(57)【要約】【課題】大塊のクリンカの落下があっても炉底管が損傷を防止することができ、さらにそのための炉底管の補強に必要なコスト及び工数を削減することができる炉底管の補強構造を提供する。【解決手段】ボイラ火炉の炉底壁を水平面に対して傾斜させて形成するとともに、該炉底壁を、並設された複数の炉底管を繋いで構成されるパネルを１又は複数接合して形成し、前記炉底管の炉内側表面部に補強部材を取り付けた炉底管の補強構造において、前記炉底管の炉外側表面部に該炉底管を支持する支持部材を設け、前記支持部材とは前記炉底壁に対して反対側の炉底管の炉内側表面部のみに前記補強部材を取り付ける。【選択図】図６
2010101542.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボイラ火炉の炉底壁を水平面に対して傾斜させて形成するとともに、
該炉底壁を、並設された複数の炉底管を繋いで構成されるパネルを１又は複数接合して形成し、
前記炉底管の炉内側表面部に補強部材を取り付けた炉底管の補強構造において、
前記炉底管の炉外側表面部に該炉底管を支持する支持部材を設け、
前記支持部材とは前記炉底壁に対して反対側の炉底管の炉内側表面部のみに前記補強部材を取り付けたことを特徴とする炉底管の補強構造。
【請求項２】
前記支持部材が棒状の部材であって、
前記支持部材の短手方向を中心に前記支持部材の短手方向長の略３倍の範囲に前記補強部材を取り付けたことを特徴とする請求項１記載の炉底管の補強構造。
【請求項３】
前記補強部材は、前記炉底管の軸方向に沿って連続的に突出した部材であるとともに、前記炉底管径よりも小径であることを特徴とする請求項１又は２記載の炉底管の補強構造。
【請求項４】
前記補強部材は、前記炉底管の軸方向に沿って一定間隔を有して並設された複数の突起物であり、該突起物がスタッド溶接によって前記管に溶接されたスタッドであることを特徴とする請求項１又は２記載の炉底管の補強構造。
【請求項５】
前記突起物間の間隔を、前記炉底管間の間隔よりも小さくしたことを特徴とする請求項４記載の炉底管の補強構造。
【請求項６】
前記突起物は、前記炉底管への取り付け部分を底面とする円柱状の形状であり、
前記円柱状の突起物の高さを、直径の３倍未満としたことを特徴とする請求項４又は５記載の炉底管の補強構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、石炭焚きボイラなどのボイラ火炉の炉底管の補強構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
石炭焚きボイラ火炉は、例えば図１に示すような構成をしている。このような石炭焚きボイラ火炉は、ボイラ火炉２内で石炭を燃焼し、該石炭を燃焼して生成された灰は底部へ落下し、該落下した灰はボイラ火炉２中央方向へ向かって下向きに傾斜した炉底壁３上を中央方向に向かって移動し、炉底壁３中央に設けられたホッパ（不図示）から外部に排出されるように構成されている。
また、炉底壁３は、並設された複数の炉底管の間をフィンで繋いだパネルを１又は複数接合して形成されている。
【０００３】
このような石炭焚きボイラ火炉２においては、ボイラ火炉２内に石炭を燃焼するための燃料を導入するバーナ（不図示）の先端などのボイラ火炉２内各所に付着灰（以下クリンカと称する）が発生する。このようなクリンカが小塊であれば落下しても特に大きな問題は生じないが、大塊となったクリンカが落下すると、前記炉底壁３を形成する炉底管に直撃し、該炉底管を損傷や変形させる場合がある。
前記炉底管内には蒸気を生成させるために水蒸気を含む加熱水が流動しているが、前記大塊となったクリンカの落下により前記炉底管が損傷や変形すると前記炉底管中の蒸気が漏洩するという問題が生じる。
