JP6207055B2 - 水冷式ストーカの水冷火格子 - Google Patents

Description

本発明は、主に都市ごみや産業廃棄物等のごみを焼却処理するストーカ式焼却炉に用いる水冷式ストーカの水冷火格子の改良に係り、特に、冷却水を流す水冷管を鋳込んだ水冷火格子において、高さを低く抑えた水冷火格子の内部に水冷管を略水平に配置することによって、水冷管の内部に気泡が溜まらず、冷却効果が高くなって安全性及び耐久性に優れていると共に、安価に製造できるようにした水冷式ストーカの水冷火格子に関するものである。

ストーカ式焼却炉においては、高カロリーのごみを焼却処理する場合や排ガス量低減や排熱回収の効率向上を図るために低空気比燃焼を行う場合、炉内の燃焼温度が上昇するため、ストーカを構成する火格子が高温になり、従来の空冷火格子を用いた空冷式ストーカでは、火格子が焼損して火格子の耐用期間が短くなると云う問題があった。

そのため、空冷火格子を用いた空冷式ストーカに替え、冷却効率が高い水を冷却媒体として使用する水冷火格子を用いた水冷式ストーカの開発が多方面で進められており、実用に供されている。

従来、水冷式ストーカの水冷火格子としては、例えば、特許第２９４８１６５号公報（特許文献１）、特許第３８３８６３９号公報（特許文献２）、特許第３９６１７９０号公報（特許文献３）、欧州特許第０６３３５６５号明細書（特許文献４）、特許第３２８５８７４号公報（特許文献５）、特許第３８７６１３３号公報（特許文献６）、特許第２９４１７５３号公報（特許文献７）及び特開２０００−１０４９１３号公報（特許文献８）に開示された構造のものが知られている。

即ち、特許文献１に記載された水冷火格子は、冷却水管に冷却フィンを取り付け、冷却フィンを収納する空間を設けた火格子を、冷却フィンに嵌合するように冷却水管上に載置したものである。また、火格子と冷却フィン及び冷却水管との間の隙間に熱伝導性に優れたモルタルを充填し、冷却効果を損なわないようにしている。

特許文献２に記載された水冷火格子は、水冷管を内蔵した水冷ブロックを火格子の先端部裏面に嵌め込んだものである。また、火格子と水冷ブロック体との間の隙間に熱伝導性に優れた充填材（モルタル）を充填又は塗布し、冷却効果を損なわないようにしている。

特許文献３に記載された水冷火格子は、火格子本体の上壁及び前壁の裏面側に水冷管挿入溝を形成し、当該水冷管挿入溝に水冷管を嵌め込んで水冷管の外壁面を水冷管挿入溝の内壁面へ密着させたものである。

特許文献４〜６に記載された水冷火格子は、火格子の内部に冷却水を流す通路を設け、当該通路に冷却水を流して火格子を直接的に冷却するようにしたものである。

特許文献７に記載された水冷火格子は、ごみの移動方向に合致する火格子の縦方向に対して横方向に蛇行する冷却管を火格子内に鋳込み、火格子を直接的に冷却するようにしたものである。

特許文献８に記載された水冷火格子は、火格子の縦方向に曲折形状に走行するパイプを火格子内に鋳込み、火格子を直接的に冷却するようにしたものである。

上述した各水冷火格子は、冷却媒体に冷却水を使用しているため、空冷火格子に比較して冷却性能に極めて優れている。

しかし、特許文献１〜３に記載された水冷火格子は、何れも火格子を間接的に冷却しているため、火格子を直接的に冷却する水冷火格子に比較して冷却効率が低いと云う問題がある。

また、特許文献１，２に記載された水冷火格子は、冷却効果を高めるために火格子と冷却フィン及び冷却水管との間の隙間や火格子と水冷ブロック体との間の隙間に熱伝導率の高いモルタルを充填するようにしているが、所詮モルタル部分の熱抵抗があるため、冷却効率は直接冷却と比べると劣ることになる。

更に、特許文献１〜３に記載された水冷火格子は、施工の良否、外力や熱膨張によって火格子と冷却水管（又は冷却フィン）や火格子と水冷ブロック体との間に僅かでも隙間が生じると、大きな熱抵抗となり、冷却効率が更に低下することになる。

