(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
火格子上を移動する廃棄物を、該火格子下部に位置する一次空気導入口及び廃棄物上方炉壁に位置する二次空気導入口から空気を供給しながら燃焼させるストーカ式焼却炉の水冷壁構造において、
前記二次空気導入口より下側の一次燃焼室の上方及び二次空気導入口上方に位置する二次燃焼室に設けた第一の水管群と、
前記二次空気導入口より下側の一次燃焼室の下方で且つ前記火格子の直上に位置する炉壁の高熱負荷部位に蒸気を生成する第二の水管群とを設け、
該第二の水管群を前記高熱負荷部位に向けて火格子下流方向より延在させて配設するとともに高熱負荷部位に位置する前記第二の水管群で生成される蒸気圧を制御可能に構成し、
更に前記第一の水管群と第二の水管群との間に、二次空気導入口上方に延在する第三の水管群を延在させたことを特徴とするストーカ式焼却炉の水冷壁構造。
【請求項２】
火格子上を移動する廃棄物を、該火格子下部に位置する一次空気導入口及び廃棄物上方炉壁に位置する二次空気導入口から空気を供給しながら燃焼させるストーカ式焼却炉の水冷壁構造において、
前記二次空気導入口より下側の一次燃焼室の上方及び二次空気導入口上方に位置する二次燃焼室に設けた第一の水管群と、
前記二次空気導入口より下側の一次燃焼室の下方で且つ前記火格子の直上に位置する炉壁の高熱負荷部位に蒸気を生成する第二の水管群とを設け、
該第二の水管群の上部ヘッダを独立させて被熱吸収媒体の独立系循環径路を形成するとともに、前記第二の水管群が配設される炉内の熱負荷に応じて第二の水管群の蒸気圧力を所定値に保持されるように調整可能に構成し、
更に前記第一の水管群と第二の水管群との間に、二次空気導入口上方に延在する第三の水管群を延在させたことを特徴とするストーカ式焼却炉の水冷壁構造。
【請求項３】
請求項１若しくは２記載の第二の水管群からなる水冷壁が、廃棄物投入口側の炉壁下部に設けられることを特徴とするストーカ式焼却炉の水冷壁構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般廃棄物や産業廃棄物を火格子上で焼却処理するストーカ式焼却炉の炉内側壁に水管を配設して炉壁を冷却保護するストーカ式焼却炉の水冷壁構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般廃棄物及び産業廃棄物用焼却炉として最も多く用いられているストーカ式焼却炉は、一般に図５に示されるような構造を有している。
ストーカ式焼却炉１０は、ごみ３０を供給する投入ホッパ１４、供給されたごみ３０を炉内へ移送するフィーダ１３、一次空気導入口１２を具えた火格子１１、灰３１を排出する灰シュート１５、側壁に二次空気導入口１６を具えた二次燃焼室１７から構成され、前記火格子１１の上方空間である一次燃焼室１８は乾燥域１８Ａ、燃焼域１８Ｂ及び後燃焼域１８Ｃから形成されている。かかる焼却炉１０では、炉内に供給されたごみ３０は、火格子１１上の乾燥域１８Ａにて水分が蒸発して燃焼が始まり、燃焼域１８Ｂにて火炎中で盛んに燃え、後燃焼域１８Ｃでおき燃焼されるというように燃焼反応が進行する。
【０００３】
さらに、燃焼により生じた排ガス中の未燃分を低減するために、乾燥域１８Ａ、燃焼域１８Ｂ及び後燃焼域１８Ｃの上方空間である二次燃焼室１７にて、二次空気２５の導入により完全燃焼される。
このとき焼却炉内は、ダイオキシン類生成抑制のため炉出口温度が約８５０℃以上に設定されており非常に高温であるため、炉を保護する目的で炉内側壁に耐火タイル２７、耐火キャスタブル若しくは耐火レンガ２８等の耐火物構造体を覆設している。特に、従来のストーカ式焼却炉では火格子１１の中央部に位置する燃焼域１８Ｂ及びその上方の二次燃焼室１７の熱負荷が最も大きく、ここにボイラ水管２４や水冷ジャケット等の水冷壁を配設して炉壁を冷却することにより耐火物構造体の剥離、脱落等の問題を防いでいた。
