JP2017155971A - ボイラ及びボイラの耐火構造物 - Google Patents

Abstract

【課題】炉内空間の温度に耐え得る耐熱性を有し、且つ、灰が付着し難い炉壁構造を有するボイラ及びボイラの耐火構造物を提供する。【解決手段】ボイラは、火炉壁を形成する複数の冷却管と、少なくとも一本の前記冷却管に接するように配置された第１耐火材層と、前記第１耐火材層からみて炉外側に位置し、前記第１耐火材層よりも熱伝導率が低い第２耐火材層と、を備える。【選択図】 図４

Description

本開示は、炉内空間の周囲に複数の冷却管が配列された構成を有するボイラ及びこのボイラの耐火構造物に関する。

一般に、ボイラの炉内空間の周囲には、複数の冷却管により形成される火炉壁が設けられている。火炉壁には、炉内空間の温度に応じて、適宜耐火構造が適用されるのが通例である。

例えば、特許文献１には、ボイラの炉内空間の周囲に配列された複数の冷却管によって水冷壁を形成した構成が記載されている。この水冷壁の炉内側には耐火物が配設され、炉外側には断熱材が配設されている。
特許文献２には、ボイラの炉壁耐火物として、炉材用耐火物の表面に、無機酸化物系セラミックスを主成分とする耐腐食膜が形成され、さらに耐腐食膜の表面に灰付着防止膜が形成された構成が記載されている。
特許文献３には、ボイラの監視カメラ用開口部の耐火構造として、開口部の周囲にキャスタブル耐火材を設けた構成が記載されている。またこの文献には、キャスタブル耐火材の炉内側表面における高温化を抑制するために、キャスタブル耐火材の炉内側をメンブレンバーで覆うことも記載されている。

特開２００２−１５６１１２号公報 特許第３６７５７５１号公報 特開２００５−１５６１２２号公報

ところで、ボイラにおいては、炉内空間の温度に耐え得る耐熱性を有し、且つ、灰が付着し難い炉壁構造が要求されるが、これら両方の条件を十分に満たすことは難しい場合がある。例えば、ボイラには、高温雰囲気であるにも関わらず、開口部周囲のように冷却管を密に設置することが難しい部位が存在する。こういった部位では、冷却管による十分な冷却効果が期待できず、炉内側表面が高温化してしまう。そのため、耐火材として高耐熱性材料が必要とされ、また高温化によって灰が付着しやすくなる。

この点、特許文献１のように、炉内空間に面する部位に耐火材を配設する場合、一般に多く用いられているＳｉＯ_２やＡｌ_２Ｏ_３等を主成分とした無機酸化物系耐火材は耐熱温度が高いので耐熱性の条件は満足するものの、耐火材表面が高温になり、灰が付着しやすいという問題が残る。
そこで、特許文献２のように、耐火材の炉内側表面に灰付着防止膜を設けるようにしても、灰は高温になる程付着しやすくなるため、炉内側表面の高温化により灰付着防止膜の効果を十分に発揮できない可能性がある。
一方、特許文献３のように、耐火材の炉内側をメンブレンバーで覆う構成においては、灰の付着は抑制できるかもしれないが、炉内空間が高温である場合、通常鋼材で形成されるメンブレンバーでは耐熱性が不足する可能性が高い。

上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも幾つかの実施形態は、高温雰囲気にも対応し得る耐熱性を有し、且つ、灰が付着し難い炉壁構造を有するボイラ及びボイラの耐火構造物を提供することを目的とする。

（１）本発明の少なくとも幾つかの実施形態に係るボイラは、
火炉壁を形成する複数の冷却管と、
少なくとも一本の前記冷却管に接するように配置された第１耐火材層と、
前記第１耐火材層からみて炉外側に位置し、前記第１耐火材層よりも熱伝導率が低い第２耐火材層と、
を備える。

上記（１）のボイラは、冷却管に接するように配置された第１耐火材層と、この第１耐火材層からみて炉外側に位置する第２耐火材層と、を含む少なくとも２層の耐火材層を備えている。このうち第２耐火材層は、第１耐火材層よりも熱伝導率が低い。すなわち、第１耐火材層は熱伝導率が比較的高いため、第１耐火材層に接する冷却管による冷却効果が第１耐火材層の広範囲に及び、炉内側表面の温度を効果的に下げることができる。これにより、炉内側表面への灰の付着を抑制することができる。さらに、第１耐火材層の温度を低くすることができるため、第１耐火材層の材料選択の自由度が大きくなる。
ところで、第１耐火材層は上述したように熱伝導率が比較的高いため、第１耐火材層のみで耐火材層を構成する場合、炉外側（例えばボイラのケーシング）における温度を低く維持しようとした場合、第１耐火材層の厚さを大きくする必要が生じてしまい、現実的ではない。この点、上記（１）の構成によれば、第１耐火材層の炉外側に、熱伝導率が比較的低い第２耐火材層を配置しているため、耐火材の厚さ増加を抑えた上で、炉外側における温度を低く維持することができる。
また、上記したように、ボイラの火炉内の高温場での灰付着を抑制することが可能であり、よって、付着灰が成長したクリンカの落下による冷却管の損傷等のリスクを低下することができる。

