JP2004245572A

JP2004245572A - 焼却炉における百分率化学量論的オキシダントを測定および制御するための方法およびシステム

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Publication number: JP2004245572A
Application number: JP2004001972A
Authority: JP
Inventors: Kenny M Arnold; ケニー・エム・アーノルド; Jianhui Hong; ジヤンフエイ・ホン; Joseph D Smith; ジヨージフ・デイ・スミス
Original assignee: John Zink Co LLC
Current assignee: John Zink Co LLC
Priority date: 2003-01-09
Filing date: 2004-01-07
Publication date: 2004-09-02
Anticipated expiration: 2024-01-07
Also published as: CA2454441A1; EP1437548B1; US20040137390A1; KR20040064231A; CN1517705A; DE602004009717D1; BRPI0400012A; CA2454441C; TWI324238B; JP4459631B2; EP1437548A1; TW200504315A; AR042729A1; ATE377172T1; KR100955733B1; MXPA04000277A; ES2293168T3; DE602004009717T2

Abstract

【課題】焼却炉の熱分解部分における百分率化学量論的オキシダント（ＰＳＯ）を直接測定するための方法およびシステムを提供すること。
【解決手段】焼却炉の熱分解部分における百分率化学量論的オキシダントを測定し、制御するための方法およびシステムが提供される。この方法およびシステムは熱分解部分内の気体の酸素濃度および温度の測定、および、これらの値と百分率化学量論的オキシダントとの間の数学的関係に依存する。
【選択図】図１

Description

本発明は一般に燃焼処理に関し、さらに詳細には、焼却炉の熱分解部分における百分率化学量論的オキシダントを測定するための方法および装置に関する。

焼却用実用例において、２段階の焼却を採用することは一般的慣行である。第１段階において、燃焼空気は化学量論的空気要求量未満の速度で供給される。化学量論的空気要求量は燃料および廃棄物の流れの完全燃焼のために必要な空気流量速度として定義される。完全燃焼とは、燃焼の生成物がＣＯ_２、Ｈ_２Ｏ、Ｎ_２、および、（存在していれば）Ｈｅなどの安定した化合物となることを意味する。

したがって、第１段階において、廃棄物は一般に酸素が欠乏した大気内で熱分解される。この炉、もしくは炉の一部は、一般に還元一次燃焼の酸欠もしくは熱分解用の炉もしくはチャンバと呼ばれる。続いて、追加の燃焼空気が、不完全燃焼のいかなる生成物も破壊するために、後に続く部分に供給される。この第２の部分は典型的に再酸化部分またはアフターバーナと呼ばれる。

汚染物質の排出は、熱分解部分およびアフターバーナに供給される燃焼空気の量に強く影響される。したがって、双方の部分への空気供給量を測定し、制御できることが非常に望ましい。アフターバーナへの空気供給量は、大量の排気ガスにおける過剰な酸素の特定のレベルを達成するために、または、いくつかの場合、目標温度を達成するために典型的に調節される。熱分解部分への空気、もしくはオキシダントの供給量は制御がより困難である。百分率化学量論的オキシダントまたは「ＰＳＯ」として、熱分解部分へのオキシダント供給量を測定および制御することは望ましい。ＰＳＯは百分率として表された化学量論的オキシダント供給量によって除された実際のオキシダント供給量に等しい。実際にはオキシダントはＮＯおよびＮＯ_２などの化合物を含むが、焼却炉に対するオキシダントの主な供給源は一般に空気である。したがって、用語「ＰＳＡ（百分率化学量論的空気）」がしばしばＰＳＯの代わりに使用されている。

ＰＳＯは当量比にも関係する。当量比は化学量論的燃料対空気比によって除された実際の燃料対空気比として定義される。当量比は、当量比が単に１００／ＰＳＯであることにおいてＰＳＯに関係する。燃料および空気が完全燃焼を達成するために供給される場合、反応は化学量論的であると言われ、ＰＳＯは１００％に等しく、当量比は１に等しい。

