JP7228382B2 - 焼却炉構造 - Google Patents

Description

本開示は廃棄物等の焼却炉構造に関する。

廃棄物の焼却炉の一種である回転ストーカ式焼却炉（ストーカ炉）は、多数の気体供給孔をもった火格子（ストーカ、ロストル）からなる炉本体を備えている。炉本体は筒状に形成され、稼働時には回転する。炉本体に投入された廃棄物は、気体供給孔を介して一次気体の供給を受けながら、炉本体の回転によって撹拌されながら下流に移動する。この撹拌と移動の間に、廃棄物の温度は上昇し、当該廃棄物は乾燥、熱分解され、その後、燃焼する（特許文献１参照）。

筒状の炉本体を備えた焼却炉として、キルン式焼却炉（ロータリーキルン、回転焼却炉）も知られている（特許文献２参照）。但し、キルン式焼却炉における炉本体の内面はレンガ等の耐熱材で覆われており、上述の気体供給孔をもたない。

特開２００６－５７９６３号公報 特開２０００－３２９４７１号公報

上述した筒状の炉本体は横向きに載置され、当該炉本体の外周面を支持することによって姿勢を維持している。炉本体の外周には環状部材（所謂タイヤ）が設けられ、この環状部材と炉本体との間はスポークや板バネ等の連結部材によって連結されている。

環状部材と炉本体の連結において、連結部材は、炉本体の外周面に固定された端子部に接続する。端子部は、炉本体とは別の構造体として形成され、その剛性は炉本体よりも高い。従って、炉本体と端子部の接続部分は、その周辺よりも応力集中が発生しやすい。このような応力集中は、炉本体の稼働期間の長期化を妨げる要因となる。

本開示は上述の状況を鑑みて成されたものである。即ち本開示は、炉本体と端子部の接続部分における応力集中を緩和させることが可能な焼却炉構造を提供することを目的とする。

本開示の第１の態様は焼却炉構造であって、筒状に形成された炉本体と、前記炉本体の周方向に延伸する環状に形成され、前記炉本体の外周面に固定される支持部と、前記炉本体との間で力を伝達する構造体と係合し、前記炉本体の周方向に沿って設けられると共に前記支持部に固定される複数の端子部とを備えることを要旨とする。

本開示の第２の態様は焼却炉構造であって、筒状に形成された炉本体と、前記炉本体との間で力を伝達する構造体と係合し、前記炉本体の外周に沿って配列すると共に前記炉本体の外周面に固定される複数の端子部と、前記炉本体の前記外周面に固定され、且つ、前記複数の端子部のうち互いに隣接する端子部を連結する複数の連結部とを備え、前記複数の端子部と前記複数の連結部は、前記炉本体の前記周方向に延伸する環状の支持部を構成することを要旨とする。

第１の態様又は第２の態様に係る焼却炉構造において、前記炉本体は金属製であってもよい。前記支持部は、前記複数の端子部の群に対して複数設けられていてもよい。

本開示によれば、炉本体と支持部の接続部分における応力集中を緩和させることが可能な焼却炉構造を提供することができる。

本開示の実施形態に係る焼却炉の概略構成図である。 図１に示すＩＩ－ＩＩ断面図である。 図２に示す炉本体の部分拡大図である。 本開示の第１実施形態に係る焼却炉構造の断面図である。 図４に示す断面図の部分拡大図である。 （ａ）は図５におけるＶＩＡ－ＶＩＡ断面図であり、（ｂ）は図５におけるＶＩＢ－ＶＩＢ断面図である。 第２実施形態に係る端子部としてのスラスト受け部と連結部とを示す図である。 スポークを採用した焼却炉構造の拡大断面図である。 スポークを採用した焼却炉構造の変形例を示す拡大断面図である。

以下、本開示の実施形態について図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。本実施形態に係る焼却炉構造は筒状の炉本体を備えており、回転ストーカ式焼却炉及びキルン式焼却炉に適用可能である。ただし、本実施形態に係る焼却炉構造は、同様の構成を備える他の焼却炉にも適用可能である。

