JPH08285490A

JPH08285490A - 熱交換器構造

Info

Publication number: JPH08285490A
Application number: JP9235695A
Authority: JP
Inventors: Motoroku Nakao; 元六仲尾; Yuji Fukuda; 祐治福田
Original assignee: Babcock Hitachi KK
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 1995-04-18
Filing date: 1995-04-18
Publication date: 1996-11-01

Abstract

(57)【要約】【目的】排気再熱コンパインドプラントにおけるガス
給水加熱器において酸性硫安による腐食を大幅に低減す
ることができる熱交換器構造を提供する。【構成】酸性硫安と呼ばれる硫酸水素アンモニウムが
析出付着する温度領域で用いられる熱交換器構造におい
て、１３パーセント以上のクロム（Ｃｒ）を含有するス
テンレス鋼で形成したステンレス鋼製伝熱管１７を有
し、そのステンレス鋼製伝熱管１７及びフィン材１９の
表層には、酸化性を有する顔料を含有させたコーティン
グ材２０によってコーティング施工が施してある。【効果】容易かつ安価に熱交換器における酸性硫安に
よる腐食を防止できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、火力発電システム等に
おいて用いられる熱交換器構造に関し、特に、排ガス等
に含まれ一般に酸性硫安といわれる硫酸アンモニウムが
付着析出する領域での腐食を防止するのに好適な熱交換
器構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年における火力発電システムでは、敷
地面積を増加させずに発電容量を増加したり、多様な電
力需要に対応するために、排気再熱型コンバインドサイ
クルを用いている発電システムが増加している。

【０００３】排気再熱コンパインドプラントは、従来、
火力発電プラントにガスタービン発電システムを追設
し、急変する電力需要に容易に応じられるようにし、更
に、同じ敷地面積で発電容量を１．３から１．８倍に増
加することができるようにしたものである。

【０００４】ここで、図７は、従来における代表的な排
気再熱コンパインドプラントシステムを示す系統図であ
る。そのシステムは、既設の火力発電プラントに、ガス
タービン１３、風道蒸発器１４及び発電機３０などのガ
スタービン発電装置を追設したものである。そして、ガ
スタービン１３からでた燃焼排ガスは、風道蒸発器１４
においてボイラ水を加熱してその燃焼排ガス温度をさげ
た後、フレッシュ空気と混合されてボイラ１の燃焼用空
気として利用される。

【０００５】このように、従来における排気再熱コンパ
インドプラントシステムでは、ボイラ燃焼用空気にガス
タービン１３からの排ガスと空気を混合したものを用い
ていることから、燃焼用空気の温度が高くなるので、従
来の火力発電プラントでは空気予熱器（Ａ／Ｈ）が不要
となり、ボイラ１からの排熱は、ガス高圧給水加熱器１
１及びガス低圧給水１０に利用されるようになり、熱効
率が一段と向上することになる。

【０００６】一方、ガス焚きボイラを排気再熱コンパイ
ンドプラントに改造する場合は、なんら問題がなかった
が、油焚きボイラや石炭焚きボイラを排気再熱コンパイ
ンドプラントに改造する場合は、ガス高圧給水加熱器１
１及びガス低圧給水加熱器１０で酸性硫安（硫酸水素ア
ンモニウムすなわちＮＨ₄ＨＳＯ₄）が析出付着し、ガス
高圧給水加熱器１１及びガス低圧給水加熱器１０の伝熱
管に腐食の問題が生じる。

【０００７】酸性硫安は、ボイラ排ガス中のＳＯ₃ガス
と脱硝装置１５の還元剤に添加したアンモニア（Ｎ
Ｈ₃）によって生じるもので、余剰のリークアンモニア
をゼロにすれば酸性硫安の析出もなくなるが、脱硝率の
関係から余剰アンモニア量をゼロにすることは難しい。

【０００８】図４は、酸性硫安の析出温度域を示すグラ
フである。酸性硫安の析出温度は、ＳＯ₃濃度及びアン
モニア濃度に依存し、一般的に考えられる条件すなわち
ＳＯ₃が１から１０ｐｐｍ、アンモニアが１から１０ｐ
ｐｍでは、摂氏２００度から摂氏２３０度の温度域で酸
性硫安が析出する。