このような蒸気の漏洩が発生した場合には漏洩部の炉底管を取り替えて対応するが、炉底管を交換するためにはボイラ火炉２の運転を停止する必要があり、時間の面でもコストの面でも負担が大きい。また前記蒸気の漏洩が発生していなくても、変形が大きかったり薄肉となるなど放置すると上記の漏洩が発生する可能性があるので炉底管を定期点検時取り替えなければならず、その負担も大きい。
さらに、大塊のクリンカの落下は石炭の性状が改善されない限り防止することはできないため、様々な性状の石炭を燃焼することを要求される石炭焚きボイラにおいては、大塊のクリンカの落下を防止することはできない。
【０００４】
そのため、前記炉底管の保護を目的に、前記炉底管における炉内側表面に、管軸方向に沿って突出している補強部を設けた技術が実用化されており、例えば特許文献１などに開示されている。前記補強部としては、例えば断面六角形のロッドを炉底管軸方向に沿って取り付ける、前記炉底管と共金系の溶接材料を管に肉盛溶接する、炉底管軸方向に沿って複数のスタッドを植えつける、などが挙げられる。
【０００５】
これにより、大塊のクリンカが落下しても、該クリンカが前記補強部に直撃するために炉底管の損傷には至りにくく、例え補強部が損傷しても炉底管が損傷しなければ蒸気の漏洩は発生しないため炉底管の交換頻度を小さく抑えることができる。さらに、前記補強部を管軸方向に沿って突出させているので、落下した大塊のクリンカを補強部で砕いて複数の小塊のクリンカことが可能であり、これにより大塊のクリンカの落下による運動エネルギーを分散して小さくすることができる。そのため、さらに炉底管の損傷が発生しにくくしている。
【０００６】
【特許文献１】実開平５−８２０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に開示された技術においては、炉底管における炉内側表面全体にわたって補強部を設けるために補強材を設ける範囲が広く、補強材を設けるためのコスト負担が大きいとともに、さらに補強材を設けるために必要な時間が長時間必要であり炉底壁の作成に必要な工期が長期化するという問題があった。
【０００８】
従って、本発明はかかる従来技術の問題に鑑み、大塊のクリンカの落下があっても炉底管の損傷を防止することができ、さらにそのための炉底管の補強に必要なコスト及び工数を削減することができる炉底管の補強構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため本発明においては、
ボイラ火炉の炉底壁を水平面に対して傾斜させて形成するとともに、該炉底壁を、並設された複数の炉底管を繋いで構成されるパネルを１又は複数接合して形成し、前記炉底管の炉内側表面部に補強部材を取り付けた炉底管の補強構造において、前記炉底管の炉外側表面部に該炉底管を支持する支持部材を設け、前記支持部材とは前記炉底壁に対して反対側の炉底管の炉内側表面部のみに前記補強部材を取り付けたことを特徴とする。
【００１０】
本発明者は、大塊のクリンカが落下した場合における炉底管の損傷状態を検討し、炉底管の炉外側表面部に支持部材が設けられる場合において以下の２つの知見を得た。
（１）前記支持部材により支持されていない部分の炉内側表面の炉底管上に大塊のクリンカが落下しても、該クリンカの落下による運動エネルギーを前記パネルが変形して吸収するため炉底管が損傷しにくい。
（２）前記支持部材により支持される部分の炉内側表面の炉底管上に大塊のクリンカが落下すると、前記支持部材により前記パネルが拘束されているために、前記クリンカの落下による運動エネルギーをほとんど吸収することができず炉底管が損傷しやすい。
【００１１】
そのため、上記（１）（２）の知見に基づき、大塊のクリンカの落下によって損傷しやすい前記炉底管の炉外側表面部、即ち該炉底管を支持する支持部材とは前記炉底壁に対して反対側の炉底管の炉内側表面部のみに前記補強部材を取り付けることで、大塊のクリンカの落下があっても炉底管が損傷を防止することができる。さらに前記補強部材の取り付け範囲が狭いため補強に必要なコスト及び工数を削減することができる。
【００１２】
