JP3844333B2 - ボイラ設備を持たないごみ焼却炉の燃焼制御方式 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はごみ焼却炉の燃焼制御方式に関し、特に燃焼排ガスを利用するボイラ設備を持たない小・中規模のごみ焼却炉に適した燃焼制御方式に関する。
【０００２】
【従来の技術】
都市ごみを対象としたストーカ式ごみ焼却炉では、多種多様なごみを炉内に供給し燃焼させるため、燃焼状態が時間的に変化する。一般に、燃焼の自動制御では、この変化に応じてごみの供給量、ごみの移送量、一次燃焼空気量・温度と、そのストーカゾーンへの配分比、二次燃焼空気量・温度などを操作し燃焼を安定させる。
【０００３】
本発明者らは、これらに加えストーカ下と炉内の差圧及びそこを流れる燃焼空気流量を計測し、ごみの無い状態で事前に測定したデータと比較してごみ層の厚さを推定し、炉内のごみの量・堆積状況として捉え、その形状を一定に制御することで燃焼の安定化を図る方法を提案（特許第３０３０６１４号）した。
【０００４】
また、これに加えストーカの温度を制御量、ごみ層の形状、特に厚さを操作量として想定し、それらを考慮してストーカ動作、燃焼空気量配分比を操作することで、異常高温による機器へのダメージを最小限にとどめ、さらに緊急避難的な燃焼制御による公害の発生をなくす方法も提案（例えば、特願平１０−６５１０１号）した。
【０００５】
本発明者は更に、ごみを水分、可燃分、灰分から構成されるものとしてそのうちの灰分比率及びごみの可燃分成分組成比を一定と仮定し、可燃分の低位発熱量のみを長時間の物質収支に基づいて求め、その他必要なプロセス値については数分〜６０分程度の平均値を用いて物質・熱収支の計算を行い、ごみ低位発熱量を推定することで、その変動を素早く正確に捉えることを可能とし、より安定した自動燃焼制御の実現を可能とする方法も提案（特願平９−２６１３０８号）（文献１）した。
【０００６】
また、大型施設向けの燃焼制御方式として、炉内における発生蒸気量目標値に見合った適正なごみ層の形成を、各ゾーンのごみ層厚さ指標を制御することで実現し、さらに燃焼がもっとも盛んな場所への燃焼空気の配分比とその他の部分への配分比を、発生蒸気量制御偏差のフィードバックにより操作すること、またそれに合わせて燃焼がもっとも盛んな場所へのごみ供給量の加減を行うことで、発生蒸気量を長期間にわたって安定して一定に制御する方式も提案（特願２０００−３１５０５１）（文献２）している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記文献１、２のごみ低位発熱量推定方法及びごみ可燃分発熱量推定方法、燃焼制御方式は、いずれも廃熱利用のボイラーが備えられた設備における自動燃焼制御（ＡＣＣ）を想定しているものであり、ボイラー設備を持たない小・中規模のごみ焼却炉では、燃焼状態の変動を示しかつ運転目標ともなる発生蒸気量を自動燃焼制御に利用することができず、また毎日立上げ、立ち下げを行う准連続運転またはバッチ運転となることが多いことなどからＡＣＣの適用が遅れていた。
【０００８】
近年、ダイオキシン排出抑制対策により、准連続運転またはバッチ運転を行っていた小・中規模ごみ焼却施設では、燃焼管理の適正化や連続運転の実施が必要となり、専用のＡＣＣ導入ニーズが高まっている。
【０００９】
そこで、本発明の課題は、これまでの大型施設向けＡＣＣがその利用を前提としていた発生蒸気量を、オンラインで推定される発生熱量に置き換えることで、ボイラー設備を持たない小・中規模ごみ焼却施設において高度なＡＣＣ導入を可能とし、燃焼管理の適正化や連続運転における省力化を実現する自動燃焼制御方式を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明によるごみ焼却炉の燃焼制御方式は、炉内底部に設けられて燃焼すべきごみを載置して炉内をごみの入り口側から出口側に移動させる複数のゾーンからなるストーカと、前記複数のゾーン毎に前記ストーカの下側から空気量調整用のダンパを介して一次燃焼空気を供給するためのダクトとを備えたごみ焼却炉において、あらかじめ定められたアルゴリズムに基づいて当該ごみ焼却炉における発生熱量を推定し、推定された発生熱量と発生熱量目標値との間の熱量偏差に基づいて、ゾーン毎の一次燃焼空気量配分比を調整して発生熱量を制御する発生熱量制御系を備え、前記発生熱量制御系は、各ゾーンのストーカ温度、ごみ層厚、燃焼位置、及び燃え切り点の各種情報に基づいて燃焼が最も盛んなゾーンを検出するための知識ベースと、前記熱量偏差と前記各種情報と前記知識ベースの検出結果とに基づいて、前記燃焼が最も盛んなゾーンとその他のゾーンの間の一次燃焼空気量配分比を制御するためのコントローラとを含むことを特徴とする。
【００１２】
また、前記コントローラは、各ゾーンの一次燃焼空気量配分比を、それらの増減分の総和が０になるように制御する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明が適用されるごみ焼却炉の構成を示し、廃熱利用のボイラドラムを備えていない中規模のごみ焼却炉の場合を示している。
【００１７】
図１において、焼却すべきごみ１１はホッパ１２に供給され、ホッパ１２の底部に設けられたフィーダ１３の周期的なオン／オフ動作により、焼却炉の炉内１４に供給される。炉内１４の底部には炉内１４に供給されたごみ１１を載置し、炉内１４の出口１５、すなわち焼却灰の出口に向かってごみを移動させるストーカ１６が設けられている。ストーカ１６は、ここでは４つのゾーン１６−１〜１６−４に分割され、各ゾーン毎にストーカ１６の速度、すなわちごみの移送速度を操作できる構成になっている。
【００１８】
また、ストーカ１６の下側には一次燃焼空気１７を供給するためのダクト１８が設けられている。このダクト１８はストーカ１６の各ゾーン１６−１〜１６−４の下側にそれぞれ開口する４つの開口部１８−１〜１８−４を備えている。４つの開口部１８−１〜１８−４のダクト１８からの分岐部には、ストーカ１６の各ゾーン１６−１〜１６−４への一次燃焼空気１７の供給量を制御するためのダンパ１９−１〜１９−４が設けられている。また、各ダンパ１９−１〜１９−４とストーカ１６の各ゾーン１６−１〜１６−４間の開口部１８−１〜１８−４内にはそれぞれ圧力計２０−１〜２０−４と流量計２１−１〜２１−４が設置されており、ストーカ１６のゾーン１６−１〜１６−４毎の圧力、空気流量を計測できるように構成されている。
【００１９】
他方、炉内１４には圧力計２２が設けられており、炉内圧力を測定する。炉内１４にはまた、二次燃焼空気供給口２３が設けられ、炉内１４に二次燃焼空気２４が送り込まれる。更に、炉内１４の出口１５付近の内壁には炉内１４のごみの堆積状態や燃焼状態を撮像するための炉内カメラ２５が設けられている。炉内１４の天井部分には燃焼排ガス２６の排出ダクト２７が設けられている。排出ダクト２７には酸素濃度計２８が設けられている。そして、一次燃焼空気１７を供給するダクト１８内及び二次燃焼空気供給口２３内にはそれぞれ流量計２９、３０が設置されている。
