JP2009204264A - ボイラ下部ホッパの耐火構造、及び該耐火構造を備えたボイラ - Google Patents

Abstract

【課題】ボイラ下部ホッパに施工された耐火構造であって、飛灰中のアルカリ成分と反応してアルカリ膨張により座屈、破損することを防止でき、耐久性を向上させることを可能としたボイラ下部ホッパの耐火構造、及び該耐火構造を備えたボイラを提供する。
【解決手段】焼却炉に併設されたボイラの耐火構造において、前記耐火構造は、ボイラの下部に設けられたホッパ２３に、ＳｉＯ_２・Ａｌ_２Ｏ_３系不定形耐火物２３２を施工して構成され、前記ＳｉＯ_２・Ａｌ_２Ｏ_３系不定形耐火物は、６００〜８００℃の温度域下にてアルカリ膨張が小さい耐火物原料が用いられ、好適には、前記ＳｉＯ_２・Ａｌ_２Ｏ_３系不定形耐火物２３２は、Ａｌ_２Ｏ_３とＳｉＯ_２の総重量（Ａｌ_２Ｏ_３＋ＳｉＯ_２）に対してＡｌ_２Ｏ_３の比率が３０〜４０重量％の原料が用いられる。
【選択図】図２

Description

本発明は、焼却炉の排ガスから熱回収するボイラの下部に設けられたボイラ下部ホッパの耐火構造、及び該耐火構造を備えたボイラに関し、特に、ボイラ下部ホッパに施工された不定形耐火物からなる耐火構造にて、排ガス中の飛灰に含有されるアルカリ成分により耐火物が膨張して破損することを防止できるボイラ下部ホッパの耐火構造、及び該耐火構造を備えたボイラに関する。

従来、焼却炉や溶融炉、ボイラ等の熱処理設備においては、ケーシングを保護するために耐火構造を採用していた。耐火構造は、使用温度、腐食性ガス等の環境条件によってその構造が決定される。温度条件が厳しい部位では、耐火レンガを採用することが多い。耐火レンガは一般にＳｉＣ等の緻密焼結体を用いることが多く、この緻密焼結体は高強度であり耐火性能が高い。例えば特許文献１（特開昭６２−２８３８６９号公報）には、ＳｉＣ、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３を主成分とする燃焼炉用耐火レンガが開示されている。
しかしながら、原料であるＳｉＣ粉末は難焼結性であり、緻密焼結体を作製するには高圧、熱間でプレスをしたり、高温で焼結する等の工程が必要となるため、施工する現場で製造することはできない。

一方、温度条件が比較的緩い部位、或いは施工面の形状が複雑で耐火レンガの施工が困難な部位等には、不定形の耐火キャスタブルを施工することが多い。耐火キャスタブルは、粉末を水で混練してスラリーを作り、これを現場に組んだ型枠に流し込み、乾燥し固めて施工する方法、或いは吹き付けにより施工する方法などがあるが、何れも現場で施工でき、複雑な形状にも容易に対応できることから多く用いられている。
例えば、特許文献２（特開平１０−３２４５６１号公報）には、灰溶融炉の耐火物において、炭化けい素５〜９０重量％、アルミナ５〜９０重量％からなる材質のプレキャストブロックを用いた構成が開示されている。また、特許文献３（特開平１１−７９８７１号公報）には、アルミナ質又はアルミナ−シリカ質のキャスタブル耐火物よりなる焼却炉の内張り構造が開示されている。
このように耐火構造は、その適用部位や使用環境により耐火物材料、形態が適宜選択される。

一般廃棄物や産業廃棄物等を焼却処理する焼却炉は、高温の排ガスから熱回収を行うためにボイラを併設している。ボイラは、焼却炉から排出される高温の排ガスが通流するため、内面が耐火構造となっている。焼却炉からの排ガスは飛灰を含むため、この飛灰を回収するためボイラ下部にはホッパが設けられている。排ガスは９５０〜８００℃程度で焼却炉から排出された後水管で冷却され、ホッパを通過する排ガスは８００℃以下となり温度条件は炉内よりも厳しくなく、またその形状の制約上、ホッパには不定形の耐火キャスタブルが施工されることが多い。しかし耐火キャスタブルを現場施工する際には、緻密焼結体のようにプレスをかけられず、且つ焼成もできないため、高強度化は困難であった。

また、ボイラに施工される耐火キャスタブルは焼却炉からの排ガスに含まれる飛灰と接触するが、飛灰中にはアルカリ成分が多く含有されるため、ホッパの耐火キャスタブルはアルカリ成分と反応して低密度の化合物を形成し、膨張してしまい、そのうち座屈により破壊することがある。破壊して脱落した耐火キャスタブルの補修、或いは破壊する前に行なう補修は手間がかかり、また補修費が高額になるという問題を有していた。

