JP2006002945A - 汚泥焼却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 脱水ケーキの容積当たりの発熱量（以下、単に発熱量と呼ぶ）の変動に起因する汚泥焼却炉の温度変動を抑える。
【解決手段】 汚泥処理プラント１０の汚泥焼却装置１６は、脱水ケーキの発熱量を計測するカロリーメータ２２と、脱水ケーキの発熱量に基づいて汚泥焼却炉２１への脱水ケーキの供給量を制御する脱水ケーキ供給装置３０と、脱水ケーキの発熱量と焼却炉２１の焼却温度とに基づいて汚泥焼却炉２１への補助燃料の供給量を制御する燃料供給装置４０と、脱水ケーキの発熱量に基づいて流動層２７の流動空気供給量を制御する流動空気供給装置５０とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、下水、し尿又は産業排水処理施設などから発生する汚泥を焼却する汚泥焼却装置に関する。

下水、し尿又は産業排水処理施設などから発生する汚泥は、ベルトプレス型脱水機や、遠心分離型脱水機、或いはフィルタプレス等の汚泥脱水装置により脱水処理されて、脱水ケーキとなり、その後、汚泥焼却装置の焼却炉に移送され焼却される。

汚泥焼却炉は、焼却炉を構成する構造材料や、焼却温度、焼却温度の変動履歴などによって、その耐用年数が大きな影響を受ける。このため、汚泥焼却炉は、その耐用年数を長く維持するために、焼却炉によって定まる温度範囲内で、且つ、できるだけ一定の焼却温度で焼却することが望まれる。

一方、汚泥焼却炉は、特定の汚泥発生源からの汚泥を焼却することが多く、また、汚泥発生源から発生する汚泥量はある程度予測できるため、１日又は１週間当たりの汚泥焼却量が、予め計画汚泥焼却量として定まっている。このため、汚泥焼却炉は、できるだけ計画汚泥焼却量を消化するような安定な焼却処理も望まれている。

従来の汚泥焼却装置では、汚泥の焼却に際して、汚泥焼却炉の焼却温度を一定に保つために、汚泥焼却炉への脱水ケーキの投入量や補助燃料の供給量が、焼却炉内の計測温度によってフィードバック制御されている。
特開２００２−２７３４９５号公報（図１） 特開平１０−４８１２７号公報 特開平６−２２９９１８号公報

汚泥焼却炉の焼却温度は、焼却される脱水ケーキが有する、単位容積当たり（または単位重量当たり）の発熱量（以下、単に脱水ケーキの発熱量と呼ぶ）によって影響を受ける。ここで、例えば脱水ケーキの発熱量が大きく焼却炉の温度が上がり過ぎる場合には、脱水ケーキの投入量や補助燃料の供給量を下げる制御が、逆に、脱水ケーキの発熱量が小さく焼却炉の温度が下がりすぎる場合には、脱水ケーキの投入量や補助燃料の供給量を上げる制御が、それぞれ前述のフィードバック制御で行われている。

しかし、汚泥焼却炉では、脱水ケーキの発熱量が変動してから、実際に焼却炉の焼却温度が変化するまでには、かなり大きな時間遅れがある。このため、計測された焼却温度に従って、脱水ケーキの投入量や補助燃料の使用量などを制御すると、その制御が実際に行われる時点では、投入された脱水ケーキの発熱量が既に変動しており、安定な温度制御が得られない。特に、雨天などで脱水ケーキの含水率が大きく変化すると、焼却炉の温度変動は増加する。この場合、焼却炉の大きな温度変動に従って脱水ケーキの投入量を変化させると、計画汚泥焼却量にも大きな狂いが生じる。

特許文献１には、汚泥処理プラントにおいて、脱水ケーキの含水率を制御する汚泥脱水装置が記載されている。同文献に記載の汚泥脱水装置では、図５に示すように、汚泥焼却炉６５を有する汚泥処理プラントにおいて、汚泥脱水装置６３の出口で、脱水ケーキの有機物含有率ＲＯ及び含水率ＲＷをセンサー６６、６７で測定する。制御部６８は、補助燃料を必要としない焼却炉の自燃条件を満足する、脱水ケーキの有機物含有率ＲＯと脱水ケーキの含水率ＲＷとの間の関係を示す燃焼曲線を予め記憶しており、その燃焼曲線と、測定された有機物含有率ＲＯとに基づいて、自燃条件を満たす脱水ケーキの含水率を求め、その含水率が得られるように汚泥脱水装置６３をフィードバック制御している。

