JP2000205542A - ごみ焼却装置の運転制御方法及び運転制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ごみ焼却装置において、ＣＯ，ダイオキシン前
駆物質，炭化水素等の未燃分がピーク的に発生する挙動
を模擬可能なモデルを用いて、モデル予測制御し、より
低レベルに未燃分の発生を抑制し、ダイオキシンの発生
を抑制する。 【解決手段】ごみ焼却装置の操作量と少なくとも燃焼ガ
ス中の未燃分の濃度との関係を表し、未燃分が突発的に
発生する状態を模擬する未燃分生成モデルと、焼却炉モ
デルをオンラインで同定するモデル同定部と、焼却炉モ
デルをオンラインまたはオフラインで利用し、焼却炉の
操作パターンを決定する操作量決定部を持つ制御装置を
備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、一般廃棄物および
産業廃棄物を焼却処理する廃棄物処理プラントの運転制
御方法および運転制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ごみ焼却炉燃焼制御技術に関する従来技
術としては、特開平9−273733 号公報に記載されたもの
がある。該公報に記載の技術は、ごみを安定燃焼させ、
蒸気を安定して供給することを目的とした制御技術であ
る。蒸気発生量を測定して、一次空気ダンパ、その配分
を決定するダンパ及び燃焼ストーカ速度を操作し、さら
に、排ガス中Ｏ₂ 濃度を測定し、二次空気のダンパ開度
を操作する。具体的な操作の方法は以下の通りである。
まず、蒸気発生量の目標値を設定し、実際の蒸気発生量
が目標値を上回った場合は一次空気のダンパ開度及びそ
の配分を決定するダンパ開度を操作し、燃焼ストーカに
供給する空気量のみを減少させる。逆に、実際の蒸気発
生量が目標値を下回った場合は、燃焼ストーカに供給す
る空気量のみを増加させる。また、一次空気の供給量を
操作すると同時に、排ガス中のＯ₂濃度を計測し、Ｏ₂
濃度が低い場合は二次空気を増加させ、Ｏ₂ 濃度が高い
場合は二次空気を減少させる。このように、燃焼ストー
カ上の空気量のみを操作することで蒸発量を安定化し、
同時に二次空気量を操作することで、炉内温度低下また
は酸素不足を回避することができ、ＣＯ等の未燃分の増
加を抑制している。すなわち、発生蒸気量とＯ₂ 濃度を
安定させることで間接的にＣＯ等の未燃分を抑制してい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】文献「都市ごみ焼却施
設における一酸化炭素排出特性に関する調査研究」（日
本環境衛生センタ所報Ｎ０１９，１９９２）によれば、
ＣＯが発生する要因の大半はＯ₂ の不足によるとされて
いる。しかし、その発生パターンは複数あり、大まかに
は慢性的に発生する場合と、ピーク的に発生する場合が
ある。また両者では、その発生原因は異なると考えられ
る。ＣＯがピーク的に発生する場合にはＯ₂ 濃度は一旦
急激に減少するものの、しばらくすると回復するという
特性がある。

【０００４】しかしながら、上記従来技術では、このよ
うな特性の違いを考慮していないため、特にＣＯがピー
ク的に発生する場合には、Ｏ₂ の変動が激しいため、Ｃ
Ｏを低いレベルに抑制することが難しい。

【０００５】また、操作量は、燃焼ストーカに供給する
空気量、燃焼ストーカ速度および二次空気量のみである
ため、十分にＣＯを抑制することができない場合があっ
た。本発明の目的は、上記課題を解決し、ＣＯ等の未燃
分がピーク的に発生するような状況においても、その発
生量をより低レベルに抑制可能な制御装置を提供するこ
とである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明によるごみ焼却装
置運転制御方法及び運転制御装置は、下記にある。

【０００７】（１）ごみ焼却炉と排ガス処理設備を有す
るごみ焼却装置の運転制御方法において、該ごみ焼却装
置の操作量と燃焼ガス中の少なくとも未燃分の濃度との
関係を表わし、該未燃分がピーク的に発生する状態を模
擬する燃焼モデルを有し、該ごみ焼却装置の運転データ
のうち、モデルの入出力に使用する変数を用いて前記燃
焼モデルを同定し、同定した前記燃焼モデルを利用して
未燃分の発生量を低減する該ごみ焼却装置の操作量を決
定することを特徴とするごみ焼却装置の運転制御方法
(請求項１)。 （２）請求項１記載のごみ焼却装置の運転制御方法にお
いて、前記燃焼モデルが、前記ごみ焼却炉内の安定燃焼
状態を模擬する安定燃焼モデルと前記ごみ焼却炉内の燃
焼状態の変動を模擬する燃焼変動モデルとを有すること
を特徴とするごみ焼却装置の運転制御方法。

【０００８】（３）請求項１記載のごみ焼却装置の運転
制御方法において、前記ごみ焼却炉がストーカ式ごみ焼
却炉であり、前記燃焼モデルが、ストーカ上のごみの状
態を模擬したごみモデルとごみ焼却炉内の燃焼ガスの状
態を模擬した燃焼ガスモデルとを有し、前記ごみモデル
が各ストーカ毎に複数の要素に分割され、各要素毎にご
みの成分のうち少なくとも水分と可燃分の量をモデルパ
ラメータとして持ち、少なくともごみの温度と可燃分の
揮発量を計算し、前記燃焼ガスモデルが、少なくとも前
記ごみモデルで計算した可燃分の揮発量から燃焼ガス温
度を計算し、ごみ焼却装置の運転データのうち、前記燃
焼モデルの入出力変数を使用して該燃焼モデルのパラメ
ータを同定することを特徴とするごみ焼却装置の運転制
御方法。

【０００９】（４）請求項１記載のごみ焼却装置の運転
制御方法において、前記燃焼モデルのモデル出力が少な
くとも蒸気発生量，燃焼ガス温度，燃焼ガス中の水分量
の１つであり、前記同定を該モデル出力と実機データと
を比較して行うことを特徴とするごみ焼却装置の運転制
御方法。

