JP2005164128A

JP2005164128A - 燃焼制御方法および燃焼制御システム

Info

Publication number: JP2005164128A
Application number: JP2003403743A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Ihara; 崇之井原
Original assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Current assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Priority date: 2003-12-02
Filing date: 2003-12-02
Publication date: 2005-06-23

Abstract

【課題】有害物質の排出を抑制し得るように、簡易かつ安価な機構で燃焼装置における燃焼状態をリアルタイムで正確に計測し、燃焼制御を実施することが可能な燃焼制御方法および燃焼制御システムを提供する。
【解決手段】火炎から２種類の波長の光を選択する２波長光選択手段４と、前記２波長光選択手段４からの光を受光する受光手段２と、燃焼を制御する制御装置３とを備え、前記制御装置３が、前記各受光光の輝度に基づいて燃焼状態の指標値を演算する指標値演算部２１と、得られた指標値に基づいて炉に供給する空気量および／または燃料量を調整する調整部２２とを有してなる燃焼制御システムＡにより、炉１内の燃料供給や空気供給を制御するものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃焼制御方法および燃焼制御システムに関する。さらに詳しくは、ごみ焼却炉等の燃焼装置における燃焼を制御するための燃焼制御方法および燃焼制御システムに関する。

一般都市ごみ等を焼却する焼却炉から排出される一酸化炭素やダイオキシンなどの有害物質を低減するには、炉内の燃焼状態が悪化したときに、これをいち早く検知し、適切な燃焼状態となるよう制御することが必要である。

そして、このような燃焼制御を実施するためには、燃焼状態に関わるパラメータを迅速かつ正確に計測することが重要となる。従来、そのような燃焼状態に関わるパラメータを計測するための一つの手法として、ジルコニア酸素計を用いて炉内の酸素濃度を計測し、その計測結果に基づいて燃焼用空気量を調整することが行われている。

ところが、ジルコニア酸素計は高温下での使用が困難であり、排ガス温度が下がった煙道の下流側で温度を計測することになるため、計測の時間遅れが大きい。したがって、精度良く燃焼を制御することができない、といった問題がある。

このような計測の時間遅れを回避するために、従来、レーザーを利用した酸素濃度計測法や、炉内火炎画像の色情報から燃焼状態を判定する方法が取られてきた。

下記特許文献１に、レーザーを利用した酸素濃度計測法の一例を示す。下記特許文献２に、炉内火炎画像の色情報から燃焼状態を判定する方法の一例を示す。

特許文献１の燃焼制御装置は、レーザー式の計測機器により炉内ガス成分を計測して、燃焼安定のための制御を行うものである。ところが、この手法は、レーザー式の計測機器自体が高価であり、導入コストが高くなるといった問題がある。

また、特許文献２の制御装置は、カラー画像を基に、ニューラルネットワークによって燃焼状態を評価するものであるが、ガス成分の濃度の定量計測が困難な場合があり、その点において改良の余地を残したものとなっている。
特開２０００−１８５７７号公報特開平８−４９８４５号公報

本発明はかかる従来技術の課題に鑑みなされたものであって、有害物質の排出を抑制し得るように、簡易かつ安価な機構で燃焼装置における燃焼状態をリアルタイムで正確に計測し、燃焼制御を実施することが可能な燃焼制御方法および燃焼制御システムを提供することを目的としている。

本発明の燃焼制御方法は、火炎からの輻射光を用いて燃焼を制御する燃焼制御方法であって、前記輻射光の中から２種類の波長の光を選択して受光する受光手順と、各受光光の輝度に基づいて燃焼状態の指標値を演算する指標値演算手順と、得られた指標値に基づいて炉に供給される空気量および／または燃料量を調整する調整手順とを含んでいることを特徴とする。

本発明の燃焼制御方法においては、前記指標値が炉内のすす濃度および／または炉内の温度であるのが好ましい。

本発明の燃焼制御システムは、火炎からの輻射光を用いて燃焼を制御する燃焼制御システムであって、火炎からの輻射光の中から２種類の波長の光を選択する２波長光選択手段と、前記２波長光選択手段からの光を受光する受光手段と、燃焼を制御する制御装置とを備え、前記制御装置が、各受光光の輝度に基づいて燃焼状態の指標値を演算する指標値演算部と、得られた指標値に基づいて炉に供給する空気量および／または燃料量を調整する調整部とを有してなることを特徴とする。