また、前記支持部材が棒状の部材であって、前記支持部材の短手方向を中心に前記支持部材の短手方向長の略３倍の範囲に前記補強部材を取り付けたことを特徴とする。
ここでいう棒状の部材とは、真っ直ぐで細長い形状である部材のことをいい、断面形状は特に限定しない。棒状の部材の例としてＨ型鋼、Ｉ型鋼、Ｌ型鋼、丸棒、角棒などを挙げることができる。
【００１３】
大塊のクリンカの落下により大きな損傷を受ける箇所は前記知見（２）の通り支持部材により支持される位置であるが、支持部材が近くに存在する位置においても、支持部材が近くに存在しない位置と比較すると、前記支持部材の存在により前記パネルが変形しにくいために大塊のクリンカの落下による運動エネルギーを吸収しにくく、炉底管が損傷しやすい。そこで、前記補強部材を取り付ける範囲を前記支持部材の反対側だけでなく、前記支持部材の短手方向を中心に前記支持部材の短手方向長の略３倍の範囲とすることでより確実に炉底管の損傷を防止することができる。
【００１４】
また、前記補強部材は、前記炉底管の軸方向に沿って連続的に突出した部材であるとともに、前記炉底管径よりも小径であることを特徴とする。
前記補強部材を前記炉底管よりも小径とすることで、大塊のクリンカが落下した場合に、小径の補強部材にその荷重が集中しクリンカを破壊して、クリンカの落下による運動エネルギーを分散しやすくなるとともに、前記補強部材が前記炉底管内を流動する加熱水による炉底壁の冷却の妨げとなることを防止することができる。
【００１５】
また、前記補強部材は、前記炉底管の軸方向に沿って一定間隔を有して並設された複数の突起物であり、該突起物がスタッド溶接によって前記管に溶接されたスタッドであることを特徴とする。
これにより補強部材の取り付けをさらに短時間で行うことができる。
【００１６】
また、前記突起物間の間隔を、前記炉底管間の間隔よりも小さくしたことを特徴とする。
前記突起物間の間隔が大きいと、大塊のクリンカの形状によっては前記突起物の間にクリンカが直撃する可能性があるが、前記突起物の間隔を規定することで突起物の間にクリンカが直撃することを防止することができる。
【００１７】
また、前記突起物は、前記炉底管への取り付け部分を底面とする円柱状の形状であり、前記円柱状の突起物の高さを、直径の３倍未満としたことを特徴とする。
これにより、前記突起物に大塊のクリンカが当たった場合に、前記突起物が軸圧縮を受けて座屈現象で曲折することを防止できる。
【発明の効果】
【００１８】
以上記載のごとく本発明によれば、大塊のクリンカの落下があっても炉底管が損傷を防止することができ、さらにそのための炉底管の補強に必要なコスト及び工数を削減することができる炉底管の補強構造を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
【００２０】
（構成）
図１を用いて石炭焚きボイラ火炉の構成について説明する。
図１は石炭焚きボイラ火炉の斜視図であり、後述する炉底管の補強構造以外は従来と同じものである。
このような石炭焚きボイラ火炉２は、ボイラ火炉２内で石炭を燃焼し、該石炭を燃焼して生成された灰は底部へ落下し、該落下した灰はボイラ火炉２中央方向へ向かって下向きに傾斜した炉底壁３上を中央方向に向かって移動し、炉底壁３中央に設けられたホッパ（不図示）から外部に排出されるように構成されている。
【００２１】
次に、図２、図３及び図４を用いて炉底壁３の構成について説明する。
図２は炉底壁３を構成するパネル４をボイラ火炉２の内部方向から見た斜視図であり、図３は炉底壁３を構成するパネル４をボイラ火炉２の外部方向から見た斜視図である。図４は、炉底壁３を構成するパネル４の一部断面図である。
【００２２】
前記炉底壁３は、複数のパネル４を接合して形成されている。該パネル４は、図４に示すように並設された複数の炉底管４０の間をフィン４２で繋ぐことで形成されている。なお、炉底管４０をフィンで繋がずに直結してもよい。
