(57)【要約】 【課題】湿式炉において炉壁を保護するために溶融スラグ及び固相スラグの剥離を防止する手段を提供する。【解決手段】溶融スラグと接触する炉壁１０に、溶融スラグとの接触角が９０度以下となるセラミックス皮膜１１が形成され、セラミックス皮膜１１の厚さが５μｍ以上１０００μｍ以下である湿式炉。前記炉壁１０と前記セラミックス皮膜１１との間に中間層を更に備え、前記炉壁１０、前記中間層及び前記セラミックス皮膜１１の各材料は、前記炉壁１０側から前記セラミックス皮膜１１側に向かって熱膨張係数が段階的に減少する関係であっても良い。【選択図】図２
2015161459.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶融スラグと接触する炉壁に、前記溶融スラグとの接触角が９０度以下となるセラミックス皮膜が形成され、
前記セラミックス皮膜の厚さが５μｍ以上１０００μｍ以下である湿式炉。
【請求項２】
前記炉壁と前記セラミックス皮膜との間に中間層を更に備え、
前記炉壁、前記中間層及び前記セラミックス皮膜の各材料は、前記炉壁側から前記セラミックス皮膜側に向かって熱膨張係数が段階的に減少する関係である請求項１に記載の湿式炉。
【請求項３】
前記中間層が金属材料からなる層を含む請求項２に記載の湿式炉。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス化炉、溶融炉、ガス化溶融炉など、内部に溶融スラグを収容する湿式炉に関し、特に湿式炉の炉壁構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
溶融炉やガス化炉、ガス化溶融炉では、残渣や灰などを高温で溶かすことにより液状化し、溶融スラグを生成させている。溶融スラグの流動性を確保するために、炉内の温度は高温に保たれている。例えばガス化炉の場合は、１８００℃程度で残渣等の溶融が行われる。
【０００３】
これらの湿式炉の炉壁はオーステナイト鋼などの金属で形成され、炉壁外側に水冷管などが設置されて炉壁が冷却されている。炉壁を介して溶融スラグが冷却されて炉壁側で固相スラグを形成することにより、炉壁が保護される。しかしながら、金属と溶融スラグとの濡れ性は悪いため、溶融スラグが炉壁に付着しにくく、炉壁表面で溶融スラグが冷却されて形成される固相スラグ（固体のスラグ）の保持力が小さい。また、形成された固相スラグと炉壁との密着性が悪い。このため、固相スラグが剥離して炉壁が高温且つ腐食性のある環境に曝され、炉壁が損傷してしまう。
【０００４】
高温且つ腐食性の環境から炉壁を保護するために、炉壁表面に耐火材が形成されることがある。しかしながら、耐火材は高温のスラグと反応するか剥離することにより、運転中に消失してしまう。耐火材がない部分では、固相スラグのみが炉壁を保護することになり、遮熱性及び耐食性が低下する。
【０００５】
特許文献１は、スラグ中のアルミナ濃度に応じてガス化における冷却媒体（水、水蒸気等）の供給量を制御することにより、耐火物の溶損を防止する技術を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−２３１２０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１の方法では、外部から冷却媒体を追加投入する系統、及び、アルミナ濃度を計測する装置や冷却媒体供給量を制御する制御系統を設置する必要がある。また制御が複雑となり運転コストが増大するという問題がある。
【０００８】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、溶融スラグを収容する湿式炉において炉壁を保護するために溶融スラグ及び固相スラグの剥離を防止する手段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】
本発明の一態様は、溶融スラグと接触する炉壁に、前記溶融スラグとの接触角が９０度以下となるセラミックス皮膜が形成され、前記セラミックス皮膜の厚さが５μｍ以上１０００μｍ以下である湿式炉である。
【００１０】
本発明では、溶融スラグと接触する炉壁（炉壁の内面側）にセラミックス皮膜を形成しているため、耐火材に比べて炉壁を介した冷却効果が高い。このため、スラグとセラミックス皮膜との反応が抑制され、耐火材を設置した場合と比較してセラミックス皮膜の消失を抑制することが可能である。
また、本発明のセラミックス皮膜は溶融スラグとの濡れ性に優れるため、溶融スラグが炉壁面に付着しやすい。セラミックス皮膜が十分に冷却されているため、セラミックス皮膜表面に付着した溶融スラグが冷却されてセラミックス皮膜表面に固相スラグが形成される。この固相スラグはセラミックス皮膜との密着性が良好であるので、炉壁から剥離しにくく、炉壁表面に保持される。本発明ではセラミックス皮膜及び固相スラグにより優れた遮熱効果及び炉壁の防食効果が得られ、炉の損傷を防止することができるという優れた効果を奏する。この結果、湿式炉の寿命低下を抑制することが可能となる。
【００１１】