更に、特許文献４〜６に記載された水冷火格子は、火格子に冷却水の通路を設けて火格子を直接的に冷却しているため、火格子を間接的に冷却するものに比較して冷却効率が高くなっているが、火格子に外力や熱応力が作用して火格子本体に亀裂が生じた場合、冷却水が外部へ漏れると云う不具合が発生する。

更に、特許文献７，８に記載された水冷火格子は、火格子内に冷却管やパイプを鋳込み、火格子を直接的に冷却しているため、冷却効率が高いものになっている。また、火格子本体と冷却管やパイプとは一体となっているが、組織的には別物となっているため、火格子に外力や熱応力が作用して火格子本体に亀裂が生じた場合でも、すぐに冷却水が外部へ漏れると云うことがない。

しかし、特許文献７，８に記載された水冷火格子は、何れも火格子本体の高さが高く、火格子先端部で冷却管やパイプが鉛直下向きに配管（配置）される構造、即ち、冷却水が火格子先端部で鉛直方向下向きに流れることになり、火格子先端の冷却管上部やパイプ上部に気泡が溜まり易い構造となっている。
特に、火格子の先端部は、熱負荷が高いため、火格子先端の冷却管やパイプ上部に気泡が溜まると、冷却効率が著しく低下することになる。

また、特許文献７，８に記載された水冷火格子は、何れも冷却水の給水管及び排水管が火格子下面から下向きに配置されており、排水管内の冷却水が鉛直方向下向きに流れるため、排水配管の上部に気泡が溜まり、冷却効率が低下する可能性があった。

特許第２９４８１６５号公報 特許第３８３８６３９号公報 特許第３９６１７９０号公報 欧州特許第０６３３５６５号明細書号公報 特許第３２８５８７４号公報 特許第３８７６１３３号公報 特許第２９４１７５３号公報 特開２０００−１０４９１３号公報

本発明は、このような問題点に鑑みて為されたものであり、その目的は、冷却水を流す水冷管を鋳込んだ水冷式ストーカの水冷火格子において、高さを低く抑えた水冷火格子の内部に水冷管を略水平に配置することによって、水冷管の内部に気泡を溜まり難くし、冷却効果が高くなって安全性及び耐久性に優れ、しかも、安価に製造できるようにした水冷式ストーカの水冷火格子を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の請求項１の発明は、火格子本体内に冷却水を流す水冷管を鋳込んだ水冷火格子を並列状に組み合せて成る可動火格子段と固定火格子段とを交互に階段状に配置して成る水冷式ストーカの水冷火格子において、前記火格子本体の内部に配置される水冷管は略水平とし、当該水冷管の火格子本体の先端部内に配置される部分は、熱負荷の高い火格子本体の前端面を冷却できるように水平面に対して３０度以下の角度で斜め下方へ傾斜させて配置し、また、前記火格子本体は、水冷管の先端部の傾斜角度が水平面に対して３０度以下となるようにその高さを低く抑えた平面形状が矩形状の火格子本体としたことに特徴がある。

本発明の請求項２の発明は、請求項１に記載の発明に於いて、水冷管を、断面形状が円形の高温配管用炭素鋼管としたことに特徴がある。

本発明の水冷式ストーカの水冷火格子は、火格子本体と、火格子本体内に一体的に鋳込まれた水冷管とから成り、火格子本体の高さを低く抑え、火格子本体の内部に水冷管を略水平に配置しているため、水冷管の内部に気泡が溜まると云うことがなく、高い冷却効率が得られる。

また、本発明の水冷式ストーカの水冷火格子は、火格子本体の高さを、略水平に配置された水冷管の冷却効果が得られる高さとし、また、水冷管の火格子本体の先端部内に配置された部分を、斜め下方へ傾斜させて配置し、その傾斜角度を水平面に対して３０度以下に設定しているため、水冷管の火格子本体の先端部内に位置する部分に気泡が溜まるのを抑制することができ、熱負荷の高い火格子本体の前端面を効率良く冷却することができる。