本発明の燃焼制御システムにおいては、２波長光選択手段が、例えば２波長の光を透過させる狭帯域干渉フィルターとされたり、１波長の光を透過させる狭帯域干渉フィルター２枚と、該狭帯域干渉フィルターからの透過光を屈折させて２つの像に分離する分離レンズとからなるものとされたり、ビームスプリッターと、該ビームスプリッターを透過した光から所定波長の光を透過させる第１の狭帯域干渉フィルターと、前記ビームスプリッターにより反射された光から所定の波長の光を透過させる第２の狭帯域干渉フィルターとからなるものとされたり、光プローブと該光プローブからそれぞれ所定波長の光を透過させる第１および第２の狭帯域干渉フィルターとからなるものとされたりする。

本発明の燃焼制御システムにおいては、前記指標値が、炉内のすす濃度および／または炉内の温度であるのが好ましい。

ここで、前記炉は、例えばごみ焼却炉とされる。

本発明によれば時間遅れなく炉の燃焼制御がなされるので、最適な燃焼が維持されて有害物質の発生が抑制されるという優れた効果が得られる。

以下、添付図面を参照しながら本発明を実施形態に基づいて説明するが、本発明はかかる実施形態のみに限定されるものではない。

実施形態１
図１に、本発明の実施形態１に係る燃焼制御方法が適用された燃焼制御システムを模式的に示す。

同図に示すように、燃焼制御システムＡは、焼却炉（以下、単に炉という）１の内部における火炎Ｂからの輻射光を受光するための受光装置２と、受光装置２による火炎Ｂの受光画像に基づいて炉１の燃焼状態の指標値を計測し、その計測結果に基づいて炉１の燃焼を制御する例えばパソコンからなる制御装置３とを主要構成要素として備えてなる。

炉１は、１次空気および２次空気による二段燃焼を行うごみ焼却炉とされる。炉１の例えば側壁には、受光装置２により火炎Ｂからの輻射光を受光するために用いられる覗き窓１ａが設けられる。

また、覗き窓１ａと受光装置２との間には、火炎Ｂの輻射光から２種類の波長λ_１，λ_２の光のみを透過させる２波長光選択手段４が設けられるものとされる。

受光装置２はＣＣＤカメラからなり、覗き窓１ａおよび２波長光選択手段４を介して火炎Ｂを受光する。

ここで、制御装置３は、受光装置２により受光される２種類の波長の光による火炎の画像に基づき、より具体的には、各波長の光の輝度データに基づき、燃焼状態の指標値である炉１内のすす濃度および温度、もしくはすす濃度分布および温度分布を計測し（いわゆる２色法）、その計測結果に基づき有害物質の排出を低減するよう炉１の燃焼を制御するものとされる。具体的には、送風機１１ａおよび／または送風機１１ｂによって炉１に供給される空気の送風通路１２ａおよび／または１２ｂに設けられた流量調節器（調節弁）１３ａおよび／または１３ｂの開度を調節する。また、炉１に供給される燃料、つまりごみの供給量を調節するようにしてもよい。

図２に、制御装置３の詳細を示す。同図に示すように、制御装置３は、受光装置２により受光された火炎Ｂの輝度データ(より具体的には各波長の光の輝度データ)に基づいて、前記燃焼状態の指標値であるすす濃度および温度を算出する指標値算出部２１と、この算出結果に基づいて、有害物質の排出を抑制するように炉１に供給される２次空気流量を調節する空気流量調節部２２とから構成される。

以下、指標値算出部２１が、受光装置２による火炎Ｂの受光光の輝度に基づいて、すす濃度（粒子数密度）および温度を算出する原理を説明する
絶対温度Ｔの黒体からの波長λの単色放射輝度Ｎ_０は、プランクの放射法則による下記式１で表される。

