(57)【要約】【課題】ごみ焼却炉の廃熱回収ボイラにおいて、過熱器熱交換管の高温腐食を安価に且つ確実に防止できるようにすることにより３００℃以上の過熱蒸気を安定して発生させ、ごみ発電効率を大幅に向上させる。【解決手段】  ３００℃以上の過熱蒸気を発生させるごみ焼却炉の廃熱回収ボイラにおいて、当該廃熱回収ボイラの過熱器熱交換管を金属熱交換管と、その外表面を被覆する炭素繊維から成る被覆層とから形成する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
３００℃以上の過熱蒸気を発生させるごみ焼却炉の廃熱回収ボイラにおいて、当該廃熱回収ボイラの過熱器熱交換管を金属熱交換管と、金属熱交換管の腐食性ガスに触れる外表面を被覆する炭素繊維から成る被覆層とから構成としたことを特徴とするごみ焼却炉用廃熱回収ボイラの過熱器熱交換管。
【請求項２】
被覆層を、黒鉛質炭素繊維から成る被覆層とし且つ被覆層の厚さを２〜６ｍｍとするようにした請求項１に記載のごみ焼却炉用廃熱回収ボイラの過熱器熱交換管。
【請求項３】
被覆層を、金属熱交換管に被せた黒鉛質炭素繊維から成る円筒状の成型体又は金属熱交換管に巻き付けた黒鉛質炭素繊維から成るテープ又はロープ体の積層体とし、当該成型体又は積層体の内表面と金属熱交換管の外表面とを密着させるようにした請求項１に記載のごみ焼却炉用廃熱回収ボイラの過熱器熱交換管。
【請求項４】
金属熱交換管の外表面へ、黒鉛質炭素繊維の円筒状被覆層を積層成型する構成とした請求項１に記載のごみ焼却炉用廃熱回収ボイラの過熱器熱交換管。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主としてごみ焼却炉の廃熱ボイラ等で使用する過熱器の改良に関するものであり、腐食性ガス濃度及び煤塵含有量の高い高温排ガス内で使用をしても、熱交換管に殆んど腐食を生ずることなく長期に亘って高温・高圧蒸気を得られるようにしたごみ焼却炉用廃熱回収ボイラの過熱器熱交換管に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ごみ焼却施設等に付設したごみ発電設備に於いては、廃熱の回収効率並びに発電設備の利用率等を高めるために発電効率の向上が強く求められており、これに伴って発電用ボイラの高温・高圧化が積極的に推進されている。
しかし、ごみ焼却炉の廃熱回収ボイラに於いては、金属材料部分の所謂高温腐食が不可避であり、仮に高級特殊耐食金属製の過熱器熱交換管を用いて１００ｋｇ／ｃｍ2・５００℃の過熱蒸気を発生させることにより３０％の発電効率が達成できたとしても、過熱器の補修費やボイラ製造コスト等の高騰により、経済的に採算を取ることが困難なことが判明している。
【０００３】
一方、上記の如き問題を解決するため、過熱器熱交換管の高温部をキャスタブル耐火材で被覆することにより、高温腐食の進行を低下させる方法が採用されたりしているが、当該方法では熱伝達の低下が避けられず、熱回収効率の低下を招くと云う問題がある。
【０００４】
また、耐熱金属性過熱器熱交換管の外表面を溶射法や蒸着法により、耐熱・耐食性に優れたＴｉＣ皮膜等で被覆したり、或いは耐高温腐食性に優れ且つ塩類との漏れ性の低いセラミックス皮膜等で被覆することにより（特開平１０−２７４４０１号）、過熱器熱交換管の耐高温腐食性を高めるようにした技術が開発されている。
【０００５】
しかし、前者のＴｉＣ等を溶射した熱交換管では、必要且つ十分な高温耐食性を現実に得ることができず、実用に供せないことが判明している。
また、後者のセラミックコーティングした過熱器熱交換管には、セラミックスと金属管間の熱膨張差によるセラミックス皮膜の剥離が避けられず、この剥離箇所から高温腐食が進行し始めるという問題がある。
【０００６】