（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、
前記複数の冷却管は、隣り合って配置され、前記ボイラの高さ方向に沿って互いに離れるように曲がった曲げ部をそれぞれ有する一対の冷却管を含み、
前記第１耐火材層及び前記第２耐火材層は、前記一対の冷却管の前記曲げ部によって形成される前記火炉壁の開口の縁部を閉塞するように配置される。

上記（２）の構成において、火炉壁の開口を形成する冷却管は、一対の冷却管が互いに離れるように曲がった曲げ部を有し、この曲げ部によって火炉壁の開口が形成されている。耐火材層（第１耐火材層及び第２耐火材層）のうち、火炉壁の開口の縁部を閉塞する部位は、冷却管による冷却効果が及び難いことから特に高温化しやすい。
この点、上記（１）で述べたように、比較的熱伝導率が高い第１耐火材層を冷却管に接するように配置しているので、冷却管から離れた上記部位においても冷却管による冷却効果を享受することができ、炉内側表面への灰の付着を抑制することができる。また、第２耐火材層によって、炉外側の温度を低く維持することができる。

（３）幾つかの実施形態では、上記（２）の構成において、
前記開口は、互いに対向するように設けられた２つの開口を含む。

上記（３）の構成によれば、２つの開口が互いに対向するように設けられているので、これらの開口に架け渡すように、メンテナンスや補修等に用いられる器具を設置することができる。例えば、２つの開口にメンテナンスビームを通すことができる。

（４）幾つかの実施形態では、上記（２）又は（３）の構成において、
前記第１耐火材層は、前記一対の冷却管の前記曲げ部に接するように設けられる。

上記（４）の構成によれば、火炉壁の開口を形成する一対の冷却管の曲げ部に第１耐火材層が接しているので、第１耐火材層のうち最も高温になりやすい部位（火炉壁の開口の縁部を閉塞する部位）を効果的に冷却することができる。

（５）幾つかの実施形態では、上記（２）乃至（４）の何れかの構成において、
バーナと、
前記バーナの上方に設置される過熱器と、をさらに備え、
前記火炉壁の前記開口は、前記バーナと前記過熱器との間の高さ位置に設けられる。

一般に、バーナと過熱器との間には高温の燃焼領域が形成されるため、バーナと過熱器との間の高さ位置に設けられた開口は、より高温雰囲気に曝される。そこで、この開口に対して上記（２）乃至（４）の何れかの構成を適用することによって、高温雰囲気に曝される開口近傍の炉内側表面においても灰の付着を抑制でき、且つ、炉外側を確実に低温に維持することができる。

（６）幾つかの実施形態では、上記（２）乃至（５）の何れかの構成において、
前記一対の冷却管の前記曲げ部並びに前記第１耐火材層及び前記第２耐火材層によって形成され、前記ボイラの炉内空間を炉外空間と連通する貫通穴を塞ぐ蓋部材をさらに備える。

上記（６）の構成では、一対の冷却管の曲げ部並びに第１耐火材層及び第２耐火材層によって貫通穴が形成され、この貫通穴を塞ぐ蓋部材が設けられている。これにより、蓋部材を取り付けた状態ではボイラの通常運転が可能であり、一方、蓋部材を取り外すことにより、メンテナンスや補修等の各種用途に貫通穴を利用することができる。例えば、貫通穴は、カメラにより火炉内部を撮像するための観測用穴として利用したり、上記（３）の構成のように２つの開口（貫通穴）が設けられる場合にはメンテナンスビームを設置したりすることができ、利便性に優れている。

（７）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（６）の何れかの構成において、
前記第１耐火材層に少なくとも部分的に接するように前記冷却管から延設された少なくとも一つの伝熱部材をさらに備える。
（８）幾つかの実施形態では、上記（７）の構成において、
前記少なくとも一つの伝熱部材は、フィン又はスタッドの少なくとも一方を含む。

上記（７）又は（８）の構成によれば、冷却管から延設された伝熱部材（例えばフィン又はスタッド）によって、冷却管による第１耐火材層の冷却効果をより一層高くすることができる。

（９）幾つかの実施形態では、上記（７）又は（８）の構成において、
前記複数の冷却管は、隣り合って配置され、前記ボイラの高さ方向に沿って互いに離れるように曲がった曲げ部をそれぞれ有する一対の冷却管を含み、
前記第１耐火材層及び前記第２耐火材層は、前記一対の冷却管の前記曲げ部によって形成される前記火炉壁の開口の縁部を閉塞するように配置され、
前記伝熱部材は、少なくとも、前記第１耐火材層のうち前記開口の前記縁部を閉塞する領域内に設けられる。

