(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温腐食環境下で使用される焼却炉体およびその付帯設備であって、質量％で、
Ｃ：０．０８％以下、
Ｓｉ：１．５〜６％、
Ｍｎ：１．５％以下、
Ｐ：０．０５％以下、
Ｓ：０．００５％以下
Ｃｒ：１５〜２３％、
Ｎｉ：７〜２０％、
Ｎ：０〜０．３％（無添加を含む）を含有し、
残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるステンレス鋼を用いて、炉体内部および排ガスダクト、配管、熱交換器などの焼却炉付帯設備内の燃焼雰囲気に曝される部位を構成し、該ステンレス鋼表層に１０質量％以上のＳｉの濃化層を有する厚さ１μｍ以上の酸化スケール層を形成した、耐食性に優れた焼却炉体、および焼却炉付帯設備。
【請求項２】
高温腐食環境下で使用される焼却炉体およびその付帯設備であって、質量％で、
Ｃ：０．０８％以下、
Ｓｉ：１．５〜６％、
Ｍｎ：１．５％以下、
Ｐ：０．０５％以下、
Ｓ：０．００５％以下
Ｃｒ：１５〜２３％、
Ｎｉ：７〜２０％、
Ｍｏ：０．５〜４．０％、
Ｎ：０〜０．３％（無添加を含む）を含有し、
残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるステンレス鋼を用いて、炉体内部および排ガスダクト、配管、熱交換器などの焼却炉付帯設備内の燃焼雰囲気に曝される部位を構成し、該ステンレス鋼表層に１０質量％以上のＳｉの濃化層を有する厚さ１μｍ以上の酸化スケール層を形成した、耐食性に優れた焼却炉体、および焼却炉付帯設備。
【請求項３】
表層のＳｉ濃化層におけるＳｉ濃度が２０質量％以上である請求項１，２に記載の耐食性に優れた焼却炉体、および焼却炉付帯設備。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、家庭ごみ、医療廃棄物、食品廃棄物、その他の一般廃棄物および産業廃棄物などの、塩化物あるいは硫化物のいずれかまたは両方を多量に含有した廃棄物を焼却する焼却炉の焼却炉体および焼却炉付帯設備に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、環境意識の高揚とともに、都市ごみや産業廃棄物を対象とした焼却処理設備への関心が高まっている。これに伴い焼却処理設備の長寿命化、小型化、多機能化等の要求も高まってきた。
【０００３】
焼却処理設備は一般に、焼却炉体、熱交換器および排ガス処理装置を備え、これらは各種ダクトや配管で結ばれている。このうち焼却炉体は、直接燃焼環境に曝され、炉体内部や周辺の排ガスダクト、配管、熱交換器等の付帯設備の材料温度は３００〜１０００℃にもなる。しかも都市ごみや産業廃棄物を燃焼すると、塩化物や硫化物を多量に含んだ高温の燃焼灰や排ガスが発生し、それらに接触する炉体材料や付帯設備の材料は特に激しく腐食される。
焼却炉体にはストーカー炉、流動床炉およびキルン炉等の種類がある。従来、炉体構成部材やその付帯設備には炭素鋼にキャスタブルを被覆したものが多く用いられている他、ＳＵＳ３０９ＳやＳＵＳ３１０Ｓ等の耐熱ステンレス鋼を無垢のまま用いている例もある。また、炉壁に水冷帯を設けて材料温度を下げ、腐食の低減を図る場合も多い。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、キャスタブルを設けた場合には炉体自体のサイズや重量が大きくなってしまうことが避けられず、また冷却帯を設けた場合には冷却水等のユーティリティが必要となるので、いずれの場合も焼却炉の設置場所や付帯設備の面で大きな制約を受ける。
【０００５】