【０００９】ＳＯ₃とアンモニアの化学反応では、酸性
硫安（ＮＨ₄ＨＳＯ₄）のほかに硫酸アンモニウム（通
称、硫安（（ＮＨ₄）₂ＨＳＯ₄）と呼ばれる）も生じ
る。しかし、硫安の析出温度は、酸性硫安の析出温度に
比べ十数度から数十度低めになるので、ＳＯ₃のモル比
に比べてＮＨ₃のモル比が著しく大きくなければ、先に
酸性硫安が析出し、その強い腐食性のため伝熱管等にお
ける腐食に悪影響を及ぼすことになる。

【００１０】従来の油焚きや石炭焚きボイラでは、酸性
硫安の析出温度域に空気予熱器（Ａ／Ｈ）が配置されて
いたので、空気予熱器を複数個設け、交互運転により停
止中に水洗いで酸性硫安を除去し、フェノール樹脂によ
るエナメルコーティングで酸性硫安による腐食を防止し
てきた。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上述の従
来の排気再熱コンパインドプラントでは、ガス給水加熱
器を複数個設け、交互運転で水洗いしたり、フィンチュ
ーブになる給水加熱器伝熱管表面を無欠陥の防食コーテ
ィングにすることは困難である。ここで、施工や樹脂材
料を改良すれば無欠陥の防食コーティングにすることも
できるが、相当なコストアップにつながり、実用的でな
くなる。

【００１２】また、通称ハステロイＣ合金又はインコネ
ル６２５合金と呼ばれる１５から２５Ｃｒ−８から１５
Ｍｏ−残Ｎｉの高Ｃｒ高Ｍｏ−Ｎｉ基合金や、チタン
（Ｔｉ）合金は、酸性硫安の環境でも優れた耐食性を有
しているが、通常の構造用鋼に比べて１００から３００
倍ものコストであり、経済上の問題を生じさせるためこ
れも使用しがたい。

【００１３】そこで、本発明は、排気再熱コンパインド
プラントにおけるガス給水加熱器において酸性硫安によ
る腐食を大幅に低減することができる熱交換器構造を提
供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明の熱交換器構造
は、酸性硫安と呼ばれる硫酸水素アンモニウムが析出付
着する温度領域で用いられる熱交換器構造において、１
３パーセント以上のクロム（Ｃｒ）を含有するステンレ
ス鋼で形成した伝熱管を有し、その伝熱管の表層には、
酸化性を有する顔料を含有させたコーティング材によっ
てコーティング施工が施してあることを特徴とする。

【００１５】また、本発明の熱交換器構造は、コーティ
ング施工が、重油の燃焼灰と原油の燃焼灰とのうちの一
方を数％から数十％充填させたコーティング材を用いて
施工することが好ましい。

【００１６】また、本発明の熱交換器構造は、酸性硫安
と呼ばれる硫酸水素アンモニウムが析出付着する温度領
域で用いられる熱交換器構造において、１３パーセント
以上のクロム（Ｃｒ）を含有するステンレス鋼で形成し
た伝熱管を有し、その伝熱管の表層には、酸化性を有す
る顔料を含有させた部材によってライニング施工が施し
てあることを特徴とする。

【００１７】また、本発明の熱交換器構造は、前記熱交
換器構造を、油焚きボイラと石炭ボイラとのうちの少な
くとも一方のボイラを排気再熱コンバインドプラントに
用いたシステムにおける熱交換器において用いることが
好ましい。

【００１８】また、本発明の熱交換器構造は、酸化性を
有する顔料が、三二酸化鉄（Ｆｅ₂Ｏ₃）、四三酸化鉄
（Ｆｅ₃Ｏ₄）、五酸化バナジウム（Ｖ₂Ｏ₅）の酸化性酸
化物のうちの少なくとも一種について数％から数十％含
有していることが好ましい。

