JP2004332989A

JP2004332989A - 固体状物質の燃焼装置及び燃焼方法

Info

Publication number: JP2004332989A
Application number: JP2003127710A
Authority: JP
Inventors: Takashige Oyama; 宜茂大山
Original assignee: PUROTEKKU KK
Current assignee: PUROTEKKU KK
Priority date: 2003-05-06
Filing date: 2003-05-06
Publication date: 2004-11-25

Abstract

【課題】酸素富化空気を使用した固体状物質の燃焼装置におけるクリンカとダイオキシンの生成を防止する。
【解決手段】送風機１１で通常の空気を供給し、酸素濃縮装置２６にて酸素富化を行って、燃料４を燃焼させる装置において、電子制御ユニット２０でバルブ１３，１４，２５の開度を調節して燃焼装置１，２，３内の空気の速度ひいては温度の分布を燃料４の状態に応じて変えるようにする。これにより、炉内での局所的な高温部や低温部の生成が防止されて、クリンカ及びダイオキシンの生成が防止できる。また、炉内の空気の速度および温度の分布の時間的な変化を予測して供給空気量を制御することで、燃焼室の熱容量に伴う温度変化の行き過ぎを回避して、瞬間的な高温や低温の生成も回避する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸素富化空気を使用した固体状物質の燃焼装置及び燃焼方法に関し、詳しくは燃焼状態を制御する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃焼促進に酸素富化空気を使用する手法が知られている（例えば非特許文献１参照）。また、その他の省エネルギー燃焼技術の一つとして、酸素富化によって火炎や燃焼ガスの温度を上昇させる、ということが論じられている（例えば非特許文献２参照）。さらに、酸素濃度を高めた空気を供給して灰を溶融する方式も開示されている（例えば非特許文献３参照）。
自動燃焼制御に関する最新技術の開示もなされており（例えば非特許文献４参照）、燃焼室ガス温度，一酸化炭素濃度，酸素濃度等を検知し、燃料量と燃焼に必要な空気量をコンピュータ制御するようになっている。それには、従来からのアナログ的な制御とシーケンス的な制御に加えて、ファジィ制御システムや，エキスパートシステム，多変量制御システム，燃焼解析としての画像処理技術など、最新技術が導入されている。
【０００３】
【非特許文献１】
「燃焼工学ハンドブック」日本機械学会、１９９５年７月２５日、ｐ．８０
【非特許文献２】
水谷幸夫著「燃焼工学入門」森北出版株式会社、２００３年１月１５日、ｐ．５８
【非特許文献３】
タクマ環境技術研究会編「ごみ焼却技術」オーム社、１９９８年７月１０日、ｐ．１６
【非特許文献４】
タクマ環境技術研究会編「ごみ焼却技術」オーム社、１９９８年７月１０日、ｐ．２２２−２２３
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術では、酸素富化による局所的高温によるクリンカ（燃焼壁や火床上に焼却灰や未燃分が溶融付着固化したもの）の生成について配慮されておらず、温度分布の均一化も配慮されていない。
クリンカの生成にはそれによって燃焼性能が低下するという問題がある。また、温度分布の不均一には局所的低温によってダイオキシンが発生するという問題がある。
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、酸素富化空気を使用した固体状物質の燃焼装置におけるクリンカとダイオキシンの生成を防止することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために創案された本発明の固体状物質の燃焼装置は、局所的な高温部および低温部が生じないように、炉部の燃焼室内における空気の速度および温度の分布を燃料の状態に応じて変えられるようにしたものである。また、本発明の固体状物質の燃焼方法は、炉部の燃焼室内における空気の速度および温度の分布に関する時間的な変化を予測して、炉への供給空気量を制御するようにしたものである。
燃焼装置の炉部の燃焼室における燃料の状態に応じて炉への供給空気量を制御することにより、燃焼室内における空気の速度および温度の分布が適正範囲に納められて、局所的な高温部や低温部の生成が防止される。また、状態の変化を予測して供給空気量を制御することによって、燃焼室の熱容量に伴う温度変化の行き過ぎを回避することが可能となり、その結果、瞬間的な高温や低温の生成を回避することができる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
このような解決手段で達成された本発明の固体状物質の燃焼装置及び燃焼方法について、これを実施するための形態を幾つか説明する。
【０００７】
［第１の実施の形態］
