JP2007533947A - 廃棄物燃焼プロセスのモデル及びコントロール - Google Patents

Abstract

本発明は、廃棄物燃焼プロセスのモデルに係り、このモデルは、正確で、同時に計算上の複雑さが限定的であり、そのため、廃棄物焼却プラントのコントロールまたはシミュレイトに適している。廃棄物の山が、二つの層によって表現され、ガス燃焼フェーズ、または前記廃棄物の山の上方の火炎からの熱伝達が、火炎と前記二つの層の上側の層の間での熱放射による相互作用に限定される。その結果として得られる廃棄物焼却火格子ためのモデル・ベースのコントローラは、廃棄物の組成の変動を、フィルターがかけられたホワイト・ノイズを介して考慮に入れる。このコントローラは、オペレータを助けて、一定のプロセス条件を維持して、一定のエネルギー出力でプラントのスループットを最大化することが可能であり、あるいは、オペレータを訓練するためのトレーニング・シミュレータを実現して、廃棄物のエネルギー化プラントを、確実に、信頼性高く、且つ効率良く運転することができる。

Description

本発明は、廃棄物燃焼及び焼却の分野に係る。本発明は、請求項１，９及び１０のプリアンブルにそれぞれ記載されているような、廃棄物焼却プラントにおける廃棄物燃焼プロセスのモデル化の方法、並びに廃棄物焼却プラントコントロールのためのデバイス、及び廃棄物燃焼プロセスをするシミュレイトのためのデバイスから出発する。

都市廃棄物及び産業廃棄物は、堆積される廃棄物の体積を減少させるため、及び、例えば芳香族の炭化水素または有機溶剤などの、廃棄物中の環境的に有害な成分を、無害な化合物に変換するため、廃棄物焼却プラントにおいて処理される。処理される廃棄物の量が増大すると、複数のトラックを有する焼却プラントのデザインが採用され、それらのトラックは、時間当たり数１０トンの廃棄物を焼却することが可能である。いわゆる廃棄物のエネルギー化プラントは、単に廃棄物を燃やしてアッシュに変えるのみではなく、その燃焼熱を蒸気（例えば地域暖房および／または電気のための蒸気）にも変換して、プラントの全体としての効率を改善する。

煙道ガス及びアッシュの処理、並びにエネルギー変換のための高度な設備は、そのプラントの複雑さを増大させ、それために、適切なコントロール技術の必要性を増大させる。しかしながら、複雑な化学的プロセス及び不安定な燃料の質のために、これまでのところ、経験を積んだオペレータにとって代わることができる利用可能な適切なコントロール技術は、存在しない。それに加えて、利用可能なセンサー・データは、炉内の適切な位置で直接的に測定されたものではない。このため、コントロール・パラメータの変化がセンサーにより記録されるまでに、例えば数十秒の遅れが生ずることになる。

廃棄物焼却プラントを立ち上げ、運転する際に、キーになる問題は、廃棄物の組成の変動であり、それは、燃焼温度及び煙道ガス組成及び流量の変動をもたらす。特に、廃棄物の発熱量または湿分、または例えば砂または砂利などの要素の量、または例えば金属類などの非燃焼材料の量は、廃棄物によってかなり変動する。

廃棄物焼却プラントにおける燃焼プロセスに影響を与えるために使用される最も重要なコントロール・パラメータには、次のようなものがある：プライマリ及びセカンダリ燃焼空気のマスフロー、空気温度（燃焼空気のためのプレヒーターが利用可能な場合）、戻りの煙道ガスの量、供給される廃棄物または燃料の量、及び、往復運動する火格子の搬送速度または補給速度。

これらのパラメータは、処理可能な廃棄物の量を最大化する目的および／または空気汚染物質の排出量を最小化する目的で、廃棄物の水分量及び発熱量の、予測される変動及び予測できない変動に合わせて最適化されなければならない。もう一つの目的は、残されるアッシュの中の炭素の量を、環境に関する法律で定められる限界よりも少なく制限することであり、あるいは、壁のレンガを保護し、それによってそれらの寿命を延ばすために、炉の内側の火炎温度を制限することである。

