JP5074061B2 - 廃棄物燃焼プロセスの制御 - Google Patents

Description

本発明は、廃棄物燃焼の分野に係る。本発明は、請求項１の前提部分に記載された廃棄物焼却プラントの蒸気アウトプットを制御する方法から出発する。

廃棄物は、例えば物品の生産及び消費または建築物及び道路の建設などの、人間の活動の後に残されるあらゆるタイプの残余の物質である。残余の物質の大半は、それらの質量及び体積そのものを除いては、環境に対して潜在的な脅威を及ぼさない。それにも拘わらず、それらの適正な処理は、関係する長期間のリスクを最小化または回避するために役立つ。高度な都市廃棄物の管理はまた、廃棄物処理のコストを削減するために役立ち、また、そうでなければ廃棄物の投棄のために必要とされるであろう、広い範囲の破壊を避けるために役立つ。従って、廃棄物の熱的な処理、即ち廃棄物の焼却または燃焼は、あらゆる都市廃棄物管理のコンセプトの中で不可欠な部分を占めている。

焼却は、意図的に開始され、コントロールされ、そして広い意味で監視された、あらゆる物資の自己持続性の酸化として理解される。固体燃料のあらゆる燃焼の場合と同様に、煙道ガス及びアッシュが、そのような廃棄物焼却プロセスによる生成物である。アッシュは、様々な組成の残滓であって、主としてシリコン酸化物及び他の無機質を含んでいる。それらの化学的な不活性のために、それらは、埋め立て及び土木工事のためにしばしば使用されている。

都市及び産業廃棄物は、投棄される廃棄物の体積を減らすため、及び、廃棄物の環境的に有害な成分、無害な化合物に変換するために、廃棄物焼却プラントで処理される。処理されるべき廃棄物の量の増大は、複数のトラックを備えた焼却プラントのデザインをもたらし、各トラックはそれぞれ、時間当たり数十トンの廃棄物を焼却することができる。いわゆる廃棄物のエネルギー化プラントは、単に廃棄物を燃やしてアッシュにするのみではなく、その燃焼エネルギーを、例えば地域暖房のための蒸気、および／または、電気を生成するために使用し、それによって、プラントの全体的な効率を改善する。

煙道ガス及びアッシュ処理並びにエネルギーのための高度な設備は、プラントの複雑さを増大させ、従って、適切な制御技術を要求する。しかしながら、経験を積んだオペレータに取って代わり得る適切な全体的な制御スキームは、これまでのところ無い。その理由は基本的には、複雑な化学的プロセス及び不安定な燃料の品質が、燃焼温度及び煙道ガスの組成及び流量の変動をもたらすからである。廃棄物組成のバラツキは、特に、廃棄物の発熱量または湿分、または、砂、砂利または他の不燃性物質（例えば廃棄物の中の金属など）の量に、関係している。

廃棄物焼却プラント内の燃焼プロセスに影響を与えるために使用可能な最も重要な制御パラメータは、一次及び二次燃焼空気のマスフロー、空気温度、循環煙道ガスの量、供給される廃棄物または燃料の量、及び、往復運動式の火格子の移送速度またはストーキング速度である。これらのパラメータは、廃棄物の水分及び発熱量の予測される変動及び予測できない変動に応じて、処理可能な廃棄物の量または生成可能な蒸気の量を最大化する目的で、および／または、空気汚染物質の排出の量を最小化する目的で、最適化されなければならない。

多くの産業上での使用において、様々な制御変数は、シングル・ループ及びＰＩＤコントローラによって、互いに独立してコントロールされる。

近年の赤外線カメラまたは同様な装置の導入は、例えば廃棄物温度または火炎温度などの、廃棄物燃焼プロセスの内部またはプロセス状態へのアクセスを可能にした。米国特許第 US 5 606 924 号明細によれば、燃焼プロセスが、赤外線カメラにより決定される燃料質量の温度分布、煙道ガス内で検出される酸素含有量、または生成された蒸気のマスフローに応じて、調整される。

