(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ゴミ焼却炉の側壁を形成する耐火煉瓦表面上へ被覆するクリンカー付着防止ライナーにおいて、成分がＣ：０．０５〜０．４重量％、Ｓｉ：０．１〜２．０重量％、Ｍｎ：１．０〜２．２重量％、Ｃｒ：１６．０〜２４．０重量％、Ｎｉ：２２．０〜３４．０重量％、Ｎｂ：０．４〜３．２重量％、かつＮｉ＋Ｃｒ＋Ｍｎ≧４０．０重量％，残りＦｅよりなり、ほぼ１３００℃以上の超高温域においてもクリンカーが付着せず、かつ酸化減耗が少ない耐熱鋳鋼で形成したことを特徴とするゴミ焼却炉のクリンカー付着防止ライナー。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はゴミ焼却炉の稼働条件とメンテナンスの負担を改善する炉内側壁クリンカー付着防止ライナーに係る。
【０００２】
【従来の技術】
近年の経済的な発展と市民の生活条件の向上とが相俟って、排出される都市ゴミの総量は年々増加する一方であり、この総量を減少するように市民が協力すること、分別と回収によってリサイクルすることが真剣に実行に移されつつある。なお、極力減量したゴミの中から可燃性ゴミは、焼却して総容量を大幅に減少することが主要な対策として採用され、全国の市町村に多数のゴミ焼却炉が設置され稼働している。したがってゴミ焼却炉の効率的な運転とその延命が、激増するゴミを処理するうえでの重要な要諦となっている。
【０００３】
図２は現在、稼働している典型的なゴミ焼却炉Ｆの断面斜視図である。各家庭や工場などの排出源から集荷され搬送されてきたゴミは、ゴミ焼却炉の装入ホッパーＨから炉内へ定量的に切り出されて装入される。この図の例では火床（グレート）は三段に分れ、最初の火床Ｇ１が乾燥火床であり、ここで昇温し乾燥されたゴミは火床の傾斜面に添って順次滑動して次の燃焼火床Ｇ２に至り、この傾斜面上を滑動しながら火床下側からの空気の導入により燃焼する。主たる燃焼作用を終えたゴミは灰化して最終の火床Ｇ３の傾斜面へ移り完全燃焼し、そのまま灰分排出シュートＡから炉外へ排出される。
【０００４】
ゴミ焼却炉の構成としては前記のように三段の傾斜面が端部で重なって被燃焼物を順次移動する火床を主体とし、この燃焼空間を密封状態に取り囲む炉壁Ｗ、天井などの構造物と給気や冷却水用の配管設備などから形成されている。炉の側壁は耐火煉瓦を主体とし、所定の形状に積み上げて炉体を形成する。天井部においても耐火材にて構成されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ゴミ焼却炉が効率的に稼働し予定通りの燃焼作用を持続しゴミを灰化するためには、炉内各所のそれぞれの部材が設定通りの機能を常に果たさなければならないが、稼働は常にきわめて高温に曝されるという絶対的な条件下にあるから、この苛酷な条件に伴う種々なトラブルの発生も頻発する。そのトラブルの一つとして、ゴミの燃焼に際して発生が避けられないクリンカーが炉内側壁に付着するという問題が挙げられる。クリンカーとは物質が燃焼したときに火熱によって生じる灰分、またはそれが溶融した後固化して層状となる不定形の残留物を指し、ゴミ焼却炉内で生じるクリンカーは激しい燃焼作用を受けてゴミから発生して炉内に大量に浮遊している間に、炉壁などに接すると耐火煉瓦の表面に付着する。
【０００６】
クリンカーが炉壁に付着すると、この表面にはさらに次のクリンカーが付着し易くなるので、この付着層は次第に肥厚し始めて、火床の傾斜面の上へ張り出し火床の上を滑動するゴミの流れがクリンカーの付着層に衝き当って移動できなくなり、その結果、さらにゴミの流れの妨害が昂進されるから、火床の有効面積が著しく減少し、ゴミの流れが滞留して遂には正常な燃焼作用が続けられなくなるという事態に陥る。
