JP4807076B2 - 伝熱管,伝熱管の製造方法及び流動床炉 - Google Patents

伝熱管,伝熱管の製造方法及び流動床炉 Download PDF

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Description

本発明は,伝熱管,伝熱管の製造方法及び流動床炉に関する。
廃棄物を焼却処理する流動床炉は,炉床部に珪砂等の流動砂を堆積させた流動層を備え,炉床から流動層中に空気等の流動化用ガスを噴出させながら,流動砂を吹き上げて加熱するものであり,廃棄物等の焼却物を高温の流動砂と混合させながら攪拌し,乾燥,熱分解,燃焼させる構成になっている。
かかる流動床炉の炉体内には,流動砂や焼却物の温度を調節するための伝熱管(冷却管)が設けられている(特許文献1,2参照)。伝熱管の内部には水等の冷媒が通流させられ,伝熱管内の冷媒と伝熱管の表面に接触した流動砂や焼却物が伝熱管の内外面を介して熱交換することにより,流動砂や焼却物が冷却されるようになっている。
一般に,各種装置に用いられる伝熱管の素材は,伝熱管が用いられる雰囲気の温度に対する耐熱性によって選択される。例えば350℃以下の雰囲気では炭素鋼,500℃以下では低合金鋼,550℃以下ではクロム含有鋼(Cr:9%〜12%),550℃以上ではオーステナイト系ステンレス鋼などが主に用いられている。
特開2004−93058号公報 特開2005−315566号公報
しかしながら,流動床炉内において伝熱管が晒される温度は,500℃〜1100℃程度の範囲であり,加えて,流動床炉内には,焼却物の焼却処理により,HCl(塩化水素),Cl(塩素)等を含む高腐食性のガスが発生する。また,伝熱管の周囲では,流動砂や焼却物の流動が活発に行われる。特に,焼却物には不燃物である金属片,砂等といった鋭形で硬質な物質が混入しており,これらが伝熱管に絶えず衝突する。このような環境下においても伝熱管に十分な性能を持たせることは困難であった。即ち,流動床炉内の高温に対する耐熱性,流動砂や焼却物の接触に対する耐摩耗性,流動化用ガスの吹込みによって発生する圧力に対する強度,腐食性ガスに対する耐食性,温度変化に伴う膨張や収縮が生じても割れが生じない延性,流動砂や焼却物の温度を効率的に調節できる熱伝導性等を総て満足させることができなかった。そのため,伝熱管の摩耗,損傷,腐食,割れ等の劣化が生じやすく,伝熱管の寿命を延ばすことが難しく,伝熱管の点検,補修,交換等を頻繁に行う必要があり,かかる作業に要する手間やコストを削減することが難しかった。
本発明は,上記の点に鑑みてなされたものであり,高温かつ高腐食性の環境下においても高い耐摩耗性,耐食性を有し,耐久性に優れた伝熱管,及び,伝熱管の製造方法を提供することを目的とする。さらに,かかる伝熱管を備えた流動床炉を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明によれば、管本体の内部に設けられた流路と管本体の外部との間で熱交換が行われる伝熱管であって、前記管本体の外側に、前記管本体の全部を覆う第一の被覆層が設けられ、前記第一の被覆層の外側に、前記第一の被覆層の一部を覆う第二の被覆層が設けられ、前記管本体は、前記第一の被覆層及び前記第二の被覆層よりも熱伝導率が高い材料からなり、前記第一の被覆層の厚さ及び前記第二の被覆層の厚さは、前記管本体の厚さよりも薄く、前記第一の被覆層は、前記第二の被覆層よりも延性が大きいモリブデンが添加された低炭素濃度のオーステナイト系ステンレス鋼によって形成され、前記第二の被覆層は、前記第一の被覆層よりも硬度が高いクロム系合金によって形成されていることを特徴とする伝熱管が提供される。
前記第一の被覆層は,前記管本体に対して肉盛溶接を施すことにより形成しても良い。前記第二の被覆層は,前記第一の被覆層に対して肉盛溶接を施すことにより形成しても良い。前記第一の被覆層及び前記第二の被覆層は,外部の雰囲気に対する耐食性が前記管本体よりも高い材料からなるとしても良い。
前記管本体の材料は炭素鋼又は低合金鋼でも良い。

また,本発明によれば,上記のいずれかの伝熱管の製造方法であって,前記管本体に対して肉盛溶接を施すことにより,前記第一の被覆層を形成し,前記第一の被覆層に対して肉盛溶接を施すことにより,前記第二の被覆層を形成することを特徴とする,伝熱管の製造方法が提供される。さらに,本発明によれば,炉体内で流動媒体を流動させ焼却物を焼却させる流動床炉であって,前記炉体内に,請求項1〜6のいずれかに記載された伝熱管を備えることを特徴とする,流動床炉が提供される。
前記第二の被覆層は,前記伝熱管が前記流動媒体に接触する部分に設けても良い。前記伝熱管は,互いに略平行に配置される複数の直管部を備える構成にしても良い。さらに,前記複数の直管部は,互いに異なる高さにおいてそれぞれ長さ方向を横方向に向けて配置されているとしても良い。前記第二の被覆層は,少なくとも前記複数の直管部のうち最も下段に位置する直管部の下部に設けても良い。また,隣り合う直管部の管本体同士は互いに接触させられ,前記第二の被覆層は,前記直管部の管本体同士が接触している部分から離隔した部分に設けても良い。
本発明によれば,管本体を第一の被覆層によって保護でき,第一の被覆層を第二の被覆層によって保護できる。第一の被覆層を肉盛溶接によって形成することにより,管本体に対して強固に接合させることができる。第二の被覆層を肉盛溶接によって形成することにより,第一の被覆層に対して強固に接合させることができる。管本体と第二の被覆層との間に第一の被覆層が設けられていることにより,第二の被覆層に割れが発生しても,管本体まで割れが進行することを防止できる。
以下,本発明の好ましい実施の形態を,焼却物(焼却原料)としての廃棄自動車のシュレッダーダストを焼却する流動床炉に基づいて説明する。図1に示す流動床炉1は,傾斜分散型流動層燃焼炉であり,略角型の炉体2を有している。炉体2の内部空間のうち,下部は焼却物の燃焼(一次燃焼)を行う一次燃焼室S1となっており,上部は,焼却物の一次燃焼で発生した排ガスの燃焼(二次燃焼)を行う二次燃焼室(フリーボード)S2となっている。