一方、ＳＵＳ３０９ＳやＳＵＳ３１０Ｓ等の耐熱ステンレス鋼を炉体材料またはその付帯設備材として使用する場合にも「耐食性」の観点で問題が残る。家庭ごみや産業廃棄物は塩化物や硫化物のいずれかまたは両方を多量に含んでおり、高温環境において溶融塩が生成したり、熱分解によって塩化水素ガスやＳＯｘガスを発生したりする。したがって、廃棄物の燃焼環境は、一般的な燃料（重油、軽油、ガソリン、天然ガス等）の燃焼環境や電気ヒーターによる高温環境とは異なり、焼却炉体およびその付帯設備は厳しい腐食環境に曝される。
【０００６】
ＳＵＳ３０９ＳやＳＵＳ３１０Ｓ等の耐熱ステンレス鋼は、一般の高温酸化環境下では表面にＣｒ酸化物を主体とする酸化スケールを形成し、これが保護層となって金属母材の酸化の進行を防いでいる。しかし、焼却炉の高温環境下では事情が異なり、高温酸化に加え、焼却炉内で発生した焼却灰や燃焼ガスが腐食を加速させるので、ＣｒやＮｉを多量に添加した耐熱ステンレス鋼といえども、その表面に生成したＣｒ酸化スケールでは保護作用が不足し、早期に金属材料内部まで腐食が進行してしまう。また、焼却炉だけでなく、排ガスダクトや高温熱交換器など焼却炉の付帯設備中でも焼却灰や燃焼ガスが腐食を加速させる。
このような燃焼ガスによる高温腐食および焼却灰中の塩化物や硫酸塩による溶融塩腐食を抑制する手段として、Ｍｏを数％含有し、酸化スケール表層にＭｏ濃化層を有するステンレス鋼を用いた焼却炉体およびその付帯設備を開示している（特開平１１−４３７４５、特願平１１−１３５４１）。しかし、Ｍｏは高価な金属であり、材料のコストアップにつながるため、価格面から使用が制限されることがある。
【０００７】
そこで本発明は、キャスタブル被覆や特別な炉体冷却手段に頼ることなく、燃焼雰囲気に直接曝される部位に耐久性の高く、かつ従来より安価な金属材料を配設した耐食性に優れた焼却炉体および焼却炉付帯設備を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、質量％で、
Ｃ：０．０８％以下、
Ｓｉ：１．５〜６％、
Ｍｎ：１．５％以下、
Ｐ：０．０５％以下、
Ｓ：０．００５％以下
Ｃｒ：１５〜２３％、
Ｎｉ：７〜２０％、
Ｎ：０〜０．３％（無添加を含む）
さらに必要に応じてＭｏ：０．５〜４．０％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるステンレス鋼を用いて、炉体内部および排ガスダクト、配管、熱交換器などの焼却炉付帯設備内の燃焼雰囲気に曝される部位を構成し、該ステンレス鋼表層に１０質量％、好ましくは２０質量％以上のＳｉの濃化層を有する厚さ１μｍ以上の酸化スケール層を形成した、耐食性に優れた焼却炉体、および焼却炉付帯設備によって達成できる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明者らの研究によれば、ステンレス鋼表面に厚さ１μｍ以上のＳｉ濃化層を有する酸化スケールを形成させたとき、そのステンレス鋼は廃棄物処理用の焼却炉における燃焼環境下で非常に優れた耐食性を示すことがわかった。その耐食性向上のメカ二ズムは必ずしも明らかではないが、本発明者らの調査の結果、Ｓｉ濃化層の存在しない酸化スケールを形成した耐熱ステンレス鋼（従来材）では高温塩化物または硫化物によって金属母材内部まで腐食が進行したのに対し、Ｓｉ濃化層を生成させた特定組成のステンレス鋼においては、同一の高温塩化物または硫化物環境下で腐食の進行が顕著に抑えられたのである。この事実から、Ｓｉ濃化層は外部からのＣｌおよびＳの侵入を阻止する作用を呈すると考えることができる。本発明はこのような知見に基づいてなされたものである。
【００１０】
本発明に係わる焼却炉体および焼却炉付帯設備は、全体をＳｉ濃化層の生成したステンレス鋼で構成したものであっても良いが、各焼却炉の使用状況に応じて、直接燃焼雰囲気に曝される部位であって特に腐食の激しいところに選択的に該ステンレス鋼を適用したものであってもかまわない。選択的に適用した場合であっても、結果的に炉体および焼却炉付帯設備の寿命を最大限に伸ばすことができれば十分だからである。例えば、炉の内壁のうち最も温度の上昇する部分およびその周辺や、火格子に、Ｓｉ濃化層を有する酸化スケールを形成させたステンレス鋼を適用すれば、耐久性の高い焼却炉体が構成できる。