特許文献１に記載の脱水装置では、脱水ケーキの有機物含有率及び含水率を計測し、これを脱水装置の制御に利用している。しかし、脱水装置の出口で脱水率を制御しても、脱水ケーキ貯留設備６４で貯留している間に、脱水ケーキの含水率が変化するという問題があった。本特許文献１には、汚泥焼却炉６５の温度制御については何ら記載がない。

本発明は、従来の汚泥焼却装置における、脱水ケーキの発熱量の変動に起因する焼却炉の温度変動の問題に鑑み、脱水ケーキの発熱量が変動しても、安定な温度制御が可能な汚泥焼却装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の第１の視点に係る汚泥焼却装置は、汚泥を含む脱水ケーキを焼却する汚泥焼却炉と、前記汚泥焼却炉に投入される脱水ケーキの発熱量を計測する発熱量センサと、前記発熱量センサの計測値に基づいて、前記汚泥焼却炉への脱水ケーキの供給量を制御する脱水ケーキ供給装置とを備えることを特徴とする。

また、本発明の第２の視点に係る汚泥焼却装置は、汚泥を含む脱水ケーキを補助燃料と共に焼却する汚泥焼却炉と、前記汚泥焼却炉に投入される脱水ケーキの発熱量を計測する発熱量センサと、前記発熱量センサの計測値に一次遅れ特性を与えた制御信号に基づいて、前記汚泥焼却炉への補助燃料の供給量を制御する燃料供給装置とを備えることを特徴とする。

本発明の第１の視点に係る汚泥焼却装置によると、発熱量センサによって計測された脱水ケーキの発熱量に基づいて、脱水ケーキの投入量をフィードフォワード制御するので、脱水ケーキの発熱量の変動に起因する汚泥焼却炉の焼却温度の変動が抑えられ、汚泥焼却炉の耐用年数が長くなる。また、焼却温度の変動を抑えることにより、安定な汚泥焼却が可能となり、煙突から出る排ガス等の環境負荷成分（ＣＯ，ＮＯｘ，ＳＯｘ等）も安定し、計画汚泥焼却量の達成も容易となる。

本発明の第２の視点に係る汚泥焼却装置によると、発熱量センサによって計測された脱水ケーキの発熱量に一次遅れ特性を与えた制御信号に基づいて、補助燃料の供給量をフィードフォワード制御するので、焼却炉内の温度変動を抑えつつ、補助燃料を過不足なく供給できる。

本発明の第１の視点に係る汚泥焼却装置の好適な態様では、前記焼却炉に補助燃料を供給する燃料供給装置を更に備え、該燃料供給装置は、前記発熱量センサの計測値に基づいて、前記汚泥焼却炉への補助燃料の供給量を制御する。この場合、温度変動を抑制する補助燃料の供給量が得られる。

また、前記汚泥焼却炉に投入された脱水ケーキを流動させる流動空気を供給する流動空気供給装置を更に備え、該流動空気供給装置は、前記発熱量センサの計測値に基づいて、前記汚泥焼却炉への流動空気の供給量を制御することも本発明の好ましい態様である。この場合、焼却炉における最適な空燃比が得られる。

更に、前記燃料供給装置が、前記焼却炉の焼却温度に基づいて、前記焼却炉への補助燃料の供給量を制御することも、本発明の第１及び第２の視点に係る汚泥焼却装置の好ましい態様である。この場合、よりきめ細かな温度制御が可能となる。

上記脱水ケーキの投入量や、補助燃料及び流動空気の供給量の制御には、各種調節計とこれらに設定値等を与えるＣＰＵとの組み合わせが好適に利用できる。また、発熱量センサは、脱水ケーキの有機物含有率を計測する有機物含有率センサ、脱水ケーキの含水量を計測する含水率センサ、及び、これらのセンサの計測値から、脱水ケーキの発熱量を演算で求めるＣＰＵから構成することが好ましい。