更に、上記セラミックス皮膜の剥離の問題を解決するため、（イ）耐熱性金属管の外表面を炭素や硼素、アルミニウムを主成分とする繊維等から成る筒状の熱膨張緩衝材で被覆し、（ロ）その外表面をセラミックス合金複合材製の筒状のカバー体で覆うと共に、（ハ）中間層の熱膨張緩衝材を耐熱性金属管に対して非接着性のものとし、（ニ）且つ、熱膨張緩衝材の内表面及び外表面の一部を金属管の外表面及びセラミック合金複合材の内表面へ接触させるようにした図５に示す如き三層構造のごみ焼却炉用廃熱ボイラの熱交換管が開発されている（特開２００１−５６１９７号等）。尚、図５に於いてＡは耐熱金属管、Ｂはセラミックス合金複合材製カバー材、Ｃは熱膨張緩衝材である。
【０００７】
上記特開２００１−５６１９７号に係る熱交換管は、ごみ焼却炉に特有の塩化水素や塩基性塩を含む高温排ガス中に於いても高い高温耐食性を示し、また、三部材間の熱膨張差による伸び等も部材相互間の滑りによって吸収されるため、最外層のセラミック合金複合材の剥離をほぼ完全に防止できると云う優れた実用的効用を有するものである。
【０００８】
しかし、当該熱交換管は、３層構造であるため製造工程が必然的に複雑化し、製造コストの引下げが図れないうえ、容易に補修をすることができないと云う難点がある。
また、中間層の熱膨張緩衝材の一部のみを金属管及びセラミック複合材へ接触させる構成としているため、熱伝導性が相対的に低く、その結果排熱回収効率の低下や熱交換器の大型化を招くと云う問題がある。更に、セラミック複合材には機械的衝撃により破損し易いと云う基本的な難点がある。
【０００９】
【特許文献１】特開平１０−２７４４０１公報号
【特許文献２】特開２００１−５６１９７公報号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、従前のごみ焼却炉の廃熱回収ボイラ等で使用する熱交換管、特に発電用蒸気の高温・高圧化を図る場合の過熱器熱交換管に於ける上述の如き問題、即ち、（イ）ＴｉＣ等の溶射やセラミックス皮膜による被覆では、実用に耐える耐高温腐食性が得られないこと、（ロ）また、３層構造の耐高温腐食性熱交換管とした場合には、製造コストの引下げが困難なうえ、補修も容易でなく、更に、排熱回収効率の低下や過熱器の大型化を招く等の問題を解決せんとするものであり、金属管の外表面を耐熱・耐食・高伝熱性の炭素繊維から成る被覆層で直接覆うことにより、比較的安価に製造することができると共に補修も簡単にでき、しかも優れた耐高温腐食性と高伝熱性を備えた過熱器熱交換管を提供せんとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本願発明者は、上記課題の解決を達成するため、永年に亘るこの種廃熱ボイラの設計製作の経験をベースにして過熱器熱交換管の被覆材としての必要条件と、被覆材としての炭素繊維の特性について検討をした。特に、炭素繊維は、その優れた耐熱性と高い機械的強度から人工衛星や宇宙ロケット等の先端技術分野で多用されてい乍ら、廃熱ボイラ等の技術分野へは殆んど適用されていない点について考察を加え、その過熱器熱交換管への適用について検討をした。
【００１２】
先ず、過熱器熱交換管（高温部用）の被覆材としては、低引火性、低発火性、高耐熱性、高耐食性、高熱伝導率、金属管材への高密着性等の特性を具備する必要があり、被覆材表面へ付着堆積した飛灰等により前記諸特性が影響を受けないことが必要となる。
【００１３】
ところで、炭素繊維は、過熱器熱交換管の被覆材として必要とする各特性について下記の如き特徴を具備している。
