(57)【要約】【課題】本発明は、腐食性ガスと水分によって空気予熱器の伝熱管で生じる低温腐食に対して、高耐久で経済合理性に優れた空気予熱器用伝熱管を提供する。【解決手段】腐食性ガスを含む排ガスが通過する空気予熱器本体の管板間に複数取り付けられ、その中に空気を通過させて空気を加熱する空気予熱器用伝熱管であって、空気入り側から全長に対して２〜３０％の長さ領域が、耐食合金指標ＧＩ＝−［Ｃｒ］＋３．６×［Ｎｉ］＋４．７×［Ｍｏ］＋１１．６×［Ｃｕ］の値が４０以上の耐食ステンレス鋼管、またはＮｉ基合金管からなり、残部の長さ領域がＡＳＴＭ  Ａ４２３  Ｇｒａｄｅ  ３  Ｃｏｄｅ  Ｃａｓｅ  ２４９４に準拠した耐食性低合金鋼管からなることを特徴とする、空気予熱器用伝熱管。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
腐食性ガスを含む排ガスが通過する空気予熱器本体の管板間に複数取り付けられ、その中に空気を通過させて空気を加熱する空気予熱器用伝熱管であって、空気入り側から全長に対して２〜３０％の長さ領域が、耐食合金指標ＧＩ＝−［Ｃｒ］＋３．６×［Ｎｉ］＋４．７×［Ｍｏ］＋１１．６×［Ｃｕ］の値が４０以上の耐食ステンレス鋼管、またはＮｉ基合金管からなり、残部の長さ領域がＡＳＴＭ  Ａ４２３  Ｇｒａｄｅ  ３  Ｃｏｄｅ  Ｃａｓｅ  ２４９４に準拠した耐食性低合金鋼管からなることを特徴とする空気予熱器用伝熱管。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電所や事業用ボイラー、ごみ焼却炉などに用いられるガス式の空気予熱器用の伝熱管に関するものである。より詳しくは、腐食性ガスと水分によって空気予熱器の伝熱管で生じる低温腐食に対して高耐久で経済合理性に優れた伝熱管に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
排出される排ガスの余熱を利用するための手段として、一般に、ガス冷却室で高温ガスによる影響のない温度まで降温した排ガスと、空気とを熱交換するガス式空気予熱器（熱交換器）が多く用いられている。
【０００３】
図１は、ごみ焼却炉における上記の排ガスの余熱利用設備の一例を示すブロック図で、１は焼却炉、２は焼却炉１から排出された排ガスを冷却する冷却室、３は冷却室２で降温された排ガスが送られる空気予熱器で、送風機４によって送り込まれた空気は空気予熱器３を通過する間に加熱され、余熱利用設備５へ送られる。一方、空気予熱器３を通過した排ガスは、集塵機６で清浄化され、送風機７により煙突８から外部へ排出される。
【０００４】
上記のような余熱利用設備において、熱交換器３には、一般に、ダストによる閉塞等のトラブルが少ない管外ガス式と呼ばれる形式のものが使用されている。このような管外ガス式熱交換器の一例を図２に示す。３１は排ガスが通過する例えば断面方形の熱交換器本体で、排ガス入口３２と排ガス出口３３とを有し、両側壁（以下管板ということあり）３４ａ、３４ｂ間には外側に突出して開口する複数の伝熱管３５が平行に取り付けられている。空気導入口側のダクト３６は、空気導入口３８を有し、熱交換器本体３１の一方の側壁３４ａに伝熱管３５の開口部を含む側壁３４ａを覆って取り付けられたほぼ漏斗状の空気導入部であり、空気流出口側のダクト３７は、空気出口３９を有し、他方の側壁３４ｂに伝熱管３５の開口部を含む側壁３４ｂを覆って取り付けられたほぼ漏斗状の空気導出部である。
【０００５】
上記のような熱交換器３においては、ガス冷却器２から送られた排ガスは、排ガス入口３２から熱交換本体３１内に導かれ、伝熱管３５の間を経て排ガス出口３３から集塵機６へ送られる。一方、送風機４によって送られた空気は、空気導入口３８から空気導入部３６に導かれ、各伝熱管３５内を通って空気導出部３７、空気流出口３９を経て排出される。この間、熱交換器本体３１内を通過する２００〜５００℃程度の排ガスにより、空気導入部３６から各伝熱管３５に導かれた常温程度の空気は、最高２５０℃程度まで加熱されて余熱利用設備５へ送られる。
【０００６】
