KR20000048079A - 내고온성 화격자봉 - Google Patents

Abstract

본 발명은 폐기물의 베드를 향해 있는 표면이 세라믹 층 (3) 을 적어도 부분적으로 구비하는 소각로용, 특히 폐기물 소각로용 내고온성 화격자봉 (2) 에 관한 것이다. 상기 화격자봉 (3) 은, 세라믹 층 (3) 이 격자형 금속 프레임 구조물 (4) 의 중간 공간에 끼워지는 복수의 세라믹 요소 (5) 를 구비하는 것을 특징으로 한다.

Description

내고온성 화격자봉{HIGH-TEMPERATURE-RESISTANT GRATE BAR}

본 발명은 소각 섹터 (sector) 에 관한 것이다. 또한 본 발명은, 특히 폐기물 소각용 소각로의 화격자용으로 사용가능한 세라믹 보호층을 갖는 내고온성 화격자봉에 관한 것이다.

소각로 화격자상에서 폐기물을 소각하는 것이 종래기술로서 소개되어 있고, 여기서 공냉 또는 수냉 화격자봉이 규정된 이동에 의해 연소실을 통해 폐기물을 운반하도록 되어 있다.

공냉 화격자인 경우에는, 1차 공기가 화격자를 통해 유동해서 우선적으로 화격자봉을 냉각시키기 위해 사용된 후 소각을 위해 필요한 반응 협동제로 사용된다. 이러한 시스템은 다음과 같은 단점을 수반한다.

-발열값, 밀도, 유동 저항, 습도등에 따라 폐기물 품질에 있어서 상당한 차이가 존재하므로 심각한 온도 변동이 유발되어 공냉 주조 화격자봉이 견딜수 없는 과도한 온도가 빈번하게 야기된다.

-서로에 대한 그리고 폐기물에 대한 화격자봉의 이동으로 인해 마모가 커지게 되며, 이러한 마모는 고온에서 측진된다.

-큰 온도 구배를 갖는 온도의 빈번한 변화와 온도 전이에 의해 개개의 화격자봉의 열역학적 붕괴가 야기된다. 1차 공기에 대해 결과적으로 생기는 변화된 유동 조건에 의해 궁극적으로 화격자의 상당한 영역에 극도의 손상이 가해진다.

수냉 화격자봉을 사용하여 이러한 단점들을 해결하려는 시도가 있어 왔다. 비록 공냉 화격자용으로 사용되던 값비싼 주조 합금이 수냉 화격자의 경우에 있어서는 더욱 저렴한 판상 금속 구조를 사용함으로써 대체될 수 있지만, 수냉 화격자 또한 상당한 단점을 포함하고 있다. 공냉 화격자와 비교해서, 한편으로는, 수냉 화격자는 개별적 냉각수 회로를 갖고 또한 손상에 매우 민감하기 때문에 상당한 기술적 부담을 필요로 한다. 유출이 발생하는 경우에는, 이들 화격자는 분리되어야 한다. 다른 한편으로는, 다량의 열에너지가 낮은 레벨에서 시스템으로부터 비효율적으로 회수되어 폐기물 소각로의 열효율을 저하시킨다.

응력 조건에 적절한 재료를 사용함으로써 공냉 화격자봉의 특성을 개선시키려는 시도가 있어 왔다. 따라서, 유럽특허 0 382 045 A2호에는 강철 또는 주철로 제조된 로드-베어링 저부 요소와 세라믹 재료로 제조된 상부 요소를 구비한 화격자봉이 소개되어 있고, 여기서 세라믹 요소는 소각되어야 할 폐기물용 베드를 형성한다. 사용되는 세라믹 재료로 인해, 상부 요소는 내고온성과 내마모성을 가짐으로써, 화격자는 공냉될 수 있다. 각각의 화격자봉의 상부 세라믹 요소와 저부 요소는 볼트와 탄성 요소, 예를 들어 스프링에 의해 끼워맞춤 형태로 상호 연결되어 있다. 이러한 종래 기술이 갖는 단점은, 세라믹이 매우 연성이고 충격에 상당히 민감하며 파괴시 낮은 연신율을 갖기 때문에 플레이트로 이루어진 상부 세라믹 요소는 충격 응력하에서 손쉽게 파괴된다는 점이다. 또한, 두 요소의 온도에 있어서 상당한 차이와 상이한 열팽창 성능을 충분히 보상할 수 없으므로 화격자의 수명을 단축시키는 바람직하지 않은 응력과 튀틀림을 야기한다. 이러한 단점에 더하여, 설치 단계와 같은 초기에 손상을 가하지 않도록 연결시 높은 제조 공차를 허용할 필요가 있어 제조비의 상당한 증가를 유발한다.

