JP3716128B2 - 燃焼炉廃棄物焼却炉の燃焼方法及び燃焼装置 - Google Patents
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【発明の属する技術分野】
本発明は、廃棄物、石炭等の固体燃料、石油等の液体燃料、可燃性ガス等の気体燃料を燃焼させる燃焼炉に係り、特に該燃料の燃焼により生成される排ガスから熱回収をして蒸気を発生させる熱回収器の蒸気流量を安定化させ、該燃料の燃焼を安定化させる燃焼炉の燃焼方法及び燃焼装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
廃棄物、石炭等の固体燃料、石油等の液体燃料、可燃性ガス等の気体燃料を燃焼させる燃焼炉では、該燃料の燃焼により生じた排ガスの熱エネルギーを回収するためボイラなどの熱回収器を備え、該熱回収器で発生した蒸気をタービンで発電する場合が多く、該熱回収器において安定した蒸気流量を得る事が望まれている。
【0003】
従来技術として、特に都市ゴミ又は産業廃棄物等を燃料とする燃焼炉を代表例として、そ廃棄物燃焼炉の概略構成を図10に示す。燃焼炉廃棄物焼却炉1において、該燃料は燃料供給口2から燃料押込装置3により燃焼室15に押し込まれ、燃焼室15の内部に設けられた火格子4上で乾燥、燃焼、おき燃焼され灰となり、該灰は灰排出口5より炉外に排出される。前記燃料の供給量は、燃料押込装置3の押し込み運動と、火格子4を構成する可動段を往復運動させる火格子摺動装置14の往復運動により増減される。火格子4上で燃料が燃焼することにより生じた排ガスの熱エネルギーを回収するボイラ7が、燃焼室15の下流に位置する排ガス通路12に設置されている。ボイラ7は、排ガスをボイラ水と熱交換させる熱交換器7bと、ボイラ水から蒸気を発生させる蒸気発生器7aを有している。蒸気発生器7aで発生した蒸気は、図示してないタービンにより発電をする等に利用される。前記排ガスは排ガス処理装置13にて有害物質が除去された後、煙突16より排気される。
【0004】
ボイラ7において、安定した蒸気流量を得るために、ボイラ7の蒸気出口部に設置された蒸気流量計11の測定値と目標値の偏差に基づき、前記燃料の供給量の制御が行われている。即ち、ボイラ7の蒸気流量が所定の目標値を上回る場合、燃料供給を止め、該蒸気流量が所定の目標値を下回る場合、燃料供給を開始する。この場合、排ガス通路12に設けられた熱交換器7bにおいて排ガスの熱がボイラ水に伝えられ蒸気流量の変化に現れるまでに時間遅れがあり、該時間遅れが蒸気流量の変動をもたらし安定した蒸気流量を得ることが難しいとの問題があった。そこで、発明者の知見によれば、非接触式温度センサ6によりリアルタイムで測定した排ガス温度と、ボイラ7の蒸気流量計11により測定した蒸気流量を用いて、燃焼炉1廃棄物燃焼炉の燃料供給量を制御する着想がある。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
前記の非接触式温度センサによりリアルタイムで測定した排ガス温度と、ボイラの蒸気流量計により測定した蒸気流量を用いて、燃焼炉廃棄物燃焼炉の燃料供給量を制御して、安定した蒸気流量を得る着想はあったが、その具体的手段が完成していないとの問題があった。
さらに、近年、環境対策としてダイオキシン及びNOxの発生低減のために燃料の燃焼を安定化させる必要性も高まっている。
【0006】
本発明は、上記問題点の少なくとも一つを解決するためになされたもので、燃料の燃焼により生成した排ガスから熱回収をするボイラなどの熱回収器で発生した蒸気流量の測定値から、排ガス温度の時間変化に対する前記熱回収器の蒸気流量の時間変化の遅れを加味した排ガス温度の基準値を求め、該基準値と排ガス温度の測定値との比較で燃料を制御する燃焼方法及び燃焼装置の提供を目的とするものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、請求項1記載の発明は、