蒸気アウトプット要求に対する炉のパフォーマンスの適応性を改善するため、及び排出ガスの組成に影響を与えるために、火格子の少なくとも一部で、燃料質量の三次元分布を検出することが示唆されている。燃料マスの輪郭が、レーダーにより、または、複数のビデオ・カメラを異なるアングルで燃料マスに向けることにより、スキャンされ、そして、それぞれのゾーン内での燃焼によりローカルに放出されたエネルギーの量が推定される。

一般的に、対応するオンライン温度測定値の利用可能性は、燃焼プラントのオペレータを模倣しようとする新規な制御スキームに道を開く。それらは、例えば、“A neuro-fuzzy Adaptive control strategy for refuse incineration plants” by B. Krause et al., Fuzzy Sets and Systems 63, pp 329-338, 1994. に記載されているように、ニューラル・ネットワークまたはファジー・ロジックを基礎にしている。

本発明の目的は、変動する組成の廃棄物を処理する廃棄物焼却プラントの自動化された、リアルタイム制御を、所望の蒸気設定点または蒸気アウトプット・レベルを維持する観点で可能にすることにある。

この目的は、請求項１及び６に基づく、廃棄物燃焼プロセスを制御するための方法及びシステムによって実現される。更なる好ましい実施形態は、従属特許クレイムから明らかである。

本発明によれば、廃棄物燃焼プロセスにおける蒸気生産が、リアルタイムにアクセス可能な操作パラメータに依存する独立した蒸気寄与の総和として、蒸気の流量を近似する関係式から、廃棄物供給速度の制御値を決定することによって、コントロールされる。それらの操作パラメータは、例えば一次及び二次燃焼空気のマスフローなどの、プロセス・インプット、並びに、例えば廃棄物及び火炎温度などの、プロセス状態を含んでいる。

独立した蒸気寄与は、現実の物理的部分プロセスに起源を有し、操作パラメータの中での燃焼プロセスの強い非線形性の説明となる。それらには、燃焼プロセスの中の全ての種類の不確定性または変動を説明する、プロセス特有の、ア・プリオリな未知の回帰係数が乗ぜられる。

従って、蒸気の流量の提案された多項式近似式は、非線形なやり方で測定されたプロセス・インプット及び状態に依存する寄与を、限定された数の線形回帰係数から分離する。それらの線形回帰係数は、それにも拘わらず、もし適切に選択された場合には、廃棄物組成の、可能性がある全ての変動を捕らえることが可能なものである。これらの係数の数Ｎ’のプロセス特有の値は、操作パラメータ及び対応する蒸気の流量の操作値（即ち、特定の焼却プラント運転中に測定される値）を有するＮデータ・セットから、トレーニング・ステップの中で、導き出され、またはチューニングされる。

本発明の好ましい実施形態において、蒸気の流量を操作パラメータに関係付ける関係式または数式を導き出すために評価されるデータのセットの操作値は、廃棄物温度または燃焼温度の値を有している。

本発明の好ましい実施形態において、廃棄物供給制御アクションの時間遅れ、及び蒸気生産に対するその効果は、データのセットの中に、対応する以前の廃棄物供給速度の値を含めることにより、評価されそして説明される。

好ましくは、本発明に基づく方法のそれぞれのステップまたは機能的モジュールは、プログラムされたソフトウエア・モジュールまたは手順として、実現される。そのソフトウエア・モジュールのコンピュータ・プログラム・コードは、廃棄物焼却制御システムの一つまたはそれ以上のプロセッサを制御するための、コンピュータ・プログラム製品の中に貯えられ、特に、その中にコンピュータ・プログラム・コード手段を含むコンピュータで読み込み可能な媒体を含むコンピュータ・プログラム製品の中に貯えられる。

本発明の主題は、以下のテキストにおいて、添付図面に示された好ましい例示的な実施形態を参照しながら、より詳細に説明される。

図面の中で使用されている参照符号及びそれらの意味は、まとめの形で、参照符号のリストの中に挙げられている。図面の中で、原則として、同一の部分には同じ参照符号が付されている。

