JP5530442B2 - 特に焼却炉用の裏換気型耐火壁 - Google Patents

特に焼却炉用の裏換気型耐火壁 Download PDF

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Description

本発明は、管壁で構成されたボイラ壁と、該ボイラ壁の前方に空間を空けて配設された耐火性保護ライニングとを備えた、請求項1の前段部に係る裏換気型耐火壁に関する。
上記のような耐火壁は例えば焼却プラントの火室で使用される。しばしば、ボイラ壁は、金属の管壁として設計され、一般的にはウェブを介して連結された管で構成される。管壁の前方に空間を空けて吊り下げられる耐火性保護ライニングは、煙ガス(smoke gas)による腐食から管壁を保護するためのものである。耐火壁は、例えば流動床炉でも使用され、該流動床炉において、ボイラ壁は、大なり小なり厚みを有するシンプルな金属壁で構成される。この場合も、ボイラ壁すなわち金属壁は腐食から保護されるべきである。
現在の焼却プラントにおけるボイラ壁及び保護ライニングは、1000度を超える温度にしばしばさらされ、適切な材料をもってしても、個々の運転状態間の大きな温度差による膨張および収縮を経験する。該温度差は、通常、ボイラ壁に比べて保護ライニングの方が遙かに大きく、このことは、材料を選択し且つ/又は保護ライニングを設計するときに考慮されるべきであり、これにより、保護ライニングは、ボイラ壁に見られる場合よりも大きな膨張および収縮により破壊されることがない。したがって、保護ライニング、すなわち該保護ライニングのタイルは、一般的には、ボイラ壁に強固に取り付けられず、相殺するようにボイラ壁に対して平行に移動することがある程度可能となるように遊びが与えられる。
保護ライニングに適切な材料を選択することで、あらゆる運転状態で保護ライニングがボイラ壁に適合することが可能になる。スチール製のボイラ壁にとっては、セラミック材料、特に炭化ケイ素(SiC)の保護ライニングが適切であることが分かっているが、SiCの含有量は大きく異なり得る。実際、SiCの含有量が30〜90%であるSiC混合物あるいはSiCタイルが使用される。
保護ライニングのタイルは、通常、煙ガスの通路を妨げるために、種々の対策を講じてある程度は相互にシールされる。しかしながら、実際には、これによって、腐食性の煙ガスが保護ライニングを突き抜けてボイラ壁を浸食することを完全に防止することはできない。
この問題には、いわゆる裏換気型壁システムが有利である。このシステムでは、保護ガス、一般的には空気が、ボイラ壁と前方に配設された保護ライニングとの間の中間スペースを通るように送り込まれるためである。前記ガス又は空気は、火室に比べて僅かに加圧された状態にさらされ、結果として、火室からの煙ガスが壁の前記中間スペースに入り込んでボイラ壁または他の金属部品を浸食することが防止される。この種の従来の壁システムは、空気の必要量が比較的大きく、好ましくないほどに高いポンプ流量を必要とする。
独国特許第19816059号明細書により、管壁と、間隔を空けて前方に設置された複数の防火性タイルからなる保護ライニングとを備えた裏換気型耐火壁が公知となっており、該耐火壁では、管壁と保護ライニングとの間の中間スペースが、少なくとも1つの閉じた圧力チャンバとして設計され、該圧力チャンバに、加圧された保護ガスが満たされる。該保護ガスの加圧が非常に大きくなると、焼却炉からの一切の煙ガスが保護ライニングを通って入り込めなくなる。これにより、比較的良好な腐食保護効果が達成されるが、保護ガスの分離効果は、保護ライニングと管壁との間の熱伝導を妨げ、これにより、使用法によっては、除去される熱が不十分となり得る。
本発明は、一方では、ボイラ壁が煙ガスによる腐食から確実に保護される点と、他方では、プロセス向けに最適化された保護ライニングとボイラ壁との間の熱伝導が保証されつつ保護ガスのポンプ流量が最小限に抑えられる点とにおいて、一般的なタイプの耐火壁を改良する目的に基づくものである。
この目的は、独立の請求項1に規定されるような本発明に係る耐火壁により解決される。本発明の特に有利な更なる発展および構成は、従属項から得られる。
