焼却炉の耐火物はなぜ傷むのか｜点検で見る劣化段階と補修の判断

焼却炉の耐火物点検について調べると、補修工事を請け負う会社の実績紹介や、点検を効率化した取り組みの発表が見つかります。誰がどんな工事をできるかは分かるものの、知りたいのはそこではないという方も多いはずです。自分たちの炉の内張りが今どの状態にあり、次の停止までに何をしておくべきなのか。決め手になる材料が、どこにも書かれていません。

この記事では、耐火物という材料そのものに絞って整理します。炉の内側がどんな層でできているのか、なぜ傷むのか、目地の痩せから剥落までをどう見分け、どこから補修へ回すのか。目視、打音、厚みの測定、映像記録がそれぞれ何を担うのかも含め、下水道管の清掃を三十年以上続けてきた清美環の立場からお伝えします。

焼却炉の内側は、役割の違う層が重なってできている

炉の内側は一枚の壁ではありません。燃焼ガスに直接さらされる最も内側の層があり、その後ろに控えの層が入り、さらに熱を外へ逃がさない断熱の層が続いて、いちばん外に鉄皮があります。

最内層に求められるのは、高温と灰の摩耗に耐え、燃焼ガスの成分に侵されないこと。断熱層に求められるのは、熱を通しにくいこと。同じ材料では両立しにくいため、層を分けて役割を配りました。点検で最初に目に入るのは最内層ですが、そこに出た傷みの意味は、後ろに何が控えているかまで含めて読むことになります。最内層が一部落ちても控えの層が生きていれば様子を見られる一方、落ちた先が断熱層なら鉄皮が直に熱を受けるためでした。

耐火煉瓦とキャスタブルでは、崩れ方が違う

内張りの施工法は大きく二つに分かれます。あらかじめ成形して焼き固めた耐火煉瓦を積み上げ、間を耐火モルタルの目地でつなぐ方法と、キャスタブルや吹付材のように現場で流し込む、あるいは吹き付けて固める不定形の耐火物で、後者は鉄皮から生やしたアンカーという金物が面を背後から保持します。

崩れ方は、この違いをそのまま反映しました。煉瓦は一個単位で抜けていき、先に目地が痩せ、互いを押さえ合う噛み合いが緩み、一個が動くと隣も動く。対してキャスタブルは面の単位で落ち、ひび割れが数本つながって区画ができ、背面のアンカーが効かなくなった範囲が塊のまま剥がれます。同じ剥落でも前触れの出方が違うため、煉瓦なら目地を、キャスタブルならひび割れの走り方と背面の浮きを先に見ておくことになりました。

加熱と冷却を繰り返すたび、耐火物は少しずつ動いている

内張りが日々どれだけの熱に置かれるかは、法令の側の数字からも見当がつきます。廃棄物の処理及び清掃に関する法律施行規則の焼却施設に係る技術上の基準は、燃焼室中の燃焼ガスの温度を摂氏800度以上に保つよう施設へ求めました。運転中の耐火物はその熱に面し続け、炉を止めれば常温近くまで下がる。この往復こそが、内張りにとって最も大きな負荷になります。

材料は熱で膨らみ、冷えれば縮みます。設計では膨らむ分を逃がす隙間を見込みますが、そこへ灰や異物が入り込むと逃げ場がなくなり、互いに押し合って浮き上がりや座屈が起きました。冷えた側では、縮んだ分だけ目地が開く。さらに表面と内部で温度の下がり方に差が生まれると、その差が応力となって表層を薄く剥がします。スポーリングと呼ばれる剥離で、急に冷やしたり急に温度を上げたりするほど起きやすくなりました。

内張りの傷み具合は、累積の運転時間より「何回止めて何回立ち上げたか」のほうが説明しやすい場面が少なくありません。年一回の定期停止だけで回る炉と、トラブルで月に何度も止まる炉とでは、稼働時間が同じでも状態はそろわないでしょう。

ごみを燃やす炉で、耐火物に効いてくる成分

熱の出入りだけが原因ではありません。ごみに由来する塩素分やナトリウム、カリウムといったアルカリ分は燃焼ガスに乗って耐火物の組織へ浸透し、性質を変えていきます。浸透して変質した層と元のままの層との境目は、伸び縮みが違うために剥がれの起点になりました。溶けた灰が固まったクリンカが張り付けば、剥がれ落ちるときに表層を持っていくこともあります。