【０００７】
予定通りのゴミの燃焼が進行しなければゴミ処理が停止し、たちまち都市のゴミ処理計画が頓挫する懸念が現実のものとなる。そのため、炉内側壁に肥大化したクリンカーの付着層が現われるとゴミ焼却炉の運転を停止し、付着層を除外する作業を余儀なく強いられ、通常の運転ではかなり頻繁にこの作業を欠かさず必要とするのが実態である。出願人は先にこの課題を解決するために炉壁を構成する耐火煉瓦の表面に被覆してクリンカーの付着を防止する金属製のクリンカー付着防止ライナーを提案し、実際の操業中のゴミ焼却炉に適応した実績がある（特開平９−１９６３４４号）。
【０００８】
この従来技術は成分的な特徴としてＣ：０．１〜０．４重量％、Ｍｎ：１．０〜１０．０重量％、Ｃｒ：２２．０〜２７．０重量％、Ｎｉ：３．０〜６．０重量％、残りＦｅからなり、かつＭｎ＋Ｎｉが６．０重量％以上である耐熱鋳鋼材からなり、ＮｉやＭｎが高温において塩基性腐食層であるＮｉＯ、ＭｎＯを形成する作用が顕著である。一般に合成樹脂、紙類、木質などの可燃性ゴミを燃焼した結果生じるクリンカーが塩基性であるから、前記の塩基性腐食物が生成したライナー表面とクリンカーとの化学的結合反応が進行し難く、その結果、従来は毎週、作業員が付着したクリンカーの剥離撤去作業を行なわざるを得なかった状態を改善し、６ヵ月放置して焼却を続けても操業に支障は起こらないという効果を謳っている。
【０００９】
しかしながらこの従来技術においてもなお必ずしも事態を完全に解決したとはいえない要因が浮上してきた。それは近来のゴミ焼却においてとくに注目を集めている環境問題に起因する。ゴミ焼却炉で処理されるゴミのうち、合成樹脂類に分別される多くの素材は包袋類、容器類、家庭用の電化製品、建材など多岐に亘り、その製品自体は無害であることが保証されても、燃焼の条件によっては有害物質を発生する危険性が一部に指摘されている。たとえば塩素化合物を含むプラスチック材の燃焼排ガスを比較的低温で冷却排出すれば、発癌物質とされるダイオキシンを大量に周辺に散逸させ、土壌を汚染し環境を破壊する大きな社会問題となっている。
【００１０】
このような有害物質の発生は、焼却時の条件を改善すれば大幅に抑制されることが周知の事実であり、最近では従来のゴミ焼却炉の改造、または更新によって高温燃焼に仕様を切り替え、環境の劣化を阻止する方針が大勢を占めている。
【００１１】
このゴミ焼却炉の使用条件としては燃焼温度の高温化が最大の傾向であるから、逆に炉材のメンテナンスとしては苛酷な条件を強いることとなり、炉体を形成する主要材である耐火物に対しては言うまでもないが、より直接的には従来技術で高い評価を受けたクリンカー付着防止ライナーについてもより厳しい課題に直面することとなった。すなわち従来技術では最高でもほぼ１０００℃の燃焼条件を想定し、この状態下にあって背後の耐火煉瓦とクリンカーとの接触を断って付着を防止すれば目的に叶うとされたが、操業条件の変更で最高１３００℃にも及ぶ燃焼温度に対しても、同様にクリンカー付着防止機能を持続するためには、ライナー自身が高熱に曝されても原形を維持して事後の耐火煉瓦が露出しないだけの高温耐酸化性を同時に兼ね具えなければならない。従来技術では必ずしもこの要件を重視したわけではないから、ライナー自身の高温酸化によって減耗し、結果的に耐火煉瓦を露呈してクリンカーの堆積を許す虞れがないでもない。
【００１２】
