JP4184291B2

JP4184291B2 - ストーカ型ごみ焼却炉によるごみの燃焼方法

Info

Publication number: JP4184291B2
Application number: JP2004021631A
Authority: JP
Inventors: 吉司松田; 博之藤川
Original assignee: Takuma KK
Current assignee: Takuma KK
Priority date: 2004-01-29
Filing date: 2004-01-29
Publication date: 2008-11-19
Anticipated expiration: 2024-01-29
Also published as: JP2005214513A

Description

本発明はストーカ型ごみ焼却炉によるごみの燃焼方法の改良に関するものであり、走査型赤外線放射温度計を用いてストーカ上のごみの燃焼中心位置と燃切り位置の両者を連続的に検出し、燃焼中心位置及び燃切り位置を設定位置に保持するようにごみ供給量（ごみ熱量）や燃焼空気量を制御すると共に、ごみ枯れ等により燃焼状態が非定常燃焼状態になった際には、ファジィ推論により燃焼状態を判断してこれに応じたごみ枯れ等の補正量を出力し、燃焼状態を定常状態に帰置させることを可能とした燃焼中心／燃切点中心検出による燃焼制御を主体とするストーカ型ごみ焼却炉によるごみの燃焼方法に関するものである。

近年、ストーカ式ごみ焼却炉に於いては、排ガスの低ＮＯ_X化やダイオキシンの発生防止を図って環境汚損を防止すると共に、熱回収の高効率化及び排ガス処理設備の小型化等を図るために、所謂次世代型燃焼方式が広く採用されている。

図５は、この種の燃焼方式を採用したストーカ型ごみ焼却炉の一例を示すものであり、乾燥ストーカ１０ａ・燃焼ストーカ１０ｂ、後燃焼ストーカ１０ｃから成るストーカ１０の下方から一次燃焼空気Ａ₁を供給すると共に、後燃焼ストーカ１０ｃ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１２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１０ａ及び燃焼ストーカ１０ｂ上で発生する燃焼ガスＧを攪拌・混合して一次燃焼室１２と二次燃焼室１３との間に還元ゾーン２５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１３内へ吹き込むと共に、二次燃焼室１３内へ二次燃焼空気Ａ₂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。

尚、図５に於いて、１はごみ焼却炉、２は廃熱ボイラ、３は過熱器、４はエコノマイザ、５は脱気ヒータ、６はバグフィルタ、７は誘引通風機、８は炉本体、９はごみ供給ホッパ、１１はストーカ下ホッパ、１４は灰出口、１５は排ガス出口、１６は一次燃焼空気供給装置、１７は再循環ガス通路、１８は再循環ガス送風機、１９は還流ガス通路、２０は還流ガス送風機、２１は熱交換器、２２は二次燃焼空気供給管路、２３はダンパ、２４は酸素濃度検出器、２５は還元ゾーン、２６は一次燃焼空気供給管路、２７は一次燃焼空気送風機である。

又、炉本体内の都市ごみ等の燃焼制御は、工業用テレビによる画像処理や放射温度計による温度測定によって燃焼ストーカ１０ｂ上の燃切り位置を検出し、これに基づいて一次燃焼空気Ａ₁の供給量やストーカ１０の作動速度等を自動調整することを基本として行われており、これに炉出口排ガス内のダイオキシン前躯体類濃度や酸素濃度、ストーカ上のごみ表面温度やごみ層厚さ、供給したごみの保有発熱量や焼却量（ごみ供給量）、廃熱ボイラの蒸気発生量、還流ガスＧ’内のＣＯ濃度やＯ₂濃度等を制御要素として、前記基本の燃焼制御に適宜に組み合せ使用されている。