先ず、引火性、発火性（爆発性）及び自燃焼性については、全く問題がない。また、炭素繊維の主成分は炭素であって可燃性であるが、木炭や石炭のように燃えることはなく、ガスバーナ等の炎を直接当てても着火せず、建築基準法や消防法では不燃材に区分されている。自燃性も全くなく、燃料とともに４００℃以上で徐々に酸化はするが、火源を除去すると消える。ごみの燃焼排ガスは空気に比べＯ2が８〜１０％と少なく、不活性ガスに曝された状態となるため、６００〜９００℃の燃焼排ガス中でも自燃焼をすることは無い。
【００１４】
次に、炭素繊維はその処理方法により、種々の用途に適合する形態に成形することができ、糸状、織物状（平織、綾織、繻子織）、パイプや曲管などの成形品、硬化性樹脂を含浸させたプリプレグ（テープ状、クロス状）、３〜６ｍｍのチョップドファイバー等に容易に形成できる。
【００１５】
また、製造工程中の黒鉛化の過程で、窒素などの不活性気体中で２０００〜３０００℃で焼成することにより、微細なグラファイト結晶構造が形成されて、高弾性率で強度の高い炭素繊維が得られる。
【００１６】
更に、ピッチ系炭素繊維の場合、酸化性ガス雰囲気下でピッチ繊維を炭化する前に、繊維が再溶融しないように熱処理することにより、所謂不溶化処理が簡単に行える。
【００１７】
加えて、ＰＡＮ系炭素繊維の場合には、炭化する前にＰＡＮ繊維に耐炎性を付与するための熱処理をすることにより、耐炎化が容易に行える。
【００１８】
そのうえ、ＣＦＲＰ（炭素繊維複合材料）の比強度と比弾性（比剛性）は、鋼やＦＲＰ等と比較して大きく、軽くて機械的に強い構造材料である。尚、ＣＦＲＰは上述のような性質からフェノール樹脂や炭素をマトリックスにした超耐熱性の複合材料として、ロケットの噴射や大気圏再突入時の高温に耐えるための材料として使われている。
【００１９】
上述の如く、炭素繊維複合材料（ＣＦＲＰ）は、軽い、剛い、強い、熱による変形が小さい、熱伝導がよいなどの理由により人工衛星や宇宙探査機、ロケット等の部材に使用され、優れた効用を発揮している。
また、高速道路などのコンクリート構造物に於いては、鉄板の代わりに炭素繊維のシートやクロスをエポキシ樹脂で貼り付けている。これは、引張り強さや弾性率が高く、セメントの強アルカリ性に対して耐食性があり、軽くて施工がし易いと云う特徴と有しているからである。
【００２０】
また、その高耐熱性により、溶接・溶断火花受けシート、炉前服、各種防炎アスベストの代替品、１０００℃以上の高温真空蒸着炉及び真空焼結炉、熱処理炉、焼結炉等の断熱材等として、更に３０００℃以下の真空又は不活性雰囲気下で耐炎、耐熱用として多用されている。
【００２１】
更に、炭素繊維はその高耐食性により、耐食性フィルター、腐食性薬品を扱う作業場での保護材、腐食性電解液を用いる燃料電池用電極などに使われている。
【００２２】
一方、炭素繊維の熱膨張はきわめて小さく、繊維方向の線膨張係数は−０．４〜−１×１０-6Ｋ-1、繊維軸直角方向は５〜６×１０-6Ｋ-1と小さく、熱膨張０の板体ができる。この特長を生かして、ハツプル望遠鏡、人工衛星のアンテナ、大口径電波望遠鏡などに用いられている。
【００２３】
また、熱伝導率は銅、アルミ、鉄と同等以上で、弾性率が高いほど熱伝導率は高くなる。図３は、各種金属との熱伝導率と電気比抵抗の相関を示すものであり、また、表１は各種炭素繊維の熱伝導率を示すものであり、最高８００Ｗ／ｍ・Ｋまである。因みに、銅３９８、アルミ２０５、鉄６７Ｗ／ｍ・Ｋである。
【表１】
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【００２４】
図４は炭素繊維の耐酸化性を示すものであり、空気中における炭素糸と黒鉛糸の温度に対する質量損失を示す。黒鉛糸の場合、空気中では約５５０℃から酸化減量が始まることが判る。
【００２５】
また、表２は、カーボン原糸の基礎物性を示すものであり、炭素質では５２０℃、黒鉛質では７５０℃が酸化開始温度となっている。
【表２】
