成果報告書詳細
管理番号20120000000945
タイトル平成22~23年度成果報告書 国際連携クリーンコール技術開発プロジェクト クリーンコール技術に関する基盤的国際共同研究 CCS向け高効率酸素燃焼石炭ボイラ実用化のための研究開発
公開日2012/9/1
報告書年度2010 - 2011
委託先名株式会社IHI
プロジェクト番号P10017
部署名環境部
和文要約1.酸素燃焼時の腐食環境の評価;
酸素燃焼ボイラでは、火炉内雰囲気ガス中のCO2濃度が空気燃焼の11?14%と比べて90%超と高く、過熱器・再熱器管材での浸炭や炭酸塩による腐食が懸念されるとともに、排ガスリサイクルに伴うSOx濃度上昇による高温硫化腐食の加速が懸念されるため、燃焼試験にて燃焼条件と雰囲気ガス性状、温度、灰成分の関係を明らかにし、材料評価を行うための腐食試験条件を決定した。
2.酸素燃焼雰囲気におけるボイラチューブ材高温腐食の把握及び対策技術の検討;
(1)腐食試験;
供試材として炭素鋼、低合金鋼、9%Cr鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、Ni基合金を使用し、酸化雰囲気下腐食試験(300時間、石炭灰の塗布なし)、酸化雰囲気下・混合灰付着下腐食試験(100時間、標準的な模擬石炭灰塗布)、酸化雰囲気下・酸素燃焼模擬灰付着下腐食試験(100時間、酸素燃焼を模擬した石炭灰塗布)を実施した。石炭灰を塗布しないガス腐食の条件下では、CO2及びSO2濃度上昇による腐食量への影響は見られなかったが、標準的な模擬石炭灰を塗布した場合、SO2濃度上昇に伴って腐食量が増大する傾向が見られた。Cr量の多い火SUS310J1TBの腐食量は他の合金に比べ小さくなる傾向を示す一方、Moを含むNi基合金は大きな腐食量を示す傾向が見られた。酸素燃焼下で炭酸塩の生成を想定した石炭灰を塗布した場合、SO2を含まない雰囲気で標準的な模擬石炭灰塗布よりも腐食量が増大する傾向が見られたが、SO2を含む雰囲気では炭酸塩の影響は認められなかった。また、石炭灰を塗布した場合、塗布しない場合のいずれの条件においても、浸炭は見られなかった。
(2)酸素燃焼実ガス高温腐食試験;
実ガス高温腐食試験では、腐食試験材料をボイラ火炉内に設置し、所定の温度に制御する必要がある。この機能を実現するための模擬的な試験装置を製作し、既設の大型燃焼試験設備において予備試験(機能確認試験)を実施した。ボイラ側の燃焼状態に応じて温度制御できることが確認でき、試験方法を確立することができた。
(3)腐食メカニズム検討・対応技術確立;
排ガス中のSO2に起因する溶融鉄アルカリ硫酸塩による腐食は、650?700℃でSO2濃度上昇に伴って増加するが、合金中のCr濃度増加とともにCr2O3皮膜が形成され、Crを25%含有する火SUS310J1TBでは硫化物生成は顕著に抑制される。CO2濃度上昇や炭酸塩生成に起因する浸炭は認められなかった。硫酸塩のほかに炭酸塩が生成することによる腐食の加速が懸念されたが、SO2存在下で炭酸塩が不安定なため、排ガス中にSO2が含まれる場合は考慮不要である。ただし、得られた結果はいずれも実験室レベルでの数百時間程度の腐食試験に基づく結果であり、材料の優劣の判断や実機適用候補材の選定は可能となったが、実機を設計するにあたっては、本研究で試験方法を確立した実ガス高温腐食試験にて、数千?数万時間程度曝露した場合の管材腐食量データの蓄積が必要である。
3.日米技術交流会開催及び情報収集;
米NETLと日米連携のMOUを締結し、ワークショップを実施した。酸素燃焼における材料技術を中心に、基礎燃焼技術、システム化技術、シミュレーション技術等についても情報交換・意見交換を行った。米国側の酸素燃焼の主要プロジェクトであるFutureGen 2.0についての最新情報も得ることができた。また、プロジェクトサイト訪問、国際会議出席等を通して、CCS及び酸素燃焼技術動向等に関する情報収集を実施した。
英文要約1. Estimation of corrosion environment in oxyfuel combustion;
In oxyfuel boiler, CO2 content in the flue gas is more than 90%, while it is 11 - 14% in conventional air combustion boiler. High CO2 content could accelerate carburization and carbonate induced corrosion of boiler tube materials. And high SOx content according to the flue gas recycling could accelerate high temperature corrosion by sulfide. Combustion conditions, consequent gas composition, gas temperature and ash composition were defined through combustion tests to decide corrosion test conditions.
2 Comprehension for hot corrosion of boiler tube materials in oxyfuel combustion and counter measures;
(1) Corrosion tests;
Carbon steel, low Cr alloys, 9Cr alloy, austenitic stainless steels, Ni-based alloys were tested for 300 hrs gas corrosion test in oxidizing atmosphere, 100 hrs synthetic air combustion ash corrosion test in oxidizing atmosphere and 100 hrs synthetic oxy combustion ash corrosion test in oxidizing atmosphere. Neither CO2 nor SO2 content increase affects gas corrosion but SO2 content increase accelerates synthetic air combustion ash corrosion. Ka-SUS310J1TB which contains 25% Cr shows lower corrosion rate than other materials, while Ni-based alloys which contain Mo show higher corrosion rates. In the case of synthetic oxy combustion ash corrosion which assumes formation of carbonate, carbonate in no SO2 atmosphere accelerates ash corrosion but carbonate in SO2 containing atmosphere has no effect on ash corrosion. Carburization is not found in any cases.
(2) Hot corrosion tests in oxyfuel boiler flue gas;
Test materials have to be set inside the boiler furnace and to be controlled at planed temperature for the hot corrosion test in oxyfuel boiler flue gas. Test probes which have these functions were made and validated in IHI's coal combustion test facility. The test probe temperature was controlled as the combustion condition and test method was fixed.
(3) Corrosion mechanism and counter measures;
SO2 content increase accelerates ash corrosion at 650 - 700C by forming molten alkali iron tri-sulfate, while Cr2O3 layer is formed as Cr content in material increases and Ka-SUS310J1TB which contains 25% Cr inhibits the formation of sulfide. Carburization is not found. While carbonate along with sulfate could accelerate ash corrosion, carbonate is unstable in SO2 containing atmosphere and consideration isn't needed in that case. These results are based on lab-scale some hundreds hours corrosion test. Therefore the material candidate can be suggested but it is required to obtain up to tens of thousands hours corrosion data in oxyfuel boiler flue gas for designing actual oxyfuel boiler.
3 Japan-U.S. technical collaboration and information gathering;
MOU for Japan-U.S. technical collaboration on oxyfuel technologies was signed with NETL. Technical know-how about material, basic combustion, system integration and simulation is discussed in workshops held 3 times.
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