また前記パネル４を構成する複数の炉底管４０は、図２及び図３に示すように炉外側表面部で炉底管４０の管軸方向と略垂直方向に配置されたＨ型鋼である横方向フレーム６で支持されている。なお図２及び図３においては２つの横方向フレーム６で炉底管４０を支持しているが、炉底壁３の大きさなどにより必要に応じて１つ又は３つ以上の横方向フレーム６を用いる場合もある。
さらに、前記横方向フレーム６は、前記炉底管４０の管軸方向に沿って配置されたＨ型鋼である縦方向フレーム８で支持されている。
【００２３】
このように構成されたパネル４には、図２及び図３に示したようにボイラ火炉２内に石炭を燃焼するための燃料を導入するバーナ（不図示）の先端などのボイラ火炉２内各所で発生したクリンカ１０が落下する。
【００２４】
（解析）
上記のような炉底壁３を構成するパネル４にクリンカ１０が落下した場合の、炉底管４０の損傷について解析を行った。
該解析は、前記パネル４、横方向フレーム６、縦方向フレーム８及びクリンカ１０を板要素とし、有限要素法（Ｆｉｎｉｔe  Ｅｌｅｍｅｎｔ  Ｍｅｔｈｏｄ：ＦＥＭ）解析を用いた。
【００２５】
図５にＦＥＭ解析条件の概略図を示す。図５は図２及び図３に斜視図で示した炉底壁を側面から見た模式図である。図５（Ａ）及び（Ｂ）に示したように、炉底管４０を水平面に対して角度θだけ傾斜させ、該炉底管４０上にクリンカ１０を落下させて解析を行った。なお角度θは通常のボイラ火炉における炉底壁の傾斜角度と同じく５０°に設定した。
図５（Ａ）に示した解析条件においては、クリンカ１０を２つの横方向フレーム６の略中間に落下させ、その時のパネル４及び炉底管４０の変形状態を解析した。
図５（Ｂ）に示した解析条件においては、クリンカ１０を横フレーム６上に落下させ、その時のパネル４及び炉底管４０の変形状態を解析した。
なお、該解析は、クリンカ１０の重量を３７ｋｇ、８９ｋｇ、１７３ｋｇ、３００ｋｇの４種類について高さ３０ｍより落下させた場合について行った。結果を表１に示す。
【００２６】
【表１】
2010101542.tif 000003
【００２７】
表１において落下位置のパネル中央とは、図５（Ａ）に示したように横方向フレーム６により支持されていない横方向フレーム６間の炉内側表面のパネル４上に大塊のクリンカ１０が落下したことを表し、落下位置の支持部とは、図５（Ｂ）に示したように横方向フレーム６により支持される部分の炉内側表面のパネル４上に大塊のクリンカ１０が落下したことを表す。
【００２８】
表１から、支持部はパネル中央部に比べて、管の潰れ量が大きく損傷を受けやすいことが分かる。さらに、クリンカの重量によっては、管の破断変位を超える場合もある。ここでは、管の破断変位は１８ｍｍとし、このとき８９ｋｇのクリンカを落下させると管の破断変位を超えることが分かる。
なお、支持部の潰れ量がクリンカの重量の増加に連れて増加しないのは、クリンカの重量増とともにクリンカのサイズも大きくなり、管の変形領域が広がるためである。
【００２９】
上記のＦＥＭ解析結果をまとめ、以下の知見が得られた。
（ｉ）図５（Ａ）に示した解析条件によるＦＥＭ解析より以下の知見が得られた。
前記横方向フレーム６により支持されていない横方向フレーム６間の炉内側表面のパネル４上に大塊のクリンカ１０が落下すると、該クリンカ１０の落下による運動エネルギーを前記パネル４が変形して吸収するため炉底管４０が損傷しにくい。
（ｉｉ）図５（Ｂ）に示した解析条件によるＦＥＭ解析より以下の知見が得られた。
前記横方向フレーム６により支持される部分の炉内側表面のパネル４上に大塊のクリンカ１０が落下しても、前記横方向フレーム６により前記パネル４が拘束されているために、前記クリンカ１０の落下による運動エネルギーをほとんど吸収することができず炉底管４０が損傷しやすく、落下するクリンカの重量などの条件によっては管の潰れ量が破断変位を超えることもある。
【００３０】