【００２０】
ごみ焼却炉にはまた、温度測定装置が設けられている。すなわち、ストーカ１６には各ゾーン毎にそれぞれ、ストーカの温度を測定するための温度測定装置３１−１〜３１−４が設けられている。ここでは、各ゾーンを代表する位置のストーカに直接熱電対が埋め込まれて温度測定が行われる。
【００２１】
上記のように、都市ごみを対象としたごみ焼却炉では、ストーカを３〜５ゾーンに分割し、各ゾーンに対してそれぞれストーカの速度及びＯＮ／ＯＦＦ、一次燃焼空気量配分比をダンパ等で操作することができるようにしている。一次・二次燃焼空気の総量を操作することもできる。ホッパ１２から炉内１４へのごみの供給は、フィーダ１３の動作周期操作及びＯＮ／ＯＦＦにて行う。炉内１４におけるごみ層の形成に関しては、各ゾーンのごみ層厚を制御することで実現している。このごみ層厚制御は、目標値を各ストーカ温度、現在の各ごみ層厚や画像処理などによる燃え切り点の情報に基づいて知識ベース等から求め、制御偏差のフィードバックにより、ごみの供給速度及びＯＮ／ＯＦＦ、ストーカ速度及びＯＮ／ＯＦＦ、一次燃焼空気量配分比のダンパによる操作を行って実現している。
【００２２】
詳細は、上記した特許第３０３０６１４号、特願平９−１９０８８３号及び上記した特願平１０−６５１０１号に詳しく開示されているので、詳しい説明は省略する。
【００２３】
以下に、本発明で利用される燃焼ごみ低位発熱量推定方法及び燃焼ごみ可燃分発熱量推定方法のアルゴリズムについて説明する。これは、前記の文献１に開示されている燃焼ごみ低位発熱量推定方法及び燃焼ごみ可燃分発熱量推定方法と原理は同じである。
【００２４】
はじめに、下記のような前提条件のもとに行われる燃焼ごみ低位発熱量推定方法のアルゴリズムについて説明する。
【００２５】
（１）ごみ焼却炉の各部に設けられる測定器の測定値は数分〜６０分程度の平均値を利用する。但し、可燃分発熱量については概略値を初期値としてあらかじめ別途計算する。
（２）ごみ焼却炉出口の燃焼排ガスのＯ2 濃度は、乾きベースの値である。
（３）一次押込空気（一次燃焼空気）、二次押込空気（二次燃焼空気）中の水分は無視する。
（４）尿素水、水、ろ液汚水などを炉内に噴霧する場合は、それらを考慮した計算が行われる。
（５）補助燃料を使用する場合も、その成分、発熱量、使用量など考慮した計算が行われる。
【００２６】
本燃焼ごみ低位発熱量推定方法においては、図２のフローチャートに示す手順に基づいて、理論空気量Ｌｃ、可燃分燃焼速度Ｍ・Ｒｃ、ごみ処理速度Ｍ、ごみ組成比−水分Ｒｗ、ごみ組成比−可燃分Ｒｃ、一次燃焼空気比（Ｌ1 ／Ｌｃ・Ｍ・Ｒｃ）（但し、Ｌ1 は一次押込空気流量）、二次燃焼空気比（Ｌ2 ／Ｌｃ・Ｍ・Ｒｃ）（但し、Ｌ2 は二次押込空気流量）、総空気比（Ｌ1 ＋Ｌ2 ）／（Ｌｃ・Ｍ・Ｒｃ）、ごみ低位発熱量Ｈｕなどを計算する。なお、以降で用いられる計算式で使用される記号は、下記の表１、表２に示す通りである。表１、表２において備考欄に数字が示されているものは仮定値または理論値である。また、ごみ焼却炉出口の排ガス、燃焼空気は成分に基づいて実測値のルックアップテーブルなどを利用して求める。
【００２７】
【表１】
【００２８】
【表２】
【００２９】
１．ステップＳ１においては、可燃分の組成を一定と仮定して下記の数１により理論空気量Ｌｃを求める。
【００３０】
【数１】
【００３１】
数１において、Ｃｃはごみ可燃分組成比−炭素、ＣH はごみ可燃分組成比−水素、Ｃｏはごみ可燃分組成比−酸素、Ｃｓはごみ可燃分組成比−硫黄をそれぞれ表す。
【００３２】
２．ステップＳ１では更に、計算された理論空気量Ｌｃ、ごみ焼却炉出口の排ガス中のＯ2 濃度測定値ＯｕｔＯ2 、あらかじめ知られている空気中のＯ2 濃度Ａｉｒ＿Ｏ2 、燃焼空気量の測定値（Ｌ1 ＋Ｌ2 ）に加えて、Ｃ＿ＣＯ2 体積係数Ｖ＿Ｃ、ごみ可燃分組成比−炭素Ｃｃ、Ｎ2 ＿ＮＯ2 体積係数Ｖ＿Ｎ2 、ごみ可燃分組成比−窒素ＣN を基に、下記の数２により可燃分燃焼速度Ｍ・Ｒｃを計算し、燃焼したごみの可燃分量を求める。
【００３３】
【数２】
【００３４】
この数２では、燃焼空気量（Ｌ1 ＋Ｌ2 ）、Ｏ2 濃度測定値ＯｕｔＯ2 などから酸素の消費量が分かるので燃焼したごみの可燃分量が計算されていることを意味する。言い換えれば、可燃分燃焼速度Ｍ・Ｒｃは、単位時間当たりに燃焼したごみの可燃分量を意味する。
【００３５】
３．ステップＳ２では燃焼したごみ中の水分量を０、すなわちごみ組成比−水分Ｒｗを０と仮定して次のステップに移行する。
【００３６】
４．ステップＳ３では、下記の数３〜数６により排ガス中の各成分の量を計算する。
【００３７】
【数３】
【数４】
【数５】
【数６】
【００３８】
数３では、Ｃ＿ＣＯ2 体積係数Ｖ＿Ｃ、可燃分燃焼速度Ｍ・Ｒｃ、ごみ可燃分組成比−炭素Ｃｃに基づいてＣＯ2 のガス量を計算する。数４では、Ｈ＿Ｈ2 Ｏ体積係数Ｖ＿Ｈ、可燃分燃焼速度Ｍ・Ｒｃ、ごみ可燃分組成比−水素ＣH 、Ｈ2 Ｏ＿Ｈ2 Ｏ体積係数Ｖ＿Ｈ2 Ｏ、炉内噴霧水流量Ｗ、汚水ろ液噴霧量Ｗｒ、尿素噴霧量ＮＨ3 、尿素キャリー水量ＷＮＨ3 、ごみ処理速度Ｍ・Ｒｗに基づいて水蒸気量ＧＨ2 Ｏが計算される。数５では、Ｎ2 ＿ＮＯ2 体積係数Ｖ＿Ｎ2 、可燃分燃焼速度Ｍ・Ｒｃ、ごみ可燃分組成比−窒素ＣN 、あらかじめ知られている空気中のＮ2 濃度Ａｉｒ＿Ｎ2 及び燃焼空気量（Ｌ1 ＋Ｌ2 ）に基づいて、窒素ガス量ＧＮ2 が計算される。更に、数６では、あらかじめ知られている空気中のＯ2 濃度Ａｉｒ＿Ｏ2 、燃焼空気量（Ｌ1 ＋Ｌ2 ）、理論空気量Ｌｃ、可燃分燃焼速度Ｍ・Ｒｃに基づいて酸素量ＧＯ2 が計算される。
【００３９】
５．ステップＳ４では、別途計算される初期値の可燃分発熱量Ｈｃと燃焼したごみ中の可燃分量から燃焼したごみの総発熱量が分かり、排ガスに含まれる複数のガス成分などから排ガスのエンタルピを求め、下記の数７でごみ焼却炉に入る熱量と出る熱量のバランス計算から燃焼したごみ中の水分量を計算する。
【００４０】
【数７】
【００４１】
すなわち、あらかじめ概算された可燃分発熱量と燃焼したごみ中の可燃分量から燃焼したごみの総発熱量を求め、ステップＳ３で計算された複数のガス成分の量からごみ焼却炉出口の排ガスのエンタルピを計算し、更にごみ焼却炉入口と出口の熱量のバランス計算を行ったうえで燃焼したごみ中の水分量を計算する。
【００４２】