米国特許第 US 5,606,924 号明細書によれば、燃焼プロセスは、赤外線カメラで決定された燃料のマスの温度分布、煙道ガスの中で検出された酸素濃度、または、生成される蒸気のマスフローに応じて、調整される。蒸気出力の要求量への炉のパフォーマンスの適応性を改善するため、及び排気ガスの組成に影響を与えるため、上記の特許は、火格子の少なくとも一部の上での燃料のマスの３次元分布を検出することを提案している。燃料のマスの輪郭は、レーダーにより、または複数のビデオカメラを異なる角度で燃料のマスに向けることにより、スキャンされ、それぞれのゾーン内での燃焼によって場所により異なって放出されるエネルギーの量が、推定される。

米国特許第 US 6,644,222 B1 号明細書には、廃棄物の連続的なサーマル燃焼のためのシステムが記載されている。このシステムは、例えば生成される蒸気の量の、目標値と実際の値との間の相違に比例するコントロール信号を発生するコントローラを含んでいて、供給流れの量および／または燃焼空気の流量を調整する。このシステムは、燃料の発熱量の値が低い場合に関係する特定のタイプの異常を防止する目的で、目標値に影響を与える保護回路を、更に有している。

モデル予測制御（ＭＰＣ：Model Predictive Control）は、最適化コントロールの問題を解く手順であって、システム動力学及びシステム出力および／または状態変数についての拘束条件を含んでいる。少なくとも特定の運転ポイントの周辺で有効なシステムまたはプロセス・モデルは、操作されたシステム軌道（trajectory）または出力信号ｙのシーケンスを、システムの現在の状態、外部変数及び将来のコントロール信号ｕの予測に基づき、表現することを可能にする。

軌道または出力信号ｙを含むパフォーマンス、コストまたは目的関数は、幾つかの予め定められた判断基準に従って、且つ、いくらかの予測範囲に渡って、最適化される。この最適化によりもたらされる最適な最初のまたは次のコントロール信号ｕ１は、次いで、システムに適用され、そして、それに続いて観測されたシステムの状態及びアップデートされた外部変数に基づいて、この最適化の手順が繰り返される。
米国特許第ＵＳ−５，６０６，９２４号明細書 米国特許第ＵＳ−６，６４４，２２２Ｂ１号明細書

本発明の目的は、正確で且つ計算上の複雑さが限定されたやり方で、廃棄物焼却プラントをコントロールすること、及び廃棄物燃焼プロセスをシミュレイトすることにある。

これらの目的は、請求項１及び９に基づく廃棄物焼却プラントをコントロールするための方法及びデバイス、並びに、請求項１０に基づく廃棄物燃焼プロセスをシミュレイトするためのデバイスにより実現される。更なる好ましい実施形態は、従属請求項から明らかである。

本発明の利点は、プロセスの主要な特性を信頼性高く再現することが可能な程度の十分な正確性を有し、しかも、リアルタイム・コントローラまたはシミュレイション・ツールにおけるその適用を妨げる程には複雑ではない廃棄物焼却プロセスのモデルを作り出すことにある。

このモデルは、適切なモデル入力、モデル状態及びモデル出力を特定し、異なる物理的、熱力学的及び化学的プロセスの主要なアスペクトを、それらを状態方程式または出力方程式の形に書き換えることによって組み込み、且つ、廃棄物の山（pile）を、上側の層及び下側の層によって近似する。これら二つの層は、それぞれ、一様なまたは均一な性質を有していて、順にモデル状態を表わす。

本発明の第一の好ましい実施形態において、火格子の上方の気体燃焼によりもたらされる火炎と廃棄物床の間の熱伝達は、火炎と上側の層の間の熱放射タイプの相互作用に限定される。この上側の層は、次いで、熱伝導により下側の層に熱を伝える。

本発明の更に好ましい変形形態において、トップ層または上側の層は、有限の熱容量を持っているが、質量は無いと仮定される。

好ましくは、山の中の廃棄物の流量または廃棄物の質量のような、物理的な量に対応するモデル状態は、ベクトルであり、そのベクトルのコンポーネントは、主要な構成物質、即ち水、チャ―（char）または可燃性物質、揮発性物質及び不活性物質に限定される。これに対して、ガスの流量に対応するモデル状態は、ベクトルであって、コンポーネントとして、酸素、不活性ガス、燃料または気体可燃性物質、及び蒸気を有している。しかしながら、様々な構成物質の化学的性質についての詳細な知識は、必要とされない。