【０００４】
しかしながら、従来は燃焼域１８Ｂ及びその上方の二次燃焼室１７が高熱負荷部位であったのに対し、近年、紙類、プラスチック等の高カロリーで含水率の低い廃棄物が多く排出されるようになり、廃棄物が短時間で高温燃焼する傾向にある。即ち、図５に示す形状のストーカ式焼却炉１０においてはフィーダ１３側に燃焼域が移動し、従来耐火レンガ２８で保護していたフィーダ１３側炉壁に高熱負荷がかかり、耐火レンガ２８が膨出するという問題が生じている。
【０００５】
図６（ａ）に示されるように、通常施工される耐火構造体は、耐火レンガを積載したブロックとブロックとの間に所定量の膨出代Ｗをとっているが、高熱負荷の影響による耐火レンガの膨張により膨出代Ｗが狭まり、最終的にブロックが炉内へ迫り出してしまう。本発明者らの測定によれば、従来の耐火レンガのみの構造では最も高熱負荷がかかる炉壁部位（図５のストーカ式焼却炉においてはフィーダ１３側）における膨出量Ｄ（図６（ｂ）参照）が数年で許容範囲を超える箇所が多く現れるとの結果が得られた。従って、炉壁のメンテナンスを頻繁に行わなければならずコストも嵩むこととなる。
【０００６】
そこで、特開平７−２２５０１６号では、図７に示されるように高温帯部に水冷壁を配設した側壁構造を提案している。かかる発明は、乾燥火格子６１、燃焼火格子６２及び後燃焼火格子６３を階段状に有する焼却炉の側壁６９のうち、前記乾燥火格子６１の燃焼火格子６２端部、燃焼火格子６２、後燃焼火格子６３の燃焼火格子６２側端部のそれぞれに対応する部分が高温部となり、この部分に水冷管６５が配設され、その燃焼室６０側にＳｉＣ耐火レンガ６４が隣接して配設されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
これにより、被焼却物温度が必要以上に上昇するのを防止し、炉壁へのクリンカの生成を抑制することはできるが、水管の構造については言及されておらず、投入される廃棄物の種類及び量によって熱負荷の変動が大きい高温帯部での蒸気圧力制御は非常に困難であり、ここで得られた熱エネルギを有効に利用することは難しい。
従って、本発明はかかる従来技術の問題に鑑み、高熱負荷部位の炉壁の耐久性を向上させるとともに、焼却により発生する熱エネルギを有効に利用することができるストーカ式焼却炉の水冷壁構造を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明はかかる課題を解決するために、請求項１記載の発明は、火格子上を移動する廃棄物を、該火格子下部に位置する一次空気導入口及び廃棄物上方炉壁に位置する二次空気導入口から空気を供給しながら燃焼させるストーカ式焼却炉の水冷壁構造において、
前記二次空気導入口より下側の一次燃焼室の上方及び二次空気導入口上方に位置する二次燃焼室に設けた第一の水管群と、
前記二次空気導入口より下側の一次燃焼室の下方で且つ前記火格子の直上に位置する炉壁の高熱負荷部位に蒸気を生成する第二の水管群とを設け、
該第二の水管群を前記高熱負荷部位に向けて火格子下流方向より延在させて配設するとともに高熱負荷部位に位置する前記第二の水管群で生成される蒸気圧を制御可能に構成し、
更に前記第一の水管群と第二の水管群との間に、二次空気導入口上方に延在する第三の水管群を延在させたことを特徴とする。
【０００９】
かかる発明によれば、高熱負荷部位にも水冷壁が設けられているため炉壁及び炉内の部分的な温度上昇を防止できクリンカの生成を抑制することができるとともに、該水冷壁の炉内側表面に被覆した耐火物構造体が膨出することを最小限に抑えることができるためメンテナンス頻度を低減し低コストでもって焼却炉を運転することができる。