更に、本発明の水冷式ストーカの水冷火格子は、水冷管の両端部を火格子本体の後端面から水平姿勢で突出させ、水冷管の一方の端部を給水管とすると共に、水冷管の他方の端部を排水管としているため、給水管及び排水管が水平姿勢となるので水冷管に気泡がより溜まり難くなり、より高い冷却効率が得られる。

更に、本発明の水冷式ストーカの水冷火格子は、水冷管を断面形状が円形の炭素鋼管としているため、水冷管内の冷却水の流れによどみ部が生じ難くなって均一な冷却水の流れとなり、均一な冷却効果が得られると共に、安価に製造することができる。
また、パイプを曲げ加工して冷却水の流路を形成することで均一断面でよどみを生じ難く、いろいろな形状に対応できると共に、管ピッチを変えることにより冷却効果を調整することができる。

本発明の実施形態に係る水冷火格子を用いた水冷式ストーカを有するストーカ式焼却炉の一部切欠斜視図である。 本発明の実施形態に係る水冷火格子の側面図である。 本発明の実施形態に係る水冷火格子の平面図である。 本発明の実施形態に係る水冷火格子の底面図である。 本発明の実施形態に係る水冷火格子の背面図である。 図２のＡ−Ａ線断面図である。 本発明の他の実施形態に係る水冷火格子の側面図である。 本発明の他の実施形態に係る水冷火格子の底面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明の実施形態に係る水冷火格子を用いた水冷式ストーカを有するストーカ式焼却炉を示し、当該ストーカ式焼却炉は、炉本体１と、ごみが投入されるごみ投入ホッパ２と、炉内へごみを供給する給じん装置３と、ごみを乾燥・燃焼させる水冷式ストーカ４と、水冷式ストーカ４の下方位置に配置した複数のストーカ下ホッパ５と、各ストーカ下ホッパ５に接続された空気ダクト６と、水冷式ストーカ４の下流側に設けた灰シュート７等から構成されており、ごみ投入ホッパ２から給じん装置３を介して炉内の水冷式ストーカ４上に供給したごみを、空気ダクト６から各ストーカ下ホッパ５を経由して水冷式ストーカ４の下方から供給される燃焼用空気により水冷式ストーカ４上で乾燥・燃焼させると共に、焼却後の灰を灰シュート７から排出するようにしたものである。

前記水冷式ストーカ４は、ごみの流れ方向に乾燥ストーカ４ａ、燃焼ストーカ４ｂ、後燃焼ストーカ４ｃに分割されており、燃焼用空気がストーカ下ホッパ５を介して各ストーカ４ａ，４ｂ，４ｃの下から送り込まれている。

各ストーカ４ａ，４ｂ，４ｃは、ごみの流れ方向に可動火格子段８と固定火格子段９とを交互に水平姿勢で配置すると共に、各火格子段８，９を上流側の火格子段の下面が下流側の火格子段の上面に重なるように階段状に配置することにより構成されており、これによりごみや灰の落下を防止している。

また、各可動火格子段８及び各固定火格子段９は、水冷火格子１０を並列状に並べて組み合わせることにより構成されており、可動火格子段８は火床フレームの可動バー１１に、固定火格子段９は火床フレームの固定バー１２にそれぞれボルト及びナット（図示省略）等により取り付けられている。

更に、各可動火格子段８は、油圧シリンダ等の駆動装置（図示省略）により前後方向へ一定のピッチで往復動を行っており、各ストーカ４ａ，４ｂ，４ｃ上のごみを撹拌しながらごみを上流側から下流側へ移送するようになっている。

そして、ごみの発熱量が低く、燃焼性が悪い場合には、各ストーカ４ａ，４ｂ，４ｃの間に段差１３を設け、ごみの反転、撹拌を行うことで効果的な焼却を行えるようになっている。

尚、水冷火格子１０は、ストーカの熱負荷が高い部分又はストーカの全てに設置するにしても良い。
また、図１において、１４は落下灰コンベヤ、１５は起動バーナ、１６はボイラ用水管である。

図２〜図６は可動火格子段８及び固定火格子段９を構成する本発明の実施形態に係る水冷火格子１０を示し、当該水冷火格子１０は、高さＨを低く抑えた平面形状が矩形状の火格子本体１７と、火格子本体１７内に一体的に鋳込まれ、火格子本体１７の内部に略水平に配置されて火格子本体１７を平面的に均一に冷却する水冷管１８とから成る。