基礎を成す燃焼プロセスのモデル・パラメータとして、質量と比熱の数学的な積に対応する物理的な量としての熱慣性（thermal inertia）が、特に適している。その理由は、例えば、山の上側の層またはトップ層の質量と比熱の両者、並びに火格子の上方の火炎または気体燃焼の体積を評価することが難しいからである。それ故に、それぞれの熱慣性は、好ましくは、モデル・パラメータとして使用され、プラントに特有のデータに基づく、標準的なチューニング手順を介して、決定される。

廃棄物焼却プラントのコントロールのための、本発明の方法またはデバイスにおいて、コントロール信号の生成は、好ましくは、前記プラントの中で起きている廃棄物燃焼プロセスの線形モデル、またはより複雑なモデルの線形化されたバージョンを含んでいる。前記線形モデルの少なくとも一つのモデル出力に基づく、いわゆるローブスト・コントローラ（robust controller）またはモデル予測制御（ＭＰＣ：Model Predictive Control）スキームが、モデルベースのコントロールのために使用される。

好ましい実施形態に基づくコントロール手順は、廃棄物の組成の変動またはプラントの特有の標準的な燃焼燃料タイプの偏差を、フィルターがかけられたホワイト・ノイズ信号として、を組み込むことが可能である。後者は、コントロール信号に加えられ、プロセスの線形モデルに供給される。ノイズ・フィルタのパラメータは、過去の測定からの既知のコントロール信号及び対応するシステム出力信号を評価することにより、得ることができる。

本発明のコアを表わす廃棄物燃焼プロセスのモデルは、廃棄物焼却プラントのコントローラにおいて、最も有益に実現される。このコントローラは、オペレータを助けて、一定のプロセス条件を維持し、一定のエネルギー出力を維持したままプラントのスループットを最大化し、または燃焼プロセスを維持するための補助バーナの使用を抑え、同時に、廃棄物の組成の変動に対する耐性（robustness）をもたらすことを可能にする。

本発明のもう一つのアスペクトにおいて、上記のモデルは、シミュレイション・デバイスの中に実現され。このデバイスは、廃棄物燃焼プロセスまたは焼却プラントの全体のシミュレイションを可能にする。このようにして、トレーニング・シミュレータを実現することが可能になる。このトレーニング・シミュレータは、廃棄物エネルギー・プラントを、確実で、信頼性高く、且つ効率良いやり方で運転するために、オペレータを教育する。

明確性を確保するために、廃棄物の山の上側の層及び下側の層との呼び方を用いているが、これは、これら二つの層の両側または間に更なる層が配置された廃棄物モデルを、本願の保護範囲から排除するものでは決してないことを理解すべきである。同様に、本願の保護範囲は、上記の方法及びデバイスに限定されることを意図したものではなく、対応するコンピュータ・プログラムをもカバーすることが想定されている。

本発明の主題を、以下のテクストにおいて、添付図面に示された好ましい実施形態の例を参照しながら、詳細に説明する。

図面の中で使用されている参照符号及びそれらの意味は、まとめの形式で、参照符号のリストの中に示されている。原則として、図の中において、同一の部分には同一の参照符号が付されている。

図１は、以下に示す基本的なコンポーネントを有する廃棄物焼却プラントを、概略的に示している。インプット供給機構即ちアクチュエータ（１０）は、都市または産業の廃棄物、生ゴミまたはその他の残骸を炉（１１）に導入し、支持された可動火格子（１２）の上に、廃棄物等を置き、それによって、廃棄物床を形成する。火格子（１２）は、一般的に、廃棄物を火格子（１２）の上に広げ、混合し、且つ全体的に前進させるための、幾つかの反対方向に移動する火格子プレートを有している。補助バーナ（１３）を、燃焼プロセスを開始させまたは補助するために、設けることが可能である。燃焼により生じた煙道ガスは、煙道の中に集められ、ボイラー（１４）に導かれ、蒸気を加熱する。

