JP4230925B2

JP4230925B2 - 発熱量推定装置及び発熱量推定方法並びに燃焼制御装置

Info

Publication number: JP4230925B2
Application number: JP2004001025A
Authority: JP
Inventors: 格八十; 真西村; 豪樋口; 正伊藤; 博司宮本
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2004-01-06
Filing date: 2004-01-06
Publication date: 2009-02-25
Anticipated expiration: 2024-01-06
Also published as: JP2005195225A

Description

本発明は、廃棄物焼却炉に備えられる発熱量推定装置及び発熱量推定方法並びに燃焼制御装置に関するものである。

廃棄物焼却炉では、ダイオキシンを初めとする有害物質を抑制するため、焼却炉内を高温状態に維持する必要がある。しかしながら、廃棄物焼却炉では、多様な廃棄物を処理するため、通常、焼却炉内に投入される廃棄物の発熱量は時々刻々と変化する。そのため、焼却炉内を高温状態に維持するには、発熱量を代表とする廃棄物性状を把握することが重要となり、廃棄物性状に応じた燃焼制御が求められる。

そのため従来技術として、特許文献１には、バケットでつかんだゴミの体積と重量に基づいてゴミの比重を算出することにより、ゴミの燃焼を制御する制御手段を用いたゴミ焼却制御装置が開示されている。

特開平７−１９０３２６号公報

また、特許文献２には、廃棄物にマイクロ波を照射して廃棄物の含水率を求めることにより、廃棄物の燃焼を制御する燃焼炉制御方法及びその制御装置が開示されている。

特開２００２−１８８８０７号公報

また、特許文献３には、ゴミを水分、可燃分、灰分から構成されるものとして、灰分比率及び可燃分成分組成比を一定と仮定し、可燃分の低位発熱量のみを長時間の物質収支に基づいて反復計算で求める可燃分発熱量推定方法が開示されている。

特開平１１−９４２２７号公報

しかしながら、特許文献１のゴミ焼却制御装置については、ゴミの体積をバケットで求めることは困難であるため、発熱量の推定値と実際の発熱量との相関の精度が良くないという問題がある。特許文献２の燃焼炉制御方法及びその制御装置については、マイクロ波を扱う装置が高価且つ複雑であるため、普及しにくいという問題がある。特許文献３の可燃分発熱量推定方法については、反復計算によるため信頼性に問題があり、また、計算に時間がかかるという問題がある。

本発明は上記問題を鑑みなされたものであって、その目的とするところは、精度良く、瞬時に廃棄物の発熱量を推定できることにより、廃棄物性状に応じた燃焼制御を可能とする発熱量推定装置及び発熱量推定方法並びに燃焼制御装置を提供することである。

課題を解決するための手段及び効果

本発明の発熱量推定装置は、廃棄物を焼却する廃棄物焼却炉において、単位時間当たりの廃棄物発熱量を推定する発熱量推定装置であって、水蒸気を含んだ燃焼ガス中の酸素濃度を検出する第１検出器と、水蒸気を含まない燃焼ガス中の酸素濃度を検出する第２検出器と、前記廃棄物中の乾分組成を一定と仮定することにより、前記水蒸気を含んだ燃焼ガス中の酸素濃度と前記水蒸気を含まない燃焼ガス中の酸素濃度とから水分量を計算することによって前記廃棄物の含水率を求める第１演算器と、前記含水率を用いて乾分発熱量から水分の蒸発潜熱を差し引くことによって単位重量あたりの廃棄物発熱量を計算する第２演算器と、前記水蒸気を含まない燃焼ガス中の酸素濃度から単位時間当たりの廃棄物投入量を計算する第３演算器と、前記単位重量あたりの廃棄物発熱量と前記単位時間当たりの廃棄物投入量を用いて単位時間当たりの廃棄物発熱量を演算する第４演算器とを有することを特徴とする。