燃料の燃焼により生成した排ガスから熱回収をして蒸気を発生させる熱回収器を有する燃焼炉において、
前記熱回収器で発生した蒸気流量の測定値から、排ガス温度の時間変化に対する熱回収器の蒸気流量の時間変化の遅れを加味した排ガス温度の基準値を求め、該基準値と排ガス温度の測定値との比較で燃料を制御する事を特徴とする。
【0008】
請求項2記載の発明は、請求項1記載の基準値を、前記熱回収器で発生した蒸気流量の測定値と所定の設定値の偏差にゲインを乗じた値に、排ガス温度の測定値の時間平均値を加えることにより求め、
排ガス温度の測定値と前記基準値の偏差を用いて前記燃料の供給量を制御する事を特徴とする。
【0009】
請求項3記載の発明は、請求項1又は2記載の燃料供給量の制御において、排ガス温度の測定値と前記基準値の偏差の時間平均値が所定の判断値と比較して大きな値から小さな値に遷移した場合は燃料供給量を増やし、該偏差の時間平均値が所定の判断値と比較して小さな値から大きな値に遷移した場合は燃料供給量を減らす事を特徴とする。
【0010】
請求項4記載の発明は、請求項1乃至3記載の発明をより効果的に実施するために、前記燃料供給量の制御において、排ガス温度の測定値と前記基準値の偏差が、所定の第1上限値以上となり更に大きな第2上限値以上となった場合に、該偏差と比較すべき上限判断値を第2上限値とし、所定の時間経過後に該上限判断値を第2上限値から第1上限値まで徐々に戻す事を特徴とする。
【0011】
請求項5の発明は、請求項1乃至4記載の発明をより効果的に実施するために、前記燃料供給量の制御において、排ガス温度の測定値と前記基準値の偏差が、所定の第1下限値以下となり更に小さな第2下限値以下となった場合に、燃料供給量を減らす事を特徴とする。
【0012】
請求項6の発明は、請求項1乃至5記載の発明において、燃料を燃料供給口から炉内に押し込む燃料押込装置と、該押し込まれた燃料を燃焼させる火格子と、該火格子を構成する可動段を往復運動させる火格子摺動装置とを備えた燃焼炉廃棄物焼却炉において、
前記燃料供給量を増やす場合は、前記燃料押込装置の押し込み運動又は前記火格子摺動装置の往復運動の少なくとも一方の速度を増加させ、前記燃料供給量を減らす場合は、前記燃料押込装置の押し込み運動又は前記火格子摺動装置の往復運度の少なくとも一方の速度を減少させる事により前記燃料供給量の増減を制御する事を特徴とする。
【0013】
請求項7の発明は、燃料の燃焼により生成した排ガスから熱回収をして蒸気を発生させる熱回収器を有する燃焼炉において、
前記熱回収器の蒸気流量を測定する蒸気流量計と、
排ガス温度を測定する温度センサと、
前記蒸気流量計の測定値から、排ガス温度の時間変化に対する蒸気流量の時間変化の遅れを加味した排ガス温度の基準値を求め、該基準値と排ガス温度の測定値との比較で燃料を制御する制御装置とを備えた事を特徴とする。
【0014】
請求項8の発明は、請求項7記載の発明において、前記燃料供給制御装置が、
前記温度センサの測定値の時間平均をする温度時間平均処理器と、
前記蒸気流量計の測定値と所定の設定値の偏差にゲインを乗じた値を前記温度時間平均処理器の出力値に加えた値を基準値とし、前記温度センサの測定値と前記基準値の偏差を求め、該偏差と所定の判断値の大きさを比較する上下限比較器と、
該上下限比較器の出力値を用いて前記燃料の供給量を制御する制御装置とを備えた事を特徴とする。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図1ないし図6に示す実施例に基づいて説明する。ただし、この実施例に記載されている構成部品の寸法、形状、その相対的位置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明にすぎない。なお図11の従来例と同一部材については同一符号を使用する。