本発明は以上の課題を解決するために炉内の燃焼温度が最高１３００℃に及ぶ高温側へ移行しても、なお変ることなくクリンカー付着防止機能を失わないクリンカー付着防止ライナーの提供を目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るクリンカー付着防止ライナーは、成分がＣ：０．０５〜０．４重量％、Ｓｉ：０．１〜２．０重量％、Ｍｎ：１．０〜２．２重量％、Ｃｒ：１６．０〜２４．０重量％、Ｎｉ：２２．０〜３４．０重量％、Ｎｂ：０．４〜３．２重量％、かつＮｉ＋Ｃｒ＋Ｍｎ≧４０．０重量％，残りＦｅよりなり、現在考えられる最高温度として１３００の超高温域においてもクリンカーが付着せず、かつ酸化減耗が少ない耐熱鋳鋼で形成したことを特徴とする。
【００１４】
この成分構成のうち、ＮｉやＭｎが高温において塩基性腐食層であるＮｉＯ，ＭｎＯを形成する作用が顕著である。一方、家庭から排出されるゴミと業務上発生する廃棄物は、何れも集荷後に適当なサイズとなるように予備破砕を加え、さらに土砂や金属などの不燃物は比重差や磁選によって可燃物と分離されるから、ゴミ焼却炉へ装入されるゴミは、大半が包袋類、容器類、家庭電化品、建材類などを破砕した合成樹脂類と、紙類、木質類に集約される。そのためにゴミの燃焼の結果生じる残留物であるクリンカーは、一般的に主体が塩基性で占めることが特徴である。したがって前記の塩基性腐食物が形成されたクリンカー付着防止ライナーの表面とは、相互に化学的な結合反応を誘発しない関係が成立する。一般にＭｎは単独でも酸化スケールが生じたときに剥離しやすい性質を具えているのでこの点からも付着防止作用が相乗的に働く特徴がある。
【００１５】
本発明の目的を達成するためには単にクリンカー付着防止機能と共に、従来より顕著に高温側へ移行しつつある苛酷な燃焼条件の変化に対応できる機能を併せ求められるが、これに関しては言うまでもなくＮｉの存在が有効である。一般にＭｎは酸化物の「剥がれ」を起こしやすくするので（だからこそクリンカー付着の防止に有効であるが）高温における耐酸化性を劣化させるとされており、高温度（たとえば８５０℃以上）で使用されるＦｅ−Ｎｉ−Ｃｒ系の耐熱鋼の場合にはＭｎ量を制限する例も認められるほどである。したがってＭｎ量は従来技術で示したようにクリンカー付着防止機能に対しては多い方が望ましいが、耐熱性の観点からは厳しく制約せざるを得ず、耐熱性を維持する点では使用温度とそれに適合したＣｒ＋Ｎｉ量の適正な組み合わせが必要となる。図３（Ａ）は種々のＣｒ％（横軸）に対するＮｉ：１２％配合の試験片を種々の高温度においてそれぞれ１００時間加熱したときの酸化速度（縦軸）を目盛った図表（日本工業新聞社刊ステンレス鋼便覧Ｐ．３２０）であり、Ｎｉ：１２％配合においてはＣｒ：２２％前後で１０９３℃の高温連続加熱に十分対抗できることを報告している。
【００１６】
適用される燃焼条件が高くなるほど図３のように低Ｃｒ−高Ｎｉ側へ移行し、なおかつＮｉ＋Ｃｒの総量を高めることによってクリンカー付着機能と耐酸化性を両立させるバランスを求めたことを成分上の特徴とする。
【００１７】
図３（Ｂ）はＮｉ：３６％配合時のＣｒ成分の変動と酸化速度の相関を示した図表であるが、図（Ａ）に比べると各温度共低Ｃｒ側へカーブ全体が移行し、１２００℃における耐酸化性で対応するＣｒ％が２０％以下でも十分雰囲気に対抗できることを示し、Ｃｒ２Ｏ３による酸化皮膜の保護の温度的限界と、これを補うべきＮｉ増強による耐酸化性の昂進を報告している。
【００１８】
