JPH11311498A

JPH11311498A - 熱交換器用伝熱管

Info

Publication number: JPH11311498A
Application number: JP10119760A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Yamaguchi; 新一山口
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1998-04-28
Filing date: 1998-04-28
Publication date: 1999-11-09

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】耐熱性・耐食性・伝熱性に優れる熱交換器用伝
熱管を得る。【解決手段】軟化温度１４５０℃以上、１２００℃での
熱伝導率７．０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のセラミックスで熱交換
器用伝熱管を形成する。することができる。また、伝熱
管表面に、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＣ、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＡｌＮの
一種以上からなる被覆層を形成し、耐熱・耐食性が得ら
れる様にしてもよい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、焼却炉或いは熱分
解炉からの高温廃ガスからの熱を回収するのに適した熱
交換器用伝熱管に関する。

【０００２】

【従来の技術】家庭、会社から捨てられたゴミは地方自
治体の焼却炉で燃やされ、その未燃分の焼却灰及び排煙
に含まれる飛灰（含有元素；Ｓｉ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｃａ、
Ｍｇ、Ｋ、Ｍｎ、Ｃｌ、Ｎａ、Ｓ）には、重金属成分や
ダイオキシン、フラン等の有毒汚染物質が含まれてい
る。

【０００３】これまでは、地方自治体の焼却炉で燃やさ
れた後の未燃分の焼却灰は、最終処分場にそのまま埋め
られていたが、立地条件も厳しくなり、場所の確保が難
しくなっており、加えて、ダイオキシンやフラン等の有
害汚染物質の無害化は法律や条例でかなり厳しく規制さ
れつつあるため、焼却灰、飛灰を回収しこれを再溶融す
ることにより有害汚染物質を無害化する溶融炉の必要性
は年々高まっている。

【０００４】焼却炉で燃やされた後の未燃分の焼却灰
は、高温加熱処理でスラグ化すれば、焼却灰の１／２
〜１／４程度にその体積を小さくすることができる。
ダイオキシン等の有害汚染物質を高熱により分解し無害
化できる。等の理由により、この溶融炉での高温加熱処
理法が有望視されているのである。

【０００５】一方都市ゴミの焼却炉は、都市ゴミを焼却
して廃棄物の減容化をはかることを目的として設置され
てきたが、エネルギーの有効利用の観点から、焼却廃ガ
スのもつ熱エネルギーを最大限に回収するためには、熱
交換器により、高温廃ガスからその廃熱を回収利用する
事が重要である。

【０００６】これまでの熱交換器は、温度５００〜６０
０℃で使用されていたが、例えば、近年商用化が進めら
れつつある熱分解ガス化溶融炉では、１２００〜１３０
０℃の温度で運転され、廃ガス温度が高い領域でその熱
エネルギーを回収利用するため、当温度域で熱交換を行
いつつある。

【０００７】熱分解ガス化溶融炉は、ガス化炉と溶融炉
とが一体化されており、まずガス化炉で５００〜６００
℃の低温で熱処理し可燃性のガスを発生させ溶融炉へ送
る。溶融炉では、可燃性ガスと一緒に送られてきた飛
灰、チャー、タールと一緒に１３００℃程度の高温燃焼
を行い、飛灰のスラグ化を行うと同時に、ダイオキシン
等を完全分解するというものである。この後、高温燃焼
後の廃ガスは廃熱ボイラへと導かれるが、熱交換器は、
溶融炉出口から廃熱ボイラにいたるまでの間に設置され
る場合が多く、回収した熱は、空気予熱や発電用の蒸気
発生器等に有効利用される。この廃ガス中には、多量の
ダストと塩化水素（ＨＣｌ）ガス等が含まれており、塩
化水素濃度は１５００〜２０００ｐｐｍにも至る場合が
ある。また、ダスト中に多く含まれているＣａ成分や、
ガス中のＨＣｌ成分は腐食性が高いため、優れた耐食性
が要求される。

【０００８】特公昭６０−２１６１９２号公報では、ス
テンレス鋼又はＣｒ−Ｎｉ合金鋼管体の外面もしくは内
面に普通鋼製の被覆層を形成して、上記熱交換器用の伝
熱管として使用している。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところで、熱分解ガス
化溶融炉では、ゴミ焼却により発生した灰を加熱処理す
る際、灰に含まれるＣｄ、Ｐｄ、Ｚｎ等の金属元素類や
ダイオキシン、フラン等の有害汚染物質を分解するた
め、１２００℃で加熱溶融処理を行い無害化するが、こ
の溶融炉で使用する伝熱管は、焼却灰が溶けてできる溶
融塩、溶融スラグの蒸気、さらにＨＣｌガス等にさらさ
れることになる。そのためこれら成分中のＳｉ、Ａｌ、
Ｆｅ、Ｃａ、Ｎａ、Ｃｌは伝熱管を成す材料中に徐々に
侵入・浸食し、次第に伝熱管をなす材料が変質して強度
劣化を起こすことから、クラックを生じたり、破損が生
じたり、あるいは所要の熱交換が行われなくなって、長
期にわたり使用できるものではなかった。