【0016】
図1は本発明の実施形態の一つである燃焼供給制御装置10における制御回路の概略構成を示す。温度センサは、燃料の燃焼により生成した排ガスの温度を測定するために、燃焼室15の下流に位置する排ガス通路12に設けられる。リアルタイムで測定した排ガス温度を用いてボイラ7などの熱回収器の蒸気流量を制御するため、前記温度センサは好ましくはボイラ7などの熱回収器の近傍に設けられる。排ガス温度をリアルタイムで測定するために、温度センサは赤外線放射温度計を代表例とする非接触温度センサ6が好ましい。排ガス中にすすや煤塵が多く計測窓が汚れやすい場合は非接触温度センサ6として音響式ガス温度計を用いる。タービンなどで利用される蒸気を安定させるために、蒸気流量計11はボイラ7などの熱回収器の好ましくは蒸気出口部に設置され、タービンで利用される蒸気とほぼ同じ条件の蒸気流量を測定する。非接触式温度センサ6と蒸気流量計11は、燃焼供給制御装置10に電気的に接続されている。燃焼供給制御装置10は、燃料押込装置3を駆動する油圧シリンダなどの燃料押込装置用駆動部8と、火格子摺動装置14を駆動する油圧シリンダなどの火格子摺動装置用駆動部9に電気的に接続されている。
【0017】
燃焼供給制御装置10における制御方法を具体的に示す。蒸気流量計11で測定した蒸気流量とあらかじめ入力された蒸気流量の設定値との偏差にゲイン(利得)を乗じた値に、非接触式温度センサ6により測定した排ガス温度を温度時間平均処理器21により時間平均した値を加えて排ガス温度の基準値を算出する。ここで、ゲインの値は、排ガス温度と蒸気流量の単位換算及び排ガス温度の時間変化に対するボイラ7における蒸気流量の時間変化の遅れを考慮して決められる。また、非接触式温度センサ6によりリアルタイムで測定した排ガス温度を温度時間平均処理器21で時間平均する時間は、排ガス温度の時間変化に対するボイラ7における蒸気流量の時間変化の遅れなどを考慮して決めるが、代表的には非接触式温度センサ6の測定直前10分間程度である。非接触式温度センサ6によりリアルタイムで測定した排ガス温度と該排ガス温度の測定時刻で算出した前記基準値との偏差を、偏差時間平均処理器22により時間平均して上下限比較器23に入力する。排ガス温度と前記基準値の偏差は、時間平均しないで直接上下限比較器23に入力する場合もある。上下限比較器23では、偏差時間平均処理器22の出力値とあらかじめ入力した所定の判断値とを比較し、その結果を用いて燃料供給量を制御する。排ガス温度は非接触温度センサ6によりリアルタイムで測定できるため、非接触温度センサ6で測定した排ガス温度と蒸気流量計11で測定したボイラの蒸気流量の両者を用いて燃料供給量を制御する場合の方が、該蒸気流量のみを用いて燃料供給量を制御する場合より、時間遅れなく燃料供給量を制御でき、その結果として、該排ガス温度及び蒸気流量が安定化できる。
【0018】
さらに具体的な制御方法を図2から図5に示す。図2に示すように、偏差時間平均処理器22の出力値が所定の判断値と比較して大きな値から小さな値に遷移した場合は燃料供給量を増やし(制御信号ON)、偏差時間平均処理器22の出力値が所定の判断値と比較して小さな値から大きな値に遷移した場合は燃料供給量を減らす(制御信号OFF)ような制御信号を燃料押込装置用駆動部8と火格子摺動装置用駆動部9へ送る。偏差時間平均処理器22の出力値は、排ガス温度の時間変化に対するボイラ7などの熱回収器の蒸気流量の時間変化の遅れを加味した排ガス温度の基準値と、リアルタイムで測定した排ガス温度の偏差である。従って、偏差時間平均処理器22の出力が下がり始め所定の判断値以下となれば燃料供給量を増やすため、実質的に排ガス温度の下降を抑制できる。逆に偏差時間平均処理器22の出力が上がり始め所定の判断値以上となれば燃料供給量を減らすため、実質的に排ガス温度の上昇を抑制できる。即ち、排ガス温度が安定化できる。さらに、排ガス温度は蒸気流量と密接な関係がある事及び偏差時間平均処理器22の出力は排ガス温度の時間変化に対するボイラ7の蒸気流量の時間変化の遅れを加味した排ガス温度の基準値とリアルタイムの排ガス温度との偏差であり排ガス温度そのものの値ではない事などの理由により、偏差時間平均処理器22の出力値を用いて燃料供給量を制御する事により、ボイラ7の蒸気流量も安定化できる。