特開昭６２−２８３８６９号公報 特開平１０−３２４５６１号公報 特開平１１−７９８７１号公報

上記したように、焼却炉から排出される排ガスから熱回収を行なうボイラにおいては、飛灰に含まれるアルカリ成分により耐火キャスタブルがアルカリ膨張し、座屈により破壊する惧れがあるため、耐久性の高い耐火構造が求められていた。

特許文献１には、ＳｉＣ、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３を主成分とする燃焼炉用耐火レンガが開示されているが、これは定型の耐火レンガであり、ボイラ下部ホッパに好適に適用される不定形キャスタブルとは形態が異なるものである。また、特許文献１では、ＳｉＣの酸化膨張によりレンガが迫り出してしまう問題に対して、低純度ＳｉＣを使用することにより防止するとともに、残りの成分のＳｉＯ_２／Ａｌ_２Ｏ_３に対してこの比を高くすることにより、クリンカとの反応に際して反応面の弱体化（付着面の気泡生成）を促すようにしている。しかしながら、本発明が適用されるボイラ下部ホッパでは、適用温度が低いためＳｉＣの酸化膨張は考慮する必要がない。従って、耐火構造を適用する部位が違うと条件が全く異なってくるため、特許文献１に記載される耐火構造をボイラ下部ホッパの耐火構造に用いることは適切ではない。

特許文献２には、炭化けい素を主成分としアルミナを添加したプレキャストブロックについて開示されている。しかし、これは炭化けい素を主成分としたものであり、アルミナ−シリカ系耐火キャスタブルに比べてコストが高くなるという問題がある。また、特許文献２は溶融炉に適用されるものであり、特にスラグとの接触による耐久性を考慮した構成となっている。即ち、スラグの浸透を止めるために炭化けい素を５〜９０重量％とし、また、アルミナを１０重量％以下にすると強度性を十分に出すための焼結機能が発揮されず、９０重量％以上にすると耐熱スポーリング性に劣るため、アルミナを５〜９０重量％としている。
これに対して、本発明の適用部位であるボイラ下部ホッパに施工される耐火構造は、焼却炉排ガスと接触する気相雰囲気下で用いられ、且つアルカリ成分を多く含有する飛灰との接触が最も懸念される事項であるため使用環境が全く異なり、特許文献１に記載される耐火構造をそのままボイラ下部ホッパに適用することは困難である。また、溶融炉の温度は約１６００〜１８００℃程度と高温であるためアルミナによりガラス融体が形成されやすいが、ボイラ下部ホッパの温度は約６００〜８００℃であるため高融点を有するアルミナ単独ではガラス融体が形成されにくく、耐火キャスタブルが高強度化されないため特許文献１に記載される耐火構造はボイラ下部ホッパには不適である。

特許文献３も同様に、焼却炉に内張りされる耐火構造について開示しており、適用部位が異なるため単にこの構造をボイラ下部ホッパに適用するには問題が残る。また、特許文献３ではアルミナ質またはアルミナ−シリカ質のキャスタブル耐火物を焼却炉に内張りした構成について開示しているが、アルカリ成分の浸透を防止するためにコーティング材を耐火物表面に塗布しており、手間とコストがかかるものであり、且つ飛灰との接触によりコーティング材が剥離することが考えられ、メンテナンスを頻繁に行なわなければならない。

従って、本発明は上記従来技術の問題点に鑑み、ボイラ下部ホッパに施工される耐火構造であって、飛灰中のアルカリ成分と反応してアルカリ膨張により座屈、破損することを防止でき、耐久性を向上させることを可能としたボイラ下部ホッパの耐火構造、及び該耐火構造を備えたボイラを提供することを目的とする。

そこで、本発明はかかる課題を解決するために、
焼却炉に併設されたボイラの耐火構造において、
前記耐火構造は、前記ボイラの下部に設けられたホッパにＳｉＯ_２・Ａｌ_２Ｏ_３系不定形耐火物を施工して構成され、
前記ＳｉＯ_２・Ａｌ_２Ｏ_３系不定形耐火物は、６００〜８００℃の温度域下にてアルカリ膨張が小さい耐火物原料が用いられることを特徴とする。