【００１０】（５）請求項１記載のごみ焼却装置の運転
制御方法において、前記同定を、未燃分のピーク発生前
の運転データと未燃分のピーク発生時の運転データとか
ら行い、未燃分のピーク発生前の運転データが、炉内温
度，蒸発量，ストーカ下温度，ストーカ速度，空気流
量，空気温度，燃焼ガス中のＯ₂ 濃度，燃焼ガス中水分
濃度，燃焼ガス中の各種炭化水素類の濃度，燃焼ガス中
のクロロフェノール類の少なくとも１つであり、未燃分
ピーク発生時の運転データが、未燃分濃度のピーク波
形，Ｏ₂ 濃度の波形，蒸発量の波形の少なくとも１つで
あることを特徴とするごみ焼却装置の運転制御方法。

【００１１】（６）請求項１記載のごみ焼却装置の運転
制御方法において、前記燃焼モデルにごみ焼却装置の操
作量の候補を複数入力して、出力される未燃分濃度から
未燃分濃度が最も低い操作量を選択し、得られた操作量
と過去の運転データから求めた未燃分濃度を低くできる
操作量とを比較して、未燃分濃度が低い方の操作量をご
み焼却装置の操作量として決定することを特徴とするご
み焼却装置の運転制御方法。

【００１２】（７）ごみ焼却炉と排ガス処理設備を有す
るごみ焼却装置の運転制御装置において、少なくともご
み焼却装置の操作量と燃焼ガス中の未燃分の濃度との関
係を表わし、該未燃分がピーク的に発生する状態を模擬
する燃焼モデルと、ごみ焼却装置の運転データのうち前
記燃焼モデルの入出力に使用する変数を用いて前記燃焼
モデルを同定するモデル同定部と、該モデル同定部によ
り同定した前記燃焼モデルを利用して未燃分の発生量を
低減するごみ焼却装置の操作量を決定する操作量決定部
とを有することを特徴とするごみ焼却装置の運転制御装
置（請求項７）。

【００１３】（８）請求項７記載のごみ焼却装置の運転
制御装置において、前記燃焼モデルが、前記ごみ焼却炉
内の安定燃焼状態での燃焼状態を模擬する安定燃焼モデ
ルと、前記ごみ焼却炉内の燃焼状態の変動を模擬する燃
焼変動モデルを含むことを特徴とするごみ焼却装置の運
転制御装置。

【００１４】（９）ごみ焼却炉と排ガス処理設備とを有
するごみ焼却装置の運転制御装置と、排ガス中の未燃分
濃度と酸素濃度及び水分量のうちの少なくとも一方とを
分析する排ガス分析装置とを備えたごみ焼却システムに
おいて、前記運転制御装置が、燃焼ガス中の未燃分濃度
と、酸素濃度と水分量のうちの少なくとも一方とごみ焼
却装置の操作量との関係を表わし該未燃分がピーク的に
発生する状態を模擬する燃焼モデルと、ごみ焼却装置の
運転データのうち前記燃焼モデルの入出力に使用する変
数を用いて前記燃焼モデルを同定するモデル同定部と、
該モデル同定部により同定した前記燃焼モデルを利用し
て未燃分の発生量を低減するごみ焼却装置の操作量を決
定する操作量決定部とを含み、前記排ガス分析装置の測
定値を使用して前記燃焼モデルの同定が行われることを
特徴とするごみ焼却システム（請求項９）。

【００１５】（１０）請求項９記載のごみ焼却システム
において、前記排ガス分析装置により計測される未燃分
がＣＯと炭化水素類及びダイオキシン前駆物質から選ば
れたいずれか一つであることを特徴とするごみ焼却シス
テム。

【００１６】（１１）ごみ焼却炉と排ガス処理設備を有
するごみ焼却装置の運転制御方法において、該ごみ焼却
装置の操作量と燃焼ガス中の少なくとも未燃分の濃度と
の関係を表わし、該未燃分がピーク的に発生する状態を
模擬する燃焼モデルを有し、該ごみ焼却装置の運転デー
タのうち、モデルの入出力に使用する変数を用いて前記
燃焼モデルを同定し、該ごみ焼却装置の運転データのう
ち前記未燃分の濃度がある基準値以上となった場合に、
同定した前記燃焼モデルを利用して未燃分の発生量を低
減する該ごみ焼却装置の操作量を決定することを特徴と
するごみ焼却装置の運転制御方法。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図面を用
いて説明する。但し、本発明は以下の実施例に限られる
ものではない。

【００１８】図１に本発明の一実施例を示す。本実施例
はごみ焼却装置１，排ガス分析装置２，制御装置３から
なる。

【００１９】ごみ焼却装置１は、ごみ焼却炉１１と排ガ
ス処理装置１２とからなる。ごみ焼却炉１１では投入し
たごみを乾燥，燃焼させる。その結果、ごみは焼却灰と
排ガスとなる。焼却灰は随時焼却炉から搬出され、排ガ
スはごみ焼却装置１内に設置された排ガス処理装置１２
に送られて処理される。また、ごみ焼却装置１には、燃
焼ガス流量，炉内温度などを計測するための各種センサ
ーが取の付けられており、計測した値はデータ収集装置
３４に送られる。また、ごみ焼却装置１には炉内の火炎
の状態を撮像するＩＴＶが設置されており、撮像された
画像データもデータ収集装置３４に送られる。排ガス分
析装置２では、排ガス中に含まれる各種ガス成分が測定
される。ここでは、ＨＣＬ，ＮＯｘ，Ｏ₂ の濃度と、未
燃分としてＣＯ，炭化水素類，クロロベンゼン類，クロ
ロフェノール類を計測した。