本発明の本質は、次のような耐火壁である。該耐火壁は、裏換気型システムとして設計され、ボイラ壁と保護ライニングとの間の中間スペース内に保護ガス、一般的には空気を供給するガス供給手段を備える。前記耐火壁を通って流れる前記保護ガスにより、該壁内へ煙ガスが入り込むことが防止される。前記ガス又は空気は、タイルに設けられた連続的な鉛直方向の溝の領域において前記ボイラ壁を通って供給され、これにより、圧力低下を最小限に抑えつつ壁全体に拡がり得る。そのため、ボイラ壁と保護ライニングとの間隔は数ミリメートルまで縮小されることができ、比較的少量の保護ガス又は空気で足りることとなり、ひいては、更なる排ガスがほとんど生じないという利点がある。ボイラ壁と保護ライニングとの間隔が小さいことにより、熱伝導が実質的に増大する。前記溝内における圧力低下が小さいことにより、顕著な省エネルギーがもたらされる。
好ましくは、上下に隣接するタイル同士の前記溝は、一直線上に配置され、且つ、連絡可能に接続される。
前記ガス供給手段は、好適には、前記ボイラ壁における前記溝の領域に配置された注入口を備える。該注入口は、好適には、前記ボイラ壁の下部領域に配設されるか、又は、前記ボイラ壁の壁面全体に亘って分配される。
好ましい例示的な実施形態によれば、前記ボイラ壁は、ウェブにより連結された管を備えた管壁であり、前記注入口は、前記ウェブの領域に配設されている。
前記中間スペースの間隙幅は5mm以下であることが好ましく、3mm以下であることがより好ましい。
好適には、前記耐火壁は、前記中間スペース及び前記溝から前記保護ガスを排出する手段を有する。該保護ガスを排出する手段は、好ましくは前記耐火壁の最上部に配置され、前記保護ライニング又は前記ボイラ壁を貫通する排出口を備えることが有益である。
好ましい例示的な実施形態によれば、前記耐火性タイル間に、挿入される耐火性材料のセラミックシーリングストリップと、追加のグラウトとによりシールされるタイル結合部が介在する。
前記排出口は、好適には、シールされていない前記タイル結合部の領域により構成される。
好適には、タイル取付け部材が、前記ボイラ壁好ましくは溶接により固定されるとともに雌ねじを備えたボルトと、平らなタイル支持面と、前記ボルト内にねじ込まれるねじとをそれぞれ備え、該ねじにより、前記ボイラ壁から前記タイルまでの間隔が変更可能である。
好適な実施形態によれば、少なくとも1列の水平方向のタイル列のタイルは、残りのタイルに比べて、前記ボイラ壁からの間隔が僅かに大きくなるように配置され、結果として、前記保護ガス、特に空気が前記耐火壁の幅全体に亘って拡がることを可能にする横断経路を形成する。
好ましい実施形態によれば、少なくともいくつかの横方向に隣接するタイルに、略水平方向に延び連続的な横断経路が設けられ、該横断経路は、前記少なくともいくつかの横方向に隣接するタイルの鉛直方向の溝を相互に連絡可能に接続する。この場合、前記横断経路を装備したタイルは、壁の装置の上方または下方に配置され、且つ/又は、上下に間隔を空けて重なり合うタイル列に配置される。
さらに好適な実施形態によれば、前記タイルに旋回要素が設けられ、該旋回要素は、前記ボイラ壁と前記保護ライニングとの間を流れる前記保護ガスに渦を発生させ、これにより、前記タイルと前記ボイラ壁との間の熱伝導を増大させる。前記旋回要素は、好適には
前記ボイラ壁に対向する前記タイルの隆起し且つ/又は窪んだ領域により形成される。
前記耐火壁から排出される保護ガス又は空気は、好ましくは、耐火壁内に戻され、且つ/又は、第1のガス又は空気として及び/又は第2のガス又は空気として焼却プラント内に供給される。
以下において、本発明に係る耐火壁は、添付図面を参照する例示的な実施形態により更に詳細に説明される。
本発明に係る第1の例示的な実施形態の耐火壁を保護ライニングの方から見た図である。 図1のII−II線断面図である。 図1のIII−III線断面図である。 図3を拡大表示した断面図である。 耐火壁の一種を示す図4と同様の図である。 保護ライニングの特別に設計されたタイルを示す斜視図である。 本発明に係る第2の例示的な実施形態の耐火壁を示す図3と同様の断面図である。 本発明に係る耐火壁を備えた焼却プラントの概略図である。 保護ライニングのタイルの一形態を示す図6と同様の斜視図である。 図9の矢印Xの方向から前記タイルを見た図である。 前記タイルを示す図10のXI−XI線断面図である。 前記タイルを示す図10のXII−XII線断面図である。