炉体2の側壁部6は,略長方形状のほぼ一様な横断面形状を有する略角筒状をなし,略鉛直方向に立設された4つの内側面,即ち,図2に示す前内側面6a,後内側面6b,左内側面6c,右内側面6dを有している。炉体2の炉床7は,略長方形状をなし,幅方向を左右方向(図1においては手前側から後側へ向かう方向)に向け,前方(図1においては左方)から後方(図1においては右方)に向かうほど次第に低くなるように傾斜させて設けられている。即ち,炉床7は,互いに対向する一対の前内側面6aと後内側面6bとの間において,略水平面に対して傾斜させて設けられている。
図1に示すように,炉床7上,即ち一次燃焼室S1の底部には,粒子状の流動媒体である例えば珪砂等の流動砂が堆積させられ,焼却物を攪拌しながら燃焼させる流動層10が形成されている。
炉体2には,一次燃焼室S1に焼却物と流動砂とを投入するための投入口11が開口されている。投入口11は,流動層10の上方において,前内側面6aに開口されている。即ち,炉床7の傾斜方向において高所側に設けられている。投入口11には通路12が接続されている。焼却物と流動砂は,ホッパー13に投入され,ブレンダ14によって混合されてから,給塵装置15の稼動によって,所定の供給容量で,通路12及び投入口11を介して,一次燃焼室S1に連続的に供給されるようになっている。
図2に示すように,投入口11は,平面視において前内側面6aのほぼ中央に配置された中央の投入口11aと,前内側面6aにおいてこの投入口11aの左右両側に配置された投入口11b,11bからなっている。これら投入口11a及び投入口11b,11bのそれぞれに給塵装置15及び通路12が接続してあり,各給塵装置15の稼動を制御することによって,中央の投入口11aから供給される焼却物及び流動砂の供給量と,両側の投入口11b,11bから供給される焼却物及び流動砂の供給量とを,それぞれ任意に設定できるようになっている。
図1に示すように,炉床7には,流動砂を吹き上げて流動化させるための流動化用ガスを一次燃焼室S1に供給する複数の流動化用ガス供給口20が,炉床7全体に設けられている。炉床7の下方には,複数に分割された吹込み部21が形成されている。そして,各吹込み部21から流動化用ガス供給口20を介して空気(酸素)等を含む流動化用ガスを吹き込み,流動化用ガスを上方に向かって吐出させることによって,一次燃焼室S1内の流動砂を吹き上げて攪拌,流動化させ,流動層10を形成させるようになっている。各ガス吹込み部21に供給される流動化用ガスの流量はそれぞれ個別に調節することができ,各ガス吹込み部21からの流動化用ガスの吹込み速度を増減させることによって,流動砂の吹き上げ高さを調整することができる。
図1に示すように,炉床7には,焼却物の燃えがら(不燃物)及び流動砂を一次燃焼室S1から取り出すための取出し口30が設けられている。取出し口30は,炉床7の傾斜方向において低所側の最下部に設けられている。この取出し口30には通路31が接続してある。一次燃焼室S1から取出し口30を通って通路31に落下した焼却物の燃えがら及び流動砂は,排出装置32,図示しないコンベア等の稼動によって搬出される。そして,図示しない篩等によって燃えがらと流動砂との選別が行われた後,流動砂が再びホッパー13に戻されるようになっている。
一次燃焼室S1には,流動砂の温度を調節するための伝熱管群40が設けられている。伝熱管群40は,炉床7からみて斜め上方(低所側の上方)に設けられており,複数本の伝熱管(冷却管)41を備えている(図2参照)。図1に示すように,各伝熱管41は,複数箇所で交互に反対側へ折り返すように湾曲させられ,複数本(図1の例では6本)の略直管状の直管部41aが,互いに略平行に並ぶように配設された形状をなしている。かかる伝熱管41は,炉体2内において後内側面6bに対して取り付けられ,前内側面6a側に向かって突出するように設けられている。複数本の直管部41aは,略鉛直面に沿って互いに異なる高さに配置され,上下に積み重なるように多段に配置されている。各直管部41aは,前内側面6aと後内側面6bに対して略垂直に,長さ方向を略水平方向に向けて略直線状に配置されている。直管部41a同士の間を連結している湾曲部41bは,後内側面6b側においては後内側面6b中に埋設されており,前内側面6a側においては前内側面6aに向けて対向させられている。上記のような互いにほぼ同様の形状を有する伝熱管41が,図2に示すように,炉体2内で左内側面6cと右内側面6dとの間において,互いに略平行に,等間隔を空けて複数並べて設けられていることにより,伝熱管群40が構成されている。前述のように炉床7は傾斜させて設けられているが,平面視においては,各伝熱管41は炉床7の傾斜方向に沿ってそれぞれ直線状に延びるように配置されており,また,各伝熱管41同士の間の隙間が,平面視において炉床7の傾斜方向に沿って直線状に延びるように形成させられている。
なお,図1に示すように,各伝熱管41は,例えば投入口11が開口されている高さとほぼ同じ高さの範囲に備えられているが,炉床7の傾斜方向において低所側に設けられており,投入口11と伝熱管41との間に,十分な空間が形成されているので,投入口11から投入され落下した流動砂や焼却物が伝熱管41に対して直接衝突せず,炉床7上に余裕を持って落下させられるようになっている。従って,伝熱管41が損傷することを防止できる。
また,各伝熱管41は,流動層10に下側の一部の直管部41aと湾曲部41bが埋没し,上部に設けられた直管部41aと湾曲部41bは,流動層10より上方に配置されるような高さに配置されている。例えば,流動層10が流動していない状態では,下から1段目と2段目に位置する直管部41a,及び,それらの間を連結する湾曲部41bが流動砂に埋没し,流動層10が流動している状態では,下から1段目〜3段目に位置する直管部41a,及び,それらの間を連結する湾曲部41bが流動砂に埋没するようになっている。