【００１１】
ステンレス鋼表面にＳｉ濃化層を有する酸化スケールを形成させるためには、母材鋼の合金成分としてＳｉを含有する必要がある。また、一般的な耐高温酸化性や、物理的、機械的特性、製造性も十分に確保しなくてはならないので、Ｃｒ，Ｎｉおよび他の元素の配合バランスも考慮する必要がある。
各合金元素の作用について次に説明する。
【００１２】
Ｓｉはステンレス鋼表面の酸化スケール中に厚さ１μｍ以上のＳｉ濃化層を生成させるために重要な元素である。本発明者らの調査で次のことがわかった。すなわち、鋼中のＳｉ含有量が１．５質量％未満では酸化スケール中にはＳｉの濃化が不十分であり、高温塩化物、硫化物に対する抵抗力は低い。ところがＳｉ含有量が１．５質量％以上になると、Ｓｉ濃度が１０質量％以上のＳｉ濃化層を含む酸化スケールが生成され、塩化物を含む高温腐食の加速現象を有効に抑えることができるようになる。Ｓｉ含有量が２質量％を超えると、さらにＳｉ濃度の高い酸化スケールが生成され、非常に高い耐高温腐食性を示すようになる。しかし、Ｓｉ含有量が６質量％を超えると素材の製造性（熱間加工性）が劣化する。したがって、本発明ではＳｉを１．５〜６質量％含有するステンレス鋼を使用する。特に優れた耐高温塩化物腐食性を付与するためには、鋼中のＳｉ含有量は２質量％を超える量とするのが良い。
【００１３】
Ｃｒは、１５質量％以上の含有量を確保しないと焼却炉の燃焼環境で良好な耐高温酸化性を維持できない。しかし、Ｃｒ含有量が２２質量％を超えると鋼の加工性が劣化するとともに、オーステナイト相を維持するうえで高価なＮｉを多量に添加する必要が生じる。したがって、Ｃｒ含有量は１５〜２２質量％とした。
【００１４】
Ｎｉは、上記Ｃｒとのバランスにより７質量％以上の含有量を確保しないとオーステナイト相を維持することが難しく、焼却炉の燃焼環境で良好な耐高温酸化性が得られない恐れがある。しかし、多量の添加はコスト上昇を招くので、Ｎｉの上限は２０質量％とした。
【００１５】
Ｃは、高温強度の確保およびオーステナイト相の安定化に有効であり、反面、高温で粒界にＣｒ炭化物を生成してその近傍にＣｒ欠乏層を形成し、粒界侵食の原因となる。これらを考慮すると、焼却炉体および焼却炉付帯設備に使用する材料においてはＣ含有量は０．０８質量％以下とするのがよい。
【００１６】
Ｍｎは、酸化雰囲気中では加熱初期に他の元素よりも多量に酸化され、スケール最表層に形成される。しかし、Ｍｎの酸化皮膜は特に塩化物による溶融塩腐食に対しては保護性がないため、Ｍｎの添加は有効でない。また、Ｍｎ系酸化物の内層に存在するＣｒ酸化物と反応することにより生成したスピネル酸化物は、Ｃｒ酸化物よりも保護性が低い。このように、Ｍｎの過剰添加は耐溶融塩腐食に対して悪影響を及ぼすことから、添加量は少ない方が望ましく、上限を１．５質量％とした。
【００１７】
Ｎは、耐高温酸化性や熱間加工性を劣化させることがあるので添加しなくてもよい。しかし、Ｎの添加により高温強度が改善されるため、高温強度が要求される部位の材料としてＮを添加する場合には、０．３質量％以下の含有量範囲で行う。
【００１８】
Ｍｏは、酸化スケール中や粒界に濃化させることにより塩素に対する耐食性、粒界侵食性を高める。その効果は０．５質量％以上で顕著になるが、多量の添加は高温域でのσ脆化感受性を増大させ、コストアップにつながる。したがって、Ｍｏ含有量は０．５質量％以上４．０質量％以下とした。
【００１９】
Ｐは、鋼素地と腐食生成物との界面や母相の粒界に偏析し、溶融塩による腐食や粒界侵食を促進させる。したがって、その含有量は低いほどこのましく、本発明においてはその値を０．０５質量％以下とした。
