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技術 廃棄物焼却炉の燃焼制御方法

出願人 JFEエンジニアリング株式会社
発明者 羽熊久登土井茂行
出願日 2002年8月29日 (17年3ヶ月経過) 出願番号 2002-251544
公開日 2004年3月25日 (15年8ヶ月経過) 公開番号 2004-092941
状態 未査定
技術分野 廃棄物の焼却(2)
主要キーワード 推定発熱量 直接制御対象 実施効果 熱収支計算 放射度 ファジイ制御 燃焼制御方式 各操作端
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2004年3月25日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (7)

課題

廃棄物焼却炉燃焼制御において瞬時変動に対する制御の遅れを低減するとともに、ボイラ発生蒸気量制御、排ガス減温水噴霧量制御などのローカル制御系の外乱要素による燃焼制御への影響度を少なくして燃焼の安定性を向上させることを目的とする。

解決手段

廃棄物の目標焼却量を用いて、焼却炉炉内における物質熱収支計算を行って、焼却炉出口における目標排ガス温度を求め、目標焼却量と目標排ガス温度を実現するように、焼却炉各操作端を制御する廃棄物焼却炉の燃焼制御方法である。

概要

背景

図5は廃棄物焼却炉設備の構成を示す図である。
各地域から収集され運搬された廃棄物は、一旦廃棄物処理場内の置き場貯留された後、クレーン等によって給塵装置投入され、この給塵装置の働きによってできるだけ所定量になるように廃棄物焼却炉61に供給される。

概要

廃棄物焼却炉の燃焼制御において瞬時変動に対する制御の遅れを低減するとともに、ボイラ発生蒸気量制御、排ガス減温水噴霧量制御などのローカル制御系の外乱要素による燃焼制御への影響度を少なくして燃焼の安定性を向上させることを目的とする。廃棄物の目標焼却量を用いて、焼却炉炉内における物質熱収支計算を行って、焼却炉出口における目標排ガス温度を求め、目標焼却量と目標排ガス温度を実現するように、焼却炉各操作端を制御する廃棄物焼却炉の燃焼制御方法である。  

目的

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、従来の制御方式の欠点である制御系内の瞬時変動に対する制御の遅れを低減するとともに、ボイラの発生蒸気量制御、排ガス減温用水噴霧量制御などのローカル制御系の外乱要素による燃焼制御への影響度を少なくして燃焼の安定性を向上させることを目的とする

効果

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請求項1

廃棄物の目標焼却量を用いて、焼却炉炉内における物質熱収支計算を行って、前記焼却炉出口における目標排ガス温度を求め、前記目標焼却量と前記目標排ガス温度を実現するように、前記焼却炉各操作端を制御することを特徴とする廃棄物焼却炉燃焼制御方法

請求項2

廃棄物焼却炉出口における目標排ガス温度を用いて、焼却炉炉内における物質の熱収支計算を行って、前記焼却炉の目標焼却量を求め、前記目標焼却量と前記目標排ガス温度を実現するように、前記焼却炉の各操作端を制御することを特徴とする廃棄物焼却炉の燃焼制御方法。

請求項3

前記熱収支計算は、廃棄物の実績焼却量と廃棄物の実績排ガス温度とを用いて焼却炉炉内における入熱出熱バランス式より廃棄物の発熱量を推定し、この廃棄物の推定発熱量と、前記実績焼却量に替えた前記目標焼却量とを新たなデータとする焼却炉炉内における入熱と出熱のバランス式より前記焼却炉出口における目標排ガス温度を求めることを特徴とする請求項1に記載の廃棄物焼却炉の燃焼制御方法。

請求項4

前記熱収支計算は、廃棄物の実績焼却量と廃棄物の実績排ガス温度とを用いて焼却炉炉内における入熱と出熱のバランス式より廃棄物の発熱量を推定し、この廃棄物の推定発熱量と、前記実績排ガス温度に替えた前記目標排ガス温度とを新たなデータとする焼却炉炉内における入熱と出熱のバランス式より前記焼却炉の目標焼却量を求めることを特徴とする請求項2に記載の廃棄物焼却炉の燃焼制御方法。