【0019】
一方、前述の通り偏差時間平均処理器22の出力値が上昇している場合は、該出力値を下降させるように燃料供給量を減らすが、燃料供給量を減らし過ぎると、該出力値が下降に転じた場合に燃焼させるべき十分な燃料が不足する状態になる。そこで、偏差時間平均処理器22の出力値が、所定の第1上限値より更に大きな第2上限値以上となった場合に、図3に示すように偏差時間平均処理器22の出力値と比較すべき上限判断値を第2上限値と置き換え、所定時間経過後に前記比較すべき上限判断値を第2上限値から第1上限値まで徐々に戻す。これにより、偏差時間平均処理器22の出力値が下がり始めた場合に、前記比較すべき上限判断値が第1上限値より大きな第2上限値になっているため、前記比較すべき上限判断値が第1上限値の場合より時間的に早い時点で燃料供給量を増やす制御信号(制御信号ON)とすることができ、燃料押込装置用駆動部8と火格子摺動装置用駆動部9を先行させて動作させる事が可能で、偏差時間平均処理器22の出力値の下降を時間的に早い時点で抑制できる。これにより、燃料供給量を先行して増やす制御ができるため、燃料供給量が不足する状態が避けられる。
【0020】
さらに、偏差時間平均処理器22の出力値が下降している状態では、該出力値を上昇するように燃料供給量を増やすが、燃料供給量を増やし過ぎると、燃焼室15における火格子4上のごみ燃焼領域が燃料で埋まってしまい却って燃焼を妨げる現象が起きる。そこで、図4に示すように偏差時間処理器22の出力値が、所定の第1下限値より更に小さな第2下限値以下となった場合に、偏差時間平均処理器22の出力値と比較すべき下限判断値を第2下限値より更に小さい第3下限値と置き換え、所定時間経過後に前記下限判断値を第3下限値から第1下限値まで徐々に戻す。これにより、前記比較すべき下限判断値を第2下限値より更に小さい第3下限値に置き換えた時点で、偏差時間平均処理器22の出力値が前記比較すべき下限判断値より大きな値となり燃料供給量を減らす制御信号(制御信号OFF)となる。即ち、偏差時間平均処理器22の出力値が、第3下限値となる前に、第2下限値以下となった時点で燃料供給量を先行して減らす事ができ、燃料を過剰に増やす制御を回避して、燃焼室15における火格子4上の燃焼領域が燃料で埋まってしまう事態を避ける事ができる。
以上をまとめた制御フロー図を図5に示す。
【0021】
前記燃料供給量の増減の制御は、燃料供給量を増やす場合は、燃料押込装置3の押し込み運動又は火格子摺動装置14の往復運動の少なくとも一方の速度を増加させるように、それぞれの運動に対応する燃料押込装置用駆動部8又は火格子摺動装置用駆動部9を駆動させる。逆に、燃料供給量を減らす場合は、燃料押込装置3の押し込み運動又は火格子摺動装置14の往復運動の少なくとも一方の速度を減少させるように、それぞれの運動に対応する燃料押込装置用駆動部8又は火格子摺動装置用駆動部9を駆動させる。燃料押込装置3の押し込み運動と火格子摺動装置14の往復運動の速度を制御して、燃料供給量の増減を制御しているため、燃焼炉1のごみ燃焼領域におけるごみの量を均一に分布することができ、燃焼を安定させることができる。
【0022】
非接触式温度センサ6(ここでは赤外線放射温度計を用いた)により測定した排ガス温度及びボイラ7の蒸気流量計11により測定した蒸気流量を、従来技術及び本発明の燃焼方法と燃焼装置を用いて燃料供給量を制御した場合それぞれについて図6及び図7に示す。従来技術の燃焼方法及び燃焼装置より、前記本発明による燃焼方法及び燃焼装置を採用した方が、排ガス温度及びボイラ7の蒸気流量ともに安定化できている。
