JP4976496B2 - 焼却施設での排ガス燃焼品質を特性化する方法 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念による焼却施設での排ガス燃焼品質を特性化する方法に関する。

技術的燃焼プロセスの目的は、できるだけ完全に、効率的排ガス燃焼を達成することである。効率的排ガス燃焼は、不完全燃焼生成物、例えばＣＯ、炭化水素、および炭素粒子の濃度により特徴付けられる。このための放出限界値は通例、関連法規に定められている。ドイツでは例えば１７． ＢＩｍＳｃｈＶ（連邦環境保護法）に、一酸化炭素ＣＯおよび炭化水素Ｃ_ｎＨ_ｍに対する限界値が規定されている。

家庭ゴミ、バイオマスまたは石炭のような燃料は含有水分が変動し、非常に不均質な燃料である。それら燃料の組成が非常に不均質であるため、燃料の発熱量も大きく変動する。したがって現在、技術的燃焼装置での燃焼の際には、燃焼室に赤外線検出器（ＩＲカメラ、赤外線カメラ）を備えた手間のかかる燃焼出力制御装置が使用される。火格子燃焼装置での固定燃料床の燃焼状態は、ＩＲカメラを用いた燃料床の赤外放射線により求めることができる。ここで求められる波長（例えば３．９μｍ）は、燃焼ガス自体は放射率を有しない領域にある。これらの情報を用いて、火格子運動学および／または固定床を貫流する個々の一次ガス流の制御が行われる。これにより、スラグのほぼ完全な固体燃焼が達成可能になる。

燃焼室（固定床燃焼ゾーン）から不均質に燃焼されて流出する排気ガスは、たとえばＣＯ、炭化水素または煤のような不完全燃焼した化合物を、局所的に高い濃度で有している。この場合、燃焼床から流出するガス流は、前記の不完全燃焼化合物の濃度および酸素濃度が局所的および時間的に極めて大きく変動するストリークを形成する。このようなストリークは、排ガス燃焼ゾーンを通って第１の輻射ドラフト（Strahlungszug）にまで延びる。均質な燃焼とひいては排ガスの完全燃焼のためには、使用可能な混成時間または混成乱流では十分でないことがしばしばである。したがって排ガスの不完全燃焼には、酸素を含有する二次ガスを排ガス燃焼ゾーンに導入することにより対処する。この二次ガスの総量は、排ガス燃焼ゾーンの後方では所定の余剰酸素（最小酸素濃度）が常に維持されるように選択される。最小酸素濃度は、排ガス燃焼ゾーン後方での所要の最小燃焼温度により制限される。

［特許文献１］には、固定床燃焼ゾーンと排ガス燃焼ゾーンとを備えた燃焼設備における排ガス燃焼を最適化するための装置が開示されている。この装置は複数の調整可能なノズルを、酸素含有二次ガスを排ガス燃焼ゾーンの作用領域に導入するために有する。作用領域における個別の不完全燃焼ガス組成（ＣＯおよび炭化水素）の検出は、赤外線カメラを用いたビーム強度の検出により、または他のスペクトル測定装置により行われる。ここで求められた情報は、二次ガスを所期のように導入するために、調整可能な各ノズルに対する調整命令に返還される。

しかしこの装置およびその方法は、排ガス中の不完全燃焼ガス流成分の非選択的識別に用いられる。不完全燃焼ガスおよび固体割合（例えば煤）と加算信号の両方が検出され、個々の成分間を重み付けすることはできない。さらに燃焼ガスの不足のため、燃焼活動がまったく行われない領域が発生することがあり、この領域が不完全燃焼排ガス領域として識別されることもある（ＣＯ_２からＨ_２Ｏへの放射率のクロスセンシビリティ）。後者の場合、酸素含有二次ガスを噴入することは後燃焼を引き起こさず、たんにガスの希薄化と冷却を引き起こすだけである。