以下において使用される「上」、「下」、「幅」、「高さ」、「鉛直(縦)」、「水平」、「横」、「上下に重なり合う」、「相互に隣り合う」などの位置および方向を示す用語は、実用的な耐火壁の通常の方向を指す。
図1〜図4において符号Wで全体的に示される本発明に係る第1の例示的な実施形態の耐火壁は、ボイラ壁としての管壁1(図2〜図4)と、該管壁の前方に空間を空けて配設された保護ライニング2とを備え、管壁1と保護ライニング2との間に中間スペース3が形成されている。管壁1は、実用的用途において複数の縦管11を備え、これらの縦管は、ウェブ12により相互に間隔を空けた状態に保持されている。管11及びウェブ12は、通常はスチール製である。保護ライニング2は、相互に隣り合い且つ上下に重なり合うように配置された複数の耐火性タイル21を備え、該耐火性タイルは、端部の相補的な成形により相互に係合し、この態様において、ある程度相互にシールされる。タイル21間の分離結合部は符号23で示されている。前記タイルは、例えば、セラミックSiCタイル、好ましくは、約90%のSiC含有量で生産されたSiC90タイルであり、1000度以上の耐火性を有する。各タイル21は、例えば4つのタイル取付け部材22により管壁1に固定されている。該タイル取付け部材は、例えば、AISI標準によるスチールNo.310またはDIN17440による材料No.1.4845などの耐熱スチールからなる。タイル取付け部材22は、実質的に、ウェブ12に溶接されて雌ねじを備えた四角ボルト22aと、扁平な側面22bと、四角ボルト22a内にねじ込まれるねじ22cとを備えている(図4)。タイル取付け部材22は、鉛直方向に連続してタイル21の内側に向かって拡がる開放溝21aに係合し、管壁からタイル21までの間隔を決定する。保護ライニング2の縦(鉛直)方向において、タイル21は、熱に関係する膨張または収縮の動きを許容するようにある程度移動可能である。管壁に対向するタイル21の側面は、管11に適応する形状(図6では円筒状のチャンネル21c)を有し、これにより、管壁1と保護ライニング2との間の中間スペース3の空隙幅すなわち間隙幅dが壁全体に亘っておおよそ一定となっている。
好ましくは、保護ライニング2のタイル21は2つの手段により相互にシールされる。特に図3及び図7から明らかなように、Z字形に設計された保護ライニング2のタイル結合部23は、挿入される耐火性材料のセラミックシーリングストリップ23aと、追加のグラウトとによってシールされている。セラミックシーリングストリップ23aはある程度の柔軟性を提供するが、完全なシールを提供しない。後者は、前記追加のグラウト23bのシールにより成し遂げられる。
耐火壁Wは、裏換気型システムとして設計されている。これが意味するところは、保護ライニング2とボイラ壁、すなわち第1の例示的な実施形態における管壁11との間の中間スペース3が、運転中において保護ガス、一般的には空気の通気にさらされるということである。前記中間スペースにおける前記ガス(又は空気)は、焼却炉の火室に比べて僅かに加圧されている。このため、腐食性煙ガスが保護ライニングの漏れる部位を通って前記火室から中間スペース3へ入り込んで管壁1を浸食することが回避される。
耐火壁の中間スペース3への保護ガスの供給および該中間スペースからの保護ガスの排出のために、耐火壁には注入口31と排出口32とが設けられ、注入口31は、1又は複数の供給部33に接続されて、該供給部により供給される(図2及び図3)。保護ガス又は空気の供給は、ボイラ壁の側面からもたらされ、注入口31は、ボイラ壁、すなわち本実施形態では管壁1を、そのウェブ12の領域において貫通する(図3及び図4)。排出口32(図1)は保護ライニング2を貫通し、この結果、中間スペース3を流れる保護ガスはボイラ内へ排出される。