【００２０】制御装置３は燃焼モデル３１，モデル同定
部３２，操作量決定部３３，データ収集装置３４からな
る。燃焼モデル３１は少なくともごみ焼却装置の操作量
と未燃分の濃度の関係を表わし、燃焼状態の変動により
未燃分がピーク的に発生する挙動を模擬する動特性モデ
ルである。モデル同定部３２はごみ焼却装置１で計測さ
れた状態量および排ガス分析装置２で計測された排ガス
の計測値から燃焼モデル３１のモデルパラメータを同定
する。操作量決定部３３では、燃焼モデル３１にいくつ
かの操作パターンを入力し、出力である未燃分の濃度を
比較し、最も未燃分の発生量が少ない操作パターンを操
作量として選択し、ごみ焼却装置１の操作量とする。デ
ータ収集装置３４はごみ焼却装置１１で計測された状態
量および排ガス分析装置２で計測された排ガスの計測値
が収録される。また、ごみ焼却装置の操作量も記録され
ている。したがって、ごみ焼却装置１が運転実績を積む
と過去の操作パターンとその際の未燃分の発生量が蓄え
られることになる。これらは、データ収集装置３４内の
操作パターンデータベースに蓄えられ、操作量決定部３
３では、それらの情報を活用し、より高速に最適な操作
量を決定することができるようになる。

【００２１】次に、本実施例についてより詳細に説明す
る。

【００２２】ごみ焼却炉１１の概略図を図２に示す。ご
み焼却炉１１において、ごみホッパ１１４に入れられた
ごみは給塵装置１１０によりストーカ上に運ばれる。ス
トーカは乾燥ストーカ１１１，燃焼ストーカ１１２及び
後燃焼ストーカ１１３の３つに分かれている。乾燥スト
ーカ１１１では、主に投入ごみの水分を蒸発させる。燃
焼ストーカ１１２では、乾燥したごみを燃焼させる。後
燃焼ストーカ１１３では燃焼ストーカ１１２で燃やし切
れなかったごみを完全に燃焼させる。燃焼後の灰は、灰
ピット（図示せず）に一旦堆積した後、埋め立てまたは
溶融処理される。

【００２３】乾燥ストーカ１１１，燃焼ストーカ１１
２、および後燃焼ストーカ１１３には、下部から、それ
ぞれ乾燥用空気，燃焼用空気，後燃焼用空気が吹き込ま
れる。空気はファン１３１により送り込まれるが、その
途中で、エアヒーター１３３を介して燃焼ガスの一部あ
るいは蒸気（図示せず）と熱交換して昇温する。乾燥ス
トーカ１１１，燃焼ストーカ１１２及び後燃焼ストーカ
１１３へ供給される空気量は、空気流量計１５２により
計測される。これらの空気量は制御装置３から送られる
設定値になるように、ファン１３１とそれぞれのストー
カへの配分量を調節する空気ダンパ１２１の開度によっ
て制御されている。ただし、このマイナー制御系は図示
していない。また、それぞれの空気の温度は空気温度セ
ンサー153により計測される。空気温度も制御装置３か
ら送られる設定値になるように図示していないマイナー
制御系により制御される。このマイナー制御系の操作端
はエアヒーターにより加熱された空気と加熱されていな
い空気の配分をかえる温度調節用空気ダンパ１２４であ
る。

【００２４】また、ストーカ上部には二次空気吹き込み
ノズル１３４が取り付けられている。二次空気吹き込み
ノズル１３４から供給される二次空気により未燃分を多
く含むガスと高温のガスが混合される。また二次空気か
ら燃焼ガスに酸素が補給される。その結果、ほとんどの
可燃性物質を燃焼できる。二次空気の吹込み量（吹込み
速度）は、二次空気用ファン１３２と二次空気用ダンパ
１２９の開度により調節される。燃焼ガスは炉出口付近
では８００℃から９００℃の高温となっている。燃焼ガ
ス温度および炉壁温度は、炉内温度センサー１５１によ
り計測される。高温の燃焼ガスから炉壁を保護するた
め、燃焼ガス温度または炉壁温度が基準値以下となるよ
うに、ガス冷却装置（図示せず）で水を噴霧しガス温度
を低下させる場合もある。焼却炉出口にはボイラが設置
されており、ボイラで熱交換され５００℃程度まで温度
が下げられる。ごみ焼却炉から排出された排ガスは排ガ
ス処理装置１２（図示せず）に送られ、処理される。

【００２５】本実施例では、制御装置３より、給塵装置
１１０，各ストーカ１１１〜１１３，空気ダンパ１２
１，温度調節用空気ダンパ１２４，二次空気用ダンパ１
２９，ファン１３１および二次空気用ファン１３２に制
御信号（設定値）が送られている。この制御信号により
図示していないマイナー制御系が働き、給塵速度，各ス
トーカ速度，各空気温度および各空気流量が制御され
る。

【００２６】次に排ガス分析装置２について説明する。

【００２７】排ガス分析装置２は、各種ガス分析装置２
１および高精度未燃分計測装置２２よりなる。各種ガス
分析装置２１では、試料ガスを前処理した後、ＨＣＬ，
SOx,ＣＯなどのガス成分及び排ガス中の水分量を測定す
る。本実施例では、ガス分析装置は排ガス処理装置１２
と煙突（図示せず）の間に設置した。したがって、ガス
分析装置に取り込まれた試料ガスは、排ガス処理装置１
２内の集塵装置（図示せず）によりダストの大半が除去
されている。ＨＣＬ，ＳＯｘ，ＣＯなどのガス成分の測
定には一般的に使用される連続分析計を利用した。