上記（９）の構成において、第１耐火材層のうち開口の縁部を閉塞する部位は冷却管から離れているため冷却管による冷却効果が他の部位よりも小さいが、この部位に伝熱部材を設けることによって、この部位においても冷却効果を高く維持できる。このように、熱伝導率が比較的高い第１耐火材層に加えて、補助的に伝熱部材を用いることによって、炉内側表面への灰の付着を効果的に抑制することができる。

（１０）幾つかの実施形態では、上記（７）乃至（９）の何れかの構成において、
前記伝熱部材の基端部を覆うように設けられ、前記第１耐火材層よりも熱伝導率が小さい被覆層をさらに備え、
前記被覆層によって覆われた前記基端部よりも前記冷却管から離れて位置する前記伝熱部材の先端部は、前記第１耐火材層に接する。

上記（１０）の構成によれば、伝熱部材の基端部を覆うように被覆層を設けることによって、伝熱部材の基端部と第１耐火材層との間の熱交換を抑制するとともに、伝熱部材の先端部と第１耐火材層との間の熱交換を促進することができる。よって、第１耐火材層のうち冷却管から離れた領域を選択的に伝熱部材によって冷却することができる。こうして、第１耐火材層のうち冷却管から離れた領域であっても、冷却管による冷却効果を効果的に享受できる。

（１１）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（１０）の何れかの構成において、
前記第２耐火材層は、前記第１耐火材層からみて炉外側において前記第１耐火材層に隣接して設けられる。

上記（１１）の構成によれば、耐火構造の層数を抑えて簡素化した構成によって、炉内側表面への灰の付着抑制および炉外側の低温維持が実現できる。

（１２）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（１１）の何れかの構成において、
前記第１耐火材層は、ＳｉＣ（炭化ケイ素）を含む。

上記（１２）の構成によれば、第１耐火材層が、耐熱性および耐久性に優れており且つ熱伝導率が高いＳｉＣを含むので、第１耐火材層の耐火材としての機能を実現しながら炉内側表面の冷却効果を高く維持することができる。

（１３）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（１２）の何れかの構成において、
前記第１耐火材層を覆うように前記第１耐火材層からみて炉内側に設けられ、灰の付着を防止するように構成された付着防止膜をさらに備える。

上記（１３）の構成によれば、第１耐火材層を覆うように付着防止膜を設けることによって、炉内側表面における灰の付着をより一層抑制することができる。

（１４）幾つかの実施形態では、上記（１３）の構成において、
前記付着防止膜は、ＢＮ（窒化ホウ素）又はＳｉＣの少なくとも一方を含む。

上記（１４）の構成によれば、付着防止膜として、灰の溶融物に対する濡れ性が小さいＢＮ又はＳｉＣを用いることによって、より効果的に灰の付着を抑制することができる。

（１５）本発明の少なくとも幾つかの実施形態に係るボイラのための耐火構造物は、
上記（１）乃至（１４）の何れかに記載の耐火構造物であって、
前記ボイラの火炉壁を形成する複数の冷却管のうち少なくとも一本の冷却管に接するように配置された第１耐火材層と、
前記第１耐火材層からみて炉外側に位置し、前記第１耐火材層よりも熱伝導率が低い第２耐火材層と、
を備える。

上記（１５）の耐火構造物によれば、炉内側表面における冷却効果が高く、炉内側表面への灰の付着を抑制でき、且つ、炉外側を低温に維持することができる。

本発明の少なくとも幾つかの実施形態によれば、炉内側に配設され、熱伝導率が比較的高い第１耐火材層によって、第１耐火材層に接する冷却管による冷却効果が第１耐火材層の広範囲に及び、炉内側表面の温度を効果的に下げることができる。これにより、炉内側表面への灰の付着を抑制することができる。
また、炉外側に配設され、熱伝導率が比較的高い第２耐火材層によって、耐火材の厚さ増加を抑えた上で、炉外側における温度を低く維持することができる。

一実施形態に係るボイラの概略構成図である。 一実施形態に係るボイラの開口周辺の炉壁構造を示す正面図である。 一実施形態における炉壁構造の鉛直方向に沿った断面図（図２のＡ−Ａ線断面図）である。 一実施形態における炉壁構造の水平方向に沿った断面図（図２のＢ−Ｂ線断面図）である。 一実施形態における冷却管の曲り部近傍の炉壁構造を示す斜視図である。 一実施形態における冷却管及びフィンを示す概略図である。 ＳｉＣ耐火材及びＳＵＳについてのガス温度に対する接触角を表すグラフである。 一実施形態における炉壁構造の温度分布を示す図である。 比較例における炉壁構造の温度分布を示す図である。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示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、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