本発明によると、水蒸気を含んだ燃焼ガス中の酸素濃度（以下、ウェット酸素濃度又は、Ｗｅｔ酸素濃度という）を検出する第１検出手段と、水蒸気を含まない燃焼ガス中の酸素濃度（以下、ドライ酸素濃度又は、Ｄｒｙ酸素濃度という）を検出する第２検出手段により、演算手段が廃棄物発熱量を推定するため、廃棄物性状に応じた燃焼制御を行うことが可能となる。

そして、第１〜４演算器により、廃棄物発熱量を精度良く求めることができる。

本発明の発熱量推定装置は、廃棄物を焼却する廃棄物焼却炉において、単位時間当たりの廃棄物発熱量を推定する発熱量推定装置であって、水蒸気を含んだ燃焼ガス中の酸素濃度を検出する第１検出器と、水蒸気を含まない燃焼ガス中の酸素濃度を検出する第２検出器と、前記廃棄物中の乾分組成を一定と仮定することにより、下記式１に基づいて含水率を計算する第１演算器と、下記式２に基づいて前記含水率を用いて乾分発熱量から水分の蒸発潜熱を差し引くことによって単位重量当たりの廃棄物発熱量を計算する第２演算器と、下記式３に基づいて前記水蒸気を含まない燃焼ガス中の酸素濃度から単位時間当たりの廃棄物投入量を計算する第３演算器と、前記第２演算器によって計算された単位重量当たりの廃棄物発熱量と、前記第３演算器によって計算された単位時間当たりの廃棄物投入量に基づいて、単位時間当たりの廃棄物発熱量を算出する第４演算器と、を含むことを特徴とすることが好ましい。
これによれば、瞬時に精度良く廃棄物発熱量を求めることができる。

本発明の発熱量推定方法は、廃棄物を焼却する廃棄物焼却炉において、水蒸気を含んだ燃焼ガス中の酸素濃度と水蒸気を含まない燃焼ガス中の酸素濃度を検出し、前記廃棄物中の乾分組成を一定と仮定することにより、前記水蒸気を含んだ燃焼ガス中の酸素濃度と前記水蒸気を含まない燃焼ガス中の酸素濃度とから水分量を計算することによって前記廃棄物の含水率を求め、前記含水率を用いて乾分発熱量から水分の蒸発潜熱を差し引くことによって単位重量あたりの廃棄物発熱量を計算し、前記水蒸気を含まない燃焼ガス中の酸素濃度から単位時間当たりの廃棄物投入量を計算し、前記単位重量あたりの廃棄物発熱量と前記単位時間当たりの廃棄物投入量を用いて単位時間当たりの廃棄物発熱量を推定することを特徴とする。

本発明によると、ウェット酸素濃度とドライ酸素濃度を検出することにより、廃棄物発熱量を推定できるため、廃棄物性状に応じた燃焼制御を行うことが可能となる。

そして、廃棄物発熱量を精度良く求めることができる。

本発明の発熱量推定方法は、廃棄物を焼却する廃棄物焼却炉において、水蒸気を含んだ燃焼ガス中の酸素濃度と水蒸気を含まない燃焼ガス中の酸素濃度を検出する第１ステップと、前記廃棄物中の乾分組成を一定として、下記式１に基づいて含水率を計算する第２ステップと、下記式２に基づいて前記含水率を用いて乾分発熱量から水分の蒸発潜熱を差し引くことによって単位重量当たりの廃棄物発熱量を計算する第３ステップと、下記式３に基づいて前記水蒸気を含まない燃焼ガス中の酸素濃度から単位時間当たりの廃棄物投入量を計算する第４ステップと、前記第３ステップで計算された単位重量当たりの廃棄物発熱量と、前記第４ステップで計算された単位時間当たりの廃棄物投入量に基づいて、単位時間当たりの廃棄物発熱量を算出する第５ステップと、を含むことを特徴とすることが好ましい。
これによれば、瞬時に精度良く廃棄物発熱量を求めることができる。

