JP3627957B2

JP3627957B2 - 炉排ガスのｃｏ濃度の制御装置

Info

Publication number: JP3627957B2
Application number: JP08834898A
Authority: JP
Inventors: 本信哉淵; 南秀隆小
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1998-04-01
Filing date: 1998-04-01
Publication date: 2005-03-09
Anticipated expiration: 2018-04-01
Also published as: JPH11287424A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気道に排ガス流量を規制する手段を有しかつ排気道に助燃空気を供給する手段を有する炉の、排ガス中のＣＯ濃度を低値に抑制するための助燃空気流量の制御に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来は、焼却炉の煙道の途中にＣＯ計を設け、測定した値に基づいて燃焼空気量を調節するフィードバック制御により、焼却炉の燃焼状態を調整してＣＯ濃度制御を行っていた。
【０００３】
例えば特開昭５７−８５９２０号公報には、排ガス分析計による排ガス組成および排ガス流量，炉口圧力とスカート高さ測定値かつ排ガス炉口吸引量を演算し、この演算結果と目標値との偏差信号で排ガス用流量調節弁を制御して、未燃焼排ガスを効率よく吸収することが示されている。また、特開昭６２−１５１５０６号公報には、転炉炉口圧検出器の出力と排ガス流量制御弁の制御量の入力とから外乱量を演算し、これに基づいて演算した補償量を上記制御量に加算することにより、炉口圧を安定に且つ高精度に制御する方法が示されている。
【０００４】
また、例えば、スクラップ溶解炉からの発生ガスは、溶解炉にて一次燃焼したのち、排気道である予熱炉に入りそこに供給される助燃空気にて二次燃焼した後、排ガス処理装置に入り、そこで浄化されるが、スクラップ溶解炉の排ガスの発生量およびその中のＣＯ濃度は変動し、排ガスの発生量の変動によって炉内圧および予熱炉の排ガス流量が変動する。炉の運転上から炉内圧は所定範囲内としなければならない。したがって、炉内圧を測定してそれが所定範囲内となるように予熱炉のダンパ開度を制御するフィ−ドバック制御が行なわれている。
【０００５】
一方、予熱炉での二次燃焼の安定性が、予熱炉から排ガス処理装置への排ガスのＣＯ濃度に影響を与える。予熱炉での二次燃焼は、スクラップ溶解炉の炉口の圧力によって決定されるため、炉口圧力制御の安定性が重要な課題となる。予熱炉には助燃空気を吹込んで溶解炉の排ガスを燃焼させており、予熱炉出口における排ガスのＣＯ濃度を所定の値に抑えるためには、助燃空気流量制御（ＣＯ濃度制御）が重要である。従来は、予熱炉の排ガス中のＣＯ濃度を測定し、それが設定値を越えるときには助燃空気流量を増やすフィ−ドバック制御が行なわれている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
炉内圧を所定範囲内とするように予熱炉出口のダンパ開度を制御するフィ−ドバック制御に対しては、排ガスＣＯ濃度を設定範囲内とするために助燃空気流量を調整するフィ−ドバック制御が外乱となる。そこで従来は、助燃空気流量を調整するフィ−ドバック制御は、排ガスＣＯ濃度の変化に対する応答速度を低く設定し、排ガスＣＯ濃度が急速に高くなるときでも、それに対応した助燃空気流量の増量を緩速度で行ない、助燃空気流量の増加による炉内圧の上昇を、ダンパ開度を制御する炉内圧フィ−ドバック制御で抑制している。したがって、排ガスＣＯ濃度が急速に高くなるときには、助燃空気流量の増量が追い付かず、排ガスＣＯ濃度が上昇する。すなわち、スクラップ溶解炉内の排ガスＣＯ濃度が比較的に急速に変動するときの、予熱炉出側の排ガスＣＯ濃度の制御偏差が大きい。
【０００７】
本発明は、この制御偏差を低減することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
（１）本発明の炉排ガスのＣＯ濃度の制御装置は、排気道（２）に排ガス流量を規制する手段（２５，２６）を有しかつ排気道（２）に助燃空気を供給する手段（２２，２３）を有する炉の、内圧を検出する圧力検出手段（１１）；
検出された圧力（Ｐ_０）を圧力設定値（Ｐ_ｐ０）と比較し、その偏差に応じて検出圧（Ｐ_０）が圧力設定値（Ｐ_ｐ０）に合致する方向に前記排ガス流量規制手段（２５，２６）を駆動する排ガス流量制御手段（５）；
前記排気道（２）の排ガスのＣＯ濃度（ＣＯ％）を検出する手段（２４）；および、