DE 103 47 340 A1

http://www.weblearn.hs-bremen.de/risse/AWI/TEXTUR/merkmale.htm 2006年9月13日現在

本発明の課題は、二次ガスが最小である安定しない燃焼過程であっても、燃焼施設での煤燃焼に関しての排ガス燃焼品質を、排ガス燃焼の最適化、とりわけ煤完全燃焼のための基礎として特性化する方法を提案することである。

この課題は、請求項１の特徴を有する方法により解決される。従属する下位請求項には、この方法の有利な構成が記載されている。

この課題を解決するために、ガス燃焼ゾーンを備える燃焼施設での燃焼の排ガス燃焼品質を特性化する方法が提案され、この方法では煤ストランド、すなわち排ガス中の固体粒子を選択的に検出することができる。

本発明の基本的技術思想は、燃焼ゾーンの通流横断面では、煤の少ない燃焼領域（有利には煤形成のない領域）、燃焼のない領域、および煤形成される領域が可視波長領域で光学的に検出可能であるということである。ここで煤の少ない燃焼領域は基本的に明るく（高い照射強度）、一方、燃焼のない領域（冷えた火格子領域）および煤の多い領域は基本的に暗い（低い照射強度）。燃焼領域は、煤成分の増大と共にますます暗くなる。すなわち照射強度が煤成分により連続的に減少する。ここで、燃焼のない領域と煤の多い領域はそれらの時間特性において異なる動特性を特徴とする。これらの動特性は、複数の相互に連続する個別の記録を評価し、有利にはそれらを平均または比較することによって求めることができる。

この方法に対する前提は、可視波長領域（約４００から１０００ ｎｍ）で測定する少なくとも１つのカメラシステムがカメラ、例えばビデオカメラを備え、このカメラシステムはガス燃焼ゾーンの通流横断面をできるだけ完全に検出するように構成されていることである。赤外線領域または他の不可視波長領域に対する検出システムとは異なり、この種のカメラシステムは成熟した標準技術として種々異なる適用に対して比較的安価であり、しかも高品質、高分解能の製品を市場で入手することができる。

このカメラシステムは、連続的な個別記録により通流横断面での燃焼を記録するために用いられる。個別記録は通流横断面全体での排ガス燃焼の瞬間記録であり、個別記録ごとのカメラ調整と画像部分は変化しない。画像部分は有利には、排ガス燃焼ゾーンにある通流横断面に相応する。この通流横断面は、記録の評価（画像処理）のために複数の画素（ピクセル）を備えるセグメントに分割される。評価は実質的に、セグメントを所定の領域または２つの領域間の移行領域に、以下に説明する方法ステップによって割り当てることである。

連続する少なくとも２つの個別記録が（有利にはピクセルごとに）平均化され、平均値が形成される。この平均値形成では煤の少ない燃焼領域が、その強度値（照射強度）が調整可能な強度閾値よりも上にあることによって識別される。ここで強度閾値は、検出された画像における最大強度に対して相対的に（例えばそれぞれの最大値を基準にして５０，６０，また７０％）手動でまたは自動的に調整されるか、または絶対量として手動で設定される。手動で設定される強度閾値はこれまでの経験値から得ることができ、順次連続する測定中には、この測定を例えばシステム監視のために良好に比較できるようにするため有利には一定とする。

続いて移行領域が、煤の少ない燃焼領域に割り当てられているが、煤の少ない燃焼領域には所属しない境界画素を少なくとも１つ有する画素として位置特定される。その後、この移行領域は移行セグメントに割り当てられる。そして各セグメントは、前記領域の１つに分類すべきか、または移行セグメントとして２つに、すなわち１つの移行領域に分類すべきかについて評価される。移行領域が存在するのは、この領域で求められた強度値が強度閾値に相応するか、または閾値より小さい値と閾値より大きい値との間の移行が発生する場合である。個別記録または平均値形成では、通常の線形移行領域が例えば着色されたラインとして強調される（例えば間違ったカラー表示）。移行領域が存在するのは基本的に、この領域において強度閾値を上回る強度値と、下回る強度値の両方が存在する場合である。セグメントと移行セグメントとの割り当ては通常、前記個々の領域の面積割合に対する、調整可能な面積割合閾値に基づいて行われる。