동일한 해법이 독일특허 33 14 098 C2호에 소개되어 있으며, 이 경우에 화격자블록 또는 화격자봉이 폐기물 소각로를 위한 화격자 커버링의 구성부로 되어 있어, 소각에 노출되는 화격자블록 또는 화격자봉 부분은 미세 세라믹 재료로 이루어지고, 베어링 부분을 갖는 블록 또는 봉 홀더 (holder) 가 강철이나 주철을 사용해서 제조된다. 여기서 또한, 두 부분은 나사 연결에 의해 함께 유지된다. 전술한 단점과 더불어, 이러한 구성은, 사실상 전체 화격자블록 또는 화격자봉이 값비싼 세라믹 재료로 이루어지기 때문에 상당한 비용상승을 유발하는 단점을 갖는다.

본 발명의 과제는 이러한 모든 단점을 제거하고자 하는 것이다. 이는 소각로 화격자용으로 공냉 내고온성 화격자봉을 제공하려는 목적에 기초하며, 소각 화격자에 대해서, 소각에 직접 노출되는 부분은 세라믹 재료로 이루어지며, 화격자봉은 비용절감적이며, 충격 응력을 흡수하는 우수한 효과가 있고, 저마모율의 특징이 있으므로 수명이 긴 특징이 있다.

도 1 은 종래 기술에 따른 폐기물 소각로의 일부분의 부분 평면 (도 1 의 상부) 및 측면 (도 1 의 저부) 개략도.

도 2 는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 세라믹 요소로 채워진 화격자봉의 금속 프레임 구조물의 평면도.

도 3 은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 세라믹 요소로 채워진 화격자봉의 금속 프레임 구조물의 평면도.

도 4 는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 세라믹 요소로 채워진 화격자봉의 금속 프레임 구조물의 평면도.

도 5 는 도 3 으로부터의 본 발명에 따른 화격자봉의 종단면도.

도 6 은 본 발명에 따른 또 다른 화격자봉의 종단면도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

1: 화격자봉 열 2: 화격자봉

3: 세라믹 층 4: 금속 프레임 구조물

5: 세라믹 요소 6: 중간 공간

청구항 1 의 서문에 따른 화격자봉의 경우에 있어서, 이러한 과제는 세라믹층이 격자형 금속 프레임 구조물의 중간 공간에 끼워지는 복수의 세라믹 구성요소를 구비하도록 된 본 발명에 따라 달성될 수 있다.

본 발명의 장점은, 한편으로는 내고온성 세라믹층이 제공된 고온의 부식성 산화 공기에 노출되는 것은 화격자봉의 일부분이어서, 화격자봉은 대체적으로 비용절감적이며, 다른 한편으로는 세라믹 재료가 연성 금속 프레임 구조물에 끼워져 응력을 흡수하고 또한 별 다른 어려움없이 이러한 응력에 견딜 수 있기 있기 때문에 이러한 세라믹 재료가 충격 응력하에서 파괴되지 않는다는 사실에 근거한다. 프레임 구조물이 복수의 세라믹 요소를 구비하고 있기 때문에, 임의의 세라믹 재료가 파괴될 위험이 있는 경우에 있더라도, 화격자봉은 여전히 충분한 작동 신뢰성을 갖고 계속해서 사용될 수 있는 추가적인 장점이 있다. 끝으로, 화격자봉내의 온도 차이는, 표면이 단일 세라믹 플레이트로 덮힌 경우보다 현저히 적고, 열응력이 더욱 적게 발생함으로써 화격자봉은 더욱 긴 수명을 갖는다.