図3は,直管部41aに対して略垂直な面で切断した状態を示している。図3に示すように,伝熱管41は,ほぼ一定の外径及び内径を有する略円管状の管本体42を備えており,管本体42の内部空間は,例えば水(水蒸気)などの冷媒が通される略円形の断面形状を有する流路43となっている。また,管本体42の外側には,管本体42の外側全体を覆う第一の被覆層44,及び,第一の被覆層44の外側の一部を覆う第二の被覆層45が備えられている。図示の例では,上下に隣り合う直管部41aの管本体42同士は,互いに近接又は接触させられており,第一の被覆層44は,各直管部41a及び各湾曲部41b全体に渡って,管本体42の外周面全部を被覆するように積層されている。一方,第二の被覆層45は,最も下段の直管部41aと下から2段目の直管部41aにおいて,第一の被覆層44の外周面を円周方向において部分的に被覆するように形成されている。なお,図示はしないが,第二の被覆層45は,前方に向けられた湾曲部41bのうち最も下段の湾曲部41bにも形成されている。また,第一の被覆層44は,管本体42の外周面全体に対して管本体42を母材とした肉盛溶接を施すことにより形成されている。第二の被覆層45は,第一の被覆層44の外周面に対して肉盛溶接を施すことにより形成されている。伝熱管41の半径方向において,第一の被覆層44と第二の被覆層45は,管本体42の厚さよりもそれぞれ薄く形成されている。
管本体42としては,熱伝導率が高く,十分な耐熱性を有し,熱応力による割れが生じない程度の延性を有する材質のもの,例えば,ボイラ・熱交換器用炭素鋼鋼管(例えばSTB35E,STB340E等)等の低炭素鋼からなる管,又は,ボイラ・熱交換器用合金鋼鋼管(例えばSTBA24等)等の低合金鋼(クロムモリブデン鋼)からなる管等が使用される。なお,この管本体42の材料は,第一の被覆層44及び第二の被覆層45よりも熱伝導率が高い。管本体42の大きさは,例えば外径が約76.2mm程度,半径方向における管本体42の厚さが例えば約8mm程度であっても良い。
第一の被覆層44の材料としては,十分な耐熱性,耐食性を有し,管本体42の材料と同程度の延性が得られる材質のもの,例えばオーステナイト系ステンレス鋼(望ましくは,モリブデン(Mo)が添加された低炭素濃度のオーステナイト系ステンレス鋼,SUS309MoL等)等が使用される。オーステナイト系ステンレス鋼は,炉体2内において焼却物の焼却処理により発生する腐食性ガス(HClガス(塩化水素ガス),Clガス(塩素ガス)等を含む)に対する耐食性を有し,管本体42の材料よりも高い耐食性を有する。即ち,第一の被覆層44は,伝熱管41の外部に生じる腐食性雰囲気に対する耐食性が管本体42よりも高い性質を有し,このような第一の被覆層44で管本体42の外面全体を覆うことにより,管本体42を保護し,管本体42の損傷や腐食を好適に防止できる。また,オーステナイト系ステンレス鋼は高温でも硬化しにくく,第一の被覆層44は,管本体42が温度変化に伴って膨張,収縮する際に,管本体42と共に変形することができる。従って,管本体42全体を第一の被覆層44によって覆っても,管本体42の熱変形が妨げられず,管本体42が熱応力により破壊されることを防止できる。また,第一の被覆層44が管本体42から剥離することを防止でき,管本体42を確実に保護することができる。
前述のように,第一の被覆層44は,管本体42の外面に対して肉盛溶接を施すことにより形成されている。肉盛溶接は,例えば自動溶接装置を用いたアーク溶接又はガス溶接等によって自動的に行うことができる。溶接ビートは例えば管本体42の長さ方向に沿って延設される。このように,第一の被覆層44を硬化肉盛によって形成すると,管本体42(母材)の外面と第一の被覆層44との間の境界部分に溶け込みが生じ,第一の被覆層44を管本体42に対して確実に接合させることができ,第一の被覆層44を管本体42に対して溶射や圧着などによって接合させた場合よりも,強固に接合させることができる。従って,第一の被覆層44が管本体42から剥離することを防止でき,管本体42を確実に保護できる。また,長時間摩擦や衝撃を受けても管本体42から剥がれにくいので,伝熱管41の寿命を延ばすことができる。
なお,溶射とは,接合材(溶射材料)を溶融させた状態で母材に衝突させることで,被膜を形成させる方法であるが,母材と接合材とが溶け合った状態にはならないので,接合材が受ける衝撃が大きいと,接合材が母材から剥離しやすいおそれがある。これに対し,肉盛の場合は,接合材と母材とが境界部分において互いに溶け合って溶着されるので,溶射の場合と比較して,接合材と母材を強固に接合させることができ,接合材が母材から剥離することを防止できる。
伝熱管41の半径方向において,第一の被覆層44の厚さは,管本体42の厚さよりも薄く形成されており,例えば,約3mm〜5mm程度に形成されている。なお,第一の被覆層44の厚さは3mm以下に薄くしても良いが,この場合,第一の被覆層44の中に管本体42の成分が溶け込みすぎて十分な性能が得られなくなるおそれがあり,また,第一の被覆層44の厚さにむらが生じるなどの不都合が考えられる。そのような不都合を回避するためには,加工条件を最適化する必要があり,加工が難しくなる。一方,第一の被覆層44を厚くすると,第一の被覆層44の強度が向上する利点はあるが,前述のように,第一の被覆層44の材料として例えばオーステナイト系ステンレス鋼等が用いられる場合,熱伝導率が管本体42の材料より小さいので,第一の被覆層44の厚さを厚くしすぎると,第一の被覆層44における熱伝導性が悪くなり,伝熱管41の温度調節機能が低下するおそれがある。また,第一の被覆層44の厚さが厚いほど,加工コストも高くなる。従って,第一の被覆層44の機能,肉盛溶接の施工性,経済性等の観点から,第一の被覆層44の厚さは3mm〜5mm程度にすることが望ましい。