なお、数７において、Ｍ・Ｒｃ・（ＳＨ＿Ｒｃ・Ｔ＋Ｈｃ）は、ごみ可燃分の顕熱及び燃焼熱を表し、Ｅａ（Ｔ１）・Ｌ１＋Ｅａ（Ｔ２）・Ｌ２は１次、２次燃焼空気顕熱を表し、（１＋α）・Ｅｇ（Ｔｂ，ＧＣＯ2 ，ＧＨ2 Ｏ，ＧＮ2 ，ＧＯ2 ）・｛ＧＣＯ2 ＋ＧＮ2 ＋ＧＯ2 ＋Ｖ＿Ｈ・Ｍ・Ｒｃ・ＣH ｝は水分を除いた燃焼排ガスの顕熱及びそれによる炉体熱損失を表す。また、Ｍ・Ｒｗ・Ｖ＿Ｈ2 Ｏ・（１＋α）・Ｅｇ（Ｔｂ，ＧＣＯ2 ，ＧＨ2 Ｏ，ＧＮ2 ，ＧＯ2 ）は、燃焼排ガス中水分の顕熱及びそれによる炉体熱損失を表し、Ｍ・Ｒｗ・（λ＿ＳＨ＿Ｗ・Ｔ）はごみ中水分の蒸発潜熱及び顕熱を表す。
【００４３】
６．ステップＳ５では、ごみ中の水分量があらかじめ定められた値εに収束するまでステップＳ３、Ｓ４を繰り返し、ごみ中の水分量を求める。
【００４４】
７．ステップＳ６では、灰分比を一定と仮定して、ステップＳ１で計算された燃焼したごみの可燃分量とステップＳ４で求められたごみ中の水分量とに基づいてごみ処理速度Ｍを計算し、下記の数８により燃焼したごみ量を求める。
【００４５】
【数８】
【００４６】
８．ステップＳ６では更に、可燃分発熱量Ｈｃ、水の蒸発潜熱λを用いて、下記の数９により燃焼したごみの低位発熱量Ｈｕを求める。
【００４７】
【数９】
【００４８】
９．ステップＳ７では表１、表２にある式に従って他の計算値を計算する。
【００４９】
次に、本発明で利用される可燃分発熱量推定方法のアルゴリズムについて説明する。
【００５０】
上で述べたごみ低位発熱量推定方法から得られるごみ処理速度Ｍの現在からτ時間（５〜１０時間）前までの間の第１の時間平均値と、ホッパ内にあるごみ量が燃焼するために必要なδ時間（１〜２時間）前から（τ＋δ）時間前までの間のクレーンによるごみ投入重量の第２の時間平均値を比較する。ここで得られる第１の時間平均値と第２の時間平均値との差は、ごみ低位発熱量推定に用いた可燃分発熱量Ｈｃの誤差とホッパ内のごみ推定量の誤差により生じたものと考えられる。このうち定常的な偏差を生む可能性がある可燃分発熱量Ｈｃの誤差を修正するために、下記の数１０で得られる値を現在の可燃分発熱量Ｈｃに加える。勿論、数１０における修正ゲイン、修正間隔については、ごみ低位発熱量推定を含めた全体の推定系が安定となる範囲とする。
【００５１】
【数１０】
【００５２】
図３は、上記のようにして得られたごみ発生熱量に基づく燃焼制御方式の実施の形態を示し、一次燃焼空気量配分比操作による発生熱量制御系を示している。この発生熱量制御系は、燃焼が最も盛んな場所への一次燃焼空気の配分比とその他の部分への配分比を、
▲１▼発生熱量の推定値をフィードバックして発生熱量目標値との偏差に基づいて操作すること、
▲２▼それに合わせて燃焼がもっとも盛んな場所へのごみ供給量の加減を行うことで、発生熱量を一定に制御する自動焼制御方式である。
【００５３】
以下に、本形態の作用について説明する。一般的に、フィーダ１３により炉内１４に供給されたごみは、既に炉内１４で燃焼しているごみの燃焼による輻射や、乾燥を主目的としたストーカ１６のゾーン１６−１のストーカ下部から供給される乾燥用燃焼空気により、ストーカ動作による移動とともに徐々に乾燥され昇温していく。燃焼を主目的とするストーカ１６のゾーン１６−２に移送される頃に燃焼が始まり、そのゾーン１６−２の終わりに到達するまで、ストーカ下部から燃焼空気の供給を受け激しく燃焼する。後燃焼を主目的としたゾーン１６−３に移送される頃には、主として燃え残った炭素成分がゆっくりと燃焼する後燃焼へと移行していく。この時もストーカ下部から燃焼空気の供給を受けるが、燃焼を主目的とした部分よりもずっと少ない量の供給となる。
【００５４】
燃焼プロセスの結果発生する燃焼排ガスは、ボイラ設備を持たない小・中規模のごみ焼却施設の場合、通常、急冷塔、脱硫・脱硝設備、バグフィルタ等の排ガス処理設備で処理される。
【００５５】
上記燃焼プロセスにおいて計測される値から、時間当たりごみ処理量、時間当たりごみ発生量及びごみ低位発熱量が常に安定して推定され、特にごみ処理量の推定値は、クレーンによる重量計測結果から得られる値と滞留時間のずれを考慮すると非常に良く一致する。
【００５６】
このようにして得られた時間当たりごみ発生熱量を主たる制御量として利用し、大型ごみ処理施設と同等の自動燃焼制御運転を行う。
【００５７】
ところで、ごみの燃焼によって時間当たりに発生する熱量をオンラインで推定する方法は、ごみの成分が安定しないながらも一定の範囲内にあると考えられることや、ごみの燃焼が安定している場合は計測されるプロセス値が燃焼プロセスの静的なバランス状態を表現しているという考え方で、妥当と思われる一連の仮定の上に、
１．燃焼プロセスの瞬間的静的バランス状態を想定した、繰返し計算による発生熱量推定手順
２．一定時間の発生熱量推定結果とごみ投入結果の比較による、発生熱量推定の前提となる可燃分発熱量の修正手順
とを逐次実施することで実現される。
【００５８】
これは前に引用した文献１の「ごみ焼却炉の燃焼ごみ低位発熱量推定方法及び可燃分発熱量推定方法」を、次の点で修正することとなる。つまり、文献１の 「ごみ焼却炉の燃焼ごみ低位発熱量推定方法及び可燃分発熱量推定方法」では廃熱利用のボイラを備えることを前提としているので、
・ボイラ出口酸素濃度を燃焼排ガス酸素濃度に替え、
・ボイラ出口ガス温度を炉出口燃焼排ガス温度に替え、
・主蒸気に関するエンタルピー計算部分を削除し、
・ボイラに関するエンタルピー計算部分を削除し、
・発生熱量推定値を（ごみ低位発熱量×ごみ処理速度Ｈｕ・Ｍ）として追加すれば良いことになる。これらの点を考慮した説明が、上記の図２、表１、表２等を参照した説明である。
【００５９】
なお、急冷塔などの排ガス処理プロセスを考慮して計算することもでき、その場合は、
・ボイラ出口ガス温度を急冷塔出口ガス温度に替え、
・急冷塔噴霧水に関するエンタルピー計算を追加すれば良い。
【００６０】
本形態による燃焼制御方式では、プロセス全体の安定化に関しては、前に述べたようにごみ層形状、特にごみ層厚の制御により実現されているものとして、燃焼が最も盛んに起こっている部分への適切な一次燃焼空気量配分比及びそれに伴うごみ移送操作にポイントを置いている。
【００６１】
本形態による燃焼制御方式は、燃焼がもっとも盛んな部分の判断と、その部分への一次燃焼空気量配分比、ごみ移送の増減を逐次繰り返すことで実現される。
【００６２】
燃焼がもっとも盛んな部分は、各ストーカ温度、現在のごみ層厚、燃焼位置、燃え切り点等の各種情報に基づいて、燃焼ゾーン検出知識べースによりストーカゾーンとして特定される（図３参照）。なお、ストーカ温度は温度計３１−１〜３１−４により測定され、ごみ層厚、燃焼位置、燃え切り点の検出方法は、前に引用した明細書に詳しく説明されているので、ここでは説明は省略する。
【００６３】
図４には燃焼ゾーン検出知識ベースによる燃焼が最も盛んなゾーンの検出例を示している。一例を説明すると、図４（ａ）では、ストーカ温度が、ゾーン１６−１では適温、ゾーン１６−２ではやや高温、ゾーン１６−３ではやや低温、ゾーン１６−４では適温であり、ごみ層厚については、ゾーン１６−１〜１６−４のいずれでも標準であり、燃焼位置がゾーン１６−２、燃え切り点位置がゾーン１６−３である場合、燃焼が最も盛んなゾーンはゾーン１６−２であると検出される。