本発明の燃焼制御装置は、発熱量推定装置と、単位時間当たりの廃棄物発熱量に基づいて、前記廃棄物焼却炉における前記廃棄物の焼却を制御する制御部と、を有することを特徴とする。また、本発明の燃焼制御装置において、前記廃棄物焼却炉は、前記廃棄物を燃焼させる可動式の火格子を有する焼却炉と、前記廃棄物を前記火格子上に投入する廃棄物投入装置と、前記火格子の速度を調節する火格子速度調節計と、前記焼却炉へ送る１次燃焼空気の量を調節する１次空気制御計と、前記火格子の上方に設けられ、前記焼却炉から発生した排ガスを燃焼させる２次燃焼室と、前記２次燃焼室へ送る２次燃焼空気の量を調節する２次空気制御計と、を有しており、前記制御部は、前記廃棄物の投入量を調節するように前記廃棄物投入装置を制御し、前記火格子の速度を調節するように前記火格子速度調節計を制御し、前記１次燃焼空気の量を調節するように前記１次空気制御計を制御するとともに、前記２次燃焼空気の量を調節するように前記２次空気制御計を制御することを特徴とすることが好ましい。

本発明によると、発熱量推定装置が廃棄物発熱量を推定するため、廃棄物性状に応じた燃焼制御が可能な燃焼制御装置を提供できる。

以下、図面を参照しつつ、本発明に係る発熱量推定装置及び発熱量推定方法並びに燃焼制御装置の実施形態について説明する。廃棄物を焼却する廃棄物焼却炉として火格子式焼却炉を例にとり説明する。図１は本発明の実施形態に係る発熱量推定装置並びに燃焼制御装置を備えた火格子式焼却炉の模式図である。

火格子式焼却炉の構成について図１を用いて説明する。
前記火格子式焼却炉は、焼却炉７内で焼却物１を載置して燃焼させる可動式の火格子２と、焼却炉入口３に設けられた、廃棄物１を供給するための廃棄物投入装置４，５と、焼却の終わった焼却残渣を排出する排出口６とを備える。前記廃棄物投入装置４，５はホッパー４及びフィーダ５等を有している。

火格子２が備わる空間は焼却炉７を形成しており、火格子２下部からは燃焼用に送入される１次燃焼空気の送入口８があり、１次燃焼空気は１次空気制御計９で調節されて送入される。火格子２上部には２次燃焼室１０があり、２次空気制御計１１で調節された２次燃焼空気が送入口１２より送入される。２次燃焼室１０の上手には、ボイラ１３、排ガス処理設備１４、煙突１５が順に配置される。

ボイラ１３は、２次燃焼室１０から排出された排ガスの熱を回収する。排ガス処理設備１４は、排ガスを無害化処理する。無害化された排ガスは煙突１５より排出される。

２次燃焼室１０とボイラ１３との間には、水蒸気を含んだ燃焼ガス中の酸素濃度を検出する第1検出手段（以下、ウェット酸素濃度計１６）と、水蒸気を含まない燃焼ガス中の酸素濃度を検出する第２検出手段（以下、ドライ酸素濃度計１７）とが設けられている。ウェット酸素濃度計１６やドライ酸素濃度計１７としては、例えばジルコニア式や磁気式の酸素濃度計等が挙げられる。

また、ウェット酸素濃度計１６及びドライ酸素濃度計１７の測定データが伝送される先には本実施形態に係る制御装置を構成する演算器１８が設けられている。演算器１８は前記測定データを元に、１次空気制御計９、２次空気制御計１１、廃棄物投入装置であるフィーダ５、火格子速度調節計２０を制御する。

次に、本発明の実施形態に係る火格子式焼却炉の作動について説明する。
ホッパー４及びフィーダ５から供給された廃棄物１は、可動する火格子２上に投入される。廃棄物１は焼却炉７において火格子２に載置されて排出口６まで搬送される最中に、火格子２下部からの１次燃焼空気により焼却される。

焼却炉７から発生した排ガスは、焼却炉上部の２次燃焼室１０にて２次燃焼空気により完全に燃焼される。２次燃焼室１０からの排ガスはウェット酸素濃度計１６及びドライ酸素濃度計１７を経由してボイラ１３へと給気される。排ガスはボイラ１３で熱回収された後、排ガス処理設備１４にて無害化処理され、煙突１５より排気される。

