JP2017096517A - 廃棄物の燃焼制御方法およびこれを適用した燃焼制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃焼している廃棄物の発熱量に係る情報をリアルタイムに精度よく連続して取得し、これを用いて現在の燃焼状態に対して時間遅れのない廃棄物の燃焼制御を行う。【解決手段】 以下の手順に基づく焼却炉の燃焼制御。（１）燃焼排ガス中の実測の成分濃度から、廃棄物の発熱量を推算する。（２）算出された廃棄物発熱量を基に、ボイラ蒸発量を推算する。（３）推定されたボイラ蒸発量を基に、焼却炉に投入される廃棄物，燃焼空気および助燃材の供給量を制御する。【選択図】 図１

Description

本発明は、廃棄物の燃焼制御方法およびこれを適用した燃焼制御装置に関し、特に、多種多様な廃棄物に対して適用可能な燃焼制御方法および燃焼制御装置に関する。

従来都市ゴミや下水汚泥などの廃棄物のうち可燃性の廃棄物は、事業所や家庭等から回収され、各地域に設けられた廃棄物処理場や廃棄物処理施設等に搬送され、燃焼処理されて清浄化された排ガスや焼却灰として処分される。このとき、油やガス等の廃棄物は、性状が既知であるため、安定した燃焼制御を行うことが可能であり、実動施設においては、燃焼空気量を、予め廃棄物の燃焼量に合わせて設定された値に調整することで実現している。一方、多種多様な廃棄物に対しては、その性状が一様でなく、安定して燃焼させることが容易でない。このため、未燃分の発生を防止し、炉内燃焼状態の安定を図ることが可能なごみ焼却炉の燃焼制御方法が求められ、多様な発熱量を持つごみを完全に燃焼させて、ボイラの蒸気発生量が一定になるような運転を維持すべく、燃焼空気量、冷却空気量、給じん速度、火格子速度などを指標として自動燃焼制御が行われる。従来の具体的な制御手法としては、蒸発量又は炉出口温度を参照して、設定蒸発量や設定温度に追従させるよう火格子速度を増減させる方法に加え、種々の新たな制御方法が提案されている。

例えば、図４に例示するような構成を有するゴミ焼却炉における燃焼制御方法が提案されている。具体的には、乾燥ストーカ１１０ａ・燃焼ストーカ１１０ｂ、後燃焼ストーカ１１０ｃから成るストーカ１１０の下方から一次燃焼空気Ａ_１を供給すると共に、後燃焼ストーカ１１０ｃ上で発生した後燃焼段ガスＧ’を炉外へ引き抜き、また、一次燃焼室１１２の下流側流域内へ排ガスＧ”の一部を再循環ガスとして吹き込み、当該再循環ガスＧ”により乾燥ストーカ１１０ａ及び燃焼ストーカ１１０ｂ上で発生する燃焼ガスＧを攪拌・混合して一次燃焼室１１２と二次燃焼室１１３との間に還元ゾーン１２５を形成し、更に、前記炉外へ引き抜いた後燃焼段ガスＧ’を還流ガスとして二次燃焼室１１３内へ吹き込むと共に、二次燃焼室１１３内へ二次燃焼空気Ａ_２を供給することにより、二次燃焼室内の未燃ガスや未燃物を完全燃焼させるように構成されている（例えば特許文献１参照）。なお、図中、１０１はごみ焼却炉、１０２は廃熱ボイラ、１０３は過熱器、１０４はエコノマイザ、１０５は脱気ヒータ、１０６はバグフィルタ、１０７は誘引通風機、１０８は炉本体、１０９はごみ供給ホッパ、１１１はストーカ下ホッパ、１１４は灰出口、１１５は排ガス出口、１１６は一次燃焼空気供給装置、１１７は再循環ガス通路、１１８は再循環ガス送風機、１１９は還流ガス通路、１２０は還流ガス送風機、１２１は熱交換器、１２２は二次燃焼空気供給管路、１２３はダンパ、１２４は酸素濃度検出器、１２５は還元ゾーン、１２６は一次燃焼空気供給管路、１２７は一次燃焼空気送風機を示す。

特開２００５−２１４５１３号公報

しかしながら、従前のこうした燃焼制御方法では、いくつかの課題や要請があった。
（ｉ）排ガス温度や排ガス中のガス組成などを測定して、燃焼させる廃棄物の量、燃焼空気量、燃焼空気温度を加減する廃棄物の燃焼制御では、時間遅れのない適切な燃焼制御が難しかった。
（ii）特に、廃棄物の発熱量は燃焼制御において重要な役割を果すことから、廃棄物をサンプリングして分析する方法が提案されているが、サンプリングおよび分析に多くの時間を要するため、燃焼制御には適さない。例えば、サンプリングに数時間を要する場合があり、さらに分析には数日を要する場合があった。
（iii）焼却炉内の燃焼ガスを冷却するためのボイラ蒸発量や減温水量等によって燃焼状態を推測し燃焼制御に用いる従前の方法では、廃棄物の種類や性状によって相関が変動し、推測された発熱量の誤差が大きいために、燃焼制御には適さない場合が多い。
（iｖ）廃棄物の発熱量は水分量と相関があり、廃棄物の比重を測定することで概ね発熱量を推測できるが、比重を測定している廃棄物は、その時に燃焼している廃棄物ではなく、また誤差が大きいために燃焼制御には適さない場合が多い。
（ｖ）廃棄物の色の濃淡情報から推算する方法が廃棄物の発熱量を推測する方法として一般的であるが、廃棄物が白いと紙系のものが多く、黒いと剪定枝などが多いことから、定量性がなく燃焼制御には適さない場合が多い。

そこで、本発明は、上記状況に鑑みてなされたものであって、その目的は、こうした課題を解決し、燃焼している廃棄物の発熱量に係る情報をリアルタイムに精度よく連続して取得し、これを用いて現在の燃焼状態に対して時間遅れのない廃棄物の燃焼制御を行う方法およびこれを適用した燃焼制御装置を提供することを目的とする。

本発明に係る廃棄物の燃焼制御方法は、所定量の廃棄物を燃焼処理するプロセスにおいて、以下の手順に基づき焼却炉の燃焼制御を行うことを特徴とする。
（１）燃焼排ガス中の実測の成分濃度から、廃棄物の発熱量を推算する。
（２）算出された廃棄物発熱量を基に、ボイラ蒸発量を推算する。
（３）推定されたボイラ蒸発量を基に、焼却炉に投入される廃棄物，燃焼空気および助燃材の供給量を制御する。

廃熱ボイラを有する焼却炉では、廃棄物燃焼により発生する燃焼熱量と、燃焼排ガス熱量を吸収する廃熱ボイラより発生するボイラ蒸発量は比例関係にあり、このボイラ蒸発量を指針に自動燃焼制御が構築されてきた。本発明者は、さらに検証過程において、実測のボイラ蒸発量ではなく、現在の燃焼状態を示す情報を基にボイラ蒸発量を推算し、かかる推定値をごみ送り速度制御，燃焼空気量の制御に適用すれば、より安定した燃焼制御が実現できるとの知見を得た。本発明は、燃焼している廃棄物の発熱量に係る情報をリアルタイムに精度よく連続して取得し、これを用いて現在の燃焼状態に対して時間遅れのない廃棄物の燃焼制御を行うことを可能にした。