続いて、移行セグメントと関与する領域との割り当てが行われる。移行は、明度差によって特徴付けられる。この明度差は、例えば明度勾配によって、または共出現マトリクス（［非特許文献１］参照）を用いて計算されるコントラストをセグメントごとに検出することによって求めることができる。

基本的に、煤の少ない燃焼領域から燃焼のない領域への移行は、煤移行、すなわち煤の少ない領域から煤の多い領域への移行よりも動特性が小さいことを特徴とする。平均値領域が複数の個別記録から形成される場合、煤移行は基本的に、境界線がはっきりしないこと、またはコントラストが低いことを特徴とする。すなわち煤移行は、煤の少ない燃焼領域から燃焼のない領域への移行（火格子移行）よりも格段にぼやけて現れる。これは個別記録が行われない場合でもそうである。

移行セグメントを煤移行または火格子移行のグループに割り当てることは、有利には各位光セグメントに対するコントラストを別個に検出することにより行われる。移行セグメントの割り当ては、コントラスト値とコントラスト閾値との比較により行われる。セグメントのコントラスト値がコントラスト閾値より下にあれば、煤移行セグメントが存在しており、コントラスト閾値より上にあれば火格子移行が存在している。

コントラスト値は有利には光強度（明暗コントラスト）に関連する。別のコントラスト、例えば記録のカラー操作に関連するカラーコントラストも基本的に前記の分類に適する。しかし場合により高い計算コストを必要とし、そのためリアルタイムでの排ガス燃焼品質の特性化のためには特別の場合にしか採用されない。

択一的に評価の枠内で煤移行と火格子移行との区別を、個々の移行セグメントの比較により、または順次連続する個別記録からなる移行領域の画素の別のグループとの比較により行うことも考えられる。複数の順次連続する個別記録からなるセグメントまたはピクセル群の強度値が比較的に大きくかつ急速に変化することは、移行領域の動特性が高められたことを意味し、したがって煤移行を意味する。

線形移行領域の関連する移行セグメントが画一的に評価されるのではなく、煤移行のグループと火格子移行のグループが混合して評価される場合、オプションとして個々のグループの重み付けが行われる。ここで可能な方法ステップは、１つのグループの関連する移行セグメントの識別、およびそれぞれグループにより取り囲まれるグループの個々の移行セグメントの識別を含む。この場合、移行セグメントの優勢が明白であればグループの１つに、このグループのすべての移行セグメントを割り当てることができる。１つのグループの個々のセグメントも、隣接分析により隣接セグメントのグループに割り当てることができる。これに対して１つのグループの関連する移行セグメントがエラー測定として個別の結果を示す場合、これらの移行セグメントはもっぱら別のグループにだけ割り当てられる（妥当性検査）。

移行セグメントの前記割り当てに続いて、画素の半分以上が強度閾値以下にあるすべてのセグメントが、煤の多い領域または燃焼のない領域に反復的に割り当てられる。この反復的割り当ては、移行セグメントおよびすでに割り当てられたセグメントへの隣接関係の評価により行われる。これらセグメントの割り当ては、反復的方法ステップでそれぞれ個別に、それぞれ隣接していて、すでに識別されたセグメント（隣接分析）の帰属性または移行セグメントの帰属性を引き継ぐことにより行われるすでに割り当てられた隣接セグメントに統一的な帰属性が存在しない場合、このセグメントは多くの隣接するセグメントがすでに割り当てられた領域に割り当てられる。各反復ステップは有利には、できるだけ多数のすでに割り当てられた移行セグメントに隣接するセグメントで、またはできれば１つのグループのできるだけ多数のすでに割り当てられたセグメントに隣接するセグメントで行われる。