以上の観点に加え本発明ではさらにＮｂを少量添加して超高温に使用されるクリンカー付着防止ライナーに適用する。使用中の温度が１０００℃を超える高温になれば、一旦析出したＣｒ炭化物などはすべてオーステナイト相内へ固溶すると考えられるが、炉の操業停止と再開を繰り返す現在の主な作業方法では徐冷期間が避けられず、この場合製品が鋳造法で作られるから、湯流れなどの鋳造性を確保するためには低Ｃにも一定の限界があり、一旦、粒界へ部分的、集中的に析出したＣｒ炭化物のために基地中のＣｒ濃度が著しく低下する部分が生じ、長い使用中に粒界腐食となって現われやすい。そのために含有ＣをＮｂで固定する技法も周知であって、Ｎｂ％としてはＣ％の８倍〜１０倍必要であるという報告があり、本発明では超高温における炭化物の偏析を防止するためにＮｂを配合することを要件とする。
【００１９】
以上の知見に基づいて個別の成分を最も経済的に組合わせるために塩基性腐食物を高温で生じるＮｉおよびＭｎ成分を適宜組合わせ、各成分単独の、または両者の相乗作用を検索した。組み合わせの基本思想としては、前記の各成分についての予備知識と、すでに実地に供した公知技術（特開平９−１９６３４４号）のクリンカー付着防止ライナーをベースとし、さらにこの機能を持続しつつ耐熱性の向上を求めて最高の燃焼温度が１１００℃、１２００℃、１３００℃という温度毎に対応可能な限界的成分を３グループ選抜して試験に供し、従来技術との格差を比較した。
【００２０】
【実施例】
各試料の化学成分と炉内におけるクリンカーの付着テストの結果を纏めたのが表１である。ここで付着テストの方法は、それぞれの成分で製作した幅約８０ｍｍ，長さ約１００ｍｍ，厚さ約２０ｍｍの試料をそれぞれ３個ずつ作成し、表面上へ粉末状に粉砕したクリンカーを約１０ｍｍ堆積して１１００℃で１００時間保持し、その表面に付着したクリンカー付着量を表面積当りで表１で示した。また１１００℃、１２００℃、１３００℃の各温度において１００時間曝熱した後の酸化減量速度（ｍｇ／ｃｍ２／ｈｒ）を表２に示した。
【００２１】
【表１】
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【表２】
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【００２２】
テストの結果を分析し、一応、このテストにおける表面への付着量が、５ｍｇ／ｃｍ２まで、及び酸化減量速度がそれぞれの温度において７ｍｇ／ｃｍ２／ｈｒまでを許容され得る限度と査定して各試料の良否を分別した。その前提に立って各Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｎ成分単独の、または両者を複合した有効性を判断した。また、他成分との関係も重要であるから、付着量との関連において精査したところ、結局、次の表３に示した通り各温度毎に適用できる３グループの成分を個別に限定することが最も実体に合致し、かつ、経済的に過剰品質を排除した合理的成分を構成するという明確な結論に到達した。
【００２３】
【表３】
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【００２４】
Ｃは一部が母材に固溶して母材を強化すると共に、炭化物を形成し高温強度を高めるために有効な元素である。高温強度を維持するためには少なくとも０．０５重量％以上とすることが必要であり、含有量の多い方が鋳造性（湯流れ）も改善されて好ましいが、一方、高くなるにつれて前記の粒界腐食を起こしやすくなる原因となるので限度があり、また、延性低下を招くので、上限を０．４重量％とする。本願発明の最高温度が１３００℃以上の超高温用に対しては、Ｃを固定して炭化物偏析に伴う粒界腐食を防止するためにＮｂを添加することが要件となる。
【００２５】
Ｓｉは合金溶解時の脱酸元素であり、また、鋳造工程における溶湯の流動性を高める効果がある。また、高温における耐酸化性も向上させる。これらの効果は含有量に比例して向上するが、余り多く添加すると延性の低下を招くので２．０重量％を上限とする。しかし、Ｓｉが極端に少ないと鋳造の湯流れに悪影響をもたらすので０．１重量％以上とする。