【００１９】

【作用】本発明の作用について図５及び図６を参照して
説明する。図５は、炭素鋼（ＳＳ４００）及びステンレ
ス鋼（ＳＵＳ３０４Ｌ）にそれぞれ各種酸化物を混合し
たときにおいて、酸性硫安による腐食の速度を試験した
ものについてのグラフである。

【００２０】図５において着目すべき点は、酸性硫安に
三二酸化鉄（Ｆｅ₂Ｏ₃）、四三酸化鉄（Ｆｅ₃Ｏ₄）又は
五酸化バナジウム（Ｖ₂Ｏ₅）を添加したときの腐食挙動
である。ここで、炭素鋼に対しては、腐食量を数分の一
以下に低減することができている。しかし、腐食速度の
絶対値が０．４から１（ｍｍ／年）であり、このままで
は本発明の目的を達成できない。

【００２１】一方、ステンレス鋼においては、酸化性酸
化物の添加により、腐食速度が０．１（ｍｍ／年）に低
下している。

【００２２】そして、本発明に係る熱交換器構造では、
ステンレス鋼で形成した伝熱管の表層に、酸化性を有す
る顔料を含有させたコーティング施工を施してあるの
で、酸性硫安による腐食を大幅に低減することができ
る。

【００２３】図６は、酸性硫安による腐食に及ぼす酸化
物濃度の影響を示すグラフである。ステンレス鋼におい
て酸化性酸化物の添加効果は、２０％程度の添加濃度で
十分な防食効果が認められる。

【００２４】このようにステンレス鋼において酸化性酸
化物の添加が酸性硫安による腐食の低減に効果があるの
は、酸化物の酸化性による不働態化の安定によるもので
ある。ステンレス鋼が一般的に防食性を有するのは、表
面の不働態化皮膜によるものであり、その安定性が腐食
速度を左右する。

【００２５】また、ステンレス鋼は、酸化性の環境で
は、不働態化皮膜が安定し十分な耐食性を示す。一方、
ステンレス鋼は、酸性硫安の環境では、加水分解により
フリーの水素イオンが存在し、ｐＨを下げるとともに還
元作用をもたらす。そこに酸化性イオンが存在すると酸
化還元電位的にも安定し、ステンレス鋼の腐食を低減す
る。

【００２６】ここで、アルカリによる中和効果によって
防食しようとすれば、酸性硫安の量に応じたアルカリが
必要となってしまう。

【００２７】一方、本発明による酸化剤による皮膜安定
化効果では、僅かな量で防食効果を発揮することができ
る。

【００２８】また、酸性硫安による防食の防止に対する
酸化性酸化物の添付効果は、通常の炭素鋼（例えば、Ｓ
Ｓ４００やＳＴＢ３５）に対しては効果がなく、ステン
レス鋼に対して有効である。そして、ステンレス鋼の耐
食性は、ステンレス鋼にクロム（Ｃｒ）を１３％以上含
有させることで、十分に実用性を確保することができ
る。

【００２９】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。

【００３０】図１は、本発明の実施例に係る酸性硫安腐
食を低減するのに好適な熱交換器構造を示す説明図であ
る。図２は、図１における部分Ａについての要部拡大断
面図である。

【００３１】本実施例の熱交換器１８は、酸性硫安腐食
防止型の熱交換器、すなわち酸性硫安と呼ばれる硫酸水
素アンモニウムが析出付着する温度領域で用いられるの
に好適な熱交換器である。そして、本実施例の熱交換器
１８は、炭素鋼製伝熱管１６とステンレス製伝熱管１７
とを有している。

【００３２】また、本熱交換器１８は、油焚きボイラと
石炭ボイラとのうちの少なくとも一方のボイラを排気再
熱コンバインドプラントに改造したシステムにおける熱
交換器として用いるのに特に好適である。例えば、本熱
交換器１８は、管外のガス温度が摂氏１５０度から摂氏
３５０度、管内の温水温度が摂氏数十度から摂氏２００
度で用いられる。そして、炭素鋼製伝熱管１６及びステ
ンレス製伝熱管１７には、それぞれフィン材１９が設け
てあり、これによって伝熱面積を大きくしている。