上記態様において、前記炉壁と前記セラミックス皮膜との間に中間層を更に備え、前記炉壁、前記中間層及び前記セラミックス皮膜の各材料は、前記炉壁側から前記セラミックス皮膜側に向かって熱膨張係数が段階的に減少する関係であっても良い。この場合、前記中間層が金属材料からなる層を含むことが好ましい。
【００１２】
セラミックス皮膜と炉壁との熱膨張係数差が大きい場合には、炉内に溶融スラグが収容された場合に炉壁とセラミックス皮膜との間に応力が生じる。上記の中間層を設ければ、セラミックス皮膜に負荷される応力を緩和してセラミックス皮膜の損傷を防止することができるとともに、セラミックス皮膜表面からの固相スラグの剥離を防止することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の湿式炉は、炉内に溶融スラグを収容している間に、溶融スラグとセラミックス皮膜との反応が抑制されるとともに、固相スラグの炉壁からの剥離が防止されるので、セラミックス皮膜及び固相スラグによって優れた遮熱効果及び炉壁の防食効果が得られる。
【００１４】
また、セラミックス皮膜と炉壁との間に中間層を形成して熱膨張係数の不連続性を緩和させる。こうすることによって、セラミックス皮膜の損傷を抑制するとともに、固相スラグの剥離頻度を低減させて、遮熱性及び防食性を更に改善することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】ガス化炉の断面概略図である。
【図２】第１実施形態におけるガス化室炉壁の断面拡大図である。
【図３】第２実施形態におけるガス化室炉壁の断面拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
［第１実施形態］
以下では、石炭ガス化炉を例に挙げて本発明の第１実施形態を説明する。なお、本発明はガス化炉に限定されず、ガス化溶融炉、産業廃棄物の溶融プラントに設置される溶融炉と言った、溶融スラグを内部に収容する湿式炉であれば適用可能である。
【００１７】
本発明における溶融スラグは、石炭ガス化炉から排出されるスラグや産業廃棄物から発生するスラグ等である。一例として、スラグの組成はＳｉＯ２：５０〜６０ｗｔ％、Ａｌ２Ｏ３：１０〜３０ｗｔ％、ＣａＯ：約５ｗｔ％、Ｆｅ２Ｏ３：約５ｗｔ％、その他：残部である。
【００１８】
図１は、ガス化システムに設置されるガス化炉の断面概略図である。ガス化炉１には、微粉状にされた石炭（微粉炭）を供給する微粉炭供給経路３と、チャー（未燃粒子）を供給するチャー供給流路４と、酸化剤としての空気を供給する酸化剤供給経路５とが接続される。ガス化炉１内部にはガス化室２が形成されている。ガス化室２の炉壁は、オーステナイト鋼などの金属で作製されている。ガス化室２の炉壁の外側外周には、炉壁を冷却する水冷管（図示せず）が設置されている。
【００１９】
微粉炭供給経路３、チャー供給流路４及び酸化剤供給経路５から、それぞれ微粉炭、チャー及び空気がガス化室２の炉壁に設けられるバーナ（不図示）を通じてガス化室２内に供給される。１８００℃程度の高温で微粉炭及びチャーが燃焼し、可燃性ガス及び溶融スラグ（液相）が生成される。
【００２０】
チャーを含む可燃性ガスは、ガス化室２上部の開口を通じてガス化室２から排出される。ガス化室２の下部には排出口６が形成されている。溶融スラグはガス化室２の炉壁内面を伝って排出口６から排出される。ガス化炉１の底部に水が貯留されている。排出口６から排出される溶融スラグは、水と接触して水砕スラグとなり、炉外に排出される。
【００２１】
図２は、第１実施形態におけるガス化室炉壁の断面拡大図である。溶融スラグと接触する部分の炉壁１０の内側表面には、セラミックス皮膜１１が形成される。
【００２２】
セラミックス皮膜１１は、５μｍ以上１０００μｍ以下、好ましくは１５０μｍ以上５００μｍ以下の膜厚に形成される。セラミックス皮膜１１は、大気圧プラズマ溶射、電子ビーム物理蒸着などによって炉壁１０表面に成膜される。
【００２３】
上述のように炉壁１０が水冷管により冷却されており、セラミックス皮膜１１は従来設置されていた耐火材よりも薄い。このため、セラミックス皮膜１１表面は十分に冷却状態が保たれている。このため、セラミックス皮膜１１に接触する溶融スラグは固体（固相スラグ）となっている。また、セラミックス皮膜１１が十分に冷却されているためにセラミックス皮膜１１とスラグとの反応が生じにくく、セラミックス皮膜１１の消失が抑制される。
【００２４】
セラミックス皮膜１１は、スラグの軟化点以上（具体的に１０００℃〜１５００℃）における溶融スラグと接触角が９０度以下、より好ましくは６０度以下となるセラミックスである。上記接触角であれば、溶融スラグとセラミックス皮膜１１との間で十分な濡れ性が確保できる。具体的に、セラミックス皮膜１１の材質は、ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３（例えばムライト）系材料、ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−ＭｇＯ（例えばコージェライト）系材料、Ａｌ２Ｏ３、ＣｒＯ３系材料、ＭｇＯ系材料、ＺｒＯ３系材料（例えばＣａＯ−ＺｒＯ３系材料）、ＺｒＯ２系材料（例えばＹ２Ｏ３−ＺｒＯ２系材料（８ｗｔ％Ｙ２Ｏ３安定化ジルコニア））、ＳｉＣ系材料である。表１に、各材料から作製した皮膜と溶融スラグとの接触角をまとめる。