最後に、排ガス品質の特性化の枠内で、識別されたすべての領域の個々の位置、面広がり、および強度分布が求められる。この特性量から、排ガス燃焼品質を改善するための手段に対する制御量が計算で求められるこの制御量は例えば局所的な燃焼状態に適合した酸素含有ガスの添加（煤の多い領域での二次ガス）、または付加的燃料の添加（燃焼のない領域の場合）であり、これらの制御量は位置的に細分化されている（有利にはセグメントごとに、またはセグメント群ごとに）。

この方法を、煤燃焼を連続的に改善するための手段（例えば酸素含有ガスを所期のように噴入する）に対する制御信号発生に用いるなら、個別記録に基づく特性量の検出は、方法実行の枠内でリアルタイムで行わなければならない。多数のガスノズルがあれば、各セグメントにおいて個別に酸素含有ガスの供給によって後燃焼を調節することができる。

以下で本発明を、図面に基づいて詳述する。

ＣＭＯＳカメラにより撮影されたガス燃焼ゾーンの横断面の個別記録である。 １秒内で順次連続して求められた、図１のような２０の個別記録の平均記録である。 図２の一部であるが、煤の少ない燃焼領域と煤の多い燃焼領域（明るい縁部）との間の移行セグメント、および煤の少ない燃料領域と燃焼のない領域（暗い縁部）との間の移行セグメントも示している。 図２および３の一部であり、暗いセグメントを冷えた火格子領域（燃焼のない領域、暗い縁部）と煤の多い領域（明るい縁部）に隣接関係によって反復割り当てした後の様子を示す。 効率的な排ガス燃焼を行う領域の特性マップを、一酸化炭素ＣＯを燃焼温度および酸素含有量の関数として示す。煤濃度の特性は、ＣＯの特性に類似する。

以下の実験例の枠内で、火格子炉によるゴミ焼却の排ガス燃焼が特性化された。図１から４のカメラ画像部分は、燃焼火格子と、二次ガス添加することのできる後置の後燃焼室との間の排ガス燃焼ゾーンの輻射ドラフト横断面を、反ガス流方向で上方から記録したものである。カメラとして、可視波長領域を測定するカメラ、例えばＣＭＯＳカメラが使用された。

図１は、明るく煤の少ない燃焼領域１と、照射強度の低い暗い火格子領域２（燃焼のない領域）ならびに非常に煤の多い燃焼領域３（煤の多い領域）を備える排ガス燃焼の個別記録を示す。これらの領域間の移行領域は、この個別記録では類似の輝度勾配を示し、それぞれ隣接する暗い領域を燃焼のない領域または煤の多い領域に一義的に割り当てることはできない。

本発明の目的は一方では、照射強度の低いこの領域を、複数の個別記録に基づいて、煤成分の多い領域であるのか（煤の多い領域）または冷えた火格子領域であるのかを自動的に識別し、分類できるようにすることである。有利にはこのことは、付加的なガス噴入のような所期の手段を開始するために、リアルタイムで行うべきである。

図２は、１秒以内に順次連続して記録された図１に相応する２０の個別記録の平均記録である。この平均値画像では、個別画像（図１参照）とは異なり、燃焼１（火炎）と煤の多い領域３との間の境界が非常に不鮮明である。このことは、流れ場における煤粒子の運動の動特性が高いことによるものである。煤と比較して、冷えた火格子領域と煤の少ない燃焼領域との間の境界の動特性は小さいので、これは平均値画像にも比較的鮮明に示されている。

燃焼領域と煤の多い領域との間の移行領域と、燃焼領域と燃焼のない領域との間の移行領域における顕著な相違は、さらなる方法で、煤の多い領域３を燃焼のない領域（控えた火格子領域２）から区別するのに使用される。このためにまず、煤の少ない照射強度の高い燃焼領域と、燃焼のない領域ないしは煤の多い領域との境界が、照射強度の相対的閾値に基づいて検出され、平均値画像に移行線４（移行領域）としてプロットされる（図３の灰色線を参照）。平均値画像はセグメントに分割され、照射強度の高い領域と低い領域との間の移行線４を移行セグメント５として覆うセグメントが求められる。