以上のことから、大塊のクリンカ１０の落下によって損傷しやすい前記炉底管４０の炉外側表面部、即ち該炉底管４０を支持する横方向フレーム６とは前記パネル４に対して反対側の位置である炉底管４０の表面部に補強部材を取り付けると、大塊のクリンカ１０の落下があっても炉底管４０の損傷を防止することができることが分かった。
【実施例１】
【００３１】
図６は実施例１における炉底壁３を形成するパネル４の側面図及び上平面図である。
後述する補強ロッド１２以外は図２及び図３に示したパネル４と同じであるので説明は省略する。なお、図６においては縦方向フレーム８の記載を省略している。
本実施例１においては、前記知見に基づき横方向フレーム６とは前記パネル４に対して反対側の位置である炉底管４０の炉内側表面部に補強ロッド１２を取り付け、さらに横方向フレーム６近傍においても横方向フレーム６が近傍に存在しない位置と比較すると、前記横方向フレーム６の存在により前記パネル４が変形しにくく炉底管４０が損傷する可能性があるため、横方向フレーム６の幅方向に横方向フレーム６の幅の２倍の範囲にわたって補強ロッド１２を取り付けた。即ち図６における符号１６で示した範囲が補強ロッドの取り付け範囲である。
補強ロッド１２は炉底管４０の軸方向に沿って連続的に取り付けられる棒状の部材である。補強ロッドの形状は前記のように炉底管４０の軸方向に沿って連続的に取り付けられる棒状の部材であれば特に制限されないが、断面六角形である棒状の六角ロッドや、断面円形である棒状の丸棒ロッドなどを例示することができる。
【００３２】
図７は図６におけるＡ−Ａ断面図であり、図７（Ａ）は断面六角形である六角ロッドを補強ロッド１２として用いた場合であり、図７（Ｂ）は断面円形である丸棒ロッドを補強ロッド１２として用いた場合の図である。
【００３３】
図７（Ａ）及び図７（Ｂ）に示したように、補強ロッド１２は、断面六角形であっても断面円形であっても、炉底管４０それぞれに溶接材１６によって溶接で取り付けられる。
【００３４】
これにより、横方向フレーム６近傍の補強ロッド１２が存在する位置に大塊のクリンカ１０が落下すると、該クリンカ１０が補強ロッド１２に直撃するために炉底管４０の損傷には至りにくい。さらに、前記補強ロッド１２によって落下した大塊のクリンカを砕いて複数の小塊のクリンカとするため、大塊のクリンカの落下による運動エネルギーを分散して小さくし、炉底管４０の損傷を防止することができる。
なお、前記補強ロッド１２径は炉底管４０径よりも小径とすると、大塊のクリンカ１０が落下した場合に、小径の補強ロッド１２にその荷重が集中しクリンカ１０を破壊して、クリンカ１０の落下による運動エネルギーを分散しやすくなるとともに、補強ロッド１２が前記炉底管４０内を流動する加熱水による炉底壁３の冷却の妨げとなることを防止することができる。
【００３５】
また、横方向フレーム６近傍の補強ロッド１２が存在しない位置（図６右図における１６で示した以外の範囲）については前記知見（ｉ）の通り、炉底管の損傷は起こりにくい。
即ち、炉底管４０全体にわたって、炉底管４０の損傷が起こりにくい炉底管４０の補強構造であるといえる。
【００３６】
さらに、図６から明らかであるように、補強ロッド１２を炉底管４０全体にわたって取り付ける必要がなく補強部材の取り付け範囲が狭いため、補強ロッドを取り付けるために必要なコスト及び工数を削減することができる。
【００３７】
実施例１における炉底管４０の補強構造について、ＦＥＭ解析を用いて評価を行った。
ＦＥＭ解析においてはクリンカを剛球体と仮定し、横方向フレーム近傍の炉底管にクリンカを衝突する場合を想定した。
なお、解析条件としてクリンカ、炉底管は以下のように設定した。
クリンカ：直径３００ｍｍ、重量３７ｋｇ
炉底管：管外径３８．１ｍｍ、板厚４ｍｍ
炉底管間隔：５１ｍｍ
補強ロッドを、矩形断面を有する高さＨ５ｍｍ×板厚ｔ５ｍｍ、高さＨ１０ｍｍ×板厚ｔ１０ｍｍ、高さＨ１５ｍｍ×板厚ｔ１５ｍｍの３種類について解析を行った。
【００３８】
解析結果を表２に示す。
【００３９】