最初に、図１を例示しながら、幾つかの実施形態に係るボイラ１の全体構成について説明する。ここで、図１は、一実施形態に係るボイラ１の概略構成図である。
なお、以下の実施形態では、一例として微粉炭焚きボイラ１について説明するが、本実施形態の炉壁構造が適用されるボイラ１の種類はこれに限定されるものではない。

図１及び図２に例示するように幾つかの実施形態に係るボイラ１は、鉛直方向に配設された火炉壁２０を有する火炉２と、火炉２の下部に設けられた複数のバーナ６を含む燃焼装置８と、火炉２の上部に連結されたダクト１１と、火炉２の上部からダクト１１にかけて設けられた過熱器１２、再熱器１３および節炭器１４と、を備える。

火炉壁２０は、複数の冷却管２１（図２等参照）によって形成されている。典型的なボイラ１では、火炉壁２０の外周側には金属製のボイラケーシングが設けられている。なお、冷却管２１の具体的な構成については後述する。
燃焼装置８は、火炉壁２０に設けられた複数のバーナ６を備えている。複数のバーナ６には、風箱７から燃焼用空気（一次空気）が供給されるとともに、燃料供給部９から燃料が供給される。例えば微粉炭焚きボイラ１の場合、燃料供給部９としての微粉炭機で生成された微粉炭が搬送空気によってバーナ６に気流搬送される。各々のバーナ６では、燃料と空気を火炉２内に吹き込み、炉内空間（燃焼空間）５内に火炎を形成するようになっている。

火炉壁２０には、バーナ６よりも上方に、炉内空間５に補助空気（二次空気又は三次空気）を供給するための追加空気供給部１０が設けられている。
通常、火炉２の下部の燃焼装置８（バーナ６）から追加空気供給部１０までの領域を還元雰囲気にして、燃焼排ガスの低ＮＯｘ化を図り、その後、追加空気供給部１０で炉内空間５内に補助空気を供給して、未燃分の完全燃焼を図るようになっている。そのため、追加空気供給部１０の近傍の炉内空間５は、高温化が促進される。

ここで、図２、図３Ａ及び図３Ｂ、図４を参照して、ボイラ１の炉壁構造について具体的に説明する。
なお、図２は、一実施形態に係るボイラ１の開口周辺の炉壁構造を示す正面図である。図３Ａは、一実施形態における炉壁構造の鉛直方向に沿った断面図（図２のＡ−Ａ線断面図）である。図３Ｂは、一実施形態における炉壁構造の水平方向に沿った断面図（図２のＢ−Ｂ線断面図）である。図４は、一実施形態における冷却管２１（２１１，２１２）の曲り部２１１ａ，２１２ａ近傍の炉壁構造を示す斜視図である。

幾つかの実施形態に係るボイラ１の炉壁構造は、火炉壁２０を形成する複数の冷却管２１と、第１耐火材層３１及び第２耐火材層３２を含む耐火構造物３０と、を備える。
第１耐火材層３１は、少なくとも一本の冷却管２１に接するように配置される。
第２耐火材層３２は、第１耐火材層３１からみて炉外側に位置する。この第２耐火材層３２は、第１耐火材層３１よりも熱伝導率が低い。

一実施形態において、第１耐火材層３１の熱伝導率ｋ_１と第２耐火材層３２の熱伝導率ｋ_２との比ｋ_１／ｋ_２が、１．４以上１５．０以下であってもよい。あるいは、第１耐火材層３１の熱伝導率ｋ_１と第２耐火材層３２の熱伝導率ｋ_２との比ｋ_１／ｋ_２が、２．５以上１０．０以下であってもよい。

他の実施形態において、第１耐火材層３１の熱伝導率ｋ_１は、２．５以上２０．０以下であってもよい。
また、第２耐火材層３２の熱伝導率ｋ_２は、０．５以上２．０以下であってもよい。

例えば、第１耐火材層３１は、ＳｉＣ（炭化ケイ素）を含む。この場合、第１耐火材層３１は、ＳｉＣを５０ｗｔ％以上含む構成であってもよい。
このように、第１耐火材層３１が、耐熱性および耐久性に優れており且つ熱伝導率が高いＳｉＣを含むことで、第１耐火材層３１の耐火材としての機能を実現しながら炉内側表面の冷却効果を高く維持することができる。また、第１耐火材層３１がＳｉＣを５０ｗｔ％以上含む場合、高温領域での溶融灰（スラグ）に対する濡れ性が高くなるため、第１耐火材層３１を最も炉内側に配置すれば灰の付着を効果的に防止できる。
また、第２耐火材層３２は、無機酸化物系耐火材であってもよく、さらにはＳｉＯ_２又はＡｌ_２Ｏ_３の少なくとも何れかを含んでいてもよい。この場合、第２耐火材層３２は、ＳｉＯ_２又はＡｌ_２Ｏ_３の少なくとも何れかを５０ｗｔ％以上含む構成であってもよい。
なお、上記実施形態において、第１耐火材層３１と第２耐火材層３２とは、少なくとも異なる成分を含む材料によって形成されてもよい。例えば、第１耐火材層３１がＳｉＣを含み、第２耐火材層がＳｉＯ_２又はＡｌ_２Ｏ_３の少なくとも何れかを含む。