【００６４】
一方、一次燃焼空気量配分比操作は、図３に示されるように、知識ベースを持つ発生熱量コントローラと、一次燃焼空気量配分比コントローラとにより実現される。発生熱量コントローラは、前に述べたアルゴリズムで推定された発生熱量と目標値との偏差、燃焼ゾーン検出知識ベースで特定された燃焼がもっとも盛んなゾーン、ストーカ温度、ごみ層厚、燃焼位置、燃え切り点位置等の情報を受けて各ゾーンの燃焼空気流量比目標値を出力する。一次燃焼空気量配分比コントローラは、これらの各ゾーンの燃焼空気流量比目標値と実際の各ゾーンの燃焼空気流量比との偏差を受けて、各ゾーンの一次燃焼空気量配分比を制御する。すなわち、上記の燃焼ゾーン検出知識ベースで特定された、燃焼がもっとも盛んなストーカゾーンとその前後のストーカゾーンとの間で、プロセス全体を安定化させる目的であらかじめ決定された一次燃焼空気量配分比を、その増減幅について発生熱量と目標値との偏差及びそれに関連する値（例えば、微分値、積分値）に基づいて、ごみ層厚制御、燃焼位置・燃え切り点制御に影響を与えない範囲で発生熱量コントローラにより決定した後、増減させる。勿論、実際の各ゾーンの一次燃焼空気量配分比は、図１に示された各ダンパ１９−１〜１９−４の開度、圧力計２０−１〜２０−４、流量計２１−１〜２１−４の検出値により算出される。
【００６５】
知識ベースとしては、例えばファジー推論があげられる。
【００６６】
図５は、一次燃焼空気量配分比操作による発生熱量制御例を示す。例えば、発生熱量偏差が正で、燃焼位置がゾーン１６−２にある場合は、燃焼を促進させることを目的として、燃焼がもっとも盛んなゾーン１６−２の一次燃焼空気量配分比を発生熱量偏差及びそれに関連する値に応じて増加させ、それより後段にあるゾーン１６−３、１６−４の配分比をゾーン１６−２の配分比を増加させた分だけ減少させる。すなわち、ゾーン１６−２の配分比の増加は０．１、ゾーン１６−３、１６−４の配分比の減少はそれぞれ、０．０３、０．０７で、その和（０．０３＋０．０７）はゾーン１６−２の配分比の増加分０．１に等しい。
【００６７】
この時、ごみ移送操作については、一次燃焼空気量配分比の操作が燃焼プロセス全体に与える影響を少なくするため、発生熱量目標値やストーカ温度制御等を考慮したごみ層厚制御及び燃焼位置・燃え切り点制御により決定された各ゾーンのストーカ速度を、その増減幅について発生熱量の偏差及びそれに関連する値 （例えば、微分値、積分値）に基づいて、ごみ層厚制御、燃焼位置・燃え切り点制御に影響を与えない範囲で発生熱量コントローラにおいて決定した後、増減させる。
【００６８】
図６は、ストーカによるごみ移送速度補正操作により発生熱量を制御するための制御系を示している。図６において、ごみ移送速度補正操作は、図３で説明したのと同じ燃焼ゾーン検出知識ベースと、発生熱量目標値と各ゾーンのストーカ温度、各ゾーンのごみ層厚、燃焼位置、燃え切り点等の各種情報により各ゾーンのストーカ速度を設定する、知識ベースを内蔵したごみ層厚コントローラと、知識ベースを持つ発生熱量コントローラとにより実現される。
【００６９】
発生熱量コントローラは、前に述べたアルゴリズムで推定された発生熱量と発生熱量目標値との偏差、燃焼ゾーン検出知識ベースで特定された燃焼がもっとも盛んなゾーンとに基づいて、ごみ層厚制御、燃焼位置・燃え切り点制御に影響を与えない範囲で各ゾーンのストーカ速度設定補正値を決定して出力する。これらのストーカ速度設定補正値は、加算器によりごみ層厚コントローラからの各ゾーンのストーカ速度設定値に加算され、ストーカ１６に速度指令値として与えられる。
【００７０】
図７は、ストーカによるごみ移送速度補正操作による発生熱量制御例を示す。例えば、発生熱量偏差が正で、燃焼のもっとも盛んなゾーンが１６−２である場合、ゾーン１６−２のストーカ速度増分を他のストーカゾーンの速度増分より大きく設定し、各ゾーンのストーカ速度を増加させる。なお、ストーカ操作については、これまでのＡＣＣにおいて行われている制御と同じであるので、詳しい説明は省略する。
【００７１】
勿論、本発明は、図３の一次燃焼空気量配分比操作による発生熱量制御系と、図６のストーカによるごみ移送速度補正操作による発生熱量制御系の両方を備えていても良い。この場合、発生熱量コントローラは前述した２種類の機能を持つ１つのコントローラで実現でき、燃焼ゾーン検出知識ベースも１つのものを兼用することができる。
【００７２】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明によれば、時間当たりに発生するごみ発生熱量をオンラインで推定する方法を大型ごみ焼却施設向け自動燃焼制御と組み合わせることで、ボイラ設備を持たない小・中規模のごみ焼却施設においても、運転時の発生熱量を一定に保つことが可能となり、ごみ質の変動の影響を受けずに排ガス処理系の負荷が安定し、低公害運転と省力化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用される水平ストーカ式ごみ焼却炉とその計装系の構成を示す概略断面図である。
【図２】本発明において利用される燃焼ごみ低位発熱量推定アルゴリズムを説明するためのフローチャート図である。
【図３】本発明による、一次燃焼空気量配分比操作による発生熱量制御系の構成を示した図である。
【図４】図３の発生熱量制御系に適用される燃焼ゾーン検出知識べースによる燃焼が最も盛んなゾーンの検出例を説明するための図である。
【図５】図３の発生熱量制御系に適用される一次燃焼空気量配分比操作による発生熱量制御例を説明するための図である。
【図６】本発明のごみ移送操作による発生熱量制御系を示した図である。
【図７】図６の発生熱量制御系に適用されるごみ移送操作による発生熱量制御例を説明するための図である。
【符号の説明】
１１ ごみ
１２ ホッパ
１３ フィーダ
１４ 炉内
１５ 出口
１６ ストーカ
１６−１〜１６−４ ゾーン
１７ 一次燃焼空気
２０−１〜２０−４、２２ 圧力計
２１−１〜２１−４、２９、３０ 流量計
２３ 二次燃焼空気供給口
２４ 二次燃焼空気
２５ 炉内カメラ
２６ 燃焼排ガス
２７ 燃焼排ガス排出口
２８ 酸素濃度計
３１−１〜３１−４ 温度測定装置
【発明の属する技術分野】
本発明はごみ焼却炉の燃焼制御方式に関し、特に燃焼排ガスを利用するボイラ設備を持たない小・中規模のごみ焼却炉に適した燃焼制御方式に関する。
【０００２】
【従来の技術】
都市ごみを対象としたストーカ式ごみ焼却炉では、多種多様なごみを炉内に供給し燃焼させるため、燃焼状態が時間的に変化する。一般に、燃焼の自動制御では、この変化に応じてごみの供給量、ごみの移送量、一次燃焼空気量・温度と、そのストーカゾーンへの配分比、二次燃焼空気量・温度などを操作し燃焼を安定させる。