【００２８】高精度未燃分計測装置２２では、採取した
ガスを安定にかつ一定流量でモニタ部に送り込む必要が
ある。また、途中で分析対象物質が吸着したり凝縮して
損失することがないようにしなければならない。したが
って、その前処理は各種ガス分析装置２１とは違ったも
のになる。高精度未燃分計測装置２２の構成を図３に示
す。高精度未燃分計測装置は主に３つの部位より成り立
っている。採取された試料ガスを搬送し、前処理するガ
ス前処理部２２１と、採取した試料ガス中から測定対象
物質を検出するモニタ部２２２と、検出，取得したデー
タを処理するデータ処理部２２３である。

【００２９】ガス前処理部２２１は、全体がヒーターに
より１００℃〜２００℃程度に加熱され、排ガス中の不
純物や非灰を取り除く。モニタ部２２２は送り込まれた
資料ガス中の分析対象物質を選択的にかつ高い効率でイ
オン化を行い、中間圧力室などを経て質量分析部２２２
ｂで質量分析し、分析対象物質を検出（モニタ）する。
本実施例では、炭化水素類，クロロフェノール類等を分
析対象物質とし、大気圧化学イオン源によりイオン化し
た。検出された信号はデータ処理部２２３に送られ、必
要に応じて検量線から濃度に換算され、制御装置３に送
られる。

【００３０】データ処理部２２３では、モータ部２２２
からの信号を増幅器２２３ａにより増幅し、さらに必要
であれば演算器２２３ｂで演算処理する。

【００３１】次に、制御装置３について説明する。制御
装置３は燃焼モデル３１，モデル同定部３２，操作量決
定部３３，データ収集装置３４からなる。

【００３２】燃焼モデル３１の構成を図４に示す。燃焼
モデル３１は安定燃焼モデル３１１、および変動燃焼モ
デル３１２からなり、この２つのモデルで未燃分がピー
ク的に発生する挙動を模擬する。すなわち、安定燃焼モ
デル３１１により通常の燃焼状態を模擬し、変動燃焼モ
デル３１２により未燃分がピーク的に発生する状態を模
擬する。以下に各モデルについて詳細に説明する。

【００３３】安定燃焼モデル３１１は、ストーカ上のご
みを模擬したごみモデル３１１ａ，二次燃焼領域を模擬
した燃焼ガスモデル３１１ｂ，ボイラおよび炉壁の伝熱
を模擬した伝熱モデル３１１ｃからなる。ごみモデル３
１１ａは、乾燥ストーカ，燃焼ストーカおよび後燃焼ス
トーカに相当する３つのモデルに分割されている。ごみ
モデル３１１ａは以下の仮定をして、物質収支式および
熱収支式に基づきモデル化した。

【００３４】１）ごみは水分，揮発分，チャー（固定炭
素分），灰分の４成分に別れている。 ２）各ごみモデル内の温度は同じである。

【００３５】３）ごみ中から蒸発した水分および揮発し
た揮発分は、一次空気とともに二次燃焼領域に持ち込ま
れる。

【００３６】４）十分な温度に達したチャーはごみモデ
ル内で表面燃焼する。

【００３７】５）灰分は熱を加えても温度が上昇するの
みで反応しない。

【００３８】以下に各モデルのモデル式の一例を示す。

【００３９】

【００４０】ただし、添え字ｉ（ｉ＝ｗ，ｂ，ｃ，ａ）
はごみの各成分（ｗ：水分，ｂ：揮発分，ｃ：チャー
（固定炭素分），ａ：灰分）を表わしている。また、i
n：各ごみモデルへの流入する量，out ：流出量，los
s：損失量を表わしている。また、添え字ｊ（ｊ＝
Ｏ₂ ，ＣＯ₂ ，ｂ，ｗ，Ｎ）はガスの各成分（Ｏ₂：酸
素，ＣＯ₂：二酸化炭素，ｂ：揮発分、ｗ：水分、Ｎ：
不活性ガス（Ｎ₂ 等））を表わしている。その他の記号
の意味は以下の通りである。

【００４１】Ｇ：ごみ移送量［Ｋｇ／ｓ］，Ｍ：ごみ滞
留量［Ｋｇ］，Ｒ：相変化および反応による変化量，
Ｆ：一次空気ガス流量［Ｋｇ／ｓ］，Ｈ：エンタルピー
［Ｊ／Ｋｇ］，Ｃｐ：比熱［Ｊ／ＫｇＫ］，Ｑ１：一次
空気がごみに与えた熱量［Ｊ］，Ｑ２：二次燃焼領域の
ガス（混合ガスモデル）がごみに与えた熱量［Ｊ］，Ｑ
３：炉壁がごみに与えた熱量［Ｊ］，ｋ₁ ：チャーの燃
焼量から酸素消費量を求めるための係数ｋ₂ ：チャーの
燃焼量から二酸化炭素発生量を求めるための係数であ
る。

【００４２】ここで、ごみの流入量Ｇｉ_inは各ストーカ
の上流から送られてくるごみの量と組成によって決まる
量である。すなわち、乾燥ストーカに対応するごみモデ
ルのごみ流入量は給塵装置から供給されるごみの量と組
成から決まる。また、燃焼ストーカに対応するごみモデ
ルのごみ流入量は、乾燥ストーカに対応するごみモデル
のごみ流出量と組成から決まる。したがって、安定燃焼
分の各ストーカに対応するごみの組成は、給塵装置から
供給されるごみの組成と後段の燃焼状態によって決ま
る。

【００４３】また、Ｒｉはごみ滞留量Ｍｉとごみ温度Ｔ
によって決まる量であり、一般にＭｉが大きいほどＲｉ
は大きく、またごみ温度Ｔが大きいほどＲｉは大きい。

【００４４】混合ガスモデル（燃焼ガスモデル）は、以
下の仮定をしてモデル化した。

【００４５】１）ごみから揮発した揮発分は、二次燃焼
領域（混合ガスモデル内）で燃焼する。

【００４６】２）燃焼ガス中の未燃分の濃度は、燃焼ガ
ス中のＯ₂ 濃度，ガス温度および二次空気流量によって
決まる。

【００４７】したがって、ごみ層を通過した一次空気
（各成分）の流量と温度、および二次空気量からＯ₂ 濃
度とガス温度を求めるステップと、Ｏ₂ 濃度とガス温度
および二次空気量から未燃分の濃度を求めるステップの
２つのステップに分けてモデルを構成した。