図１は、複数の基本的コンポーネントを有する廃棄物焼却プラントを概略的に示している。インプット供給機構またはアクチュエータ１０は、都市または産業廃棄物、ゴミまたは他の残骸を炉１１の中に導入し、それらを、特定の廃棄物供給速度 ｗ_ｏ で、支持された可動の火格子１２の上に置き、それによって、廃棄物床を形成する。

火格子１２は、一般的に、反対方向に動く幾つかの火格子プレートを有し、廃棄物を広げ且つ混合し、それを火格子１２に沿って前進させる。補助バーナ１３が、燃焼プロセスを開始または維持するために、設けられても良い。燃焼された煙道ガスは、炉１１の上流の、煙道ガス域または煙道ガスチャネル１４の中に集められ、ボイラまたは蒸気発生器１５へ導かれる。

一般性を失うことなく、焼却プロセスは、廃棄物によって順に横切られる下記の四つのゾーンに分けられる：乾燥ゾーン２０；熱分解及びガス化／揮発のための第一燃焼ゾーン２１；チャーの酸化または固体燃焼のための残余ゾーン２２；及び、アッシュ処理／焼結ゾーン２３。これらのゾーンは、実際には、炉の中で明確に分けられていることはなく、ある程度重なり合っている。

熱分解ガスの一様なガス層の燃焼が起こる第二燃焼ゾーンまたは火炎ゾーン２４は、廃棄物床の上方を占めている。一次空気３０は、火格子の下側から、一般的には異なる量で、上記の四つのゾーン２０，２１，２２，２３に供給される。二次空気３１は、第二燃焼ゾーン２４内でのガス化及び熱分解生成物の完全燃焼を確保するために、火格子の上方に供給される。

蒸気の流量を、幾らかシステマチックなやり方で評価するために、異なる種類のエネルギー バランスが、考慮される。第一に、燃料の完全燃焼、損失無し、単一のボイラ効率を仮定したとき、蒸気の中に含まれる全エネルギーは、廃棄物の中のエネルギーと燃焼空気のエネルギーの和に等しい。従って、エネルギー バランスは、下記の式のように表される：

ここで、
ｍ_steam は、蒸気の流量［ｋｇ／ｓ］、
Ｈ_steam は、蒸気エンタルピ［ｋＪ／（ｋｇ・Ｋ）］、
ｗ_ｏ は、廃棄物供給速度または燃料流量（fuel flow）［ｋｇ／ｓ］、
η；０≦η≦１ は、廃棄物効率、
ＬＨＶ は、廃棄物の真発熱量［ｋＪ／ｋｇ］、
ｕ_２＝［ｕ_２（１），ｕ_２（２）］ は、一次空気（マスフロー，温度）［ｋｇ／ｓ］、
ｕ_３＝［ｕ_３（ｉ），ｕ_３（２）］ は、二次空気（マスフロー，温度）［ｋｇ／ｓ］、
Ｈ は、それぞれの空気温度での空気のエンタルピ［ｋＪ／（ｋｇ・Ｋ）］、である。

従って、もし、積 η・ＬＨＶ が知られていれば、与えられたまたは要求される、蒸気の流量 ｍ_steam に対する廃棄物供給速度 ｗ_ｏ を決定することが可能である。しかしながら、補助的な量 η は、間接的にのみアクセス可能であるので、前記の積を、十分な正確さで決定することができない。

第二に、蒸気生産も同様に、ボイラに関するエネルギー・バランスの項で、下記のように表すことが可能である：

ここで、式１に加えて、

ｍ_gas は、ガス流量、
Ｘ_ＧＣ は、火炎（ガス雲）温度［Ｋ］、
Ｘ_ＬＬ は、廃棄物（下側レイヤ，燃焼ゾーン）温度［Ｋ］、である。

式２は、強く非線形であって、入ってくる廃棄物供給速度 ｗ_ｏ の影響は、明確に特定可能ではない。

上記の第一及び第二のアプローチのそれぞれの欠点を取り除くために、一つの試みがなされ、蒸気の流速 ｍ_steam のための数式をセミ・ヒューリスティック（semi-heuristic）なやり方で導き出した。この目的のために、式１及び式２は、下記の一般的形態を有する多項式により置き換えられる：