便宜上、焼却炉構造が回転ストーカ式焼却炉（以下、焼却炉）に適用された例を挙げて説明する。即ち、焼却炉構造の炉本体は円筒状に形成され、その中心軸の周りを回転するものである。以下の説明において、軸方向、周方向、及び、接線方向は、それぞれ、炉本体の軸方向（長手方向）、周方向、及び、接線方向である。

＜第１実施形態＞
本開示の第１実施形態について説明する。まず、焼却炉１０の構成について説明する。図１は、焼却炉１０の概略構成図である。図２は、図１に示すＩＩ－ＩＩ断面図である。図３は、図２に示す炉本体１１の部分拡大図である。

図１～図３に示すように、焼却炉１０は、筒状（図２参照）に形成された炉本体１１を備えている。炉本体１１は、軸方向の上流側端部（図１中の左側端部）に廃棄物Ｗの入口１１ａを有する。同様に、炉本体１１は、炉本体１１の下流側端部（図１中の左側端部）に廃棄物Ｗの出口１１ｂを有する。炉本体１１は、水平面（図１中の横方向）に対して出口１１ｂが入口１１ａよりも低くなるように若干傾斜させた状態で設置される。炉本体１１は金属製であり、その材質は、例えば炭素鋼等の金属である。

炉本体１１はカバーケーシング１２に収容されている。炉本体１１は、複数の水管１３と、複数のフィン１４と、入口側ヘッダー管１６と、出口側ヘッダー管１７とを備える。水管１３は、軸方向に延伸する金属製の配管であり、所定の間隔を置いて周方向に配列している。各水管１３にはシール板１９が取り付けられている。シール板１９は、水管１３の略全長に亘って延伸し、径方向外方に向けて展開している。

フィン１４は、軸方向に延伸する金属製の帯状部材である。フィン１４は、互いに隣接する２本の水管１３、１３の間に位置する。即ち、水管１３及びフィン１４は軸方向に延伸し、所定の間隔をおいて周方向に交互に並んでいる。フィン１４には気孔１５が複数形成されている。フィン１４は、その両側に位置する２本の水管１３、１３を連結する。この連結により、気孔１５付きのフィン１４と水管１３は所謂火格子を構成する。また、水管１３とフィン１４は、炉本体１１の外周面１１ｃを構成し、炉本体１１は全体として筒状の形状を成す。

入口側ヘッダー管１６は、炉本体１１の上流側端部（図１中の左側端部）に取り付けられている。一方、出口側ヘッダー管１７は炉本体１１の下流側端部（図１中の右側端部）に取り付けられる。入口側ヘッダー管１６及び出口側ヘッダー管１７は、両者の間の水管１３に連通している。

更に、出口側ヘッダー管１７は、その下流側（図１中の右側）に設けられたロータリージョイント１８に接続している。ロータリージョイント１８は、水管１３を流れる水の供給路及び排出路である。つまり、水はロータリージョイント１８から出口側ヘッダー管１７、水管１３、入口側ヘッダー管１６を経由して、再びロータリージョイント１８に戻る。この流通する水に高温のボイラ水を用いることによって、水管１３及びフィン１４を、低温腐食や高温腐食が発生しにくい温度に維持することができる。

図１に示すように、炉本体１１の外周には、環状部材（タイヤ）２０が設けられている。環状部材２０は炉本体１１の入口１１ａ側及び出口１１ｂ側に位置する。環状部材２０の内径は、炉本体１１の外径よりも大きい。環状部材２０と炉本体１１との間は連結部材としての板バネ２１によって径方向に摺動可能に連結されている（図４参照）。

環状部材２０はローラ２２に載置されている。ローラ２２は駆動装置２３によって回転し、この回転によって炉本体１１が回転する。なお、駆動装置２３としてピンギヤ等の駆動機構を採用してもよい。この場合、環状部材２０は駆動装置２３によって直接駆動される。

炉本体１１の入口１１ａ側にはホッパ２４が設けられている。ホッパ２４に投入された廃棄物Ｗは、給じん機（図示せず）によって炉本体１１に供給される。

炉本体１１の下側には、カバーケーシング１２の下端に連通する風箱（ダクト）２５が設けられている。風箱２５に供給された一次気体（例えば空気）は、炉本体１１の下部から気孔１５を介して炉本体１１の内部に供給される。