具体的には、前記火格子本体１７は、鋳造により平面形状が長方形の板状に一体形成されており、長方形状の水平板部１７ａと、水平板部１７ａの先端部に下方へ傾斜する姿勢で連設され、前端面１７ｅ及び摺動面１７ｆを有する傾斜板部１７ｂと、水平板部１７ａの後端部裏面に連設され、火床フレームの可動バー１１や固定バー１２へ取り付けられる取り付け部１７ｃとを備えている。

また、火格子本体１７は、取り付け部１７ｃを除いた部分の高さＨが低く抑えられている。即ち、水冷火格子１０は、水冷管１８を鋳込んだ水平板部１７ａと傾斜板部１７ｂの高さＨが低く抑えられており、その高さＨは略水平に配置した水冷管１８の冷却効果が得られる高さＨに設定されている。

尚、取り付け部１７ｃは、水平板部１７ａの後端部裏面に垂直に連設された複数の垂直壁１７′ｃと、各垂直壁１７′ｃの下端部に水平板部１７ａに対して平行に連設された水平壁１７″ｃとから成り、水平壁１７″ｃには、火格子本体１７を可動バー１１や固定バー１２へ取り付けるためのボルト（図示省略）が挿通される複数のボルト穴１９が形成されている。

一方、前記水冷管１８は、一般に使用される断面形状が円形の炭素鋼管をＵ字形状に折り曲げ加工することにより形成されており、火格子本体１７内に一体的に鋳込まれている。
この実施形態では、水冷管１８は、２形状のＵ字形の水冷管１８′，１８″を組み合せて成り、内側の水冷管１８′と外側の水冷管１８″とが火格子本体１７の内部に略水平姿勢で且つ火格子本体１７を平面的に均一に冷却できるように配置されている。この両水冷管１８′，１８″は、火格子本体１７の内部に略水平に配置されているため、両水冷管１８′，１８″の内部に気泡が溜まり難くなっている。

また、水冷管１８の火格子本体１７の先端部に位置する部分は、火格子本体１７の高さＨを低く抑えても、必ず高さＨが生じるため、熱負荷の高い火格子本体１７の前端面１７ｅを効率良く冷却するために火格子本体１７の先端部である傾斜板部１７ｂに斜め下方へ傾斜する姿勢で配置されている。この場合、水冷管１８の火格子本体１７の先端部に位置する部分の傾斜角度θは、水冷管１８内に気泡が溜まることを抑制するために水平面に対して３０度以下とすることが望ましい。

更に、内側の水冷管１８′及び外側の水冷管１８″の両端部は、それぞれ火格子本体１７の後端面１７ｇから水平姿勢で外方へ突出しており、各水冷管１８′，１８″の一方の端部が給水管１８ａ，１８ａとなっていると共に、各水冷管１８′，１８″の他方の端部が排水管１８ｂ，１８ｂとなっている。
この実施形態では、給水管１８ａ，１８ａと排水管１８ｂ，１８ｂとは、平面視において交互に配置されている。

そして、内側の水冷管１８′及び外側の水冷管１８″は、内側の水冷管１８′の排水管１８ｂと外側の水冷管１８″の給水管１８ａとがエルボ管２０及び短管２１を介して接続されており、冷却水Ｗが内側の水冷管１８′を通ってから外側の水冷管１８″へ流入し、外側の水冷管１８″を通って外側の水冷管１８″の排水管１８ｂから排出されるようになっている。

尚、内側の水冷管１８′の給水管１８ａ及び外側の水冷管１８″の排水管１８ｂには、接続用のエルボ管２０がそれぞれ接続されており、給水管１８ａ側のエルボ管２０は水冷式ストーカ４の下方に配設した冷却水給水管（図示省略）に接続され、また、排水管１８ｂ側のエルボ管２０は水冷式ストーカ４の下方に配設した冷却水排出管（図示省略）に接続されている。