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【００２６】
更に、表３は炭素繊維の医薬品性を示すものであり、炭素質より黒鉛質の方が耐薬品性に若干優れている。
【表３】
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【００２７】
本願発明は、炭素繊維の具備する上述の如き各特徴の活用を基礎として創作されたものであり、炭素繊維の利用を介してその具備する特性をごみ焼却炉用廃熱ボイラの過熱器熱交換管へ有機的に結合させることにより、過熱器熱交換管の高温腐食の防止を比較的簡単に可能としたものである。
即ち、本願請求項１の発明は、３００℃以上の過熱蒸気を発生するごみ焼却炉の廃熱回収ボイラに於いて、当該廃熱回収ボイラの過熱器熱交換管を金属熱交換管と、金属熱交換管の腐食性排ガスに触れる外表面を被覆する炭素繊維から成る被覆層とから構成としたことを発明の基本構成とするものである。
【００２８】
請求項２の発明は、請求項１の発明に於いて、炭素繊維の被覆層を黒鉛質炭素繊維から成る被覆層とし且つその被覆層の厚さを２〜６ｍｍとするようにしたものである。
【００２９】
請求項３の発明は、請求項１の発明に於いて、被覆層を黒鉛質炭素繊維の円筒状の成型体又は金属熱交換管に巻き付けした黒鉛質炭素繊維から成るテープ体又はロープ体の積層体とし、当該成型体又は積層体の内表面と金属熱交換管の外表面とを密着させるようにしたものである。
【００３０】
請求項４の発明は、請求項１の発明において、金属熱交換管の外表面へ黒鉛質炭素繊維の円筒状被覆層を積層形成するようにしたものである。
【発明の効果】
【００３１】
本発明の過熱器熱交換管に於いては、金属熱交換管の外表面が黒鉛質炭素繊維から成る被覆層によって覆われているため、高温燃焼排ガスが直接熱交換管の外表面へ接触しない。その結果、金属管の外表面は、５００℃以上の高温度になってもごみ焼却排ガスによって腐食されることが無い。
また、黒鉛質炭素繊維は、その温度が５５０℃位いまでは酸化減量が少なく、ごみ焼却炉燃焼排ガスにより殆んど腐食されない。
更に、黒鉛質炭素繊維は弾力性及び柔軟性に富んでいるため、過熱器熱交換管の曲部等へも容易に適用することができる。
【００３２】
その結果、従前の金属製の過熱器熱交換管では５００℃以上の過熱蒸気を得ることが困難であったが、高耐火性、高耐食性及び高熱伝導性の黒鉛質炭素繊維から成る被覆層により金属熱交換管の外表面を被覆することにより、比較的安価に高温・高圧蒸気を発生させることができ、高効率発電の達成並びにごみ発電技術の大幅な向上が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。
［実施形態１］
【００３４】
図１は、本発明の実施例に係る過熱器熱交換管の部分縦断面図であり、図２は過熱器熱交換管の管壁内の温度分布の一例を示すものである。
【００３５】
図１に於いて、Ｄは過熱器熱交換管、１は金属熱交換管、２は黒鉛質炭素繊維被覆層、ＳＨは過熱蒸気、Ｇは燃焼排ガスである。
金属熱交換管１としては肉厚ｔｍ＝３．５ｍｍの耐熱合金管（ボイラ用耐熱管ＳＴＢＡ２８−２０Ａ）が使用されている。
【００３６】
前記黒鉛質炭素繊維の被覆層２としては、黒鉛質炭素繊維を筒状に成型した成型品が使用されており、筒状体の肉厚ｔｃは３ｍｍに設定されている。
また、前記金属熱交換管１は、黒鉛質炭素繊維の被覆層（筒体）２内へ押込み装着されており、その結果金属熱交換管１との外表面と被覆層２の内表面とは、密着状に接合している。
【００３７】
尚、本実施例に於いては、別体として筒状に形成した黒鉛質炭素繊維の被覆層の内方へ金属熱交換管を装着するようにしているが、金属熱交換管１の外表面へ黒鉛質炭素繊維から成るテープ体又はロープ体を巻き付けすることにより、筒状体の被覆層を形成するようにしてもよい。