금속 프레임 구조물이 화격자봉의 일부분으로 제조되는 것이 더욱 효과적이다. 이에 따라, 화격자봉상에 프레임 구조물을 고정시키는 단계를 제거할 수 있다. 세라믹 요소는 나중 단계에서 프레임 구조물의 중간 공간내로 도입되거나, 또는 화격자봉의 금속 성분 제조시 프레임 구조물 형태로 가압성형되거나 주조될 수 있다.

또한, 금속 프레임 구조물을 화격자봉에 연결하고 또한 이러한 연결 전후에 세라믹 요소로 채워 별개의 구조물로 사용하는 것도 매우 효과적일 수 있는데, 그 이유는 사전 조립이 가능하고 낡은 봉이 사용장소에서 용이하게 수리가능하기 때문이다. 또한, 기능상의 이유 또는 비용상의 이유로 인해 기초 지지부와 세라믹 함유 프레임이 상이한 재료로 제조되는 것도 또한 효과적이다.

중간 공간이 세라믹 요소를 수용하도록 되어 있어 중간 공간의 단면과 화격자봉 표면에 평행하게 정렬된 세라믹 요소의 단면은 다각형 또는 원형 또는 타원형으로 되어 있고 또한 화격자봉의 종방향으로 0.1 내지 20, 바람직하게는 1 내지 3의 종횡비를 갖고 또한 0.1 내지 20, 바람직하게는 1 내지 3 의 횡방향 대 깊이의 비를 갖는다면 더욱 효과적이다. 세라믹 요소의 종방향 크기로 인해, 횡방향으로 오직 소수의 에지만이 존재하므로 종방향으로의 화격자봉의 이동시 소량의 마찰만이 발생하여 재료 운반에 있어서 그리고 화격자봉의 마모에 있어서 바람직한 효과를 갖는다.

또한, 금속 프레임 구조물의 중간 공간과 세라믹 요소가 화격자봉에 대해 수직방향인 가변성 단면을 갖는 경우에도 효과적이다. 이에 따라, 예를 들어 응력이 가해질 때 금속 프레임 구조물이 파괴되기 보다는 오히려 세라믹 재료가 견고해지는 상태를 획득할 수 있다.

세라믹 재료는 1이상의 산화물상, 탄화물상 또는 질화물상 성분, 바람직하게는 알루미늄 산화물, 크롬 산화물, 실리콘 탄화물, 실리콘 질화물, 실리콘 이산화물, 또는 이러한 성분들로 이루어진 화합물을 구비하며 또한 유체역학적으로 또는 화학적으로 결합된다. 또한, 섬유강화재료 (금속 또는 세라믹 섬유), 다공성 구조 또는 모놀리식 구조의 세라믹 재료도 가능하다. 화격자봉의 상이한 위치를 위하여 가변형 두께, 재료, 및 형상을 사용함으로써 열유동 및 부식작용이 필요에 따라 효과적으로 적정화될 수 있다.

다수의 본 발명의 실시예가 도면으로 도시되어 있다.

본 발명을 이해하는데 필수적인 구성요소만이 나타내져 있다.

본 발명은 실시예와 도 1 내지 도 7 을 참조하여 더욱 상세하게 설명될 것이다.