上記の実施形態においては、内側の水冷管１８′の排水管１８ｂと外側の水冷管１８″の給水管１８ａとをエルボ管２０及び短管２１で接続するようにしたが、他の実施形態においては、内側の水冷管１８′の排水管１８ｂと外側の水冷管１８″の給水管１８ａとをホース継手及び耐熱性のホース（何れも図示省略）等で接続するようにしても良い。

而して、上述した水冷火格子１０によれば、冷却水Ｗは、水冷式ストーカ４の下方に配設した給水本管（図示省略）から冷却水給水管（図示省略）及び内側の水冷管１８の給水管１８ａを通して内側の水冷管１８′内へ供給され、内側の水冷管１８′、エルボ管２０、短管２１、エルボ管２０及び外側の水冷管１８″を順次通って火格子本体１７を冷却する。
火格子本体１７を冷却することにより加熱された冷却水Ｗは、外側の水冷管１８″の排水管１８ｂから冷却水排出管（図示省略）を通して水冷式ストーカ４の下方に配設した排水本管（図示省略）へ排出される。

上述した水冷火格子１０は、火格子本体１７の高さＨを低く抑え、火格子本体１７の内部に水冷管１８を略水平に配置しているため、水冷管１８の内部に気泡が溜まると云うことがなく、高い冷却効率が得られる。

また、この水冷火格子１０は、水冷管１８の火格子本体１７の先端部内に配置された部分を、斜め下方へ傾斜させて配置し、その傾斜角度を水平面に対して３０度以下に設定しているため、水冷管１８の火格子本体１７の先端部内に位置する部分に気泡が溜まるのを抑制することができ、熱負荷の高い火格子本体１７の前端面１７ｅを効率良く冷却することができる。

更に、この水冷火格子１０は、水冷管１８の両端部を火格子本体１７の後端面１７ｇから水平姿勢で突出させ、水冷管１８の一方の端部を給水管１８ａとすると共に、水冷管１８の他方の端部を排水管１８ｂとしているため、給水管１８ａ及び排水管１８ｂが水平姿勢となるので水冷管１８に気泡がより溜まり難くなり、より高い冷却効率が得られる。

更に、この水冷火格子１０は、水冷管１８を一般に使用されている断面形状が円形の炭素鋼管としているため、水冷管１８内の冷却水Ｗの流れによどみ部が生じ難くなって均一な冷却水Ｗの流れとなり、均一な冷却効果が得られると共に、安価に製造することができる。

図７及び図８は本発明の他の実施形態に係る水冷火格子１０を示し、当該水冷火格子１０は、高さＨを低く抑えた平面形状が矩形状の火格子本体１７と、火格子本体１７内に一体的に鋳込まれ、火格子本体１７の内部に略水平に配置されて火格子本体１７を平面的に均一に冷却する水冷管１８とから成る。

具体的には、前記火格子本体１７は、鋳造により平面形状が長方形の板状に一体形成されており、長方形状の水平板部１７ａと、水平板部１７ａの先端部に下向きに連設され、前端面１７ｅ及び摺動面１７ｆを有する垂直板部１７ｄと、水平板部１７ａの後端部裏面に連設され、火床フレームの可動バー１１や固定バー１２へ取り付けられる取り付け部１７ｃとを備えている。

また、火格子本体１７は、取り付け部１７ｃを除いた部分の高さＨが低く抑えられている。即ち、水冷火格子１０は、水冷管１８を鋳込んだ水平板部１７ａと垂直板部１７ｄの高さＨが低く抑えられており、その高さＨは略水平に配置した水冷管１８の冷却効果が得られる高さＨに設定されている。

尚、取り付け部１７ｃは、水平板部１７ａの後端部裏面に垂直に連設された複数の垂直壁１７′と、各垂直壁１７′の下端部に水平板部１７ａに対して平行に連設された水平壁１７″とから成り、水平壁１７″には、火格子本体１７を可動バー１１や固定バー１２へ取り付けるためのボルト（図示省略）が挿通される複数のボルト穴１９が形成されている。