熱分解炉への空気の供給量を直接調節する１つの一般的な手段は、燃料、廃棄物、および、空気の流量速度を測定し、ＰＳＯを計算し、続いて、空気の供給量を変化させることによってＰＳＯを特定の値に制御することである。廃棄物の組成は時間とともにしばしば変化するか、または、単に未知である。実際には、廃棄物の組成の不確定性および変動に関連した困難さのために、廃棄物はしばしば化学量論的空気必要量の計算から除外されている。この除外のために、この方法は正しい空気必要量を正確に反映することができない。

空気供給量を制御するための他の一般的な方法は熱分解炉における可燃レベルを測定し、制御すること、または、アフターバーナの空気の追加による温度変化を測定することのいずれかである。これらの方法はＰＳＯを制御する間接的な方法である。

酸素センサは、内部燃焼エンジンにおける空気／燃料比、または、当量比を測定するために使用されてきており、そのようなデバイスは自動車に広範に使用されている。これらのセンサは酸素のレベルおよび温度に対する当量比の依存性を考慮せず、したがって、広範な温度範囲では動作できない。しかし、そのようなデバイスは当量比の予測に及ぼす温度の影響を無視することができる。なぜなら、排気ガス温度が通常は比較的狭い範囲内に調節されるからである。

温度の影響を考慮する必要性を認識した他のデバイスは、排気ガス温度の差に応じて電気抵抗の急速な変化を示すように処理された半導体チップを利用している。温度依存性電気抵抗は、ＰＳＯのより正確な予測を作成するために、酸素センサからの信号を補償するために使用される。温度補償チップに使用される材料の機械的および電気的特性のために、そのようなデバイスは焼却炉の熱分解部分に一般に見られる高温（１，４００〜３，２００°Ｆ）において動作させることはできない。

したがって、上述の問題を回避する、焼却炉の熱分解部分におけるＰＳＯを直接測定するための方法に対する必要性がある。

本発明によって、上述の必要性を満たし、従来技術の短所を克服する焼却炉の熱分解部分における百分率化学量論的オキシダント、「ＰＳＯ」を測定および制御する方法、および、ＰＳＯの測定および制御における使用のためのシステムが提供される。焼却炉の熱分解部分におけるＰＳＯを測定するための方法は基本的に以下のステップを含む。熱分解部分内の気体中の酸素の濃度または分圧を感知するために定置される酸素センサを利用して、酸素濃度に対応する電気信号が発生される。熱分解部分内の気体の温度を感知するために定置される温度センサを使用して、温度に対応する電気信号が発生される。各電気信号とＰＳＯとの間の数学的関係を使用して、酸素センサおよび温度センサからの電気信号をＰＳＯの見積り値に変換するためのプロセッサに、電気信号が伝導される。

焼却炉の熱分解部分におけるＰＳＯを制御するための本発明の方法は基本的に以下のステップを含む。熱分解部分内の気体中の酸素濃度に対応して、電気信号が発生される。熱分解部分内の気体の温度に対応して、電気信号が発生される。各電気信号とＰＳＯとの間の数学的関係を使用して、電気信号をＰＳＯの見積り値に変換するためのプロセッサに、酸素濃度および温度に対応する電気信号が伝導される。燃焼空気、オキシダント、または、燃料の流量を調整するための燃焼空気ブロア、オキシダント、または、燃料の流量制御信号を、ＰＳＯの見積り値および事前に選択されたＰＳＯ値に基づいて発生するためのフィードバック制御器に、前記ＰＳＯの見積り値が中継される。続いて、制御信号は燃焼空気ブロア、オキシダント、または、燃料の制御デバイスに中継される。

焼却炉の熱分解部分におけるＰＳＯの測定における使用のためのシステムは基本的に以下を含む。すなわち、熱分解部分内の気体中の酸素濃度に対応する電気信号を発生するための手段、熱分解部分内の気体の温度に対応する電気信号を発生するための手段、および、各電気信号とＰＳＯとの間の数学的関係を使用して酸素濃度および温度に対応する各電気信号をＰＳＯの見積り値に変換するためのデバイスである。