【００２０】
Ｓは、耐高温酸化性に有害であり、またオーステナイト粒界に偏析して鋼の熱間加工性や溶接高温割れ性を劣化させる。これらを考慮すると、焼却炉体もしくはその付帯設備に用いるステンレス鋼ではＳ含有量を０．００５質量％以下に抑える必要がある。
【００２１】
上述した成分の他に、ＡｌはＳｉと同様な効果が期待できるものの、本発明においては積極的に添加しなくても十分な特性が得られるので、Ａｌの添加量は脱酸剤として必要な量である０．１％質量以下含有すればよい。また、本発明は、耐溶融塩腐食性に悪影響を及ぼす鋼中不純物元素に対して、その影響を低減させる元素の添加、高温強度などの機械的特性が必要になる部位などで、高温強度を高める目的で添加される元素の添加については制限されない。例えば、鋼中のＳを固定する希土類元素やＣａは０．０５質量％、鋼中のＣやＮを固定するＴｉ，Ｖ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ，Ｒｅなどは０．５質量％を上限として添加することができる。
【００２２】
以上のような成分組成を有するステンレス鋼は、耐食性、加工性、高温強度・耐高温酸化性等において焼却炉体および焼却炉付帯設備に適した基本的特性を具備するとともに、高温塩化物、高温硫化物、塩化水素ガス、および亜硫酸ガスによる腐食の進行を顕著に抑制する酸化スケール、すなわちＳｉ濃化層を有する酸化スケールを表面に生成する能力を有している点で、焼却炉体および焼却炉付帯設備に非常に適していると言える。
【００２３】
このようなＳｉ濃化層を有する酸化スケールを形成させるには、例えば、本発明で規定する成分組成の鋼を酸素の存在する雰囲気中で約４００℃程度に加熱すればよい。したがって、本発明に係る焼却炉体および焼却炉付帯設備を作るには、炉体組立後に炉の付帯設備であるバーナー等の熱源を利用していわゆる「空だき」を行えばよく、それによって耐高温塩化物腐食性に優れたＳｉ濃化層を有する酸化スケールが形成し、耐食性に優れた焼却炉体および焼却炉付帯設備ができあがる。ところがさらに良いことに、本発明者らが実際に廃棄物処理用焼却炉の施工に際して試したところ、上記のような空だきを行わずに、炉体組立後直ちに廃棄物を装入して焼却を開始した場合においても、十分に耐久性のあるＳｉ濃化層が生成していたのである。つまり、本発明で規定する成分組成のステンレス鋼を使用する限り、炉体もしくは焼却炉付帯設備組立後の１回目の焼却処理を実施することにより、耐食性に優れた本発明の焼却炉体および焼却炉付帯設備を完成させることもできるのである。
【００２４】
また、本発明者らが酸化スケール中に濃縮したＳｉの濃度と高温塩化物・塩化水素ガスに対する抵抗力の関係を調査したところ、ステンレス鋼表層にＳｉ濃度１０質量％以上のＳｉ濃化層を有する厚さ１μｍ以上の酸化スケールを形成することによって廃棄物の燃焼雰囲気に対する抵抗力が有効に得られることがわかった。焼却炉体および焼却炉付帯設備の曝される高温環境は被処理物の種類や炉の使用状況によってさまざまであるが、Ｓｉ濃化度を高めた酸化スケールを形成すればプラスチックのように塩素を多く含む廃棄物の処理を主体とする焼却炉体もしくは焼却炉付帯設備としても非常に効果的な抵抗力を示すようになる。
【００２５】
【実施例】
〔実施例１〕
表１に供試材の化学成分を示した。表中のＡ−１〜９の鋼が本発明方法の範囲に含まれる鋼である。Ｂ−１〜５は本発明の方法に含まれないＳＵＳ３０４系、ＳＵＳ３１６系、およびＳＵＳ３１０Ｓ系の比較鋼である。またＣ−１、Ｃ−２はそれぞれＦｅ基高合金のＮＣＦ８２５およびＮｉ基高合金のＮＣＦ６２５である。これらの鋼を溶製し、圧延、焼鈍を繰り返して板厚２ｍｍの試験片を作成した。作成した試験片に合成灰（組成：ＮａＣｌ−ＫＣｌ(モル比１：１））を調合し、これをアセトン中に分散させたものを、１０ｍｇ／ｃｍ2の塗布量で、試験片の上面に均一に塗布した。そして、これら合成灰を塗布した試験片を、２０％Ｈ2０，１０％０2，５％ＣＯ2，１０００ｐｐｍＮａＣｌ、残りがＮ2の組成のガス中で６５０℃×５０時間加熱した。加熱後の試験片について、表層に生成した酸化スケール中のＳｉ濃度をＥＰＭＡにより測定し、酸化スケールを除去して腐食減量を調べた。その結果を表２に示す。