도 1 은 폐기물 소각로의 공냉 화격자의 일부분을 개략적으로 나타내고 있으며, 여기서 도면의 상부는 평면도를 포함하고 있으며, 도면의 저부는 측면도를 포함한다. 화격자는 3개의 화격자봉 (2) 이 서로 나란히 배치되어 있는 4개의 화격자봉 열 (1) 을 구비한다. 화격자는 폐기물이 소각되는 소각로 (도시되지 않음) 내에 배치된다. 폐기물은 개개의 화격자봉 (2) 의 규정된 이동에 의해 연소실을 통해 운반된다. 1차 공기는 화격자를 통해 유동해서 우선적으로 화격자봉 (2) 을 냉각시킨 후 폐기물을 소각시키기 위해 활용된다. 이는 종래기술로 공지되어 있다. 공정상에서, 화격자봉의 표면이 700℃를 초과하는 온도, 또한 산화성 및 부식성 대기에 노출되어 있기 때문에 폐기물의 베드를 향해 있는 표면에는 세라믹 층 (3) 이 적어도 제공되어 있다 (도 1 의 저부 참조). 이는 마찬가지로 종래 기술로 공지되어 있다.

하지만, 본 발명에 따라, 이러한 세라믹 층 (3) 은 특징적 구성을 갖는다.

도 2 는 본 발명의 제 1 변형예로서 세라믹 요소 (5) 로 채워져 있는 화격자봉 (2) 의 금속 프레임 구조물 (4) 의 평면도를 나타낸다. 금속 프레임 구조물 (4) 은 화격자봉 (2) 의 종방향으로 신장하고 또한 세라믹 요소 (5) 로 채워진 중간 공간 (6) (도 2 의 우측면 참고) 을 형성한다.

세라믹 요소 (5) 를 사용함으로써 내고온성의 화격자봉 (2) 을 획득할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 해법의 경우에, 세라믹 재료는 연성 금속 프레임 구조물 (4) 내로 가압되기 때문에 충격 응력하에서 파괴되지 않으므로, 화격자봉이 비교적 비용절감적이고, 다른 한편으로는 세라믹 재료는 충격 응력하에서 파괴되지 않는데, 그 이유는 응력을 흡수하고 이러한 응력에 견딜 수 있는 연성 금속 프레임 구조물 (4) 에 세라믹 재료가 끼워지기 때문이. 프레임 구조물 (4) 이 복수의 세라믹 요소 (5) 를 포함하기 때문에, 임의의 세라믹 요소 (5) 가 파괴될 위험이 있는 경우에 있더라도, 화격자봉 (2) 은 여전히 충분히 작동 신뢰성을 갖고 계속해서 사용될 수 있다는 추가적인 장점이 있다. 끝으로, 화격자봉 (2) 내의 온도 차이는, 표면이 단일 세라믹 플레이트로 덮힌 경우보다 현저히 적고 또한 열응력이 더욱 적게 발생함으로써 화격자봉 (2) 은 더욱 긴 수명을 갖는다.

금속 프레임 구조물 (4) 은 형상에 있어서 매우 상이하게 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 2 는 중간 공간 (6) 의 육각형 외형을 나타내고 있다. 중간 공간 (6) 내로 삽입되어야할 세라믹 요소 (5) 는 제조가 용이한 벌집형상 구조를 갖는다.

끝으로, 도 3 은 세라믹 요소 (5) 가 벽돌 형상으로 되어 있고 또한 금속 프레임 구조물 (4) 의 직사각형 중간 공간 (6) 내로 가압되는 경우에 있어서의 실시예에 관한 것이다. 또한, 이러한 형상도 제조가 극히 용이하다.

도 4 에 따라, 화격자봉 표면에 평행한 중간 공간 (6) 이 타원형 단면을 또한 관련된 세라믹 요소 (5) 가 타원형 단면을 갖도록 하는 구성도 고려할 수 있다.