【００１０】一般的に熱交換器の伝熱管は、低温用とし
て高熱伝導性を有する銅、銅合金等が、また使用温度が
１０００℃以下の領域ではハステロイ、インコネル等の
金属材料が、それぞれ使用されているが、１２００℃を
越え、しかも耐食性が必要となる塩化水素濃度が高い部
分には適した材料がない。

【００１１】特公昭６０−２１６１９２号公報では、ス
テンレス鋼又はＣｒ−Ｎｉ合金鋼管体の外面もしくは内
面に普通鋼製の被覆層を形成し高温腐食を改善したが、
１２００℃の温度領域では使用できるものではなかっ
た。

【００１２】以上に鑑み本発明は、１２００℃程度の温
度環境で、しかも腐食性の高いダストやＨＣｌガスが１
５００〜２０００ｐｐｍ程度存在する使用環境中で、耐
食性・耐熱性に優れ、長寿命の熱交換器用伝熱管を提供
することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記に鑑みて本発明は、
軟化温度１４５０℃以上、温度１２００℃での熱伝導率
６．０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、気孔率３％以下のセラミックス
材料で形成したことを特徴とする。

【００１４】即ち、１２００〜１３００℃の温度中で使
用する場合、クリープや温度分布による変形が問題とな
るため、高温強度や熱安定性が重要である。そのために
はまず高い融点を持ち合わせていることが重要で、少な
くとも１４５０℃以上、好ましく１５００℃以上の軟化
点を有している必要がある。

【００１５】また、熱交換器用伝熱管として使用される
ためには、高い熱伝導性を有する必要があるが、特に高
温での高い熱伝導性が求められ、温度１２００℃での熱
伝導率６．０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であれば、充分に使用する
ことができる。なお、このような高温領域では、常温で
の熱伝導性とは挙動が異なり、一般にセラミックスでは
温度上昇とともに熱伝導性は低くなるものが多いが、１
２００℃での熱伝導率６．０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であるよう
なセラミックスを用いれば良い。

【００１６】具体的には、１２００℃での熱伝導率７Ｗ
／ｍ・Ｋ以上を有しているＡｌ₂Ｏ₃、Ｓｉ₃Ｎ₄、Ｓ
ｉＣ、ＡｌＮでは十分な熱交換が行えるが、３〜４Ｗ／
ｍ・ＫのＺｒＯ₂では十分な熱交換が行えない。

【００１７】さらに、腐食成分が多く含まれる廃ガスに
曝されるためには、十分な耐食性を備えている必要があ
るが、種々検討の結果、伝熱管に使用するセラミックス
の気孔率が４％以上では、Ｃｌ、Ｃａ、Ａｌ成分の拡散
が急速に進行するため、気孔率は３％以下に抑えて、Ｃ
ｌ、Ｃａ、Ａｌ成分の拡散の進行を極力くい止めなけれ
ばならない。Ｃｌ、Ｃａ、Ａｌ成分の拡散が進行する
と、セラミックスの変質を招き、強度劣化を生じる。

【００１８】本発明の伝熱管の実施形態としては、片面
封じとしたもの、両端開放としたもの何れでも良く、場
合によっては伝熱管表面に、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＣ、Ｓｉ
₃Ｎ₄、ＡｌＮの一種以上からなる被覆層を形成し、効
果的な耐熱・耐食性が得られる様に使用用途に応じて製
作すればよい。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下本発明の実施形態を説明す
る。

【００２０】図１に示す熱交換器は、円筒体の片面を封
止した伝熱管１を、溶融炉の炉壁２から内部に向かって
突出するように配置し、この伝熱管１の内側にパイプ３
を配置したものである。そして、上記溶融炉の稼働時
に、伝熱管１の外部は１２００℃程度の燃焼ガスに曝さ
れ、この状態でパイプ３より２５０℃程度の空気を送れ
ば、上記伝熱管１の内部で５５０℃程度に加熱されて排
出され、熱交換器として作用することができる。

【００２１】そして、上記伝熱管１を、上述したよう
な、軟化温度１４５０℃以上、温度１２００℃での熱伝
導率６．０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、気孔率３％以下のセラミッ
クス材料で形成してある。そのため、高温の溶融炉で使
用しても、伝熱管１が大きく変形することなく、また良
好に熱交換を行うことができる。

【００２２】なお、図１では、片面を封止した伝熱管１
を示したが、両端を開放した筒状の伝熱管を用いること
もできる。

【００２３】また、上記特性を満たすセラミックスとし
ては、アルミナ、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウ
ム等を主成分とするセラミックスを用いる。