第二の被覆層45の材料としては,十分な耐熱性,耐食性,耐摩耗性を有する硬化肉盛材料,例えば鉄(Fe)を主成分としたクロム系合金などが使用される。また,かかる硬化肉盛材料のビッカース硬さ(Hv)は約500以上程度であることが望ましい。本実施形態においては,質量%でC(炭素)約5%〜6%,Cr(クロム)約22%,Nb(ニオブ)約6%,その他の微量元素(不純物)約7%〜8%,残部Feからなるクロム系合金(公称硬さ:Hv900)が使用されている。クロム系合金は,前述したオーステナイト系ステンレス鋼と同様に腐食性ガスに対する耐食性を有し,管本体42の材料よりも耐食性が高い材質を有する。即ち,第二の被覆層45は,伝熱管41の外部に生じる腐食性雰囲気に対する耐食性が管本体42よりも高い性質を有する。また,クロム系合金は,管本体42の材料やオーステナイト系ステンレス鋼よりも硬度が高く,優れた耐摩耗性を有する。即ち,第二の被覆層45は管本体42及び第一の被覆層44よりも硬く,第二の被覆層45によって第一の被覆層44を覆うことにより,第一の被覆層44を保護し,第一の被覆層44の損傷や摩擦を好適に防止できる。なお,クロム系合金全体の平均硬度は,Hv900程度であるが,クロム系合金の表面,即ち第二の被覆層45の表面には,クロム系の炭化物結晶が析出しており,その結晶は,Hv1000以上程度の高い表面硬度を有し,また,高温下でも塩素系ガスに対して高い耐食性を有する。このように,クロム系合金は非常に優れた特性を有しており,第二の被覆層45の材料に適している。
なお,クロム系合金は高温で硬化しやすく,脆性が大きく割れが生じやすいので,仮に管本体42の外周面に対して直接的に溶接させると,クロム系合金の層で発生した割れが管本体42まで伝播するおそれがある。この場合,割れが深く進行して管本体42が破断するおそれがある。また,割れ目に腐食性ガスが侵入すると,管本体42が腐食性ガスに晒され,腐食される危険もある。これに対し,本実施形態においては,クロム系合金の層である第二の被覆層45を,第二の被覆層45よりも延性が大きく割れが生じにくい第一の被覆層44上に溶接させ,管本体42に対して間接的に備えることにより,第二の被覆層45で発生した割れが管本体42に伝播することを防止できるようになっている。即ち,第二の被覆層45と管本体42との間に挟まれて備えられた第一の被覆層44が,割れの進展に対して緩衝材として機能することで,管本体42が割れや破断から好適に保護されるようになっている。
かかる第二の被覆層45は,第一の被覆層44において流動層10から受ける衝撃や摩擦が特に激しく,高い耐摩耗性が要求される部分を補強するように形成されている。特に,最も下段に位置する直管部41aには,下方から吹き上げられる流動砂や焼却物が非常に勢い良く衝突するため,直管部41aの外面に損傷を受けやすい。そのため,少なくとも最も下段の直管部41aの下部(下面)には第二の被覆層45を設けると良い。一方,複数の直管部41aのうち上段側に位置する直管部41aなどは,流動層10が流動しているときも流動層10の上方に位置し,流動砂や焼却物が接触することは少ないので,第二の被覆層45は設けなくても良い。図3に示した例では,下から1段目と2段目に位置する直管部41a,即ち,流動層10が流動していない状態でも流動層10内に埋没させられる直管部41aにそれぞれ設けられている。一方,その他の下から3段目〜最上段に位置する直管部41aでは,下から1段目と2段目の直管部41aより流動層10から受ける衝撃や摩擦が少ないので,第二の被覆層45が設けられておらず,第一の被覆層44が露出した状態になっている。
最も下段の直管部41aにおいては,第二の被覆層45は直管部41aの下部全体から両側部全体に渡って設けられ,断面形状が略C字状をなすように形成されている。下から2段目の直管部41aにおいては,第二の被覆層45は直管部41aの両側部全体を覆うように設けられている。
また,管本体42同士の間に沿った溝状の部分,即ち,最下段の管本体42の上部と下から2段目の管本体42の下部とが接触している箇所の両側にそれぞれ位置する溝状部分46には,第二の被覆層45は設けられておらず,第一の被覆層44が露出した状態になっており,第二の被覆層45は,溝状部分46から離隔した部分に設けられている。図示の例では,最下段の直管部41aについては,直管部41aの横断面において,流路43の中央部を中心とし中央部から上方に向かう略鉛直面を基準とした中心角が約30°である範囲の部分が,第二の被覆層45が形成されない部分になっている。即ち,第二の被覆層45は,中心角約300°程度の範囲の部分に連続的に形成されている。また,下から2段目の直管部41aについては,直管部41aの横断面において,流路43の中央部を中心とし中央部から上方に向かう略鉛直面を基準とした中心角が約30°である範囲の部分,及び,中央部から下方に向かう略鉛直面を基準とした中心角が約30°である範囲の部分が,第二の被覆層45が形成されない部分になっている。即ち,第二の被覆層45は,直管部41aの両側において,中心角約120°程度の範囲の部分にそれぞれ連続的に形成されている。
このように,第二の被覆層45が各直管部41aの円周方向において第一の被覆層44の外面全体ではなく一部分を覆うように形成されていると,管本体42や第一の被覆層44が温度変化に伴って膨張したり収縮したりする際,余裕を持って変形できる。即ち,高温環境下において管本体42及び第一の被覆層44が変形を起こす際,管本体42及び第一の被覆層44が円周方向に伸長できるようにするための(外径を膨らませることができるようにするための)伸び代を持たせることができる。特に,第二の被覆層45の材料が高硬度の金属で延性が小さい場合,第二の被覆層45によって第一の被覆層44全体を過剰に覆ってしまうと,管本体42及び第一の被覆層44の変形が制限され,管本体42及び第一の被覆層44が円周方向に熱膨張できなくなり,過剰な応力が発生し,伝熱管41が破壊してしまうおそれがある。例えば,管本体42及び第一の被覆層44が半径方向に歪み,管本体42,第一の被覆層44,第二の被覆層45が互いに乖離するおそれがある。これに対し,第一の被覆層44の一部分だけが第二の被覆層45に覆われるようにしておけば,第二の被覆層45に覆われていない部分において,余裕を持って変形することができ,管本体42,第一の被覆層44,第二の被覆層45が互いに乖離することを防止できる。特に,溝状部分46に第二の被覆層45を形成しないようにすると,各直管部41aがそれぞれ独立して変形しやすくなる。従って,伝熱管41の損傷を効果的に防止できる。また,第二の被覆層45によって覆われる面積が少ないほど,伝熱管41の熱伝導性を高くすることができ,流動層10の温度を効率的に調節できる利点がある。