本発明は、ＳｉＯ_２・Ａｌ_２Ｏ_３を主成分としたＳｉＯ_２・Ａｌ_２Ｏ_３系不定形耐火物を用いた構成としている。ＳｉＯ_２・Ａｌ_２Ｏ_３系不定形耐火物は、アルカリ成分と反応とするとガラス状態をより安定化させるとともに粘性を低下させる。このような不定形耐火物は、ボイラ運転中に飛灰のアルカリ成分と反応とすると、ガラス状態の安定化、粘性低下をもたらす。ガラス状態の安定化とは、結晶化して固体になるよりも液相として存在する方がエネルギー的に安定であることを指し、焼結は液相が存在するとこれを経由して拡散速度が大幅に増大するので、焼結に大きく寄与する。同様に、粘性低下も焼結し易い方に寄与するので、この結果不定形耐火物はより一層高強度化する。

さらに、本発明ではＳｉＯ_２・Ａｌ_２Ｏ_３系不定形耐火物のうち、アルカリ膨張の度合いが低いものを選択し、添加している。これにより、ボイラ下部ホッパの温度条件において、飛灰との接触によるアルカリ膨張を最小限に抑えて、不定形耐火物の座屈による破壊を防止し、耐火構造の耐久性を向上させることが可能となる。尚、アルカリ膨張が小さいＳｉＯ_２・Ａｌ_２Ｏ_３系不定形耐火物とは、アルカリと反応しても密度変化が殆ど生じないようなＳｉＯ_２とＡｌ_２Ｏ_３の成分比率を有する不定形耐火物、若しくは最初からアルカリ成分を含む不定形耐火物などが挙げられる。

アルカリ膨張が小さい耐火物原料としては、以下のものが好適に用いられる。
前記ＳｉＯ_２・Ａｌ_２Ｏ_３系不定形耐火物は、Ａｌ_２Ｏ_３とＳｉＯ_２の総重量（Ａｌ_２Ｏ_３＋ＳｉＯ_２）に対してＡｌ_２Ｏ_３の比率が３０〜４０重量％の耐火物原料が用いられる。
上記した成分比率を有するＳｉＯ_２・Ａｌ_２Ｏ_３不定形耐火物は、アルカリと反応して低密度化合物に反応しても密度低下が極めて低いためアルカリ膨張を殆ど生じることがなく、耐火構造の耐久性に対する影響を最小限に抑えることが可能である。

前記ＳｉＯ_２・Ａｌ_２Ｏ_３系不定形耐火物は、シャモットを主成分とする耐火物原料が用いられる。
シャモットを主成分とした耐火物原料は、Ａｌ_２Ｏ_３とＳｉＯ_２の比率が上記とほぼ同様であり、アルカリと反応して低密度化合物に反応しても密度低下が極めて低いためアルカリ膨張を殆ど生じることがなく、耐火構造の耐久性に対する影響を最小限に抑えることが可能である。またシャモットを用いることにより、資源の再利用が可能となる。
尚、シャモットとは、耐火粘土を一度焼成したものを粉砕した粉末のことをいい、瓦（煉瓦）等の原料を粉砕したもがある。

前記ＳｉＯ_２・Ａｌ_２Ｏ_３系不定形耐火物は、アルカリ成分を含む耐火物原料が用いられる。
アルカリ成分を含んだＳｉＯ_２・Ａｌ_２Ｏ_３系耐火物原料は、純粋なＳｉＯ_２・Ａｌ_２Ｏ_３系結合剤よりも密度が低いが、ボイラ運転中にアルカリ成分との反応が殆ど起こらないため、アルカリ膨張の度合いが極めて低い。従って、最初からアルカリ成分が入った低密度化合物を耐火物原料として用いることにより、大きな密度変化が起こらず、耐火構造のアルカリ膨張による座屈、破壊等が発生する惧れがない。

また、前記ＳｉＯ_２・Ａｌ_２Ｏ_３系不定形耐火物は、複数のブロックに分割されて前記ホッパに施工されるとともに、前記温度域における不定形耐火物の膨張率に基づいて、隣接する前記ブロックの間に隙間を設けることを特徴とする。
このように、本発明において適切な膨張代となる隙間をブロック間に設けることにより、アルカリ膨張した場合においても座屈が生じないようにでき、耐火構造が破壊、脱落することを防止できる。また、本発明は従来の不定形耐火物よりアルカリ膨張を低く抑えることができるため、小さな隙間でアルカリ膨張を吸収することが可能である。