以下、図面を参照し、本発明の一実施形態例に基づいて、本発明を更に詳細に説明する。図１に、本発明の一実施形態例に係る汚泥焼却装置を含む汚泥処理プラント全体の構成を示す。汚泥処理プラント１０は、汚泥濃縮槽１１と、薬品注入装置１２と、汚泥脱水機１３と、ケーキ貯留設備１４と、ケーキ移送ポンプ１５を含む汚泥焼却装置１６と、排ガス処理設備１７と、煙突１８とから構成される。

汚泥濃縮槽１１は、プラント内に流入した汚泥を貯えこれを濃縮する。薬品注入装置１２は、汚泥濃縮槽１１で濃縮された汚泥に薬品を注入し、汚泥を固形物としてまとめやすくし、汚泥脱水機１３における脱水処理を補助する。汚泥脱水機１３は、薬品注入後の濃縮汚泥を脱水して焼却炉で焼却可能な含水量の脱水ケーキとする。ケーキ貯留設備１４は、汚泥脱水機１３で得られた脱水ケーキを一時的に貯留する。

排ガス処理設備１７は、汚泥焼却装置１６の焼却炉２１から排出される排ガスを処理し、煙突１８を経由してこれを系外に排出する。図１の汚泥処理プラント１０は、汚泥焼却装置１６の構成を除いては、従来の汚泥処理プラントと同様のシステム構成を有する。

汚泥焼却装置１６は、ケーキ貯留設備１４から脱水ケーキを移送するケーキ移送ポンプ１５を含むケーキ供給装置３０と、ケーキ移送ポンプ１５によって移送された脱水ケーキを焼却する焼却炉２１とを有する。汚泥焼却装置１６は、更に、焼却炉２１に投入される脱水ケーキの発熱量を、焼却炉２１の投入口で計測するカロリーメータ（発熱量センサ）２２と、脱水ケーキを焼却するための補助燃料を焼却炉２１に供給する燃料供給装置４０と、焼却炉２１に脱水ケーキ流動用の空気を供給する流動用ブロワ１９を含む流動空気供給装置５０と、流動用空気を予熱する空気予熱器６０とから構成される。

汚泥焼却炉２１では、炉内に投入された脱水ケーキと、燃料供給装置４０から供給された補助燃料とを、流動空気供給装置５０から供給された流動用空気によって、焼却炉２１内の流動床２６の上部で流動させ、流動層２７としつつ焼却する。焼却炉２１の焼却温度は、焼却炉２１の上部付近の温度を計測する温度センサ２３、及び、流動層２７の内部温度を計測する温度センサ２４によって計測される。温度センサ２３、２４によって計測された温度は、燃料供給装置４０における補助燃料の供給量の制御に用いられ、また、焼却炉２１内の異常温度の検知にも用いられる。

カロリーメータ２２は、ケーキ移送ポンプ１５によって順次送られてくる脱水ケーキの発熱量を、焼却炉２１のケーキ投入口で計測する。カロリーメータ２２は、脱水ケーキに含まれる有機物の含有率を計測する有機物含有率センサと、脱水ケーキの含水率を計測する含水率センサと、ＣＰＵを含む制御装置内に配設され、双方のセンサの計測値と脱水ケーキの発熱量との関係をグラフとして保持する記憶装置と、記憶装置のグラフを参照して、双方のセンサの計測値から脱水ケーキの発熱量を演算するＣＰＵとから構成される。この構成によって、カロリーメータ２２は、有機物含有率センサ及び含水率センサによってそれぞれ計測された有機物含有率及び含水率に基づいて、脱水ケーキの発熱量を算出する。

有機物含有率センサには、例えば特許文献２に記載の赤外線スペクトルを利用した有機物センサが利用でき、また、含水率センサには、特許文献３に記載の赤外線式水分計が利用できる。カロリーメータ２２によって計測された脱水ケーキの発熱量は、ケーキ供給装置３０、燃料供給装置４０、及び、流動空気供給装置５０において、ケーキの投入量や、補助燃料及び流動空気の供給量の制御に用いられる。