本発明に係る廃棄物の燃焼制御方法は、前記廃棄物発熱量を、以下の手順に基づき算出することを特徴とする。
（Ｒ１）排ガス中の酸素および水分の成分濃度を測定する。
（Ｒ２）測定された前記酸素および水分の成分濃度から、下式１を基に排ガス中の二酸化炭素濃度を推算する。
［ＣＯ_２］＝Ｒｏ×（１００−［Ｈ_２Ｏ］）／１００−［Ｏ_２］ …式１
ここで、［ ］内は百分率表示濃度を示し、Ｒｏは大気中の酸素濃度から灰分に取り込まれる酸素成分量を減じて設定された係数を示す。
（Ｒ３）前記酸素濃度，水分濃度および二酸化炭素濃度を用い、排ガス中の窒素濃度を算出する。
（Ｒ４）算出された窒素濃度を基に燃焼空気中の窒素濃度に対する換算係数を算出し、該換算係数を乗じた前記酸素，二酸化炭素および水分の換算成分濃度を算出する。
（Ｒ５）換算された前記酸素，二酸化炭素および水分の成分濃度から、燃焼処理に用いられた燃焼空気の単位供給量当りの酸素消費量を算出する。
（Ｒ６）算出された前記酸素消費量から、燃焼空気の単位供給量当りの、該燃焼処理において生成した二酸化炭素および水分に係る発熱量、該生成水分量と前記廃棄物中に含まれていた水分量の総量からの潜熱量を算出する。
（Ｒ７）燃焼処理された廃棄物の供給量から、燃焼空気の単位供給量当りの処理された廃棄物量を算出する。
（Ｒ８）算出された前記発熱量，前記潜熱量および廃棄物量から、処理された廃棄物量当りの推定発熱量Ａを算出する。
上記のように、現在の燃焼状態を示す情報をリアルタイムに取得し、これを基に燃焼熱量およびボイラ蒸発量を推算することによって、時間遅れのない廃棄物の燃焼制御を行うことを可能となった。このとき、リアルタイムに取得する燃焼直後の排ガス組成から、燃料となる廃棄物の発熱量に直接関与する廃棄物中の炭素，水素および水分を求め、これを基に、酸素消費量，燃焼熱量，潜熱量，廃棄物量（処理量）を算出することができる。本発明者は、検証過程において、排ガス中の二酸化炭素（ＣＯ_２）濃度を、排ガス中の酸素（Ｏ_２）濃度および水分（Ｈ_２Ｏ）濃度を基に推算することができることを見出し、さらに、酸素消費量等の算出基準として燃焼空気の単位供給量を用いることによって、当該燃焼空気の単位供給量当りの酸素消費量，燃焼熱量，潜熱量，廃棄物処理量を精度よく算出し、精度の高い処理された廃棄物量当りの発熱量（推定発熱量Ａ）を推算することができるとの知見を得た。つまり、性状等の変動要素の多い廃棄物であっても、実測の排ガス中の成分濃度測定値を用いて当該燃焼空気の単位供給量当りの各算出値から算出されることによって、こうした変動要素が反映された発熱量を推定することができる。従って、燃焼している廃棄物の発熱量に係る情報をリアルタイムに精度よく連続して取得し、これを用いて現在の燃焼状態に対して時間遅れのない廃棄物の燃焼制御を行うことを可能にした。

本発明に係る廃棄物の燃焼制御方法は、前記廃棄物発熱量を、以下の手順に基づき算出することを特徴とする。
（Ｓ１）排ガス中の酸素，二酸化炭素および水分の成分濃度を測定する。
（Ｓ２）測定された前記各成分濃度から、排ガス中の窒素濃度を算出する。
（Ｓ３）算出された窒素濃度を基に燃焼空気中の窒素濃度に対する換算係数を算出し、該換算係数を乗じた前記酸素，二酸化炭素および水分の換算成分濃度を算出する。
（Ｓ４）換算された前記酸素，二酸化炭素および水分の成分濃度から、燃焼処理に用いられた燃焼空気の単位供給量当りの酸素消費量を算出する。
（Ｓ５）算出された前記酸素消費量から、燃焼空気の単位供給量当りの、該燃焼処理において生成した二酸化炭素および水分に係る発熱量、該生成水分量と前記廃棄物中に含まれていた水分量の総量からの潜熱量を算出する。
（Ｓ６）燃焼処理された廃棄物の供給量から、燃焼空気の単位供給量当りの処理された廃棄物量を算出する。
（Ｓ７）算出された前記発熱量，前記潜熱量および廃棄物量から、処理された廃棄物量当りの推定発熱量Ｂを算出する。
上記構成によれば、燃焼直後の排ガス組成として、実測のＣＯ_２濃度，Ｏ_２濃度およびＨ_２Ｏ濃度の測定値から、燃料となる廃棄物の発熱量に直接関与する廃棄物中の炭素，水素および水分を求め、これを基に、酸素消費量，燃焼熱量，潜熱量，廃棄物量（処理量）を算出することができる。また、このときの算出基準として燃焼空気の単位供給量を用いることによって、当該燃焼空気の単位供給量当りの酸素消費量，燃焼熱量，潜熱量，廃棄物処理量を算出し、処理された廃棄物量当りの発熱量（推定発熱量Ｂ）を算出することを可能とした。つまり、性状等の変動要素の多い廃棄物であっても、実測の排ガス中の成分濃度測定値を用いて当該燃焼空気の単位供給量当りの各算出値から算出されることによって、こうした変動要素が反映された発熱量を推定することができる。従って、燃焼している廃棄物の発熱量に係る情報をリアルタイムに精度よく連続して取得し、これを用いて現在の燃焼状態に対して時間遅れのない廃棄物の燃焼制御を行うことを可能にした。

本発明に係る廃棄物の燃焼制御方法は、前記廃棄物発熱量を、以下の手順に基づき算出することを特徴とする。
（Ｔ１）排ガス中の酸素および水分の成分濃度を測定する。
（Ｔ２）測定された前記酸素成分濃度から、実測空気過剰率を算出する。
（Ｔ３）予め設定された空気過剰率および燃焼ガス中の水分量を指標とする廃棄物の発熱量との相関に、実測された前記水分量および実測空気過剰率を適用し、推算発熱量Ｂを算出する。
上記のように、廃棄物の発熱量は、燃焼ガス中の水分量と相関を有する一方、燃焼空気の供給量つまり空気過剰率の影響を大きく受ける。本発明は、こうした廃棄物の発熱量測定の大きな変動要素である空気過剰率を、排ガス中の酸素成分濃度を測定して実測値として算出することによって、予め設定された空気過剰率を指標として、燃焼ガス中の水分量との相関から発熱量を推算することを可能とした（推算発熱量Ｃ）。つまり、性状等の変動要素の多い廃棄物であっても、実測の排ガス中の成分濃度測定値を用いて当該燃焼空気の空気過剰率を算出することによって、こうした変動要素が反映された発熱量を推定することができる。従って、燃焼している廃棄物の発熱量に係る情報をリアルタイムに精度よく連続して取得し、これを用いて現在の燃焼状態に対して時間遅れのない廃棄物の燃焼制御を行うことを可能にした。

本発明は、上記廃棄物の燃焼制御方法を適用した燃焼制御装置であって、少なくとも、廃棄物の供給量測定部，燃焼空気の供給量測定部および排ガス中の酸素，二酸化炭素および水分の成分濃度測定部を有し、前記算出された廃棄物発熱量または推算発熱量Ａ〜Ｃのいずれかを用いて、焼却炉に投入される廃棄物，燃焼空気および助燃材の供給量を制御することを特徴とする。
こうした構成によって、燃焼している廃棄物の発熱量に係る情報をリアルタイムに精度よく連続して取得し、これを用いて現在の燃焼状態に対して時間遅れのない廃棄物の燃焼制御を行うことが可能となった。

本発明に係る燃焼制御方法の基本的な実施手順を例示する概略図 本発明に係る燃焼制御装置の基本構成例を示す概略図 ボイラ蒸発量の実測値と推算値との対比を例示する概略図 従前の燃焼制御方法に係るストーカ式ごみ焼却炉を例示する概略図

＜本発明に係る廃棄物の燃焼制御方法＞
本発明に係る廃棄物の燃焼制御方法（以下「本方法」ということがある）は、所定量の廃棄物を燃焼処理するプロセスにおいて、以下の手順に基づき焼却炉の燃焼制御を行うことを特徴とする。燃焼している廃棄物の発熱量に係る情報をリアルタイムに精度よく連続して取得し、これを用いて現在の燃焼状態に対して時間遅れのない廃棄物の燃焼制御を行うことができる。
（１）燃焼排ガス中の実測の成分濃度から、廃棄物の発熱量を推算する。
（２）算出された廃棄物発熱量を基に、ボイラ蒸発量を推算する。
（３）推定されたボイラ蒸発量を基に、焼却炉に投入される廃棄物，燃焼空気および助燃材の供給量を制御する。
以下、本発明に係る廃棄物の燃焼制御方法および燃焼制御装置の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。