図１及び図２に示すように、風箱２５は、軸方向及び周方向に分割されている。つまり、炉本体１１に連通する一次気体の供給路は、炉本体１１の軸方向及び周方向に複数設けられている。一方、各供給路への一次気体の供給量は、ダンパ等の流量調整装置（図示せず）を用いて調整することができる。例えば、炉本体１１に残留する廃棄物Ｗの成分、量及び分布に応じて、一次気体の供給先や供給量を最適化することができる。

分割された風箱２５の各出口にはシール装置２６が設置されている。炉本体１１が回転すると、各水管１３に取り付けられたシール板１９が次々にシール装置２６に接触する。この接触によって各供給路が適切に仕切られ、一次気体を所望の箇所に適切に供給することができる。

上述の焼却炉１０では、駆動装置２３によって炉本体１１が低速回転している間に、廃棄物Ｗが炉本体１１内に供給される。炉本体１１内の廃棄物Ｗは、炉本体１１の回転に伴って撹拌されると共に、炉本体１１の傾斜によって徐々に下流側に移動する。

廃棄物Ｗが炉本体１１内を移動している間に、一次気体が風箱２５から炉本体１１に供給される。なお、一次気体の供給量は、廃棄物Ｗの緩慢燃焼が維持される程度の量に設定される。焼却炉１０の内部は、以前に投入された廃棄物の緩慢燃焼によって高温になっている。このような状態の下で、新たに投入された廃棄物Ｗは、炉本体１１の上流側から下流側に向けて順に乾燥、熱分解、燃焼の過程を経ることになる。

緩慢燃焼に伴って発生した未燃ガスは、下流の二次燃焼室２７において二次気体（例えば空気）の供給により燃焼する。また、炉本体１１から排出された廃棄物Ｗの灰の中の未燃分は後燃焼ストーカ２８で燃焼する。所謂、後燃焼が行われる。

次に、本実施形態の焼却炉構造３０Ａについて説明する。図４は、焼却炉構造３０Ａの断面図である。図５は、図４に示す断面図の部分拡大図である。図６（ａ）は図５におけるＶＩＡ－ＶＩＡ断面図であり、図６（ｂ）は図５におけるＶＩＢ－ＶＩＢ断面図である。これらの図に示すように、焼却炉構造３０Ａは、上述の炉本体１１と、支持部３１Ａ、端子部３２Ａとを備える。端子部３２Ａは、例えば後述の板バネ受け部３４である。

図４に示すように、支持部３１Ａは、周方向に延伸する環状に形成され、炉本体１１の外周面１１ｃに固定される。例えば、支持部３１Ａは、溶接によって炉本体１１の外周面１１ｃに固定される。軸方向に沿った支持部３１Ａの厚さ、及び、径方向に沿った支持部３１Ａの高さは、炉本体１１の材質や使用環境、及び、端子部３２Ａの大きさ等に応じて適宜設定される。

支持部３１Ａは、端子部３２Ａの大きさに応じて複数設けられてもよい。換言すれば、支持部３１Ａは、複数の端子部３２Ａの群に対して複数設けられてもよい。この場合、支持部３１Ａは、軸方向に所定の間隔を置いて配列し、各端子部３２Ａを支持する。支持部３１Ａを複数設けることによって、支持部３１Ａが過度に厚くなり、炉本体１１の熱膨張に干渉することを抑制できる。

端子部３２Ａは支持部３１Ａに固定される。端子部３２Ａは、炉本体１１との間で力を伝達する構造体３３と係合し、炉本体１１の周方向に沿って複数設けられる。また、端子部３２Ａは、構造体３３との係合形態や構造体３３の形状及び寸法に応じた形状を有する。

以下、この端子部３２Ａと構造体３３の第１例及び第２例について説明する。

（第１例）
構造体３３の第１例は、炉本体１１と環状部材２０との間を連結する板バネ２１である。また、端子部３２Ａの第１例は、この板バネ２１と係合する板バネ受け部３４である。