特開昭５５−３５８９０号公報特開２００３−３２９２２９号公報特開２００３−３２２３２１号公報特開２００３−１０６５０９号公報

而して、従前のストーカ型ごみ焼却炉に於いては、ごみの燃切り位置又は燃焼ストーカ上のごみの表面温度の何れかを制御要素としてごみ供給量（ストーカ速度や給じんストーカ速度）や燃焼空気供給量の制御を行なうように構成されている。そのため、例えば燃切り位置が所定の位置に制御されていても、ごみ質によっては、燃焼中心位置（燃焼中のごみの最高温度点）が炉本体内の最適なガス流れが得られる位置よりも大きくずれることがあり、結果として最も望ましい燃焼状態を実現できなくなると云う問題がある。

同様に、燃焼中心位置のみを主要な制御要素とする場合には、燃焼中心位置が所定の位置に制御されていても、ごみ質に変動等があった場合には、燃切り位置が望ましい位置より大きくずれることがあり、この場合には還流ガスＧ’内のＣＯやＣＯ₂、Ｏ₂、酸性ガス等の濃度が変動し、還元ゾーン２５の形成が不十分になってＮＯ_XやＣＯ、ダイオキシン類の濃度が増加したり、或いは還流ガス通路１９内の機器類の腐食が激しくなる等の問題が生ずることになる。

更に、従前のストーカ型ごみ焼却炉に於いては、ごみ質の大幅な変動やごみ枯れ等によって燃焼状態が大きく変動し、所謂非定常状態の燃焼状態に入った場合には、プロセスの応答性が定常燃焼状態とは大きく変化するため自動燃焼制御機能を喪失することになり、極端な場合にはストーカ炉の運転が自動停止に陥るという問題がある。

本願発明は、従前のストーカ型ごみ焼却炉に於ける上述の如き問題、即ち（１）燃切り位置のみを制御要素とする燃焼制御にあっては、ベストな燃焼状態を実現し難いこと、及び（２）燃焼状態が大きく変動して非定常な燃焼状態になると、自動燃焼制御の機能が発揮されずにストーカ炉の運転停止に至る危険があること、等の問題を解決せんとするものであり、一基の走査型赤外線温度計によってストーカ上の燃焼中心位置と燃切り位置の両方を連続的に検出すると共に、両検出位置を制御要素として用いることにより、常にベストな制御状態が実現できると共に、ごみ枯れ等が生じて燃焼状態が非定常状態になったとしても、その状態に対応した補正量をファジィ推論して基本の燃焼制御系へ出力し、ストーカ炉の運転を非定常状態から復帰させることが出来るようにしたストーカ式ごみ焼却炉によるごみの燃焼を提供せんとするものである。

本発明の請求項１に記載の発明は、ストーカ型ごみ焼却炉によるごみの燃焼方法に於いて、ストーカの上方に設けた走査型赤外線放射温度計によりストーカ上の各部のごみ表面温度を連続的に検出し、当該検出したごみ表面温度の最高温度からストーカ上のごみ燃焼中心位置を、また当該検出したごみ表面温度の最大低下率からストーカ上のごみの燃切り位置を夫々検出し、前記ストーカ上のごみ燃焼中心位置及び燃切り位置を設定位置に保持するようにストーカ速度並びに一次燃焼空気の分配量を夫々基本制御方式により制御し、且つ、前記走査型赤外線放射温度計により検出したストーカ上のごみ燃焼中心位置及び燃切り位置が異常又は大幅な変動のときには、ファジィ制御方式によりストーカ速度を調整するようにしたことを発明の基本構成とするものである。

請求項２の発明は、請求項１の発明に於いて、ごみ燃焼中心位置が設定値の上流側へ変動すると共に燃切り位置が設定値の下流側へ変動したとき、又は、ごみ燃焼中心位置が設定値の下流側へ変動すると共に燃切り位置が設定値の上流側へ変動したときには、ファジィ制御方式によりストーカ速度を調整するようにしたものである。

請求項３の発明は、請求項１の発明に於いて、走査型赤外線放射温度計により検出した燃焼中心位置の変動から燃焼ストーカ上のごみの燃焼状態を判断し、燃焼ストーカへの一次空気分配量を調整してごみを燃焼ストーカ上の適切な位置で燃やすようにしたものである。