【００２５】
【表１】
2015161459.tif 000003
【００２６】
本実施形態のセラミックス皮膜１１は薄いため優れた遮熱効果を得ることができるとともに、セラミックス皮膜１１と溶融スラグとの反応を抑制することができる。
【００２７】
上述の接触角を有するセラミックス皮膜１１を炉壁１０表面に形成すると、溶融スラグとの濡れ性が良好であるので、溶融スラグがセラミックス皮膜１１表面に付着しやすくなる。上記で説明したように炉壁の外側外周には炉壁を冷却する水冷管が設置されているため、セラミックス皮膜１１に付着した溶融スラグが冷却されて固相スラグとなる。この固相スラグは溶融スラグと同じ材質であるから、固相スラグの表面に更に溶融スラグが付着しやすい。また、固相スラグはセラミックス皮膜との密着性が良好となるため、炉壁１０から剥離しにくい。従って、炉壁１０は固相スラグによってセラミックス皮膜１１及び腐食性環境から保護される。
【００２８】
炉壁１０及びセラミックス皮膜１１は溶融スラグからの熱の影響により膨張するが、炉壁１０とセラミックス皮膜１１との熱膨張係数に差があると、セラミックス皮膜１１の表面に亀裂が発生する場合がある。この亀裂にスラグが入り込むが、セラミックス皮膜１１は薄く十分に冷却されているため、亀裂内でスラグが固化する。つまり、セラミックス皮膜１１が損傷しても炉壁１０が固相スラグにより腐食性環境から保護される。
以上のことから、炉壁１０に上述のセラミックス皮膜１１を形成した湿式炉は、長時間の使用に耐え得るものとなる。
【００２９】
第１実施形態において、セラミックス皮膜１１の表面はブラスト処理などにより粗面化されていても良い。こうすることにより、固相スラグとの接触面積が増大し、スラグがセラミックス皮膜１１から剥離しにくくなる。この結果、スラグによる遮熱効果及び防食効果を更に向上させることが可能となる。
【００３０】
［第２実施形態］
図３は、第２実施形態におけるガス化室炉壁の断面拡大図である。セラミックス皮膜材料と炉壁材料との熱膨張係数差が大きい場合には、セラミックス皮膜が剥離する可能性がある。このような場合は、セラミックス皮膜１１と炉壁１０との間に中間層１２が形成される。
図３では中間層１２は１層で表しているが、複数の中間層が積層されていても良い。
【００３１】
第２実施形態では、炉壁１０側からセラミックス皮膜１１側に向かって熱膨張係数が段階的に減少するように、炉壁１０、中間層１２、及び、セラミックス皮膜１１の材質が選定される。
【００３２】
上述の熱膨張係数の関係が達成できる中間層１２としては、ＣｏＮｉＣｒＡｌＹ合金やＮｉＣｏＣｒＡｌＹ合金などの金属材料が適用できる。
中間層１２は図３に示すように１層でも良いし、複数層が形成されていても良い。複数の中間層１２では、炉壁１０側からセラミックス皮膜１１側に向かって熱膨張係数が段階的に減少するように、各中間層１２の材質を変える。このように複数の中間層を形成する場合には、例えば、炉壁１０側には金属材料からなる中間層が形成され、セラミックス皮膜１１側にはセラミックス皮膜１１に用いた材料よりも熱膨張係数が大きいセラミックス材料からなる中間層が形成される。このとき、炉壁１０、セラミックス皮膜１１、中間層１２の間の熱膨張差がそれぞれ同程度となるように、複数の中間層１２の各材質が選定されると良い。
【００３３】
表２は第２実施形態の炉壁構造における材料選定の例である。表２の例では、冷却効果と炉内の熱負荷とを考慮して、中間層１２と炉壁１０との熱膨張係数の差、及び、セラミックス皮膜１１と中間層１２の熱膨張係数の差がほぼ同じとなるように設計されている。
【００３４】
【表２】
2015161459.tif 000004
【００３５】
本実施形態のセラミックス皮膜１１及び中間層１２を設ければ、第１実施形態と比較して、炉内に溶融スラグが収容された場合にセラミックス皮膜１１に生じる応力を緩和させることができる。この結果、セラミックス皮膜１１及び固相スラグの剥離が効果的に防止されて、遮熱効果及び防食効果を更に向上させることが可能となり、長時間の使用に耐え得る湿式炉とすることができる。
【００３６】
第２実施形態においても、セラミックス皮膜１１の表面はブラスト処理などにより粗面化されていても良い。こうすることにより、固相スラグとの接触面積が増大し、スラグがセラミックス皮膜１１から剥離しにくくなる。この結果、遮熱効果及び防食効果を更に向上させることが可能となる。
【符号の説明】
【００３７】
１  ガス化炉
２  ガス化室
３  微粉炭供給経路
４  チャー供給流路
５  酸化剤供給経路
６  排出口
１０  炉壁
１１  セラミックス皮膜
１２  中間層
【図１】
2015161459.tif 000005
【図２】
2015161459.tif 000006
【図３】
2015161459.tif 000007