図５に示すように、板バネ２１は、炉本体１１の外周面１１ｃと環状部材２０との間において、所定の角度間隔で周方向に複数設けられている。板バネ２１は、炉本体１１の接線方向に延伸し、炉本体１１の径方向に撓み可能なバネ本体３５を有する。バネ本体３５の両端は、環状部材２０の内周面２０ａに設けられた取付部（ブラケット）３７に支持される。また、バネ本体３５は、その中央に断面矩形の凸部３６を有する。凸部３６は、所定の長さでバネ本体３５から径方向内方に突出している。

一方、板バネ受け部３４は、支持部３１Ａに固定されている。例えば、板バネ受け部３４は、支持部３１Ａの外周面１１ｃに固定される。また、板バネ受け部３４は、支持部３１Ａにおいて板バネ２１と径方向に対向する位置に設けられている。具体的には、板バネ受け部３４の係合孔３４ａが、板バネ２１の凸部３６と対向するように径方向に開口している。

図５及び図６（ａ）に示すように、板バネ受け部３４は、周方向に延伸し、支持部３１Ａに固定される板状の本体４２と、本体４２に形成される係合孔３４ａを有する。係合孔３４ａは、凸部３６の外形に応じた断面形状（例えば矩形）を有する。

炉本体１１の接線方向における係合孔３４ａの長さ（幅）は、この接線方向における板バネ２１の凸部３６の長さ（幅）に略等しい。一方、軸方向における係合孔３４ａの長さ（奥行き）は、この軸方向における凸部３６の長さ（奥行き）よりも小さい。

また、板バネ２１の凸部３６の少なくとも先端は、板バネ受け部３４の係合孔３４ａの内部に位置する。従って、上述の幅の関係から、凸部３６は係合孔３４ａの内面を径方向に摺動する一方で、係合孔３４ａに対する周方向への移動が規制される。つまり、凸部３６と係合孔３４ａの係合によって、板バネ２１と板バネ受け部３４は、径方向への相対的な移動が許容されると共に、周方向への相対的な移動が規制される。

このように、板バネ２１は、炉本体１１の外周を囲むように周方向に複数設けられ、炉本体１１における径方向の熱膨張を許容しつつ、板バネ受け部３４を介して炉本体１１を径方向から弾性的に支持する。

上述の通り、板バネ２１と板バネ受け部３４は、互いの周方向へ移動が規制されている。従って、環状部材２０が周方向に回転しようとすると、これに伴って炉本体１１も回転する。環状部材２０の回転力は、板バネ２１から、凸部３６と係合孔３４ａの互いの当接箇所を介して板バネ受け部３４に伝達され、更に、支持部３１Ａを介して炉本体１１に伝達される。この力の伝達により、炉本体１１の外周面１１ｃには応力が発生する。また、炉本体１１の下部に位置する板バネ２１は、炉本体１１を支えているため、これらの反力に起因する応力も炉本体１１の外周面１１ｃに発生する。

上述した何れの力も、板バネ２１から、板バネ受け部３４を介して炉本体１１の外周面１１ｃに伝達する。この力の伝達経路は、板バネ２１が接触する箇所に局在している。一方、端子部３２Ａとしての板バネ受け部３４は、炉本体１１とは別体として形成された部材であり、その剛性は炉本体１１よりも高い。従って、回転力や反力が環状部材２０と炉本体１１との間を伝達した場合、炉本体１１の外周面１１ｃのうちの板バネ２１の近傍に、応力集中が発生しやすい。このような応力集中は、炉本体１１の稼働期間の長期化を妨げる要因となる。

しかしながら、本例では、板バネ受け部３４と炉本体１１の外周面１１ｃとの間に支持部３１Ａが介在している。支持部３１Ａは周方向に延伸する環状に形成され、連続する一体構造を有することから、板バネ受け部３４と炉本体１１との間を伝達する力を分散させる。従って、板バネ受け部３４の近傍における応力集中が緩和される。よって、炉本体１１の外周面１１ｃ、即ち、水管１３及びフィン１４における金属疲労等の劣化の進行が抑制され、炉本体１１の稼働期間の長期化を図ることが可能になる。

（第２例）
構造体３３の第２例は、環状部材２０に設けられた上述の取付部３７である。また、端子部３２Ａの第２例は、この取付部３７と係合するスラスト受け部３８Ａである。