一般性を失うことなく、焼却プロセスは、廃棄物が順次通過する４つのゾーンに分割される。それらは、ドライイング・ゾーン（２０）、熱分解及び気化／揮発（２１）のための第一燃焼ゾーン、チャ―の酸化または固体燃焼（２２）のための残留ゾーン、及びアッシュの処理／焼結ゾーン（２３）である。これらのゾーンは、実際には、炉の中で、明確に分離されておらず、ある程度重複することが可能である。第二燃焼ゾーンまたは火炎ゾーン（２４）は、熱分解ガスの一様な気相燃焼が起こる領域であって、廃棄物床の上方に特定される。プライマリ・エア（３０）は、火格子の下側から、上記の４つのゾーン（２０，２１，２２，２３）に対して一般的に異なる量で、供給される。セカンダリ・エア（３１）は、火格子の上側に供給され、第二燃焼ゾーン（２４）内でのガス化され且つ熱分解された生成物の完全燃焼を確保する。

以下のモデルにおいて問題となる “廃棄物”の量は、火格子の上の物理的な廃棄物床の仮想セクターに対応しており、“山（pile）”と呼ばれる。縦方向、即ち火格子に対して垂直な方向での、不均一性を表わすために、上記の山は、薄い上側の層またはトップ層と、少なくとも一つの塊状の下側の層または廃棄物層に、分けられる。各層は、一様であると仮定され、それらのそれぞれの性質は、上側の層に対してはインデックス“ｕ”で、少なくとも一つの下側の層または廃棄物層に対してはインデックス“ｗ”で、識別される。上記の山の幅は、一般的に、火格子の幅と同一と仮定され、複数の山が、互いに隣り合って配置され、全体の廃棄物床を近似することができる。

プライマリ・エアの流れ（以下において、インデックス“ｐ”で識別される）が、ある山を火格子の下側から通過するとき、この流れの温度が上昇し、水蒸気及び熱分解ガスを発生させ、それにより、いわゆる廃棄ガス・フロー（インデックス“ｇ”）となる。廃棄ガス・フローの可燃性成分は、一般的に“燃料”と呼ばれ、第二燃焼ゾーン（２４）の中で燃焼され、煙道ガスの流れ（インデックス“ｆ”）は、最終的にボイラー（１４）の方向に流出する。

図２の中には、本発明に基づく廃棄物燃焼モデルの様々なコンポーネントが示されている。気化（１．２）、熱分解（１．３）、及び固体燃焼（１．４）と呼ばれる、三つの基本的なプロセスが、区別され、それぞれが、適切な化学的および／または熱力学方程式によって、特徴づけられる。これらの方程式は、評価され、この明細書の末尾にあるモデルの好ましい実施形態の中で、“インプリメンテーション”として示されている形に書き換えられている。

廃棄物の組成及び燃焼空気の供給量に従い、且つ火格子の上の廃棄物の位置におおよそ対応して、これらのプロセスの内の一つが、山の中で支配的に起こる。廃棄物の山の二つの層は、温度Ｔ_ｕ，Ｔ_ｗ及び質量Ｍ_ｕ，Ｍ_ｗにより、特徴づけられる。これらの温度及び質量は、ベクトルであって、それらのコンポーネントは、層を作っている水、チャ―または固体可燃性物質、揮発性物質、及び不活性物質のそれぞれの量に対応している。一方、プライマリ・エアは、プライマリ・エア温度Ｔ_ｐ、及びその４つの主要コンポーネント、即ち酸素、不活性ガス、燃料、及び蒸気の流速ｆ_ｐにより、特徴づけられる。従って、流速ｆ_ｐも、同様に、ベクトルの形を取る。

プライマリ・エアの流速ｆ_ｐ及び温度Ｔ_ｐの両者は、廃棄物燃焼プロセスをコントロールするために使用される焼却プラントのパラメータを表わしている。この種類の他のパラメータは、例えば、炉（１１）のインプット部での廃棄物の供給速度ｆ_ｗｉ、火格子の速度ｖ_Ｇ、または、セカンダリ・エア（セカンダリ・エアの温度Ｔ_ｓ及び流速ｆ_ｓより特徴づけられる）などである。一方、インプット部での廃棄物の温度Ｔ_ｗｉ及び組成、即ちコンポーネント−水、チャ―、揮発性物質、及び不活性物質−の相対量、並びに、プライマリ及びセカンダリ・エアの組成、即ちコンポーネント−酸素、不活性ガス、燃料、及び蒸気−の相対量は、一般的に、調整またはコントロールの目的で変更することはできない。