検出されたＣＯ濃度（ＣＯ％），前記排ガス流量規制手段（２５，２６）により規制された排ガス流量（ｆ_ｇ）および前記助燃空気供給手段（２２，２３）が供給する空気流量（Ｐ_ｂ）に基づいて、目標ＣＯ濃度に対応する助燃空気目標流量（ｆ_ｐｂ）を求めて前記助燃空気供給手段（２２，２３）を該目標流量（ｆ_ｐｂ）を送給するように駆動する、フィ−ドフォワ−ド制御手段（６）；
を備える。なお、理解を容易にするためにカッコ内には、図面に示し後述する実施例の対応要素又は対応事項の符号を、参考までに付記した。
【０００９】
【発明の実施の形態】
（２）フィ−ドフォワ−ド制御手段（６）は、検出されたＣＯ濃度（ＣＯ％）および前記排ガス流量規制手段（２５，２６）により規制された排ガス流量（ｆ_ｇ）に基づいて炉からの発生ガス流量（ｆ_０）を算出し、炉発生ガス流量（ｆ_０）および排気道（２）に供給する助燃空気流量（ｆ_ｂ）と排ガスＣＯ濃度（ＣＯ％）との関係を規定する演算式を満す、前記算出した発生ガス流量（ｆ_０）にて排ガスＣＯ濃度が目標ＣＯ濃度（ＣＯ％）となる助燃空気目標流量（ｆ_ｐｂ）、を算出する。
【００１０】
（３）フィ−ドフォワ−ド制御手段（６）は、検出された圧力（Ｐ_０），ＣＯ濃度（ＣＯ％）および前記排ガス流量規制手段（２５，２６）により規制された排ガス流量（ｆ_ｇ）に基づいて炉からの発生ガス流量（ｆ_０）を算出し、炉発生ガス流量（ｆ_０），検出圧力（Ｐ_０）に対応する炉口空気侵入流量（ｆａ）および排気道（２）に供給する助燃空気流量（ｆ_ｂ）と排ガスＣＯ濃度（ＣＯ％）との関係を規定する演算式を満す、前記算出した発生ガス流量（ｆ_０）および炉口空気侵入流量（ｆａ）にて排ガスＣＯ濃度が目標ＣＯ濃度（ＣＯ％）となる助燃空気目標流量（ｆ_ｐｂ）、を算出する。
【００１１】
（４）フィ−ドフォワ−ド制御手段（６）は、圧力設定値（Ｐ_ｐ０），ＣＯ濃度（ＣＯ％）および前記排ガス流量規制手段（２５，２６）により規制された排ガス流量（ｆ_ｇ）に基づいて炉からの発生ガス流量（ｆ_０）を算出し、炉発生ガス流量（ｆ_０），圧力設定値（Ｐ_ｐ０）に対応する炉口空気侵入流量（ｆａ）および排気道（２）に供給する助燃空気流量（ｆ_ｂ）と排ガスＣＯ濃度（ＣＯ％）との関係を規定する演算式を満す、前記算出した発生ガス流量（ｆ_０）および炉口空気侵入流量（ｆａ）にて排ガスＣＯ濃度が目標ＣＯ濃度（ＣＯ％）となる助燃空気目標流量（ｆ_ｐｂ）、を算出する。
【００１２】
【実施例】
図１に本発明の一実施例の構成を示す。図１において、スクラップ溶解炉１では、上方及び横から、吹込管を通して炉内スクラップに酸素を吹き出してスクラップを燃焼させ溶融させる。これにより燃焼ガス（炉内排ガス）が発生する。高温排ガスには予熱炉２にて、流量調整弁２２を介して助燃空気が供給され、高温排ガスのＣＯが燃焼する。予熱炉の排ガスは、排ガス処理設備３に排気される。予熱炉２の出口には、炉内圧を設定範囲内とするためのダンパ２５があり、炉内圧が高くスクラップ溶解炉１と予熱炉２との継目部の空隙を通して排ガスが外部に噴出するのを防止するために、また、炉内圧が低過ぎて該空隙を通しての空気の吸入が過多になって排ガスの温度低下が大きくなるのを防止するために、ＣＯ濃度制御装置４のフィ−ドバックコントロ−ラ５が、炉内圧が高過ぎるとダンパ駆動機２６を介してダンパ２５を開方向に駆動してダンパ開度Ｗを大きくし、炉内圧が低過ぎるとダンパ２５を閉駆動してダンパ開度Ｗを小さくする。
【００１３】
すなわち、圧力計１１で予熱炉２の入口の圧力Ｐ_０を検出し、フィ−ドバックコントロ−ラ５が、偏差演算５１にて、設定値（目標値）Ｐ_ｐ０に対する検出圧力Ｐ_０の偏差を算出し、この偏差を操作量演算５２にて、Ｐ（比例），Ｉ（積分），Ｄ（微分）演算によってダンパ２５の開度操作量に変換して、ドライバ（通電制御回路）５３に与え、ドライバ５３が、ダンパ駆動機２６を駆動して該開度操作量分、ダンパ２５の開度を変更する。フィ−ドバックコントロ−ラ５は、この制御を比較的に短周期で繰返し実行する。これにより、スクラップ溶解炉１の燃焼ガス発生量が比較的に急速に変化しても、また、流量調整弁２２を介して予熱炉２に送給される助燃空気流量が比較的に急速に変化しても、炉内圧Ｐ_０（圧力計１１の検出圧）は、大略設定値Ｐ_ｐ０に維持される。すなわち、時系列平均では、Ｐ_０≒Ｐ_ｐ０である。
【００１４】
炉内圧Ｐ_０はその値が正の場合は発生ガスの炉口空隙からの流出（図２のｆ_ａ）を、負の場合には、炉口空隙からの外部空気の吸入の増大により予熱炉の炉口燃焼が増大し、発生ガスカロリー（ＣＯ濃度）の低下を招く。したがって、炉内圧Ｐ_０を若干負圧にて一定に制御することが重要であり、設定値Ｐ_ｐ０は、例えば−１（ｍｍＨ_２Ｏ）に定められる。
【００１５】
炉内圧力すなわち予熱炉２の炉口圧力Ｐ_０は、溶解炉１内の一次燃焼後の発生ガス流量ｆ_０，炉口での侵入空気量ｆ_ａ，予熱炉２における助燃空気流量ｆ_ｂおよび予熱炉出側排ガス流量ｆ_ｇにて決定される。すなわち溶解炉圧力系を簡略化すると、図２および数１のようにモデル化することができる。
【００１６】
【数１】