【００２６】
Ｃｒは高温強度と耐酸化性を高める上で必須の成分である。この耐酸化性は酸化皮膜（不働態）を形成する緻密なＣｒ２Ｏ３によって内部への酸化の進行を阻止することは云うまでもないが、１１００℃においてほぼ同一範囲の比較例１では酸化減量が設定基準値をクリアできず、結局この温度まで上昇すればＣｒ２Ｏ３自体が酸化（ＣｒＯ３）されて蒸発する傾向にあり、この傾向を阻止するためには他の成分との共働きが不可欠となる。それがＡｌ添加であり、かつ増量したＮｉであり、グループ１を限定する根拠である。
【００２７】
温度が１２００℃、１３００℃とさらに苛酷になるほど、この傾向は顕著となるから、１２００℃に対してはグループ２のようにＣｒ：１８〜２６重量％と低範囲側へ移す代りにＮｉ配合を増量し、さらに本願実施例の１３００℃に対してはグループ３のようにＣｒ：１６〜２４重量％まで低下させＮｉを増量して耐酸化性の増強を図る。これらの関係は図３（Ａ）（Ｂ）の知見に基づいて耐酸化性に必要なＣｒ限界値を設定した。
【００２８】
Ｎｉは高温において塩基性の腐食層を形成し高温強度を高めるのに最も有効な成分であり、本発明の課題を解決する主役でもある。含有量が増加すると共にその作用も増加するが、グループ１の１１００℃に対しては４〜１２重量％で対応した。これは比較例１と重なる範囲もあるが、クリンカー付着防止機能の上からは、この低いレベルの範囲内でもＭｎとの共働きがある限り対応できるが、耐酸化性の上からは、比較例のような低いレベル側では減耗が著しく、実施上支障を来す原因となりうるので、参考例１ではとくにＡｌの添加によって比較的低いＮｉでも高温における耐酸化性を補完させた。ＮｉはＭｎとの共働きによるクリンカー防止機能を具える一方、耐酸化性に関してはＮｉ＋Ｃｒの関係によって各温度毎の最適配合を決定することが最も妥当であり、過剰品質によるコストアップを防止する上で重要な要件でもある。
【００２９】
Ｍｎは高温においては塩基性の腐食物（ＭｎＯ）を形成して塩基性クリンカーの付着を退ける作用が顕著である。脱酸作用があり、さらにＳを固定し無害化する作用もある。これらの作用は含有量の増加と共に増加するが、最低１．０重量％なければＮｉの共存があっても必要な付着防止機能までは届かない。しかし過大に含むと前記のように耐酸化性の低下を誘発し、とくに高温側では酸化減量が著しく増加する上、逆にクリンカー反応して腐食物が生成し金属表面に付着するので、２．２重量％を上限に定めてこの傾向を打ち消すことが必要である。しかし、何れにしても  ＭｎとＮｉはそれぞれ単独で塩基性の腐食物を形成するから塩基性クリンカーの付着を防止する作用が発揮されるが、両者が共存することによってさらに相乗的な作用が昂進し単独作用よりも強化した作用が現われる利点は十分活用すべきである。この原理を背景にできるだけ高価なＮｉ成分の添加を抑制して安価なＭｎ成分で代行する発想は、クリンカー付着防止ライナーの総量が大きな数値に上ることからも望ましい。両者の相乗作用を促進させるためには、前記の表１の観察からも単独でＮｉが４重量％以上、Ｍｎが１重量％以上あれば、使用温度の高低に拘らずクリンカー付着防止という主な課題の一つを解決に必要な相乗作用が共通して得られる。
【００３０】