廃棄物の山の高さＨ_ｗ、煙道ガス中の酸素フラクションＯ_ｆ、及び、蒸気生産量Ｓは、焼却プラントのターゲット・パラメータを表わしており、いかなるコントロールの意図も、究極的には、それらの値を、幾つかの目標値または設定ポイントに可能な限り近づけることを目指している。それ故、上述のパラメータをモデル出力として決定するために、廃棄物燃焼モデルの追加のコンポーネントが、火格子の上での廃棄物の機械的挙動、熱力学条件及び水／蒸気サイクルとの間の相互作用、並びに接続された煙道ガス及びアッシュの処理の手順を記述する。

気相プロセスの動力学は、山の中の固体廃棄物の熱力学と比べてはるかに速いので、廃棄物燃焼モデルは、ガスのマス・バランス及びガスの熱バランスが平衡状態にあり、且つ、定常状態のガス・フローが第二燃焼ゾーン（２４）または火炎の中で発達すると仮定する。第二燃焼ゾーン（２４）に対応する特定の容積の仮想の燃焼室の中で、ガスの蓄積および／または圧力の増大は考慮されない。下流の煙道の方向への煙道ガスの排水は、火炎と煙道の間の圧力勾配により、妨げられることも加速されることもなく、そして、煙道ガスの流量ｆ_ｆは、廃棄ガスの流量ｆ_ｇ及び第二燃焼ゾーン（２４）に入るセカンダリ・エアの流量ｆ_ｓと混じることがない。

固体及び気体の基本的な燃焼プロセス（１．４，１．５）の両者において、相対的な流入流量に依存して、固体または気体燃料の全て、または、利用可能な酸素の合計量が、消費される。燃料及び酸素の相対的な消費量を決定するために、基礎を成す化学的プロセスについての化学量論的な詳細が利用される。固体燃焼の反応速度は、このために、廃棄ガス・フローｆ_ｇの中の酸素濃度がゼロの場合に対応する値に限定されることがある。

本発明によれば、山の上側の層のみが、第二燃焼ゾーン（２４）における熱分解ガスの気相燃焼からの熱放射に曝されると仮定することによって、廃棄物燃焼モデルがシンプルに維持される。これに対応して、火炎から下側の層への熱伝達は、専ら上側の層からの熱伝導を介して起こる。このモデルの様々なコンポーネントの間での それぞれの相互作用は、図２の中の矢印により示されている。このモデルの好ましい実施形態の詳細は、この明細書の末尾に示されている。

更に、上側の層は、質量が無く（即ちＭ_ｕ＝０）、任意の薄さであり、しかしそれにも関わらず、固定された有限の熱慣性を有していると、仮定することが可能である。このケースにおいて、下側の層は、完全な廃棄物質量を有している。上側の層の前記有限の熱慣性、並びに、第二燃焼ゾーン（２４）の中の火炎またはガスのマスの熱慣性は、廃棄物燃焼モデルの調整可能なパラメータである。それらの正確な値は、標準的なパラメータ評価の手順を用いて当該モデルが記述されると想定される特定の廃棄物焼却プラントに対して適用される。

図３には、標準的な組成及び数トンの重量を有し、且つ、本発明に基づいてモデル化された廃棄物の単一の山の完全燃焼プロセスから得られた、様々なシミュレイションの結果が示されている。それぞれのグラフは、０．６時間の期間の間の時間的な変化を示していて、ここで、プライマリ・エア流量はｆ_ｐ、セカンダリ・エア流量はｆ_ｓで、両者は、不活性成分及び酸素（単位：ｋｇ／ｓ）のみ含み、並びに、廃棄物質量の４つのコンポーネントはＭ_ｗ（単位：ｋｇ）である。

０．１４時間経ったとき、廃棄物の揮発性物質成分が燃焼し始め、過剰酸素比率を８％に調整することを狙ったコントロール・アクションにより、セカンダリ・エアの流量ｆ_ｓが徐々に増大する。この過剰酸素比率Ｏ_ｆは、火炎温度Ｔ_ｆと相関関係にあるので、過剰酸素比率は、火炎温度をコントロールして、それにより最適な燃焼温度を確保するために使用される。更に、その結果生ずる、状態変数、即ちバルク廃棄物温度Ｔ_ｗ、上側の層の温度Ｔ_ｕ、及び火炎温度Ｔ_ｆ（全て単位はＫ）の変化が追跡される。最後に、過剰酸素比率Ｏ_ｆが、モデル出力の内の一つとして、示される。