前述のように,第二の被覆層45は,第一の被覆層44の外面に対して肉盛溶接を施すことにより形成されている。肉盛溶接は,例えば自動溶接装置を用いたアーク溶接等によって自動的に行うことができる。溶接ビートは例えば管本体42の長さ方向に沿って延設される。このように,第二の被覆層45を硬化肉盛によって形成すると,第一の被覆層44の外面と第二の被覆層45との間の境界部分に溶け込みが生じ,第二の被覆層45を第一の被覆層44に対して確実に接合させることができ,例えば第二の被覆層45を第一の被覆層44に対して溶射や圧着によって接合させた場合よりも,強固に接合させることができる。従って,第二の被覆層45が第一の被覆層44から剥離することを防止でき,第一の被覆層44を確実に保護することができる。また,長時間摩擦や衝撃を受けても第一の被覆層44から剥がれにくいので,伝熱管41の寿命を延ばすことができる。
伝熱管41の半径方向において,第二の被覆層45の厚さは,管本体42の厚さよりも薄く形成されている。また,第二の被覆層45の厚さは,第一の被覆層44の厚さより厚くしても良く,例えば約3mm〜6mm程度であっても良い。なお,第二の被覆層45の厚さは3mm以下に薄くしても良いが,この場合,第二の被覆層45の中に第一の被覆層44の成分が溶け込みすぎて十分な性能が得られなくなるおそれがあり,また,第二の被覆層45の厚さにむらが生じるなどの不都合が考えられる。そのような不都合を回避するためには,加工条件を最適化する必要があり,加工が難しくなる。一方,第二の被覆層45を厚くすると,第二の被覆層45の強度が向上する利点はあるが,前述のように,第二の被覆層45として例えばクロム系合金等が用いられる場合,熱伝導率が管本体42の材料より小さいので,第二の被覆層45の厚さを厚くしすぎると,第二の被覆層45における熱伝導性が悪くなり,伝熱管41の温度調節機能が低下するおそれがある。また,第二の被覆層45の厚さが厚いほど,加工コストも高くなる。従って,肉盛溶接の機能,施工性,経済性等の観点から,第二の被覆層45の厚さは3mm〜6mm程度にすることが望ましい。なお,本実施形態において,第二の被覆層45は,第一の被覆層44の熱伝導率と同じ程度か,あるいは,第一の被覆層44より大きい熱伝導率を有している。
なお,伝熱管41を製造する際は,先ず,管本体42の外面全体に,自動溶接装置を用いてアーク溶接又はガス溶接等によって肉盛溶接を施すことにより,第一の被覆層44を形成する。その後,第一の被覆層44の外面において所定の部分に,自動溶接装置を用いてアーク溶接又はガス溶接等によって肉盛溶接を施すことにより,第二の被覆層45を形成する。
以上のような構成を有する伝熱管41において,伝熱管41内の流路43に供給された冷媒と,伝熱管41の外部の雰囲気,又は,伝熱管41の外面に接した流動砂や焼却物とは,伝熱管41の内外面を介して,即ち,管本体42及び第一の被覆層44を介して,又は,管本体42,第一の被覆層44及び第二の被覆層45を介して熱交換し,これによって外部の雰囲気,流動砂,焼却物等が冷却され,温度が調節される。なお,図1に示すように,冷媒は,伝熱管41の最も下側に設けられた直管部41aの端部から伝熱管41内にそれぞれ供給され,直管部41a内と湾曲部41b内を交互に流れ,各直管部41a内においては交互に逆向きに流れながら,下方から上方に向かい,最も上側に設けられた直管部41aの端部から排出されるようになっている。
図1に示すように,炉体2の側壁部6には,二次燃焼室S2に火炎を噴射するバーナの噴射口49が備えられている。この噴射口49から火炎が噴射されることにより,一次燃焼室S1から上昇した排ガスの燃焼が促進させられる。
後内側面6bの上端部には,二次燃焼室S2内の雰囲気を排気する排気口50が開口されている。排気口50には排気路51が接続されている。この排気路51はバグフィルタ52に接続されている。一次燃焼室S1,二次燃焼室S2内の雰囲気は,二次燃焼室S2内を上昇して,排気口50から排気される。そして,バグフィルタ52で塵埃が捕捉された後,外部に排気されるようになっている。
次に,以上のように構成された流動床炉1を用いた焼却物の焼却処理について説明する。先ず,ホッパー13に投入された焼却物と流動砂をブレンダ14で混合し,給塵装置15の稼動によって,所定の供給流量で,通路12及び投入口11を介して一次燃焼室S1内に連続的に供給する。
このように一次燃焼室S1内に供給される焼却物は,例えば廃棄自動車からリサイクル備品を取除いた残りを粉砕したシュレッダーダスト(ASR)である。ASRは,例えば廃棄自動車処理場などで粉砕され発生する。ASRの如き焼却物は,無機物としてFe,Cu,Zn,Pb等の金属,ガラス等を含み,また,有機化合物として,ゴム,繊維くずやウレタンなどの軟質樹脂,塩ビなどの硬質プラスチック等を含む。
一次燃焼室S1内に流動砂と焼却物を連続的に供給する一方で,各ガス吹込み部21から,空気と二次燃焼室S2からの排ガスとの混合ガスを流動化ガスとして一次燃焼室S1内に上向きに吹込み,流動砂を吹き上げて流動化させる。これにより,流動砂と一緒に投入した焼却物を,流動化した流動砂により攪拌させながら加熱して,焼却する。すると,焼却物中の樹脂,繊維くず等の可燃物が熱分解又は燃焼させられて,熱分解ガス,酸化ガス等のガス成分を含む排ガス(一次燃焼ガス)が生じる。排ガスは流動層10から上昇して,流動層10の上方に設けられた二次燃焼室S2に向かう。