【０００３】
本発明者らは、これらに加えストーカ下と炉内の差圧及びそこを流れる燃焼空気流量を計測し、ごみの無い状態で事前に測定したデータと比較してごみ層の厚さを推定し、炉内のごみの量・堆積状況として捉え、その形状を一定に制御することで燃焼の安定化を図る方法を提案（特許第３０３０６１４号）した。
【０００４】
また、これに加えストーカの温度を制御量、ごみ層の形状、特に厚さを操作量として想定し、それらを考慮してストーカ動作、燃焼空気量配分比を操作することで、異常高温による機器へのダメージを最小限にとどめ、さらに緊急避難的な燃焼制御による公害の発生をなくす方法も提案（例えば、特願平１０−６５１０１号）した。
【０００５】
本発明者は更に、ごみを水分、可燃分、灰分から構成されるものとしてそのうちの灰分比率及びごみの可燃分成分組成比を一定と仮定し、可燃分の低位発熱量のみを長時間の物質収支に基づいて求め、その他必要なプロセス値については数分〜６０分程度の平均値を用いて物質・熱収支の計算を行い、ごみ低位発熱量を推定することで、その変動を素早く正確に捉えることを可能とし、より安定した自動燃焼制御の実現を可能とする方法も提案（特願平９−２６１３０８号）（文献１）した。
【０００６】
また、大型施設向けの燃焼制御方式として、炉内における発生蒸気量目標値に見合った適正なごみ層の形成を、各ゾーンのごみ層厚さ指標を制御することで実現し、さらに燃焼がもっとも盛んな場所への燃焼空気の配分比とその他の部分への配分比を、発生蒸気量制御偏差のフィードバックにより操作すること、またそれに合わせて燃焼がもっとも盛んな場所へのごみ供給量の加減を行うことで、発生蒸気量を長期間にわたって安定して一定に制御する方式も提案（特願２０００−３１５０５１）（文献２）している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記文献１、２のごみ低位発熱量推定方法及びごみ可燃分発熱量推定方法、燃焼制御方式は、いずれも廃熱利用のボイラーが備えられた設備における自動燃焼制御（ＡＣＣ）を想定しているものであり、ボイラー設備を持たない小・中規模のごみ焼却炉では、燃焼状態の変動を示しかつ運転目標ともなる発生蒸気量を自動燃焼制御に利用することができず、また毎日立上げ、立ち下げを行う准連続運転またはバッチ運転となることが多いことなどからＡＣＣの適用が遅れていた。
【０００８】
近年、ダイオキシン排出抑制対策により、准連続運転またはバッチ運転を行っていた小・中規模ごみ焼却施設では、燃焼管理の適正化や連続運転の実施が必要となり、専用のＡＣＣ導入ニーズが高まっている。
【０００９】
そこで、本発明の課題は、これまでの大型施設向けＡＣＣがその利用を前提としていた発生蒸気量を、オンラインで推定される発生熱量に置き換えることで、ボイラー設備を持たない小・中規模ごみ焼却施設において高度なＡＣＣ導入を可能とし、燃焼管理の適正化や連続運転における省力化を実現する自動燃焼制御方式を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明によるごみ焼却炉の燃焼制御方式は、炉内底部に設けられて燃焼すべきごみを載置して炉内をごみの入り口側から出口側に移動させる複数のゾーンからなるストーカと、前記複数のゾーン毎に前記ストーカの下側から空気量調整用のダンパを介して一次燃焼空気を供給するためのダクトとを備えたごみ焼却炉において、あらかじめ定められたアルゴリズムに基づいて当該ごみ焼却炉における発生熱量を推定し、推定された発生熱量と発生熱量目標値との間の熱量偏差に基づいて、ゾーン毎の一次燃焼空気量配分比を調整して発生熱量を制御する発生熱量制御系を備え、前記発生熱量制御系は、各ゾーンのストーカ温度、ごみ層厚、燃焼位置、及び燃え切り点の各種情報に基づいて燃焼が最も盛んなゾーンを検出するための知識ベースと、前記熱量偏差と前記各種情報と前記知識ベースの検出結果とに基づいて、前記燃焼が最も盛んなゾーンとその他のゾーンの間の一次燃焼空気量配分比を制御するためのコントローラとを含むことを特徴とする。
【００１２】
また、前記コントローラは、各ゾーンの一次燃焼空気量配分比を、それらの増減分の総和が０になるように制御する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明が適用されるごみ焼却炉の構成を示し、廃熱利用のボイラドラムを備えていない中規模のごみ焼却炉の場合を示している。
【００１７】
図１において、焼却すべきごみ１１はホッパ１２に供給され、ホッパ１２の底部に設けられたフィーダ１３の周期的なオン／オフ動作により、焼却炉の炉内１４に供給される。炉内１４の底部には炉内１４に供給されたごみ１１を載置し、炉内１４の出口１５、すなわち焼却灰の出口に向かってごみを移動させるストーカ１６が設けられている。ストーカ１６は、ここでは４つのゾーン１６−１〜１６−４に分割され、各ゾーン毎にストーカ１６の速度、すなわちごみの移送速度を操作できる構成になっている。
【００１８】
また、ストーカ１６の下側には一次燃焼空気１７を供給するためのダクト１８が設けられている。このダクト１８はストーカ１６の各ゾーン１６−１〜１６−４の下側にそれぞれ開口する４つの開口部１８−１〜１８−４を備えている。４つの開口部１８−１〜１８−４のダクト１８からの分岐部には、ストーカ１６の各ゾーン１６−１〜１６−４への一次燃焼空気１７の供給量を制御するためのダンパ１９−１〜１９−４が設けられている。また、各ダンパ１９−１〜１９−４とストーカ１６の各ゾーン１６−１〜１６−４間の開口部１８−１〜１８−４内にはそれぞれ圧力計２０−１〜２０−４と流量計２１−１〜２１−４が設置されており、ストーカ１６のゾーン１６−１〜１６−４毎の圧力、空気流量を計測できるように構成されている。
【００１９】
他方、炉内１４には圧力計２２が設けられており、炉内圧力を測定する。炉内１４にはまた、二次燃焼空気供給口２３が設けられ、炉内１４に二次燃焼空気２４が送り込まれる。更に、炉内１４の出口１５付近の内壁には炉内１４のごみの堆積状態や燃焼状態を撮像するための炉内カメラ２５が設けられている。炉内１４の天井部分には燃焼排ガス２６の排出ダクト２７が設けられている。排出ダクト２７には酸素濃度計２８が設けられている。そして、一次燃焼空気１７を供給するダクト１８内及び二次燃焼空気供給口２３内にはそれぞれ流量計２９、３０が設置されている。
【００２０】
ごみ焼却炉にはまた、温度測定装置が設けられている。すなわち、ストーカ１６には各ゾーン毎にそれぞれ、ストーカの温度を測定するための温度測定装置３１−１〜３１−４が設けられている。ここでは、各ゾーンを代表する位置のストーカに直接熱電対が埋め込まれて温度測定が行われる。
【００２１】