【００２６】
【表１】
0004127447.tif 000002
【００２７】
【表２】
0004127447.tif 000003
【００２８】
図１に、１５〜２０Ｃｒ−８〜１５Ｎｉ系ステンレス鋼における実験結果を示す。鋼中のＳｉ含有量が１．５質量％以上になると酸化スケール中のＳｉ濃度は急激に増加し、Ｓｉ含有量が２質量％を超えると、酸化スケール中のＳｉ濃度は２０質量％以上の高い値を示すようになる。また、Ｓｉ濃度の増加に伴って腐食減量は低下すること、つまり焼却炉灰に対する抵抗力が強くなることがわかる。
【００２９】
〔実施例２〕
表１のＡ−３、Ａ−５、Ｂ−３、Ｂ−４、Ｃ−１の試験片を用い、ＮａＣｌ−ＫＣｌ−Ｎａ2ＳＯ4(モル比１：１：１）の合成灰を用いた塗布試験を実施した。実施例１と同様、合成灰をアセトン中に分散させたものを、１０ｍｇ／ｃｍ2の塗布量で、試験片の上面に均一に塗布した。そして、これら合成灰を塗布した試験片を、２０％Ｈ2０，１０％０2，５％ＣＯ2，１０００ｐｐｍＮａＣｌ，１００ｐｐｍＳＯ2、残りがＮ２の組成のガス中で６５０℃×５０時間加熱した。
【００３０】
【表３】
0004127447.tif 000004
【００３１】
図２に、試験後の最大板厚減少量を測定した結果を示す。酸化スケール中にＳｉ濃化層が認められるＡ−３およびＡ−５は、いずれも比較鋼であるＢ−３、Ｂ−４はおろか、高合金鋼であるＣ−１よりも著しく耐高温腐食性に優れていた。特に、実施例１のような塩化物環境だけでなく、実施例２のような塩化物−硫酸塩混合環境においては、鋼中のＮｉ量が多くなると腐食量も増大する。しかし、Ｓｉ濃化層を有するＡ−３、Ａ−５は、塩化物−硫化物混合環境においても塩化物環境と同様、優れた耐食性を示した。
【００３２】
【発明の効果】
本発明の焼却炉体および焼却炉付帯設備は、燃焼雰囲気に曝される部位に直接、特定組成のステンレス鋼を配設して成るものであり、キャスタブル等の耐火物被覆や水冷帯を設けることなく、塩化物、硫化物およびこれらが混合する溶融塩や塩化水素ガス、亜硫酸ガス、およびこれらの混合ガスを発生する廃棄物の焼却燃焼環境において、優れた耐食性を示すものである。このため、キャスタブル被覆や水冷帯を設けていた従来の大がかりな焼却炉に代わる簡便な構造の焼却炉を提供することができ、廃棄物処理施設の規模の大小や焼却炉体の設置条件（冷却水の供給設備の有無等）による制約も少なくて済む。したがって、本発明の焼却炉体およびその付帯設備を用いれば、炉体自体のコストおよびその付帯設備のコストを共に低減することができるので、例えば同じ予算で焼却施設を建設するにしても排ガス浄化装置等、環境問題の解決に直結する部分に効率的に投資できるなど、昨今の環境問題の改善にも間接的に寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】鋼中のＳｉ含有量と、ＮａＣｌ−ＫＣｌ混合塩塗布、１０００ｐｐｍＨＣｌガス雰囲気中における、６５０℃×５０時間の腐食試験後の腐食減量および表層の酸化スケール中のＳｉ濃度の関係を表すグラフである。
【図２】鋼中のＳｉ含有量と、ＮａＣｌ−ＫＣｌ−Ｎａ2ＳＯ4混合塩塗布、１０００ｐｐｍＨＣｌ＋１００ｐｐｍＳＯ2ガス雰囲気中における、６５０℃×５０時間の腐食試験後の最大板厚減少量を表すグラフである。
【図１】
0004127447.tif 000005
【図２】
0004127447.tif 000006