請求項5

前記実績排ガス温度は、放射温度計によって測定されたものであることを特徴とする請求項3または4に記載の廃棄物焼却炉の燃焼制御方法。

請求項6

前記熱収支計算に用いる排ガス熱量は、前記廃棄物焼却炉からの排ガス放出用の煙突において測定した煙突排ガス量に基づいて算出されることを特徴とする請求項3乃至5の内いずれか1の請求項に記載の廃棄物焼却炉の燃焼制御方法。

技術分野

0001

本発明は、廃棄物を焼却するための焼却炉燃焼制御技術に関する。

0002

図5廃棄物焼却炉設備の構成を示す図である。
各地域から収集され運搬された廃棄物は、一旦廃棄物処理場内の置き場貯留された後、クレーン等によって給塵装置投入され、この給塵装置の働きによってできるだけ所定量になるように廃棄物焼却炉61に供給される。

0003

供給された廃棄物は廃棄物焼却炉61中において、火格子62とよばれる可動床上に積載されて燃焼しつつ炉内を移動する間に燃焼が完了する。そして、燃焼後の灰は灰落下口63に排出される。

0004

一方、燃焼によって生じた燃焼排ガスは炉の上部から排出され、ボイラ64において熱回収がされながら冷却が行われる。さらに減温塔65において冷却を受けた後、酸性ガスダイオキシンが系外に排出されることを防止するため消石灰活性炭を吹き込んで処理が行われ、図示しない集塵機において排ガス飛灰が分離される。こうして有害成分を除去された排ガスは煙突などから系外に排出される。

0005

このように廃棄物焼却炉設備は廃棄物焼却炉61のみで構成されているのではなく、ボイラ64、減温塔65、集塵機、煙突などの付帯設備を備えて構成されている。

0006

ところで、廃棄物焼却炉においては、廃棄物処理量の安定性と発生する排ガス濃度規制値確保のため、焼却炉への投入量及び燃焼量を指標とした自動燃焼制御技術が適用されている。

0007

図6は、廃棄物焼却炉の自動燃焼制御手順を示す概略のフロー図である。
運転員は、自動燃焼制御を開始するに際して目標焼却量を設定する(S1)。目標焼却量は日単位に焼却する廃棄物の重量で、例えば70〜110t/dの範囲で設定する。

0008

次に、焼却炉の各種プロセスデータを用いて、熱収支計算を行って廃棄物発熱量(Hu)を計算し(S2)、このHuと上述の目標焼却量とからボイラの目標蒸発量を計算する(S3)。そして、焼却炉の実績焼却量と実績蒸発量が目標焼却量と目標蒸発量になって安定して運転ができるように、まず焼却炉の各操作端制御目標値を算出し(S4)、この目標値に基づいて各操作端の制御が実施される(S5)。尚、この各操作端の制御においては、制御精度を向上させるためPID制御のみならず、ファジイ制御などの手法も適用されている。

背景技術

0009

また、自動燃焼制御においては、ボイラの目標蒸発量を制御目標値とするだけでなく、排ガス減温用の水噴霧量を制御目標値として採用する方法も知られている。

0010

しかしながら、ボイラの発生蒸気量あるいは排ガス減温用水噴霧量を制御対象とする従来の制御方式では、ボイラによる熱交換、あるいは減温塔における冷却が時間遅れを含んだプロセスであるため、これらを含む制御系では瞬時変動に対する追従性が遅く燃焼の安定化が図りにくいという問題点がある。また、ボイラの発生蒸気量制御、排ガス減温用水噴霧量制御にローカル外乱が発生した場合であっても、焼却炉の燃焼制御に対してもその影響が及ぶという欠点を備えている。

0011

更に、近年のダイオキシン抑制ニーズの高まりから焼却炉出口排ガス温度高温維持が求められている。しかしながら、これまでの制御方式は上述のようにボイラの発生蒸気量あるいは排ガス減温用水噴霧量を直接制御対象とするものであった。従って、間接的に排ガス温度を補正制御しているものの、直接排ガス温度の安定性を確保することは困難であった。

発明が解決しようとする課題

0012

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、従来の制御方式の欠点である制御系内の瞬時変動に対する制御の遅れを低減するとともに、ボイラの発生蒸気量制御、排ガス減温用水噴霧量制御などのローカル制御系の外乱要素による燃焼制御への影響度を少なくして燃焼の安定性を向上させることを目的とする。