上記のように、都市ごみを対象としたごみ焼却炉では、ストーカを３〜５ゾーンに分割し、各ゾーンに対してそれぞれストーカの速度及びＯＮ／ＯＦＦ、一次燃焼空気量配分比をダンパ等で操作することができるようにしている。一次・二次燃焼空気の総量を操作することもできる。ホッパ１２から炉内１４へのごみの供給は、フィーダ１３の動作周期操作及びＯＮ／ＯＦＦにて行う。炉内１４におけるごみ層の形成に関しては、各ゾーンのごみ層厚を制御することで実現している。このごみ層厚制御は、目標値を各ストーカ温度、現在の各ごみ層厚や画像処理などによる燃え切り点の情報に基づいて知識ベース等から求め、制御偏差のフィードバックにより、ごみの供給速度及びＯＮ／ＯＦＦ、ストーカ速度及びＯＮ／ＯＦＦ、一次燃焼空気量配分比のダンパによる操作を行って実現している。
【００２２】
詳細は、上記した特許第３０３０６１４号、特願平９−１９０８８３号及び上記した特願平１０−６５１０１号に詳しく開示されているので、詳しい説明は省略する。
【００２３】
以下に、本発明で利用される燃焼ごみ低位発熱量推定方法及び燃焼ごみ可燃分発熱量推定方法のアルゴリズムについて説明する。これは、前記の文献１に開示されている燃焼ごみ低位発熱量推定方法及び燃焼ごみ可燃分発熱量推定方法と原理は同じである。
【００２４】
はじめに、下記のような前提条件のもとに行われる燃焼ごみ低位発熱量推定方法のアルゴリズムについて説明する。
【００２５】
（１）ごみ焼却炉の各部に設けられる測定器の測定値は数分〜６０分程度の平均値を利用する。但し、可燃分発熱量については概略値を初期値としてあらかじめ別途計算する。
（２）ごみ焼却炉出口の燃焼排ガスのＯ2 濃度は、乾きベースの値である。
（３）一次押込空気（一次燃焼空気）、二次押込空気（二次燃焼空気）中の水分は無視する。
（４）尿素水、水、ろ液汚水などを炉内に噴霧する場合は、それらを考慮した計算が行われる。
（５）補助燃料を使用する場合も、その成分、発熱量、使用量など考慮した計算が行われる。
【００２６】
本燃焼ごみ低位発熱量推定方法においては、図２のフローチャートに示す手順に基づいて、理論空気量Ｌｃ、可燃分燃焼速度Ｍ・Ｒｃ、ごみ処理速度Ｍ、ごみ組成比−水分Ｒｗ、ごみ組成比−可燃分Ｒｃ、一次燃焼空気比（Ｌ1 ／Ｌｃ・Ｍ・Ｒｃ）（但し、Ｌ1 は一次押込空気流量）、二次燃焼空気比（Ｌ2 ／Ｌｃ・Ｍ・Ｒｃ）（但し、Ｌ2 は二次押込空気流量）、総空気比（Ｌ1 ＋Ｌ2 ）／（Ｌｃ・Ｍ・Ｒｃ）、ごみ低位発熱量Ｈｕなどを計算する。なお、以降で用いられる計算式で使用される記号は、下記の表１、表２に示す通りである。表１、表２において備考欄に数字が示されているものは仮定値または理論値である。また、ごみ焼却炉出口の排ガス、燃焼空気は成分に基づいて実測値のルックアップテーブルなどを利用して求める。
【００２７】
【表１】
【表２】
１．ステップＳ１においては、可燃分の組成を一定と仮定して下記の数１により理論空気量Ｌｃを求める。
【００３０】
【数１】
数１において、Ｃｃはごみ可燃分組成比−炭素、ＣH はごみ可燃分組成比−水素、Ｃｏはごみ可燃分組成比−酸素、Ｃｓはごみ可燃分組成比−硫黄をそれぞれ表す。
【００３２】
２．ステップＳ１では更に、計算された理論空気量Ｌｃ、ごみ焼却炉出口の排ガス中のＯ2 濃度測定値ＯｕｔＯ2 、あらかじめ知られている空気中のＯ2 濃度Ａｉｒ＿Ｏ2 、燃焼空気量の測定値（Ｌ1 ＋Ｌ2 ）に加えて、Ｃ＿ＣＯ2 体積係数Ｖ＿Ｃ、ごみ可燃分組成比−炭素Ｃｃ、Ｎ2 ＿ＮＯ2 体積係数Ｖ＿Ｎ2 、ごみ可燃分組成比−窒素ＣN を基に、下記の数２により可燃分燃焼速度Ｍ・Ｒｃを計算し、燃焼したごみの可燃分量を求める。
【００３３】
【数２】
この数２では、燃焼空気量（Ｌ1 ＋Ｌ2 ）、Ｏ2 濃度測定値ＯｕｔＯ2 などから酸素の消費量が分かるので燃焼したごみの可燃分量が計算されていることを意味する。言い換えれば、可燃分燃焼速度Ｍ・Ｒｃは、単位時間当たりに燃焼したごみの可燃分量を意味する。
【００３５】
３．ステップＳ２では燃焼したごみ中の水分量を０、すなわちごみ組成比−水分Ｒｗを０と仮定して次のステップに移行する。
【００３６】
４．ステップＳ３では、下記の数３〜数６により排ガス中の各成分の量を計算する。
【００３７】
【数３】
数３では、Ｃ＿ＣＯ2 体積係数Ｖ＿Ｃ、可燃分燃焼速度Ｍ・Ｒｃ、ごみ可燃分組成比−炭素Ｃｃに基づいてＣＯ2 のガス量を計算する。数４では、Ｈ＿Ｈ2 Ｏ体積係数Ｖ＿Ｈ、可燃分燃焼速度Ｍ・Ｒｃ、ごみ可燃分組成比−水素ＣH 、Ｈ2 Ｏ＿Ｈ2 Ｏ体積係数Ｖ＿Ｈ2 Ｏ、炉内噴霧水流量Ｗ、汚水ろ液噴霧量Ｗｒ、尿素噴霧量ＮＨ3 、尿素キャリー水量ＷＮＨ3 、ごみ処理速度Ｍ・Ｒｗに基づいて水蒸気量ＧＨ2 Ｏが計算される。数５では、Ｎ2 ＿ＮＯ2 体積係数Ｖ＿Ｎ2 、可燃分燃焼速度Ｍ・Ｒｃ、ごみ可燃分組成比−窒素ＣN 、あらかじめ知られている空気中のＮ2 濃度Ａｉｒ＿Ｎ2 及び燃焼空気量（Ｌ1 ＋Ｌ2 ）に基づいて、窒素ガス量ＧＮ2 が計算される。更に、数６では、あらかじめ知られている空気中のＯ2 濃度Ａｉｒ＿Ｏ2 、燃焼空気量（Ｌ1 ＋Ｌ2 ）、理論空気量Ｌｃ、可燃分燃焼速度Ｍ・Ｒｃに基づいて酸素量ＧＯ2 が計算される。
【００３９】
５．ステップＳ４では、別途計算される初期値の可燃分発熱量Ｈｃと燃焼したごみ中の可燃分量から燃焼したごみの総発熱量が分かり、排ガスに含まれる複数のガス成分などから排ガスのエンタルピを求め、下記の数７でごみ焼却炉に入る熱量と出る熱量のバランス計算から燃焼したごみ中の水分量を計算する。
【００４０】
【数７】
すなわち、あらかじめ概算された可燃分発熱量と燃焼したごみ中の可燃分量から燃焼したごみの総発熱量を求め、ステップＳ３で計算された複数のガス成分の量からごみ焼却炉出口の排ガスのエンタルピを計算し、更にごみ焼却炉入口と出口の熱量のバランス計算を行ったうえで燃焼したごみ中の水分量を計算する。
【００４２】
なお、数７において、Ｍ・Ｒｃ・（ＳＨ＿Ｒｃ・Ｔ＋Ｈｃ）は、ごみ可燃分の顕熱及び燃焼熱を表し、Ｅａ（Ｔ１）・Ｌ１＋Ｅａ（Ｔ２）・Ｌ２は１次、２次燃焼空気顕熱を表し、（１＋α）・Ｅｇ（Ｔｂ，ＧＣＯ2 ，ＧＨ2 Ｏ，ＧＮ2 ，ＧＯ2 ）・｛ＧＣＯ2 ＋ＧＮ2 ＋ＧＯ2 ＋Ｖ＿Ｈ・Ｍ・Ｒｃ・ＣH ｝は水分を除いた燃焼排ガスの顕熱及びそれによる炉体熱損失を表す。また、Ｍ・Ｒｗ・Ｖ＿Ｈ2 Ｏ・（１＋α）・Ｅｇ（Ｔｂ，ＧＣＯ2 ，ＧＨ2 Ｏ，ＧＮ2 ，ＧＯ2 ）は、燃焼排ガス中水分の顕熱及びそれによる炉体熱損失を表し、Ｍ・Ｒｗ・（λ＿ＳＨ＿Ｗ・Ｔ）はごみ中水分の蒸発潜熱及び顕熱を表す。
【００４３】
６．ステップＳ５では、ごみ中の水分量があらかじめ定められた値εに収束するまでステップＳ３、Ｓ４を繰り返し、ごみ中の水分量を求める。
【００４４】
７．ステップＳ６では、灰分比を一定と仮定して、ステップＳ１で計算された燃焼したごみの可燃分量とステップＳ４で求められたごみ中の水分量とに基づいてごみ処理速度Ｍを計算し、下記の数８により燃焼したごみ量を求める。