さらに、前記耐火構造は、前記ホッパの内側から順に上層と中層と下層からなる３層構造であり、
前記上層は上記したＳｉＯ_２・Ａｌ_２Ｏ_３系不定形耐火物で形成され、前記中層は軽量で且つ断熱性を有する耐火物で形成され、前記下層は前記中層より断熱性が高い耐火物又は保温材で形成されることを特徴とする。
このように、ボイラ下部ホッパの耐火構造を３層構造とすることにより、高い耐久性を有しながら保温性能を保持した耐火構造とすることが可能となる。
即ち、飛灰を含む排ガスと接触する上層には、耐食性を有し高い耐久性を有する材料を配し、飛灰と接触することはないが上層を介して熱が伝わり易い中層には、断熱性を有する材料を配し、最もケーシング側に配置される下層には最も断熱性が高い材料を配することにより、耐久性と保温性能の両方を兼ね備えた耐火構造を提供することを可能としている。また、メンテナンス時には、上層のみを補修すればよいため工期の短縮化、及びコスト低減が可能となる。

さらにまた、上記した耐火構造を備えたボイラを提供する。
このように、アルカリ膨張を最小限に抑えることができ、耐久性の高い耐火構造を備えることにより、焼却炉からの排ガスが通流し、排ガスの高温雰囲気下、及び排ガス中に含まれる飛灰によるアルカリの影響に対しても耐久性が高く、且つメンテナンスの手間やコストを低減することができるボイラを提供することが可能となる。

以上記載のごとく本発明によれば、ＳｉＯ_２・Ａｌ_２Ｏ_３系不定形耐火物は、アルカリ成分と反応とするとガラス状態をより安定化させるとともに粘性を低下させ不定形耐火物をより一層高強度化することが可能である。また、本発明ではＳｉＯ_２・Ａｌ_２Ｏ_３系不定形耐火物のうち、アルカリ膨張の度合いが低いものを選択して原料として用いているため、ボイラ下部ホッパの温度条件において、飛灰との接触によるアルカリ膨張を最小限に抑えて、不定形耐火物の座屈による破壊を防止し、耐火構造の耐久性を向上させることが可能となる。さらに、本発明の耐火構造はボイラ下部ホッパに適用され、温度条件が８００℃以下と比較的低いため、Ａｌ_２Ｏ_３を含有することによるアルカリ膨張は殆ど問題とならず、耐火構造の破損を防止できる。

また、（Ａｌ_２Ｏ_３＋ＳｉＯ_２）に対してＡｌ_２Ｏ_３の比率が３０〜４０重量％の不定形耐火物原料、或いはシャモットを主成分とした耐火物原料を用いることにより、アルカリと反応して低密度化合物に反応しても密度低下が極めて低いためアルカリ膨張を殆ど生じることがなく、耐火構造の耐久性に対する影響を最小限に抑えることが可能である。
さらに、最初からアルカリ成分が入ったＳｉＯ_２・Ａｌ_２Ｏ_３系耐火物原料を用いることにより、飛灰中のアルカリと接触しても大きな密度変化が起こらず、耐火構造のアルカリ膨張による座屈、破壊等を防止できる。

また、不定形耐火物を複数のブロックに分割し、アルカリ膨張に応じて隣接する前記ブロックの間に隙間を設けることにより、アルカリ膨張した場合においても座屈が生じないようにでき、耐火構造が破壊、脱落することを防止できる。
さらに、耐火構造を３層構造とし、上記したように夫々に異なる材料を用いることにより、高い耐久性を有しながら保温性能を保持した耐火構造とすることが可能となる。
さらにまた、上記した耐火構造を備えたボイラとすることにより、焼却炉からの排ガスが通流し、排ガスの高温雰囲気下、及び排ガス中に含まれる飛灰によるアルカリの影響に対しても耐久性が高く、且つメンテナンスの手間やコストを低減することができるボイラを提供することが可能となる。

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。
本実施形態の耐火構造は、焼却炉に併設されるボイラ下部に設けられたホッパに適用される。

図１に本発明の実施形態が適用される焼却炉併設ボイラ設備の全体構成図を示す。
焼却炉併設ボイラ設備は、都市ごみ等の一般廃棄物又は産業廃棄物等を焼却処理する焼却炉１と、該焼却炉１に併設されたボイラ２とから構成される。
前記焼却炉１は一例としてストーカ式焼却炉を示したが、これに限定されるものではなく、例えば流動床式焼却炉、ロータリーキルン式焼却炉等の他の形式の焼却炉にも適用可能である。

ストーカ式焼却炉１では、ホッパ１１から投入された廃棄物がストーカ（燃焼火格子）１２上に供給され、該廃棄物はストーカ上を搬送されながら、下方より供給される一次空気により燃焼し、燃焼により生じた灰は灰シュート１３から排出される。廃棄物の燃焼により発生した排ガスは、ストーカ上方の燃焼室１４を通過する際に二次空気の供給により未燃分を完全燃焼した後、飛灰を含む排ガスは煙道１５を通って焼却炉１よりボイラ２へ供給される。このとき、焼却炉１上方の排ガス出口における排ガス温度は、８００〜９５０℃程度である。