上記実施形態によれば、冷却管２１に接するように配置された第１耐火材層３１と、この第１耐火材層３１からみて炉外側に位置する第１耐火材層３１と、を含む少なくとも２層の耐火材層を備えている。このうち第１耐火材層３１は、第１耐火材層３１よりも熱伝導率が低い。すなわち、第１耐火材層３１は熱伝導率が比較的高いため、第１耐火材層３１に接する冷却管２１による冷却効果が第１耐火材層３１の広範囲に及び、炉内側表面の温度を効果的に下げることができる。これにより、炉内側表面への灰（クリンカ）の付着を抑制することができる。さらに、第１耐火材層３１の温度を低くすることができるため、第１耐火材層３１の材料選択の自由度が大きくなる。
ところで、第１耐火材層３１は上述したように熱伝導率が比較的高いため、第１耐火材層３１のみで耐火材層を構成する場合、炉外側（例えばボイラ１のケーシング）における温度を低く維持しようとした場合、第１耐火材層３１の厚さを大きくする必要が生じてしまい、現実的ではない。この点、上記構成によれば、第１耐火材層３１の炉外側に、熱伝導率が比較的低い第１耐火材層３１を配置しているため、耐火材の厚さ増加を抑えた上で、炉外側における温度を低く維持することができる。
また、上記したように、ボイラ１の火炉２内の高温場での灰付着を抑制することが可能であり、よって、付着灰が成長したクリンカの落下による冷却管２１の損傷等のリスクを低下することができる。

また、上記実施形態において、第２耐火材層３２は、第１耐火材層３１からみて炉外側において第１耐火材層３１に隣接して設けられてもよい。これにより、耐火構造物（耐火材層）３０の層数を抑えて簡素化した構成によって、炉内側表面への灰の付着抑制および炉外側の低温維持が実現できる。
あるいは、上記実施形態において、第１耐火材層３１と第２耐火材層３２との間に、例えば他の耐火材層や断熱材等の他の層が設けられていてもよい。
さらに、図４に例示するように上記実施形態において、第２耐火材層３２の炉外側に断熱材３７が設けられていてもよい。具体的には、断熱材３７は、ボイラ１のケーシング（図示略）と第２耐火材層３２との間に配置される。この断熱材３７は、第２耐火材層３２側からの入熱を遮断し、ボイラ１のケーシングの高温化を防止できる。

図２及び図４に示す実施形態では、複数の冷却管２１は、隣り合って配置され、ボイラ１の高さ方向に沿って互いに離れるように曲がった曲げ部２１１ａ，２１２ａをそれぞれ有する一対の冷却管２１１，２１２を含む。
また、第１耐火材層３１及び第２耐火材層３２は、一対の冷却管２１１，２１２の曲げ部２１１ａ，２１２ｂによって形成される火炉壁２０の開口３５の縁部３６を閉塞するように配置される。
この場合、第１耐火材層３１は、一対の冷却管２１１，２１２の曲げ部２１１ａ，２１２ａに接するように設けられてもよい。

上記構成において、火炉壁２０の開口３５を形成する冷却管２１は、一対の冷却管２１１，２１２が互いに離れるように曲がった曲げ部２１１ａ，２１２ｂを有し、この曲げ部によって火炉壁２０の開口３５が形成されている。耐火材層（第１耐火材層３１及び第２耐火材層３２）のうち、火炉壁２０の開口３５の縁部３６を閉塞する部位３０ａは、冷却管２１による冷却効果が及び難いことから特に高温化しやすい。
この点、上記構成のように、比較的熱伝導率が高い第１耐火材層３１を冷却管２１に接するように配置することによって、冷却管２１から離れた上記部位３０ａにおいても冷却管による冷却効果を享受することができ、炉内側表面への灰の付着を抑制することができる。また、第２耐火材層３２によって、炉外側の温度を低く維持することができる。
さらに、火炉壁２０の開口３５を形成する一対の冷却管２１１，２１２の曲げ部２１１ａ，２１２ａに接するように第１耐火材層３１を配置すれば、第１耐火材層３１のうち最も高温になりやすい部位３１ａを効果的に冷却することができる。

図１に例示する実施形態では、一つの開口３５のみ設けられた構成を示しているが、他の実施形態として、開口３５は、互いに対向するように設けられた２つの開口３５を含んでもよい。なお、開口３５は、３つ以上設けられていてもよい。
このように、２つの開口３５が互いに対向するように設けられることで、これらの開口３５に架け渡すように、メンテナンスや補修等に用いられる器具を設置することができる。例えば、２つの開口３５にメンテナンスビームを通すことができる。