また,流動層10は,伝熱管群40の各伝熱管41に接触し,内部に通された冷媒により冷却され,温度が調整される。これにより,焼却物のカロリーが高い場合であっても,流動層10の温度が過度に高くなることが防止され,安定した燃焼処理ができる。ASRのような焼却物についても安定した燃焼処理ができ,燃えがらを低減することができる。流動層10の温度は,約500℃〜約1100℃程度(例えば約600℃〜約800℃程度)に維持される。
流動層10を流動させる間,伝熱管41の周囲では,流動砂や焼却物の流動が活発に行われ,伝熱管41の表面には,金属片や砂等,鋭形で硬質な物質が頻繁に衝突し,さらに,流動層10に吹き込まれた流動化用ガスにより外側から加圧される。また,一次燃焼中,炉体2内は高温状態であり,焼却物の化学反応により,炉体2内にはHCl,Cl等の高腐食性ガスが発生する。このような状態にあっても,伝熱管41の管本体42は第一の被覆層44によって覆われて保護されているので,管本体42に流動砂や焼却物が直接衝突したり腐食性ガスの成分が接触したりすることはない。従って,管本体42の摩耗,破損,腐食等が効果的に防止される。また,第一の被覆層44は優れた耐食性を有するので,炉体2内に生じた高腐食性ガスに長時間晒されても腐食されずに,管本体42を保護し続けることができる。さらに,第一の被覆層44は肉盛溶接によって管本体42に対して非常に強固に接合されているので,長時間衝撃を受けても管本体42から脱落せずに,管本体42を確実に保護し続けることができる。
特に,下段側に位置する直管部41aや湾曲部41bなどには,下方から勢い良く吹き上げられる流動砂や焼却物が衝突するが,そのような特に衝撃や圧力が強く加えられるような箇所には,高硬度を有する第二の被覆層45が設けられているので,第一の被覆層44を強固に保護することができる。第二の被覆層45は優れた耐食性を有するので,炉体2内に生じた高腐食性ガスに長時間晒されても腐食されずに,第一の被覆層44を保護し続けることができる。さらに,第二の被覆層45は肉盛溶接によって第一の被覆層44に対して非常に強固に接合されているので,長時間衝撃を受けても第一の被覆層44から脱落せずに,第一の被覆層44を確実に保護し続けることができる。
焼却後に残った焼却物の燃えがらと流動砂は,取出し口30から排出される。そして,篩等によって燃えがらが選別除去された後,流動砂がホッパー13に戻される。
一方,一次燃焼室S1から二次燃焼室S2に上昇した排ガスは,二次燃焼室S2の下端部において,噴射口49から供給された火炎が混合させられることにより加熱される。排ガスは二次燃焼させられながら二次燃焼室S2内を上昇し,未燃ガスや微細な焼却物の燃焼が行われた後,排気口50から排出される。そして,バグフィルタ52によって排ガス中の飛灰等が集塵された後,外部に排出される。
かかる流動床炉1の伝熱管41によれば,管本体42を第一の被覆層44によって確実に保護でき,また,第一の被覆層44を第二の被覆層45によって補強できる。第一の被覆層44を肉盛溶接によって形成することにより,管本体42に対して強固に接合させることができる。第二の被覆層45を肉盛溶接によって形成することにより,第一の被覆層44に対して強固に接合させることができる。管本体42と第二の被覆層45との間に第一の被覆層44が設けられていることにより,第二の被覆層45に割れが発生しても,管本体42まで割れが進行することを防止できる。従って,伝熱管41に十分な耐久性を持たせることができ,耐熱性,耐摩耗性,耐食性,熱伝導性等を高めることが出来る。伝熱管41が炉体2内の高温,高腐食性の環境に晒されても,伝熱管41の摩耗,損傷,腐食,割れ等の劣化を防止でき,伝熱管41の寿命を延命させることができる。従って,伝熱管41の点検,補修,交換等の頻度を少なくすることができる。また,伝熱管41の点検,補修,交換等に要する人件費や設備費等のコストを削減できる。
以上,本発明の好適な実施形態について説明したが,本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば,特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において,各種の変更例または修正例に想到しうることは明らかであり,それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
例えば,伝熱管41における直管部41aの本数等は,以上の実施形態に示したものに限定されない。また,伝熱管41は略円管状であって,直管部41aと湾曲部41bからなるとしたが,伝熱管41の形状はかかるものに限定されず,例えば角管状であっても良い。第一の被覆層44や第二の被覆層45を設ける部分も,以上の実施形態に示した箇所には限定されない。
以上の実施形態においては,第二の被覆層45の厚みは一定としたが,部分的に厚く形成したり薄く形成したりしても良い。例えば図4に示すように,伝熱管41において最も下段に位置する直管部41aの下面においては,第二の被覆層45の厚さを他の部分より厚くしても良い。この場合,流動砂や焼却物が勢い良く衝突しやすい直管部41aの下面を,好適に補強できる。また,図示はしないが,伝熱管41の前端部,即ち,湾曲部41bの前面(前内側面6a側の曲面)において,第二の被覆層45の厚さを他の部分より厚くしても良い。この場合も,流動砂や焼却物が勢い良く衝突しやすい湾曲部41bの前面を,好適に補強できる。なお,他の部分における第二の被覆層45の厚さが例えば3mm程度の場合,最も下段に位置する直管部41aの下面における第二の被覆層45の厚さや,湾曲部41bの前面における第二の被覆層45の厚さは,例えば6mm程度にしても良い。また,例えば,他の部分においては第二の被覆層45の肉盛を1重盛りとし,最も下段に位置する直管部41aの下面や湾曲部41bの前面においては,第二の被覆層45の肉盛を2重盛りとすることで,厚みに変化を与えても良い。