【００４５】
【数８】
８．ステップＳ６では更に、可燃分発熱量Ｈｃ、水の蒸発潜熱λを用いて、下記の数９により燃焼したごみの低位発熱量Ｈｕを求める。
【００４７】
【数９】
９．ステップＳ７では表１、表２にある式に従って他の計算値を計算する。
【００４９】
次に、本発明で利用される可燃分発熱量推定方法のアルゴリズムについて説明する。
【００５０】
上で述べたごみ低位発熱量推定方法から得られるごみ処理速度Ｍの現在からτ時間（５〜１０時間）前までの間の第１の時間平均値と、ホッパ内にあるごみ量が燃焼するために必要なδ時間（１〜２時間）前から（τ＋δ）時間前までの間のクレーンによるごみ投入重量の第２の時間平均値を比較する。ここで得られる第１の時間平均値と第２の時間平均値との差は、ごみ低位発熱量推定に用いた可燃分発熱量Ｈｃの誤差とホッパ内のごみ推定量の誤差により生じたものと考えられる。このうち定常的な偏差を生む可能性がある可燃分発熱量Ｈｃの誤差を修正するために、下記の数１０で得られる値を現在の可燃分発熱量Ｈｃに加える。勿論、数１０における修正ゲイン、修正間隔については、ごみ低位発熱量推定を含めた全体の推定系が安定となる範囲とする。
【００５１】
【数１０】
図３は、上記のようにして得られたごみ発生熱量に基づく燃焼制御方式の実施の形態を示し、一次燃焼空気量配分比操作による発生熱量制御系を示している。この発生熱量制御系は、燃焼が最も盛んな場所への一次燃焼空気の配分比とその他の部分への配分比を、
▲１▼発生熱量の推定値をフィードバックして発生熱量目標値との偏差に基づいて操作すること、
▲２▼それに合わせて燃焼がもっとも盛んな場所へのごみ供給量の加減を行うことで、発生熱量を一定に制御する自動焼制御方式である。
【００５３】
以下に、本形態の作用について説明する。一般的に、フィーダ１３により炉内１４に供給されたごみは、既に炉内１４で燃焼しているごみの燃焼による輻射や、乾燥を主目的としたストーカ１６のゾーン１６−１のストーカ下部から供給される乾燥用燃焼空気により、ストーカ動作による移動とともに徐々に乾燥され昇温していく。燃焼を主目的とするストーカ１６のゾーン１６−２に移送される頃に燃焼が始まり、そのゾーン１６−２の終わりに到達するまで、ストーカ下部から燃焼空気の供給を受け激しく燃焼する。後燃焼を主目的としたゾーン１６−３に移送される頃には、主として燃え残った炭素成分がゆっくりと燃焼する後燃焼へと移行していく。この時もストーカ下部から燃焼空気の供給を受けるが、燃焼を主目的とした部分よりもずっと少ない量の供給となる。
【００５４】
燃焼プロセスの結果発生する燃焼排ガスは、ボイラ設備を持たない小・中規模のごみ焼却施設の場合、通常、急冷塔、脱硫・脱硝設備、バグフィルタ等の排ガス処理設備で処理される。
【００５５】
上記燃焼プロセスにおいて計測される値から、時間当たりごみ処理量、時間当たりごみ発生量及びごみ低位発熱量が常に安定して推定され、特にごみ処理量の推定値は、クレーンによる重量計測結果から得られる値と滞留時間のずれを考慮すると非常に良く一致する。
【００５６】
このようにして得られた時間当たりごみ発生熱量を主たる制御量として利用し、大型ごみ処理施設と同等の自動燃焼制御運転を行う。
【００５７】
ところで、ごみの燃焼によって時間当たりに発生する熱量をオンラインで推定する方法は、ごみの成分が安定しないながらも一定の範囲内にあると考えられることや、ごみの燃焼が安定している場合は計測されるプロセス値が燃焼プロセスの静的なバランス状態を表現しているという考え方で、妥当と思われる一連の仮定の上に、
１．燃焼プロセスの瞬間的静的バランス状態を想定した、繰返し計算による発生熱量推定手順
２．一定時間の発生熱量推定結果とごみ投入結果の比較による、発生熱量推定の前提となる可燃分発熱量の修正手順
とを逐次実施することで実現される。
【００５８】
これは前に引用した文献１の「ごみ焼却炉の燃焼ごみ低位発熱量推定方法及び可燃分発熱量推定方法」を、次の点で修正することとなる。つまり、文献１の 「ごみ焼却炉の燃焼ごみ低位発熱量推定方法及び可燃分発熱量推定方法」では廃熱利用のボイラを備えることを前提としているので、
・ボイラ出口酸素濃度を燃焼排ガス酸素濃度に替え、
・ボイラ出口ガス温度を炉出口燃焼排ガス温度に替え、
・主蒸気に関するエンタルピー計算部分を削除し、
・ボイラに関するエンタルピー計算部分を削除し、
・発生熱量推定値を（ごみ低位発熱量×ごみ処理速度Ｈｕ・Ｍ）として追加すれば良いことになる。これらの点を考慮した説明が、上記の図２、表１、表２等を参照した説明である。
【００５９】
なお、急冷塔などの排ガス処理プロセスを考慮して計算することもでき、その場合は、
・ボイラ出口ガス温度を急冷塔出口ガス温度に替え、
・急冷塔噴霧水に関するエンタルピー計算を追加すれば良い。
【００６０】
本形態による燃焼制御方式では、プロセス全体の安定化に関しては、前に述べたようにごみ層形状、特にごみ層厚の制御により実現されているものとして、燃焼が最も盛んに起こっている部分への適切な一次燃焼空気量配分比及びそれに伴うごみ移送操作にポイントを置いている。
【００６１】
本形態による燃焼制御方式は、燃焼がもっとも盛んな部分の判断と、その部分への一次燃焼空気量配分比、ごみ移送の増減を逐次繰り返すことで実現される。
【００６２】
燃焼がもっとも盛んな部分は、各ストーカ温度、現在のごみ層厚、燃焼位置、燃え切り点等の各種情報に基づいて、燃焼ゾーン検出知識べースによりストーカゾーンとして特定される（図３参照）。なお、ストーカ温度は温度計３１−１〜３１−４により測定され、ごみ層厚、燃焼位置、燃え切り点の検出方法は、前に引用した明細書に詳しく説明されているので、ここでは説明は省略する。
【００６３】
図４には燃焼ゾーン検出知識ベースによる燃焼が最も盛んなゾーンの検出例を示している。一例を説明すると、図４（ａ）では、ストーカ温度が、ゾーン１６−１では適温、ゾーン１６−２ではやや高温、ゾーン１６−３ではやや低温、ゾーン１６−４では適温であり、ごみ層厚については、ゾーン１６−１〜１６−４のいずれでも標準であり、燃焼位置がゾーン１６−２、燃え切り点位置がゾーン１６−３である場合、燃焼が最も盛んなゾーンはゾーン１６−２であると検出される。
【００６４】