上記実施形態に係るボイラ１は、適宜、以下の構成をさらに備えていてもよい。
図５は、一実施形態における冷却管２１及びフィン２４を示す概略図である。
図４及び図５に例示するように、幾つかの実施形態に係るボイラ１は、第１耐火材層３１に少なくとも部分的に接するように冷却管２１から延設された少なくとも一つの伝熱部材２３をさらに備える。

少なくとも一つの伝熱部材２３は、フィン２４又はスタッドの少なくとも一方を含んでいてもよい。なお、図４及び図５では、伝熱部材２３がフィン２４の場合を例示している。
また、伝熱部材２３は、熱伝導率の高い金属材料で形成されてもよい。
さらに、伝熱部材２３は、長尺状に形成されていてもよい。
これらの構成によれば、冷却管２１から延設された伝熱部材２３（例えばフィン２４又はスタッド）によって、冷却管２１による第１耐火材層３１の冷却効果をより一層高くすることができる。

図４に示す実施形態では、伝熱部材２３は、少なくとも、第１耐火材層３１のうち開口３５の縁部３６を閉塞する領域（部位３１ａ）内に設けられる。
この構成によれば、第１耐火材層３１のうち開口３５の縁部３６を閉塞する部位３１ａは冷却管２１から離れているため冷却管２１による冷却効果が他の部位よりも小さいが、この部位３１ａに伝熱部材２３を設けることによって、この部位３１ａにおいても冷却効果を高く維持できる。このように、熱伝導率が比較的高い第１耐火材層３１に加えて、補助的に伝熱部材２３を用いることによって、炉内側表面への灰の付着を効果的に抑制することができる。

また、図４及び図５に例示するように、伝熱部材２３は、鉛直方向に対して傾斜して配置されてもよい。すなわち、第１耐火材層３１のうち、火炉壁２０の開口３５の縁部３６を閉塞する部位３１ａの略全領域に伝熱部材２３を配置する場合、伝熱部材２３を傾斜して配置することによって、伝熱部材２３の長尺化を抑制でき、伝熱部材２３による冷却効果を高く維持することができる。

図５に例示する実施形態では、伝熱部材２３（フィン２４）の基端部２３ａを覆うように、第１耐火材層３１よりも熱伝導率が小さい被覆層２５が設けられている。
また、基端部２３ａよりも冷却管２１から離れて位置する伝熱部材２３の先端部２３ｂは被覆層２５から露出しており、この露出した先端部２３ｂは第１耐火材層３１に接している。

上記構成によれば、伝熱部材２３の基端部２３ａを覆うように被覆層２５を設けることによって、伝熱部材２３の基端部２３ａと第１耐火材層３１との間の熱交換を抑制するとともに、伝熱部材２３の先端部２３ｂと第１耐火材層３１との間の熱交換を促進することができる。よって、第１耐火材層３１のうち冷却管２１から離れた領域（例えば部位３１ａ）を選択的に伝熱部材２３によって冷却することができる。こうして、第１耐火材層３１のうち冷却管２１から離れた領域であっても、冷却管２１による冷却効果を効果的に享受できる。

図４に例示する実施形態では、第１耐火材層３１を覆うように第１耐火材層３１からみて炉内側に設けられ、灰の付着を防止するように構成された付着防止膜３８が設けられていてもよい。例えば付着防止膜３８は、ＢＮ（窒化ホウ素）又はＳｉＣの少なくとも一方を含んでいる。
図６は、ＳｉＣ耐火材及びＳＵＳの濡れ性を評価するための実験結果を示す図であり、ガス温度に対する接触角を表すグラフとなっている。
同グラフでは、ＳｉＣの成分濃度が異なる実施例１〜４と、比較例としてＳＵＳについて、それぞれガス温度に対する接触角を測定した。

その結果、１２００℃以上の高温領域においては、比較例であるＳＵＳは接触角が急激に小さくなる。すなわち、１２００℃以上の高温領域ではＳＵＳの溶融灰に対する濡れ性が高くなり、ＳＵＳに溶融灰が付着しやすくなることを示している。
一方、実施例１〜４のＳｉＣ耐火材は、１２００℃以上の高温領域においても接触角の低下率が比較的小さい。そのため、１２００℃以上の高温領域においても濡れ性を低く維持することができ、ＳｉＣ耐火材には溶融灰が付着し難いことがわかる。
なお、グラフには記載していないが、ＳｉＣ耐火材よりもＢＮの方が、高温領域における灰付着性はより小さい。
そこで、上記したように、第１耐火材層３１を覆うように炉内側に付着防止膜３８を設けることによって、炉内側表面における灰の付着をより一層抑制することができる。