【００４８】ごみ燃焼量とごみ温度および二次空気量か
らＯ₂ 濃度とガス温度を求めるステップは、物質収支式
と熱収支式を利用した。その式を以下に示す。

【００４９】

【００５０】ただし、式中に用いた記号は以下の通り。
Ｆ１：ごみ層を通過した一次空気流量［Ｋｇ／ｓ］，Ｆ
２：二次空気流量［Ｋｇ／ｓ］，Ｖmix ：混合燃焼領域
ガス体積［ｍ³］，ρ：密度［Ｋｇ／ｍ³］，Ｘ：ガス濃
度［−］，Ｔmix ：二次燃焼領域ガス温度［Ｋ］。

【００５１】次に、Ｏ₂ 濃度とガス温度から未燃分の濃
度を求めるステップを示す。ここでは統計的手法を利用
した。未燃分としてＣＯを例に関係式を示す。

【００５２】 Ｘ_CO＝ＡＸ_O2 ²＋ＢＸ_O2＋Ｃexp(−Ｔmix)＋ＤＦ２in （ただし、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは回帰係数） 本実施例では統計的手法を用いてモデル化したが、反応
速度式が既知であるものに対しては、反応速度式に基づ
いたモデルを構築してもよい。

【００５３】伝熱モデルは、ボイラ（熱交換器）モデル
と炉壁モデルがある。ボイラモデルでは排ガスの持つエ
ンタルピーから蒸気発生量を求める。また、炉壁モデル
ではガス，ごみ，炉壁間の熱の移動を模擬する。モデル
式は以下に示した通りである。

【００５４】

【００５５】ただし、式中に用いた記号は以下の通り。
添え字st：蒸気，gas ：排ガス，ｍ：熱交換器メタル，
wall：炉壁，Ｑ９：排ガスが熱交換器メタルに与えた熱
量，Ｑ１０：メタルが蒸気に与えた熱量。

【００５６】以上は、物理式をベースに構築したモデル
の一例である。これらの式はより詳細にしても良いし、
また簡略化してもよい。また、ニューロモデルなどの非
線型統計モデルで構築してもよい。あるいは、物理式ベ
ースのモデルと非線型統計モデルとが混在していてもよ
い。

【００５７】次に、変動燃焼モデルについて説明する。
変動燃焼モデルは燃焼の変動分をモデル化している。す
なわち、安定燃焼分以外に燃焼変動に寄与するごみが存
在し、そのごみが燃焼することで酸素が消費され、未燃
分のピークが発生すると仮定した。したがって、図４に
示したように変動燃焼モデルはごみモデルだけからな
り、ごみモデルの出力は安定燃焼モデルの混合ガスモデ
ルの入力となっている。以下に変動燃焼モデルのモデル
式を示す。

【００５８】

【００５９】記号「′」は変動燃焼モデルに関する量で
あることを示す記号である。

【００６０】上記の式は安定燃焼モデルのごみモデルと
類似しているが、変動燃焼モデルは燃焼に寄与する部分
だけを抽出してモデル化しているため相違点がある。相
違点は以下の通りである。

【００６１】１）水分が蒸発した直後と考え、組成は揮
発分およびチャーのみからなると仮定。

【００６２】２）ごみの移送により流入，流出する量は
考えていない。

【００６３】３）燃焼変動分のごみ量は安定燃焼時は０
である。

【００６４】４）燃焼変動が起こった時点（未燃分がピ
ーク的に発生する初期段階）で、あるごみ量を推定す
る。

【００６５】５）変動ごみに供給される一次空気量は安
定燃焼ごみ量と変動燃焼ごみ量の比に従って分配され
る。

【００６６】このような燃焼変動モデルによると以下の
ようにして未燃分のピーク的な挙動を表現できる。燃焼
変動分のごみの温度が上昇するに従い揮発量，燃焼チャ
ー量が増加し、酸素消費量が増加する。しかし、同時に
燃焼変動分のごみ量が減少するため、揮発量，燃焼チャ
ー量はある値でピークを示し、それ以降は減少に転ず
る。同様に、酸素消費量もある値でピークとなりそれ以
降は減少する。燃焼変動分による酸素消費量がこのよう
な特性を示すと排ガス中の酸素濃度は一時的に減少し、
再び増加する。酸素濃度が減少すると未燃分は増加する
傾向があるため、未燃分はピーク的に発生する挙動を示
す。

【００６７】次にモデル同定部３２について説明する。
モデル同定部３２では、安定燃焼モデルと変動燃焼モデ
ルのモデルパラメータを同定する。まず、安定燃焼時の
モデルの同定方法について説明する。安定燃焼モデルの
チューニングパラメータは、ごみの供給量，ごみの組
成，反応速度乗数等である。これらパラメータは、ごみ
が安定に燃焼している状態で、操作量と未燃分濃度，お
よび蒸発量の関係が実機とできるだけ一致するように調
整する。ただし、ごみの組成は、設計値を基準として調
整し、反応速度の温度依存性を決定するパラメータは物
性値を基準として調整する。

【００６８】次に、燃焼変動分の同定について説明す
る。ここでは、安定燃焼モデルと共通のパラメータはチ
ューニングしない。燃焼変動モデルで同定しなければな
らないパラメータは、燃焼変動分のごみの量，組成およ
び温度の初期値である。ただし、組成は安定燃焼モデル
と同じ比率であると仮定した。また、ごみ温度の初期値
は、水分が全て蒸発した温度と仮定し、１００℃とし
た。したがって、本実施例では燃焼変動分のごみ量の同
定方法について説明する。ただし、燃焼変動分が燃焼ス
トーカ上で燃焼する場合と乾燥ストーカ上で燃焼する場
合では現象が異なるため、２つの場合にわけて説明す
る。