【0023】
さらに、排ガス用煙突16入り口部における酸素(O2)濃度、一酸化炭素(CO)濃度、窒素酸化物(NOx)濃度を、従来技術及び本発明による燃焼方法と燃焼装置を用いて燃料供給量を制御した場合廃棄物それぞれについて図8及び図9に示す。従来技術の燃焼方法及び燃焼装置より、前記本発明による燃焼方法及び燃焼装置を採用した方が、燃焼が安定して、ダイオキシンの代替指標となる排ガスの煙突16入り口部におけるCO濃度の絶対値及び変動幅が小さくなっている。さらに、排ガスの煙突16入り口部におけるO2濃度の変動幅並びにNOx濃度の絶対値及び変動幅も小さくなっている。
【0024】
【発明の効果】
以上詳述したように、請求項1、2、3、7及び8記載の発明によれば、非接触温度計によりリアルタイムで測定した排ガス温度と蒸気流量計により測定したボイラの蒸気流量を用いて燃料供給量を制御しているため、時間遅れなく燃料供給量を制御でき、その結果として、該排ガス温度及び蒸気流量が安定化できる。即ち、燃焼が安定化でき、ダイオキシンの代替指標となる排ガスの煙突入り口部におけるCO濃度の絶対値及び変動幅が小さくできる。さらに、排ガスの煙突入り口部におけるO2濃度の変動幅並びにNOx濃度の絶対値及び変動幅も小さくできる。
【0025】
また、請求項4記載の発明によれば、請求項1乃至3記載の発明の効果に加えて、燃料供給量を先行して増やす制御ができるため、燃料供給量が不足する状態が避けられる。
【0026】
また、請求項5記載の発明によれば、請求項1乃至4記載のいずれかの発明の効果に加えて、燃料供給量を先行して減らす事で、燃料を過剰に増やす制御を回避して、燃焼炉の燃焼領域が燃料で埋まってしまう事態を避ける事ができる。
【0027】
また、請求項6乃至8のいずれかに記載の発明によれば、請求項1乃至5記載のいずれかの発明の効果に加えて、燃料押込装置の押し込み運動と火格子摺動装置の往復運動の速度を制御して、燃料供給量の増減を制御しているため、燃焼炉のごみ燃焼領域におけるごみの量を均一に分布することができ、燃焼を安定させることができる。
【0028】
さらに、請求項7又は8記載の発明によれば、非接触式温度センサにより排ガス温度の検出を時間遅れなく行い、燃料押込装置の押し込み運動と火格子摺動装置の往復運動を適切に制御し、ごみの投入過少及び投入過多も制限してるため、燃焼が安定化できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態の一例を示す燃焼装置における制御回路の概略構成図である。
【図2】本発明の実施形態の一例を示す具体的な制御方法の説明図である。
【図3】本発明の実施形態の一例を示す具体的な制御方法(上限判断値)の説明図である。
【図4】本発明の実施形態の一例を示す具体的な制御方法(下限判断値)の説明図である。
【図5】本発明の実施形態の一例を示す具体的な制御フロー図である。
【図6】従来技術による燃焼方法及び燃焼装置を採用した燃焼炉廃棄物焼却炉の排ガス温度及びボイラの蒸気流量の時間変化を示す図である。
【図7】本発明の燃焼方法及び燃焼装置を採用した燃焼炉廃棄物焼却炉の排ガス温度及びボイラの蒸気流量の時間変化を示す図である。
【図8】従来技術の燃焼方法及び燃焼装置を採用した燃焼炉廃棄物焼却炉の排ガス用煙突入り口部における酸素(O2)濃度、一酸化炭素(CO)濃度、窒素酸化物(NOx)濃度の時間変化を示す図である。
【図9】本発明の燃焼方法及び燃焼装置を採用した燃焼炉廃棄物焼却炉の排ガス用煙突入り口部における酸素(O2)濃度、一酸化炭素(CO)濃度、窒素酸化物(NOx)濃度の時間変化を示す図である。
【図10】従来の燃焼炉の説明図である。
【符号の説明】
1 燃焼炉廃棄物焼却炉
3 燃料押込装置
4 火格子