前記移行セグメント５についてコントラスト分析によって、この移行セグメントが、燃焼のない領域（火格子領域）と煤の少ない燃焼領域との境界を備えるセグメント、すなわち火格子移行セグメント６（図３で黒く縁取りされたセグメント）であるのか、または煤の多い領域と煤の少ない燃焼領域との境界を備えるセグメント、すなわち煤移行セグメント７（図３で白く縁取りされたセグメント）であるのかが決定される。

有利には比較的後の時点で、各移行セグメントの積分強度値が強度閾値により検査され、閾値を越える移行セグメントが煤の少ない燃焼領域に割り当てられる。択一的にこのセグメントの少なくとも半分の強度が強度閾値を越えている場合に、このセグメントを煤の少ない燃焼領域に割り当てることができる。

これに続いて、照射強度の弱い領域をまたぐ移行セグメントの外にあるすべてのセグメントについて反復的に、移行セグメントとの隣接関係をそれぞれ評価することによって、このセグメントが冷えた火格子領域に所属するのか、または煤の非常に多い領域に所属するのかを決定する（図４参照）。これにより平均値画像の画素部分の暗い領域は、火格子セグメント８（火格子移行セグメント６を含む）と煤セグメント９（煤移行セグメント７を含む）に分類される。本実施例では、領域がこのように一義的に同定される。妥当性検査はここでは必要ない。

基本的に家庭ゴミ、あるいは水分含有量の変動するバイオマスは非常に不均質な燃料であり（そしてそのために発熱量が大きく変動する）、燃焼の貧弱な冷えた火格子領域（燃焼のない領域）だけでなく不完全燃焼（煤の多い領域）も引き起こす。この燃料特性は、種々異なる着火特性および燃焼特性を引き起こす。技術炉（例えば火格子路、流動床、回転釜）では、この燃料特性に起因して、燃焼室内および排ガス燃焼ゾーンにおいて固体燃料燃焼と排ガス組成（排ガスストリーク）に局所的な不均一性が発生する。さらにこの排ガスストリークの位置と強度は時間的および位置的に顕著な不安定性を有しており、煤の多い領域は基本的に高い動特性を有する。

本発明によって、排ガスまたは燃料ガス中のこの不均一性が有利には前記のようにリアルタイムで、燃焼室／排ガス燃焼ゾーンで測定技術的に、すなわち光学的に検出され、酸素含有ガスを所期のように制御して局所的に供給することにより、および／または効率的に混合することにより、前記不均一性が補償される。これにより高温下で十分な酸素供給があれば（生ガス中に約５ Ｖｏｌ．％以上の乾燥酸素、Ｔ＞８５０℃、図５参照）、不完全燃焼した排ガス成分を実質的に完全に酸化することが短時間で可能となる。

図５に開示された燃焼ガスにおける一酸化炭素ＣＯの濃度は煤濃度と同様に、燃焼に対するインジケータである。煤燃焼に対する特性も類似する。良好な燃焼はＣＯ、Ｃ_ｎＨ_ｍおよび煤の濃度が低いことを特徴とする。これらの濃度は実質的に、局所的な酸素供給および排ガス燃焼ゾーンの温度に依存する。図５の測定値は、一酸化炭素および炭化水素が８００℃以下の温度かつ５ Ｖｏｌ．％以下の酸素濃度では上昇することを示し（図５の左側測定値）、中央に示した測定値は、満足できる燃焼を示す（理想例：Ｔ＞８５０℃、かつＯ_２＞５ Ｖｏｌ．％）。後者の値は、例えばゴミ燃焼に対するＢＩｍＳｃｈＶ１７条に規定された、最終の酸素含有空気の添加後、２秒以上の保留時間内での最低温度８５０℃に相応する。この条件はあらゆる箇所、あらゆる時間で排ガス燃焼ゾーンの横断面全体で維持されなければならない。