0013

課題を解決するための本発明は、廃棄物の目標焼却量を用いて、焼却炉炉内における物質の熱収支計算を行って、焼却炉出口における目標排ガス温度を求め、目標焼却量と目標排ガス温度を実現するように、焼却炉の各操作端を制御する廃棄物焼却炉の燃焼制御方法である。

0014

また本発明は、廃棄物焼却炉出口における目標排ガス温度を用いて、焼却炉炉内における物質の熱収支計算を行って、焼却炉の目標焼却量を求め、目標焼却量と目標排ガス温度を実現するように、焼却炉の各操作端を制御する廃棄物焼却炉の燃焼制御方法である。

0015

また本発明は、上記記載の発明である廃棄物焼却炉の燃焼制御方法において、熱収支計算は、廃棄物の実績焼却量と廃棄物の実績排ガス温度とを用いて焼却炉炉内における入熱出熱バランス式より廃棄物の発熱量を推定し、この廃棄物の推定発熱量と、実績焼却量に替えた目標焼却量とを新たなデータとする焼却炉炉内における入熱と出熱のバランス式より焼却炉出口における目標排ガス温度を求める廃棄物焼却炉の燃焼制御方法である。

0016

また本発明は、上記記載の発明である廃棄物焼却炉の燃焼制御方法において、熱収支計算は、廃棄物の実績焼却量と廃棄物の実績排ガス温度とを用いて焼却炉炉内における入熱と出熱のバランス式より廃棄物の発熱量を推定し、この廃棄物の推定発熱量と、実績排ガス温度に替えた目標排ガス温度とを新たなデータとする焼却炉炉内における入熱と出熱のバランス式より焼却炉の目標焼却量を求める廃棄物焼却炉の燃焼制御方法である。

0017

また本発明は、上記記載の発明である廃棄物焼却炉の燃焼制御方法において、実績排ガス温度は、放射温度計によって測定された廃棄物焼却炉の燃焼制御方法である。

課題を解決するための手段

0018

また本発明は、上記記載の発明である廃棄物焼却炉の燃焼制御方法において、熱収支計算に用いる排ガス熱量は、廃棄物焼却炉からの排ガス放出用の煙突において測定した煙突排ガス量に基づいて算出される廃棄物焼却炉の燃焼制御方法である。

0019

図1は、本発明に係る燃焼制御方法が適用される焼却炉の構成を示す図である。

0020

廃棄物焼却炉1は、廃棄物投入口2、給塵装置3、火格子4、灰落下口5を備えている。廃棄物投入口2から投入された廃棄物は給塵装置3上に堆積し、火格子4上へ供給される。火格子4は廃棄物を積載したまま搬送され、廃棄物は搬送中において火格子4の下部から供給される燃焼空気6の吹き込みにより、乾燥された後に、燃焼が行われる。灰は灰落下口5から落下して炉外に排出される。

0021

炉内の燃焼に使用される燃焼空気6は各火格子4の下に設けられた燃焼空気ダンパ7により調整されて炉内に吹き込まれる。また、燃焼制御用に燃焼空気温度が燃焼空気温度計8によって測定されている。この燃焼空気6の他に、焼却炉炉内には冷却空気ブロワ9から冷却空気ダンパ10を介して冷却空気が吹き込まれ、燃焼ガス中未燃焼成分完全燃焼すると共に、炉壁の温度が過度に上昇することを防いでいる。この他、炉内には炉壁保護のために水11が噴霧されている。

0022

一方、燃焼排ガスは、炉出口12から煙突に導かれて炉外へ排出される。排ガスが放出される炉出口12には炉出口の排ガス温度を測定する放射温度計13が設けられている。この放射度温度計13は、従来の燃焼制御において用いられている熱電対と比べて測温の応答性を高めるために採用したものである。従って、本実施の形態に限定されず、熱電対よりも応答性の優れた温度計であれば炉出口の排ガス温度計として使用することができる。

0023

以上の他にも自動燃焼制御を行うため従来と同様の各種測定器が設けられているが、煙突排ガス量を測定するための流量計指示値をプロセスデータとして採用している点が従来と異なっている。これらの計測値に基づいて、火格子の速度、燃焼空気量冷却空気量等が制御装置15によって自動的に調整さる。制御装置15には例えばコンピュータが使用される。