一方、前記水冷管１８は、一般に使用される断面形状が円形の炭素鋼管をＷ字形状に折り曲げ加工することにより形成されており、火格子本体１７内に一体的に鋳込まれている。
この実施形態では、水冷管１８は、その曲がり部が全て曲げ加工により形成され、継手溶接を行わないことで、火格子本体１７内部での水漏れの可能性が格段に少なくなっており、火格子本体１７の内部に略水平姿勢で且つ火格子本体１７を平面的に均一に冷却できるように配置されている。この水冷管１８は、火格子本体１７の内部に略水平に配置されているため、水冷管１８内部に気泡が溜まり難くなっている。

また、水冷管１８の火格子本体１７の先端部に位置する部分は、火格子本体１７の高さＨを低く抑えても、必ず高さＨが生じるため、熱負荷の高い火格子本体１７の前端面１７ｅを効率良く冷却するために火格子本体１７の水平板部１７ａの先端部及び垂直板部１７ｄに斜め下方へ傾斜する姿勢で配置されている。この場合、水冷管１８の火格子本体１７の先端部に位置する部分の傾斜角度θは、水冷管１８内に気泡が溜まることを抑制するために水平面に対して３０度以下とすることが望ましい。

更に、水冷管１８の両端部は、それぞれ火格子本体１７の後端面１７ｇから外方へ突出しており、水冷管１８の一方の端部が給水管１８ａとなっていると共に、水冷管１８の他方の端部が排水管１８ｂとなっている。

そして、可動火格子段８及び固定火格子段９を形成する各水冷火格子１０の給水管１８ａ及び排水管１８ｂは、隣り合う水冷火格子１０の排水管１８ｂと給水管１８ａを耐熱性のホース（図示省略）等で接続することにより連結されており、各火格子段８，９の片側サイドの水冷火格子１０の給水管１８ａと他方サイドの水冷火格子１０の排水管１８ｂは耐熱性のホース（図示省略）等を介して外部の給水設備及び排水設備（何れも図示省略）にそれぞれ接続され、各火格子段８，９ごとで直列的に冷却水Ｗを流すようになっている。

尚、可動火格子段８の給水管１８ａ及び排水管１８ｂと外部の給水設備及び排水設備とを接続する耐熱性のホース（図示省略）等は、可動火格子段８が往復運動を行うため、可撓性の材料で形成されている。

上述した水冷火格子１０（図７及び図８に示す水冷火格子１０）も、図２〜図６に示す水冷火格子１０と同様の作用効果を奏することができる。

１は炉本体、２はごみ投入ホッパ、３は給じん装置、４は水冷式ストーカ、４ａは乾燥ストーカ、４ｂは燃焼ストーカ、４ｃは後燃焼ストーカ、５はストーカ下ホッパ、６は空気ダクト、７は灰シュート、８は可動火格子段、９は固定火格子段、１０は水冷火格子、１１は可動バー、１２は固定バー、１３は段差、１４は落下灰コンベヤ、１５は起動バーナ、１６はボイラ用水管、１７は火格子本体、１７ａは水平板部、１７ｂは傾斜板部、１７ｃは取り付け部、１７ｃ′は垂直壁、１７ｃ″は水平壁、１７ｄは垂直板部、１７ｅは前端面、１７ｆは摺動面、１７ｇは後端面、１８は水冷管、１８′は内側の水冷管、１８″は外側の水冷管、１８ａは給水管、１８ｂは排水管、１９はボルト穴、２０はエルボ管、２１は短管、θは傾斜角度、Ｗは冷却水、Ｈは高さ。

Claims (2)

1. 火格子本体内に冷却水を流す水冷管を鋳込んだ水冷火格子を並列状に組み合せて成る可動火格子段と固定火格子段とを交互に階段状に配置して成る水冷式ストーカの水冷火格子において、前記火格子本体の内部に配置される水冷管は略水平とし、当該水冷管の火格子本体の先端部内に配置される部分は、熱負荷の高い火格子本体の前端面を冷却できるように水平面に対して３０度以下の角度で斜め下方へ傾斜させて配置し、また、前記火格子本体は、水冷管の先端部の傾斜角度が水平面に対して３０度以下となるようにその高さを低く抑えた平面形状が矩形状の火格子本体としたことを特徴とする水冷式ストーカの水冷火格子。
2. 水冷管を、断面形状が円形の高温配管用炭素鋼管としたことを特徴とする請求項１に記載の水冷式ストーカの水冷火格子。

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