以上の実施形態においては,下から3段目〜最上段に位置する直管部41aには,第二の被覆層45を設けないとしたが,例えば図5に示すように,上から1段目及び2段目に位置する直管部41aにも,それぞれ第二の被覆層45を設けても良い。また,図示はしないが,第二の被覆層45は,前方に向けられた湾曲部41bのうち最も上段の湾曲部41bにも形成しても良い。さらに,伝熱管41を上下対称な構造にしても良い。即ち,図5において最上段に位置する直管部41aには,最下段に位置する直管部41aと対称な構成の断面略C字状の第二の被覆層45を設け,上から2段目に位置する直管部41aには,下から2段目に位置する直管部41aと同様に,両側に第二の被覆層45を設け,図示はしないが,最も上段の湾曲部41bに,最も下段の湾曲部41bと対称な構成の第二の被覆層45を形成しても良い。このようにすると,伝熱管41を上下反転させても同じように使用することができ,便利である。例えば,伝熱管41を一定期間使用した後,上下反転させ,それまで上方に配置されていた直管部41aを下方にして流動層10に埋没させ,それまで下方に配置されていた直管部41aを上方にして流動層10の上方に配置させ,かかる状態で再び使用しても良い。そうすれば,下方の第二の被覆層45が劣化しても,上方の第二の被覆層45を活用することで,伝熱管41を長期間使用できる。また,新たに製造した伝熱管41と交換する場合よりも,伝熱管41を有効に利用でき,伝熱管41に要するコストを削減することができる。
また,第二の被覆層45を設ける部分は,伝熱管41が流動層10に接触する部分に応じて適宜変更しても良い。例えば伝熱管41全体が流動層10内に埋没させられる場合は,伝熱管41の表面全体に第二の被覆層45を形成しても良い。例えば図6に示すように,総ての段の直管部41aの両側に,第二の被覆層45をそれぞれ設けると良い。また,図示はしないが,前方に向けられた総ての段の湾曲部41bに,第二の被覆層45をそれぞれ形成しても良い。
図7に示すように,管本体42同士の間に沿った溝状部分46には,直管部41aの変形を防止するための補強材70を備えても良い。図示の例では,各直管部41a同士の間の両側に位置する溝状部分46に,略円形の直棒状の補強材70がそれぞれ一本ずつ取り付けられている。かかる補強材70は,各溝状部分46に沿って延設されており,各直管部41aの管本体42の外周面における両側上部及び両側下部に対して,複数箇所に間隔を空けて断続的に溶接されている。かかる補強材70は,第一の被覆層44の肉盛溶接を行う前に,管本体42に対して接合される。そうすれば,第一の被覆層44や第二の被覆層45の肉盛溶接を行う際に,管本体42が熱によって変形することを好適に防止でき,肉盛溶接の作業性が向上し,仕上がりの状態が改善される。
管本体42,第一の被覆層44,第二の被覆層45等の材料は,以上の実施形態に示したものには限定されない。例えば第二の被覆層45としては,クロム系合金に代えて,コバルト合金(例えば,ステライト(登録商標)の,Co(コバルト)を主成分としCr(クロム),W(タングステン)等からなるCo−Cr−W合金)等を使用しても良い。かかるコバルト合金を用いた場合も,第二の被覆層45に十分な耐熱性,耐食性,耐摩耗性を持たせることができ,管本体42よりも優れた耐食性を持たせ,また,管本体42及び第一の被覆層44よりも高い硬度を持たせることができる。
以上の実施形態では,流動床炉1に備えられる伝熱管41を例示したが,本発明にかかる伝熱管は,かかる流動床炉1に備えられるものには限定されず,様々な装置に用いられる伝熱管に適用できる。例えば,ボイラ等に備えられる伝熱管であっても良い。
図8に示した伝熱管81は,例えば廃棄物を焼却処理する焼却炉で発生する排熱を回収するためのボイラ内に設置されたものであり,水等の冷媒を内部に循環させるようになっている。この伝熱管81は,ボイラ内に複数本所定間隔を空けて互いに略平行に設置されており,伝熱管群を構成している。また,伝熱管81に付着した灰やクリンカを除去するため,伝熱管81に対して例えば水蒸気等の清掃用流体を高圧で噴射するスートブロワ装置82が設けられている。
図9に示すように,伝熱管81は,ほぼ一定の外径及び内径を有する略円管状の管本体92を備えており,管本体92の内部空間は,例えば水(水蒸気)などの冷媒が通される略円形の断面形状を有する流路93となっている。さらに,管本体92の外側には,管本体92の一部を覆う第一の被覆層94,及び,第一の被覆層94の外側全部を覆う第二の被覆層95が備えられている。第一の被覆層94は,直管状の管本体92の長手方向(高さ方向)において,スートブロワ装置82からの清掃用流体が吹き付けられる範囲に部分的に設けられ(図8参照),また,管本体92の円周方向においては,管本体92の外周面全体を覆うように積層されている。第二の被覆層95は,第一の被覆層94の外周面全体を被覆するように形成されている。また,第一の被覆層94は,管本体92の外周面に対して肉盛溶接を施すことにより形成されている。第二の被覆層95は,第一の被覆層94の外周面に対して肉盛溶接を施すことにより形成されている。伝熱管81の半径方向において,第一の被覆層94と第二の被覆層95は,管本体92の厚さよりもそれぞれ薄く形成されている。
管本体92としては,例えばボイラ・熱交換器用炭素鋼鋼管(低炭素鋼),又は,ボイラ・熱交換器用合金鋼鋼管(低合金鋼)等が使用される。第一の被覆層44の材料としては,十分な耐熱性,耐食性を有し,管本体42の材料と同程度の延性を有するもの,例えばオーステナイト系ステンレス鋼等が使用される。第二の被覆層45の材料としては,硬度が高いもの,例えばクロム系合金等が使用される。