焼却炉の熱分解部分におけるＰＳＯの制御における使用のためのシステムは基本的に以下を含む。すなわち、熱分解部分内の気体中の酸素濃度に対応する電気信号を発生するための手段、熱分解部分内の気体の温度に対応する電気信号を発生するための手段、焼却炉の熱分解部分への燃焼空気、オキシダント、または、燃料の量を制御するための制御器、電気信号とＰＳＯとの間の数学的関係を使用して酸素濃度および温度に対応する電気信号をＰＳＯの見積り値に変換するためのデバイス、および、ＰＳＯの見積り値および事前に選択されたＰＳＯ値に基づいて、燃焼空気制御デバイスのための制御信号を発生するための手段である。

焼却炉の熱分解部分におけるＰＳＯを測定するための本発明の好ましい方法は以下のステップを基本的に含む。熱分解部分内の気体中の酸素の濃度または分圧を感知するために定置される酸素センサを利用して酸素濃度に対応する電気信号が発生される。熱分解部分内の気体の温度を感知するために定置される温度センサを利用して温度に対応する電気信号が発生される。各電気信号とＰＳＯとの間の数学的関係を使用して酸素センサおよび温度センサからの電気信号をＰＳＯの見積り値に変換するためのプロセッサに、各電気信号が伝導される。一般的な方法は図１に示す。

酸素濃度に対応する電気信号を発生するために本発明において使用することができる適する酸素センサは、ジルコニア系（ｚｉｒｃｏｎｉａ−ｂａｓｅｄ）酸素センサ、電気化学的センサ、微小燃料センサ、および、常磁性センサを含むが、これらに限定されない。これらのうち、ジルコニア系センサが好まれる。特に適する酸素センサはオハイオ州シンシナティのＭａｒａｔｈｏｎＳｅｎｓｏｒｓ，Ｉｎｃ．から「Ｏｘｙｆｉｒｅ（商標）」の商品名で市販されている。センサは焼却炉のちょうど熱分解部分内の気体中の酸素の濃度または分圧を感知するために定置されるべきである。

温度に対応する電気信号を発生するために本発明において使用できる適する温度センサは熱電対、抵抗温度検出器、高温計（ｐｙｒｏｍｅｔｅｒ）、および、遠隔温度デバイスを含むが、これに限定されない。これらのうち、熱電対が好まれる。特に適する熱電対はオハイオ州シンシナティのＭａｒａｔｈｏｎＳｅｎｓｏｒｓ，Ｉｎｃ．から入手できるＴｙｐｅＢまたはＴｙｐｅＲの積分熱電対ブローブとして市販されている。センサは焼却炉のちょうど熱分解部分内の気体の温度を感知するために、かつ、酸素センサに可能な限り近く定置されるべきである。

酸素および温度のセンサからの信号はＰＳＯの見積り値を計算するためのプロセッサに伝導される。特に適するプロセッサはミズーリ州セントルイスのＷａｔｌｏｗＥｌｅｃｔｒｉｃＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＣｏｍｐａｎｙから「ＳｅｒｉｅｓＦ４（商標）」ユニットとして市販されている。

プロセッサは、平衡の計算から展開される数学的関係を使用してＰＳＯの見積り値を計算する。この方法は、熱分解部分は酸素濃度がその平衡の近くに到達するのを可能にするために十分長い滞留時間を有するという初期仮定に基づく。実際の非平衡動作状態に対する調整は、一般に、一旦ユニットが動作に入れば行うことができる。

ＰＳＯは複数の異なる形で酸素濃度および温度の関数として表すことができる。これらの形のうち、２つが最も適すると見出された。第１の形は：

であり、ここで、ｘはミリボルトで表した酸素センサ出力であり、Ｔは華氏で表した前記温度であり、ａからｅは実験的定数である。

第２の式は多項式の形である：

であり、ここで、再びｘはミリボルトで表した酸素センサ出力であり、Ｔは華氏で表した前記温度であり、ａからｅは実験的定数である。

たとえば、ジルコニア系酸素センサは、１，４００Ｆ°を超える温度で酸素イオンを伝導する固体電解質を有する、酸化ジルコニアまたはジルコニアの電解槽である。イオンの伝導は２つの電極間の電圧に反映される。電圧の大きさは槽の壁にかかる酸素の濃度（酸素分圧の比）および槽の温度に依存する。槽の起電力はネルンストの式によって決定することができる：