また水管を前記高熱負荷部位に向けて火格子下流方向に延在させて配設しているため、炉壁の冷却効果を高めることができるとともに投入される廃棄物による熱負荷に応じた効率の良い熱回収が可能となる。
【００１０】
また、請求項２記載の発明は、火格子上を移動する廃棄物を、該火格子下部に位置する一次空気導入口及び廃棄物上方炉壁に位置する二次空気導入口から空気を供給しながら燃焼させるストーカ式焼却炉の水冷壁構造において、
前記二次空気導入口より下側の一次燃焼室の上方及び二次空気導入口上方に位置する二次燃焼室に設けた第一の水管群と、
前記二次空気導入口より下側の一次燃焼室の下方で且つ前記火格子の直上に位置する炉壁の高熱負荷部位に蒸気を生成する第二の水管群とを設け、
該第二の水管群の上部ヘッダを独立させて被熱吸収媒体の独立系循環径路を形成するとともに、前記第二の水管群が配設される炉内の熱負荷に応じて第二の水管群の蒸気圧力を所定値に保持されるように調整可能に構成し、
更に前記第一の水管群と第二の水管群との間に、二次空気導入口上方に延在する第三の水管群を延在させたことを特徴とする。
【００１１】
これにより、請求項１記載の発明と同様の効果を得ることができるとともに、高熱負荷部位に位置する水管を独立させた循環径路とすることにより、蒸気圧力その他の制御を容易に行うことができ、また劣化、損傷の激しい高熱負荷部位に対して保守管理がし易くなる。
このとき、例えば投入する廃棄物の種類、量を検出するセンサ、若しくは炉内温度を測定するセンサ等を設け、該センサにより検出された廃棄物発熱量や温度に基づき熱負荷を算出し、水循環量を制御するコントローラを設けてもよい。
【００１３】
さらにまた、請求項３記載の発明は、請求項１若しくは２記載の第二の水管群からなる水冷壁が、廃棄物投入口側の炉壁下部に設けられることを特徴とする。
上記したように近年廃棄物が高カロリー化、低含水率化していることにより、廃棄物の投入直後に燃焼が始まることが多いため、廃棄物投入口であるフィーダ側の炉壁に対する熱負荷が非常に高い。従って、かかる発明のようにフィーダ側の炉壁を水冷化することで最も高熱負荷がかかる炉壁を保護することができ、炉壁全体の耐久性を向上させることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
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。
図１は本発明の基本形態にかかる水冷壁構造の概略構成を示す側断面図、図２及び図３は図１の水冷壁におけるボイラ水管構造を示す概略構成図で、本発明の実施例に対応する。図４は図１の水冷壁に耐火キャスタブルを施工したとき（ａ）、耐火タイルを施工したとき（ｂ）のＡ−Ａ断面図である。
【００１６】
図１において、１０はストーカ式焼却炉で、ごみ３０を炉内へ供給する投入ホッパ１４及びフィーダ１３と、一次空気２０の導入によりごみ３０を燃焼させる火格子１１と、灰３１を排出する灰シュート１５と、火格子１１の上方に位置する一次燃焼室１８と、該一次燃焼室１８の上方に二次空気２５の導入により排ガス中の未燃分を完全燃焼する二次燃焼室１７とから構成される。
前記一次燃焼室１８は、フィーダ１３側に乾燥、燃焼域が位置しており、前記火格子１１によりごみの移動速度を調整して火炎が最適位置にくるように燃焼制御を行っている。
【００１７】
前記火格子１１には一次空気導入口１２が設けられ、ここから酸素付加された一次空気２０が炉内へ供給される。また、前記二次燃焼室１７の下方には二次空気導入口１６が設けられ、廃棄物の種類、量に応じて未燃分が完全燃焼するように二次空気２５の供給量を調整している。