本発明の第１実施形態の固体状物質の燃焼装置は、燃料が投入されるとともに一次空気が供給される一次燃焼室と、これに連通していてそこから出たガスが流れ込むとともに二次空気が供給される二次燃焼室と、少なくとも前記二次空気の酸素濃度を高めうる酸素富化手段と、前記一次空気の量と前記二次空気の量とそれらに含まれる酸素の量とを独立に調節しうるバルブ等の調節手段と、前記二次燃焼室から排出される排ガスの温度と空燃比を検出する検出手段と、その検出に基づいて前記調節手段の可変制御を行うことにより前記二次燃焼室における燃焼ガスの速度と燃焼温度とを所定の目標値にする制御装置とを備えている。
これにより、炉部の燃焼室内における空気の速度および温度の分布が燃料の状態に応じて適切に変えられる。
【０００８】
［第２の実施の形態］
本発明の第２の実施形態は、上述した第１実施形態の固体状物質の燃焼装置であって、前記制御装置が、前記検出手段にて検出された前記排ガスの温度と、前記調節手段にて調節された前記一次空気および前記二次空気を合わせた空気量と、前記調節手段にて調節された前記酸素の量とに基づいて、随時、前記燃料の発熱量を推定演算するとともに前記一次燃焼室および前記二次燃焼室の中の熱量も前記二次燃焼室の燃焼温度も推定演算し、これらの演算値に基づいて前記二次燃焼室における燃焼ガスの速度変化と温度変化とを予測しながら前記二次燃焼室における燃焼ガスの速度と燃焼温度を変える制御を行うようになっている、というものである。
これにより、燃料の状態に応じて炉内の空気の速度および温度の分布を変えるに際して、それらの時間的な変化が予測されるので、燃焼室の熱容量に伴う温度変化の行き過ぎが未然に回避され、その結果、瞬間的な高温や低温の生成を的確に抑止することができる。
【０００９】
【第１実施例】
本発明の固体状物質の燃焼装置及び燃焼方法の第１実施例について、先ず装置の具体的な構成を、図面を引用して説明する。図１は、燃焼装置の構成図であり、炉部と給気配管を断面で模式的に図示し、計器類やバルブ等はブロックや記号などで図示している。なお、図示に際して、酸素富化していない空気の流路には、薄い散点模様を付し、酸素富化した空気の流路には、濃い散点模様を付している。
【００１０】
この燃焼装置の炉部は、一次燃焼室１と二次燃焼室２と補助燃焼室３とから構成されている。供給空気の流路に関して給気側・上流側に一次燃焼室１が配置され排気側・下流側に二次燃焼室２が配置されている。一次燃焼室１には、燃料４（焼却物、固体状物質）を投入するための投入口５が設けられている。補助燃焼室３は、一次燃焼室１の芯部に配置されていて、一次燃焼室１と平行な状態で二次燃焼室２より上流に位置している。一次燃焼室１と補助燃焼室３の給気口（図では下方）は同心配置されているが分離されており、一次燃焼室１と補助燃焼室３の排気口（図では中央）は同心配置されていてほぼ同位置で共に二次燃焼室２の給気口と連通している。
【００１１】
二次燃焼室２の下流には（図では上方）、セラミック製の微粒子トラップ６と触媒コンバータ７と煙突２４とがその順に取り付けられている。触媒コンバータ７は、一酸化炭素，未燃炭化水素，窒素酸化物を同時に浄化する３元触媒、あるいは酸化触媒、あるいは微粒子トラップ機能を有する窒素酸化物還元触媒（例えば、「伊藤和浩ほか、ディーゼル車用新触媒システムの紹介、エンジンテクノロジー、Ｖｏｌ．２、Ｎｏ．６、ｐ．４６−５６、１９９９」を参照）のうち何れか一つ又は複数を組み合わせて構成されている。
【００１２】
補助燃焼室３には、灯油バーナ８が設けられている。バーナ８は、助燃料（灯油）供給のため、配管１７を介して、助燃料タンク１８に接続されている。配管１７の途中には、助燃料の供給量を可変制御しうるよう、バルブ１９と助燃料ポンプ２２とが、介挿して配置されている。バーナ８は、また、給気のため、配管１２を介して、送風機１１にも接続されている。配管１２の途中には、通気量制御のため開度調節可能なバルブ１４が、介挿して配置されている。
【００１３】
一次燃焼室１の下部には、火格子９が配置されている。火格子９の下室１６には、灰取り出し口１５が取り付けられ、下室１６は、給気のため、配管１０を介して、送風機１１に接続されている。配管１０の途中には、通気量制御のため開度調節可能なバルブ１３と、予熱のための熱交換器２３とが、介挿して配置されている。また、一次燃焼室１のうち補助燃焼室３周囲の環状部分は、もう一つの給気のため、送風機１１に接続されている。配管２７の途中には、通気量制御のため開度調節可能なバルブ２５と、酸素富化のための酸素濃縮装置２６（酸素富化手段）とが介挿して配置され、下室１６経由の大気供給とは独立に一次燃焼室１へ酸素富化空気を供給できるようになっている。その酸素富化空気を補助燃焼室３にも供給できるよう、配管１２と配管２７は、バルブ５３を介して接続されている。
【００１４】
酸素濃縮装置２６は、シリコン膜やポリイミド膜等の高分子膜を分離膜として構成されている。分離膜の両面に圧力差をつけると、大気側（相対的高圧側）の酸素が膜表面に溶解し、さらに膜内を拡散移動して、減圧側（相対的低圧側）で、膜表面から酸素が離脱する、という原理を利用したものである。標準的な装置の場合、吸引圧力２７ｋＰａ（大気圧基準で−５５０ｍｍＨｇ）で、酸素濃度３２％のガスを得ることができる。２０ｋｇの重さのユニットで、３．６Ｎｍ^３／ｈの流量が得られる。
【００１５】