ここで、ｘはミリボルトで表した槽出力電圧であり、Ｐ_０は％で表した槽内の酸素の分圧で２０．９５％であり、Ｐ_ｌは％で表した測定された処理における酸素の分圧であり、Ｔ_ｒはＫで表したプローブの絶対温度である。

燃焼ガス中の酸素の分圧は１，４００Ｆ°〜３，０００Ｆ°のさまざまな温度での平衡状態、および、異なる準化学量論的状態について計算された。続いて、これらの値は槽の出力電圧を得るためにネルンストの式に代入された。続いて、異なる準化学量論的状態における槽の出力電圧（ｘ）および燃焼ガスの動作温度（Ｔ）が、データの境界限界内のいかなる状態にも対する百分率化学量論的オキシダント（ＰＳＯ）を計算するための必要な定数を得るために実験的に評価された。

当量比が単に１００／ＰＳＯであるために、当量比も酸素および温度の信号に関して表すことができる。たとえば、もしＰＳＯが８０％であれば、当量比は１００／８０または１．２５である。

ＰＳＯを測定するための本発明の方法は、ＮＨ_３、ＨＣＮ、Ｃ_２Ｈ_３Ｎ、Ｃ_３Ｈ_３Ｎなどの多くのタイプの廃棄物化合物、パラフィン、オレフィン、シクロパラフィン、アセチレン、および、芳香族化合物などの飽和および不飽和の有機燃料の燃焼に対して、ほとんど誤りなしに適用することができる。精度は、水（Ｈ_２Ｏ）、ＮＯ_２、および、ＮＯなどの結合酸素を含む過剰な量の化合物によって影響されることがある。ここで、「過剰な量」は、炭化水素燃料が通常の動作のために供給される廃棄物または燃料のいずれかである場合の炭化水素燃料の各１ポンドに対する、焼却炉内に向けられたいかなる流れ（たとえば、廃棄物の流れまたは冷却流）からの結合酸素の約１ポンドより多いとして定義される。

焼却炉の熱分解部分におけるＰＳＯを制御するための本発明の好まれる方法は基本的に以下のステップを含む。熱分解部分内の気体中の酸素濃度に対応して電気信号が発生される。熱分解部分内の気体の温度に対応して電気信号が発生される。各電気信号とＰＳＯとの間の数学的関係を使用して電気信号をＰＳＯの見積り値に変換するためのプロセッサに、酸素の濃度および温度に対応する各電気信号が伝導される。ＰＳＯの見積り値および事前に選択されたＰＳＯ値に基づいて燃焼空気、オキシダントまたは燃料の流量を調整するように燃焼空気、オキシダント、または、燃料の流量制御信号を発生するためのフィードバック制御器にＰＳＯの見積り値が中継される。続いて、制御信号は燃焼空気ブロア制御デバイスに中継される。方法の全体は図２に示す。

空気はブロアの手段によって焼却炉の熱分解部分に供給される。空気流量速度は、バルブの使用、ブロア速度の変更、または、ブロアブレードピッチの変更を含む多くの手段によって変更することができる。本発明は、バルブ、ブロア速度制御器、または、ブロアブレードピッチ調整デバイスを含むが、これらに限定されないグループから選択された適するデバイスを使用してブロア空気の流量を調整することによって、ＰＳＯが事前に選択された値に制御されることを可能にする。これは、ＰＳＯの見積り値をプロセッサからフィードバック制御器に電子的に転送することによって達成される。フィードバック制御器は当業者に知られている標準的な制御手順を使用して、ＰＳＯの見積り値および事前に選択されたＰＳＯ値に基づいて燃焼空気ブロア制御デバイス信号を発生する。

焼却炉の熱分解部分におけるＰＳＯの測定における使用のための好まれるシステムは、熱分解部分内の気体中の酸素濃度に対応する電気信号を発生するための手段、熱分解部分内の気体の温度に対応する電気信号を発生するための手段、および、各電気信号とＰＳＯとの間の数学的関係を使用して酸素濃度および温度に対応する各電気信号をＰＳＯの見積り値に変換するためのデバイスを基本的に含む。