（１）廃棄物発熱量の推算
燃焼排ガス中の実測の成分濃度から廃棄物の発熱量を推算する。具体的には、例えば以下の３つの方法のいずれかを用いて算出する（推算発熱量Ａ〜Ｃ）。あるいは、推算発熱量Ａ〜Ｃの２または３を対比し、最適推算発熱量を設定することができる。設定値は、予め特定された廃棄物の特性あるいは焼却炉の燃焼特性等を考慮して設定することができる。各推算発熱量の内のいずれかを最適推算発熱量として設定すること、または各推算発熱量の単純平均値や荷重平均値等を算出することによって、より正確な廃棄物Ｗの発熱量を推算することができる。
（Ｒ）推算発熱量Ａ：後述する（Ｒ１）〜（Ｒ８）のように、実測された酸素および水分の成分濃度を基に、二酸化炭素濃度を推算し、これらを用いて基準となる窒素濃度を算出し、該窒素濃度を基準に換算された酸素，二酸化炭素および水分の成分濃度から、各成分の発熱量，潜熱量および廃棄物量が算出され、算出された各値から推算される。
（Ｓ）推算発熱量Ｂ：後述する（Ｓ１）〜（Ｓ７）のように、実測された酸素，水分および二酸化炭素の成分濃度を基に窒素濃度を算出し、該窒素濃度を基準に換算された酸素，二酸化炭素および水分の成分濃度から、各成分の発熱量，潜熱量および廃棄物量が算出され、算出された各値から推算される。
（Ｔ）推算発熱量Ｃ：後述する（Ｔ１）〜（Ｔ３）のように、実測された酸素濃度から実測空気過剰率を算出し、該実測空気過剰率と実測された水分濃度を基に推算される。

（２）ボイラ蒸発量の推算
上記（１）において算出された廃棄物発熱量を基に、ボイラ蒸発量を推算する。具体的には、下式２，３に示すような廃棄物発熱量とボイラ蒸発量の関係を基に、算出された廃棄物発熱量からボイラ蒸発量を得ることができる。
（廃棄物燃焼熱量）＝（廃棄物発熱量）×（廃棄物投入量）
＝（ボイラ蒸発量×蒸気エンタルピ＋持出熱量−持込熱量） …式２
（ボイラ蒸発量） ＝（廃棄物燃焼熱量−持出熱量＋持込熱量）／（蒸気エンタルピ） …式３
ここで、廃棄物投入量，蒸気エンタルピ，持出熱量および持込熱量は、本プロセスにおける各計測値によって、リアルタイムに算出することができる。

（３）廃棄物，燃焼空気および助燃材の供給量の制御
推算されたボイラ蒸発量を基に、焼却炉に投入される廃棄物，燃焼空気および助燃材の供給量を制御する。具体的には、図１に例示するように、例えば、廃棄物，燃料空気および助燃材の供給量について、推定されたボイラ蒸発量を基準としてフィードバック制御されるとともに、その他の要素（例えば燃焼炉内温度等）によって補正されることによって、リアルタイムに燃焼状態に対して時間遅れのない廃棄物の燃焼制御を行うことができる。

〔廃棄物発熱量の算出方法について〕
廃棄物発熱量は、上記のように推算発熱量Ａ〜Ｃおよびこれらの組合せに基づき算出される。以下、各推算発熱量の算出方法手順について詳述する。

（Ｒ）推算発熱量Ａの算出
（Ｒ１）排ガス中の酸素および水分の成分濃度を測定する。
焼却炉の炉内、または炉出口に設けられたＯ_２濃度計およびＨ_２Ｏ濃度計により、燃焼排ガス中の酸素および水分の成分濃度を測定することによって、燃焼状態の情報をリアルタイムに得ることができる。

（Ｒ２）測定された酸素および水分の成分濃度から、下式１を基に排ガス中の二酸化炭素濃度を推算する。
［ＣＯ_２］＝Ｒｏ×（１００−［Ｈ_２Ｏ］）／１００−［Ｏ_２］ …式１
ここで、［］内は百分率表示濃度を示し、Ｒｏは大気中の酸素濃度から灰分に取り込まれる酸素成分量を減じて設定された係数を示す。
つまり、廃棄物が完全燃焼し、廃棄物中の酸素および窒素が排ガス中の酸素および窒素の成分濃度に影響を与えない条件の場合、燃焼空気中の二酸化炭素濃度［ＣＯ_２］と酸素濃度［Ｏ_２］は、下式４〜７の関係が成り立つ（ｄ：乾燥状態，ｗ：湿潤状態を示す）。
［ＣＯ_２（ｄ）］＋［Ｏ_２（ｄ）］＝２１ …式４
［ＣＯ_２（ｄ）］＝［ＣＯ_２（ｗ）］×１００／（１００−［Ｈ_２Ｏ］） …式５
［Ｏ_２（ｄ）］ ＝［Ｏ_２（ｗ）］×１００／（１００−［Ｈ_２Ｏ］） …式６
［ＣＯ_２（ｗ）］＝２１×（１００−［Ｈ_２Ｏ］）／１００−［Ｏ_２（ｗ）］ …式７
しかしながら、実動状態においては、式７における「２１」は成立せず、例えば「１９：Ｒｏ」となることが実証されている。燃焼反応によって発生する灰分に取り込まれる酸素成分量がその差であると解される。［ＣＯ_２（ｄ）］および［Ｏ_２（ｄ）］は、予め実操業中に、手分析等分析・測定を行うことにより設定可能である。

（Ｒ３）酸素濃度，水分濃度および二酸化炭素濃度を用い、排ガス中の窒素濃度を算出する。
具体的には、下式８に基づき、実測の酸素濃度，水分濃度および推算された二酸化炭素濃度から、排ガス中の窒素（Ｎ_２）濃度を算出する。
［Ｎ_２（ｗ）］＝１００−（［Ｏ_２（ｗ）］＋［ＣＯ_２（ｗ）］＋［Ｈ_２Ｏ］） …式８

（Ｒ４）算出された窒素濃度を基に燃焼空気中の窒素濃度に対する換算係数を算出し、該換算係数を乗じた酸素，二酸化炭素および水分の換算成分濃度を算出する。
（Ｒ４-１）燃焼空気中の窒素濃度に対する換算係数の算出
燃焼反応前後において不変の要素である窒素を基準に、これを燃焼空気供給時の分圧（基準窒素濃度Ｔｎ：燃焼空気を１００としたとき７９）に換算する係数（換算係数）ｔを、下式９に基づき算出する。
ｔ＝Ｔｎ（＝７９）／［Ｎ_２（ｗ）］ …式９
（Ｒ４-２）酸素，二酸化炭素，水分の換算成分濃度の算出
酸素，二酸化炭素，水分の各成分濃度に換算係数ｔを乗じた酸素，二酸化炭素および水分の換算成分濃度を算出する。下式１０に基づき、それぞれ、換算酸素濃度Ｔｘ，換算二酸化炭素濃度Ｔｄ，換算水分濃度Ｔｗを算出する。このとき、各数値は、燃焼空気の単位供給量当りの酸素量，二酸化炭素量および水分量となる。
Ｔｘ＝［Ｏ_２（ｗ）］×ｔ，Ｔｄ＝［ＣＯ_２（ｗ）］×ｔ，Ｔｗ＝［Ｈ_２Ｏ］×ｔ
…式１０

（Ｒ５）換算された前記酸素，二酸化炭素および水分の成分濃度から、燃焼処理に用いられた燃焼空気の単位供給量当りの酸素消費量を算出する。
燃焼空気中の酸素濃度（基準酸素濃度）Ｔｏを基に、下式１１に基づき、換算された換算酸素濃度Ｔｘから、燃焼処理に用いられた燃焼空気の単位供給量当りの酸素消費量Ｄｏを算出する。
Ｄｏ＝Ｔｏ−Ｔｘ …式１１
ここで、Ｔｏ＝（１００−Ｔｎ）であり、２１［％］に置き換えることができる。

（Ｒ６）算出された前記酸素消費量から、燃焼空気の単位供給量当りの、該燃焼処理において生成した二酸化炭素および水分に係る発熱量、該生成水分量と前記廃棄物中に含まれていた水分量の総量からの潜熱量を算出する。
（Ｒ６−１）燃焼空気の単位供給量当りの二酸化炭素および水分に係る発熱量の算出
算出された酸素消費量Ｄｏから、燃焼空気の単位供給量当りの、該燃焼処理において生成した二酸化炭素に係る発熱量Ｈｄおよび水分に係る発熱量Ｈｗを算出する。つまり、廃棄物Ｗ中の炭素成分および水素成分の完全燃焼に要する酸素総量が酸素消費量Ｄｏとなり、そのうち炭素成分によって消費される酸素量は、下反応式１から換算二酸化炭素濃度Ｔｄと同量であり、残量が水素成分によって消費される酸素量となる（下反応式２）。つまり
また、反応式１および２におけるＨｃおよびＨｈは、各反応による反応熱（発熱量）を示す。
Ｃ＋Ｏ_２ → ＣＯ_２ ＋Ｈｃ …反応式１
４Ｈ＋Ｏ_２ → ２Ｈ_２Ｏ＋Ｈｈ …反応式２
従って、発熱量ＨｄおよびＨｗは、発熱量ＨｃおよびＨｈを基に、下式１２，１３により算出することができる。
Ｈｄ＝Ｈｃ×Ｔｄ …式１２
Ｈｗ＝Ｈｈ×（Ｄｏ−Ｔｄ） …式１３
（Ｒ６−２）水分量の総量からの潜熱量の算出
水の潜熱Ｌｏを基に、下式１４に基づき、燃焼生成水分量と廃棄物中に含まれていた水分量の総量Ｔｗの潜熱量Ｌｗを算出する。
Ｌｗ＝Ｌｏ×Ｔｗ …式１４