【００３８】
更に、前記金属熱交換管１を芯型としてその外周面に黒鉛質炭素繊維を筒状に一体成形するようにしてもよく、或いは金属熱交換管１の外周面に黒鉛質炭素繊維の皮膜を積層形成させ、その被膜厚さを順次増加させることにより、筒状の被覆層を形成するようにしてもよい。
又、過熱器熱交換管の湾曲部や管寄せ部への溶接部等は、前記積層方式による被覆層の形成が望ましい。
【００３９】
図２において、いま仮に過熱蒸気ＳＨの最終過熱温度を５００℃、排ガスＧの温度を７００℃とし、蒸気側熱伝達係数を１７５０ｋｃａｌ／ｍ2・ｈ・℃、ガス側熱伝達係数を２５０ｋｃａｌ／ｍ2・ｈ・℃、金属管１の熱伝導係数を５７ｋｃａｌ／ｍ2・ｈ・℃（６７ｗ／ｍ・ｋ）管厚ｔｍ＝３．５ｍｍ、これに被覆した黒鉛被覆層２の熱伝導係数を５３０ｋｃａｌ／ｍ2・ｈ・℃（６２０ｗ／ｍ・ｋ）、被覆層厚さｔｃ＝３ｍｍとすると、その温度分布は図２のようになり、黒鉛被覆層２の表面温度は高い熱伝導率により約５３０℃となり、高温酸化に十分耐え得ることが可能なことが判る。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明は、ごみ焼却炉やごみ溶融炉、ごみガス化溶融炉等の各種ごみ焼却施設の廃熱回収ボイラにおいて主として利用されるものであるがその他の各種燃焼装置の廃熱回収ボイラでも利用できるものである。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の一実施例に係る過熱器熱交換管の一部縦断面図である。
【図２】本発明に係る過熱器熱交換管の管壁内に於ける半径方向の温度分布を示すものである。
【図３】各種炭素繊維が金属の熱伝導率と電気比抵抗の関係を示す線図である。
【図４】炭素繊維の酸化減量曲線を示すものである。
【図５】従前の三層構造の耐高温腐食熱交換管の一例を示す横断面図である。
【符号の説明】
【００４２】
Ｄは過熱器熱交換管、１は金属熱交換管、２は黒鉛質炭素繊維被覆層、ＳＨは過熱蒸気、Ｇは燃焼排ガス。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2005337514.tif 000009
【図５】
2005337514.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成16年5月28日(2004.5.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
３００℃以上の過熱蒸気を発生させるごみ焼却炉の廃熱回収ボイラにおいて、当該廃熱回収ボイラの過熱器熱交換管を金属熱交換管と、金属熱交換管の腐食性ガスに触れる外表面を被覆する炭素繊維から成る被覆層とから構成としたことを特徴とするごみ焼却炉用廃熱回収ボイラの過熱器熱交換管。
【請求項２】
被覆層を、黒鉛質炭素繊維から成る被覆層とするようにした請求項１に記載のごみ焼却炉用廃熱回収ボイラの過熱器熱交換管。
【請求項３】
被覆層を、金属熱交換管に被せた黒鉛質炭素繊維から成る円筒状の成型体又は金属熱交換管に巻き付けた黒鉛質炭素繊維から成るテープ又はロープ体の積層体とし、当該成型体又は積層体の内表面と金属熱交換管の外表面とを密着させるようにした請求項１に記載のごみ焼却炉用廃熱回収ボイラの過熱器熱交換管。
【請求項４】
金属熱交換管の外表面へ、黒鉛質炭素繊維の円筒状被覆層を積層成型する構成とした請求項１に記載のごみ焼却炉用廃熱回収ボイラの過熱器熱交換管。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２８】
請求項２の発明は、請求項１の発明に於いて、炭素繊維の被覆層を黒鉛質炭素繊維から成る被覆層とするようにしたものである。