飛灰を含む排ガスは、ボイラ２の排ガス通路２１を通って熱交換により蒸気を生成するとともに、排ガスは冷却される。ボイラ２にて冷却された排ガスは、排ガス通路２５を通って後段に設けられた排ガス処理設備（図示略）に送られる。
ボイラ２は、排ガス通路２１に複数のボイラ水管２６が配設されており、該ボイラ水管２６内を通流するボイラ水との熱交換により排ガスの熱を回収する構成となっている。
排ガス通路２１には、上流側から第１ホッパ２２、第２ホッパ２３、第３ホッパ２４が設けられており、これらのホッパにて排ガス中の飛灰を捕集する。尚、図１には第１〜第３までの３つのホッパからなる構成を示しているが、ホッパの数はこれに限定されるものではない。

また、図１には第２ホッパ２３及び第３ホッパ２４の上部のみにボイラ水管２６を記載してあるが、第１ホッパ２１の上部にも水管が配設されており、排ガスを冷却するとともに熱回収を行なうようになっている。
本実施形態における耐火構造は、このホッパに適用されるものであるが、その中でも８００℃以下の排ガス雰囲気に存在するホッパに適用される。特に、本構成においては第２ホッパ２３が６００〜８００℃の排ガス雰囲気下に存在するため、この第２ホッパ２３に適用されることが好ましい。勿論、上記温度条件に位置するホッパであれば何れのホッパにも適用可能である。

図２に、本実施形態に係る耐火構造を備えたホッパ２３の側断面図（図１のＡ拡大図）を示す。
ホッパ２３は下方に向けて縮径した構造を有し、下端に飛灰排出部２３３を備えており、ホッパ上部にはボイラ水管２６が配設されている。ホッパ２３の最外面にはケーシング２３１が設けられ、該ケーシング２３１の内側には不定形耐火物である耐火キャスタブル２３２が施工された耐火構造が設けられている。このホッパ２３は、排ガスの通流する排ガス通路に設けられ、６００〜８００℃の温度雰囲気下で、且つ排ガス中の飛灰を集塵するため飛灰との接触が多い。従って、飛灰中のアルカリ成分と耐火キャスタブル２３２が反応して低密度の化合物を形成し、膨張してしまい、そのうち座屈により破壊することがある。従って、本実施形態では、このアルカリ膨張を抑制することができる耐火構造２３２としている。

即ち、この耐火構造２３２は、ＳｉＯ_２・Ａｌ_２Ｏ_３系耐火キャスタブルからなり、該ＳｉＯ_２・Ａｌ_２Ｏ_３系耐火キャスタブルには、６００〜８００℃の温度域下にてアルカリ膨張が小さい耐火物原料が用いられる。
この耐火構造２３２は、ＳｉＯ_２・Ａｌ_２Ｏ_３を主成分としたＳｉＯ_２・Ａｌ_２Ｏ_３系耐火キャスタブルを用いた構成としている。ＳｉＯ_２・Ａｌ_２Ｏ_３系耐火キャスタブルは、アルカリ成分と反応とするとガラス状態をより安定化させるとともに粘性を低下させる。このような不定形耐火物は、ボイラ運転中に飛灰のアルカリ成分と反応とすると、ガラス状態の安定化、粘性低下をもたらす。ガラス状態の安定化とは、結晶化して固体になるよりも液相として存在する方がエネルギー的に安定であることを指し、焼結は液相が存在するとこれを経由して拡散速度が大幅に増大するので、焼結に大きく寄与する。同様に、粘性低下も焼結し易い方に寄与するので、この結果不定形耐火物はより一層高強度化することになり、条件によっては約２倍も強度が向上することもある。

さらに、本発明ではＳｉＯ_２・Ａｌ_２Ｏ_３系キ耐火キャスタブル２３２のうち、アルカリ膨張が小さいものを選択し、添加している。これにより、ボイラ下部ホッパ２３の温度条件において、飛灰との接触によるアルカリ膨張を最小限に抑えて、ＳｉＯ_２・Ａｌ_２Ｏ_３系耐火キャスタブル２３２の座屈による破壊を防止し、耐火構造の耐久性を向上させることが可能となる。尚、アルカリ膨張が小さいＳｉＯ_２・Ａｌ_２Ｏ_３系耐火キャスタブルとは、アルカリと反応しても密度変化が殆ど生じないようなＳｉＯ_２とＡｌ_２Ｏ_３の成分比率を有するキャスタブル、若しくは最初からアルカリ成分を含むキャスタブルなどが挙げられる。