ここに、λ：波長〔ｍ〕、ｈ：プランク定数（6.6262×１０^−３４Ｊ・ｓ）、Ｔ：温度〔Ｋ〕、κ：ボルツマン定数（1.3806×１０^−２３Ｊ／Ｋ）、ｃ：光速（2.9979×１０^８ｍ／ｓ）。

ここで放射定数としてＣ_１，Ｃ_２を次のように定義する。

Ｃ_１＝２πｃ^２ｈ＝3.742×１０^−１６Ｗ・ｍ^２
Ｃ_２＝ｃｈ／κ＝1.439×１０^−２ｍ・Ｋ
このとき、前記式１は、

となる。

プランクの式は可視域の波長の範囲では、ウィーンの式で近似することができる。ウィーンの式は下記式３で表される。

ここで、黒体以外の一般の物体表面の単色放射輝度Ｎは、その物体の単色放射率をε（λ）とすれば、下記式４のようになる。

ここに、Ｔ_ａ：Ｎ（λ,Ｔ）に対する輝度温度、である。

単色放射率ε（λ）は、Hottel-Broughtonによって下記式５で表されている。

ここに、Ｋ：吸収係数、Ｌ：測定光軸方向の火炎厚み〔ｍ〕、α：限られた波長域での定数（無次元数）、である。

ＫＬ値は火炎中のすすの粒子密度に比例する吸収係数Ｋ（Beerの法則）と、すす領域の光学的厚みＬの積である。また、項ｅｘｐ（−ＫＬ／λ^α）は、吸収係数Ｋの空間を距離Ｌ進行したときの透過率を表している。

以上の関係よりＫＬについて解くと、

となる。

ここで、２波長λ_１，λ_２について測定した火炎の輝度温度Ｔ_ａ１，Ｔ_ａ２を前記式６に代入すると、未知数がＫＬと真温度Ｔである連立方程式となる。これらよりＫＬを消去すると下記式７が得られる。

この式から火炎の真温度Ｔが求まり、得られたＴと式６よりＫＬ値が求まる。

ここで、指数αは、下記式８〜１１により求まる。すなわち、すすの透過率をτとし、入射光強度、透過光強度をそれぞれＩ_０，Ｉとすると、

となり、キルヒホッフの法則によれば、放射率は吸収率に等しく、吸収率は（１−透過率）であるので、

となる。したがって、前記式５より、

となる。この式から、

なる比例関係が成立し、αが決定できる。

このようにして、前記ＫＬ値からすす濃度が求められるとともに、温度Ｔが求まる。ここで、指標値算出部２１には、すす濃度とＫＬ値との関係を示すテーブルデータ、もしくは関数が保持されている。

次に、２波長光選択手段４を説明する。図３に示すように、２波長光選択手段４は、特定の２種類の波長λ_１，λ_２のみを透過させる狭帯域干渉フィルタから形成されている。ここで、透過波長λ_１，λ_２は、火炎Ｌの温度により強く発している光の波長、または受光素子（ＣＣＤ）の感度が良好な波長を選ぶ（発明者は、５００ｎｍおよび６００ｎｍの２波長を選択して実験した）。

このように、本発明の燃焼システムＡは、受光装置２により受光された炉１内の２色の火炎の輝度データに基づいて、制御装置３が、燃焼状態の指標値であるすす濃度および火炎Ｂの温度とを計測し、その計測結果に基づき有害物質の排出を抑制するように２次空気流量を調整して、炉１の燃焼を制御するものとされる。

ここで、炉１の燃焼状態の指標値は、排ガスからではなく火炎Ｂの画像に基づき計測されるので、時間遅れのないリアルタイムの指標値を得ることができる。したがって、空燃比をより適切な状態に保つことができ、有害物質の発生を低減できる。

また、干渉フィルタ、ＣＣＤカメラ、パソコンといった、比較的安価で汎用性があり、入手および取り扱いの容易な機器を用いてシステムを構成することができる。したがって、導入コストを抑えることが可能であるとともに、既存の機器、設備を利用してシステムを構成することも可能となる。これにより、資源節約に資することも可能である。