次に、火格子式焼却炉における本発明の実施形態に係る燃焼制御装置について図２を用いて説明する。図２は火格子式焼却炉の構成を表したブロック図である。

図２において、燃焼制御装置は、ウェット酸素濃度計１６及びドライ酸素濃度計１７と演算器１８等を含む発熱量推定装置と、演算器１８が制御する１次空気制御計９、２次空気制御計１１、廃棄物投入装置のフィーダ５、火格子速度調節計２０からなる。
前記演算器１８は、第１乃至第４演算器を含む。

次に、本発明の実施形態に係る前記発熱量推定装置による発熱量推定方法について図３を用いて説明する。
まず、第１のステップ（Ｓ１）で２次燃焼室から排出された排ガス中のウェット酸素濃度及びドライ酸素濃度を、ウェット酸素濃度計１６及びドライ酸素濃度計１７で測定する。ここで、ドライ酸素濃度は、高温の排ガスを水冷や空冷して１００℃以下に冷却し、水分を凝縮させて水にして分離した後に酸素濃度計で計測することで求めることができる。そして、その測定データを演算器１８に入力する。

演算器１８は入力された測定データを元に、以下の演算を行う。
第２のステップ（Ｓ２）で、第１演算器によって下記式１に基づいて廃棄物含水率を計算する。
前記廃棄物中の乾分組成を一定と仮定するとＶ_d，Ｖ_wは、一意に定まる。具体的には、炭素に着目すると、Ｃ＋Ｏ₂→ＣＯ₂の化学反応式より、炭素の重量割合から必要な酸素量が求まる。これにより、式１を計算することで廃棄物含水率ｗが求まる。

さらに、第３のステップ（Ｓ３）で、第２演算器によって下記式２に基づいて前記含水率ｗを用いて乾分発熱量から水分の蒸発潜熱（６００ｗ）を差し引くことによって単位重量当たりの廃棄物発熱量を計算する。
前記廃棄物中の乾分組成を一定と仮定すると、Ｈ_dは化学反応式より一意に定まるため、廃棄物発熱量Ｈ（ｋｃａｌ／ｋｇ）は式２で求めることができる。

さらに、第４のステップ（Ｓ４）で、第３演算器によって、下記式３に基づいて前記水蒸気を含まない燃焼ガス中の酸素濃度から単位時間当たりの廃棄物投入量を計算する。
前記廃棄物中の乾分組成を一定と仮定するとＶ_aは、一意に定まる。
１次空気、２次空気など焼却炉内に吹き込まれる空気量をＶ（Ｎｍ³／ｈ）とすると、焼却炉内に投入された単位時間当たりの廃棄物投入量ｆ（ｋｇ／ｈ）は式３を計算することで求めることができる。

そして、第５のステップ（Ｓ５）で、第４演算器によって、前記単位重量当たりの廃棄物発熱量Ｈと、前記単位時間当たりの廃棄物投入量ｆを乗算することによって、単位時間当たりの廃棄物発熱量を算出する。
このように、単位時間当たりの廃棄物発熱量を推定できる。

次に、本発明の実施形態に係る燃焼制御装置の作動について図２を用いて説明する。
発熱量推定装置が行う発熱量推定方法により求められた廃棄物発熱量を元に、演算器１８が制御情報（出力データ）をフィーダ５等で構成される廃棄物投入装置、火格子速度調節計２０、１次空気制御計９及び、２次空気制御計１１に出力する。

フィーダ５等で構成される廃棄物投入装置は、演算器１８より出力された制御情報により、廃棄物投入量ｆを調節するよう操作される。廃棄物投入量ｆの増減により廃棄物の発熱量は変化する。

火格子速度調節計２０は、演算器１８より出力された制御情報により、火格子２の速度を調節するよう操作される。火格子２の可動速度の変化により燃焼速度が調節される。

１次空気制御計９は、演算器１８より出力された制御情報により、焼却炉へ送る１次燃焼空気の量を調節するよう操作される。１次燃焼空気の量の増減により燃焼速度が調節される。