バルブ１３，１４，１９，２５，５３と助燃料ポンプ２２と送風機１１は、始動ボタン２１等の操作部材の付いた電子制御ユニット２０とケーブル等で接続され（図の長破線を参照）、遠隔制御されるようになっている。二次燃焼室２の出口に温度センサ２８が取り付けられ、これも電子制御ユニット２０に信号ケーブル等で接続されている。煙突２４には、自動車エンジン等に取り付けられるのと同じ空燃比センサ３０が取り付けられている。空燃比センサ３０も、電子制御ユニット２０に接続されている。電子制御ユニット２０には、マイクロプロセッサーが内蔵されており、制御のためのプログラムで、各種制御が実行されるようになっている。電子制御ユニット２０には後で述べるモデルベース制御のアルゴリズムが組み込まれている。
【００１６】
このような燃焼装置の使用態様および動作等を説明するに先だって、固体状物質の燃焼メカニズムについて、概要を確認しておく。
バッチ処理の場合、火種がないと、燃料は着火できない。火種の熱によって燃料層が加熱されるが、そのときの加熱は、もっぱら酸化層の火種からの熱伝導と輻射によって行われる。このような火種や補助燃焼によって、燃料層が加熱される。これによって、燃料が乾留されて、水分や揮発分（乾留ガス）が放出される。温度が高いときは、放出された乾留ガスは直ぐに燃焼する。温度が低いときは、乾留ガスは、二次燃焼室２で燃焼する。
【００１７】
揮発分の酸素消費率が低下すると、乾留された燃料（残炭）の表面燃焼が盛んになり、最終的に燃料は灰になる。図３に示すごとく、酸化層の熱によって、燃料層が乾留層に変わり、乾留層が酸化層に変わる。このようにして、火炎伝播によって燃焼が維持される。着火面の伝播速度は、０．２ｍ／ｈ前後である。空気の量が不足すると、酸化層の外側に還元層が形成される。ここで、燃料としてゴミとコークスを用い、酸素濃度を上げた空気を供給すると、灰を溶融することができるが、本発明ではコークスを使用しないので、灰が溶融するまでには至らない。
【００１８】
次に、上述の燃焼装置を使用した固体状物質の燃焼方法とその際の装置動作等を、図面を引用して説明する。図２は、酸素富化空気の酸素濃度と燃焼温度の関係図であり、図３と図４と図５は、燃料の状態の変化を示した模式図であり、図６は、制御の流れを示すブロック図であり、図７は、制御の流れを示すニューラルネットワークである。
【００１９】
固体状の燃料４を投入口５から一次燃焼室１へ投入し、一次燃焼室１に燃料４が溜まって燃料層が出来たら、燃焼開始のため投入口５を閉めて始動ボタン２１を押す。そうすると、電子制御ユニット２０で自動制御のプログラムが実行され、その制御に従って、バルブ１９とバルブ１４が開き、助燃料ポンプ２２と送風機１１が作動して、助燃料と空気がバーナ８に供給される。この助燃料は通常の着火源で着火され、補助燃焼室３内に火炎５２が形成される。これによって、補助燃焼室３のガスの温度は１５００Ｋ（１２２７℃）から２３００Ｋ（２０２７℃）に高められる。この高温ガスからの輻射と熱伝導によって、一次燃焼室１内で補助燃焼室３の周囲の燃料４が加熱される。燃料４の塊は、これによって、乾燥・乾留される。
【００２０】
燃料は、乾燥した後、熱分解を起こして、分解生成物すなわち揮発分を放出する。この揮発分は、二次燃焼室２で、火格子９の下部からの一次空気ＵＧＡ（ＵｎｄｅｒＧｒａｔｅＡｉｒ）によって、完全に燃焼させられる。一次空気ＵＧＡは、熱交換器２３にて排ガスの熱を回収して、温度が１５０℃〜２５０℃程度に高められている。触媒コンバータ７は、補助燃焼室３の高温ガスによって、予熱されているので、未燃成分を始動時から完全に浄化することができる。また、排ガス中のダストは、微粒子トラップ６で捕捉される。
【００２１】
ここで、煤塵中の金属が触媒となって２５０℃から４００℃の温度域で有機物からダイオキシン類が合成されるというデノボ合成によってダイオキシン等の有害成分が生成されるのを防止するには、燃焼したガスの高温にとどまる時間を短縮する必要があるが、これは、熱交換器２３によって達成される。すなわち、送風機１１から熱交換器２３に送られる空気によって、二次燃焼室２から出る排ガスの熱を奪って、おおむね２００℃以下に低下させている。これにより、デノボ合成が阻止される。
【００２２】
また、ダイオキシンの発生の防止には、二次燃焼室２において、燃焼ガスを８００℃以上の温度に２．５秒以上維持する、という条件を満たす必要もある。このためには、二次燃焼室２の長さが１ｍの場合、ガスの流速を、０．４ｍ／ｓ以下に抑える必要がある。二次燃焼室２の径が２０ｃｍの場合、断面積は０．０３ｍ^２であるので、流速が０．４ｍ／ｓのときの流量は、０．０１２６ｍ^３／ｓ、４５ｍ^３／ｈとなる。これは８００℃のときの条件であるので、２０℃のときは、密度の比２９３／１０７３を考慮すると、１２ｍ^３／ｈとなる。ユニットの重さが約５０ｋｇの酸素濃縮装置２６を使用すると、この流量を賄うことができる。酸素が２１％から３２％に濃縮されているので、１．５倍の燃料を処理することができる。
【００２３】
一般に炭化水素の燃料の断熱火炎温度は、当量比が１の場合、２３００Ｋ（２０２７℃）程度である。当量比が３になると、１３００Ｋ（１０２７℃）程度になる。また、当量比が０．５と小さくなると、１５００Ｋ（１２２７℃）程度になる。ガス燃料の燃焼速度は、酸素富化空気を用いることで大きくなる。酸素濃度が２１％のとき３０ｃｍ／ｓであるのに対し、酸素濃度が３２％のときは、７５ｃｍ／ｓと、２．５倍になる。酸素富化によって、燃焼温度も上昇する。図２に示すごとく、４０％を外部に放熱する場合、酸素過剰率１．２において、空気燃焼では、１７７３Ｋ（１５００℃）の燃焼温度しか得られないが、４０％の酸素富化空気では、２１７３Ｋ（１９００℃）の燃焼温度が得られる。