0024

図2は、本発明に係る第1の実施形態の燃焼制御の動作を示すフロー図である。
運転員は、自動燃焼制御を開始する前に焼却量を設定する(S10)。目標焼却量としては、例えば70〜110t/dの範囲で、日単位に焼却する廃棄物の重量を設定する。そうすると、この設定された焼却量を以降の燃焼制御において目標焼却量として扱う(S11)。

0025

次に、廃棄物投入口2から投入された廃棄物が火格子4に至るまでの滞留時間を考慮して、過去の実績から廃棄物の投入量を算出する(S12)。そして、廃棄物の投入口から炉出口までの間における各種プロセス量読込み、熱収支計算によって廃棄物発熱量(Hu)を計算する(S13)。

0026

図3は、熱収支計算に用いられる入熱と出熱に係る項目を示す図である。
本実施の形態では、熱収支計算は廃棄物の投入口2から炉出口12までの焼却炉内でのプロセスに対象を限定し、焼却炉内の物質に基づいて入熱と出熱バランスを計算している点が従来と異なっている。

0027

入熱=出熱として熱のバランス式をたてると、式(1)が成立する。

0028

QHu+Qr+QFDF+QGDF+Qx+Qwa =
Qs+Qv+Qash+QUb+Qloss+Qst  ・・・(1)
ここで、QHu = Hu * Grより式(2)を得る。

0029

Hu=(Qs+Qv+Qash+QUb+Qloss+Qst−Qr−QFDF
−QGDF−Qx−Qwa)/Gr     ・・・(2)
こうして求められたHuは誤差を小さくするため平滑化処理が施される。この平滑化処理によって、焼却炉内における平均的なHuを推定する。この平滑化発熱量(Hu)をhuとする。そうして、目標焼却量grと平滑化発熱量huを式(2)のGrとHuに代入して、逆に展開することにより目標炉出口排ガス温度を算出する(S14)。

0030

このようにして算出した目標炉出口排ガス温度と、目標焼却量とを新たな制御目標値として、各操作端を制御する(S15)。

0031

ここで制御される操作端は、次のものである。燃焼空気量、冷却空気量、炉内水噴霧量廃棄物投入速度、火格子速度、各火格子下空気ダンパ開度、燃焼空気温度、冷却空気ダンパ開度。また、制御方法については従来の制御方法、例えばPID制御にファジイ制御による補正処理を併用した制御方法を採用する。

0032

本実施の形態においては、焼却炉炉内のプロセスに限定した熱収支計算を採用している。したがって、ボイラの発生蒸気量制御、排ガス減温用水噴霧量制御などの焼却炉に付帯したプロセスをも熱収支計算に取り込んだ従来の方式に比較すると時間遅れの要素を除外した構成となっており、このため燃焼制御においてはプロセス内の瞬時変動に対する追従性が改善されている。

0033

さらに、Huを求める際に使用する炉出口排ガス温度tgは放射温度計で測定した実績値である。したがって、従来のように熱電対を使用する方式と比較すると迅速な応答性が得られているため、炉内の変動をプロセスデータに迅速に反映できる精度の良い燃焼制御が期待できる。

0034

また、本実施の形態では炉出口排ガス温度を制御目標値として採用しているが、炉出口排ガス温度は従来使用されていた制御目標値であるボイラ発生蒸気量と緊密な相関を有している。即ち、炉出口排ガス温度が上昇すればボイラ発生蒸気量も増加し、炉出口排ガス温度が下降すればボイラ発生蒸気量も減少する。したがって、炉出口排ガス温度を安定に制御すれば、結果としてボイラ発生蒸気量も安定させることが可能となる。むしろ、炉出口排ガス温度を制御目標値とすることで、制御系全体の時間遅れを大幅に減少することができるため、より精度の良い制御が期待できる。

0035

また、上述のように炉出口排ガス温度とボイラ発生蒸気量との間には密接な相関を有していることからボイラ発生蒸気量を制御目標値とするファジイ制御の論理が、炉出口排ガス温度を制御目標値とするファジイ制御の論理として適用することができるという利点もある。