【００３３】ステンレス製伝熱管１７及びその管に設け
てあるフィン材１９の表面には、図２に示すように、酸
化性酸化物入りコーティング材２０がコーティング又は
ライニング施工してある。

【００３４】ここで、ステンレス製伝熱管１７は、１３
パーセント以上のクロム（Ｃｒ）を含有するステンレス
鋼で形成してある。また、酸化性酸化物入りコーティン
グ材２０は、酸化性を有する顔料を含有するコーティン
グ材である。

【００３５】コーティング材２０における酸化性酸化物
の種類及び濃度は、雰囲気の条件に応じて変化しうるも
のであるが、例えば、コーティング材２０に含有させる
酸化性を有する顔料としては、三二酸化鉄（Ｆｅ
₂Ｏ₃）、四三酸化鉄（Ｆｅ₃Ｏ₄）、五酸化バナジウム
（Ｖ₂Ｏ₅）等の酸化性酸化物のうちの一種又は複数種を
数％から数十％含む部材を用いることができる。

【００３６】一方、コーティングのベース樹脂は、本発
明では特に規定していないが、使用される温度条件から
熱硬化性樹脂、例えば、フェノール、シルコーン、ビニ
ールエステル、変性シリココーン、エポキシ、又は変性
エポキシ樹脂等をそのベース樹脂として用いることがで
きる。

【００３７】次に、本実施例の熱交換器の動作及び作用
について説明する。本実施例の熱交換器の構造は、各種
の実験結果に基づいて完成したものである。図５は、炭
素鋼（ＳＳ４００）及びステンレス鋼（ＳＵＳ３０４
Ｌ）の酸性硫安腐食に及ぼす各種酸化物混合の影響を示
すグラフである。

【００３８】このグラフは、面積が２０ｍｍ＊４０ｍｍ
で厚さが３ｍｍの試験片の上に、１ｇの酸性硫安（ＮＨ
₄ＨＳＯ₄）と１ｇの各種酸化物との混合物を塗布し、摂
氏２００度の水蒸気中で腐食試験した結果である。

【００３９】ここで、試験片に酸性硫安のみを塗布した
場合は、炭素鋼で約７（ｍｍ／年）、ステンレス鋼で約
３（ｍｍ／年）の激しい腐食が生じている。また、酸化
物として酸化アルミニウム（アルミナ、Ａｌ₂Ｏ₃）、二
酸化珪素（シリカ、ＳｉＯ₂）、硫酸塩の硫酸ナトリウ
ム（Ｎａ₂ＳＯ₄）又は硫酸アンモニウム（（ＮＨ₄）₂Ｓ
Ｏ₄）を酸性硫安に添加しても、炭素鋼及びステンレス
鋼の腐食速度は、例えば０．１（ｍｍ／年）の許容値ま
で低下することはない。

【００４０】一方、生石灰（酸化カルシウム、ＣａＯ）
や消石灰（水酸化カルシウム、Ｃａ（ＯＨ）₂）を酸性
硫安とともに試験片に塗布した場合は、腐食量が著しく
低減した。これは、生石灰や消石灰のアルカリ効果によ
り、酸性硫安が中和されたためといえる。

【００４１】これら以外のアルカリ性物質としては、水
酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）、水酸化カリウム（ＫＯ
Ｈ）、水酸化マグネシウム（Ｍｇ（ＯＨ）₂）及び水酸
化アンモニウムが考えられる。そして、これらのアルカ
リ性物質も酸性硫安による腐食の防止に有効である。

【００４２】このようにアルカリ性物質を試験片に塗布
することは、酸性硫安による腐食の防止に有効である
が、この方法では、析出する酸性硫安の量に応じてアル
カリ性物質を添加しなければならず、大型の熱交換器に
適用する場合は大量のアルカリ性物質が必要になってし
まい、実用的でない。