別の実施形態として、前記排出口は、保護ライニング2ではなく、ボイラ壁に、特に管壁1のウェブ12に配置されるようにしてもよく、この場合、このルートにより保護ガスが外部へ排出される(すなわち、図4に示される注入口31に代えて、図示の方向とは反対の保護ガスの流れ方向を備えた排出口を設ける構成としてもよい。)。外部に排出される保護ガスは、ボイラ壁の外側に配設されたコムボックス(comb box)33a(図8)内に吸い込まれることが好ましく、この目的のために、コムボックスには真空が形成される。この方法において、排ガス浄化プラントが更なる負荷にさらなされないように、ボイラ内の排ガス量は保護ガスによりいたずらに増加しない。さらに、必要があれば、外部に排出される保護ガスについて汚染物質が分析されてもよい。
図8は、耐火壁Wが焼却プラントに挿入される方法を示す。符号100で全体的に示される焼却プラントは、原料投入室110と火室120とを周知の態様で備えている。耐火壁Wは火室120の領域に配置され、該火室の壁の一部を形成する。保護ガス又は空気の供給は、既述のコムボックス33を経由して耐火壁Wの下部領域にもたらされる。上側の壁領域では、さらなるコムボックス又はマニホールド33aが配設され、該さらなるコムボックス又はマニホールドを経由して、保護ガス又は空気が耐火壁Wから排出される。排出される保護ガス又は排出される空気は、下側のコムボックス33を経由して耐火壁W内へ戻されるか(矢印113)、又は、焼却プラント100に供給されてもよい。焼却プラントへの供給は、第1のガス又は空気(矢印111)として投入室110内にもたらされ、且つ/又は、第2のガス又は空気(矢印112)として火室120の下端部にもたらされてもよい。
排出口32は、図1に概略的に示されるように、耐火壁の上端部に配置されることが好ましい。排出口32は、シールされていないタイル結合部23の部分に形成されるか、又は、この代わりに、上述のように、管壁1のウェブ12の開口部で構成されてもよい。注入口31は、図2に示されるように、前記耐火壁の基部、すなわち、該耐火壁の下端部近傍に配設されてもよい。しかしながら、注入口31は、壁面全体に亘って、又は壁面の個別の領域に亘って分配されてもよい。
本発明の実質的な特徴は、特に図3及び図4から明らかなように、保護ガス又は空気の供給が、タイル21の連続的な開放溝21aの領域に直接もたらされる。図4において、供給される空気は矢印Lで表されている。注入口31は、開放溝21aの領域におけるウェブ12に配設されている。供給されるガス又は空気は、最初に開放溝21aに入り込み、該過程において、より大きな断面による大きな流れ抵抗がなく、耐火壁全体に亘って拡がり得る。これにより、ボイラ壁すなわち本実施形態における管壁1と前方に吊り下げられた保護ライニング2との間の中間スペース3を大幅に縮小することができ、実際の間隙幅d(図4)は、1〜5mm、好ましくは1〜3mmにしかならない。管壁1は、いくつかの領域において損傷することなくタイル21に接触することもできる。耐火壁内における保護ガス又は空気の経路としての前記溝21aと、管壁1と保護ライニング2との間の縮小された間隔dとを利用することにより、比較的少ないガス又は空気の量で足り、圧力損失が極めて小さくなる。ボイラ内部の圧力に比べて、必要とされる圧力は、1〜10mbar、好適には1〜5mbarまで低減され得る。このことが、ひいては、実際の運転において大幅な省エネルギーを生み出すことになる。さらに、管壁と保護ライニングとの間の間隔が縮小されることにより、熱伝導が実質的に増大する。
本発明の有利な更なる発展に係る耐火壁内における保護ガス又は空気の分配の更なる改良は、所定の縦間隔、例えば2〜4m毎における保護ライニングのいくつかの横方向のタイル列は、残りのタイルに比べて、管壁からの間隔が僅かに大きくなるように配置され、これにより、水平方向の横断経路が形成され、該経路を経由して、前記空気が耐火壁の幅全体に亘って拡がることができる。