一方、一次燃焼空気量配分比操作は、図３に示されるように、知識ベースを持つ発生熱量コントローラと、一次燃焼空気量配分比コントローラとにより実現される。発生熱量コントローラは、前に述べたアルゴリズムで推定された発生熱量と目標値との偏差、燃焼ゾーン検出知識ベースで特定された燃焼がもっとも盛んなゾーン、ストーカ温度、ごみ層厚、燃焼位置、燃え切り点位置等の情報を受けて各ゾーンの燃焼空気流量比目標値を出力する。一次燃焼空気量配分比コントローラは、これらの各ゾーンの燃焼空気流量比目標値と実際の各ゾーンの燃焼空気流量比との偏差を受けて、各ゾーンの一次燃焼空気量配分比を制御する。すなわち、上記の燃焼ゾーン検出知識ベースで特定された、燃焼がもっとも盛んなストーカゾーンとその前後のストーカゾーンとの間で、プロセス全体を安定化させる目的であらかじめ決定された一次燃焼空気量配分比を、その増減幅について発生熱量と目標値との偏差及びそれに関連する値（例えば、微分値、積分値）に基づいて、ごみ層厚制御、燃焼位置・燃え切り点制御に影響を与えない範囲で発生熱量コントローラにより決定した後、増減させる。勿論、実際の各ゾーンの一次燃焼空気量配分比は、図１に示された各ダンパ１９−１〜１９−４の開度、圧力計２０−１〜２０−４、流量計２１−１〜２１−４の検出値により算出される。
【００６５】
知識ベースとしては、例えばファジー推論があげられる。
【００６６】
図５は、一次燃焼空気量配分比操作による発生熱量制御例を示す。例えば、発生熱量偏差が正で、燃焼位置がゾーン１６−２にある場合は、燃焼を促進させることを目的として、燃焼がもっとも盛んなゾーン１６−２の一次燃焼空気量配分比を発生熱量偏差及びそれに関連する値に応じて増加させ、それより後段にあるゾーン１６−３、１６−４の配分比をゾーン１６−２の配分比を増加させた分だけ減少させる。すなわち、ゾーン１６−２の配分比の増加は０．１、ゾーン１６−３、１６−４の配分比の減少はそれぞれ、０．０３、０．０７で、その和（０．０３＋０．０７）はゾーン１６−２の配分比の増加分０．１に等しい。
【００６７】
この時、ごみ移送操作については、一次燃焼空気量配分比の操作が燃焼プロセス全体に与える影響を少なくするため、発生熱量目標値やストーカ温度制御等を考慮したごみ層厚制御及び燃焼位置・燃え切り点制御により決定された各ゾーンのストーカ速度を、その増減幅について発生熱量の偏差及びそれに関連する値 （例えば、微分値、積分値）に基づいて、ごみ層厚制御、燃焼位置・燃え切り点制御に影響を与えない範囲で発生熱量コントローラにおいて決定した後、増減させる。
【００６８】
図６は、ストーカによるごみ移送速度補正操作により発生熱量を制御するための制御系を示している。図６において、ごみ移送速度補正操作は、図３で説明したのと同じ燃焼ゾーン検出知識ベースと、発生熱量目標値と各ゾーンのストーカ温度、各ゾーンのごみ層厚、燃焼位置、燃え切り点等の各種情報により各ゾーンのストーカ速度を設定する、知識ベースを内蔵したごみ層厚コントローラと、知識ベースを持つ発生熱量コントローラとにより実現される。
【００６９】
発生熱量コントローラは、前に述べたアルゴリズムで推定された発生熱量と発生熱量目標値との偏差、燃焼ゾーン検出知識ベースで特定された燃焼がもっとも盛んなゾーンとに基づいて、ごみ層厚制御、燃焼位置・燃え切り点制御に影響を与えない範囲で各ゾーンのストーカ速度設定補正値を決定して出力する。これらのストーカ速度設定補正値は、加算器によりごみ層厚コントローラからの各ゾーンのストーカ速度設定値に加算され、ストーカ１６に速度指令値として与えられる。
【００７０】
図７は、ストーカによるごみ移送速度補正操作による発生熱量制御例を示す。例えば、発生熱量偏差が正で、燃焼のもっとも盛んなゾーンが１６−２である場合、ゾーン１６−２のストーカ速度増分を他のストーカゾーンの速度増分より大きく設定し、各ゾーンのストーカ速度を増加させる。なお、ストーカ操作については、これまでのＡＣＣにおいて行われている制御と同じであるので、詳しい説明は省略する。
【００７１】
勿論、本発明は、図３の一次燃焼空気量配分比操作による発生熱量制御系と、図６のストーカによるごみ移送速度補正操作による発生熱量制御系の両方を備えていても良い。この場合、発生熱量コントローラは前述した２種類の機能を持つ１つのコントローラで実現でき、燃焼ゾーン検出知識ベースも１つのものを兼用することができる。
【００７２】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明によれば、時間当たりに発生するごみ発生熱量をオンラインで推定する方法を大型ごみ焼却施設向け自動燃焼制御と組み合わせることで、ボイラ設備を持たない小・中規模のごみ焼却施設においても、運転時の発生熱量を一定に保つことが可能となり、ごみ質の変動の影響を受けずに排ガス処理系の負荷が安定し、低公害運転と省力化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用される水平ストーカ式ごみ焼却炉とその計装系の構成を示す概略断面図である。
【図２】本発明において利用される燃焼ごみ低位発熱量推定アルゴリズムを説明するためのフローチャート図である。
【図３】本発明による、一次燃焼空気量配分比操作による発生熱量制御系の構成を示した図である。
【図４】図３の発生熱量制御系に適用される燃焼ゾーン検出知識べースによる燃焼が最も盛んなゾーンの検出例を説明するための図である。
【図５】図３の発生熱量制御系に適用される一次燃焼空気量配分比操作による発生熱量制御例を説明するための図である。
【図６】本発明のごみ移送操作による発生熱量制御系を示した図である。
【図７】図６の発生熱量制御系に適用されるごみ移送操作による発生熱量制御例を説明するための図である。
【符号の説明】
１１ ごみ
１２ ホッパ
１３ フィーダ
１４ 炉内
１５ 出口
１６ ストーカ
１６−１〜１６−４ ゾーン
１７ 一次燃焼空気
２０−１〜２０−４、２２ 圧力計
２１−１〜２１−４、２９、３０ 流量計
２３ 二次燃焼空気供給口
２４ 二次燃焼空気
２５ 炉内カメラ
２６ 燃焼排ガス
２７ 燃焼排ガス排出口
２８ 酸素濃度計
３１−１〜３１−４ 温度測定装置
Claims (2)
- 炉内底部に設けられて燃焼すべきごみを載置して炉内をごみの入り口側から出口側に移動させる複数のゾーンからなるストーカと、前記複数のゾーン毎に前記ストーカの下側から空気量調整用のダンパを介して一次燃焼空気を供給するためのダクトとを備えたごみ焼却炉において、
あらかじめ定められたアルゴリズムに基づいて当該ごみ焼却炉における発生熱量を推定し、推定された発生熱量と発生熱量目標値との間の熱量偏差に基づいて、ゾーン毎の一次燃焼空気量配分比を調整して発生熱量を制御する発生熱量制御系を備え、
前記発生熱量制御系は、
各ゾーンのストーカ温度、ごみ層厚、燃焼位置、及び燃え切り点の各種情報に基づいて燃焼が最も盛んなゾーンを検出するための知識ベースと、
前記熱量偏差と前記各種情報と前記知識ベースの検出結果とに基づいて、前記燃焼が最も盛んなゾーンとその他のゾーンの間の一次燃焼空気量配分比を制御するためのコントローラとを含むことを特徴とするごみ焼却炉の燃焼制御方式。 - 請求項１記載の燃焼制御方式において、前記コントローラは、各ゾーンの一次燃焼空気量配分比を、それらの増減分の総和が０になるように制御することを特徴とするごみ焼却炉の燃焼制御方式。
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