ところで、事業用ボイラーやごみ焼却炉等の排ガスには腐食性ガスが含まれており、特に、排ガス中にＳＯｘが１ｐｐｍまで含まれると硫酸が１００℃以上で結露し、排ガス系の機器や煙道を激しく腐食させる。これを低温腐食（硫酸露点腐食）とよぶ。低温腐食を軽減するために、機器や煙道のケーシング温度を極力高く保持するために、排ガスの温度を維持したうえで、十分な保温や加熱を行なっている。しかしながら、前述の熱交換器３においては、伝熱管３５の中を空気が流れて熱交換を行なっているため、排ガスと接する伝熱管３５の表面は全体を通して容易に硫酸露点より低温になり、硫酸露点腐食を受ける。
【０００７】
伝熱管の低温腐食対策としては、特許文献１によれば、例えば、図３に示すように、伝熱管３５の入側開口部から伝熱管３５内に短い内挿管４０を密着して内挿し、排ガスと空気との間の伝熱量を下げて伝熱管３５の表面温度の低下を抑制し、低温腐食を防止する方法、すなわち二重管方式も使用されている。また、特許文献１では、さらに、図４に示すように、内挿管５２と伝熱管３５とを密着させずに隙間５４を設け、かつ、管板を二重構造として空気流入口５５から空気を取り込む構造を提案している。
【０００８】
一方、耐低温腐食性に優れた耐食管を採用する方法として、例えば特許文献２で提案されている耐硫酸性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼を鋼管として採用する方法が考えられる。
【０００９】
【特許文献１】特開平０７−１６７５８５号公報
【特許文献２】特開平１０−１６８５５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上記従来技術の二重管方式を採用する場合（図３参照）、多数ある伝熱管３５への内挿管４０の挿入施工が困難であり、また、管板３４ａ及び外板４１と内挿管４０との溶接が面倒で、多くの工数を要するといった施工上の問題あった。さらに、外板４１を通して伝熱管３５から放熱されるので、低温腐食は避けがたい、といった問題があった。
【００１１】
また、特許文献１に記載の従来技術も、施工コストがかかるだけでなく、管板からの抜熱があるために低温腐食を抜本的に回避することが難しいといった問題があった。また、耐硫酸性に優れた耐食管（オーステナイト系）を採用する場合、材料コストが著しく高くなるという問題だけでなく、管板などの他の構成材料が炭素鋼（フェライト系）であり、伝熱管と管板等の構成材料とで熱膨張率が大きく異なるため、ガスのリークを防ぐためには両管板に伝熱管を接合固定する必要があり、設計が極めて難しくなるといった問題があった。
【００１２】
そこで、本発明は、腐食性ガスと水分によって空気予熱器の伝熱管で生じる低温腐食に対して、高耐久で経済合理性に優れた空気予熱器用伝熱管を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明者らは、上記課題を解決するために、空気予熱器の伝熱管の腐食機構を鋭意研究した結果、下記の知見を得た。
【００１４】
（ｉ）伝熱管の低温腐食は一様ではない。空気入り側端からある長さまでは酸性を示す大量のドレインによる水腐食が支配的であり、より高温側になると硫酸露点腐食が支配的である。
【００１５】
（ii）空気入り側端付近で生じる酸性ドレインによる水腐食に対しては、ＧＩ値≧５０を示すオーステナイト系ステンレス鋼または二相ステンレス鋼、またはＮｉ基合金が優れている。より高温側で生じる硫酸露点腐食に対しては、例えばＣｕを０．３％程度、Ｓｂを０．１％程度含有する耐硫酸露点腐食鋼管が優れている。
【００１６】
（iii ）上記知見（ii）を満足する耐食ステンレス鋼管を空気入り側とし、残部を耐硫酸性低合金鋼管とし、両者を摩擦圧接接合した複合鋼管で１本の伝熱管を製作し、従来の炭素鋼製伝熱管に代えて試験した。管板および継手部で、異種継手における異種金属接触腐食による選択腐食を懸念していたが、予想を覆し、実用上問題ないレベルであることを知見した。その理由を鋭意研究した結果、凝結による液薄膜が極めて薄く、異種金属間で電池を十分に形成しないことを知見した。