図３Ａ及び図３Ｂに示す実施形態では、一対の冷却管２１１，２１２の曲げ部２１１ａ，２１２ａ、並びに、第１耐火材層３１及び第２耐火材層３２によって形成される貫通穴を塞ぐように、蓋部材４０が設けられている。この蓋部材４０は、ボイラ１の炉内空間５を炉外空間と連通する貫通穴を塞ぐように、開閉可能に配置されている。例えば、蓋部材４０は、炉外側に設けられた鉄扉４０ａと、鉄扉４０ａの炉内側に設けられた耐火材４０ｂと、を含む。なお、蓋部材４０には冷却管２１が配設されていないが、通常、蓋部材４０は冷却管２１よりも炉外側へ奥まった位置に設けられるため、蓋部材４０周囲の部位３０ａよりも高温化は避けられる。
これにより、蓋部材４０を取り付けた状態ではボイラ１の通常運転が可能であり、一方、蓋部材４０を取り外すことにより、メンテナンスや補修等の各種用途に貫通穴を利用することができる。例えば、貫通穴は、カメラにより火炉２の内部を撮像するための観測用穴として利用したり、２つの開口（貫通穴）３５が設けられる場合にはメンテナンスビームを設置したりすることができ、利便性に優れている。

図１に戻り、上述した炉壁構造が採用される開口３５は、バーナ６と過熱器１２との間の高さ位置Ｈ_１に設けられてもよい。
あるいは、開口３５は、バーナ６と追加空気供給部１０との間の高さ位置Ｈ_２に設けられてもよい。

一般に、バーナ６と過熱器１２との間には高温の燃焼領域が形成されるため、バーナ６と過熱器１２との間の高さ位置Ｈ_１（又はバーナ６と追加空気供給部１０との間の高さ位置Ｈ_２）に設けられた開口３５は、より高温雰囲気に曝される。そこで、この開口３５に対して、上述した何れかの実施形態を適用することによって、高温雰囲気に曝される開口３５の近傍の炉内側表面においても灰の付着を抑制でき、且つ、炉外側を確実に低温に維持することができる。

図３Ａ及び図３Ｂ、図４に示すように、幾つかの実施形態に係るボイラ１のための耐火構造物３０は、上述した何れかの実施形態に記載されるように、ボイラ１の火炉壁４を形成する複数の冷却管２１のうち少なくとも一本の冷却管２１に接するように配置された第１耐火材層３１と、第１耐火材層３１からみて炉外側に位置し、第１耐火材層３１よりも熱伝導率が低い第２耐火材層３２と、を備える。
これにより、炉内側表面における冷却効果が高く、炉内側表面への灰の付着を抑制でき、且つ、炉外側を低温に維持することができる。

上述したように、本発明の少なくとも幾つかの実施形態によれば、炉内側に配設され、熱伝導率が比較的高い第１耐火材層３１によって、第１耐火材層３１に接する冷却管２１による冷却効果が第１耐火材層３１の広範囲に及び、炉内側表面の温度を効果的に下げることができる。これにより、炉内側表面への灰の付着を抑制することができる。
また、炉外側に配設され、熱伝導率が比較的高い第２耐火材層３２によって、耐火材の厚さ増加を抑えた上で、炉外側における温度を低く維持することができる。

図７Ａは、一実施形態における炉壁構造の温度分布を示す図である。図７Ｂは、比較例における炉壁構造の温度分布を示す図である。これらの図では、図２に示す構成において、耐火構造物３０のうち開口３５の縁部３６を閉塞する部位３０ａ，３０ａ’における温度分布を示している。
図７Ａは、一実施形態として、冷却管２１と、第１耐火材層３１（ＳｉＣ耐火材）と、第２耐火材層３２（Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２耐火材）とを備えた炉壁構造について、ガス温度１３５０℃、冷却管温度３８０℃の温度条件にて部位３０ａの温度分布をシミュレートした結果を示している。なお、この炉壁構造はフィン２４を備えていない。
図７Ｂは、比較例として、冷却管２１と、Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２耐火材３２’と、フィン２４’とを備えた炉壁構造について、ガス温度１３５０℃、冷却管温度３８０℃の温度条件で部位３０ａ’の温度分布をシミュレートした結果を示している。なお、フィン２４’は、冷却管２１に接続されており、Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２耐火材３２’よりも炉外側に配置されている。
これらのシミュレーション結果によれば、図７Ａに示す実施形態の方が、図７Ｂに示す比較例よりも高温領域が小さい。また、図７Ａにおける炉壁構造の最高温度は、炉内側の第１耐火材層３１のうち冷却管２１から離れた位置Ｐ_１であり、温度は１２７８℃であった。この程度の温度であればＳｉＣ耐火材の耐熱温度を満たし、耐久性の高い炉壁構造とすることができる。
これに対し、図７Ｂにおける炉壁構造の最高温度は、炉内側のフィン２４’のうち冷却管２１から離れた位置Ｐ_２であり、温度は１３３８℃であった。この温度では、フィン２４’としてＳＵＳを用いた場合、ＳＵＳの耐熱温度を超えてしまうため、フィン２４’が溶融してしまう可能性がある。
そのため、図７Ａにおいても実証されるように、上述した実施形態を採用することによって、ボイラ１（図１参照）の高温領域に適用可能な炉壁構造を提供することができる。