焼却炉の熱分解部分におけるＰＳＯの制御における使用のための好まれるシステムは、熱分解部分内の気体中の酸素濃度に対応する電気信号を発生するための手段、熱分解部分内の気体の温度に対応する電気信号を発生するための手段、焼却炉の熱分解部分への燃焼空気、オキシダント、または、燃料の量を制御するための燃焼空気ブロア、オキシダント、または、燃料の制御デバイス、各電気信号と前記ＰＳＯとの間の数学的関係を使用して酸素濃度および温度に対応する電気信号をＰＳＯの見積り値に変換するためのデバイス、および、ＰＳＯの見積り値および事前に選択されたＰＳＯ値に基づいて燃焼空気制御デバイスのための制御信号を発生するための手段を基本的に含む。

したがって，本発明は、述べた、ならびに、本発明に固有の目的および長所を達成するように十分構成される。当業者によって多数の変更を行うことができる一方、そのような変更は従属する特許請求の範囲によって定義される本発明の精神内に包含される。

熱分解部分の動作におけるＰＳＯを測定するための発明的システムを備える典型的な焼却炉を示す図である。熱分解部分への燃焼空気の流量速度を制御するための発明的システムを備える典型的な焼却炉を示す図である。

Claims

焼却炉の熱分解部分におけるＰＳＯを測定するための方法であって、
前記熱分解部分内の気体中の酸素濃度を感知するために定置される酸素センサを利用して前記酸素濃度に対応する電気信号を発生するステップと、
前記熱分解部分内の前記気体の温度を感知するために定置される温度センサを利用して前記温度に対応する電気信号を発生するステップと、
各前記電気信号と前記ＰＳＯとの間の数学的関係を使用して前記酸素センサおよび前記温度センサからの前記電気信号を前記ＰＳＯの見積り値に変換するためのプロセッサに、前記電気信号を伝導するステップとを含む方法。
前記酸素センサはジルコニア系酸素センサ、電気化学的センサ、微小燃料センサ、および、常磁性センサから構成されるグループから選択される請求項１に記載の方法。
前記酸素センサはジルコニア系酸素センサである請求項１に記載の方法。
前記温度センサは熱電対、抵抗温度検出器、熱電温度計、および、遠隔温度デバイスから構成されるグループから選択される請求項１に記載の方法。
前記温度センサは熱電対である請求項１に記載の方法。
前記数学的関係は、

であり、ここで、ｘはミリボルトで表した酸素センサ出力であり、Ｔは華氏で表した前記温度であり、ａからｅは実験的定数である請求項１に記載の方法。
前記数学的関係は、

であり、ここで、ｘはミリボルトで表した酸素センサ出力であり、Ｔは華氏で表した前記温度であり、ａからｅは実験的定数である請求項１に記載の方法。
焼却炉の熱分解部分におけるＰＳＯを制御するための方法であって、
前記熱分解部分内の気体中の酸素濃度に対応する電気信号を発生するステップと、
前記熱分解部分内の前記気体の温度に対応する電気信号を発生するステップと、
各前記電気信号と前記ＰＳＯとの間の数学的関係を使用して前記電気信号を前記ＰＳＯの見積り値に変換するためのプロセッサに、酸素の濃度および温度に対応する前記電気信号を伝導するステップと、
前記ＰＳＯの見積り値、事前に選択されたＰＳＯ値、および、処理流量に基づいて処理流量速度を調整するための流量制御信号を発生するためのフィードバック制御器に前記ＰＳＯの見積り値を中継するステップであって、前記処理流量速度は燃焼空気流量速度、オキシダント流量速度、および、燃料流量速度から構成されるグループから選択されるステップと、
前記流量制御信号を対応する流量制御デバイスに中継するステップとを含む方法。
前記酸素濃度に対応する前記電気信号は、ジルコニア系酸素センサ、電気化学的センサ、微小燃料センサ、および、常磁性センサから構成されるグループから選択され、前記熱分解部分内の前記気体中に定置される酸素センサによって発生される請求項８に記載の方法。
前記酸素センサはジルコニア系酸素センサである請求項８に記載の方法。
前記温度に対応する前記電気信号は、熱電対、抵抗温度検出器、高温計、および、遠隔温度デバイスから構成されるグループから選択され、前記熱分解部分内の前記気体の前記温度を感知するために定置される温度センサによって発生される請求項８に記載の方法。
前記温度センサは熱電対である請求項８に記載の方法。
前記数学的関係は、