図５及び図６（ａ）に示すように、取付部３７は、環状部材２０の内周面２０ａから径方向内方に突出し、所定の角度間隔を置いて周方向に配列している。また、図６に示すように、取付部３７は、炉本体１１の入口１１ａ側に面した第１平面３７ａと、炉本体１１の出口１１ｂ側に面した第２平面３７ｂとを有する。

取付部３７には、ボルト等の締結部材によって２つの板バネ２１の端部が接続（支持）される。具体的には、２つの板バネ２１のうちの一方の端部が第１平面３７ａ側に接続し、２つの板バネ２１のうちの他方の端部が第２平面３７ｂ側に接続する。

一方、スラスト受け部３８Ａは、支持部３１Ａに固定されている。例えば、スラスト受け部３８Ａは、支持部３１Ａの外周面１１ｃに固定される。また、スラスト受け部３８Ａは、支持部３１Ａにおいて取付部３７と径方向に対向する位置に設けられている。

図６（ａ）に示すように、スラスト受け部３８Ａは、支持部３１Ａに固定される基部３９と、基部３９から径方向外方に突出する壁部４０とを有する。スラスト受け部３８Ａは、取付部３７に対して、炉本体１１の入口１１ａ側及び炉本体１１の出口１１ｂ側のそれぞれに設けられる。

更に、スラスト受け部３８Ａは、ストッパボルト４１を有する。ストッパボルト４１は壁部４０に螺合し、回転させることにより軸方向に移動する。入口１１ａ側のストッパボルト４１は、取付部３７の第１平面３７ａに当接する。同様に、出口１１ｂ側のストッパボルト４１は、取付部３７の第２平面３７ｂに当接する。

これらの当接により、スラスト受け部３８Ａと取付部３７の軸方向における相対的な移動が規制される。なお、取付部３７に対するストッパボルト４１の押圧力は、スラスト受け部３８Ａと取付部３７の軸方向における相対的な移動が規制され、且つ、両者の径方向における相対的な移動が許容される値に設定される。

スラスト受け部３８Ａと支持部３１Ａの互いの係合により、環状部材２０と炉本体１１は一体となって軸方向に移動する。例えば、炉本体１１の熱膨張によって炉本体１１が軸方向に伸びようとした場合、その力がスラスト受け部３８Ａと支持部３１Ａを介して環状部材２０に伝達され、環状部材２０も軸方向に移動する。これにより、炉本体１１に生じた軸方向の応力が緩和される。

しかしながら、この応力が緩和される際に、炉本体１１の外周面のうちのスラスト受け部３８Ａの近傍に、応力集中が発生しやすい。本例では、スラスト受け部３８Ａと炉本体１１の外周面１１ｃとの間に支持部３１Ａが介在している。支持部３１Ａは周方向に延伸する環状に形成され、連続する一体構造を有することから、スラスト受け部３８Ａと炉本体１１との間を伝達する力を分散させる。従って、スラスト受け部３８Ａの近傍における応力集中が緩和される。よって、炉本体１１の外周面１１ｃ、即ち、水管１３及びフィン１４における金属疲労等の劣化の進行が抑制され、炉本体１１の稼働期間の長期化を図ることが可能になる。

＜第２実施形態＞
本開示の第２実施形態に係る焼却炉構造３０Ｂについて説明する。第２実施形態に係る焼却炉構造３０Ｂは、第１実施形態の支持部３１Ａを備える代わりに、炉本体１１の外周面１１ｃに固定される複数の端子部３２Ｂと、複数の端子部３２Ｂのうち互いに隣接する端子部３２Ｂ、３２Ｂを連結する複数の連結部４３とを備えている。その他の構成は第１実施形態と同様であるため、説明を省略する。

図７は第２実施形態に係る端子部３２Ｂとしてのスラスト受け部３８Ｂと連結部４３とを示す図である。この図に示すように、第２実施形態のスラスト受け部３８Ｂは、第１実施形態のスラスト受け部３８Ａと異なり、炉本体１１の外周面１１ｃに直接固定されている。

また、連結部４３は、第１実施形態の支持部３１Ａと同様に矩形の断面形状を有し、周方向に延伸する。連結部４３は、２つのスラスト受け部３８Ｂ、３８Ｂの間に位置し、両者を連結する。この連結手段は例えば溶接である。スラスト受け部３８Ｂと同じく、連結部４３も炉本体１１の外周面１１ｃに固定されている。