7 ボイラ
8 燃料押込装置用駆動部
9 火格子摺動装置用駆動部
10 燃料供給制御装置
11 蒸気流量計
12 排ガス通路
14 火格子摺動装置
21 温度時間平均処理器
22 偏差時間平均処理器
23 上下限比較器
Claims (8)
- 燃料の燃焼により生成した排ガスから熱回収をして蒸気を発生させる熱回収器を有する燃焼炉において、
前記熱回収器で発生した蒸気流量の測定値から、排ガス温度の時間変化に対する熱回収器の蒸気流量の時間変化の遅れを加味した排ガス温度の基準値を求め、該基準値と排ガス温度の測定値との比較で燃料を制御する事を特徴とする燃焼炉の燃焼方法。 - 前記基準値を、前記熱回収器で発生した蒸気流量の測定値と所定の設定値の偏差にゲインを乗じた値に、排ガス温度の測定値の時間平均値を加えることにより求め、
排ガス温度の測定値と前記基準値の偏差を用いて前記燃料の供給量を制御する事を特徴とする請求項1記載の燃焼炉廃棄物焼却炉の燃焼方法。 - 前記燃料供給量の制御において、排ガス温度の測定値と前記基準値の偏差の時間平均値が所定の判断値と比較して大きな値から小さな値に遷移した場合は燃料供給量を増やし、該偏差の時間平均値が所定の判断値と比較して小さな値から大きな値に遷移した場合は燃料供給量を減らす事を特徴とする請求項1又は2記載の燃焼炉廃棄物焼却炉の燃焼方法。
- 前記燃料供給量の制御において、排ガス温度の測定値と前記基準値の偏差が、所定の第1上限値以上となり更に大きな第2上限値以上となった場合に、該偏差と比較すべき上限判断値を第2上限値とし、所定の時間経過後に該上限判断値を第2上限値から第1上限値まで徐々に戻す事を特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の燃焼炉廃棄物焼却炉の燃焼方法。
- 前記燃料供給量の制御において、排ガス温度の測定値と前記基準値の偏差が、所定の第1下限値以下となり更に小さな第2下限値以下となった場合に、燃料供給量を減らす事を特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の燃焼炉廃棄物焼却炉の燃焼方法。
- 燃料を燃料供給口から炉内に押し込む燃料押込装置と、該押し込まれた燃料を燃焼させる火格子と、該火格子を構成する可動段を往復運動させる火格子摺動装置とを備えた燃焼炉廃棄物焼却炉において、
前記燃料供給量を増やす場合は、前記燃料押込装置の押し込み運動又は前記火格子摺動装置の往復運動の少なくとも一方の速度を増加させ、前記燃料供給量を減らす場合は、前記燃料押込装置の押し込み運動又は前記火格子摺動装置の往復運度の少なくとも一方の速度を減少させる事により前記燃料供給量の増減を制御する事を特徴とする請求項1乃至5いずれかに記載の燃焼炉廃棄物焼却炉の燃焼方法。 - 燃料の燃焼により生成した排ガスから熱回収をして蒸気を発生させる熱回収器を有する燃焼炉において、
前記熱回収器の蒸気流量を測定する蒸気流量計と、
排ガス温度を測定する温度センサと、
前記蒸気流量計の測定値から、排ガス温度の時間変化に対する蒸気流量の時間変化の遅れを加味した排ガス温度の基準値を求め、該基準値と排ガス温度の測定値との比較で燃料を制御する燃料供給制御装置とを備えた事を特徴とする燃焼炉廃棄物焼却炉の燃焼装置。 - 前記燃料供給制御装置が、
前記温度センサの測定値の時間平均をする温度時間平均処理器と、
前記蒸気流量計の測定値と所定の設定値の偏差にゲインを乗じた値を前記温度時間平均処理器の出力値に加えた値を基準値とし、前記温度センサの測定値と前記基準値の偏差を求め、該偏差と所定の判断値の大きさを比較する上下限比較器と、
該上下限比較器の出力値を用いて前記燃料の供給量を制御する制御装置とを備えた事を特徴とする請求項7記載の燃焼炉廃棄物焼却炉の燃焼装置。
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