図２は、ケーキ移送ポンプ１５を含むケーキ供給装置３０の構成を示している。ケーキ供給装置３０には、燃焼計画に従って定められた、時系列のケーキ投入量設定値が入力される。ケーキ供給装置３０は、各時点のケーキ投入量設定値を、計測された脱水ケーキの発熱量に基づいて補正し、この補正されたケーキ投入量に従って、燃焼炉２１に脱水ケーキを供給する機能を有する。

ケーキ供給装置３０は、ケーキ移送ポンプ１５と、ケーキ投入量設定部３１と、投入熱量設定部３２と、ケーキ投入量調節計（プロセスコントローラ）３３と、可変電圧・可変周波数出力装置（ＶＶＶＦ）３４と、電磁流量計３６と、投入熱量演算部３７とを有する。

ケーキ投入量設定部３１は、燃焼計画に従ったケーキ投入量の設定値を時系列の設定値データとして保持する。投入熱量設定部３２は、脱水ケーキの投入量と投入熱量との関係をデフォルトのグラフとして記憶している。ケーキ投入量調節計３３は、投入熱量設定部３２で得られた設定値（ＳＶ）と投入熱量演算部３７における演算結果（ＰＶ）とを比較し、その比較結果に基づいて脱水ケーキの投入量（ＭＶ）を演算する。ＶＶＶＦ３４は、ケーキ投入量調節計３３の出力に従って出力電圧及び周波数を生成し、これをケーキ移送ポンプ１５に印加し、その回転数を制御する。電磁流量計３６は、燃焼炉２１内に投入されている脱水ケーキの投入量（投入速度）をリアルタイムに計測する。

投入熱量演算部３７は、カロリーメータ２２の出力結果に比例定数（Ｋ）を乗算する乗算器３８と、乗算器３８の乗算結果と電磁流量計３６で計測された脱水ケーキの投入量とを乗算する乗算器３９とを備え、現時点で焼却炉２１に投入されている脱水ケーキによって焼却炉２１内に与えられる単位時間当たりの熱量を演算する。

汚泥焼却装置１６の運転に当たり、ケーキ投入量設定部３１には、燃焼計画に従って設定された、脱水ケーキの時系列の投入量設定値が入力される。ケーキ供給装置３０は、カロリーメータ２２によって測された脱水ケーキの発熱量に従って脱水ケーキの投入量を補正し、これによって、脱水ケーキによって焼却炉２１に実際に与えられる熱量が、標準の脱水ケーキが設定投入量で投入された際に焼却炉２１に与える熱量と同じになるように修正している。ケーキ投入量設定部３１は、電磁流量計３６の出力を累積する演算処理を行っており、先に設定した投入量設定値では、その期間の燃焼計画が達成できないと判定すると、その時点で投入量の設定値を変更する。投入量設定値の変更は、焼却炉２１の温度変動が過度にならないように、例えば、所定の時間間隔で行う。

上記のように、ケーキ供給装置３０は、計測された脱水ケーキの発熱量に従って、脱水ケーキの投入量をフィードフォワード制御しつつ、燃焼計画に基づいて、焼却炉２１内に脱水ケーキを投入している。

図３は、流動空気供給装置５０の構成を示している。流動空気供給装置５０は、空気量自動設定部５１と、空気量手動設定部５２と、設定切替え部５３と、設定値制御部５４と、空気量調節計５５と、流動ブロワ１９と、調節ダンパ５６と、流量センサ５７と、温度センサ５８と、圧力センサ５９とを有する。流動空気供給装置５０は、流動ブロワ１９から供給される流動用空気を、調節ダンパ５６及び空気予熱器６０を経由して、焼却炉２１内に供給する。

空気量自動設定部５１は、焼却炉２１の定常運転中における脱水ケーキの発熱量と空気量との関係を示すグラフを保持する。空気量手動設定部５２は、焼却炉２１の運転開始時又は焼却炉の保温停止時における空気量を手動で設定するための設定器である。設定切替え部５３は、双方の設定部５１、５２の何れかを選択する。設定値制御部５４は、設定切替え部５３の切替え時にのみ作動して、その切替えの際における空気量を制御する制御曲線（ランプ関数）をグラフとして記憶する。制御曲線は、設定切替えの際の急激な流動空気量の変動を抑える。