【００２４】アルミナを主成分とするセラミックスとし
ては、９９．９重量％以上のＡｌ₂Ｏ₃を主成分とし、
残部がＳｉＯ₂、ＭｇＯ等からなる高純度アルミナセラ
ミックスを用いる。炭化珪素を主成分とするセラミック
スとしては、９０重量％以上のＳｉＣを主成分とし、焼
結助剤としてＢ，Ｃ，Ａｌ₂Ｏ₃等を含有するものを用
いる。窒化珪素を主成分とするセラミックスとしては、
９０重量％以上のＳｉ₃Ｎ₄を主成分とし、焼結助剤と
してＹ₂Ｏ₃、Ａｌ₂Ｏ₃等を含有するものを用いる。
窒化アルミニウムを主成分とするセラミックスとして
は、９０重量％以上のＡｌＮを主成分とし、焼結助剤と
してＹ₂Ｏ₃等を含有するものを用いる。

【００２５】また、伝熱管１を製造する場合は、上記の
組成範囲となるセラミックス原料を用いて、押出成形な
どの公知の方法にて所定形状に成形し、それぞれ所定の
条件で焼成することによって得ることができる。

【００２６】いずれの場合も、組成や焼成条件を調整す
ることによって、１２００℃における熱伝導率が６．０
Ｗ／ｍ・Ｋ以上となり、気孔率３％以下となるように製
造したものを用いる。

【００２７】また、熱交換の効率を上げるため、伝熱管
１の肉厚は極力薄い方が好ましいが、あまり薄いと製造
上難易度が大きくなるため、３〜５ｍｍ程度の肉厚が最
適である。

【００２８】なお、以上の様に、軟化温度１４５０℃以
上、１２００℃での熱伝導率６．０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、気
孔率３％以下のセラミックス材料を複数組み合わせ使用
することも可能である。

【００２９】即ち、伝熱管１の表面に、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｓ
ｉＣ、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＡｌＮの一種以上からなる被覆層
を、１０〜１０００μｍの厚みで形成するなどの方法
で、多重構造の伝熱管１を形成し、効果的な耐熱性・耐
食性が得られる様にすることもできる。例えば、耐熱衝
撃性良好なＳｉ₃Ｎ₄で形成した伝熱管１の表面に耐食
性良好なＳｉＣをコーティングまたは溶射するなどし
て、多重構造の伝熱管１を形成することも勿論可能であ
る。

【００３０】また、上記被覆層を形成する場合、伝熱管
１の表面を比較的粗い面としておけば、アンカー効果で
被覆層の接合強度を高くすることもできる。

【００３１】

【実施例】実施例１図１に示す伝熱管１を、Ａｌ₂Ｏ₃、コージエライト、
ムライト、ＺｒＯ₂、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＡｌＮの各成分を主
成分とするセラミックスで形成した。なお、寸法は、外
径８０ｍｍ、内径７２ｍｍ、全長１２００ｍｍとし、廃
ガス処理装置の熱回収部模擬装置にて耐熱試験を実施し
た。

【００３２】耐熱試験では、図１に示すように炉壁２よ
り伝熱管１を水平にして取り付け、実際環境を模擬し
て、温度１２００℃、酸素濃度５％、二酸化炭素濃度９
５％の雰囲気ガス中に５０時間曝露して試験後取り出
し、伝熱管１の反り量が２００ｍｍを超えたものを不良
（ＮＧ）とした。

【００３３】またこれと同時に、各伝熱管１と同材質の
３×３×１０ｍｍのテストピースを作製し、軟化点測定
装置（ＴＭＡ）で軟化点の測定を行った。測定時雰囲気
は実環境と同等で酸素濃度５％、残部は二酸化炭素とし
た。また、測定の都合上、測定範囲は１４００℃以上１
５００℃未満とした。

【００３４】この結果を表１に示すように、軟化点１４
５０℃以上の材質を用いれば、耐熱性が良好であること
が分かった。

【００３５】

【表１】

【００３６】実施例２次に、実施例１の実験装置で、伝熱管１の内部に直径４
０ｍｍ、長さ１２００ｍｍのステンレス製のパイプ３を
伝熱管１の中心軸と同軸上にセットし、３００℃のエア
ーをパイプ３より噴出し、伝熱管１内面に沿って流れる
と同時に、エアーを加熱し熱交換が行えるような構成に
した。伝熱管１の材質については、上記実施例１で耐熱
性に問題の無かった材料の中から５種を選び、熱交換試
験を行った。