図10に示すように,スートブロワ装置82は,ボイラ内に進退移動させられるランスチューブ101と,ランスチューブ101を駆動させる駆動部102とを備えている。ランスチューブ101は長手方向を略水平に向けて設けられており,略水平方向に沿って直進する。また,ランスチューブ101は,その長手方向の中心軸を回転中心として回転可能になっている。ランスチューブ101の先端にはノズル103が設けられている。清掃用流体は,ランスチューブ101内に供給され,ノズル103に形成された噴射口103aからノズル103の外周囲に向けて噴射される。また,ノズル103は,ランスチューブ101の進退移動に伴って,伝熱管81同士の間の隙間において進退移動させられる。さらに,ランスチューブ101の回転に伴って,噴射口103aが回転させられることにより,清掃用流体がノズル103の外周囲に散布させられるようになっている。
かかる構成において,廃棄物の焼却により発生した排ガスは,図8に示した伝熱管81の間を通過して排出され,その際,各伝熱管81を介して排ガスと各伝熱管81内の冷媒との間で熱交換が行われることにより,排ガスの排熱が回収される。このように熱交換が行われ,排ガスの温度低下が生じると,排ガス中の成分が伝熱管81の外面に凝集し,灰やクリンカ等が付着し,熱交換の効率が低下してしまう。かかる伝熱管81に付着した灰やクリンカを除去するため,スートブロワ装置82によって定期的にスートブローを行う。即ち,ノズル103を伝熱管81の間に進入させ,ノズル103を回転させながら,伝熱管81に対して高圧の清掃用流体を吹き付けて,伝熱管81の表面の付着物を吹き飛ばす。清掃用流体は,伝熱管81に形成された第二の被覆層95の外面に対して吹き付けられる。
第二の被覆層95は,清掃用流体に対して十分な耐食性を有し,硬度が高い材料で形成されているので,スートブローを行っても,腐食したり減耗したりしにくい。従って,伝熱管81にドレンアタックが生じることを防止できる。即ち,管本体92を第一の被覆層94と第二の被覆層95によって保護できる。また,第一の被覆層94は肉盛溶接によって管本体92に対して強固に接合させられ,第二の被覆層95は肉盛溶接によって第一の被覆層94に対して強固に接合させられている。さらに,管本体92と第二の被覆層95との間に第一の被覆層94が設けられていることにより,第二の被覆層95に割れが発生しても,管本体92まで割れが進行することを防止できる。従って,伝熱管81に十分な耐久性を持たせることができ,耐熱性,耐摩耗性,耐食性,熱伝導性等を高めることが出来る。
本発明は,例えば流動床炉において温度調整を行うための伝熱管,ボイラにおいて排熱を回収するための伝熱管,流動床炉等に適用できる。
本実施形態にかかる流動床炉の概略縦断面図である。 流動床炉の概略横断面図である。 伝熱管の縦断面図である。 第二の被覆層の厚さを部分的に厚くした実施形態にかかる,伝熱管の縦断面図である。 伝熱管の上部にも第二の被覆層を形成した実施形態にかかる,伝熱管の縦断面図である。 伝熱管の総ての直管部に第二の被覆層を形成した実施形態にかかる,伝熱管の縦断面図である。 補強材を備えた実施形態にかかる,伝熱管の縦断面図である。 ボイラの伝熱管及びスートブロワ装置の構成を説明する概略正面図である。 ボイラの伝熱管の横断面図である。 スートブロワ装置の説明図である。
符号の説明
1 流動床炉
10 流動層
40 伝熱管群
41 伝熱管
41a 直管部
41b 湾曲部
42 管本体
44 第一の被覆層
45 第二の被覆層

Claims (10)

  1. 管本体の内部に設けられた流路と管本体の外部との間で熱交換が行われる伝熱管であって、
    前記管本体の外側に、前記管本体の全部を覆う第一の被覆層が設けられ、前記第一の被覆層の外側に、前記第一の被覆層の一部を覆う第二の被覆層が設けられ、
    前記管本体は、前記第一の被覆層及び前記第二の被覆層よりも熱伝導率が高い材料からなり、
    前記第一の被覆層の厚さ及び前記第二の被覆層の厚さは、前記管本体の厚さよりも薄く、
    前記第一の被覆層は、前記第二の被覆層よりも延性が大きいモリブデンが添加された低炭素濃度のオーステナイト系ステンレス鋼によって形成され、
    前記第二の被覆層は、前記第一の被覆層よりも硬度が高いクロム系合金によって形成されていることを特徴とする伝熱管。
  2. 前記第一の被覆層は、前記管本体に対して肉盛溶接を施すことにより形成され、
    前記第二の被覆層は、前記第一の被覆層に対して肉盛溶接を施すことにより形成されていることを特徴とする請求項1に記載の伝熱管。
  3. 前記第一の被覆層及び前記第二の被覆層は、外部の雰囲気に対する耐食性が前記管本体よりも高い材料からなることを特徴とする請求項1又は2に記載の伝熱管。
  4. 前記管本体の材料は炭素鋼又は低合金鋼であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の伝熱管。
  5. 請求項1〜4のいずれかに記載された伝熱管の製造方法であって、
    前記管本体に対して肉盛溶接を施すことにより、前記第一の被覆層を形成し、
    前記第一の被覆層に対して肉盛溶接を施すことにより、前記第二の被覆層を形成することを特徴とする伝熱管の製造方法。
  6. 炉体内で流動媒体を流動させ焼却物を焼却させる流動床炉であって、
    前記炉体内に、請求項1〜4のいずれかに記載された伝熱管を備えることを特徴とする流動床炉。
  7. 前記第二の被覆層は、前記伝熱管が前記流動媒体に接触する部分に設けられていることを特徴とする請求項6に記載の流動床炉。
  8. 前記伝熱管は、互いに略平行に配置される複数の直管部を備えることを特徴とする請求項6又は7に記載の流動床炉。
  9. 前記複数の直管部は、互いに異なる高さにおいてそれぞれ長さ方向を横方向に向けて配置され、
    前記第二の被覆層は、少なくとも前記複数の直管部のうち最も下段に位置する直管部の下部に設けられていることを特徴とする請求項8に記載の流動床炉。
  10. 隣り合う直管部の管本体同士は互いに接触させられ、
    前記第二の被覆層は、前記直管部の管本体同士が接触している部分から離隔した部分に設けられていることを特徴とする請求項8又は9に記載の流動床炉。
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