【００４３】一方、図５において着目すべき点は、酸性
硫安に三二酸化鉄（Ｆｅ₂Ｏ₃）、四三酸化鉄（Ｆｅ
₃Ｏ₄）又は五酸化バナジウム（Ｖ₂Ｏ₅）を添加したとき
の腐食挙動である。ここで、炭素鋼に対しては、腐食量
を数分の一以下に低減することができている。しかし、
腐食速度の絶対値が０．４から１（ｍｍ／年）であり、
このままでは本発明の目的を達成できない。

【００４４】しかし、ステンレス鋼においては、酸化性
酸化物の添加により、腐食速度が０．１（ｍｍ／年）に
低下している。

【００４５】そして、本発明に係る熱交換器構造では、
ステンレス鋼で形成した伝熱管の表層に、酸化性を有す
る顔料を含有させたコーティング施工を施してあるの
で、酸性硫安による腐食を大幅に低減することができ
る。

【００４６】図６は、酸性硫安による腐食に及ぼす酸化
物濃度の影響を示すグラフである。ステンレス鋼におい
て酸化性酸化物の添加効果は、２０％程度の添加濃度で
十分な防食効果が認められる。

【００４７】このようにステンレス鋼において酸化性酸
化物の添加が酸性硫安による腐食の低減に効果があるの
は、酸化物の酸化性による不働態化の安定によるもので
ある。ステンレス鋼が一般的に防食性を有するのは、表
面の不働態化皮膜によるものであり、その安定性が腐食
速度を左右する。

【００４８】また、ステンレス鋼は、酸化性の環境で
は、不働態化皮膜が安定し十分な耐食性を示す。一方、
ステンレス鋼は、酸性硫安の環境では、加水分解により
フリーの水素イオンが存在し、ｐＨを下げるとともに還
元作用をもたらす。そこに酸化性イオンが存在すると酸
化還元電位的にも安定し、ステンレス鋼の腐食を低減す
る。

【００４９】ここで、上述したようにアルカリによる中
和効果によって防食しようとすれば、酸性硫安の量に応
じたアルカリが必要となってしまう。

【００５０】一方、本発明による酸化剤による皮膜安定
化効果では、僅かな量で防食効果を発揮することができ
る。

【００５１】また、酸性硫安による防食の防止に対する
酸化性酸化物の添付効果は、通常の炭素鋼（例えば、Ｓ
Ｓ４００やＳＴＢ３５）に対しては効果がなく、ステン
レス鋼に対して有効である。そして、ステンレス鋼の耐
食性は、ステンレス鋼にクロム（Ｃｒ）を１３％以上含
有させることで、十分に実用性を確保することができ
る。

【００５２】これらにより、本実施例の熱交換器は、酸
化性酸化物を含むコーティング材の施工が無欠陥である
必要がなく、欠陥部での酸性硫安による腐食を酸化性物
質での不働態化皮膜安定効果で防止することが可能とな
る。

【００５３】一方、従来における熱交換器では、コーテ
ィングによる防食構造において、通常無欠陥コーティン
グをすることでその防食を達成することができる。しか
し、伝熱管にフィン材が設けてあるフィンチューブにお
いて、無欠陥コーティングをすることは非常に困難であ
り、また、その無欠陥コーティングをすることができた
としてもその実現のためには非常に高いコストが必要に
なってしまう。

【００５４】この点、本実施例の熱交換器では、無欠陥
コーティングをする必要がなく、容易かつ安価に酸性硫
安による腐食を防止することができる熱交換器構造を実
現することができる。

【００５５】図３は、本発明の他の実施例に係る熱交換
器構造の要部拡大断面図である。本熱交換器構造では、
１３パーセント以上のクロム（Ｃｒ）を含有するステン
レス鋼で形成したステンレス鋼製伝熱管２１を有し、そ
のステンレス鋼製伝熱管２１及びフィン１９の表層に
は、重油の燃焼灰と原油の燃焼灰とのうちの一方を数％
から数十％充填させたコーティング材２２を用いてコー
ティング施工が施してある。