本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。

例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

１ ボイラ
２ 火炉
４ 火炉壁
５ 炉内空間
６ バーナ
８ 燃焼装置
１０ 追加空気供給部
１１ ダクト
１２ 過熱器
１３ 再熱器
１４ 節炭器
２０ 火炉壁
２１ 冷却管
２３ 伝熱部材
２３ａ 基端部
２３ｂ 先端部
２４ フィン
２５ 被覆層
３０ 耐火構造物
３０ａ 閉塞部位
３１ 第１耐火材層
３１ａ 閉塞部位
３２ 第２耐火材層
３５ 開口
３６ 縁部
３８ 付着防止膜
４０ 蓋部材
２１１，２１２ 冷却管
２１１ａ，２１２ａ 曲げ部
２１２ｂ 曲げ部

Claims (15)

1. 火炉壁を形成する複数の冷却管と、
   少なくとも一本の前記冷却管に接するように配置された第１耐火材層と、
   前記第１耐火材層からみて炉外側に位置し、前記第１耐火材層よりも熱伝導率が低い第２耐火材層と、
   を備えることを特徴とするボイラ。
2. 前記複数の冷却管は、隣り合って配置され、前記ボイラの高さ方向に沿って互いに離れるように曲がった曲げ部をそれぞれ有する一対の冷却管を含み、
   前記第１耐火材層及び前記第２耐火材層は、前記一対の冷却管の前記曲げ部によって形成される前記火炉壁の開口の縁部を閉塞するように配置されることを特徴とする請求項１に記載のボイラ。
3. 前記開口は、互いに対向するように設けられた２つの開口を含むことを特徴とする請求項２に記載のボイラ。
4. 前記第１耐火材層は、前記一対の冷却管の前記曲げ部に接するように設けられることを特徴とする請求項２又は３に記載のボイラ。
5. バーナと、
   前記バーナの上方に設置される過熱器と、をさらに備え、
   前記火炉壁の前記開口は、前記バーナと前記過熱器との間の高さ位置に設けられることを特徴とする請求項２乃至４の何れか一項に記載のボイラ。
6. 前記一対の冷却管並びに前記第１耐火材層及び前記第２耐火材層によって形成され、前記ボイラの炉内空間を炉外空間と連通する貫通穴を塞ぐ蓋部材をさらに備えることを特徴とする請求項２乃至５の何れか一項に記載のボイラ。
7. 前記第１耐火材層に少なくとも部分的に接するように前記冷却管から延設された少なくとも一つの伝熱部材をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載のボイラ。
8. 前記少なくとも一つの伝熱部材は、フィン又はスタッドの少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項７に記載のボイラ。
9. 前記複数の冷却管は、隣り合って配置され、前記ボイラの高さ方向に沿って互いに離れるように曲がった曲げ部をそれぞれ有する一対の冷却管を含み、
   前記第１耐火材層及び前記第２耐火材層は、前記一対の冷却管の前記曲げ部によって形成される前記火炉壁の開口の縁部を閉塞するように配置され、
   前記伝熱部材は、少なくとも、前記第１耐火材層のうち前記開口の前記縁部を閉塞する領域内に設けられることを特徴とする請求項７又は８に記載のボイラ。
10. 前記伝熱部材の基端部を覆うように設けられ、前記第１耐火材層よりも熱伝導率が小さい被覆層をさらに備え、
    前記被覆層によって覆われた前記基端部よりも前記冷却管から離れて位置する前記伝熱部材の先端部は、前記第１耐火材層に接することを特徴とする請求項７乃至９の何れか一項に記載のボイラ。
11. 前記第２耐火材層は、前記第１耐火材層からみて炉外側において前記第１耐火材層に隣接して設けられることを特徴とする請求項１乃至１０の何れか一項に記載のボイラ。
12. 前記第１耐火材層は、ＳｉＣを含むことを特徴とする請求項１乃至１１の何れか一項に記載のボイラ。
13. 前記第１耐火材層を覆うように前記第１耐火材層からみて炉内側に設けられ、灰分の付着を防止するように構成された付着防止膜をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至１２の何れか一項に記載のボイラ。
14. 前記付着防止膜は、ＢＮ又はＳｉＣの少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項１３に記載のボイラ。
15. 請求項１乃至１４の何れか一項に記載のボイラのための耐火構造物であって、
    前記ボイラの火炉壁を形成する複数の冷却管のうち少なくとも一本の冷却管に接するように配置された第１耐火材層と、
    前記第１耐火材層からみて炉外側に位置し、前記第１耐火材層よりも熱伝導率が低い第２耐火材層と、
    を備えることを特徴とするボイラの耐火構造物。