請求項４の発明は、請求項１の発明に於いて、走査型赤外線温度計により検出した燃切り位置が設定位置より下流側に位置するときには、後燃焼ストーカへの空気量を増加してごみを燃やし切るようにしたものである。

本発明に於いては、一台の走査型赤外線放射温度計を用いてストーカ上のほぼ全域のごみ表面温度を連続的に検知するようにしているため、従前の赤外線放射温度計を用いたストーカ炉に比較して、検知装置の設備費の高騰を招くことなしに高精度な燃焼制御を行なうことができる。

また、本願発明では、走査型赤外線放射温度計により検知したストーカ上のごみ表面温度から、燃焼中心位置と燃切り位置の両方を演算し、これ等二つの制御要素を用いて燃焼ストーカ速度や給じん装置の作動速度、燃焼空気量等を制御する基本燃焼制御方式によりごみ燃焼を行うと共に、上記燃焼中心位置の検出値と燃切り位置の検出値を対比して、これ等が異常又は大きく変動するときには、燃焼状態が非定常状態にあると判断してファジィ制御方式によりストーカ速度等を制御する構成としている。
その結果、基本燃焼制御方式によりより高精度な燃焼制御が行なえると共に、ごみ枯れやごみ質の大幅な変動が急激に起こっても、ファジィ制御によってごみ焼却炉が運転停止の状態に陥るのを防止することが出来、排ガス中の低ＮＯ_X、低ダイオキシン濃度を保持した安定したストーカ型ごみ焼却炉の自動運転が可能となる。

以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明に係るごみの燃焼方法を実施したストーカ型ごみ焼却炉の全体系統図であり、前記図５の場合と同一の部位・部材には、これと同じ参照番号が付されている。
また、図１に於いて、２４は酸素濃度検出装置、２４ａはＯ₂センサ、３０は制御装置、３１は供給ごみ検出装置、３１ａはごみ検出センサ、３２は燃焼中心・燃切り位置検出装置、３２ａはストーカ上の温度検出センサ（走査型赤外線放射温度計）、３３は二次空気制御装置、３４は給じん制御装置、３５はストーカ制御装置、３６は一次空気制御装置、３７は還流ガス制御装置であり、本願発明に於いて主要な機能を分担する機器・装置である。
尚、ストーカ型ごみ焼却炉の機械的構成等は公知であるため、ここではその詳細な説明は省略する。

前記燃焼中心・燃切り位置検出装置３２は、走査型赤外線放射温度計から成るストーカ上のごみ表面温度検出センサ３２ａからの検出信号（即ち、炉内ごみ表面温度分布の検出値）により、燃焼中心及び燃切り位置を検出し、制御装置３０を介してストーカ速度制御装置３５及び一次空気制御装置３６等を制御することにより、燃焼中心位置及び燃切り位置を設定位置に保持するものである。

尚、燃焼中心位置及び燃切り位置が設定位置に保持されることにより、炉本体８内、特に一次燃焼室１２や還元ゾーン２５内の燃焼ガスＧの流れが、ごみの完全且つ理想的な燃焼を行う上で最適な形態の流れとなり、所謂低ＮO_X及び低ダイオキシン等の理想的なごみの完全燃焼を行うことが出来る。

図２は、処理能力８５Ｔ／Ｄａｙのストーカ型ごみ焼却炉（被燃焼物は都市ごみ）に於いて、走査型赤外線放射温度計を用いてストーカ上のごみ表面温度を検出した場合の値を示すものであり、曲線Ａは現在の温度分布、Ｐは燃焼中心位置、Ｋは燃切り位置を示すものである。尚、図１に於いて縦軸は温度℃、横軸は走査角Ｄｅｇである。