図３に、ＳｉＣ系耐火キャスタブルとＳｉＯ_２・Ａｌ_２Ｏ_３系耐火キャスタブルのアルカリ膨張の度合いを比較したグラフを示す。この試験では、比較例としてＳｉＣを主成分とするＳｉＣ系耐火キャスタブルと、実施例としてＳｉＯ_２・Ａｌ_２Ｏ_３を主成分とするＳｉＯ_２・Ａｌ_２Ｏ_３系耐火キャスタブルを用いて、ボイラ下部ホッパの温度雰囲気である６００℃と、それより高温である８５０℃（例えば焼却炉内）におけるアルカリ膨張を測定した。
この結果、比較例であるＳｉＣ系耐火キャスタブルは何れの温度でもアルカリ膨張はそれ程変化がなく、実施例であるＳｉＯ_２・Ａｌ_２Ｏ_３系耐火キャスタブルは８５０℃にてアルカリ膨張が大きいことがわかる。しかし、本実施形態が適用されるボイラ下部ホッパの温度６００〜８００℃においてはＳｉＯ_２・Ａｌ_２Ｏ_３系耐火キャスタブルもアルカリ膨張はわずかであり、この結果からＳｉＯ_２・Ａｌ_２Ｏ_３系耐火キャスタブルは、ボイラ下部ホッパに施工したときにアルカリ膨張が問題とならない程度であることがわかる。

従って、ボイラ下部ホッパに施工する耐火キャスタブルとして、ＳｉＯ_２・Ａｌ_２Ｏ_３系耐火キャスタブルを用いることにより、飛灰中のアルカリ成分との反応によってガラス状態をより安定化するとともに粘性を低下させ、耐火キャスタブルをより一層高強度化することができるとともに、ＳｉＯ_２・Ａｌ_２Ｏ_３系耐火キャスタブルによるアルカリ膨張の影響は殆ど問題とならないため、高強度で耐久性の高い耐火構造とすることが可能である。

また、上記した６００〜８００℃の温度域下でアルカリ膨張が小さいＳｉＯ_２・Ａｌ_２Ｏ_３系耐火キャスタブルの原料としては、以下のものが挙げられる。
（１）アルカリ成分と反応しても密度変化が殆ど生じないようなＳｉＯ_２とＡｌ_２Ｏ_３の成分比率を有する耐火物原料
具体的には、Ａｌ_２Ｏ_３とＳｉＯ_２の総重量（Ａｌ_２Ｏ_３＋ＳｉＯ_２）に対してＡｌ_２Ｏ_３の比率が３０〜４０重量％の耐火物原料、または、シャモットを主成分とする耐火物原料である。

図４に、Ａｌ_２Ｏ_３／（Ａｌ_２Ｏ_３＋ＳｉＯ_２）比とアルカリ膨張の関係を示す。同グラフに示されるように、ボイラ下部ホッパの温度雰囲気である６００〜８００℃において、Ａｌ_２Ｏ_３／（Ａｌ_２Ｏ_３＋ＳｉＯ_２）の比が３０〜４０％のとき、アルカリ膨張は殆ど発生していないことがわかる。
図５に、Ａｌ_２Ｏ_３／（Ａｌ_２Ｏ_３＋ＳｉＯ_２）比と密度の関係を示す。同グラフにおいて、Ａｌ_２Ｏ_３／（Ａｌ_２Ｏ_３＋ＳｉＯ_２）比は実線Ａで示される関係を有する。従って、この比を有するＡｌ_２Ｏ_３＋ＳｉＯ_２系耐火キャスタブルは、飛灰中のアルカリ成分により低密度化合物に反応しても密度低下は僅かであるため、アルカリ膨張を最小限に抑え、耐火構造の耐久性を向上させることが可能である。

一方、粘土鉱物を一度焼成したものを粉砕して粉末にしたものはシャモットと呼ばれるが、これは図５中の破線Ｂで示すＡｌ_２Ｏ_３／（Ａｌ_２Ｏ_３＋ＳｉＯ_２）比を有する。従って上記と同様に、アルカリと反応して低密度化合物に反応しても密度低下が最も低いため、アルカリ膨張を最小限に抑え、耐火構造の耐久性を向上させることが可能である。またシャモットは廃瓦等を粉砕した原料を用いているため、資源の再利用が可能となる。