【００１７】
ただし、Ｐ_０：炉口圧力（圧力計１１の検出値），
ｆ_０，ｆ’_０：溶解炉発生ガス流量，
ｆ_ａ：炉口侵入空気流量，
ｆ_ｂ：予熱炉内二次燃焼用空気流量すなわち助燃空気流量，
ｆ_ｇ：予熱炉出側排ガス流量，
Ｗ：ダンパ開度，
Ｋ_ａ：炉口抵抗係数，
α：ダンパ開度と流量との関係を示す流量特性係数、
である。
【００１８】
これを線形近似し、ラプラス変換すると以下のような式となる。
【００１９】
【数２】

【００２０】
ただし、Ｋ_ｐ：プロセスゲイン（ダンパ，炉圧影響ゲイン），
Ｔ_ｐ：プロセス時定数，
Ｋ_Ｇ：溶解炉発生ガスが炉圧に影響する係数（生ガス流量／炉圧影響ゲイン），
Ｋ_ｇ：助燃空気流量が炉圧に影響する係数（空気流量／炉圧影響ゲイン）、
である。
【００２１】
ＣＯ濃度制御系は、予熱炉２の排ガス中のＣＯ濃度を検出するＣＯ濃度計２４，助燃空気流量を定める流量調整弁２２，バルブ駆動機２３，助燃空気流量Ｐｂを検出する流量計２１およびフィ−ドフォワ−ドコントロ−ラ６でなる。
【００２２】
図３に示すように、溶解炉１内のスクラップおよび溶銑から発生したガスｆ_０は、下吹酸素によって炉内で一部燃焼し、燃焼率ηに応じたＣＯガスが、ＣＯ_２に変化する。加えて、炉口部で先に述べた侵入空気ｆ_ａによって発生ガスの一部が燃焼したのち、予熱炉２へ導かれる（炉口圧力が正の場合は炉口燃焼はない）。さらに、予熱炉２ではその出側排ガス中のＣＯ濃度ＣＯ％がある一定範囲内になるように、発生ガスを助燃空気ｆ_ｂにて燃焼させている。これら一連のプロセスを定式化すると以下の通りとなる。
【００２３】
１）スクラップおよび溶銑からの発生ガス
ｆ_０＝ｆ_ＣＯ＋ｆ_ＣＯ２＋ｆ_Ｎ２・・・（２ｂ）
ｆ_ＣＯ＝ｆ_０×０．６８５・・・（２ｃ）
ただし、ｆ_０：発生ガス流量，
ｆ_ＣＯ：発生ガス中ＣＯガス流量，
ｆ_ＣＯ２：発生ガス中ＣＯ_２濃度，
ｆ_Ｎ２：発生ガス中Ｎ_２ガス流量、
である。
【００２４】
【数３】