現実のゴミ焼却炉の炉内側壁は、従来、クリンカー付着対策としてシリカ系の耐火煉瓦で形成しているが、今回は図１に示すクリンカー付着防止ライナーを製作して従来技術の煉瓦類と共用して同一の使用条件での比較確認テストを兼ねて６ヵ月連続運転した。図のクリンカー付着防止ライナーは参考例１（１１００℃対応）の指定するグループ１の成分構成よりなるライナー本体１１、炉外殻のケーシング２へ取り付けるためのシャフト１２、該シャフト１２の外周を取り囲む保護管１３よりなり、ライナー本体１１のサイズの例としては、幅２５０ｍｍ、長さ３５０ｍｍ、肉厚２０ｍｍを採用した。この他、サイズとしては肉厚２０ｍｍに対して５００ｍｍ×３５０ｍｍ程度の大型のライナー本体の適用もより有効な場合がある。施工の手順は、炉壁を築造するときに炉外殻を形成するケーシング２の所定の位置へ取付け孔を穿孔し、この取付け孔の中心を軸心とする耐熱鋼製の保護管１３を横向きに溶接固定する。保護管１３の内部へライナー本体１１の後面から突出するＳＵＳ３１０Ｓ製のシャフト１２を挿通してその先端を取付け孔からケーシング２外へ突出させ、先端に螺刻した雄ねじ１４をケーシング２外からナット３によって締結固定する。ライナー本体１１とケーシング２間の中空部を不定形の耐火物（図示せず）によって充填して保護管１３を埋め込んだ状態で突き固めた後、乾燥して炉壁を形成すればよい。なお、煉瓦の場合はそのまま並べて耐火材で目地を塞いで壁面を形成することは周知の通りである。
【００３１】
６ヵ月の使用中（約１１００℃の燃焼温度）、耐火煉瓦の表面には従来通り大量のクリンカーが直ちに付着するため、毎週、炉の停止後、作業員がまだ高熱の残る炉内へ入って困難なクリンカーの剥離作業を余儀なくされたが、参考例の部分に限り対照的にクリンカーの付着は殆ど認められず、腐食、摩耗による肉厚の減少も１１００℃の操業条件においては僅か１ｍｍ以下に留まり、６ヵ月間放置しても何ら支障なく、さらに長期の運転にも十分耐えられることを示唆した。
【００３２】
【発明の効果】
本発明に係るクリンカー付着防止ライナーは以上に述べた作用を具えているから、仮にゴミ焼却炉の炉壁面をすべて現在の耐火煉瓦から置換すれば、少なくとも半年以上は炉の停止時に作業員が炉内へ潜入して表面に付着したクリンカーを剥離除去する作業が不要となり、作業員に与える深刻な不衛生の難行から開放する効果が得られる。このことはゴミ焼却炉の省人化を誘発する大きな原動力ともなるから、各自治体の負担を軽減し行政改革の一翼を担うなどの副次的な効果にも繋がることが期待できる。
【００３３】
さらに近年のダイオキシン発生防止などの観点からゴミ焼却炉の燃焼条件が一層厳しく課せられる社会趨勢にあって、従来の標準を超えて最高１３００℃に至る各レベルの条件に最も適合したクリンカー付着防止ライナーを装着することによって、経済性にも十分配慮した品質管理を提供することができる効果があり、個別の炉毎に、また、１基の炉内でも曝熱条件の異なる部位毎に最適のクリンカー付着防止ライナーを適宜選択する指針を明確に示した温度別の基準はきわめて実際的であり、無形の貢献は計り難い。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明実施例を示す全体の斜視図（Ａ）と要部の側面図（Ｂ）、同正面図（Ｃ）である。
【図２】  本発明のクリンカー付着防止ライナーを適用したゴミ焼却炉の一例を示す縦断斜視図である。
【図３】  １２％Ｎｉ（Ａ）および３６％Ｎｉ（Ｂ）における酸化速度とＣｒ％の関係図である。
【符号の説明】
１  クリンカー付着防止ライナー
２  ケーシング
３  ナット
１１  ライナー本体
１２  シャフト
１３  保護管
１４  雄ねじ
Ｆ  ゴミ焼却炉
Ｈ  装入ホッパー
Ｗ  炉壁
Ｇ  火床
Ａ  灰排出シュート
Ｂ  燃焼バーナ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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