【００２４】
酸素濃度を２１％から３２％に高めると、固体表面燃焼速度が１３００Ｋ（１０２７℃）のとき、５ｇ／ｍ^２ｓから１０ｇ／ｍ^２ｓに増加する。すなわち、酸素濃縮装置２６を通って、酸素濃度３２％の酸素富化空気が二次燃焼室２に供給されるので、発熱量の低い乾留ガスでも、ダイオキシンの生成を抑止する８００℃以上で燃焼させることができる。具体的には、バルブ１３，１４，２５，５３の開度を加減することによって、二次燃焼室２に供給される空気および補助燃焼室３に供給される空気の酸素濃度を調節することができる。合わせた空気の酸素濃度は主にバルブ２５で調節され、個別の酸素濃度は主に５３で調節される。
【００２５】
温度センサ２８で検出される温度が２０００Ｋ（１７２７℃）を超えると、排ガスの窒素酸化物の濃度が高くなるので、バルブ２５を閉じて、酸素濃度を低下させる。また、温度が高くなると、燃焼灰や未燃分が溶融付着固化したクリンカが発生しやすいので、やはりバルブ２５を閉じて酸素濃度を低下させる。
一方、空燃比（空気比）が大きくなりすぎると、燃焼温度が低下するので、空燃比センサ３０で空燃比を測定し、空燃比が大きい場合は、バルブ１３とバルブ１４とバルブ２５の開度を調節して、空燃比を適正なレベルに戻す。
このような制御が電子制御ユニット２０によって自動でおこなわれる。
【００２６】
燃料の物理的状態や化学的状態によって、始動からの乾留ガス（揮発分）の量や濃度は、時間の経過とともに変化する。そのため、温度センサ２８と空燃比センサ３０での検出に基づく閉ループ制御だけでは、これらの時間的変化に充分対応することはできない。したがって、適切なモデルを用いて時間的な変化を予測する制御手法が用いられている。物理的モデルの構築について述べる前に、その基礎となる固体状燃料の燃焼状態について詳述する。
【００２７】
一次燃焼室１において補助燃焼室３の周りの燃料４が加熱され、燃料４から分解生成物（揮発分）が放出されると、燃料４は炭化された状態になる。ここで、空気の供給を止めると、燃料４は炭化された状態にとどまる。石炭の場合、１０％から７０％が分解燃焼で、酸素を供給し続けると、残りが表面燃焼を行う。都市ゴミの場合は、３０％から５０％が水分であり、可燃分中の１０％程度が固形炭素である。したがって、一次燃焼室１で燃料４から水分がまず放出され、次に燃料４から分解生成物が放出され、二次燃焼室２でこれらのガスが燃焼する。残った固形炭素は、酸素があると１３００Ｋ（１０２７℃）以上の温度で表面燃焼する。一次空気ＵＧＡの吹き上げによって、燃料４の発熱量が高い場合、補助燃焼室３のバーナ８への助燃料を遮断しても、燃料４の燃焼が維持される。表面燃焼で酸化された燃料４の残渣は灰となって火格子９から落下する。
【００２８】
このとき、燃料４の状態を模式的に示すと図３のようになっている。最下部は、燃焼が完了した灰層であり、その上部に、順次、表面が炭化しながら内部の固定酸素が燃焼を続けているおき層、次に最も激しい燃焼を行っている酸化層、次に酸化層で発生した高温の燃焼ガスと燃料中の揮発分との反応によりＣＯ，Ｈ_２，ＣＨ_４等の還元ガスを発生する還元層、次に燃料が還元ガスの熱を受けて乾燥・乾留が行われる乾留層、最上段の燃料層が重なって、多層構造が構成されている。
【００２９】
この例では、固定床燃焼と共に上込め燃焼が行われるが、固定床燃焼では、火格子９の上に燃料４の層を作り、配管１０や下室１６を介して下から一次燃焼室１に予熱済み一次空気ＵＧＡを通して燃焼させる。酸素濃縮装置２６で酸素濃度を高めた一次空気ＵＧＡも配管２７を介して下から一次燃焼室１に供給される。上込め燃焼では、燃料４の供給方法が、一次空気ＵＧＡの供給方法と逆のもので、上方の投入口５から供給された燃料塊は、酸化層からの燃焼ガスによって加熱され、乾留層で揮発分（乾留ガス）を放出する。また、燃料４が生ゴミの場合、水分が蒸発する。その後、コークス化した燃料４は、酸化層で発生した二酸化炭素を、還元層で一酸化炭素に還元する。
【００３０】
揮発分と一酸化炭素は、火格子９の上方で、二次燃焼室２に供給される二次空気ＯＦＡ（ＯｖｅｒＦｉｒｅＡｉｒ）と混合して燃焼する。二次空気ＯＦＡは、一次燃焼室１を経ることなく配管１２と補助燃焼室３を介して二次燃焼室２に供給される。また、二次空気ＯＦＡは、バルブ５３を介して配管２７から配管１２へ酸素濃縮装置２６からの酸素富化空気を送り込むことで、酸素濃度が調節される。酸化層においては、コークス化して赤熱した燃料塊の表面に充分な酸素が供給されて、表面燃焼が行われ、これによって二酸化炭素が発生する。これらの各層を通過した燃料４は、灰となって火格子９上にたまり、火格子９のすきまを通って、灰溜まりに落下する。この方式は、供給された直後の燃料層中を高温のガスが通り抜けるので、着火が確実で低発熱量の燃料の燃焼に適する。
【００３１】