【００１７】
（iv）高耐食鋼管の長さが全体の長さの３０％以下であれば、熱膨張率の差による弊害もないことが確認された。
【００１８】
本発明は、以上の知見を基になされたもので、その要旨とするところは、腐食性ガスを含む排ガスが通過する空気予熱器本体の管板間に複数取り付けられ、その中に空気を通過させて空気を加熱する空気予熱器用伝熱管であって、空気入り側から全長に対して２〜３０％の長さ領域が、耐食合金指標ＧＩ＝−［Ｃｒ］＋３．６×［Ｎｉ］＋４．７×［Ｍｏ］＋１１．６×［Ｃｕ］の値が４０以上の耐食ステンレス鋼管、またはＮｉ基合金管からなり、残部の長さ領域がＡＳＴＭ  Ａ４２３  Ｇｒａｄｅ  ３  Ｃｏｄｅ  Ｃａｓｅ  ２４９４に準拠した耐食性低合金鋼管からなることを特徴とする、空気予熱器用伝熱管である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の空気予熱器用伝熱管は、施工コスト、材料コストに優れながら、設備の構造や施工方法はほぼ従来のままで、低温腐食に対して優れた耐久性を示し、熱効率の安定化および維持管理費の低減など、希少合金使用量の削減など、産業上の寄与は極めて大きい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明は、前述の課題を克服し、目的を達成するもので、その具体的手段を図面に基づいて説明する。
【００２１】
図１は、本発明の実施形態に係る空気予熱器を設備したごみ焼却炉の全体フロー図であり、図２は、空気予熱器の全体図、図５は、本発明の伝熱管の構造図である。
【００２２】
図６は、図２の空気予熱器で１年間使用した普通鋼管（ＪＩＳ  Ｇ  ３４６１  ＳＴＢ３４０）を抜管し、表層の鉄さびの構成分の割合、および腐食減肉量と空気入り側端からの関係を示す。腐食減肉量は、図６中で、空気入口からの管長率でおよそ０．２を境に二つの領域（以下、便宜的に、空気入口からの管長率の低い側を領域Ｉ、高い側を領域IIという。）に大別されることがわかる。また、硫酸鉄は、硫酸露点腐食による腐食生成物であり、ＦｅＯＯＨは水腐食による腐食生成物であることから、領域Ｉでは主として水腐食、領域IIでは主として硫酸露点腐食が生じていたことがわかる。従って、領域Ｉで優れた耐食性を示す合金と領域IIで優れた耐食性を示す材料を選択すれば合理的である。
【００２３】
領域Ｉの材質：
領域Ｉの材料としては、耐食合金指標、ＧＩ＝［Ｃｒ］＋１．６×［Ｎｉ］＋６．０×［Ｍｏ］＋７．１×［Ｃｕ］の値が４０未満であると、低ｐＨのドレインによる全面腐食やすきま部での孔食や応力腐食割れなどで満足する耐食性が得られないので、ＧＩ値が４０以上の耐食合金が必要である。ＳＵＳ３１６以上の高グレードのオーステナイト系の耐食ステンレス鋼が望ましい。また、ハステロイなどのＮｉ基合金も適用できる。
【００２４】
領域IIの材質：
領域IIでは硫酸露点腐食が支配的なので、十分な耐食性を得るにはＣｕやＳｂなどの耐食元素を合計で１％以下程度に添加した耐食低合金鋼である必要がある。
【００２５】
領域Ｉの材質の所要長さ：
伝熱管の全長に対する領域Ｉの材質の所要長さは、十分な耐食性を得るには２％以上が必要である。また、３０％を超えると材料コストが高くなり、また、熱膨張係数の増加が設計上無視できなくなるので３０％以下に限定する。耐久性、施工性、材料コストを総合的に考慮すると、５〜２０％が好ましい。
【００２６】
耐食高合金製鋼管と耐食低合金鋼管のサイズ：
内径および外径は同一が望ましい。特に、管内面を排ガスが通過する構造の場合は、内径を同一として継手付近での灰の堆積や閉塞を防ぐのが好ましい。
【００２７】
異材管の接合方法については、本発明では限定しないが、突合せ円周溶接、摩擦圧接などの溶接法や、焼きばめなどの機械接合等、いずれも適用できる。
【実施例】
【００２８】
以下に、本発明の効果を実施例によりさらに詳細に説明する。なお、本発明は下記実施例に限定されるものではない。
【００２９】
表１に示した素材を用いて、表２に示す伝熱管を製作し、ごみ焼却炉の空気予熱器に２年間使用した後、抜管し、除錆後の腐食減肉量を測定評価した。いずれも、初期板厚は３．７ｍｍであった。