ここで、
θ_ｉ は、回帰係数、
φ_ｉ は、それぞれの蒸気寄与、である。
換言すれば、蒸気の流速は、別個の蒸気寄与の線形の組み合わせとして近似され、各寄与は、操作パラメータに、以下に詳しく説明するように、それぞれの蒸気寄与の物理的起源またはその対応する熱源に由来する別個のやり方で、依存する。

本発明によれば、式１及び式２からの未知の質に基づくあらゆる不確定性は、回帰係数θ_ｉの中に組み込まれる。式３は、操作パラメータ（即ち、プロセス・インプット ｕ_２，ｕ_３，ｗ_ｏ 及びプロセス状態 Ｘ_ＬＬ，Ｘ_ＧＣ ）の中で、非線形であるが、回帰係数θ_ｉの中では、線形である。式３のこの特定の形態は、回帰係数 θ_ｉ を、過度な計算能力無しで、例えば、以下において詳細に説明するような、反復最小自乗（ＲＬＳ：Recursive Least Square）法を使用して、オンラインで評価することを可能にする。

図２は、本発明に基づく廃棄物焼却プロセスを制御するステップを示している。ステップ４０において、廃棄物焼却プラントの操業中に、操作パラメータ ｕ_２，ｕ_３，Ｘ_ＧＣ，Ｘ_ＬＬ，ｗ_ｏ の操作値（または、それぞれの制御信号及びセンサー出力信号）、並びに対応する蒸気の流速 ｍ_steam の値が、繰り返し測定され、それにより、合計で Ｎ のデータ・セットが形成される。

次いで、ステップ４１において、これらのデータ・セットが評価され、蒸気の流速を操作パラメータに関係付ける回帰関係式の Ｎ’≦Ｎ の回帰係数 θ_ｉ が特定される。ステップ４２において、蒸気アウトプット流量の設定点または目標 Ｍ_steam が与えられる。ステップ４３において、廃棄物供給速度 ｗ_ｏ の制御値が、ｗ_ｏ を除く全ての操作パラメータの前記設定点及び現在の値を用いて回帰関係式を解くことにより、計算される。この制御値が、最後に、廃棄物焼却プラントの廃棄物供給アクチュエータ１０に適用される。

ステップ４４は、新しいデータ・セットが、規則的にまたは時折、入手可能である可能性を示している。そのことは、回帰係数のアップデートを必要とする。あるいは、このステップは、新しい設定点または操作パラメータの現在の値の変更が、廃棄物供給速度の再計算を要求する可能性を示している。

前者の可能性を考慮すると、評価されるべきデータのセットの相違またはバラツキが大きくなるに従い、それが動的燃料変動になる時から、そこで得られる回帰係数 θ_ｉ の信頼性が高まる。

本発明の例示的な実施形態による幾らか洗練されたバージョンは、下記の形態を有している：

ここで、蒸気寄与は以下の形態をとる：

第一蒸気寄与（φ_１により示される）は、一次及び二次空気の影響を表し、これに対して、第二蒸気寄与（φ_２により示される）は、固体及びガス燃焼から生ずる燃焼ガスの影響を表している。後者の寄与は、固体相の燃焼速度を排気温度 Ｘ_ＬＬ の関数として与える第一指数関数項、及び、ガス相の燃焼速度を火炎温度 Ｘ_ｇｃ の関数として与える第二指数関数項を有している。

更に、
ｃ_ｐ は、煙道ガスの比熱［ｋＪ／（ｋｇ・Ｋ）］、
Ａ_１，Ａ_２，Ｒ，Ｅ_１，Ｅ_２ は、例えば下記の文献から知られる定数である：
“Heterogeneous kinetics of coal gasification and combustion” by M. Laurendau, Progress in Energy Combustion Science Vol.4, pp.22 1-270, Pergamon Press 1978.