２次空気制御計１１は、演算器１８より出力された制御情報により、２次燃焼室へ送る２次燃焼空気の量を調節するよう操作される。２次燃焼空気の量の増減により燃焼速度が調節される。
以上により、廃棄物性状に応じた燃焼空気制御が行われる。

次に、本実施形態に係る発熱量推定装置及び発熱量推定方法並びに燃焼制御装置を備えた火格子式焼却炉の効果について説明する。
発熱量推定装置が廃棄物発熱量を瞬時に精度良く推定できるため、廃棄物性状に応じた燃焼制御が可能な燃焼制御装置を備えた火格子式焼却炉を提供できる。

また、上記実施形態の火格子式焼却炉の構成は、以下のように変更可能である。即ち、ウェット酸素濃度計及びドライ酸素濃度計は、２次燃焼室とボイラの間ではなく、ボイラの出口に設けられていても良いし、焼却炉と２次燃焼室の間に設けられていても良いし、焼却炉に設けられていても良いし、２次燃焼室に設けられていても良い。

また、上記実施形態の燃焼制御装置の作動は、燃焼速度を調節するために、１次燃焼空気の量、２次燃焼空気の量、火格子速度を調節するものに限られず、例えば、空気温度を調節するものであっても良い。

また、本発明を好適な実施の形態に基づいて説明したが、本発明はその趣旨を超えない範囲において変更が可能である。即ち、火格子式焼却炉に限られず、例えば、固定床式焼却炉や流動床式焼却炉、ロータリキルン式焼却炉など、他の形式の焼却炉にも適用可能である。また、本発明をガス化炉のような廃棄物を完全燃焼させない焼却炉に適用することもできる。この場合は、図４に示すように、排ガス中の一酸化炭素濃度、炭化水素濃度を測定し、これらデータに基づき未燃分を計算することで、同様に廃棄物発熱量を求めることができる。

本発明の実施形態に係る火格子式焼却炉の模式図である。本発明の実施形態に係る火格子式焼却炉の構成を表したブロック図である。本発明の実施形態例に係る火格子式焼却炉における発熱量推定方法のプロセスを表したチャート図である。本発明の実施形態に係るガス化炉式焼却炉の模式図である。

符号の説明

１焼却物
２火格子
３焼却炉入口
４ホッパー
５フィーダ
６排出口
７焼却炉
８送入口
９１次空気制御計
１０２次燃焼室
１１２次空気制御計
１２送入口
１３ボイラ
１４排ガス処理設備
１５煙突
１６ウェット酸素濃度計
１７ドライ酸素濃度計
１８演算器
２０火格子速度調節計