（Ｒ７）燃焼処理された廃棄物の供給量から、燃焼空気の単位供給量当りの処理された廃棄物量を算出する。
燃焼処理された廃棄物Ｗの供給量Ｗｉおよびそのときの燃焼空気の供給量Ａｉから、下式１５に基づき、燃焼空気の単位供給量当りの処理された廃棄物量（換算廃棄物量）Ｗｏを算出する。
Ｗｏ＝Ｗｉ／Ａｉ …式１５

（Ｒ８）算出された前記発熱量，前記潜熱量および廃棄物量から、処理された廃棄物量当りの推定発熱量Ａを算出する。
算出された発熱量（Ｈｄ＋Ｈｗ），潜熱量Ｌｗおよび廃棄物量Ｗｏから、下式１６に基づき、処理された廃棄物量当りの推定発熱量Ａを算出する。
Ａ＝（Ｈｄ＋Ｈｗ−Ｌｗ）／Ｗｏ …式１６
このとき、算出された推定発熱量Ａは、燃焼空気の単位供給量当りの数値であり、実測の燃焼空気の供給量を用いることによって、廃棄物Ｗの単位供給量当りの推定発熱量Ａに変換することができる。廃棄物Ｗの質（特性）に対する客観性の高い評価値とすることができる。

（Ｓ）推算発熱量Ｂの算出
（Ｓ１）排ガス中の酸素，二酸化炭素および水分の成分濃度を測定する。
焼却炉の炉内、または炉出口に設けられたＯ_２濃度計，Ｈ_２Ｏ濃度計およびＣＯ_２濃度計により、燃焼排ガス中の酸素，水分および二酸化炭素の成分濃度を測定することによって、燃焼状態の情報をリアルタイムに得ることができる。

以下の手順（Ｓ２）〜（Ｓ７）は、上記手順（Ｒ３）〜（Ｒ８）と同様に行うことができる。ここでは略す。
（Ｓ２）測定された各成分濃度から、排ガス中の窒素濃度を算出する。
（Ｓ３）算出された窒素濃度を基に燃焼空気中の窒素濃度に対する換算係数を算出し、該換算係数を乗じた酸素，二酸化炭素および水分の換算成分濃度を算出する。
（Ｓ４）換算された酸素，二酸化炭素および水分の成分濃度から、燃焼処理に用いられた燃焼空気の単位供給量当りの酸素消費量を算出する。
（Ｓ５）算出された酸素消費量から、燃焼空気の単位供給量当りの、該燃焼処理において生成した二酸化炭素および水分に係る発熱量、該生成水分量と廃棄物中に含まれていた水分量の総量からの潜熱量を算出する。
（Ｓ６）燃焼処理された廃棄物の供給量から、燃焼空気の単位供給量当りの処理された廃棄物量を算出する。
（Ｓ７）算出された発熱量，潜熱量および廃棄物量から、処理された廃棄物量当りの推定発熱量Ｂを算出する。

（Ｔ）推算発熱量Ｃの算出
（Ｔ１）排ガス中の酸素および水分の成分濃度の測定
上記手順（Ｒ１）と同様に行うことができる。ここでは略す。

（Ｔ２）実測空気過剰率の算出
測定された酸素濃度から、下式１７に基づき、実測空気過剰率λｏを算出する。
λｏ＝Ｔｏ（＝２１）／（Ｔｏ−［Ｏ_２］） …式１７

（Ｔ３）推算発熱量Ｃの算出
予め設定された空気過剰率λと燃焼ガス（排ガス）中の水分量（濃度）を指標とする廃棄物の発熱量との相関に、実測された水分濃度［Ｈ_２Ｏ］および実測空気過剰率λｏを適用し、推算発熱量Ｃを算出する。具体的には、予め基準となる廃棄物を設定し、実測空気過剰率を指標とした水分濃度−推算発熱量Ｃとの相関図を準備し、実測された水分濃度［Ｈ_２Ｏ］および実測空気過剰率λｏを適用することによって、推算発熱量Ｃを得ることができる。基準となる廃棄物の性状（質）により複数の相関図を準備することによって、より精度の高い推算発熱量Ｃを算出することができる。また、相関図に代えて、実測空気過剰率を指標とした水分濃度−推算発熱量Ｃとの相関関数を準備し、実測された水分濃度［Ｈ_２Ｏ］および実測空気過剰率λｏを適用することによって、推算発熱量Ｃを算出することができる。

＜本発明に係る燃焼制御装置＞
本発明に係る燃焼制御装置（以下「本装置」ということがある）は、少なくとも、廃棄物の供給量測定部，燃焼空気の供給量測定部および排ガス中の酸素，二酸化炭素および水分の成分濃度測定部を有し、上記算出された廃棄物発熱量または推算発熱量Ａ〜Ｃのいずれかを用いて、焼却炉に投入される廃棄物，燃焼空気および助燃材の供給量を制御することを特徴とする。具体的には、例えば図２に例示する焼却炉を含む廃棄物処理装置（以下「本処理装置」ということがある）に備えられた廃棄物の供給量測定部，燃焼空気の供給量測定部および成分濃度測定部例から構成される。

本処理装置には、廃棄物Ｗが貯留される貯留ピット１，貯留ピット１内の廃棄物Ｗが移送手段１ａ（例えばクレーン等）によって投入されるホッパ２，およびホッパ２に投入された廃棄物Ｗが廃棄物供給装置４によって給送されるストーカ３が設けられる。ストーカ３は、往復移動駆動されて廃棄物Ｗを炉本体１０に送給する。炉本体１０には、ストーカ３の上部に設けられた一次燃焼ゾーン１０Ａ，さらにその上部の二次燃焼ゾーン１０Ｂ，ストーカ３および一次燃焼ゾーン１０Ａに一次燃焼空気を供給する一次燃焼空気供給装置５，二次燃焼ゾーン１０Ｂに二次燃焼空気を供給する二次燃焼空気供給装置６，塵灰Ｄを排出する灰排出部７，および炉内の排ガスＥを排出する排ガス排出部８が設けられる。
ストーカ３に送られた廃棄物Ｗは、一次燃焼ゾーン１０Ａにおいて、燃焼により生じる高温燃焼ガスによって乾燥され、一次燃焼空気によって、部分燃焼され、さらに完全燃焼される。燃焼によって発生するガスは、水分（Ｈ_２Ｏ，廃棄物Ｗ中に含まれていた水分の蒸発による水蒸気を含む）、乾留によって生じる炭化水素ガス（ＨＣ）、不完全燃焼によって生じる一酸化炭素（ＣＯ）や完全燃焼による二酸化炭素（ＣＯ_２）等である。一次燃焼ゾーン１０Ａでの未燃物または不完全燃焼物は、二次燃焼ゾーン１０Ｂにおいて、その下部，中部，上部に供給される二次燃焼空気によって、完全燃焼される。燃焼によって発生した塵灰Ｄは、灰排出部７から排出され、炉内の排ガスＥは、排ガス排出部８から排出される。なお、高温条件での燃焼において発生する窒素酸化物（ＮＯｘ）や廃棄物Ｗ中に含まれる塩素や硫黄等を起源とする塩素化合物や硫黄酸化物（ＳＯｘ）等は微量であり、発熱量に与える影響が少ないことから、ここでは直接的には触れない。