【００３０】
なお、伝熱管の全長は５．０ｍである。ごみ焼却炉は連続運転で稼動し、２ヶ月に一度、数日の定期修理で休止した。
【００３１】
比較例１は、領域Ｉ、IIともに普通鋼（炭素鋼）製の鋼管であるので、領域Ｉでは腐食孔あき、領域IIでも２ｍｍ以上の減肉が認められた。
【００３２】
比較例２は、領域Ｉ、IIともに耐硫酸性低合金鋼管製であるので、領域IIでの減肉は０．５ｍｍ未満で良好だったが、領域Ｉでは腐食孔あきが認められた。
【００３３】
比較例３は、領域ＩがＳＵＳ３０４製、領域IIがＡＳＴＭ  Ａ４２３  Ｇｒａｄｅ  ３  Ｃｏｄｅ  Ｃａｓｅ  ２４９４に準拠した耐硫酸性鋼（ＣＲＬＳ）製としたが、領域ＩのＳＵＳ３０４のＧＩ値が５０未満と本発明の範囲外なので、領域Ｉで１ｍｍ以上の腐食減肉、孔食による孔あき、応力腐食割れが認められた。
【００３４】
比較例４は、領域ＩがＳＵＳ３２９Ｊ１製、領域IIが耐硫酸性鋼（ＣＲＬＳ）製としたが、ＳＵＳ３２９Ｊ１のＧＩ値が５０未満と本発明の範囲外なので、領域Ｉで１ｍｍ以上の腐食減肉が認められた。
【００３５】
比較例５は、領域ＩがＳＵＳ３１６製、領域IIが普通鋼製の鋼管で、領域IIで２ｍｍ以上の減肉が認められた。
【００３６】
本発明例１１、１２は、領域Ｉで０．３ｍｍ、領域IIで０．５ｍｍ未満であり、推定耐食寿命が８年超と比較例よりも延長されることが明らかである。
【００３７】
表３に、本発明例２１〜２４の結果を示す。本発明例２１〜２４は、領域ＩをＵＮＳ．  ８３２５４に準拠したステンレス鋼（ＹＵＳ２７０）製、領域IIを耐硫酸性鋼（ＣＲＬＳ）製とし、ＹＵＳ２７０製鋼管の長さを変化させ、ＣＲＬＳ製鋼管で低温側で発生する水腐食による減肉が生じているか判定した結果を示す。ＹＵＳ２７０の管長率は最低２％以上必要なことが明らかである。
【００３８】
【表１】
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【００３９】
【表２】
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【００４０】
【表３】
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【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】排ガスの余熱利用設備の一例を示すブロック図である。
【図２】従来の熱交換器の全体構造の一例を模式式に示す図である。
【図３】従来の熱交換器の伝熱管の要部の一例を断面図で模式的に示す図である。
【図４】従来の熱交換器の伝熱管の要部の他の例を断面図で模式的に示す図である。
【図５】本発明の伝熱管の構造図である。
【図６】熱交換器の伝熱管として経年使用した普通鋼製鋼管の腐食減肉量、腐食生成物の相対強度と空気入口端からの距離との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００４２】
１    焼却炉
２    ガス冷却室
３    空気予熱器
４    送風機
５    余熱利用設備
６    集塵機
７    誘引送風機
８    煙突
３１    空気予熱器本体
３２    排ガス入口
３３    排ガス出口
３４ａ    空気導入側の管板
３４ｂ    空気流出側の管板
３５    伝熱管
３６    空気導入口側のダクト（空気導入部）
３７    空気流出口側のダクト（空気導出部）
３８    空気導入口
３９    空気流出口
４０    内挿管
４１    二重管板の外板
４２    断熱材
５０    内挿管ユニット
５１    二重管板の外板
５２    内挿管
５３    隙間
５４    隙間
５５    空気流入口
【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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