（２）アルカリ成分を含むＡｌ_２Ｏ_３・ＳｉＯ_２系耐火キャスタブル
最初からアルカリ成分が入ったＡｌ_２Ｏ_３・ＳｉＯ_２系耐火キャスタブルを用いる。例えば、（Ｋ，Ｎａ）２Ｏ・Ａｌ_２Ｏ_３・６ＳｉＯ_２（sanidine）、Ｋ_２Ｏ・Ａｌ_２Ｏ_３・４ＳｉＯ_２（leucite）、（Ｋ，Ｎａ）２Ｏ・Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２（kalsilite）、Ｋ_２Ｏ・Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２（kaliophilite）等の鉱物が挙げられる。これらの鉱物におけるＡｌ_２Ｏ_３／（Ａｌ_２Ｏ_３＋ＳｉＯ_２）比と密度の関係を図５に示す。
一般的にＡｌ_２Ｏ_３・ＳｉＯ_２系化合物はアルカリと反応すると密度が下がって膨張する。特にムライト（３Ａｌ_２Ｏ_３・ＳｉＯ_２）組成は密度低下の割合が著しい。耐火キャスタブルの密度はＡｌ_２Ｏ_３とＳｉＯ_２の比率に対して図５に示すような関係がある。従って、最初からアルカリが入って低密度になった材料を耐火物原料の主成分とすることにより、飛灰中のアルカリ成分と接触しても大きな密度変化が起こることはなく、耐火構造の耐久性を向上させることができる。
一方、Ａｌ_２Ｏ_３／（Ａｌ_２Ｏ_３＋ＳｉＯ_２）比を下げることで融点の低下が生じるが、本実施形態の適用部位であるボイラ下部ホッパでは運転温度が６００〜８００℃と高くはないため、問題にはならない。

また、上記したような耐火構造において、耐火キャスタブルを複数のブロックに分割して施工するようにし、６００〜８００℃の温度域における耐火キャスタブルの膨張率に基づいて、ブロック間に膨張代となる隙間を設けることが好ましい。ブロック間に隙間を設けることにより、耐火キャスタブルがアルカリ膨張した場合においても座屈が生じないようにでき、耐火構造が破壊、脱落することを防止できる。また、本実施形態では従来の耐火キャスタブルよりアルカリ膨張を小さく抑えることができるため、この隙間でアルカリ膨張を吸収することが可能であり、膨張による座屈、破壊が発生しない構造にすることができる。
さらに、ブロック間の隙間に長繊維状の耐火物を充填することが好ましい。長繊維状の耐火物は、フェルト状でクッション性を有する耐火物が適している。このように、長繊維状の耐火物を隙間に充填することにより、飛灰が隙間に侵入することを防止できる。

本実施形態に係る耐火構造の施工方法は、まずＡｌ_２Ｏ_３・ＳｉＯ_２系耐火キャスタブルの原料を水で混練しておく。必要に応じて、セメント等の固化材を加える。そして、ホッパの施工面に対して所定間隙を有するごとく配置された型枠内に、水と原料とが混ぜ合わされたスラリーを流し込み、乾燥させた後型枠を取り外す。このようにして施工された耐火キャスタブルは、運転時に通流する排ガスからの熱により焼結して高強度化される。尚、本実施形態の耐火構造は、流し込みによる施工方法以外にも吹き付け又は圧入による施工方法等の方法を用いることができ、特にその施工方法は限定されない。
また、膨張代を設ける場合には、複数に分割したブロック毎に膨張代となる隙間を空けて型枠を設置し、耐火キャスタブルを施工することにより膨張代を形成する。別の方法として、耐火キャスタブルの原料を流し込むときに、膨張代の隙間に相当する介在体を設置しておき、キャスタブルが乾燥した後にこの介在体を取り外すことにより隙間を形成してもよい。

また、図６に示すように、ホッパ２３に施工される耐火キャスタブル２３２を、ホッパ内側から順に上層２３２ａと中層２３２ｂと下層２３２ｃからなる３層構造とし、上層２３２ａは上記したＡｌ_２Ｏ_３・ＳｉＯ_２系耐火キャスタブルで形成し、中層２３２ｂは軽量で且つ断熱性を有する断熱キャスタブルで形成し、下層２３２ｃは中層２３２ｂより断熱性が高い断熱キャスタブル又は保温材で形成することが好ましい。
本実施形態の耐火構造が適用されるボイラ下部ホッパ２３は、上部構造との熱膨張率を合わせるために保温する必要がある。しかし一般的に、断熱性に優れた耐火物は耐食性が低く、耐食性に優れた耐火物は断熱性が低い。