【００２５】
ただし、ｆ_ｇ：予熱炉出側排ガス流量，
ｆ_ｇＣＯ：予熱炉出側ＣＯガス流量，
ｆ_ｂ：助燃空気流量，
ＣＯ％：予熱炉出側排ガス中のＣＯ濃度、
である。これらをまとめると排ガス中のＣＯ濃度は以下のように表わされる。
【００２６】
【数４】

【００２７】
上記数４より、溶解炉１の発生ガス流量ｆ_０および炉口侵入空気流量ｆ_ａを与えると、予熱炉出側排ガス中のＣＯ濃度ＣＯ％を目標濃度とするための助燃空気流量ｆ_ｂが得られる。本実施例では、フィ−ドフォワ−ドコントロ−ラ６は、これに基づいて、予熱炉出側排ガス中のＣＯ濃度ＣＯ％を目標濃度とするための助燃空気流量目標値ｆ_ｐｂを算出して、ドライバ６６に与えて、バルブ駆動機２３を介して流量調整弁２２を、該目標値ｆ_ｐｂの助燃空気量を供給するように調整する。
すなわち、フィ−ドフォワ−ドコントロ−ラ６は、Ｗ／ｆｇ変換６１で、現ダンパ開度Ｗから（１ｃ）式に基づいて現予熱炉出側排ガス流量ｆ_ｇを算出する。ｆ_ｇＣＯ演算６２で、ＣＯ濃度計２４の検出ＣＯ濃度ＣＯ％と、現予熱炉出側排ガス流量ｆ_ｇから、予熱炉２の現排ガスの、ＣＯ流量ｆ_ｇＣＯ＝ｆ_ｇ×ＣＯ％／１００を算出する。次にｆ”ＣＯ演算６３で、（３ｇ）式に従った演算で、予熱炉炉口ガス流量ｆ”ＣＯを算出する。そしてｆ_ａ＆ｆ_０演算６４にて、圧力計１１の検出圧Ｐ_０に対応する炉口侵入空気流量ｆ_ａを、（１ｂ）式に従った演算で算出し、かつ、Ｐ_０≦０の場合は、（３ｃ），（３ａ）および（２ｃ）式に従って現発生ガス流量ｆ_０を算出する。Ｐ_０＞０の場合は、（３ｆ）式に従ってｆ”_０を算出しそして（３ｄ）式に従ってｆ’_０を算出しこれを現発生ガス流量ｆ_０とする。
【００２８】
次にフィ−ドフォワ−ドコントロ−ラ６は、目標空気流量ｆ_ｐｂ演算６５にて、Ｐ_０≦０の場合は（４ａ）式に、Ｐ_０＞０の場合は（４ｂ）式に、前記算出した現在の発生ガス流量ｆ_０および炉口侵入空気流量ｆ_ａを与え、かつ、目標ＣＯ％を与えて、それを満す助燃空気流量（目標値）ｆｐｂを算出して、ドライバ６６に与える。この制御の周期は、フィ−ドバックコントロ−ラ５の制御周期よりも長い。
【００２９】
上記のようにＣＯ濃度制御系をモデル化しフィ−ドフォワ−ド制御を行った結果を図４および図５に示す。図４は上述のフィ−ドフォワ−ド制御を行った場合の炉内圧Ｐ_０の変動を示し、図５はＣＯ濃度ＣＯ％の変化を示す。
【００３０】
比較例として、従来のフィ−ドバックＣＯ濃度制御を行なった場合の結果を図６（炉内圧Ｐ_０の変動）および図７（ＣＯ濃度ＣＯ％の変化）に示す。
【００３１】
図４と図５の違いすなわち炉内圧の制御誤差の違いはほとんどなく、良好な炉内圧制御が行われていることが分かる。図５と図６を比較するとフィードフォワード制御を行ったときのＣＯ濃度制御偏差が小さくなっていることが分かる。
【００３２】
なお、上記実施例では、検出圧Ｐ_０に基づいて炉口侵入空気流量ｆ_ａを算出しているが、フィ−ドバックコントロ−ラ５によって、炉内圧Ｐ_０は設定値Ｐ_ｐ０に制御されているので、設定値Ｐ_ｐ０に基づいて炉口侵入空気流量ｆ_ａを算出してもよく、また、設定値Ｐ_ｐ０を定数とし、（４ａ），（４ｂ）式のｆ_ａを、設定値Ｐ_ｐ０対応の定数としてもよい。
【００３３】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、フィードバック制御に比べて予熱炉出側のＣＯ濃度ガス発生時の制御偏差を小さくすることが出来、排ガス中のＣＯ濃度を目標値により近づけることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の構成概要を示すブロック図である。
【図２】図１に示す予熱炉２の炉口圧力制御系の概要を示すブロック図である。
【図３】図１に示す予熱炉２の排気ガスＣＯ濃度制御系の概要を示すブロック図である。
【図４】図１に示す圧力計１１の検出圧の時系列変化を示すグラフである。
【図５】図１に示すＣＯ濃度計２４の検出ＣＯ濃度の時系列変化を示すグラフである。
【図６】従来の予熱炉炉口圧の時系列変化を示すグラフである。
【図７】従来の予熱炉排ガス中のＣＯ濃度の時系列変化を示すグラフである。
【符号の説明】
２５：ダンパ