화격자봉 (2) 의 종방향에서 세라믹 요소 (5) 의 종방향 크기로 인해 횡방향으로 오직 소수의 에지만이 존재함으로써, 오직 소량의 마찰만이 발생하므로 종방향으로의 화격자봉 (2) 의 이동중에 소각되어야할 재료의 운반에 대해 그리고 화격자봉 (2) 의 마모에 대해 바람직한 효과를 갖는다는 장점이 있다. 종횡비는 0.1 내지 20 이 바람직하다. 여기서 "종횡비" 라는 용어는 세라믹 요소 (5) 와 중간 공간 (6) 의 종방향 크기와 횡방향 크기의 몫 (화격자봉의 종방향에 대한) 을 의미한다. 중간 공간이 정사각형 단면 또는 원형 단면을 갖는 것도 또한 가능하다. 대략 1 내지 3 의 종횡비가 사용되는 것이 바람직하다. 마찬가지로, 횡방향에 대한 길이의 비가 0.1 내지 20, 바람직하게는 1 내지 3 이다.

도 5 는 도 3 으로부터의 본 발명에 따른 화격자봉 (2) 을 통한 종방향 단면을 나타낸다. 중간 공간 (6) 에 끼워진 세라믹 요소 (5) 는 벽돌 형상, 즉 입방체 형상이다. 이러한 실시예의 경우에 있어서, 금속 프레임 구조물 (4) 의 중간 공간 (5) 과 세라믹 요소 (5) 는 화격자봉의 표면에 수직한 일정한 단면을 갖는다.

도 6 은 화격자봉의 또 다른 가능성있는 변형예의 종방향 단면을 나타낸다. 이 경우에, 금속 프레임 구조물 (4) 의 중간 공간 (6) 과 세라믹 요소 (5) 는 화격자봉의 표면에 수직한 가변형 단면을 갖는데, 정확하게 말하면, 이러한 세라믹 요소 (5) 는 표면에서 떨어진 거리에서보다 표면 부근에서 조금 더 작은 단면을 갖는다. 이에 따라, 응력이 가해질 때 세라믹 재료가 파괴되는 것이 아니라, 금속 표면이 도 5 에 따른 변형예에 비해 다소 그 크기가 증가되는 장점이 있다. 그럼에도 불구하고, 이러한 화격자봉은 우수한 내마모성 및 내온성을 갖는다.

본 발명에 따라, 세라믹 요소 (5) 는 1이상의 산화물상, 탄화물상 또는 질화물상 성분을 갖는다. 이들 세라믹 요소들은 알루미늄 산화물, 크롬 산화물, 실리콘 탄화물, 실리콘 이산화물, 또는 이러한 성분의 혼합물을 포함하는 것이 바람직하다. 세라믹 재료는 유체역학적으로 또는 화학적으로 결합된다.

세라믹 요소 (5) 는 섬유강화재료 (금속 섬유 또는 세라믹 섬유) 로 구성될 수 있다. 또한, 모놀리식 (monolithic) 세라믹 재료 또는 다공성 구조로 제조된 세라믹 요소 (5) 를 갖는 것을 고려할 수도 있다. 세라믹 요소 (5) 가 금속 프레임 구조물 (4) 의 중간 공간 (6) 내로 삽입되기 전에 소결체로서 제조되도록 할 수도 있다.

화격자봉 (2) 의 금속 프레임 구조물 (4) 의 제조전이나 제조 중에, 세라믹 요소 (5) 가 상기 프레임 구조물내로 가압되고, 주조되거나 땜납될 수 있고, 또한 형상 끼워맞춤 (예를 들어, 더브테일 끼워맞춤) 에 의해 프레임 구조물내에 끼워맞춤될 수도 있다.

금속 프레임 구조물 (4) 은, 예를 들어 땜납, 용접, 나사-연결, 또는 형상 끼워맞춤에 의해 화격자봉 (2) 에 연결되는 개별적 구조부로서 이루어지거나 프레임 구조물과 화격자봉이 함께 주조에 의해 제조됨으로써 금속 프레임 구조물 자체가 화격자봉 (2) 의 일부분으로서 제조될 수 있다.