従って本実施形態では、耐食性が要求される耐火物を上層２３２ａに用い、その下側２３２ｂ、２３２ｃには断熱性に優れた耐火物又は保温材を用いることにより、耐食性と断熱性を併せ持った耐火構造とすることが可能となる。
また一般的に、断熱性（熱伝導性）と耐熱温度も相反する関係にあるので、より高い断熱性（より低い熱伝導率）が必要なときには適用温度を下げる必要がある。即ち、断熱性が必要な耐火物層をさらに分けて、中層２３２ｂにはより耐熱性の高い耐火物、下層２３２ｃにはより断熱性の高い耐火物又は保温材を適用すると、全体の層の厚さや重量（断熱性の高い耐火物は空気を多く含むので軽い）を抑制することができ、且つ耐食性も高いものとすることができる。さらに、メンテナンス時には、上層のみを補修すればよいため工期の短縮化、及びコスト低減が可能となる。

本発明に係るボイラ下部ホッパの耐火構造は、焼却炉からの排ガスによる高温気相雰囲気下、及び排ガスに含有されるアルカリ成分による影響に対しても耐久性を高く維持することができるため、流動床式焼却炉、ロータリーキルン式焼却炉等の各種焼却炉に併設されるボイラに好適に適用可能である。

本発明の実施形態が適用される焼却炉併設ボイラ設備の全体構成図である。 本発明の実施形態に係る耐火構造を備えたボイラ下部ホッパの側断面図である。 ＳｉＣ系耐火キャスタブルとＳｉＯ_２・Ａｌ_２Ｏ_３系耐火キャスタブルのアルカリ膨張の度合いを比較したグラフである。 Ａｌ_２Ｏ_３／（Ａｌ_２Ｏ_３＋ＳｉＯ_２）比とアルカリ膨張の関係を示すグラフである。 Ａｌ_２Ｏ_３／（Ａｌ_２Ｏ_３＋ＳｉＯ_２）比と密度の関係を示すグラフである。 本実施形態に係る３層構造を有する耐火構造の断面を示す部分拡大図である。

符号の説明

１ 焼却炉
２ ボイラ
２１ 排ガス通路
２２ 第１ホッパ
２３ 第２ホッパ
２４ 第３ホッパ
２６ ボイラ水管
２３１ ケーシング
２３２ 耐火キャスタブル（耐火構造）
２３２ａ 上層
２３２ｂ 中層
２３２ｃ 下層
２３３ 飛灰排出部

Claims (7)

1. 焼却炉に併設されたボイラの耐火構造において、
   前記耐火構造は、前記ボイラの下部に設けられたホッパにＳｉＯ_２・Ａｌ_２Ｏ_３系不定形耐火物を施工して構成され、
   前記ＳｉＯ_２・Ａｌ_２Ｏ_３系不定形耐火物は、６００〜８００℃の温度域下にてアルカリ膨張が小さい耐火物原料が用いられることを特徴とするボイラ下部ホッパの耐火構造。
2. 前記ＳｉＯ_２・Ａｌ_２Ｏ_３系不定形耐火物は、Ａｌ_２Ｏ_３とＳｉＯ_２の総重量（Ａｌ_２Ｏ_３＋ＳｉＯ_２）に対してＡｌ_２Ｏ_３の比率が３０〜４０重量％の耐火物原料が用いられることを特徴とする請求項１記載のボイラ下部ホッパの耐火構造。
3. 前記ＳｉＯ_２・Ａｌ_２Ｏ_３系不定形耐火物は、シャモットを主成分とする耐火物原料が用いられることを特徴とする請求項１記載のボイラ下部ホッパの耐火構造。
4. 前記ＳｉＯ_２・Ａｌ_２Ｏ_３系不定形耐火物は、アルカリ成分を含む耐火物原料が用いられることを特徴とする請求項１記載のボイラ下部ホッパの耐火構造。
5. 前記ＳｉＯ_２・Ａｌ_２Ｏ_３系不定形耐火物は、複数のブロックに分割されて前記ホッパに施工されるとともに、前記温度域における不定形耐火物の膨張率に基づいて、隣接する前記ブロックの間に隙間を設けることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載のボイラ下部ホッパの耐火構造。
6. 前記耐火構造は、前記ホッパの内側から順に上層と中層と下層からなる３層構造であり、
   前記上層は請求項１乃至４の何れかに記載のＳｉＯ_２・Ａｌ_２Ｏ_３系不定形耐火物で形成され、前記中層は軽量で且つ断熱性を有する耐火物で形成され、前記下層は前記中層より断熱性が高い耐火物又は保温材で形成されることを特徴とするボイラ下部ホッパの耐火構造。
7. 請求項１乃至６の何れかに記載したボイラ下部ホッパの耐火構造を備えたボイラ。

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