廃棄物焼却プロセスのモデルは、上記のように、十分に綿密であって、正確な物理的メカニズムを質的に説明することが可能であるが、廃棄物焼却プラントのリアルタイム・コントロールのためのシステムにおけるその実施を妨げる程、複雑過ぎることはない。プロセス・モデルが特定されると、良く知られているモデルベースの技術を使用して、燃焼プロセスがコントロールされる。適切なモデルベースのコントローラは、例えば、いわゆるローブスト・コントロール（robust control）、インターナル・モデル・プリンシプル（internal model principle）、またはモデル予測制御（ＭＰＣ）であり、そのとき、好ましいコントローラの選択は、使用される特定のモデルに依存する。

重要な拡張は、廃棄物の組成の現実的な変動の組み込みにある。その目的のために、上記のモデルは線形化され、廃棄物の変動が、インプット廃棄物供給速度ｆｗｉに乗ぜられるノイズ源として、含まれる。このため、インプット廃棄物の相対的な組成を、例えば３０％の水を有する廃棄物の組成の公称タイプに対応するように、固定することが可能であり、そこからの全ての偏差は、ノイズ項により説明される。それに加えて、固体廃棄物及び廃棄ガスの材料特性が、それぞれの比熱容量ベクトルＣ_ｐｗ及びＣ_ｐｇにより集約されるので、熱分解ガスの正確な化学的組成を知る必要もない。同様に、出力ノイズを、線形化されたモデルの出力値（Ｓ，Ｏ_ｆ）に重ねることができる。

より詳細には、そして図４に示されているように、この拡張されたモデルは、次の形態をとる：

ここで、ｕは、プロセス・インプット（廃棄物の供給速度、火格子の速度、プライマリ及びセカンダリ・エアの流量に対応する）のベクトル；
ｙは、プロセス出力（酸素比率、蒸気生産量）のベクトル；
Ｇ及びＬは、線形化されたモデルを特徴付ける伝達関数マトリックスである。

廃棄物のインプット・プロセスを記述し、且つ実際の供給速度ｆ_ｗｉを与えるアクチュエータ・モデルＬ、及び燃焼モデルＧの双方は、固定される。これに対して、ノイズの効果を特徴付ける伝達関数マトリックスＨ_１及びＨ_２は、パラメータ化される。Ｅは、ホワイト・ノイズ源であって、マトリックスＨ_１，Ｈ_２によりフィルターがかけられている。４つの全てのマトリックスは、上記のモデルを線形化することにより、導き出される。

マトリックスＨ_１及びＨ_２のパラメータを特定するために、ｕ及びｙの測定値が、予測誤差を最小化するために使用される。もし、Ｈ_１がｐによりパラメータ化され、Ｈ_２がｑによりパラメータ化された場合には、以下の形態の最適化問題を解かなければならない：

ここで、

は、与えられた時間範囲に渡って、測定された出力及びインプット・ベクトルである。

式２は、市販の最適化ソフトウエアにより、または好ましくは、拡張されたカルマン・フィルタ（extended Kalman Filter）問題に変換することにより、直接的に解くことができる。
測定値：

は、既存のプラントのクローズド・ループ運転から導き出すこともできる。

パラメータ評価の計算上の複雑さは、コントローラにおけるモデルの適用可能性を脅かすことはない。その理由は、パラメータの評価が、前もって、またはコントローラの通常運転中にオフラインで、実行されるからである。従って、新しい測定値が利用可能なになったとき、またはシステム挙動に重要な変化の疑いが生じたときには、いつでもパラメータのアップデートを開始させることができる。

本発明に基づくコントロール・システムは、監視コントロール・チェインの中の一要素となり、その設定ポイント（即ち、煙道ガス中のターゲット・酸素比率Ｏ_Ｆ、または蒸気生産量Ｓ）は、階層的に上位の外部コントロール・ループで計算することが可能である。この上位の外部コントロール・ループは、ＰＩＤコントローラ、適応制御技術、ファジーまたはエキスパート・コントローラ、ニューラル・ネットワークまたは他のモデルベースのコントローラに基づくコントローラなどである。