물론, 본 발명이 전술한 실시예들로써 제한되는 것은 아니다. 또한, 예를 들어 화격자봉 (2) 의 상부만이 본 발명에 따른 세라믹층을 갖도록 이루어질수도 있다. 각각의 경우에 응력에 대한 최적 적응성을 확보하기 위하여 화격자봉의 상이한 위치에 대해 가변형 두께, 재료, 형상을 사용할 수 있다. 마찬가지로, 화격자봉내에서 국부적으로 상이한 요구조건에 해당하는 제조 혼합물을 사용하는 것을 고려할 수도 있다. 또한, 피복되어야 할 기본체가 밀폐식 형성면 (closed-formation surface) 을 갖도록 함으로써 층박리가 발생하더라도 화격자봉은 얼마동안 계속해서 작동 상태를 유지하여 위급사태시 우수한 가동 특성을 보유하게 된다.

따라서, 본 발명에 따른 내고온성 화격자봉을 사용함으로써 소각에 직접 노출되는 부분만이 세라믹 재료로 이루어지므로 비용절감적이며, 충격 응력에 견딜 수 있으며, 또한 저마모율을 달성할 수 있어 수명이 길어지는 효과가 있다.

Claims (10)

1. 폐기물의 베드를 향해 있는 표면이 적어도 부분적으로 세라믹 층 (3) 을 구비하는 소각로용, 특히 폐기물 소각로용 내고온성 화격자봉 (2) 에 있어서, 상기 세라믹 층 (3) 은 격자형 금속 프레임 구조물 (4) 의 중간 공간 (6) 에 끼워지는 복수의 세라믹 요소 (5) 를 구비하는 것을 특징으로 하는 내고온성 화격자봉.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 금속 프레임 구조물 (4) 은 상기 화격자봉 (2) 의 일부분으로서 제조되는 것을 특징으로 하는 내고온성 화격자봉.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 금속 프레임 구조물 (4) 은 상기 화격자봉 (2) 에 연결되는 별개의 구조물인 것을 특징으로 하는 내고온성 화격자봉.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 금속 프레임 구조물 (4) 의 중간 공간 (6) 의 단면과 상기 화격자봉 표면에 대해 평행하게 정렬된 세라믹 요소 (5) 의 단면은 다각형이고 또한 화격자봉 (2) 의 종방향으로 0.1 내지 20, 바람직하게는 1 내지 3 의 종횡비와, 0.1 내지 20, 바람직하게는 1 내지 3 의 횡방향 대 깊이의 비를 갖는 것을 특징으로 하는 내고온성 화격자봉.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 중간 공간 (6) 과 세라믹 요소 (5) 는 벌집형 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 내고온성 화격자봉.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 금속 프레임 구조물 (4) 의 중간 공간 (6) 의 단면과 상기 화격자봉 표면에 대해 평행하게 정렬된 세라믹 요소 (5) 의 단면은 원형 또는 타원형이고 또한 화격자봉 (2) 의 종방향으로 0.1 내지 20, 바람직하게는 1 내지 3 의 종횡비와, 0.1 내지 20, 바람직하게는 1 내지 3 의 횡방향 대 깊이의 비를 갖는 것을 특징으로 하는 내고온성 화격자봉.
7. 제 1 항, 제 4 항, 또는 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속 프레임 구조물 (4) 의 중간 공간 (6) 과 상기 세라믹 요소 (5) 는 상기 화격자봉 표면에 수직한 가변형 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 내고온성 화격자봉.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 세라믹 요소 (5) 는 1 이상의 산화물상, 탄화물상, 또는 질화물상 성분을 구비하는 것을 특징으로 하는 내고온성 화격자봉.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 세라믹 요소 (5) 는 알루미늄 산화물, 크롬 산화물, 실리콘 탄화물, 실리콘 질화물, 실리콘 이산화물, 또는 이들 성분의 혼합물을 포함하며, 상기 재료는 유체역학적으로 또는 화학적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 내고온성 화격자봉.
10. 제 8 항에 있어서, 상기 세라믹 요소 (5) 는 섬유강화재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 내고온성 화격자봉.