（ａ）廃棄物の供給量測定部
ホッパ２に投入される廃棄物Ｗの量と質を測定するセンサ部として、廃棄物投入重量検出センサ１２とレーザ距離計１３とが設けられている。レーザ距離計１３により、廃棄物Ｗの表面までの距離を測定して、投入される廃棄物Ｗの体積を測定する。廃棄物投入重量検出センサ１２は、廃棄物Ｗの重量を測定する。廃棄物Ｗの体積と重量を検出することによって、廃棄物Ｗの比重の変化を所定時間間隔で検出することができる。既述のように、廃棄物Ｗの比重が分かれば、廃棄物Ｗの質（水分量等）を予測することができる。

（ｂ）燃焼空気の供給量測定部
燃焼空気は、一次燃焼ゾーン１０Ａにおいては、ストーカ３に載置され移送される廃棄物Ｗの最適な燃焼状態を形成されるように、一次燃焼空気供給装置５から複数段に分けて供給される。例えば、乾燥ステップ，燃焼ステップおよび後燃焼ステップの順に、各ステップにおける廃棄物Ｗの量（容積）や表面温度および燃焼ガスの流量等をモニタしながら、それぞれの燃焼空気の供給量が制御される。さらに、二次燃焼ゾーン１０Ｂにおいては、一次燃焼ゾーン１０Ａにおいて未燃または不完全燃焼した成分の完全燃焼とともに、排ガスＥの冷却処理あるいは希釈処理を行うために、二次燃焼空気供給装置６から複数段に分けて供給される。例えば、二次燃焼ゾーン１０Ｂの上部および下部（さらに中部）から、排ガス中の成分濃度（詳細は後述）や温度および排ガスＥの流量等をモニタしながら、それぞれの燃焼空気の供給量が制御される。ここで、燃焼空気の供給量とは、一次燃焼空気供給装置５および二次燃焼空気供給装置６の各段に設けられた流量計（図示せず）によって測定された、これらの総流量をいう。該流量計として、例えば流量制御機能付流量計を用いることができる。また、本処理装置の構成例においては、一次燃焼ゾーン１０Ａに、ガス流れ方向に関するセンサ部として、ガス流速計１７が設けられ、温度分布に関するプロセスデータを検出するセンサ部として、赤外線放射温度計１８が設けられ、炉本体１０の終端には、燃焼に伴うエネルギーに相当する蒸発量を測定するセンサとして、蒸気流量を測定する蒸気流量計１９が設けられる。

（ｃ）排ガス中の成分濃度測定部
炉本体１０内には、廃棄物Ｗの燃焼状態および燃焼結果を検出するセンサ部が設けられている。具体的には、Ｏ_２濃度計１４、ＣＯ_２濃度計１５、Ｈ_２Ｏ濃度計１６が二次燃焼ゾーン１０Ｂ、一次燃焼ゾーン１０Ａの少なくとも一方に設けられている（図２では、二次燃焼ゾーン１０Ｂのみに設けられ、ＣＯ_２濃度計１５が配設された例を示すが、これに限定されないことは上記の通りである）。ここで、Ｏ_２濃度計１４、ＣＯ_２濃度計１５、Ｈ_２Ｏ濃度計１６としては、レーザ発信器（図示せず）が波長をスキャンしながら強さ一定のレーザ光を炉本体１０内のガスに照射し、レーザ受信器によって残存のレーザ光を測定することにより、当該ガスの成分濃度や温度を検出する方式を採用することが好ましい。測定対象となる排ガスを、非接触で検出できるとともに同一部位における検出情報を同時に得ることができる点において好適である。また、各ガスの成分濃度を検出する公知のセンサを使用しても良い。排ガス中の各成分濃度から、燃焼された廃棄物Ｗの組成を推算することができるとともに、燃焼空気の供給量との関係から廃棄物Ｗの発熱量を推算することができる。なお、以下各成分濃度について、個別には酸素成分濃度を酸素濃度、窒素成分濃度を窒素濃度、等ということがある。

＜本方法の実証実験＞
廃棄物を供給した上記本処理装置について、推算発熱量Ａを用いて、本方法の燃焼制御機能およびその技術効果を検証した。
〔検証結果〕
検証結果を、図３（Ａ）〜（Ｃ）に示す。
（ｉ）図３（Ａ）は、本処理装置を１２時間の連続運転した時の、ボイラ蒸発量実測値およびそのときの排気ガス中の酸素濃度および水分濃度から推算発熱量Ａを算出して推算したボイラ蒸発量推定値を示す。
（ii）図３（Ｂ）は、その一部を拡大表示したものである。ボイラ蒸発量推定値がボイラ蒸発量実測値に先行していることが分かる。その差は約２４０ｓｅｃであった。
（iii）また、図３（Ｃ）は、両者の相関を求めたものである。非常に良い相関を有する結果が得られた。

以上のように、本発明に係る廃棄物の燃焼制御方法およびこれを適用した燃焼制御装置によって、以下のような優れた技術的効果を得ることが可能となった。
（ｉ）廃棄物の発熱量を遅滞なく連続して測定することにより、最適な燃焼制御が実現できる。
（ii）発電設備を有する施設では、ボイラ蒸発量推定値を実測値より先行して（実証実験では約２４０秒先行した）演算することで、蒸発量の安定と排ガス量の最小化により発電効率のアップを実現できる。
（iii）現在燃焼している廃棄物の発熱量が判るため、異常燃焼などの過渡応答にも自動運転のまま対応できる。
（iｖ）既存の自動燃焼制御を大幅な変更が不要なため、既設施設にも安価で容易に適用でき、適用範囲が広い。
（ｖ）廃棄物処理施設の運転が容易になるため、運転員の資質に依存する必要がなく、また人員の削減による省力化を図ることが可能となった。

しかしながら、従前のこうした燃焼制御方法では、いくつかの課題や要請があった。
（ｉ）排ガス温度や排ガス中のガス組成などを測定して、燃焼させる廃棄物の量、燃焼空気量、燃焼空気温度を加減する廃棄物の燃焼制御では、時間遅れのない適切な燃焼制御が難しかった。
（ii）特に、廃棄物の発熱量は燃焼制御において重要な役割を果すことから、廃棄物をサンプリングして分析する方法が提案されているが、サンプリングおよび分析に多くの時間を要するため、燃焼制御には適さない。例えば、サンプリングに数時間を要する場合があり、さらに分析には数日を要する場合があった。
（iii）焼却炉内の燃焼ガスを冷却するためのボイラ蒸発量や減温水量等によって燃焼状態を推測し燃焼制御に用いる従前の方法では、廃棄物の種類や性状によって相関が変動し、推測された発熱量の誤差が大きいために、燃焼制御には適さない場合が多い。
（iｖ）廃棄物の発熱量は水分量と相関があり、廃棄物の比重を測定することで概ね発熱量を推測できるが、比重を測定している廃棄物は、その時に燃焼している廃棄物ではなく、また誤差が大きいために燃焼制御には適さない場合が多い。
（ｖ）廃棄物の色の濃淡情報から算出する方法が廃棄物の発熱量を推測する方法として一般的であるが、廃棄物が白いと紙系のものが多く、黒いと剪定枝などが多いことから、定量性がなく燃焼制御には適さない場合が多い。

本発明に係る廃棄物の燃焼制御方法は、所定量の廃棄物を燃焼処理するプロセスにおいて、以下の手順に基づき焼却炉の燃焼制御を行うことを特徴とする。
（１）燃焼排ガス中の実測の成分濃度から、廃棄物の発熱量を算出する。
（２）算出された廃棄物発熱量を基に、ボイラ蒸発量を算出する。
（３）算出されたボイラ蒸発量を基に、焼却炉に投入される廃棄物，燃焼空気および助燃材の供給量を制御する。

廃熱ボイラを有する焼却炉では、廃棄物燃焼により発生する燃焼熱量と、燃焼排ガス熱量を吸収する廃熱ボイラより発生するボイラ蒸発量は比例関係にあり、このボイラ蒸発量を指針に自動燃焼制御が構築されてきた。本発明者は、さらに検証過程において、実測のボイラ蒸発量ではなく、現在の燃焼状態を示す情報を基にボイラ蒸発量を算出し、かかる算出値をごみ送り速度制御，燃焼空気量の制御に適用すれば、より安定した燃焼制御が実現できるとの知見を得た。本発明は、燃焼している廃棄物の発熱量に係る情報をリアルタイムに精度よく連続して取得し、これを用いて現在の燃焼状態に対して時間遅れのない廃棄物の燃焼制御を行うことを可能にした。