一次空気ＵＧＡの流量を大きくすると、燃焼量が増大するが、低発熱量燃料の場合、温度が低下し、失火が生じる。一次空気ＵＧＡの断面平均流速は、０．１〜１．０ｍ／ｓである。酸素富化空気を供給すると、表面燃焼速度が高まり、失火が防止される。燃料層が薄いときは、上層部は、酸化層となり、分解しながら燃える。すなわち、始動時には、図４に示すごとく、一次燃焼室１において補助燃焼室３の周囲に乾留層が形成され、乾留ガスが二次燃焼室２で燃焼する。その後、図５に示すごとく、一次燃焼室１において補助燃焼室３の周りに酸化層が形成され、そこで表面燃焼が行われる。その酸化層の周りには還元層や乾留層が形成される。灰層の厚さは、一次空気ＵＧＡの通気性と、酸化層から火格子９への熱輻射の遮断性との兼ね合いによって決められる。
【００３２】
一次空気ＵＧＡによって発生した還元性ガスは、二次空気ＯＦＡと混合させて燃焼を完結させる。ガスとの混合を良くするため、酸素富化空気の吹き込みは、分割して行われる。厚だきで、酸化層が高温燃焼となる場合は、還元層を出る可燃ガスは、空気比（空燃比）０．３程度の部分燃焼ガスに相当する場合があり、このときは、二次空気ＯＦＡ量を一次空気ＵＧＡ量の４倍から５倍にする必要がある。通常は、二次空気ＯＦＡは全空気供給量のおおよそ３０％〜５０％である。厚だきの場合は、６０％〜７０％になる。負荷が小さい薄だきの場合は、酸化層で燃焼が完了するので、二次空気ＯＦＡは省略できる。
【００３３】
バッチ処理の場合は、時間経過によって、それぞれの層の状態が変化するので、一次燃焼室１に供給される一次空気ＵＧＡの空気量および酸素濃度と、二次燃焼室２に供給される二次空気ＯＦＡの空気量および酸素濃度が、層の状態に応じて適正に制御される。これらの制御は、電子制御ユニット２０によるバルブ１３，１４，２５，５３の開度調節によって自動で遂行される。燃料４の燃焼が完了する際は、燃料層が薄くなり、一次燃焼室１における燃料４が酸化層のみになるので、二次空気ＯＦＡの供給は停止される。
【００３４】
層の厚さが不均一の場合は、薄いところの一次空気ＵＧＡが増し、吹き抜けが生じる。図１の構成の装置においては、一次燃焼室１において補助燃焼室３の周りの燃料層が薄いので、ここを通って、一次空気ＵＧＡが吹き抜けて、二次空気ＯＦＡの代わりを果たしている。そのため、ここに集中して酸素濃縮装置２６から酸素富化空気が供給される。窒素酸化物は、燃料中の窒素分から生じるときがある。このときは一次空気ＵＧＡを少なくする。その制御も、電子制御ユニット２０のバルブ開度調節によって行われる。
【００３５】
図３〜図５に示した燃料４中の各層の状態は、物理的モデル化され、これを用いて時間的パラメータ及び空間的パラメータの変化が予測される。単純には、燃料４のモデルは、次のようになる。１時間に火格子９の１ｍ^２で燃焼する量Ｗは、例えば１０ｋｇ／（ｍ^２ｈ）で与えられる。したがって、火格子９の面積をＳとすると、毎時ＷＳｋｇの燃料４が燃焼する。これに要する空気量（一次空気ＵＧＡ＋二次空気ＯＦＡ）は、空気比（空燃比）をφとすると、φＷＳとなる。一方、燃焼量Ｗは、燃焼温度Ｔと空気比φの関数である。また、二次燃焼室２における燃焼温度Ｔは、図３に示した各層の状態と、燃料４や揮発分の熱量Ｑと、燃料４の密度ρと、燃料４の熱伝導率λの関数である。この場合、熱量Ｑには、燃料４の燃焼による発熱量だけでなく補助燃焼室３のバーナ８の発生熱量も影響する。これらの関係を図示すると、図６のようになる。
【００３６】
酸素濃度は、燃焼温度Ｔと単位時間に燃焼する量ＷＳに影響を及ばす。したがって、図６に示したような物理的なモデルを用いて、二次燃焼室２における燃焼温度Ｔを予測することにより、炉や燃料４の熱容量によって燃焼温度Ｔの変化に遅れが生じる場合でも、目標の燃焼温度を維持することができる。そのような予測に基づいて、最終的に、一次燃焼室１への一次空気ＵＧＡ量と，二次燃焼室２への二次空気ＯＦＡ量と，それら合計の全供給空気の酸素濃度と，助燃料量とが決定される。これらは、燃焼に影響する制御量であり、図１のバルブ１３，１４，２５，５３，１９の開度調節によって制御される。
【００３７】
また、これらのモデルは、ニューラルネットワークを用いて容易に、電子制御ユニット２０に具現することができる。図７に例示するごとく、温度センサ２８で検出した排ガス温度と、一次空気ＵＧＡと二次空気ＯＦＡとを合わせた全供給空気量である所要空気量φＷＳと、全供給空気の平均の酸素濃度との３個の物理量を、ニューラルネットワークに入力することによって、燃料４の発熱量を推定することができる。そのようなニューラルネットワークは、公知の学習則で具現化でき、この燃焼装置では、学習則として誤差逆伝搬法（例えば、吉富著、ニューラルネットワーク、ｐ．２７−４９、朝倉書店発行、２００２年７月１０日）を用いている。また、同様な方法で、燃料４中の水分の量を推定することができる。都市ゴミなど、燃料４が低発熱量で、水分を含んでいる場合、これらのパラメータを推定して、空気量と酸素量を制御することによって、始動直後から、燃焼温度Ｔを適正に維持することができる。
【００３８】
【第２実施例】
本発明の固体状物質の燃焼装置及び燃焼方法の第２実施例について、その具体的な構成および使用態様等を、図面を引用して説明する。図８は、燃焼装置の断面構造を模式的に示したものである。
【００３９】