又、前記燃焼中心位置Ｐはストーカ上のごみ表面温度の最高温度点の位置とし、更に、燃切り位置Ｋはその温度変化の最大位置（温度下降率の最大位置）としている。
尚、ストーカ上のごみ表面温度検出センサ３２ａを構成する走査型赤外線放射温度計を使用しているが、走査型赤外線放射温度計そのものは公知であるため、ここではその説明を省略する。
また、本実施形態に於いては、燃焼中心位置Ｐと燃切り位置Ｋの何れか一方又は両方が設定位置よりずれた場合には、後述するように基本的には燃焼空気バランスの制御により、また、前記ずれが大きい場合には、ストーカ速度制御と燃焼空気のバランス制御の両方により、これを修正するようにしている。

図３は、本発明に係るストーカ型ごみ焼却炉の燃焼制御を示すブロック構成図であり、当該制御方法は基本制御部（基本制御方式）Ｂとファジィ制御部（ファジィ制御方式）Ｃの二つの部分から構成されている。

また、前記基本制御部Ｂは、炉本体内へ投入されるごみ量（ごみ熱量）を設定値に保持するように給じん装置２９やストーカ１０の速度を調整する供給ごみ熱量制御Ｂ₁と、一次燃焼空気量Ａ₁とごみ量とのバランスのずれをストーカ１０の速度調整により補正する空燃比制御Ｂ₂と、ボイラ蒸発量を設定値に保持するように一次燃焼空気量及び給じんストーカ２９等の作動速度を調整する燃焼熱量制御Ｂ₃と、O₂濃度の測定値により二次空気量を調整する二次空気リアルタイム制御Ｂ₄と、燃焼中心・燃切り位置のずれを一次燃焼空気量の調整又はこれとストーカ速度調整との併合により補正する燃焼中心位置等制御Ｂ₅等から形成されており、何れも所謂偏差の大きさによりＰ１Ｄの比例ゲインを自動変更する公知の可変ゲインＰ１Ｄが採用されている。

また、前記ファジィ制御部Ｃは、ごみ枯れやごみ質の大幅且つ急激な変動が発生して燃焼状態が所謂非定常状態になった際に、燃焼状態を複数条件により判断して燃焼状態の変動に対応するため、多変数ロジックを用いたファジィ推論によりその状態に応じた各補正量を出力し、燃焼制御を非定常状態から定常状態へ戻す復帰制御を行うものである。

具体的には、例えばある程度のごみ供給量の変動に対しては、前記ごみ供給熱量補正Ｂ₁や空燃比補正Ｂ₂等で対応できるが、極端なごみ枯れが生じた場合には、ファジィ制御部Ｃによりストーカ速度を制御することにより、ごみ枯れ時の非定常状態に対応することになる。

尚、本実施形態に於いては、各ストーカへの分配空気量（即ち、予め設定された各空気比率）は、予め決まっている。
前記燃焼中心・燃切り位置検出装置３２の検出値により後述のように、ストーカへの空気分配量が補正される。

前記各ストーカへの分配空気量は、燃焼中心・燃切り位置検出装置３２によって、燃焼中心位置の変動に応じて調整される。
具体的には、燃焼空気の分配量補正は、下記のようにして行われる。
ａ．燃焼中心位置が奥（乾燥側）のときは、燃焼ストーカ前方の空気量を減らし、
燃焼ストーカ後方の空気量を増やし、中心位置を手前（後燃焼側）へ移す。
ｂ．燃焼中心位置が手前（後燃焼側）のときは、燃焼ストーカ前方の空気量を増やし、
燃焼ストーカ後方の空気量を減らして、中心位置を奥（乾燥側）へ移す。

また、前記燃焼中心・燃切り位置検出装置３２の検出信号を用いて、所謂燃やし切り補正及び未燃補正を行うようにも構成されており、具体的には、燃焼中心位置が燃焼ストーカのときには、燃焼ストーカ最下流段への空気供給量を増加させてごみの燃やし切りを行う。