本発明に係る廃棄物の燃焼制御方法は、前記廃棄物発熱量を、以下の手順に基づき算出することを特徴とする。
（Ｒ１）排ガス中の酸素および水分の成分濃度を測定する。
（Ｒ２）測定された前記酸素および水分の成分濃度から、下式１を基に排ガス中の二酸化炭素濃度を算出する。
［ＣＯ_２］＝Ｒｏ×（１００−［Ｈ_２Ｏ］）／１００−［Ｏ_２］ …式１
ここで、［ ］内は百分率表示濃度を示し、Ｒｏは大気中の酸素濃度から灰分に取り込まれる酸素成分量を減じて設定された係数を示す。
（Ｒ３）前記酸素濃度，水分濃度および二酸化炭素濃度を用い、排ガス中の窒素濃度を算出する。
（Ｒ４）算出された窒素濃度を基に燃焼空気中の窒素濃度に対する換算係数を算出し、該換算係数を乗じた前記酸素，二酸化炭素および水分の換算成分濃度を算出する。
（Ｒ５）換算された前記酸素，二酸化炭素および水分の成分濃度から、燃焼処理に用いられた燃焼空気の単位供給量当りの酸素消費量を算出する。
（Ｒ６）算出された前記酸素消費量から、燃焼空気の単位供給量当りの、該燃焼処理において生成した二酸化炭素および水分に係る発熱量、該生成水分量と前記廃棄物中に含まれていた水分量の総量からの潜熱量を算出する。
（Ｒ７）燃焼処理された廃棄物の供給量から、燃焼空気の単位供給量当りの処理された廃棄物量を算出する。
（Ｒ８）算出された前記発熱量，前記潜熱量および廃棄物量から、処理された廃棄物量当りの推算発熱量Ａを算出する。
上記のように、現在の燃焼状態を示す情報をリアルタイムに取得し、これを基に燃焼熱量およびボイラ蒸発量を算出することによって、時間遅れのない廃棄物の燃焼制御を行うことを可能となった。このとき、リアルタイムに取得する燃焼直後の排ガス組成から、燃料となる廃棄物の発熱量に直接関与する廃棄物中の炭素，水素および水分を求め、これを基に、酸素消費量，燃焼熱量，潜熱量，廃棄物量（処理量）を算出することができる。本発明者は、検証過程において、排ガス中の二酸化炭素（ＣＯ_２）濃度を、排ガス中の酸素（Ｏ_２）濃度および水分（Ｈ_２Ｏ）濃度を基に算出することができることを見出し、さらに、酸素消費量等の算出基準として燃焼空気の単位供給量を用いることによって、当該燃焼空気の単位供給量当りの酸素消費量，燃焼熱量，潜熱量，廃棄物処理量を精度よく算出し、精度の高い処理された廃棄物量当りの発熱量（推算発熱量Ａ）を算出することができるとの知見を得た。つまり、性状等の変動要素の多い廃棄物であっても、実測の排ガス中の成分濃度測定値を用いて当該燃焼空気の単位供給量当りの各算出値から算出されることによって、こうした変動要素が反映された発熱量を算出することができる。従って、燃焼している廃棄物の発熱量に係る情報をリアルタイムに精度よく連続して取得し、これを用いて現在の燃焼状態に対して時間遅れのない廃棄物の燃焼制御を行うことを可能にした。

本発明に係る廃棄物の燃焼制御方法は、前記廃棄物発熱量を、以下の手順に基づき算出することを特徴とする。
（Ｓ１）排ガス中の酸素，二酸化炭素および水分の成分濃度を測定する。
（Ｓ２）測定された前記各成分濃度から、排ガス中の窒素濃度を算出する。
（Ｓ３）算出された窒素濃度を基に燃焼空気中の窒素濃度に対する換算係数を算出し、該換算係数を乗じた前記酸素，二酸化炭素および水分の換算成分濃度を算出する。
（Ｓ４）換算された前記酸素，二酸化炭素および水分の成分濃度から、燃焼処理に用いられた燃焼空気の単位供給量当りの酸素消費量を算出する。
（Ｓ５）算出された前記酸素消費量から、燃焼空気の単位供給量当りの、該燃焼処理において生成した二酸化炭素および水分に係る発熱量、該生成水分量と前記廃棄物中に含まれていた水分量の総量からの潜熱量を算出する。
（Ｓ６）燃焼処理された廃棄物の供給量から、燃焼空気の単位供給量当りの処理された廃棄物量を算出する。
（Ｓ７）算出された前記発熱量，前記潜熱量および廃棄物量から、処理された廃棄物量当りの推算発熱量Ｂを算出する。
上記構成によれば、燃焼直後の排ガス組成として、実測のＣＯ_２濃度，Ｏ_２濃度およびＨ_２Ｏ濃度の測定値から、燃料となる廃棄物の発熱量に直接関与する廃棄物中の炭素，水素および水分を求め、これを基に、酸素消費量，燃焼熱量，潜熱量，廃棄物量（処理量）を算出することができる。また、このときの算出基準として燃焼空気の単位供給量を用いることによって、当該燃焼空気の単位供給量当りの酸素消費量，燃焼熱量，潜熱量，廃棄物処理量を算出し、処理された廃棄物量当りの発熱量（推算発熱量Ｂ）を算出することを可能とした。つまり、性状等の変動要素の多い廃棄物であっても、実測の排ガス中の成分濃度測定値を用いて当該燃焼空気の単位供給量当りの各算出値から算出されることによって、こうした変動要素が反映された発熱量を算出することができる。従って、燃焼している廃棄物の発熱量に係る情報をリアルタイムに精度よく連続して取得し、これを用いて現在の燃焼状態に対して時間遅れのない廃棄物の燃焼制御を行うことを可能にした。

本発明に係る廃棄物の燃焼制御方法は、前記廃棄物発熱量を、以下の手順に基づき算出することを特徴とする。
（Ｔ１）排ガス中の酸素および水分の成分濃度を測定する。
（Ｔ２）測定された前記酸素成分濃度から、実測空気過剰率を算出する。
（Ｔ３）予め設定された空気過剰率および燃焼ガス中の水分量を指標とする廃棄物の発熱量との相関に、実測された前記水分量および実測空気過剰率を適用し、推算発熱量Ｂを算出する。
上記のように、廃棄物の発熱量は、燃焼ガス中の水分量と相関を有する一方、燃焼空気の供給量つまり空気過剰率の影響を大きく受ける。本発明は、こうした廃棄物の発熱量測定の大きな変動要素である空気過剰率を、排ガス中の酸素成分濃度を測定して実測値として算出することによって、予め設定された空気過剰率を指標として、燃焼ガス中の水分量との相関から発熱量を算出することを可能とした（推算発熱量Ｃ）。つまり、性状等の変動要素の多い廃棄物であっても、実測の排ガス中の成分濃度測定値を用いて当該燃焼空気の空気過剰率を算出することによって、こうした変動要素が反映された発熱量を算出することができる。従って、燃焼している廃棄物の発熱量に係る情報をリアルタイムに精度よく連続して取得し、これを用いて現在の燃焼状態に対して時間遅れのない廃棄物の燃焼制御を行うことを可能にした。

本発明は、上記廃棄物の燃焼制御方法を適用した燃焼制御装置であって、少なくとも、廃棄物の供給量測定部，燃焼空気の供給量測定部および排ガス中の酸素，二酸化炭素および水分の成分濃度測定部を有し、前記算出された廃棄物発熱量または推算発熱量Ａ〜Ｃのいずれかを用いて、焼却炉に投入される廃棄物，燃焼空気および助燃材の供給量を制御することを特徴とする。
こうした構成によって、燃焼している廃棄物の発熱量に係る情報をリアルタイムに精度よく連続して取得し、これを用いて現在の燃焼状態に対して時間遅れのない廃棄物の燃焼制御を行うことが可能となった。
また、本発明は、所定量の廃棄物を燃焼処理するプロセスにおいて、上記算出方法によって算出された廃棄物の発熱量を用い、以下の手順に基づき焼却炉の燃焼制御を行うことを特徴とする。
（１）前記推算発熱量Ａまたは推算発熱量Ｂを算出する。
（２）算出された前記推算発熱量Ａまたは推算発熱量Ｂを基に、ボイラ蒸発量を算出する。
（３）算出されたボイラ蒸発量を基に、焼却炉に投入される廃棄物，燃焼空気および助燃材の供給量を制御する。
また、本発明は、所定量の廃棄物を燃焼処理するプロセスにおいて、上記算出方法によって算出された廃棄物の発熱量を用いた燃焼制御装置であって、少なくとも、廃棄物の供給量測定部，燃焼空気の供給量測定部および排ガス中の酸素および水分、または酸素，水分および二酸化炭素濃度の成分濃度測定部を有し、前記算出された推算発熱量Ａまたは推算発熱量Ｂを用いて、焼却炉に投入される廃棄物，燃焼空気および助燃材の供給量を制御することを特徴とする。