以下に、上側の層は質量が無いとする仮定に基づく、廃棄物焼却モデルの好ましい実施形態を示す。

モデル入力：

モデル状態（火格子の中の山と同数のコレクション、一つのみしかない場合を除く）:

モデル出力：

追加の変数／関数：

状態方程式（上記のモデル状態に対する）：

出力方程式：

基本的なプロセス・モデル：
１．１ 固体廃棄物と廃棄物ガスの間の熱伝達
基本的記述：

追加のパラメータ：

インプリメンテーション：

１．２ 気化
基本的記述：

追加のパラメータ：

インプリメンテーション：

１．３ 熱分解
基本的記述：

追加のパラメータ：

インプリメンテーション：

１．４ 固体燃焼
基本的記述：

追加のパラメータ：

インプリメンテーション：

もし、この燃焼速度が完全に起こるために十分な酸素がプライマリ・エアの中に無い場合には（ｆｇに対する式を参照方）、この項は、可能な最大量に制限される（即ち、ｆｇの中の酸素がゼロになるように）。

１．５ ガス燃焼（火炎）
基本的記述：

追加のパラメータ：

インプリメンテーション：

廃棄物燃焼のケースと同様に、酸素の不足、またはｆｇの中の気体燃料のために、反応速度Ｇｍは実現可能でない場合もあり得る（ｆ_ｆに対する式を参照方）。反応速度は、可能最大値まで減らされる。

１．６ 上側の層の熱伝達
基本的記述：

追加のパラメータ：

インプリメンテーション：

図１は、廃棄物焼却プラントを概略的に示している。 図２は、廃棄物燃焼プロセスのモデルのコンポーネントを示している。 図３は、本発明に基づくモデルを用いて得られたシミュレイションの結果を示している。 図４は、コントロール目的のための線形化された手順を示している。

符号の説明

１０・・・アクチュエータ、１１・・・炉、１２・・・火格子、１３・・・補助バーナ、１４・・・ボイラー、２０・・・ドライイング・ゾーン、２１・・・第一燃焼ゾーン、２２・・・残留ゾーン、２３・・・アッシュ処理ゾーン、２４・・・第二燃焼ゾーン、３０・・・プライマリ・エア、３１・・・セカンダリ・エア。

Claims (10)