更に、燃焼中心・燃切り位置検出装置３２によって、後燃焼ストーカ上におき燃焼火炎が存在し、所謂ごみの燃やし切りが行われていないことが確認されたときには、後燃焼ストーカ１０ｃへの基準一次空気量にＰ１Ｄ制御による補正を加え、ごみの燃やし切り（即ちごみの燃切り位置を後燃焼ストーカ１０ｃの所定位置上に位置せしめる）を行う。尚、当該補正は、後燃焼ストーカ１０ｃへの一次燃焼空気の増加方向のみとし、ごみ燃焼火炎が無くなれば補正を停止させる。

前記図３の燃焼中心位置制御では、ボイラ蒸発量設定値に応じた燃焼中心位置が演算される。また、燃焼中心位置が理想位置からずれた場合には、燃焼中心位置補正が行われる。尚、この燃焼中心位置制御は、ある程度の幅を持たせ、ごみ質変動に応じた燃焼中心位置変動を許容する。

供給ごみ量の変動がある程度の範囲内であれば、前記供給ごみ熱量制御及び空気比率制御等で制御できるが、極端にごみ枯れが生じた場合には制御しきれない。そこで、ごみ枯れ時の非定常状態時には、ファジィ制御部Ｃによりストーカ速度を補正する。

本発明の基本制御部Ｂ及びファジィ制御部Ｃによる燃焼ストーカ速度の制御は、これを要約すると下記のとおりである。
（１）ボイラ蒸発量の比較的長時間の変動に対しては、ボイラ蒸発量の設定値に応じたごみ供給熱量の制御で対応し、また、熱量演算のずれは、ボイラ蒸発量の補正で吸収する。
（２）ボイラ蒸発量の比較的短時間の変動に対しては、空燃比の補正で対応する。
（３）燃焼中心位置の極端なずれに対しては、燃焼中心位置の補正で対応する。
（４）ごみ枯れ時の非定常時は、ファジィ制御によるごみ枯れ補正が定常状態に復帰させる。

また、本発明の燃焼中心・燃切り位置検出装置３２による制御の中で、前記図３に示されていないものとして、下記の如き制御がある。
（１）ごみ質やごみ量の大幅な変動により、燃焼中心位置が上流側へ及び燃切り位置が下流側へ夫々移動する場合。
この場合には、乾燥ストーカ及び上流側の燃焼ストーカ速度を高めると共に下流側の燃焼ストーカ及び後燃焼ストーカのストーカ速度を低下させる。
（２）燃焼中心位置が下流側へ及び燃切り位置が上流側へ夫々移動する場合。
前記（１）と逆のストーカ速度制御を行う。
尚、燃焼中心位置及び燃切り位置の両方が上流側又は下流側へ移動する場合には、前記図３の基本制御部Ｂの燃やし切り補正や未燃補正、燃焼中心位置の補正等で述べたように燃焼空気量制御とストーカ速度制御とによって対応される。

図４は、本発明を実施した実稼動炉の燃焼中心位置制御のデータの一例を示すものであり、空気比１．３、都市ごみ処理量８５Ｔｏｎ／日のストーカ型ごみ焼却炉において、ストーカ速度を燃焼中心位置制御のみで運転した場合（即ち、ファジィ制御部Ｃの作動や燃切り位置制御が不要な状態下に於いて、ストーカ型ごみ焼却炉を運転した場合）のボイラ蒸発量と燃焼中心位置と燃焼ストーカ速度との関係を示すものであり、燃焼中心位置の変動幅は±３００ｍｍ程度の範囲内に、また、蒸発量はほぼ一定値に制御できることが実証されている。

本発明は、主として都市ごみや産業廃棄物等の焼却処理に用いるストーカ式焼却炉に利用されるものであり、バガスや汚泥等の焼却処理にも適用できるものである。

本発明を実施したストーカ型ごみ焼却の全体系統図である。走査型赤外線放射温度計によるストーカ上のごみ表面温度分布の測定値と、燃焼中心位置及び燃切り位置の検出の一例を示す説明図である。本発明の燃焼制御を示すブロック構成図である。定格処理量８５ｔｏｎ／ｄａｙの実稼動炉へ本発明を適用した場合のボイラ蒸発量と燃焼中心位置と燃焼ストーカ速度の関係を示す線図である。従前のストーカ型ごみ焼却炉の一例を示す系統図である。