この第２実施例（図８参照）は、上述した第１実施例（図１参照）の変形であり、酸素濃縮装置２６の酸素富化空気は、一次燃焼室１へは全く供給されず、二次燃焼室２にだけ直接供給されるようになっている。また、熱交換器２３は省かれて、一次空気ＵＧＡは予熱されることなく一次燃焼室１と補助燃焼室３に送り込まれるようになっている。しかも、その際、一次燃焼室１への給気と補助燃焼室３への給気とが分離されることなく総量で制御されるようにもなっている。なお、図示したバーナ８の他、図示は割愛したが、微粒子トラップ６や，触媒コンバータ７，空燃比センサ３０，温度センサ２８，電子制御ユニット２０等は、上述したのと同様に設けられている。
【００４０】
この場合、バルブ２９によって、二次燃焼室２に供給される空気量（酸素富化空気、二次空気ＯＦＡ）が調節される。二次燃焼室２には、バーナ３１が配置され、助燃料タンク１８から助燃料ポンプ２２とバルブ３２を介して、バーナ３１に助燃料が供給される。燃料４の発熱量が低い場合、バーナ３１を着火させて、二次燃焼室２内のガスの温度を１０００Ｋ（７２７℃）程度に高める。火格子９への空気である一次空気ＵＧＡの供給を停止すると、燃料４は、補助燃焼室３の熱によって、蒸し焼き状態になり、最終的には、固形炭素だけが残る。この状態で一次空気ＵＧＡを供給すると固形炭素は酸化燃焼するが、そのまま取り出して燃料として再利用することもできる。
【００４１】
【第３実施例】
本発明の固体状物質の燃焼装置及び燃焼方法の第３実施例について、その具体的な構成および使用態様等を、図面を引用して説明する。図９は、燃焼装置の断面構造を模式的に示したものである。
【００４２】
この第３実施例（図９参照）の燃焼装置は、上述した第２実施例（図８参照）の変形であり、一次燃焼室１と二次燃焼室２とが離れている。一次燃焼室１と二次燃焼室２は乾留ガス（燃焼ガス）の通路３５を介在させて連通しており、酸素濃縮装置２６の酸素富化空気は、連通路３５の周囲に設けられたリング通路３３に供給され、これを介して連通路３５に送り込まれるようになっている。図示した煙突２４の他、図示は割愛したが、空燃比センサ３０や，温度センサ２８，電子制御ユニット２０等も、設けられている。これに対し、微粒子トラップ６と触媒コンバータ７は省略されている。
【００４３】
この場合、一次燃焼室１から離れた二次燃焼室２で乾留ガスを燃焼させることに加えて、二次燃焼室２内に設置された除塵サイクロンの遠心力で灰を分離することにより、煙突２４から飛灰が流出するのを防止している。二次燃焼室２の容積を大きくすることによって、燃焼を完結でき、触媒コンバータ７とセラミック製の微粒子トラップ６を省略することができる。また、連通路３５の周囲には複数個の噴孔３４が形成されており、これらの噴孔３４を介して、酸素濃縮装置２６からの酸素富化空気が、連通路３５内へ均一に供給され、乾留ガスと均一に混合される。これによって、短時間で燃焼が完了する。
【００４４】
さらに、一次燃焼室１での燃料４の塊具合の不均一による吹き抜けを防止するため、火格子９の下室は、下室３６と下室３７に分離されている。一次空気ＵＧＡは、下室３６，３７を経由して一次燃焼室１に送り込まれるが、下室３６，３７の通過量はそれぞれバルブ３８とバルブ３９によって制御されるようになっている。そこで、下室３６の上方の燃料４の塊が少ない場合は、バルブ３８を絞って、吹き抜けを防止し、下室３７の上方の燃料４の塊が少ない場合は、バルブ３９を絞って、吹き抜けを防止する。そのために、下室３６の給気圧力を測定する圧力センサ４０と、下室３７の給気圧力を測定する圧力センサ４１とを付設し、それらの出力信号に基づいて電子制御ユニット２０が空気流動の抵抗差等を検知するようになっている。さらに、電子制御ユニット２０は、燃料４の塊の不均一度を把握して、下室３６経由の空気量と下室３７経由の空気量とがそれぞれ下流（図では上方）での適正燃焼に必要な量になるようバルブ３８とバルブ３９を最適に制御する。
【００４５】
【第４実施例】
本発明の固体状物質の燃焼装置及び燃焼方法の第４実施例について、その具体的な構成および使用態様等を、図面を引用して説明する。図１０は、燃焼装置の断面構造を模式的に示したものであり、炭化炉に本発明を適用した場合の構成例を示している。
【００４６】
この第４実施例（図１０参照）の燃焼装置は、上述した第３実施例（図９参照）の変形であり、一次燃焼室１は炭化炉４３となり、二次燃焼室２はガス処理室４４となっている。炭化炉４３には、火格子９が無く、下室３６，３７の付設も無い。ガス処理室４４は、除塵サイクロンを兼用しない単純なものになっている。炭化炉４３とガス処理室４４とを繋ぐ連通路も、噴孔３４等の無い単純なものになっており、酸素濃縮装置２６からの酸素富化空気は、連通路でなく、ガス処理室４４に、直接、送り込まれるようになっている。
【００４７】
また、図示しない送風機１１からの空気が、炭化炉４３とガス処理室４４とに分かれて、何れにも供給されるようになっている。炭化炉４３への給気を担う配管には補助燃焼器４２が付設されている。その配管のうち補助燃焼器４２と炭化炉４３との間には、ベンチュリ部４７が形成されており、そのベンチュリ部４７には、ガス処理室４４の排気部から延びて来た配管４６が連結されている。この配管４６の途中にバルブ４８が介挿されている。
【００４８】