【表２】
2010101542.tif 000004
【００４０】
表２から、補強ロッド１２を取り付けることで、炉底管の局所潰れ量が減少していることは明らかである。前記炉底管の局所潰れ量が１８ｍｍを越えると炉底管が破損するため、補強ロッドがない場合には破損の恐れがあるが、本実施例においては炉底管の破損の恐れはないと言える。
【実施例２】
【００４１】
本実施例２においては、実施例１と補強部材が異なる。その他の構成及び補強部材の取り付け範囲については図６、図７を用いて説明した実施例１と同じであるため説明を省略する。
図８は実施例２における炉底管の一部斜視図であり、図９は実施例２における炉底管の別の一部斜視図である。
【００４２】
図８及び図９に示すように、前記炉底管４０には該炉底管４０の軸方向に沿って一定間隔を有して複数の円柱状のスタッド１４を並設しており、該スタッド１４はスタッド溶接によって炉底管４０に溶接されている。図８に示したように前記並設したスタッド１４の列を複数列（図８においては３列）並べてもよく、図９に示したように１列のみでもよい。
これにより補強部材の取り付けを短時間で行うことができ、しかもクリンカによる炉底管４０の損傷を防止することができる。
【００４３】
また、前記スタッドが間の間隔が大きいと、落下する大塊のクリンカの形状によっては前記スタッドの間にクリンカが直撃する可能性があるため、スタッド間の間隔は小さくする必要があるが、スタッド間の間隔を小さくしすぎると大量のスタッドを取り付ける必要があるため、スタッド間隔は石炭焚きボイラで燃焼する石炭の性状などに応じて決定するとよい。
【００４４】
また、前記スタッドを炉底管４０への取り付け部分を底面とする円柱状の形状とし、高さを、直径の２〜３倍とするとすることが好ましい。スタッド高さが直径の３倍以下であるとスタッド１４に大塊のクリンカが当たった場合に、スタッドが軸圧縮を受けて座屈現象で曲折することを防止でき、スタッド高さが直径の２倍以上であると補強材としての機能を十分に発揮するためである。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
大塊のクリンカの落下があっても炉底管が損傷を防止することができ、さらにそのための炉底管の補強に必要なコスト及び工数を削減することができる炉底管の補強構造として利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】石炭焚きボイラ火炉の斜視図である。
【図２】炉底壁を構成するパネルをボイラ火炉の内部方向から見た斜視図である。
【図３】炉底壁を構成するパネルをボイラ火炉の外部方向から見た斜視図である。
【図４】炉底壁を構成するパネルの一部断面図である。
【図５】ＦＥＭ解析条件の概略図である。
【図６】実施例１における炉底壁を形成するパネルの側面図及び上平面図である。
【図７】図６におけるＡ−Ａ断面図である。
【図８】実施例２における炉底管の一部斜視図である。
【図９】実施例２における炉底管の別の一部斜視図である。
【符号の説明】
【００４７】
２    ボイラ火炉
３    炉底壁
４    パネル
６    横方向フレーム
８    縦方向フレーム
１０    クリンカ
１２    補強ロッド
１４    スタッド
４０    炉底管
４２    フィン
【図１】
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【図２】
2010101542.tif 000006
【図３】
2010101542.tif 000007
【図４】
2010101542.tif 000008
【図５】
2010101542.tif 000009
【図６】
2010101542.tif 000010
【図７】
2010101542.tif 000011
【図８】
2010101542.tif 000012
【図９】
2010101542.tif 000013