空気量調節計５５は、現在導入されている流動空気量（ＰＶ）と設定値制御部５４を経由して入力される設定空気量（ＳＶ）とを比較して、その差分を演算し、その演算値（ＭＶ）に基づいて調節ダンパ５６の開度を調節する。焼却炉２１の排ガスの余熱は、空気予熱器６０によって、焼却炉２１内に流入する流動用空気に与えられる。

流量センサ５７は、焼却炉２１への流動空気の流入量を計測しており、この計測された流入量は、温度センサ５８及び圧力センサ５９の計測温度及び圧力に従って補正され、空気量調節計５５に、現在導入されている空気量として入力される。

上記構成により、流動空気供給装置５０では、計測された空気流入量（ＰＶ）が、脱水ケーキの供給量と比例する設定空気量（ＳＶ）となるように、調節ダンパ５６の開度を演算し（ＭＶ）、これによって、脱水ケーキの発熱量に基づいて流動空気量をフィードフォワード制御している。

図４は、補助燃料として都市ガスを焼却炉２１に供給する燃料供給装置４０の構成を示している。燃料供給装置４０は、温度選択部４１と、温度調節計４２と、信号処理部４３と、減算部４４と、ガス流量計４５と、ガス流量調節計４６と、流量調節弁４７とを有する。

温度選択部４１は、焼却炉の２つの温度センサ２３、２４による温度計測結果の一方を選択する。温度調節計４２は、焼却炉毎に設定された設定温度（ＳＶ）と、選択された温度センサの計測結果（ＰＶ）とを比較してその差分（ＭＶ）を演算する。信号処理部４３は、カロリーメータ２２の計測値に所定の一次遅れ特性を与えると共に温度換算用の比率を乗算し、且つ、フィードフォワード量として一定の比率を乗算する。減算部４４は、温度調節計４２の出力から信号処理部４３の出力を減算する。ガス流量調節計４６は、減算部４４の出力に所定の換算比率を掛けた値であるガス流量設定値（ＳＶ）と、ガス流量計４５で計測された現在のガス流量（ＰＶ）とを比較し、その比較結果に基づいて演算し（ＭＶ）、調節弁４７の開度を制御する。

上記構成により、燃料供給装置４０は、カロリーメータ２２によって計測された脱水ケーキの発熱量に基づいて、補助燃料の供給量をフィードフォワード制御し、且つ、温度センサ２３又は２４によって計測された汚泥焼却炉２１の温度に基づいて、補助燃料の供給量をフィードバック制御する。フィードフォワード制御では、脱水ケーキの発熱量の計測値に一次遅れを与え、例えば脱水ケーキの発熱量が増加すると、その増分に一定の比率を掛け、得られた値に基づいて温度調節計４２の出力を減じている。これによって、脱水ケーキの発熱量の変化と、これに従って制御される脱水ケーキの供給量の変化とに起因して発生する焼却炉の温度変動を予め防止している。フィードフォワード量に用いる一定の比率は、焼却炉の特性によっても異なるが、安定な温度制御の観点からは、例えば２０〜５０％が好ましい。実験の結果、この比率が高すぎても低すぎても、温度変動が大きくなることが判明した。

温度制御には、焼却炉の上部付近の温度を計測する温度センサ２３と、流動層の内部温度を計測する温度センサ２４の何れかが用いられる。これら温度センサ２３、２４は、焼却開始からの時間や、焼却される脱水ケーキの性状等によって変化する、焼却炉２１内の燃焼状態や温度勾配等に依存して選択される。

上記実施形態例の汚泥焼却装置１６では、計測された脱水ケーキの発熱量に基づいて脱水ケーキの投入量をフィードフォワード制御するので、焼却炉２１に投入される脱水ケーキからの発熱量を一定に保つことが出来る。このため、脱水ケーキの発熱量の変動に起因する焼却炉２１の温度変動を抑え、安定な温度制御が可能となる。

また、計測された脱水ケーキの発熱量に基づいて流動空気の供給量をフィードフォワード制御するので、焼却炉２１内の熱負荷量に基づいた適切な空気量が得られ、焼却炉の空燃比について適切な管理が可能となる。これによって、効率的で且つ安定な燃焼が可能となる。