0036

尚、本実施の形態においては、熱収支計算において大きなウエイトを占める燃焼ガス量を煙突に設けた流量計を測定値である煙突排ガス量から算出して用いている。従来は廃棄物投入量等をパラメータとする関数を用いて演算して求めた値を用いていたが、本実施例のように実測値を使用することでより適切な燃焼状態の把握と安定維持が可能となっている。

0037

図4は、本発明に係る第2の実施形態の燃焼制御の動作を示すフロー図である。
運転員は、自動燃焼制御を開始する前に炉出口排ガス温度を設定する(S20)。例えば、その日の運転で制御すべき炉出口排ガス温度を900℃と設定する。そうすると、この設定された炉出口排ガス温度を以降の燃焼制御において目標炉出口排ガス温度として扱う(S21)。

0038

次に、廃棄物投入口2から投入された廃棄物が火格子4に至るまでの滞留時間を考慮して、過去の実績から廃棄物の投入量を算出する(S22)。そして、廃棄物の投入間における各種プロセス量を読込み、熱収支計算によって廃棄物発熱量(Hu)を計算する(S23)。

0039

Huの計算は、第1の実施の形態と同様に式(1)、(2)に基づいて行う。

0040

QHu+Qr+QFDF+QGDF+Qx+Qwa =
Qs+Qv+Qash+QUb+Qloss+Qst  ・・・(1)
Hu=(Qs+Qv+Qash+QUb+Qloss+Qst−Qr−QFDF
−QGDF−Qx−Qwa)/Gr     ・・・(2)
こうして求められたHuは誤差を小さくするため平滑化処理が施される。この平滑化処理によって、焼却炉内における平均的なHuを推定する。この平滑化発熱量(Hu)をhuとする。そうして、目標炉出口排ガス温度Tgと平滑化発熱量huを式(2)のQs、Qvを導くtgとHuに代入して、逆に展開して焼却量Grを求めることにより目標焼却量を算出する(S24)。

0041

このようにして算出した目標炉出口排ガス温度と目標焼却量とを新たな制御目標値として、各操作端を制御する(S25)。

0042

ここで制御される操作端は、次のものである。燃焼空気量、冷却空気量、炉内水噴霧量、廃棄物投入速度、火格子速度、各火格子下空気ダンパ開度、燃焼空気温度、冷却空気ダンパ開度。また、制御方法については従来の制御方法、例えばPID制御にファジイ制御による補正処理を併用した制御方法を用いる。

0043

本第2の実施の形態は、炉出口排ガス温度を運転員が設定して焼却炉の運転を行う制御モードである点で、焼却量を設定する第1の実施の形態と異なっているが、その実施効果としては同様の効果を期待することができる。

0044

以上説明したように、本実施の形態の燃焼制御によれば、時定数の速い高感度温度センサ(放射温度計)によるHu推定の温度制御方式を採用することにより、瞬時変動に対して安定した制御を行うことができ、手動介入操作の頻度軽減など長期安定運転が可能となる。

0045

また積極的に炉出口排ガス温度制御を採用することにより、ダイオキシン抑制ニーズに対応できる炉出口排ガス温度の高温維持が可能となる。

0046

さらに熱収支計算において、実排ガス量から廃棄物発熱量を計算する燃焼制御方式の採用により適切な燃焼状態の把握と安定維持が可能となる。

発明を実施するための最良の形態

0047

尚、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれているため、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明を抽出することができる。例えば、実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出できる。

図面の簡単な説明

0048

本発明によれば、廃棄物焼却炉の燃焼制御を安定化することができる。

図1
本発明に係る燃焼制御方法が適用される焼却炉の構成を示す図。
図2
本発明に係る第1の実施形態の燃焼制御の動作を示すフロー図。
図3
熱収支計算に用いられる入熱と出熱に係る項目を示す図。
図4
本発明に係る第2の実施形態の燃焼制御の動作を示すフロー図。
図5
廃棄物焼却炉設備の構成を示す図。
図6
廃棄物焼却炉の自動燃焼制御手順を示す概略のフロー図。
【符号の説明】
1…廃棄物焼却炉
2…廃棄物投入口
3…給塵装置
4…火格子
5…灰落下口
6…燃焼空気
8…燃焼空気温度計
9…冷却空気
12…炉出口
13…放射温度計

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