摩耗も加わりました。灰を含んだガスが速く流れる煙道の曲がりや断面が絞られた箇所では、削られ方が局所的に進みます。耐火物の傷みは面の全体に均等には来ません。バーナーの近く、ガスが正面から当たる面、開口部の縁、火格子との取り合い。熱と流れが集中する場所に先に出るため、どこから見るかはここから決まりました。

目地の痩せから剥落まで、劣化には順番がある

点検の所見を「良い・悪い」の二段階で記録している施設は、案外多いものです。補修へ回すかを毎年判断するなら、段階を分けておくほうが議論は早く進みました。

• 第一段階・表面の変化　目地のモルタルが痩せて筋が浅く見える、表面に細かいひびが入る。面はまだ連続しており、後ろの層は露出していません
• 第二段階・目地の開きとひび割れ　筋が黒くはっきり見え、煉瓦の角が欠け始める。キャスタブルではひびが数本つながり、区画の輪郭ができます
• 第三段階・浮きと抜け　煉瓦が一個単位でずれる、キャスタブルの面が背面から浮く。表面が健全に見えても、叩くと音が濁る状態です
• 第四段階・剥落　層が落ちて控えの層やアンカー、鉄皮が露出する。周囲へ崩れが広がりやすくなります

段階が一つ上がるごとに、直す範囲と停止に必要な日数が跳ね上がりました。第二段階で見つけていれば目地を詰める程度で収まったものが、第四段階まで進めば区画ごとの積み替えや打ち直しになります。点検を早めに回す理由は、ここに尽きるでしょう。

見落とされやすいのは第三段階です。表面はまだきれいなのに、背面ではすでに保持が切れているという状態が実際に起こります。目で追う限り第一段階に見えるため、次の停止まで放置されがちでした。段階を分ける意味は、この「見た目と実態がずれる区間」を計画に織り込む点にあります。

経過観察でよいか、補修へ回すか

では、どの段階を境に補修へ回すのか。段階だけで線を引くと、直さなくてよい面まで工事に含まれ、急ぐべき面が後回しになります。実務では四つの軸を重ねて決めていくものでした。

その面が、どこにあるか

同じ見た目のひび割れでも、燃焼ガスが正面から当たる面と、流れから外れた穏やかな面とでは、この先一年での進み方が違います。熱と流れが集中する場所にあるなら、段階を一つ繰り上げて扱うくらいで釣り合いました。

前回と比べて、どれだけ進んだか

最も確かな材料は、同じ面を同じ角度で記録した前回との比較です。一年でどれだけ目地が開いたかが分かれば、次の停止まで持つかどうかの見当がつきました。裏を返すと、記録の残っていない炉では「今が悪いのか、昔からこうなのか」すら判別できません。初回の点検で全面を押さえる価値は、翌年以降の判断材料をつくる点にあります。

鉄皮の外面温度が上がっていないか

内張りが薄くなったり抜けたりすると、その裏側にある鉄皮の温度が上がりました。運転中に炉の外から確かめられる数少ない手がかりで、部分的に温度の高い箇所が見つかれば、次の停止で優先して開ける場所が決まります。

残っている厚みが何ミリか

補修で足すのか区画ごと更新するのかを決める段になると、見た目ではなく残存厚の数値が要ります。測定は点で行うため、どこを測るかを先に決めておかないと、いちばん薄い場所を外すことになりました。

毎回全面を見るのか、兆候が出てから見るのか

停止のたびに全面を同じ密度で確認するのか、兆候の出た場所だけを重点的に見るのか。答えは二択ではなく、その炉にどれだけ記録が積み上がっているかで変わりました。

記録がない状態では、全面を押さえるほかありません。比較する相手がなく、どこが異常かを判断する基準が存在しないからです。数年分の記録が積み上がった炉なら、前回との差分で重点を決められました。段階が動いた区画に点検の手数を集中させ、変化のない面は記録の更新にとどめる。