【００６９】燃焼変動分が燃焼ストーカ上で燃焼する場
合、燃焼変動分のごみ量が燃焼ストーカ上に蓄えられ
る。例えば、ごみの水分量が通常より多いごみが供給さ
れた場合がそれにあたる。この場合、ごみは乾燥ストー
カ上で乾燥しきれずに燃焼ストーカ上に供給されるた
め、燃焼ストーカ上にありながら燃焼に寄与しない。こ
のような状況になると一時的にごみの燃焼量が減少し、
それに伴い蒸発量，ガス温度が低下する。また、排ガス
中の水分は通常よりも多くなる。したがって、本実施例
では、これらの状態量の変化から燃焼変動分のごみ量を
推定した。ただし、これらの状態量は空気供給量，スト
ーカ速度等の操作量によっても変化する。したがって、
図５に示したように実機と同じ操作条件を入力した燃焼
モデルの出力である蒸発量と実際の蒸発量を比較し、斜
線で示した面積とごみ量が比例するとしてごみ量を推定
した。斜線で示した面積とごみ量の関係を表わす比例係
数は熱バランスから決定できるが、モデルにはモデル誤
差があるため、蓄えられた実機データから比例係数を決
定することが望ましい。

【００７０】次に、燃焼変動分が乾燥ストーカ上で燃焼
する場合について説明する。例えば、乾燥ストーカ上の
ごみの水分が通常よりも少ない場合がそれにあたる。こ
の場合は通常よりも排ガス中の水分が減少する。それに
伴いガス温度も上昇するが、その変化は少ない。したが
って、蒸発量の変化もわずかである。したがって、状態
量として排ガス中の水分を用いて、図５に示した方法と
同様にごみ量を推定する。

【００７１】別の同定方法について示す。本同定方法で
は、過去の運転実績データから未燃分のピーク挙動が現
れたデータを切出し、未燃分ピーク波形から逆算される
燃焼変動ごみ量と炉内の燃焼状態に関係するデータとの
関係を求めた。燃焼状態に関係するデータとして選択し
たデータは、炉内温度，蒸発量，ストーカ下温度，スト
ーカ速度，空気流量，空気温度，Ｏ₂ 濃度，排ガス中水
分濃度，微量未燃分濃度である。ここで微量未燃分とは
高精度未燃分計測装置によって計測された各種炭化水
素，クロロフェノール類などのことである。本方法で
は、これらのデータを入力データ，燃焼変動ごみ量を出
力データとして両者の関係をニューラルネットワークで
学習させた。ただし、入力データは必ずしも上記に示し
た全てのデータを利用するわけではない。あらかじめ相
関関係が小さいデータを省いておくことが望ましい。

【００７２】次に操作量決定部３３について説明する。
操作量決定部３３では、ごみ焼却装置運転時の操作量を
決定する。操作量決定部３３は、図６に示したように操
作パターン発生部と判定部とから構成される。操作パタ
ーン発生部では、ある一定時間の操作量のパターン（以
下、操作パターンと称する）を発生させる。本実施例で
の操作パターンは、１０分間の操作パターンとした。操
作パターン発生部には、例えば以下のような操作パター
ンがいくつか登録されている。

【００７３】操作パターンＡ：操作量一定 操作パターンＢ：二次空気量１０％増加 操作パターンＣ：一次空気量１０％減少 また、これらのパターンから例えば以下のような新しい
パターンを作成する。 操作パターンＤ：二次空気量１０％増加かつ一次空気量
１０％減少 操作パターンＥ：ｔ＝０〜ｔ＝３の間，二次空気量１０
％増加，ｔ＝１〜ｔ＝４の間，一次空気量減少 これらの操作パターンの候補は燃焼モデル３１に入力さ
れる。燃焼モデル３１では、それぞれの操作パターン毎
に未燃分の濃度の発生パターンを出力し、操作量決定部
３３の判定部に渡す。

【００７４】判定部では、未燃分の発生パターンから操
作パターンの善し悪しを判定する。本実施例では、操作
後１０分間の未燃分濃度の平均値を評価値とし、評価値
がもっとも小さい操作パターンを最適操作パターンとし
た。ただし、最適な操作パターンの侯補はパターン発生
部で発生した操作パターンのみではない。操作パターン
データベースに過去の運転実績データとして操作パター
ンとそのときの未燃分発生パターンが蓄えられている場
合、操作パターンデータベース中の操作パターンも候補
となる。ただし、ここで選択する操作パターンは、「蒸
発量、Ｏ₂ 濃度など炉内の状態を表わす状態量が現在の
焼却炉の状態量と類似しており、かつ未燃分の濃度を低
減できた操作パターン」という条件を満たすものであ
る。また、操作パターンデータベースに蓄えられている
操作パターンは、その操作をした場合の未燃分の発生パ
ターンも同時に蓄えられているため、燃焼モデル３１を
使って未燃分の発生パターンを計算する必要はない。選
択された操作パターンは、ごみ焼却装置１の各操作量の
設定値として、ごみ焼却装置１に送られる。

【００７５】以上はオンラインで、燃焼モデルを利用し
て操作量を決定する場合であるが、オフラインでいくつ
かの操作パターンの効果を検討しておいてもよい。ま
た、オフラインでの検討や、オンラインであっても、燃
焼モデルの計算が非常に短時間で終了する場合には、Ｇ
Ａ（遺伝アルゴリズム）などの手法を利用して、最適な
操作パターンを求めてもよい。