本発明に係る燃焼制御方法の基本的な実施手順を例示する概略図 本発明に係る燃焼制御装置の基本構成例を示す概略図 ボイラ蒸発量の実測値と算出値との対比を例示する概略図 従前の燃焼制御方法に係るストーカ式ごみ焼却炉を例示する概略図

＜本発明に係る廃棄物の燃焼制御方法＞
本発明に係る廃棄物の燃焼制御方法（以下「本方法」ということがある）は、所定量の廃棄物を燃焼処理するプロセスにおいて、以下の手順に基づき焼却炉の燃焼制御を行うことを特徴とする。燃焼している廃棄物の発熱量に係る情報をリアルタイムに精度よく連続して取得し、これを用いて現在の燃焼状態に対して時間遅れのない廃棄物の燃焼制御を行うことができる。
（１）燃焼排ガス中の実測の成分濃度から、廃棄物の発熱量を算出する。
（２）算出された廃棄物発熱量を基に、ボイラ蒸発量を算出する。
（３）算出されたボイラ蒸発量を基に、焼却炉に投入される廃棄物，燃焼空気および助燃材の供給量を制御する。
以下、本発明に係る廃棄物の燃焼制御方法および燃焼制御装置の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。

（１）廃棄物発熱量の算出
燃焼排ガス中の実測の成分濃度から廃棄物の発熱量を算出する。具体的には、例えば以下の３つの方法のいずれかを用いて算出する（推算発熱量Ａ〜Ｃ）。あるいは、推算発熱量Ａ〜Ｃの２または３を対比し、最適推算発熱量を設定することができる。設定値は、予め特定された廃棄物の特性あるいは焼却炉の燃焼特性等を考慮して設定することができる。各推算発熱量の内のいずれかを最適推算発熱量として設定すること、または各推算発熱量の単純平均値や荷重平均値等を算出することによって、より正確な廃棄物Ｗの発熱量を算出することができる。
（Ｒ）推算発熱量Ａ：後述する（Ｒ１）〜（Ｒ８）のように、実測された酸素および水分の成分濃度を基に、二酸化炭素濃度を算出し、これらを用いて基準となる窒素濃度を算出し、該窒素濃度を基準に換算された酸素，二酸化炭素および水分の成分濃度から、各成分の発熱量，潜熱量および廃棄物量が算出され、算出された各値から算出される。
（Ｓ）推算発熱量Ｂ：後述する（Ｓ１）〜（Ｓ７）のように、実測された酸素，水分および二酸化炭素の成分濃度を基に窒素濃度を算出し、該窒素濃度を基準に換算された酸素，二酸化炭素および水分の成分濃度から、各成分の発熱量，潜熱量および廃棄物量が算出され、算出された各値から算出される。
（Ｔ）推算発熱量Ｃ：後述する（Ｔ１）〜（Ｔ３）のように、実測された酸素濃度から実測空気過剰率を算出し、該実測空気過剰率と実測された水分濃度を基に算出される。

（２）ボイラ蒸発量の算出
上記（１）において算出された廃棄物発熱量を基に、ボイラ蒸発量を算出する。具体的には、下式２，３に示すような廃棄物発熱量とボイラ蒸発量の関係を基に、算出された廃棄物発熱量からボイラ蒸発量を得ることができる。
（廃棄物燃焼熱量）＝（廃棄物発熱量）×（廃棄物投入量）
＝（ボイラ蒸発量×蒸気エンタルピ＋持出熱量−持込熱量） …式２
（ボイラ蒸発量） ＝（廃棄物燃焼熱量−持出熱量＋持込熱量）／（蒸気エンタルピ） …式３
ここで、廃棄物投入量，蒸気エンタルピ，持出熱量および持込熱量は、本プロセスにおける各計測値によって、リアルタイムに算出することができる。

（３）廃棄物，燃焼空気および助燃材の供給量の制御
算出されたボイラ蒸発量を基に、焼却炉に投入される廃棄物，燃焼空気および助燃材の供給量を制御する。具体的には、図１に例示するように、例えば、廃棄物，燃料空気および助燃材の供給量について、算出されたボイラ蒸発量を基準としてフィードバック制御されるとともに、その他の要素（例えば燃焼炉内温度等）によって補正されることによって、リアルタイムに燃焼状態に対して時間遅れのない廃棄物の燃焼制御を行うことができる。

（Ｒ２）測定された酸素および水分の成分濃度から、下式１を基に排ガス中の二酸化炭素濃度を算出する。
［ＣＯ_２］＝Ｒｏ×（１００−［Ｈ_２Ｏ］）／１００−［Ｏ_２］ …式１
ここで、［］内は百分率表示濃度を示し、Ｒｏは大気中の酸素濃度から灰分に取り込まれる酸素成分量を減じて設定された係数を示す。
つまり、廃棄物が完全燃焼し、廃棄物中の酸素および窒素が排ガス中の酸素および窒素の成分濃度に影響を与えない条件の場合、燃焼空気中の二酸化炭素濃度［ＣＯ_２］と酸素濃度［Ｏ_２］は、下式４〜７の関係が成り立つ（ｄ：乾燥状態，ｗ：湿潤状態を示す）。
［ＣＯ_２（ｄ）］＋［Ｏ_２（ｄ）］＝２１ …式４
［ＣＯ_２（ｄ）］＝［ＣＯ_２（ｗ）］×１００／（１００−［Ｈ_２Ｏ］） …式５
［Ｏ_２（ｄ）］ ＝［Ｏ_２（ｗ）］×１００／（１００−［Ｈ_２Ｏ］） …式６
［ＣＯ_２（ｗ）］＝２１×（１００−［Ｈ_２Ｏ］）／１００−［Ｏ_２（ｗ）］ …式７
しかしながら、実動状態においては、式７における「２１」は成立せず、例えば「１９：Ｒｏ」となることが実証されている。燃焼反応によって発生する灰分に取り込まれる酸素成分量がその差であると解される。［ＣＯ_２（ｄ）］および［Ｏ_２（ｄ）］は、予め実操業中に、手分析等分析・測定を行うことにより設定可能である。

（Ｒ３）酸素濃度，水分濃度および二酸化炭素濃度を用い、排ガス中の窒素濃度を算出する。
具体的には、下式８に基づき、実測の酸素濃度，水分濃度および算出された二酸化炭素濃度から、排ガス中の窒素（Ｎ_２）濃度を算出する。
［Ｎ_２（ｗ）］＝１００−（［Ｏ_２（ｗ）］＋［ＣＯ_２（ｗ）］＋［Ｈ_２Ｏ］） …式８

（Ｒ８）算出された前記発熱量，前記潜熱量および廃棄物量から、処理された廃棄物量当りの推算発熱量Ａを算出する。
算出された発熱量（Ｈｄ＋Ｈｗ），潜熱量Ｌｗおよび廃棄物量Ｗｏから、下式１６に基づき、処理された廃棄物量当りの推算発熱量Ａを算出する。
Ａ＝（Ｈｄ＋Ｈｗ−Ｌｗ）／Ｗｏ …式１６
このとき、算出された推算発熱量Ａは、燃焼空気の単位供給量当りの数値であり、実測の燃焼空気の供給量を用いることによって、廃棄物Ｗの単位供給量当りの推算発熱量Ａに変換することができる。廃棄物Ｗの質（特性）に対する客観性の高い評価値とすることができる。

以下の手順（Ｓ２）〜（Ｓ７）は、上記手順（Ｒ３）〜（Ｒ８）と同様に行うことができる。ここでは略す。
（Ｓ２）測定された各成分濃度から、排ガス中の窒素濃度を算出する。
（Ｓ３）算出された窒素濃度を基に燃焼空気中の窒素濃度に対する換算係数を算出し、該換算係数を乗じた酸素，二酸化炭素および水分の換算成分濃度を算出する。
（Ｓ４）換算された酸素，二酸化炭素および水分の成分濃度から、燃焼処理に用いられた燃焼空気の単位供給量当りの酸素消費量を算出する。
（Ｓ５）算出された酸素消費量から、燃焼空気の単位供給量当りの、該燃焼処理において生成した二酸化炭素および水分に係る発熱量、該生成水分量と廃棄物中に含まれていた水分量の総量からの潜熱量を算出する。
（Ｓ６）燃焼処理された廃棄物の供給量から、燃焼空気の単位供給量当りの処理された廃棄物量を算出する。
（Ｓ７）算出された発熱量，潜熱量および廃棄物量から、処理された廃棄物量当りの推算発熱量Ｂを算出する。