【００３７】試験では、雰囲気温度１２００℃、酸素濃
度５％として実施し、伝熱管１の出口で５００℃以上の
エアー温度が得られた場合を良好と判断した。また、こ
れと同時に、同じ材質で直径１０ｍｍ、厚さ２ｍｍのテ
ストピースを作製し、レーザーフラッシュ法により温度
１２００℃での各材質の熱伝導率を測定した。

【００３８】この結果を用２に示すように、１２００℃
での熱伝導率が６Ｗ／ｍ・Ｋ以上、好ましくは７Ｗ／ｍ
・Ｋ以上であれば、必要な熱交換を行うことができた。
具体的には、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＣ、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＡｌＮ
を主成分とするセラミックスのうち、熱伝導率が６Ｗ／
ｍ・Ｋ以上、好ましくは７Ｗ／ｍ・Ｋ以上のものを用い
れば良い。

【００３９】

【表２】

【００４０】実施例３本発明の実施例として、表２中のＡｌ₂Ｏ₃、ＳｉＣ、
Ｓｉ₃Ｎ₄、ＡｌＮのセラミックスについて、セラミッ
クスの気孔率を種々変化させた時の焼却灰に対する耐食
性を調べるため、それぞれの試験片を以下の様な方法で
熱処理して、クラック、溶融、Ｃａ元素の拡散深さ（反
応層）を調べた。

【００４１】まず焼却灰として、成分がＡｌ、Ｃａ、Ｍ
ｇ、Ｎａ、Ｋ、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｃｌ等からな
る焼却灰を焼却炉より回収し、乾式加圧成形機により直
径１２ｍｍ、厚さ１ｍｍで重さ０．３ｇのタブレットを
作製した。

【００４２】次に、表３に示す各種セラミックスで直径
３０ｍｍ、厚さ１０ｍｍのタブレット試験片を乾式加圧
成形の後、所定雰囲気中の所定温度で焼成して作製し、
各試験片には焼却灰タブレットを入れるための座繰り穴
（直径１３ｍｍ、深さ１ｍｍ）を予め形成しておいた。

【００４３】各セラミツクス試験片の気孔率をＪＩＳ法
に基づいて測定した後、反応試験を行った。

【００４４】反応試験は、それぞれのセラミックス試験
片の座繰り穴に焼却灰タブレットを置き、酸素濃度５
％、二酸化炭素度９５％で合計１００％とし、これら１
００％に対して３０００ｐｐｍ濃度のＨＣｌガスを加え
て混合したガス中で、温度１２００℃×５０時間の熱処
理を加えた。その後、各試験片について外観を目視で観
察し、溶融あるいはクラックの有無を調べた。また、各
試験片を切断し研磨した断面について、ＳＥＭ（５０倍
〜２００倍程度）でクラックの有無を調べ、波長分散型
ＥＰＭＡ分析装置で、加速電圧１５ｋＶ、プローブ電流
２．０×１０^-7Ａで、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｃａ、Ｎａ、Ｃｌの
各元素の検出を行いマッピング形式で出力した後、これ
ら元素の拡散深さ（反応層）を調べた。

【００４５】これらの結果は、表３に示す通りである。
なお表中において、クラック、溶融、反応層があるもの
は×、無いものは○で示した。

【００４６】反応層の判定方法としては、Ｓｉ、Ｆｅ、
Ｃａ、Ｎａ、Ｃｌの各元素の内、一種以上でもセラミッ
クス表面より０．３ｍｍ以上の拡散が認められたものは
×、全ての元素拡散が０．３ｍｍ以下の場合は○で表示
した。

【００４７】表３の結果より、気孔率が３％を超える
と、溶融・クラックや反応層が発生し、気孔率３％以下
のＡｌ₂Ｏ₃、ＳｉＣ、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＡｌＮセラミツク
ス材料は、耐食性が高いことが分かった。

【００４８】

【表３】

【００４９】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、軟化温度
１４５０℃以上、１２００℃での熱伝導率７．０Ｗ／ｍ
・Ｋ以上のセラミックスで熱交換器用伝熱管を形成した
ことによって、耐熱性・耐食性・伝熱性に優れることか
ら長期間良好に使用することができる。

【００５０】特に、ゴミ焼却炉・溶融炉や熱分解ガス化
溶融炉の伝熱管として用いれば、焼却灰成分中の腐食元
素の浸食を防止し、強度劣化や特性変化が非常に少な
く、寿命を長くすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の熱交換器用伝熱管を示す断面図であ
る。

【符号の説明】

１：伝熱管２：炉壁３：パイプ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】軟化温度１４５０℃以上、１２００℃での
熱伝導率７．０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のセラミックスで形成し
たことを特徴とする熱交換器用伝熱管。
【請求項２】上記セラミックスの表面に、Ａｌ₂Ｏ₃、
ＳｉＣ、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＡｌＮの一種以上からなる被覆層
を形成したことを特徴とする請求項１記載の熱交換器用
伝熱管。