【００７６】次に本発明の第二の実施例について述べ
る。

【００７７】第二の実施例が第一の実施例と異なる点
は、未燃分生成モデルのごみモデルと、モデル同定部で
ある。第二の実施例の燃焼モデルを図７に示す。ここで
は、ごみモデルは安定燃焼モデルと燃焼変動モデルに分
割されていない。ごみモデルは各ストーカに対応するよ
うに３つに別れており、さらに各ストーカ内でごみの移
送方向にｎ段に別れている。各段のごみモデルは第一の
実施例で説明したごみモデルと同様、物質収支式と熱収
支式に基づきモデルが構築されている。

【００７８】モデル同定部では、未燃分のピーク的な発
生挙動を模擬するために、ごみモデル内のごみ量，組成
およびごみ温度を燃焼状態に合わせて同定した。特に乾
燥ストーカ後段に相当するごみモデルおよび燃焼ストー
カ前段に相当するごみモデルのごみ量，組成及び温度を
変化させることで燃焼変動を模擬した。

【００７９】例えば、乾燥ストーカ上のごみの水分が通
常より少なく、計測される排ガス中の水分が少ない場
合、乾燥ストーカ後段のごみに含まれる水分量を減少さ
せる。特に未燃分のピークが発生した場合には、水分量
を０とする。

【００８０】また、燃焼ストーカ上のごみ中の水分が多
く、燃焼ストーカ前段のごみが燃焼していない場合、発
生蒸気量が減少する。したがって、減少した発生蒸気量
から逆算し、燃焼ストーカ前段のごみが燃焼しない状態
に変更する。すなわち、ごみの揮発分，チャー分を増加
させ、ごみ温度を低下させる。

【００８１】第二の実施例では、ごみモデルのごみ量，
組成およびごみ温度を逐次同定することで、燃焼変動を
模擬し、未燃分がピーク的に発生する挙動を模擬するこ
とができる。

【００８２】次に第三の実施例について図８を用いて説
明する。第三の実施例が第一及び第二の実施例と異なる
点は、操作量決定部３３である。第三の実施例における
操作量決定部３３は、燃焼状態判定部３３１と安定燃焼
時操作量決定部３３２と変動燃焼時操作量決定部３３３
とからなる。本実施例は、燃焼状態により操作量の決定
方法を変更するものである。

【００８３】燃焼状態判定部３３１には、データ収集装
置３４を経由して排ガス分析装置２で計測された未燃分
の濃度が入力される。入力された未燃分の濃度が、ある
基準値を超えるか否かで燃焼状態を判定する。未燃分の
濃度が基準値以下であれば安定燃焼、基準値を超えてい
れば変動燃焼と判定する。判定結果は、安定燃焼時操作
量決定部３３２と変動燃焼時操作量決定部３３３に渡さ
れる。

【００８４】安定燃焼時操作量決定部３３２は、判定結
果が安定燃焼のときにのみ動作する。本実施例では、操
作量決定のアルゴリズムは「フアジイルール」により構
築した。ルールの例は、たとえば「蒸発量が大ならば、
燃焼空気量を小にする」というものであり、計測される
状態量と操作量の関係を表わしたルールにより構成され
ている。

【００８５】変動燃焼時操作量決定部３３３の動作は、
第一の実施例における操作量決定部３３の動作と同じで
ある。すなわち、第三の実施例は、燃焼状態が変動燃焼
状態となり、未燃分がピーク的に発生する場合にのみ燃
焼モデル３１を利用して操作量を決定する制御装置を示
している。

【００８６】

【発明の効果】以上のように、未燃分のピーク的な発生
挙動を模擬する燃焼モデルを用いて、未燃分の発生をで
きるだけ少なくするように操作量を決定するため、未燃
分の発生をより低レベルに抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の構成を示す図。

【図２】ごみ焼却炉の概要を示す図。

【図３】高精度未燃分計測装置の概要を示す図。

【図４】燃焼モデルの構成を示す図。

【図５】モデル同定の方法を示す図。

【図６】操作量決定部の構成を示す図。

【図７】燃焼モデルの別の実施例を示す図。

【図８】操作量決定部の別の例を示す図。

【符号の説明】

１…ごみ焼却装置、２…排ガス分析装置、３…制御装
置、１１…ごみ焼却炉、１２…排ガス処理装置、２１…
各種ガス分析装置、２２…高精度未燃分計測装置、３１
…燃焼モデル、３２…モデル同定部、３３…操作量決定
部、３４…データ収集装置、２２１…ガス前処理部、２
２２…モニタ部、２２３…データ処理部、２２２ａ…大
気圧化学イオン源、２２２ｂ…質量分析部、２２３ａ…
増幅器、２２３ｂ…演算器、３１１…安定燃焼モデル、
３１２…変動燃焼モデル。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松本 弘 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 野村 政英 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 川部 隆平 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 河野 豪 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 武川 茂樹 茨城県ひたちなか市大字市毛882番地 株 式会社日立製作所計測器事業部内 Ｆターム(参考） 3K062 AA02 AB01 AC01 BA02 DA01 DA16 DA21 DA22 DA23 DA27 DA40