前記フィーダ１３及び灰シュート１５はＳｉＣ耐火レンガ２８で被覆されている。一方、前記一次燃焼室１８及び二次燃焼室１７には水管２６、２４が配設されており、その炉内側表面には耐火タイル２７が覆設されている。
【００１８】
前記水管２４は、一次燃焼室１８の上方及び二次燃焼室１７に配設される水管で、上部ヘッダ２９（図２及び図３参照）及び下部ヘッダ２２、２３に連結している。該水管２４により形成される水冷壁は前記二次燃焼室１７では縦方向に並設され、一次燃焼室１８上方では火格子１１下流側に向けて延設されている。
一方、前記水管２６は、一次燃焼室１８の下方でかつ前記火格子１１の直上に配設されて水冷壁を形成し、前記一次燃焼室１８上方に配設される水冷壁と同様の構造を有しているが、これとは別に上部ヘッダ２１に連結されて独立した比熱吸収媒体（水）の循環径路を構成している。
【００１９】
図２及び図３に、本基本形態におけるボイラ水管構造の実施例を示す。但し、本発明においては少なくとも炉壁に高熱負荷がかかる部位に水管を配設し、かつ該高熱負荷部位に向けて火格子下流方向に向けて延在させるか若しくは被熱吸収媒体の独立系循環径路が形成されるような構成であれば良く、これらの実施例に限るものではない。
前記ストーカ式焼却炉１０に配設される水管構造は、３つの水管群２４ａ、２４ｂ、２６から構成され、それぞれ独立した比熱吸収媒体の循環径路Ａ、Ｂ及びＣを有している。
【００２０】
循環径路Ａは、前記焼却炉１０上部に設けられた上部ヘッダ２９と前記二次燃焼室１７下部に設けられた下部ヘッダ２３と気水ドラム３３とからなり、前記二次燃焼室１７に配設された水管群２４ａを伝熱面としている。また、循環径路Ｂは、前記上部ヘッダ２９と下部ヘッダ２２と気水ドラム３３とから構成され、前記循環径路Ａに隣接して二次燃焼室１７に配設され一次燃焼室１８まで延設する水管群２４ｂを伝熱面としている。
【００２１】
循環径路Ｃは、図２に示されるようにフィーダ上部に設けられた上部ヘッダ２１と前記下部ヘッダ２２と気水ドラム３３、または図３に示されるように前記上部ヘッダ２１と下部ヘッダ２２と独立して設置される気水ドラム３４とから構成され、該フィーダ側壁部から火格子１１に沿って一次燃焼室１８に延設する水管群２６を伝熱面としている。
これらの循環径路を介して自然対流により夫々の気水ドラムに運ばれた熱エネルギは、熱機関等に送給されて発電、その他の駆動に有効利用される。
また、図３に示されるように前記循環径路Ｃでは、水管群２６が配設される炉内に温度センサ５２を設け、該温度センサ５２にて検出される温度から算出される熱負荷に応じてコントローラ５０によりバルブ５１の開度を制御し、前記水管群２６の蒸気圧力を所定値に保持されるように調整することが好ましい。
【００２２】
尚、炉内の熱負荷を導き出す方法としては、投入ごみの量、種類等を検出するセンサを設けてこれより算出する方法、予めコントローラ５０に投入ごみデータを入力して算出する方法等を用いることができ、さらに火格子の運転制御によりごみの火格子上での移動速度を調整したり、前記一次空気若しくは二次空気の酸素付加比率や供給量を調整するなどして燃焼制御することも同時に行うとよい。
かかる実施例のように、高熱負荷部位に位置する水管を独立させた循環径路とすることにより、蒸気圧力その他の制御が容易となり、また劣化、損傷の激しい高熱負荷部位に対して保守管理がし易くなる。
【００２３】
また、前記水管２４には、その炉内側表面に耐火物を被覆する構造とすることが好ましい。図４は、図１の水冷壁に耐火キャスタブルを施工したとき（ａ）、耐火タイルを施工したとき（ｂ）のＡ−Ａ断面図を示し、４０は水管、４１は前記水管４０同士を水平方向あるいは垂直方向に連結して補強するための平面状フィンである。
【００２４】
