミックの内部表面は、特別な温度に達した場合、この内部表面が膨張してこの中間スペースが埋まるようにコーティングされている。このために、熱の影響によって膨張する特殊な材料が知られている。
【００５１】
被覆エレメントを取り付ける際には、最初の作動開始時に消散（例えば、蒸発）することによって、熱膨張のためのスペースを開放する材料をボイラー管の上に取り付けることもできる。
【００５２】
熱交換管１が膨張する場合に、被覆エレメントの膨張も可能にするため、被覆エレメント２が、半径方向には複数の部分から構成され、軸方向には分割されている被覆エレメントから成ることもできる。
【００５３】
特に、被覆エレメントの欠円シェルの段の付いた正面により、熱交換管の熱膨張時に、被覆エレメントも半径方向にある程度膨張することが可能であり、その際、熱交換管へ粒子が直接侵入することはない。
【００５４】
特殊な凹部により、欠円シェルなどの被覆エレメント部品は、半径方向に互いにかみ合わされるか、及び／又は軸方向に互いに接続させることができるため、ボルト接続なしに、コネクタ接続だけで熱交換管を被覆エレメントで取り囲むことができる。
【００５５】
熱交換管が曲管として形成されている部分では、被覆エレメンもトそれに適合するように形成する必要があることは当然である。
【００５６】
本発明に基づく方法の被覆管を製造するための変更例を、引き続き、例を用いて説明する。
【００５７】
第１の工程では、以下に続くシリコン処理プロセスにおいて反応しない繊維束が製造される。それぞれ５０，０００のほぼ平行な短繊維を含む炭素繊維ストランドはフェノール樹脂を入れ込まれるため、３５％の樹脂含有率と３２０ｇ／ｍ２の単位面積質量とを備えるプレプレグが生じる。このプレプレグは、速度１ｍ／分、圧力１ＭＰａ、温度１８０℃で、連続的にベルトプレス上で厚さ２００μｍのスクリムに圧縮され、同時に形状の安定したスクリムが得られるまで硬化させる。このスクリムは、次に、それぞれ幅５０ｍｍの個別の短冊状に切り取られる。これらは、すでに説明したように、長さ９．４ｍｍ、幅１ｍｍのセグメントにカットされる。繊維束２４００ｇを、タンブルミキサーの中に移し、６００ｇの粉末樹脂をふりかけ、５分間混ぜ合わせる。
【００５８】
金型にこの成形材料を充填する。繊維束を接線方向に配向するため、複数の同心円状の輪を含む充填格子を使用するのが好ましく、輪の間隔は繊維束の長さよりも小さいか等しい。注入する際、繊維束を備える成形材料を、充填格子の同心円状の輪と輪の間の中間スペースを通して落とすことにより、繊維束は主として接線方向の配向をとる。充填した金型を、ホット押出しプレスで３０分間、温度１６０℃で、４．０Ｎ／ｍｍ２の圧力を加え、続いて金型から取り出す。圧縮プロセスの間に、フェノール樹脂が硬化する。最終形状に近い環状ディスク形の素地が得られ、その内径は、後で保護する管の内径に一致している。これらのディスクのうち１０個に、ＳｉＣ粉末を含むフェノール樹脂接着剤を塗布し、個々のディスクがぴったり重なり合い、接合部の隙間が０．５ｍｍよりも小さくなるように固定用ツールに荷重を加える。締め付けたディスクを、固定装置と一緒に乾燥室に移し、１８０℃で３０分硬化させる。続いて、出来上がった素地と呼ばれる円筒を、固定装置から取り外し、炭化させる。
【００５９】
この素地を、窒素雰囲気下の雰囲気制御炉において、１Ｋ／分の加熱速度で９００℃まで加熱する。この場合、フェノール樹脂は、主として炭素から成る残基に分解される。この温度は１時間維持される。次に、炭化した成形物を室温で冷却する。続いて、出来上がった多孔質ＣＦＣ円筒を黒鉛製のカップに移し、シリコンを注ぎかけ、真空炉内で１７００℃の温度まで加熱する。この場合、温度１４２０℃以降で、液体シリコンが多孔質のプリフォームの中に入り込み、マトリクス炭素を炭化ケイ素に変換する。続いて、形成されたＣ／ＳｉＣ管の外部及び内部を希望する最終形状に研削する。
【００６０】
そのようにして製造されたＣ／ＳｉＣ成形物は、５０〜３００ＭＰａの強度及び５０〜１５０Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有する。成形物の材料組成は、製造プロセスに応じて、以下のように示すことができる：炭素２〜３０％、炭化ケイ素５０〜７０％及びシリコン５〜１５％。材料の多孔性は２％未満で非常に低い。
2013535647.tif 000003
【国際調査報告】
2013535647.tif 000004
2013535647.tif 000005
2013535647.tif 000006
2013535647.tif 000007
2013535647.tif 000008
2013535647.tif 000009