であり、ここで、ｘはミリボルトで表した酸素センサ出力であり、Ｔは華氏で表した前記温度であり、ａからｅは実験的定数である請求項８に記載の方法。
前記数学的関係は、

であり、ここで、ｘはミリボルトで表した酸素センサ出力であり、Ｔは華氏で表した前記温度であり、ａからｅは実験的定数である請求項８に記載の方法。
焼却炉の熱分解部分におけるＰＳＯを測定するシステムであって、
前記熱分解部分内の気体中の酸素濃度に対応する電気信号を発生するための手段と、
前記熱分解部分内の前記気体の温度に対応する電気信号を発生するための手段と、
各前記電気信号と前記ＰＳＯとの間の数学的関係を使用して酸素の分圧および温度に対応する各前記電気信号を前記ＰＳＯの見積り値に変換するためのデバイスとを含むシステム。
前記酸素濃度に対応する前記電気信号は、ジルコニア系酸素センサ、電気化学的センサ、微小燃料センサ、および、常磁性センサから構成されるグループから選択され、前記熱分解部分内の前記気体中に定置される酸素センサによって発生される請求項１５に記載のシステム。
前記酸素センサはジルコニア系酸素センサである請求項１５に記載のシステム。
前記温度に対応する前記電気信号は、熱電対、抵抗温度検出器、高温計、および、遠隔温度デバイスから構成されるグループから選択され、前記熱分解部分内の前記気体の前記温度を感知するために定置される温度センサによって発生される請求項１５に記載のシステム。
前記温度センサは熱電対である請求項１５に記載のシステム。
前記数学的関係は、

であり、ここで、ｘはミリボルトで表した酸素センサ出力であり、Ｔは華氏で表した前記温度であり、ａからｅは実験的定数である請求項１５に記載のシステム。
前記数学的関係は、

であり、ここで、ｘはミリボルトで表した酸素センサ出力であり、Ｔは華氏で表した前記温度であり、ａからｅは実験的定数である請求項１５に記載のシステム。
焼却炉の動作を制御するためのシステムであって、
前記焼却炉の熱分解部分内の気体中の酸素濃度に対応する電気信号を発生するための手段と、
前記熱分解部分内の前記気体の温度に対応する電気信号を発生するための手段と、
各前記電気信号と前記ＰＳＯとの間の数学的関係を使用して酸素濃度および温度に対応する前記電気信号を前記ＰＳＯの見積り値に変換するためのデバイスと、
前記ＰＳＯの見積り値、事前に選択されたＰＳＯ値、および、処理流量に基づいて処理流量速度を調整するための流量制御信号を発生するための手段であって、前記処理流量速度は燃焼空気流量速度、オキシダント流量速度、および、燃料流量速度から構成されるグループから選択される手段と、
前記制御信号に対応する処理流量速度を調整するデバイスとを含むシステム。
前記酸素濃度に対応する前記電気信号は、ジルコニア系酸素センサ、電気化学的センサ、微小燃料センサ、および、常磁性センサから構成されるグループから選択され、前記熱分解部分内の前記気体中に定置される酸素センサによって発生される請求項２２に記載のシステム。
前記酸素センサはジルコニア系酸素センサである請求項２２に記載のシステム。
前記温度に対応する前記電気信号は、熱電対、抵抗温度検出器、高温計、および、遠隔温度デバイスから構成されるグループから選択され、前記熱分解部分内の前記気体の前記温度を感知するために定置される温度センサによって発生される請求項２２に記載のシステム。
前記温度センサは熱電対である請求項２２に記載のシステム。
前記数学的関係は、

であり、ここで、ｘはミリボルトで表した酸素センサ出力であり、Ｔは華氏で表した前記温度であり、ａからｅは実験的定数である請求項２２に記載のシステム。
前記数学的関係は、

であり、ここで、ｘはミリボルトで表した酸素センサ出力であり、Ｔは華氏で表した前記温度であり、ａからｅは実験的定数である請求項２２に記載のシステム。