【００５６】ここで、重油及び原油中には、相当量のバ
ナジウムと鉄分が含まれている。そして、それら重油又
は原油の燃焼灰中には、五酸化バナジウム（Ｖ₂Ｏ₅）、
三二酸化鉄（Ｆｅ₂Ｏ₃）、四三酸化鉄（Ｆｅ₃Ｏ₄）等の
酸化性酸化物が数％から十数％含まれていて、ほとんど
の場合強い酸化性をもっている。

【００５７】本実施例の熱交換器構造では、重油又は原
油の燃焼灰における酸化性に着目したものであり、その
防食効果は別途確認している。

【００５８】これらにより、本実施例の熱交換器構造で
は、酸化性酸化物としての重油や原油の燃焼灰を用いて
いるので、廃物を有効利用することができ、経済的効果
を生み出すことができる。

【００５９】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、１
３パーセント以上のクロム（Ｃｒ）を含有するステンレ
ス鋼で形成した伝熱管を有し、その伝熱管の表層には、
酸化性を有する顔料を含有させたコーティング材によっ
てコーティング施工が施してあるので、酸性硫安による
腐食を大幅に低減することができる熱交換器構造を提供
するができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る酸性硫安腐食を低減する
のに好適な熱交換器構造を示す説明図である。

【図２】図１における部分Ａについての要部拡大断面図
である。

【図３】本発明の他の実施例に係る熱交換器構造の要部
拡大断面図である。

【図４】酸性硫安の析出温度域を示すグラフである。

【図５】炭素鋼及びステンレス鋼において酸性硫安によ
る腐食に及ぼす各種酸化物混合の影響を示すグラフであ
る。

【図６】炭素鋼及びステンレス鋼において酸性硫安によ
る腐食に及ぼす酸化物濃度の影響を示すグラフである。

【図７】従来の排気再熱コンパインドプラントシステム
を示す系統図である。

【符号の説明】

１ボイラ２節炭器３蒸気タービン４発電機５給水ポンプ６熱交換器７コンデンサ８再循環ポンプ９ボイラ給水ポンプ１０ガス低圧給水加熱器１１ガス高圧給水加熱器１２電気集塵器１３ガスタービン１４風道蒸発器１５脱硝装置１６炭素鋼製伝熱管１７ステンレス鋼製伝熱管１８熱交換器１９フィン材２０コーティング材２１ステンレス鋼製伝熱管２２コーティング材

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】酸性硫安と呼ばれる硫酸水素アンモニウ
ムが析出付着する温度領域で用いられる熱交換器構造に
おいて、１３パーセント以上のクロム（Ｃｒ）を含有す
るステンレス鋼で形成した伝熱管を有し、その伝熱管の
表層には、酸化性を有する顔料を含有させたコーティン
グ材によってコーティング施工が施してあることを特徴
とする熱交換器構造。
【請求項２】請求項１記載の熱交換器構造において、
コーティング施工は、重油の燃焼灰と原油の燃焼灰との
うちの一方を数％から数十％充填させたコーティング材
を用いて施工することを特徴とする熱交換器構造。
【請求項３】酸性硫安と呼ばれる硫酸水素アンモニウ
ムが析出付着する温度領域で用いられる熱交換器構造に
おいて、１３パーセント以上のクロム（Ｃｒ）を含有す
るステンレス鋼で形成した伝熱管を有し、その伝熱管の
表層には、酸化性を有する顔料を含有させた部材によっ
てライニング施工が施してあることを特徴とする熱交換
器構造。
【請求項４】請求項１、２又は３記載の熱交換器構造
において、前記熱交換器構造を、油焚きボイラと石炭ボ
イラとのうちの少なくとも一方のボイラを排気再熱コン
バインドプラントに用いたシステムにおける熱交換器に
おいて用いたことを特徴とする熱交換器構造。
【請求項５】請求項１、２、３又は４記載の熱交換器
構造において、酸化性を有する顔料は、三二酸化鉄（Ｆ
ｅ₂Ｏ₃）、四三酸化鉄（Ｆｅ₃Ｏ₄）、五酸化バナジウム
（Ｖ₂Ｏ₅）の酸化性酸化物のうちの少なくとも一種につ
いて数％から数十％含有していることを特徴とする熱交
換器構造。