さらに又はこれに代えて、図5及び図6に示されるように、本発明の特に有利な更なる構成において、略水平に延びる横断経路が形成されてもよい。このことは、実際の運転において耐火壁が、例えばバーナー又は窓などの、鉛直方向の溝を遮る装置を備える場合に特に重要であり、この場合、前記装置の上方に位置する壁部分、又は、保護ガス若しくは空気が上部から供給される別の実施形態においては前記装置の下方に位置する壁部分に、保護ガス又は空気が直接供給されることができない。図5は、装置40を備えた壁の詳細を示す。この図5によれば、装置40の部分において溝21aが遮られることは明らかである。装置40の上方に位置する壁部分すなわちタイル21に空気を供給できるようにするために、前記装置の直上に位置するタイル列のタイル21に横断経路21bが設けられ、該経路は、前記タイル列のタイル21における鉛直方向の溝21aを連絡可能に接続する。この態様において、図5において符号のない矢印で示されるように、保護ガス又は空気は、横断による遮断のない横方向に隣接する溝21aから流れ出て、装置40の上方に位置するタイル21の溝21a内へ流れ込むことができる。
図6は、横断経路21bが形成されたタイル21を示す。この図6から明らかなように、横断経路21bはタイル21の両側に開放しており、これにより、隣接するタイルの横断経路が連続的な流路を形成するようになっている。
横断経路21bは、装置40の上方に位置するタイル列全体を通して延設される必要はない。実際、前記タイル列の少なくとも一方の側に隣接するタイルが、連絡可能なように前記装置の横方向外側に位置する場合、前記装置の上方に位置するタイルは、少なくとも一方の側で接続されれば十分であるが、両側で接続されることが好ましい。仮に縦方向の保護ガス又は空気の流れが何らかの装置により遮られない場合であっても、所定間隔で横断経路を備えたタイル列を配設するか又は全てのタイルに横断経路を装備することは、より良好な流量分布を得る上で有利となり得る。
本発明の更に重要な特徴によれば、単なる例示的な態様における図9〜図12に示されるように、保護ガス又は空気の流路において旋回要素が配設されることにより、保護ライニング2と管壁1との間の熱伝導が増大し得る。
1つの実施形態において、前記旋回要素は、タイル21の円筒状のチャンネル21cの領域において隆起した湾曲リブ21dで構成されることができる。これに代えて又はこれに加えて、前記旋回要素は、保護ガス又は空気の流路の領域における窪み21eで構成されてもよい。最後に、前記旋回要素は、開放溝21a内へ突出するピン状部材21fで構成されてもよい。
既述のように、供給される保護ガス又は空気は、好ましくはコムボックスとして構成される1又は複数の供給部33を経由してもたらされる。前記空気を導くために必要なブロワは、例えば、周波数制御されるモータにより駆動され、1又は複数の位置で測定される前記溝21a内の加圧が、前記ブロワの制御に利用される。この態様において、エネルギー必要量は最適化または最低限に抑制され得る。
冒頭で既述したように、本発明に係る耐火壁のボイラ壁は、必ずしも管壁として設計される必要はなく、例えば、通常の金属壁であってもよい。図7は、ボイラ壁が上記のような平坦な金属壁1’として設計された第2の例示的な実施形態を概略的に示す。この例示的な実施形態でも、タイル21の溝21a内への空気の供給と、これにより達成される中間スペース3の間隙幅の低減とは、上述の効果をもたらす。
1:管壁(ボイラ壁)、1’:金属壁(ボイラ壁)、2:保護ライニング、3:中間スペース、11:管、12:ウェブ、21:耐火性タイル、21a:開放溝、21b:横断経路、21c:円筒状のチャンネル、21d,21e,21f:旋回要素、22:タイル取付け部材、31:注入口、32:排気口、33:供給部、100:焼却プラント、110:原料投入室、120:火室。

Claims (15)

  1. ウェブ(12)により連結された管(11)を備えた管壁(1)と、
    管壁から空間を空けて配置され、且つ、相互に隣り合い且つ上下に重なり合うように配置されるとともにそれぞれ少なくとも1つのタイル取付け部材(22)を介して前記管壁に固定された複数の耐火性タイル(21)を有する、耐火性保護ライニング(2)と、を備え、
    前記管壁(1)と前記保護ライニング(2)との間に少なくとも部分的に中間スペース(3)が介在し、
    前記管壁(1)と前記保護ライニング(2)との間の前記中間スペース(3)内に保護ガスを供給するためのガス供給手段(31)を更に備えた、裏換気型耐火壁であって、
    前記タイル(21)は、
    略鉛直方向に連続的に延び、前記管壁(1)に向かって開放し、前記タイル(21)の内部に拡がる横断面を有し、前記タイル取付け部材(22)が係合する溝(21a)を備え、