時期の切り分けも効いてきました。運転中に確認できるのは、鉄皮外面の温度、ケーシングの変色や漏気、燃焼ガス温度の推移といった外側からの兆候です。炉内の目視、打音、残存厚の測定は、止めて冷えるまで手が出せません。運転中の監視で気配を拾い、停止時の点検で確かめる。二段構えにしておけば、停止のたびに全面へ均等に人を張り付ける必要がなくなります。毎年の停止で部分補修を打ち、数年に一度は大きく張り替える周期を持つ施設なら、点検はその周期で足りるかどうかを毎年判定する仕事になるでしょう。

目視、打音、厚みの測定、映像記録は別々の仕事をしている

耐火物の点検手法は、どれか一つが優れている関係にありません。分かることが違うため、組み合わせて使います。

目視が拾うのは、面の形が変わっている場所です。第一から第二段階あたりまでは目で追えました。ただし届く距離に限りがあり、高所の面は足場を組むか遠目に眺めるかの二択になります。足場を組めば費用と日数が積み上がり、組まなければ上部を確認しないまま次の運転に入りました。

打音は、ハンマーで叩いた音の濁りから背面の浮きや空隙を拾います。表面が健全に見えるのに保持が切れている第三段階を見つけられる、ほぼ唯一の手段でした。ただし面に触れる必要があるため、手が届く範囲、すなわち足場を組んだ範囲しか当たれません。

残存厚の測定は、数値が出る手段になります。更新の判断や予算の根拠にはこの数字が要るものの、測るのは点であって面ではありません。どこを測るかを決める情報が、測定の前に要りました。

映像記録は、面の状態と位置、範囲を広く速く残せます。足場がなくても高所の面を写せる一方、厚みや浮きの有無は映りません。

映像に映るのは第二段階まで、第三段階は音で拾う

四つの段階に当てはめると、それぞれの手法が何を受け持っているかがはっきりします。第一段階の目地の痩せと細かいひび、第二段階の目地の開きと角の欠け、第四段階の剥落。いずれも面の輪郭そのものが変わる変化ですから、映像に残りました。抜けて控えの層が露出している範囲なら、足場の上から見上げるより映像のほうが広がりを正確に押さえられます。

ところが第三段階だけは、映像の上で第一段階と区別がつきません。背面で保持が切れていても表側の面は連続したままなので、どれだけ寄って撮っても「まだきれいな面」として写ります。叩いて音の濁りを聞く以外にこの段階を掘り起こす手立てがないのは、こうした事情によるものでした。

この見分けは、補修に回すかどうかの判断にも直結します。第一・第二段階は、範囲が広がっていなければ次の停止点検まで様子を見る施設が少なくありません。目地の痩せや角の欠けそのものは、運転を止める理由にはならないからです。ところが第三段階は事情が違います。表からは分からないまま保持だけが失われている状態なので、見つかった時点で補修の順番を繰り上げる対象になりました。映像に変化が出ていないことは、第三段階が無いことの証明にはなりません。目視や映像で異状の出ていない面にも、一定の間隔で打音を当て続ける必要があるのは、このためでした。

焼却炉まわりでは、北陸地方で高さ約30メートルの煙突の内部調査を担ってきました。炉内・煙道とも構造は施設ごとに違うため、打音を当てる間隔や範囲は、図面と前回までの点検記録を踏まえて現場ごとに決めています。

焼却炉の耐火物点検の進め方は『フクロウ』へご相談ください

焼却炉の耐火物は、高温と灰の摩耗、ごみ由来成分の侵食、加熱と冷却の繰り返しを受けながら、目地の痩せ、ひび割れ、浮き、剥落という順で傷んでいきます。補修へ回すかどうかは段階だけでは決まらず、面の位置、前回からの進み方、鉄皮外面の温度、残存厚を重ねて判断することになりました。点検手法もそれぞれ別の役目を持ち、映像に出るのは第二段階までの外観変化で、表面がまだ健全に見える第三段階は叩いて音の濁りを聞くほかに拾えませんでした。

清美環の管内点検ドローン『フクロウ』は、焼却炉や煙道、煙突、大型タンク、ボイラー本体、ピット、ダクト、下水道管といった閉鎖空間を見てきました。機体は小型のIBIS2と球体ガード型のELIOS 3を用意しています。映像で堆積や固着が見つかれば、排水管清掃やタンク清掃を本業としてきた側の手で除去まで一括対応でき、機体は持っているが炉内では飛ばせないという点検・調査会社からの操縦委託にも応じてきました。