このアプローチにおいて、蒸気の流量 ｍ_steam は、廃棄物供給速度 ｗ_ｏ に線形的に依存する。即ち：
ｍ_steam ＝ Ｍ（θ）＋ｗ_ｏＮ（θ）
この関係式は、廃棄物供給速度に対して解析的に解くことが可能である。その廃棄物供給速度は、蒸気の送出またはエネルギー・アウトプットの契約により決定される与えられた蒸気設定点 Ｍ_steam に対して、直接的なやり方で計算することが可能である。

これに対して、留意すべきことは、より少ない操作パラメータを含むいかなるアプローチ（例えば、ｗ_ｏ 以外のプロセス・インプットまたは状態を全く含まない θ_１＋ｗ_ｏθ_２ ）、特に、温度 Ｘ_ＧＣ 及び Ｘ_ＬＬ を無視したアプローチでは、上首尾の結果が得られないことが、判明していることである。従って、式３のセミ・ヒューリスティック・モデルは、過度に単純化されてはならない。

図３は、提案された制御スキームの実現可能性をテストするために、ＭＡＴＬＡＢ Simulink を用いて行われたシミュレイションの結果を示している。一定の廃棄物組成、及び第一の値から第二の値へまたその逆へ時折変化する蒸気の流量設定点 Ｍ_steam （上方のグラフ、曲線Ａ）が、仮定された。次に、本発明に基づく方法が、合理的な複雑さを持つ廃棄物燃焼モデルを使用して、それ自身がモデル化された廃棄物燃焼プロセスに適用された。先に詳しく説明されたようにコントロールされた廃棄物供給速度 ｗ_ｏ （下側のグラフ、曲線Ｂ）、及び、そこから得られた実際の蒸気の流量（上側のグラフ、曲線Ｃ）が、同様に示され、そして、初期の僅かな振動の後、蒸気の流量の設定点が非常に速やかに追従されることが、示されている。

火格子上への廃棄物の供給と、蒸気生産に対するその効果との間に、遅れがあるので、対応する遅れ時間 Δ が、上記の関係式の中に導入される。この時間遅れは、一時間までのオーダーである可能性があり、そして、最初の火格子ゾーンの中での廃棄物の滞在時間に物理的に関係している。先に述べた線形関係式は、そのとき、下記のようになる：

従って、好ましい変形形態において、時間遅れ Δ が評価され、そして、廃棄物供給速度 ｗ_ｏ の対応する以前の値が、係数 θ_i を評価する目的で、操作パラメータの測定値に関連付けられる。

図１は、廃棄物焼却プラントを概略的に示す。 図２は、廃棄物供給速度を決定する方法のフローチャートに示す。 図３は、蒸気の流量の設定点に対してコントロールされた蒸気の流量を示すグラフである。

符号の説明

１０…アクチュエータ、１１…炉、１２…火格子、１３…補助バーナ、１４…煙道ガス域、１５…ボイラ、２０…乾燥ゾーン、２１…第一燃焼ゾーン、２２…残余ゾーン、２３…アッシュ処理ゾーン、２４…第二燃焼ゾーン、３０…一次空気、３１…二次空気。

Claims (7)

1. 廃棄物燃焼プロセスを制御する方法であって、
   ａ） それぞれ、燃焼プロセスの複数の操作パラメータ（ｕ_２，ｕ_３，Ｘ_ＧＣ，Ｘ_ＬＬ，ｗ_ｏ）の操作値、及び燃焼プロセスにより生成された蒸気の流量（ｍ_steam）に対応する値からなる複数のデータ・セットを用意し；
   ｂ） 前記複数のデータ・セットを評価し、蒸気の流量（ｍ_steam）と操作パラメータ（ｕ _２ ，ｕ _３ ，Ｘ_ＧＣ，Ｘ_ＬＬ，ｗ_ｏ）の間の関係式を導き出し；
   ｃ） 所与の所望の蒸気の流量の設定点（Ｍ_steam）に対して、廃棄物供給速度（ｗ_ｏ）の制御値のための前記関係式を解いて、燃焼プロセスの廃棄物供給アクチュエータ（１０）に前記制御値を適用する、
   方法において、
   上記のステップ ｂ）が、
   ｂ’）
   