４５は主としてＳｉＣからなる耐火キャスタブルで、４６は同様にＳｉＣからなる耐火タイルである。前記耐火キャスタブル４５は、例えば前記水管外周面にキャスタブルを吹付けて硬化させる方法や、水管４０に対向させて設けられた型枠にキャスタブルを鋳込み充填させて硬化させた後に脱型して施工する方法により形成されるのに対し、前記耐火タイル４６は、ＳｉＣを主成分とする材料を型材に入れて加圧、焼結等の加工成形を施して製造し、該成形された耐火タイル４６をモルタルなどの接着材により壁面に施工している。
尚、前記耐火タイル４６、耐火キャスタブル４５の材料としては、ＳｉＣのほかにＳＫ、Ｓｉ３Ｎ４等熱伝導性が高く耐久性、耐食性の高い材料であれば特に限定されない。
【００２５】
図４（ａ）に示される耐火物は、水管４０外周の耐火キャスタブル４５を施工する側に、スタッド４３を複数本植設し、該スタッド４３が約４５°間隔で２本突設された水管４０と３本突設された水管４０とが交互に配列するように構成されている。このような配置とすることにより、耐火キャスタブル４５が脱落し難い構成となっている。前記スタッド４３は、水管４０との熱膨張差による破損を防ぐために、該水管４０と同様の材料で形成することが好ましい。尚、前記スタッド４３にスリーブ４２を嵌合させる構成としても良い。
【００２６】
また、図４（ｂ）に示される耐火物は、前記フィン４１にステンレス製のタイル係止フック４４を溶接している。そして、凹部を設けた耐火タイル４６と該フック４４とを嵌合させて該タイル４６を係止している。前記耐火タイル４６と前記水管４０、フィン４１及びフック４４との間にはモルタル（不図示）を挟着することによってこれらを接合している。
そして、前記水冷壁が平面状の部位には前記耐火タイルを施工し、前記水冷壁が複雑な形状を有する部位には不定形で施工し易い前記耐火キャスタブルを施工するとよい。
【００２７】
【発明の効果】
以上記載のごとく本発明によれば、高熱負荷部位にも水冷壁が設けられているため炉壁表面の極度な温度上昇を防止できるため、クリンカの生成を抑制することができるとともに、該水冷壁の炉内側表面に被覆した耐火物構造体が膨出することを最小限に抑えることができメンテナンス頻度を低減し低コストでもって焼却炉を運転することができる。また水管を前記高熱負荷部位に向けて火格子下流方向に延在させて配設しているため、炉壁の冷却効果を高めることができるとともに効率の良い廃熱回収が可能となる。
また、高熱負荷部位に位置する水管を独立させた循環径路とすることにより、容易に蒸気圧力その他の制御ができ、また劣化、損傷の激しい高熱負荷部位に対して保守管理がし易くなり、確実な水循環が可能となる。
さらに、前記水冷壁の燃焼室側に、耐火レンガ若しくは耐火キャスタブルを覆設することにより、水管の腐食や膨出によるクラックが生じることを防止でき、耐久性の高い水冷壁を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の基本形態にかかる水冷壁構造の概略構成を示す側断面図である。
【図２】  図１の水冷壁におけるボイラ水管構造を示す概略構成図で、本発明の実施例に対応する。
【図３】  図２の別の実施例を示すボイラ水管構造の概略構成図で、本発明の実施例に対応する。
【図４】  図１の水冷壁に耐火キャスタブルを施工したとき（ａ）、耐火タイルを施工したとき（ｂ）のＡ−Ａ断面図である。
【図５】  従来の水冷壁構造の概略構成を示す側断面図である。
【図６】  従来の耐火構造体の膨張代を示す概略図である。
【図７】  従来の焼却炉の全体概略側面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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