更に、脱水ケーキの発熱量の一次遅れ信号に基づいて補助燃料の供給量をフィードフォワード制御し、且つ、焼却炉内の温度に基づいて補助燃料の供給量をフィードバック制御するので、脱水ケーキの発熱量の変動に起因する焼却炉内の温度変動が更に低く抑えられ、安定な温度制御が可能となり、また、効率的な補助燃料の使用が可能となる。

以上、本発明をその好適な実施形態例に基づいて説明したが、本発明の汚泥焼却装置は、上記実施形態例の構成にのみ限定されるものではなく、上記実施形態例の構成から種々の修正及び変更を施したものも、本発明の範囲に含まれる。

本発明の一実施形態例に係る汚泥焼却装置を含む汚泥処理プラントのブロック図。 図１の汚泥焼却装置における脱水ケーキ供給装置のブロック図。 図１の汚泥焼却装置における流動空気供給装置のブロック図。 図１の汚泥焼却装置における燃料供給装置のブロック図。 公報に記載された脱水装置を含む汚泥処理プラントのブロック図。

符号の説明

１０：汚泥処理プラント
１１：汚泥濃縮槽
１２：薬品注入装置
１３：汚泥脱水機
１４：ケーキ貯留設備
１５：ケーキ移送ポンプ
１６：汚泥焼却装置
１７：排ガス処理設備
１８：煙突
１９：流動ブロワ
２１：汚泥焼却炉
２２：カロリーメータ（発熱量センサ）
２３、２４：温度センサ
２６：流動床
２７：流動層
３０：脱水ケーキ供給装置
３１：ケーキ投入量設定部
３２：投入熱量設定部
３３：ケーキ投入量調節計
３４：可変電圧・可変周波数出力装置
３６：電磁流量計
３７：投入熱量演算部
３８、３９：乗算器
４０：燃料供給装置
４１：温度選択部
４２：温度調節計
４３：信号処理部
４４：減算部
４５：ガス流量計
４６：ガス流量調節計
４７：流量調節弁
５０：流動空気供給装置
５１：空気量自動設定部
５２：空気量手動設定部
５３：設定切替え部
５４：設定値制御部
５５：空気量調節計
５６：調節ダンパ
５７：流量センサ
５８：温度センサ
５９：圧力センサ
６０：空気予熱器

Claims (6)

1. 汚泥を含む脱水ケーキを焼却する汚泥焼却炉と、
   前記汚泥焼却炉に投入される脱水ケーキの発熱量を計測する発熱量センサと、
   前記発熱量センサの計測値に基づいて、前記汚泥焼却炉への脱水ケーキの供給量を制御する脱水ケーキ供給装置とを備えることを特徴とする汚泥焼却装置。
2. 前記焼却炉に補助燃料を供給する燃料供給装置を更に備え、該燃料供給装置は、前記発熱量センサの計測値に基づいて、前記汚泥焼却炉への補助燃料の供給量を制御する、請求項１に記載の汚泥焼却装置。
3. 前記汚泥焼却炉に投入された脱水ケーキを流動させる流動空気を供給する流動空気供給装置を更に備え、該流動空気供給装置は、前記発熱量センサの計測値に基づいて、前記汚泥焼却炉への流動空気の供給量を制御する、請求項２に記載の汚泥焼却装置。
4. 前記燃料供給装置は、前記焼却炉の焼却温度に基づいて、更に前記汚泥焼却炉への補助燃料の供給量を制御する、請求項２又は３に記載の汚泥焼却装置。
5. 汚泥を含む脱水ケーキを補助燃料と共に焼却する汚泥焼却炉と、
   前記汚泥焼却炉に投入される脱水ケーキの発熱量を計測する発熱量センサと、
   前記発熱量センサの計測値に一次遅れ特性を与えた制御信号に基づいて、前記汚泥焼却炉への補助燃料の供給量を制御する燃料供給装置とを備えることを特徴とする汚泥焼却装置。
6. 前記燃料供給装置は、前記焼却炉の焼却温度に基づいて、前記汚泥焼却炉への補助燃料の供給量を制御する、請求項５に記載の汚泥焼却装置。

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