    前記ガス供給手段(31)は、前記保護ガスを前記溝(21a)内に供給し、且つ/又は、前記中間スペース(3)における前記溝(21a)に対向する領域内に供給することを特徴とする耐火壁。
  2. 上下に隣接するタイル(21)同士の前記溝(21a)は、一直線上になっており、且つ、連絡可能に接続されていることを特徴とする請求項1に記載の耐火壁。
  3. 前記ガス供給手段は、前記管壁(1)における前記溝(21a)の領域に配置された注入口(31)を備えたことを特徴とする請求項1または2に記載の耐火壁。
  4. 前記注入口(31)は、前記管壁(1)の下部領域に配設されるか、又は、前記管壁の壁面全体に亘って分配されていることを特徴とする請求項3に記載の耐火壁。
  5. 前記注入口(31)は、前記ウェブ(12)の領域に配設されていることを特徴とする請求項3または4に記載の耐火壁。
  6. 前記中間スペース(3)の間隙幅(d)は5mm以下であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の耐火壁。
  7. 前記中間スペース(3)及び前記溝(21a)から前記保護ガスを排出する手段(32)を備えたことを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の耐火壁。
  8. 前記保護ガスを排出する手段は、
    前記耐火壁の最上部に配置され、前記保護ライニング(2)又は前記管壁(1)を貫通する排出口(32)を備えたことを特徴とする請求項7に記載の耐火壁。
  9. 前記耐火性タイル(21)間に、挿入される耐火性材料のセラミックシーリングストリップ(23a)と、追加のグラウト(23b)とによりシールされるタイル結合部(23)が介在することを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載の耐火壁。
  10. 前記タイル取付け部材(22)は、
    前記管壁(1)に固定され、雌ねじを備えたボルト(22a)と、
    平らなタイル支持面(22b)と、
    前記ボルト(22a)内にねじ込まれるねじ(22c)とをそれぞれ備え、
    該ねじにより、前記管壁(1)から前記タイル(21)までの間隔が変更可能となっていることを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項に記載の耐火壁。
  11. 少なくとも1列の水平方向のタイル列のタイル(21)は、残りのタイルに比べて、前記管壁(1)からの間隔が僅かに大きくなるように配置され、結果として、前記保護ガスが前記耐火壁の幅全体に亘って拡がることを可能にする横断経路を形成していることを特徴とする請求項1〜10のいずれか1項に記載の耐火壁。
  12. 少なくともいくつかの横方向に隣接するタイル(21)に、
    略水平方向に延び、前記少なくともいくつかの横方向に隣接するタイル(21)の鉛直方向の溝(21a)を相互に連絡可能に接続する連続的な横断経路(21b)が設けられていることを特徴とする請求項1〜11のいずれか1項に記載の耐火壁。
  13. 横断経路(21b)を装備したタイル(21)は、前記耐火壁に設けられた装置(40)の上方または下方に配置されていることを特徴とする請求項12に記載の耐火壁。
  14. 横断経路(21b)を装備したタイル(21)は、互いに間隔を空けた複数の水平方向のタイル列上に配置されていることを特徴とする請求項12または13に記載の耐火壁。
  15. 前記管壁(1)と前記保護ライニング(2)との間を流れる前記保護ガス用の旋回要素として、前記タイル(21)における前記管壁側の面から隆起した湾曲リブ(21d)、前記タイル(21)における前記管壁側の面に設けられた窪み(21e)、又は、前記溝(21a)内に突出するように前記タイル(21)に設けられたピン状部材(21f)のいずれかで構成された旋回要素が設けられていることを特徴とする請求項1〜14のいずれか1項に記載の耐火壁。
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