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ごみ焼却炉と排ガス処理設備を有するごみ
   焼却装置の運転制御方法において、 該ごみ焼却装置の操作量と燃焼ガス中の少なくとも未燃
   分の濃度との関係を表わし、該未燃分がピーク的に発生
   する状態を模擬する燃焼モデルを有し、 該ごみ焼却装置の運転データのうち、モデルの入出力に
   使用する変数を用いて前記燃焼モデルを同定し、 同定した前記燃焼モデルを利用して未燃分の発生量を低
   減する該ごみ焼却装置の操作量を決定することを特徴と
   するごみ焼却装置の運転制御方法。
2. 【請求項２】請求項１記載のごみ焼却装置の運転制御方
   法において、 前記燃焼モデルが、前記ごみ焼却炉内の安定燃焼状態を
   模擬する安定燃焼モデルと前記ごみ焼却炉内の燃焼状態
   の変動を模擬する燃焼変動モデルとを有することを特徴
   とするごみ焼却装置の運転制御方法。
3. 【請求項３】請求項１記載のごみ焼却装置の運転制御方
   法において、 前記ごみ焼却炉がストーカ式ごみ焼却炉であり、 前記燃焼モデルが、ストーカ上のごみの状態を模擬した
   ごみモデルとごみ焼却炉内の燃焼ガスの状態を模擬した
   燃焼ガスモデルとを有し、 前記ごみモデルが各ストーカ毎に複数の要素に分割さ
   れ、各要素毎にごみの成分のうち少なくとも水分と可燃
   分の量をモデルパラメータとして持ち、少なくともごみ
   の温度と可燃分の揮発量を計算し、 前記燃焼ガスモデルが、少なくとも前記ごみモデルで計
   算した可燃分の揮発量から燃焼ガス温度を計算し、 ごみ焼却装置の運転データのうち、前記燃焼モデルの入
   出力変数を使用して該燃焼モデルのパラメータを同定す
   ることを特徴とするごみ焼却装置の運転制御方法。
4. 【請求項４】請求項１記載のごみ焼却装置の運転制御方
   法において、 前記燃焼モデルのモデル出力が少なくとも蒸気発生量，
   燃焼ガス温度，燃焼ガス中の水分量の１つであり、前記
   同定を該モデル出力と実機データとを比較して行うこと
   を特徴とするごみ焼却装置の運転制御方法。
5. 【請求項５】請求項１記載のごみ焼却装置の運転制御方
   法において、 前記同定を、未燃分のピーク発生前の運転データと未燃
   分のピーク発生時の運転データとから行い、 未燃分のピーク発生前の運転データが、炉内温度，蒸発
   量，ストーカ下温度，ストーカ速度，空気流量，空気温
   度，燃焼ガス中のＯ₂ 濃度，燃焼ガス中水分濃度，燃焼
   ガス中の各種炭化水素類の濃度，燃焼ガス中のクロロフ
   ェノール類の少なくとも１つであり、 未燃分ピーク発生時の運転データが、未燃分濃度のピー
   ク波形，Ｏ₂ 濃度の波形，蒸発量の波形の少なくとも１
   つであることを特徴とするごみ焼却装置の運転制御方
   法。
6. 【請求項６】請求項１記載のごみ焼却装置の運転制御方
   法において、 前記燃焼モデルにごみ焼却装置の操作量の候補を複数入
   力して、出力される未燃分濃度から未燃分濃度が最も低
   い操作量を選択し、得られた操作量と過去の運転データ
   から求めた未燃分濃度を低くできる操作量とを比較し
   て、未燃分濃度が低い方の操作量をごみ焼却装置の操作
   量として決定することを特徴とするごみ焼却装置の運転
   制御方法。
7. 【請求項７】ごみ焼却炉と排ガス処理設備を有するごみ
   焼却装置の運転制御装置において、 少なくともごみ焼却装置の操作量と燃焼ガス中の未燃分
   の濃度との関係を表わし、該未燃分がピーク的に発生す
   る状態を模擬する燃焼モデルと、 ごみ焼却装置の運転データのうち前記燃焼モデルの入出
   力に使用する変数を用いて前記燃焼モデルを同定するモ
   デル同定部と、 該モデル同定部により同定した前記燃焼モデルを利用し
   て未燃分の発生量を低減するごみ焼却装置の操作量を決
   定する操作量決定部とを有することを特徴とするごみ焼
   却装置の運転制御装置。
8. 【請求項８】請求項７記載のごみ焼却装置の運転制御装
   置において、 前記燃焼モデルが、前記ごみ焼却炉内の安定燃焼状態で
   の燃焼状態を模擬する安定燃焼モデルと、前記ごみ焼却
   炉内の燃焼状態の変動を模擬する燃焼変動モデルを含む
   ことを特徴とするごみ焼却装置の運転制御装置。
9. 【請求項９】ごみ焼却炉と排ガス処理設備とを有するご
   み焼却装置の運転制御装置と、排ガス中の未燃分濃度
   と、酸素濃度及び水分量のうちの少なくとも一方とを分
   析する排ガス分析装置とを備えたごみ焼却システムにお
   いて、 前記運転制御装置が、燃焼ガス中の未燃分濃度と、酸素
   濃度と水分量のうちの少なくとも一方とごみ焼却装置の
   操作量との関係を表わし該未燃分がピーク的に発生する
   状態を模擬する燃焼モデルと、ごみ焼却装置の運転デー
   タのうち前記燃焼モデルの入出力に使用する変数を用い
   て前記燃焼モデルを同定するモデル同定部と、該モデル
   同定部により同定した前記燃焼モデルを利用して未燃分
   の発生量を低減するごみ焼却装置の操作量を決定する操
   作量決定部とを含み、 前記排ガス分析装置の測定値を使用して前記燃焼モデル
   の同定が行われることを特徴とするごみ焼却システム。
10. 【請求項１０】請求項９記載のごみ焼却システムにおい
    て、前記排ガス分析装置により計測される未燃分がＣＯ
    と炭化水素類及びダイオキシン前駆物質から選ばれたい
    ずれか１つであることを特徴とするごみ焼却システム。
11. 【請求項１１】ごみ焼却炉と排ガス処理設備を有するご
    み焼却装置の運転制御方法において、 該ごみ焼却装置の操作量と燃焼ガス中の少なくとも未燃
    分の濃度との関係を表わし、該未燃分がピーク的に発生
    する状態を模擬する燃焼モデルを有し、 該ごみ焼却装置の運転データのうち、モデルの入出力に
    使用する変数を用いて前記燃焼モデルを同定し、 該ごみ焼却装置の運転データのうち前記未燃分の濃度が
    ある基準値以上となった場合に、同定した前記燃焼モデ
    ルを利用して未燃分の発生量を低減する該ごみ焼却装置
    の操作量を決定することを特徴とするごみ焼却装置の運
    転制御方法。