この場合、補助燃焼器４２で助燃料を燃やして、炭化炉４３に高温ガスを供給する。炭化炉４３の中の燃料４は、酸化されず、炭化される。燃料４から発生した乾留ガスは、ガス処理室４４で、送風機からの通常の空気と酸素濃縮装置２６からの酸素富化空気とによって酸化される（燃焼する）。ガス処理室４４内の酸素濃度が高くなると、ガス処理室４４のガスの温度が高くなり、クリンカが生成されるので、そうならないよう、酸素濃縮装置２６への給気用配管に介挿されたバルブ４５の開度調節によって、ガス処理室４４内の酸素濃度が適正に維持される。また、この装置では、排ガスの一部が、配管４６を介して、ベンチュリ部４７から、供給側に戻される。これによって、排ガスの熱が回収され、燃料４で消費する助燃料の量を削減することができる。
【００４９】
【第５実施例】
本発明の固体状物質の燃焼装置及び燃焼方法の第５実施例について、その具体的な構成および使用態様等を、図面を引用して説明する。図１１は、燃焼装置の断面構造を模式的に示したものである。
【００５０】
この燃焼装置は、一次燃焼室１の一部にロータリキルン４９を採用した場合の例である。ロータリキルン４９は、投入された燃料４を溜め置けるよう横置きされており、軸回転して燃料４を攪拌混合するようになっている。その一端は開口して一次燃焼室下部５０の上部に連通するよう横から連結されている。その連結部の上方には二次燃焼室２が形成されている。この二次燃焼室２へ直に酸素濃縮装置２６からの酸素富化空気が供給されようになっている。
【００５１】
また、熱交換器５１が一次燃焼室下部５０に付設され、この熱交換器５１を利用して一次空気ＵＧＡが予熱されるようにもなっている。一次空気ＵＧＡは、一次燃焼室下部５０に下から送り込まれ、一次燃焼室下部５０内を上昇して、ロータリキルン４９の一端開口を覗くと直ちに、二次燃焼室２に昇り入り、そこで二次空気ＯＦＡすなわち酸素濃縮装置２６からの酸素富化空気と合流して、更に図示しない煙突２４へと上昇するようになっている。なお、図示は割愛したが、バーナ８や、微粒子トラップ６，触媒コンバータ７，空燃比センサ３０，温度センサ２８，電子制御ユニット２０等も、上述の例と同様に設けられている。
【００５２】
この場合、ロータリキルン４９は回転し、中の燃料４は、回転しながら混合される。ロータリキルン４９や二次燃焼室２におけるガス燃焼部分のガスからの輻射熱によって、ロータリキルン４９内の燃料４が加熱され、燃料４がガス化する。このガスは、酸素濃縮装置２６の酸素富化空気である二次空気ＯＦＡによって、酸化され、無害化される。燃料４から揮発分が抜けると固形炭素が残るが、固形炭素は、ロータリキルン４９から一次燃焼室下部５０に落下し、そこで一次空気ＵＧＡによって酸化される。これにより、一次燃焼室下部５０には、おき燃焼部分や炭化部分が溜まる。
【００５３】
そこから吹き上がった一次空気ＵＧＡとロータリキルン４９内の燃料４から発生した揮発分は、ロータリキルン４９と一次燃焼室下部５０との連通部で混合して、燃焼ガスとなり、二次燃焼室２で完全燃焼する。二次燃焼室２においては、酸素富化の二次空気ＯＦＡによって、ガス燃焼の温度が１０００Ｋ（７２７℃）程度に維持されるので、燃料４をガス化するのに必要な輻射熱を充分に確保することができる。一次空気ＵＧＡは、熱交換器５１によって熱を回収でき、助燃料を削減することができる。
【００５４】
【各実施例の作用効果】
上述した固体状物質の燃焼装置及び燃焼方法にあっては、燃料４の燃焼量に対して供給空気（一次空気ＵＧＡ、二次空気ＯＦＡ）の量が多いと燃焼温度が低下する一方、燃料４の燃焼量に対して空気量が少ないと未燃分が増大するので、適正に空気量を制御する必要があり、そのために、電子制御ユニット２０によって予測制御が遂行され、それに従って各バルブの開度が調節され、空気量が適切に変えられる。また、このとき、図１に示したような熱交換器２３を用いることにより、あるいは図１０に示したように排ガスの一部を帰還させることにより、供給空気を予熱し、ひいては燃料４を加熱して、省エネルギー化を図ることができる。さらに、酸素富化空気の利用によって、火炎や燃焼ガスの温度が上昇するので、炉を小型化し、放熱や蓄熱損失を小さくすることができる。
【００５５】
炉壁や火床上に焼却灰や未燃分が溶融固化したクリンカは局所的な高温部やゴミが薄く停溜した部分に発生しやすい。酸素富化によって、クリンカが生じやすいといわれている。これを防止するためには、局所的な高温部の生成を回避する必要がある。このためには、例えば図９に示したように、一次空気ＵＧＡや二次空気ＯＦＡを複数個に分割して供給するのが有効である。
【００５６】
生ゴミ等の低発熱量の燃料を燃焼するとき、３００℃程度の低温領域で、塩素化合物を含む有機物が不完全燃焼する際、灰の表面で塩化銅などを触媒として、ダイオキシンが生成される。特に、燃焼温度が低く、燃焼状態が変動しがちな小型燃焼室で、高濃度のダイオキシンが排出されることが多い。ダイオキシンは、排気とともに排出されるだけでなく、焼却灰や処分場土壌に含まれる。このようなダイオキシンの排出や残留が、本発明にあっては、酸素富化空気によって、燃焼温度が高温に維持されるので、抑止される。すなわち、安定した完全燃焼によって、ダイオキシン類やその前駆体が高温分解されるので、ダイオキシンの排出や残留が抑止される。そのためには、焼却炉内で、燃焼ガスの温度を９００℃以上の高温に滞留時間２秒以上維持することと、それ以前にも燃焼ガスの高温滞留時間を充分に確保することと、燃焼ガスと未燃ガスと燃焼空気との混合攪拌を行うことが重要であり、上述した燃焼装置はそのようになっている。