第２実施形態において、複数の端子部３２Ｂと複数の連結部４３は、炉本体１１の周方向に延伸する環状の支持部３１Ｂを構成する。図７に示す例では、スラスト受け部３８Ｂと連結部４３が環状の支持部３１Ｂを構成する。第１実施形態と同じく、環状の支持部３１Ｂは、スラスト受け部３８Ｂと炉本体１１との間を伝達する力を分散させる。従って、スラスト受け部３８Ｂの近傍に発生する応力集中が緩和される。

なお、第２実施形態に係る端子部３２Ｂとして、第１実施形態の板バネ受け部３４も適用できる。即ち、複数の板バネ受け部３４が炉本体１１の外周面１１ｃに固定され、隣接する２つの板バネ受け部３４の間が連結部４３と同様の形状を持つ連結部で連結されてもよい。この場合も板バネ受け部の近傍に発生する応力集中が緩和される。

＜その他の実施形態＞
図４～図７に示す板バネ２１の代わりに、構造体３３としてのスポーク４４を用いてもよい。図８は、スポーク４４を採用した焼却炉構造３０Ｃの拡大断面図である。

スポーク４４は一方向に延伸する棒状部材である。スポーク４４の一方の端部は環状部材２０の内周面２０ａに設けられた取付部（ブラケット）４５に揺動可能に支持される。また、スポーク４４の他方の端部は支持部３１Ａに固定された、端子部３２Ａとしての取付部（ブラケット）４６に、ボルト等の揺動可能に支持される。これにより、炉本体１１と環状部材２０は、スポーク４４を介して連結される。なお、スポーク４４の代わりにピン（図示せず）を用いて両取付部を連結してもよい。

また、第２実施形態と同様に、取付部４６は炉本体１１の外周面１１ｃに固定されてもよい。図９は図８に示す焼却炉構造３０Ｃの変形例３０Ｄである。この図に示すように、互いに隣接する２つの取付部４６、４６の間には、第２実施形態と同様の構成の連結部４７が設けられ、２つの取付部４６、４６を連結する。

スポーク４４を採用した場合も、炉本体１１の外周面１１ｃに、第１実施形態及び第２実施形態と同様の環状の支持部が形成される。従って、スポーク４４を介して伝達された力は、環状の支持部によって分散され、取付部４６の近傍の応力集中が緩和される。

なお、本開示は上述の実施形態に限定されず、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含む。

１０…焼却炉、１１…炉本体、１１ａ…入口、１１ｂ…出口、１１ｃ…外周面、１２…カバーケーシング、１３…水管、１４…フィン、１５…気孔、１６…入口側ヘッダー管、１７…出口側ヘッダー管、１８…ロータリージョイント、１９…シール板、２０…環状部材（タイヤ）、２０ａ…内周面、２１…板バネ、２２…ローラ、２３…駆動装置、２４…ホッパ、２５…風箱（ダクト）、２６…シール装置、２７…二次燃焼室、２８…後燃焼ストーカ、３０Ａ～３０Ｄ…焼却炉構造、３１Ａ、３１Ｂ…支持部、３２Ａ、３２Ｂ…端子部、３３…構造体、３４…板バネ受け部、３４ａ…係合孔、３５…バネ本体、３６…凸部、３７、４５、４６…取付部（ブラケット）、３７ａ…第１平面、３７ｂ…第２平面、３８Ａ…スラスト受け部、３８Ｂ…スラスト受け部、３９…基部、４０…壁部、４１…ストッパボルト、４２…本体、４３、４７…連結部、４４…スポーク、Ｗ…廃棄物

Claims (1)

1. 筒状に形成された金属製の炉本体と、
   前記炉本体の周方向に延伸する環状に形成され、前記炉本体の外周面に溶接される支持部と、
   前記炉本体との間で力を伝達する構造体と係合し、前記炉本体の周方向に沿って設けられると共に前記支持部に固定される複数の端子部と
   を備え、
   前記支持部は、前記複数の端子部の群に対して、前記炉本体の軸方向に間隔を置いて複数設けられている焼却炉構造。

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