符号の説明

１はストーカ式ごみ焼却炉、２は廃熱ボイラ、３は加熱器、４はエコノマイザ、５は脱気ヒータ、６はバグフィルタ、７は誘引通風機、８は炉本体、９はごみ供給ホッパ、１０はストーカ、１０ａは乾燥ストーカ、１０ｂは燃焼ストーカ、１０ｃは後燃焼ストーカ、１１はストーカ下ホッパ、１２は一次燃焼室、１３は二次燃焼室、１４は灰出口、Ａ₁は一次燃焼空気、Ａ₂は二次燃焼空気、Ｇは燃焼ガス、Ｇ’は後燃焼段ガス（還流ガス）、Ｇ”は排ガス（再循環ガス）、１５は排ガス出口、１６は一次燃焼空気供給装置、１７は再循環ガス通路、１８は再循環ガス送風機、１９は還流ガス通路、２０は還流ガス送風機、２１は熱交換器、２２は二次燃焼空気供給管路、２３はダンパ、２４は酸素濃度検出器、２５は還元ゾーン、２６は一次燃焼空気供給管路、２７は一次燃焼空気送風機、２８は二次燃焼空気送風機、２９は給じん装置、３０は制御装置、３１は供給ごみ検出装置、３１ａはごみ検出センサ、３２は燃焼中心・燃切り位置検出装置、３２ａは走査型赤外線放射温度計（ストーカ上のごみ表面温度検出センサ）、３３は二次空気制御装置、３４は給じん制御装置、３５はストーカ制御装置、３６は一次空気制御装置、３７は還流ガス制御装置、Ｐは燃焼中心位置、Ｋは燃切り位置、Ｂは基本制御部、Ｃはファジィ制御部である。

Claims

ストーカ型ごみ焼却炉によるごみの燃焼方法に於いて、ストーカの上方に設けた走査型赤外線放射温度計によりストーカ上の各部のごみ表面温度を連続的に検出し、当該検出したごみ表面温度の最高温度からストーカ上のごみ燃焼中心位置を、また当該検出したごみ表面温度の最大低下率からストーカ上のごみの燃切り位置を夫々検出し、前記ストーカ上のごみ燃焼中心位置及び燃切り位置を設定位置に保持するようにストーカ速度並びに一次燃焼空気の分配量を夫々基本制御方式により制御し、且つ、前記走査型赤外線放射温度計により検出したストーカ上のごみ燃焼中心位置及び燃切り位置が異常又は大幅な変動のときには、ファジィ制御方式によりストーカ速度を調整するようにしたことを特徴とするストーカ型ごみ焼却炉によるごみの燃焼方法。
ごみ燃焼中心位置が設定値の上流側へ変動すると共に燃切り位置が設定値の下流側へ変動したとき、又は、ごみ燃焼中心位置が設定値の下流側へ変動すると共に燃切り位置が設定値の上流側へ変動したときには、ファジィ制御方式によりストーカ速度を調整するようにした請求項１に記載のストーカ型ごみ焼却炉によるごみの燃焼方法。
走査型赤外線放射温度計により検出した燃焼中心位置の変動から燃焼ストーカ上のごみの燃焼状態を判断し、燃焼ストーカへの一次空気分配量を調整してごみを燃焼ストーカ上の適切な位置で燃やすようにした請求項１に記載のストーカ型ごみ焼却炉によるごみの燃焼方法。
走査型赤外線温度計により検出した燃切り位置が設定位置より下流側に位置するときには、後燃焼ストーカへの空気量を増加して後燃焼ストーカ上のごみを燃やし切るようにした請求項１に記載のストーカ型ごみ焼却炉によるごみの燃焼方法。