とりわけ煤粒子の濃度を効率的燃焼によって最小にすることは、ゴミ燃焼において非常に重要なことである。煤粒子は塩化物含有の煙灰とともにボイラー表面に堆積し、または脱塵装置（例えば集塵機）に析出する。２００℃以上の温度領域では、この煤粒子の酸塩化反応によりポリ塩化ジベンゾ−ｐ−ダイオキシン、およびフラン化合物（ＰＣＤＤ／Ｆ）がいわゆる新規合成によって化成される。炭素粒子（煤粒子）がここでは主たる炭素源である。ＰＣＤＤ／Ｆ生成は故障が短時間であっても非常に長期間にわたる。最大ＰＣＤＤ／Ｆ生成は煤堆積率の大きさに依存する。燃焼が再び制御されて経過しても、ＰＣＦＦ／Ｆがボイラー堆積物中に炭素粒子が存在するのと同じぐらい長期に生成される（メモリ効果）。

この種の故障は、局所的煤濃度の前記リアルタイム測定によって識別することができ、リアルタイムで空気供給を制御し、排ガス燃焼ゾーンの領域で集中的に混合することによって緩和／回避される。

さらに本発明によって一般的に、燃焼、とりわけ不均質燃焼による微粒子放出（煤粒子）が検出され、そこから導出された制御量に基づき、これが効率的に低減される。

１ 煤の少ない燃焼領域
２ 火格子領域
３ 煤の多い領域
４ 移行線
５ 移行セグメント
６ 火格子移行セグメント
７ 煤移行セグメント
８ 火格子セグメント
９ 煤セグメント

Claims (3)

1. ガス燃焼ゾーンを備える焼却施設での燃焼における排ガス燃焼品質を特性化する方法において、
   ガス燃焼ゾーンの通流横断面で、煤の少ない燃焼領域、燃焼のない領域、および煤の多い領域を可視波長領域で光学的に検出し、
   前記燃焼のない領域および前記煤の多い領域はそれぞれの動特性が異なることを特徴とし、
   前記燃焼のない領域と前記煤の多い領域は、煤の少ない燃焼領域へのそれらの移行領域において複数の順次連続する個別記録を評価することによって区別される、ことを特徴とする方法。
2. 請求項１記載の方法であって、以下の方法ステップを有する：
   ａ） ガス燃焼ゾーンの通流横断面を通流に抗して検出する、可視波長領域用のカメラを設け、
   ｂ） 通流横断面を、それぞれ複数の画素を備えるセグメントに分割し、
   ｃ） 通流横断面における燃焼を前記カメラにより、少なくとも２つの時間的に順次連続する個別記録により記録し、
   ｄ） 前記通流横断面において煤の少ない燃焼領域を位置特定し、
   ここで、前記煤の少ない燃焼領域では、調整可能な強度閾値を上回る強度値が発生し、
   前記強度閾値は、通流横断面の最大強度に対して相対的に、自動的または手動で設定されるものであり、
   ｅ） 移行領域を、煤の少ない燃焼領域に割り当てられているが、煤の少ない燃焼領域には所属しない境界画素を少なくとも１つ有する画素として位置特定し、
   ｆ） 前記移行領域を移行セグメントに割り当て、
   ｇ） 各移行セグメントについてコントラスト値を検出し、
   ｈ） コントラスト閾値を上回るコントラスト値を備える移行セグメントを、煤の少ない燃焼領域と燃焼のない領域との間の移行部に割り当て、コントラスト閾値を下回るコントラスト値を備える移行セグメントを、煤の少ない燃焼領域と煤の多い領域との間の移行部に割り当て、
   ｉ） 画素の半分以上が強度閾値以下にあるすべてのセグメントを、煤の多い領域または燃焼のない領域に反復的に割り当て、
   当該反復的割り当ては、移行セグメントおよびすでに割り当てられたセグメントへの隣接関係の評価により行われ、
   ｊ） 煤の多い領域を、当該煤の多い領域に割り当てられたセグメントの数と配置を介して決定し、位置特定する方法。
3. 請求項２記載の方法において、
   前記煤の多い領域の決定と位置特定を、局所的な燃焼状態に適合して、酸素含有ガスを排ガス燃焼ゾーンに位置的に細分化して噴入するための制御信号に変換する方法。

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