1. 廃棄物焼却プラント内における廃棄物燃焼プロセスの測定されたターゲット・パラメータ（ｙ）に応じて、コントロール信号（ｕ）を生成することにより廃棄物焼却プラントをコントロールする方法であって、
   前記コントロール信号（ｕ）の生成が、下記を含む廃棄物燃焼プロセスのモデルに基づくことを特徴とする方法：
   − 前記コントロール信号（ｕ）に対応するモデル入力（ｆｗｉ，Ｔｗｉ；ｆｐ，Ｔｐ；ｆｓ，Ｔｓ；ｖｇ）、モデル状態（Ｍｗ，Ｔｗ；Ｍｕ，Ｔｕ；Ｔｆ）、及び前記ターゲット・パラメータ（ｙ）に対応するモデル出力（ｆｇ，Ｔｇ；ｆｆ，Ｔｆ；Ｈｗ；Ｏｆ；Ｓ）；
   − 前記モデル状態を前記モデル入力に関係付ける状態方程式、及び前記モデル出力を前記モデル入力及びモデル状態に関係付ける出力方程式；
   − 廃棄物床のセクターを表わし、下側の層及び上側の層を有する山；
   − それぞれモデル状態を形成する、前記下側の層及び前記上側の層の、一様に分布した質量（Ｍｗ，Ｍｕ）及び空間的に一定の温度（Ｔｗ，Ｔｕ）。
2. 下記特徴を有する請求項１の方法：
   前記廃棄物燃焼プロセスのモデルは、限られた数の基本的なプロセス（１．１から１．６）を、更に含み、
   これらのプロセスは、火炎を表わす基本的なガス燃焼プロセス（１．５）と前記山との間の基本的な熱伝達プロセスを含んでいて、
   この熱伝達プロセスは、前記火炎と前記上側の層との間の基本的な熱放射プロセス（Ｕｒ）に限定される。
3. 下記特徴を有する請求項１の方法：
   前記上側の層は、質量が無く且つ有限の熱容量を有していると仮定される。
4. 下記特徴を有する請求項１の方法：
   固体物質即ち前記山の層に対応するモデル入力即ち状態（ｆｗｉ，Ｍｗ；Ｍｕ）は、水、チャ―、揮発性物質、及び不活性物質のコンポーネントを有し、且つ、
   ガス・フローに対応するモデル入力即ち出力（ｆｐ，ｆｓ，ｆｇ，ｆｆ）は、酸素、不活性ガス、燃料、及び蒸気のコンポーネントを有する。
5. 下記特徴を有する請求項１の方法：
   前記上側の層の熱慣性、及び火炎の熱慣性は、前記廃棄物燃焼プセスのモデルのパラメータであり、特定の焼却プラントに対して調整可能である。
6. 下記特徴を有する請求項１の方法：
   前記廃棄物燃焼プロセスのモデルは、線形モデルであって、
   コントロール信号（ｕ）の生成は、好ましくは、前記廃棄物燃焼プロセスのモデルのモデル出力（Ｈｗ；Ｏｆ；Ｓ）を含むモデル予測制御（ＭＰＣ）に基づく。
7. 下記特徴を有する請求項６の方法：
   前記廃棄物燃焼プロセスのモデルは、標準的な廃棄物の組成に基づき、且つ、
   前記廃棄物の組成（ｆｗｉ）の変動を、ホワイト・ノイズ（ｅ）を介して組み込む。
8. 下記特徴を有する請求項６の方法：
   前記ホワイト・ノイズの項は、パラメータ化された伝達マトリックス（Ｈ１，Ｈ２）を有し、
   これらの伝達マトリックスは、記録されたコントロール信号（ｕ）及び過去の測定されたターゲット・パラメータ（ｙ）に基づいて、特定されまたはアップデートされる。
9. 廃棄物焼却プラントをコントロールするためのデバイスであって、
   前記廃棄物焼却プラント内での廃棄物燃焼プロセスの、測定されたターゲット・パラメータ（ｙ）に応じてコントロール信号（ｕ）を生成するための手段を有し、
   前記コントロール信号（ｕ）の生成は、下記を含む廃棄物燃焼プロセスのモデルに基づく：
   − 前記コントロール信号（ｕ）に対応するモデル入力（ｆｗｉ，Ｔｗｉ；ｆｐ，Ｔｐ；ｆｓ，Ｔｓ；ｖｇ）、モデル状態（Ｍｗ，Ｔｗ；Ｍｕ，Ｔｕ；Ｔｆ）、及び前記ターゲット・パラメータ（ｙ）に対応するモデル出力（ｆｇ，Ｔｇ；ｆｆ，Ｔｆ；Ｈｗ；Ｏｆ；Ｓ）；
   − 前記モデル状態を前記モデル入力に関係付ける状態方程式、及び前記モデル出力を前記モデル入力及びモデル状態に関係付ける出力方程式；
   − 廃棄物床のセクターを表わし且つ下側の層及び上側の層を有する山；
   − モデル状態を形成する、物質（Ｍｗ，Ｍｕ）の一様な分布及び各層の温度（Ｔｗ，Ｔｕ）。
10. 廃棄物燃焼プロセスをシミュレイトするためのデバイスであって、下記を含む廃棄物燃焼プロセスのモデルに基づくデバイス：
    − モデル入力（ｆｗｉ，Ｔｗｉ；ｆｐ，Ｔｐ；ｆｓ，Ｔｓ；ｖｇ）、モデル状態（Ｍｗ，Ｔｗ；Ｍｕ，Ｔｕ；Ｔｆ）、及びモデル出力（ｆｇ，Ｔｇ；ｆｆ，Ｔｆ；Ｈｗ；Ｏｆ；Ｓ）；
    − 前記モデル状態を前記モデル入力に関係付ける状態方程式、及び前記モデル出力を前記モデル入力及びモデル状態に関係付ける出力方程式；
    − 廃棄物床のセクターを表わし、下側の層及び上側の層を有する山；
    − モデル状態を形成する、物質（Ｍｗ，Ｍｕ）の一様な分布及び各層の温度（Ｔｗ，Ｔｕ）。

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