   

   −の形態の多項式関係式（式３）の中で、複数の蒸気寄与（φ_ｉ）に乗ぜられる、複数の回帰係数（θ_ｉ）の値を導き出すこと、
   ここで、これらの蒸気寄与（φ _ｉ ）は、操作パラメータ（ｕ _２ ，ｕ _３ ，Ｘ _ＧＣ ，Ｘ _ＬＬ ，ｗ _ｏ ）に依存すること、
   前記多項関係式は、これらの蒸気寄与（φ _ｉ ）の線形の組み合わせとして、蒸気の流量（ｍ _steam ）を近似すること、
   前記操作パラメータは、廃棄物供給速度（Ｗ _ｏ ）を含むプロセス・インプット、及びプロセス状態を含んでいること、
   を特徴とする方法。
2. 下記特徴を備えた請求項１に記載の方法：
   当該方法は、
   燃焼プロセスの温度（Ｘ_ＧＣ，Ｘ_ＬＬ）の操作値を測定すること；及び、
   その操作値を有するデータ・セットを用意すること；を含んでいる。
3. 下記特徴を備えた請求項１に記載の方法：
   当該方法は、
   廃棄物供給アクチュエータ（１０）への前記制御値の適用と蒸気生産への効果との間の時間遅れを表す遅れ時間（Δ）を評価すること；及び、
   それぞれ、時間ｔに測定される複数の操作パラメータ（ｕ_２，ｕ_３，Ｘ_ＧＣ，Ｘ_ＬＬ）の操作値、及び、その時間ｔに遅れ時間（Δ）だけ先行する時間（ｔ−Δ）に測定される廃棄物供給速度（ｗ_ｏ）の値を有するデータ・セットを用意すること；
   を含んでいる。
4. 下記特徴を備えた請求項１に記載の方法：
   当該方法は、
   データ・セットを用意すること；及び、
   廃棄物焼却プラントの操業中に、回帰係数（θ_ｉ）のアップデートされた値をオンラインで導き出すこと；を含んでいる。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の方法を実行するためのコンピュータ・プログラム。
6. 廃棄物燃焼プロセスを制御するためのシステムであって、
   − それぞれ、燃焼プロセスの複数の操作パラメータ（ｕ_２，ｕ_３，Ｘ_ＧＣ，Ｘ_ＬＬ，ｗ_ｏ）の操作値、及び燃焼プロセスにより生成された蒸気の流量（ｍ_steam）に対応する値からなる複数のデータ・セットから、
   

   

   −の形状の多項式関係式（式３）の中で、複数の蒸気寄与（φ_i）に乗ぜられる複数の回帰係数（θ_ｉ）の値を導き出すための手段を有し、
   ここで、これらの蒸気寄与（φ _ｉ ）は、操作パラメータ（ｕ _２ ，ｕ _３ ，Ｘ _ＧＣ ，Ｘ _ＬＬ ，ｗ _ｏ ）に依存すること、
   前記多項関係式は、これらの蒸気寄与（φ _ｉ ）の線形の組み合わせとして、蒸気の流量（ｍ _steam ）を近似すること、
   前記操作パラメータは、廃棄物供給速度（Ｗ _ｏ ）を含むプロセス・インプット、及びプロセス状態を含んでいること、及び、
   当該システムは更に、
   − 与えられた所望の蒸気の流量の設定点（Ｍ_steam）で、廃棄物供給速度（ｗ_ｏ）の制御値のための前記関係式を解いて、前記制御値を燃焼プロセスの廃棄物供給アクチュエータ（１０）に適用するための手段を有していること、
   を特徴とするシステム。
7. 下記特徴を備えた請求項６に記載のシステム：
   当該システムは、
   燃焼プロセスの温度（Ｘ_ＧＣ，Ｘ_ＬＬ）の操作値を測定するための手段を有している。

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