Claims

排気道に排ガス流量を規制する手段を有しかつ排気道に助燃空気を供給する手段を有する炉の、内圧を検出する圧力検出手段；
検出された圧力を圧力設定値と比較し、その偏差に応じて検出圧が圧力設定値に合致する方向に前記排ガス流量規制手段を駆動する排ガス流量制御手段；
前記排気道の排ガスのＣＯ濃度を検出する手段；および、
検出されたＣＯ濃度，前記排ガス流量規制手段により規制された排ガス流量および前記助燃空気供給手段が供給する空気流量に基づいて、目標ＣＯ濃度に対応する助燃空気目標流量を求めて前記助燃空気供給手段を該目標流量を送給するように駆動する、フィ−ドフォワ−ド制御手段；
を備える炉排ガスのＣＯ濃度の制御装置。
フィ−ドフォワ−ド制御手段は、検出されたＣＯ濃度および前記排ガス流量規制手段により規制された排ガス流量に基づいて炉からの発生ガス流量を算出し、炉発生ガス流量および排気道に供給する助燃空気流量と排ガスＣＯ濃度との関係を規定する演算式を満す、前記算出した発生ガス流量にて排ガスＣＯ濃度が目標ＣＯ濃度となる助燃空気目標流量、を算出する、請求項１記載の炉排ガスのＣＯ濃度の制御装置。
フィ−ドフォワ−ド制御手段は、検出された圧力，ＣＯ濃度および前記排ガス流量規制手段により規制された排ガス流量に基づいて炉からの発生ガス流量を算出し、炉発生ガス流量，検出圧力に対応する炉口空気侵入流量および排気道に供給する助燃空気流量と排ガスＣＯ濃度との関係を規定する演算式を満す、前記算出した発生ガス流量および炉口空気侵入流量にて排ガスＣＯ濃度が目標ＣＯ濃度となる助燃空気目標流量、を算出する、請求項１記載の炉排ガスのＣＯ濃度の制御装置。
フィ−ドフォワ−ド制御手段は、圧力設定値，ＣＯ濃度および前記排ガス流量規制手段により規制された排ガス流量に基づいて炉からの発生ガス流量を算出し、炉発生ガス流量，圧力設定値に対応する炉口空気侵入流量および排気道に供給する助燃空気流量と排ガスＣＯ濃度との関係を規定する演算式を満す、前記算出した発生ガス流量および炉口空気侵入流量にて排ガスＣＯ濃度が目標ＣＯ濃度となる助燃空気目標流量、を算出する、請求項１記載の炉排ガスのＣＯ濃度の制御装置。