【００５７】
もう一つのダイオキシン発生原因であるデノボ合成の防止に対しては、燃焼ガスの急冷および低温化が有効である。デノボ合成は、３００℃付近で最も発生しやすいといわれている。本発明では、排ガスが熱交換器２３によって１０００Ｋ（７２７℃）から２００℃に急冷されるので、デノボ合成によるダイオキシンの生成も抑止される。
【００５８】
これらのことを、上述した固体状物質の燃焼装置について、具体的に確認すると、先ず、二次燃焼室２においては、分解ガス（燃焼ガス）を９００℃以上で２．５秒以上かけて完全燃焼させる。また、ガス量が少なくても燃焼ガスが完全燃焼するので、ガス量を少なくして具体的には一次空気ＵＧＡを少なくして、燃焼ガスが高温部に滞留する時間を長くすることができる。そのために、電子制御ユニット２０が予測制御に基づいて各バルブの開度を調節することで、一次空気ＵＧＡと二次空気ＯＦＡと酸素の流量が変わるようになっており、それによって、炉内各部における空気の速度が適切な範囲に収まり特に二次燃焼室２における空気の速度が何時でも適切な範囲に収まるとともに、炉内各部の温度が何処も何時も適切な範囲に収まるようになっている。
【００５９】
特に、第１実施例（図１参照）の燃焼装置については、一次燃焼室１で燃料４に酸素濃度の高い空気を供給することによって、二次燃焼室２ばかりか一次燃焼室１でも、燃焼温度が高く維持されるようになっている。しかも、酸素富化空気を火格子９に均一に供給すると高温によって一次燃焼室１の周囲の壁が焼損するので、火格子９のうち炉壁近くの部分には、濃縮されない通常の空気が供給されるようにもなっている。
【００６０】
このような本発明の各実施例の燃焼装置にあっては、一次空気ＵＧＡが炉内に吹き込まれてから排ガスとなって炉外に出るまでの流路について、具体的には一次燃焼室１から二次燃焼室２を経て煙突２４に至るまでの連通空間について、上流から下流までの何処の部位も、クリンカやダイオキシンの生成に繋がるような高温状態や低温状態にはならないように、自動制御が遂行される。こうして、流路に沿った温度分布が可変制御され、どの局所も適切な温度に維持される。
さらに、第３実施例（図９参照）の燃焼装置にあっては、流路に沿った温度分布ばかりか、流路の横断面における温度分布も、可変制御される。
【００６１】
【その他】
なお、上記の各実施例では、酸素富化手段として、酸素富化膜を利用した酸素濃縮装置２６を挙げたが、これに限られ訳でなく、酸素ボンベ等を利用して酸素濃度を高めても同じような効果をあげることができる。
【００６２】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、燃焼装置内の局所的な高温部や低温部の生成が防止されるので、クリンカ及びダイオキシンの生成が防止でき、燃焼装置の性能を向上させることができる。そのため、従来の燃焼装置の半分の大きさで同じ量の燃料を処理することも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の固体状物質の燃焼装置及び燃焼方法の第１実施例について、燃焼装置の構成図である。
【図２】酸素富化空気の酸素濃度と燃焼温度の関係図である。
【図３】燃料の状態の変化を示した模式図である。
【図４】燃料の状態の変化を示した模式図である。
【図５】燃料の状態の変化を示した模式図である。
【図６】制御の流れを示すブロック図である。
【図７】制御の流れを示すニューラルネットワークである。
【図８】本発明の固体状物質の燃焼装置及び燃焼方法の第２実施例について、燃焼装置の構成図である。
【図９】本発明の固体状物質の燃焼装置及び燃焼方法の第３実施例について、燃焼装置の構成図である。
【図１０】本発明の固体状物質の燃焼装置及び燃焼方法の第４実施例について、燃焼装置の構成図である。
【図１１】本発明の固体状物質の燃焼装置及び燃焼方法の第５実施例について、燃焼装置の構成図である。
【符号の説明】
１…一次燃焼室、２…二次燃焼室、３…補助燃焼室、４…燃料、
５…投入口、６…微粒子トラップ、７…触媒コンバータ、
８…バーナ、９…火格子、１０…配管、１１…送風機、１２…配管、
１３，１４…バルブ、１５…灰取り出し口、１６…下室、１７…配管、
１８…助燃料タンク、１９…バルブ、２０…電子制御ユニット２０、
２１…始動ボタン、２２…助燃料ポンプ、２３…熱交換器２３、
２４…煙突、２５…バルブ、２６…酸素濃縮装置、２７…配管、
２８…温度センサ、２９…バルブ、３０…空燃比センサ、
３１…バーナ、３２…バルブ、３３…リング通路、３４…噴孔、
３５…連通路、３６，３７…下室、３８，３９…バルブ、
４０，４１…圧力センサ、４２…補助燃焼器、４３…炭化炉、
４４…ガス処理室、４５…バルブ、４６…配管、４７…ベンチュリ部、
４８…バルブ、４９…ロータリキルン、５０…一次燃焼室下部、
５１…熱交換器、５２…火炎、５３…バルブ

Claims

酸素富化空気を使用した固体状物質の燃焼装置において、燃料の状態に応じて供給空気量を制御して炉部の燃焼室内における空気の速度および温度の分布を変える手段を具備したことを特徴とする固体状物質の燃焼装置。
酸素富化空気を使用した固体状物質の燃焼方法において、空気の速度および温度の分布の時間的な変化を予測して、供給空気量を制御することを特徴とする固体状物質の燃焼方法。