Claims

廃棄物を焼却する廃棄物焼却炉において、単位時間当たりの廃棄物発熱量を推定する発熱量推定装置であって、
水蒸気を含んだ燃焼ガス中の酸素濃度を検出する第１検出器と、
水蒸気を含まない燃焼ガス中の酸素濃度を検出する第２検出器と、
前記廃棄物中の乾分組成を一定と仮定することにより、
前記水蒸気を含んだ燃焼ガス中の酸素濃度と前記水蒸気を含まない燃焼ガス中の酸素濃度とから水分量を計算することによって前記廃棄物の含水率を求める第１演算器と、
前記含水率を用いて乾分発熱量から水分の蒸発潜熱を差し引くことによって単位重量あたりの廃棄物発熱量を計算する第２演算器と、
前記水蒸気を含まない燃焼ガス中の酸素濃度から単位時間当たりの廃棄物投入量を計算する第３演算器と、
前記単位重量あたりの廃棄物発熱量と前記単位時間当たりの廃棄物投入量を用いて単位時間当たりの廃棄物発熱量を演算する第４演算器とを有することを特徴とする発熱量推定装置。
廃棄物を焼却する廃棄物焼却炉において、単位時間当たりの廃棄物発熱量を推定する発熱量推定装置であって、
水蒸気を含んだ燃焼ガス中の酸素濃度を検出する第１検出器と、
水蒸気を含まない燃焼ガス中の酸素濃度を検出する第２検出器と、
前記廃棄物中の乾分組成を一定と仮定することにより、
下記式１に基づいて含水率を計算する第１演算器と、
下記式２に基づいて前記含水率を用いて乾分発熱量から水分の蒸発潜熱を差し引くことによって単位重量当たりの廃棄物発熱量を計算する第２演算器と、
下記式３に基づいて前記水蒸気を含まない燃焼ガス中の酸素濃度から単位時間当たりの廃棄物投入量を計算する第３演算器と、
前記第２演算器によって計算された単位重量当たりの廃棄物発熱量と、前記第３演算器によって計算された単位時間当たりの廃棄物投入量に基づいて、単位時間当たりの廃棄物発熱量を算出する第４演算器と、
を含むことを特徴とする発熱量推定装置。
廃棄物を焼却する廃棄物焼却炉において、
水蒸気を含んだ燃焼ガス中の酸素濃度と水蒸気を含まない燃焼ガス中の酸素濃度を検出し、
前記廃棄物中の乾分組成を一定と仮定することにより、
前記水蒸気を含んだ燃焼ガス中の酸素濃度と前記水蒸気を含まない燃焼ガス中の酸素濃度とから水分量を計算することによって前記廃棄物の含水率を求め、
前記含水率を用いて乾分発熱量から水分の蒸発潜熱を差し引くことによって単位重量あたりの廃棄物発熱量を計算し、
前記水蒸気を含まない燃焼ガス中の酸素濃度から単位時間当たりの廃棄物投入量を計算し、
前記単位重量あたりの廃棄物発熱量と前記単位時間当たりの廃棄物投入量を用いて単位時間当たりの廃棄物発熱量を推定することを特徴とする発熱量推定方法。
廃棄物を焼却する廃棄物焼却炉において、
水蒸気を含んだ燃焼ガス中の酸素濃度と水蒸気を含まない燃焼ガス中の酸素濃度を検出する第１ステップと、
前記廃棄物中の乾分組成を一定として、
下記式１に基づいて含水率を計算する第２ステップと、
下記式２に基づいて前記含水率を用いて乾分発熱量から水分の蒸発潜熱を差し引くことによって単位重量当たりの廃棄物発熱量を計算する第３ステップと、
下記式３に基づいて前記水蒸気を含まない燃焼ガス中の酸素濃度から単位時間当たりの廃棄物投入量を計算する第４ステップと、
前記第３ステップで計算された単位重量当たりの廃棄物発熱量と、前記第４ステップで計算された単位時間当たりの廃棄物投入量に基づいて、単位時間当たりの廃棄物発熱量を算出する第５ステップと、
を含むことを特徴とする発熱量推定方法。
請求項１又は２に記載の発熱量推定装置と、
単位時間当たりの廃棄物発熱量に基づいて、前記廃棄物焼却炉における前記廃棄物の焼却を制御する制御部と、
を有することを特徴とする燃焼制御装置。
前記廃棄物焼却炉は、
前記廃棄物を燃焼させる可動式の火格子を有する焼却炉と、
前記廃棄物を前記火格子上に投入する廃棄物投入装置と、
前記火格子の速度を調節する火格子速度調節計と、
前記焼却炉へ送る１次燃焼空気の量を調節する１次空気制御計と、
前記火格子の上方に設けられ、前記焼却炉から発生した排ガスを燃焼させる２次燃焼室と、
前記２次燃焼室へ送る２次燃焼空気の量を調節する２次空気制御計と、
を有しており、
前記制御部は、前記廃棄物の投入量を調節するように前記廃棄物投入装置を制御し、前記火格子の速度を調節するように前記火格子速度調節計を制御し、前記１次燃焼空気の量を調節するように前記１次空気制御計を制御するとともに、前記２次燃焼空気の量を調節するように前記２次空気制御計を制御することを特徴とする請求項５に記載の燃焼制御装置。