また、燃焼状態、つまり空燃比の指標であるすす濃度と、炉１内の温度とを同時に計測できるため、計器数を削減することが可能であり、装置の小型化を図ることも容易となる。

実施形態２
図４に、本発明の実施形態２における２波長光選択手段４Ａを示す。同図に示すように、この実施形態２は実施形態１を改変してなるものであって、実施形態１における狭帯域干渉フィルタと受光装置２との間に、光を屈折させて像を分離する断面が３角形形状のレンズ４１を配設してなるものとされる。

これによって、受光装置２により受光される２色の光が分離されて、各色の輝度を個別に検出でき、ＮＤフィルターなどよって像の明るさの調整が可能となる。したがって、燃焼状態の指標値の計測精度をさらに向上させることが可能となる。

また、図５に示す２波長光選択手段４Ｂのように、２色の火炎からの輻射光を分離するために、ビームスプリッター６および反射鏡７を用いて分光した後、各色の狭帯域干渉フィルター８，９を通すように構成してもよい。

また、図６に示すような、石英ファイバを用いた光学プローブ３０を炉１の側壁に設けられる小径孔（不図示である）に挿入して、火炎Ｂからの輻射光を集光し、ついで狭帯域干渉フィルターにより各波長の光に分離するようにしてもよい。

上述したとおり、本発明は、ごみ焼却炉等の燃焼装置に適用することができる。

本発明の実施形態１に係る燃焼制御方法が適用された燃焼システムを模式的に示す図である。同システムの制御装置の詳細を示す機能ブロック図である。同システムの２波長光選択手段を模式的に示す図である。実施形態２の２波長光選択手段を模式的に示す図である。他の変形例における２波長光選択手段を模式的に示す図である。さらに他の変形例における２波長光選択手段を模式的に示す図である。

符号の説明

Ａ燃焼システム
Ｂ火炎
１ごみ焼却炉（燃焼装置）
２受光装置
３制御装置
４２波長光選択手段
２１指標値算出部
２２空気流量調節部

Claims

火炎からの輻射光を用いて燃焼を制御する燃焼制御方法であって、
前記輻射光の中から２種類の波長の光を選択して受光する受光手順と、
各受光光の輝度に基づいて燃焼状態の指標値を演算する指標値演算手順と、
得られた指標値に基づいて炉に供給される空気量および／または燃料量を調整する調整手順
とを含んでいることを特徴とする燃焼制御方法。
前記指標値が、炉内のすす濃度および／または炉内の温度であることを特徴とする請求項１記載の燃焼制御方法。
前記炉がごみ焼却炉であることを特徴とする請求項１記載の燃焼制御方法。
火炎からの輻射光を用いて燃焼を制御する燃焼制御システムであって、
火炎からの輻射光の中から２種類の波長の光を選択する２波長光選択手段と、前記２波長光選択手段からの光を受光する受光手段と、燃焼を制御する制御装置とを備え、
前記制御装置が、各受光光の輝度に基づいて燃焼状態の指標値を演算する指標値演算部と、得られた指標値に基づいて炉に供給する空気量および／または燃料量を調整する調整部とを有してなる
ことを特徴とする燃焼制御システム。
２波長光選択手段が、２波長の光を透過させる狭帯域干渉フィルターとされてなることを特徴とする請求項４記載の燃焼制御システム。
２波長光選択手段が、１波長の光を透過させる狭帯域干渉フィルター２枚と、該狭帯域干渉フィルターからの透過光を屈折させて２つの像に分離する分離レンズとからなることを特徴とする請求項４記載の燃焼制御システム。
２波長光選択手段が、ビームスプリッターと、該ビームスプリッターを透過した光から所定波長の光を透過させる第１の狭帯域干渉フィルターと、前記ビームスプリッターにより反射された光から所定の波長の光を透過させる第２の狭帯域干渉フィルターとからなることを請求項４記載の燃焼制御システム。
２波長光選択手段が、光プローブと該光プローブからそれぞれ所定波長の光を透過させる第１および第２の狭帯域干渉フィルターとからなることを請求項４記載の燃焼制御システム。
前記指標値が、炉内のすす濃度および／または炉内の温度であることを特徴とする請求項４記載の燃焼制御システム。
前記炉がごみ焼却炉であることを特徴とする請求項４記載の燃焼制御システム。