（ｃ）排ガス中の成分濃度測定部
炉本体１０内には、廃棄物Ｗの燃焼状態および燃焼結果を検出するセンサ部が設けられている。具体的には、Ｏ_２濃度計１４、ＣＯ_２濃度計１５、Ｈ_２Ｏ濃度計１６が二次燃焼ゾーン１０Ｂ、一次燃焼ゾーン１０Ａの少なくとも一方に設けられている（図２では、二次燃焼ゾーン１０Ｂのみに設けられ、ＣＯ_２濃度計１５が配設された例を示すが、これに限定されないことは上記の通りである）。ここで、Ｏ_２濃度計１４、ＣＯ_２濃度計１５、Ｈ_２Ｏ濃度計１６としては、レーザ発信器（図示せず）が波長をスキャンしながら強さ一定のレーザ光を炉本体１０内のガスに照射し、レーザ受信器によって残存のレーザ光を測定することにより、当該ガスの成分濃度や温度を検出する方式を採用することが好ましい。測定対象となる排ガスを、非接触で検出できるとともに同一部位における検出情報を同時に得ることができる点において好適である。また、各ガスの成分濃度を検出する公知のセンサを使用しても良い。排ガス中の各成分濃度から、燃焼された廃棄物Ｗの組成を算出することができるとともに、燃焼空気の供給量との関係から廃棄物Ｗの発熱量を算出することができる。なお、以下各成分濃度について、個別には酸素成分濃度を酸素濃度、窒素成分濃度を窒素濃度、等ということがある。

＜本方法の実証実験＞
廃棄物を供給した上記本処理装置について、推算発熱量Ａを用いて、本方法の燃焼制御機能およびその技術効果を検証した。
〔検証結果〕
（ｉ）図３（Ａ）は、本処理装置を１２時間の連続運転した時の、ボイラ蒸発量の実測値およびそのときの排気ガス中の酸素濃度および水分濃度から推算発熱量Ａを用いて、算出したボイラ蒸発量の算出値を示す。
（ii）図３（Ｂ）は、その一部を拡大表示したものである。ボイラ蒸発量の算出値がボイラ蒸発量の実測値に先行していることが分かる。その差は約２４０ｓｅｃであった。
（iii）また、図３（Ｃ）は、両者の相関を求めたものである。非常に良い相関を有する結果が得られた。

以上のように、本発明に係る廃棄物の燃焼制御方法およびこれを適用した燃焼制御装置によって、以下のような優れた技術的効果を得ることが可能となった。
（ｉ）廃棄物の発熱量を遅滞なく連続して測定することにより、最適な燃焼制御が実現できる。
（ii）発電設備を有する施設では、ボイラ蒸発量推算値を実測値より先行して（実証実験では約２４０秒先行した）演算することで、蒸発量の安定と排ガス量の最小化により発電効率のアップを実現できる。
（iii）現在燃焼している廃棄物の発熱量が判るため、異常燃焼などの過渡応答にも自動運転のまま対応できる。
（iｖ）既存の自動燃焼制御を大幅な変更が不要なため、既設施設にも安価で容易に適用でき、適用範囲が広い。
（ｖ）廃棄物処理施設の運転が容易になるため、運転員の資質に依存する必要がなく、また人員の削減による省力化を図ることが可能となった。

Claims (5)

1. 所定量の廃棄物を燃焼処理するプロセスにおいて、以下の手順に基づき焼却炉の燃焼制御を行うことを特徴とする廃棄物の燃焼制御方法。
   （１）燃焼排ガス中の実測の成分濃度から、廃棄物の発熱量を推算する。
   （２）算出された廃棄物発熱量を基に、ボイラ蒸発量を推算する。
   （３）推定されたボイラ蒸発量を基に、焼却炉に投入される廃棄物，燃焼空気および助燃材の供給量を制御する。
2. 前記廃棄物発熱量を、以下の手順に基づき算出することを特徴とする請求項１記載の廃棄物の燃焼制御方法。
   （Ｒ１）排ガス中の酸素および水分の成分濃度を測定する。
   （Ｒ２）測定された前記酸素および水分の成分濃度から、下式１を基に排ガス中の二酸化炭素濃度を推算する。
   ［ＣＯ_２］＝Ｒｏ×（１００−［Ｈ_２Ｏ］）／１００−［Ｏ_２］ …式１
   ここで、［ ］内は百分率表示濃度を示し、Ｒｏは大気中の酸素濃度から灰分に取り込まれる酸素成分量を減じて設定された係数を示す。
   （Ｒ３）前記酸素濃度，水分濃度および二酸化炭素濃度を用い、排ガス中の窒素濃度を算出する。
   （Ｒ４）算出された窒素濃度を基に燃焼空気中の窒素濃度に対する換算係数を算出し、該換算係数を乗じた前記酸素，二酸化炭素および水分の換算成分濃度を算出する。
   （Ｒ５）換算された前記酸素，二酸化炭素および水分の成分濃度から、燃焼処理に用いられた燃焼空気の単位供給量当りの酸素消費量を算出する。
   （Ｒ６）算出された前記酸素消費量から、燃焼空気の単位供給量当りの、該燃焼処理において生成した二酸化炭素および水分に係る発熱量、該生成水分量と前記廃棄物中に含まれていた水分量の総量からの潜熱量を算出する。
   （Ｒ７）燃焼処理された廃棄物の供給量から、燃焼空気の単位供給量当りの処理された廃棄物量を算出する。
   （Ｒ８）算出された前記発熱量，前記潜熱量および廃棄物量から、処理された廃棄物量当りの推定発熱量Ａを算出する。
3. 前記廃棄物発熱量を、以下の手順に基づき算出することを特徴とする請求項１記載の廃棄物の燃焼制御方法。
   （Ｓ１）排ガス中の酸素，二酸化炭素および水分の成分濃度を測定する。
   （Ｓ２）測定された前記各成分濃度から、排ガス中の窒素濃度を算出する。
   （Ｓ３）算出された窒素濃度を基に燃焼空気中の窒素濃度に対する換算係数を算出し、該換算係数を乗じた前記酸素，二酸化炭素および水分の換算成分濃度を算出する。
   （Ｓ４）換算された前記酸素，二酸化炭素および水分の成分濃度から、燃焼処理に用いられた燃焼空気の単位供給量当りの酸素消費量を算出する。
   （Ｓ５）算出された前記酸素消費量から、燃焼空気の単位供給量当りの、該燃焼処理において生成した二酸化炭素および水分に係る発熱量、該生成水分量と前記廃棄物中に含まれていた水分量の総量からの潜熱量を算出する。
   （Ｓ６）燃焼処理された廃棄物の供給量から、燃焼空気の単位供給量当りの処理された廃棄物量を算出する。
   （Ｓ７）算出された前記発熱量，前記潜熱量および廃棄物量から、処理された廃棄物量当りの推算発熱量Ｂを算出する。
4. 前記廃棄物発熱量を、以下の手順に基づき算出することを特徴とする請求項１記載の廃棄物の燃焼制御方法。
   （Ｔ１）排ガス中の酸素および水分の成分濃度を測定する。
   （Ｔ２）測定された前記酸素濃度から、実測空気過剰率を算出する。
   （Ｔ３）予め設定された空気過剰率および燃焼ガス中の水分量を指標とする廃棄物の発熱量との相関に、実測された前記水分量および実測空気過剰率を適用し、推算発熱量Ｃを算出する。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の廃棄物の燃焼制御方法を適用した燃焼制御装置であって、少なくとも、廃棄物の供給量測定部，燃焼空気の供給量測定部および排ガス中の酸素および水分または酸素，水分および二酸化炭素濃度の成分濃度測定部を有し、前記算出された廃棄物発熱量または推算発熱量Ａ〜Ｃのいずれかを用いて、焼却炉に投入される廃棄物，燃焼空気および助燃材の供給量を制御することを特徴とする燃焼制御装置。