JP5728361B2 - 廃棄物溶融処理設備における燃焼室の燃焼制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般廃棄物や産業廃棄物等を溶融処理する廃棄物溶融処理設備において、廃棄物溶融炉から排出される可燃性ガス及び可燃性ダストを燃焼させる燃焼室の燃焼制御方法に関する。

廃棄物溶融炉から排出される可燃性ガス及び可燃性ダストの量は一定しておらず時々刻々変化する。このため、状態量の変化に応じて燃焼室に吹き込む燃焼空気量を制御する必要がある。そこで、燃焼室の排ガス出口に酸素濃度計を設置し、排ガス出口における酸素濃度が一定となるように燃焼空気調節弁の開度を調節する酸素濃度制御が従来より実施されている。しかし、廃棄物溶融炉の炉況により可燃性ダストの発生量が急増することがあり、従来の酸素濃度制御では、可燃性ダストの急増に対処することができないことがある。

このような可燃性ダストの急増にも対処できる燃焼室の燃焼制御方法として、特許文献１では、燃焼室内の温度を光によって検出する放射温度計を燃焼室に設置し、この放射温度計の出力の変化率に応じて燃焼室に吹き込む燃焼空気量を変化させる方法が開示されている。しかし、放射温度計の出力は、あくまで燃焼室の温度変化を捉えたものであるため、燃焼室の温度に変化が生じてからの対応とならざるを得ず、可燃性ダストの急増に対する追従性は十分とはいえない。即ち、燃焼室における可燃性ダストの滞留時間は通常数秒という短時間であるため、可燃性ダストが急増した際に、可燃性ダストの燃焼によって燃焼室の温度が上昇してから燃焼空気量を増加させても、急増した可燃性ダストを完全燃焼させることが困難な場合がある。

そこで、本発明者等は、可燃性ダストの急増が廃棄物溶融炉の炉況変化に起因するものであることに着目し、廃棄物溶融炉の炉頂圧力及び炉内差圧の変化率に応じて燃焼室に吹き込む燃焼空気量を変化させる方法を提案した（特許文献２参照）。具体的には、廃棄物溶融炉に設置した炉頂圧力センサ及び炉内差圧センサからの出力の変化率に応じて燃焼室に吹き込む燃焼空気量の変化量を演算し、現在の燃焼空気量にこの変化量を加算したものを燃焼室に吹き込むべき燃焼空気量とする。

特開２００５−１４７４７２号公報 特開２０１０−１３３６６０号公報

特許文献２に記載された燃焼制御方法（以下、「炉内圧変化に基づく補正制御」と呼ぶことがある。）は、可燃性ダストが急増する際に実行され、平時は、従来の酸素濃度制御によって燃焼空気量の制御が行われる。しかしながら、炉内圧変化に基づく補正制御に切り替える時点における燃焼空気量が少ない場合、廃棄物溶融炉の炉頂圧力及び炉内差圧の変化率に応じた燃焼空気量の増加分だけでは、急増する可燃性ダストを完全燃焼させるために必要な燃焼空気量に満たない場合があることが判明した。逆に、炉内圧変化に基づく補正制御に切り替える時点における燃焼空気量が多い場合、燃焼空気量の上記増加分が、急増する可燃性ダストを完全燃焼させるために必要な燃焼空気量に対して過剰となる場合がある。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、現時点における燃焼空気量を考慮することにより、急増する可燃性ダストを燃焼室内で完全燃焼させることが可能な、廃棄物溶融処理設備における燃焼室の燃焼制御方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、廃棄物溶融炉から排出される可燃性ガス及び可燃性ダストを燃焼させる燃焼室の燃焼制御方法において、
前記燃焼室に供給する燃焼空気量の制御出力ＯＰの補正が必要かどうかの判定値Ｈを燃焼空気量の現在値ＰＶに基づいて算出し、前記廃棄物溶融炉の炉頂圧力及び炉内差圧の変化量ΔＰＶが前記判定値Ｈ以上である際、前記変化量ΔＰＶに応じて算出した制御出力補正量ΔＯＰを前記燃焼空気量の制御出力ＯＰに加算して前記燃焼室に吹き込むことを特徴としている。

本発明では、燃焼室に供給する燃焼空気量の補正が必要かどうかの判定値を固定値とせず、現時点における燃焼空気量に応じた値としている。これにより、現時点における燃焼空気量が燃焼室の燃焼制御に反映され、急増する可燃性ダストに対して、酸素余剰量を考慮した適切な燃焼空気量が燃焼室に供給される。その結果、燃焼空気量不足による不完全燃焼を防止すると共に、燃焼空気量過多による燃焼温度の低下や後段プロセスにおける負荷増を抑制することができる。

前記燃焼空気量の制御出力ＯＰは、前記燃焼室のメインバーナに供給される１次燃焼空気量の制御出力ＯＰ１と前記燃焼室に直接供給される２次燃焼空気量の制御出力ＯＰ２とから構成される。そこで、本発明に係る廃棄物溶融処理設備における燃焼室の燃焼制御方法では、前記１次燃焼空気量の制御出力ＯＰ１と前記２次燃焼空気量の制御出力ＯＰ２を、制御出力補正量ΔＯＰを用いて（１）式、（２）式によって補正することを好適とする。
ＯＰ１（ｔ＋Δｔ）＝ＯＰ１（ｔ）＋ΔＯＰ×ｋ１ （１）
ＯＰ２（ｔ＋Δｔ）＝ＯＰ２（ｔ）＋ΔＯＰ×ｋ２ （２）
ここで、
ｔ：時刻、Δｔ：時間増分、ｋ１、ｋ２：係数

燃焼室内の燃焼温度は均一ではなく、最適な燃焼温度分布が存在する。例えば、燃焼室の上部にメインバーナを有するトップバーナ式燃焼室の場合、メインバーナ部が最も燃焼温度が高く、燃焼室中部、排ガス出口部、燃焼室下部と下方に向かうにつれて燃焼温度が低くなる燃焼温度分布が望ましい。これは、燃焼室の上部に比べて下部のほうが燃焼温度が高いと、「ごみ処理に係るダイオキシン類発生防止等ガイドライン」に規定されている燃焼温度８５０℃以上（９００℃以上の維持が望ましい。）且つ滞留時間２秒以上という条件を満足できないおそれがあるからである。

本発明では、（１）、（２）式を用いて１次燃焼空気量と２次燃焼空気量の比率を調節することにより、バーナ位置等の燃焼室の構造上の制約（例えば、トップバーナ式燃焼室では、燃焼室の上部から下部へのガス流となり、短い滞留時間しかとれないというような構造上の制約）下において、燃焼室内の燃焼温度分布を最適な状態に近づけることができる。

本発明に係る廃棄物溶融処理設備における燃焼室の燃焼制御方法では、燃焼室に供給する燃焼空気量の補正が必要かどうかの判定値を、現時点における燃焼空気量に応じて設定するので、現時点における燃焼空気量が燃焼室の燃焼制御に反映され、急増する可燃性ダストを燃焼室内で完全燃焼させることができる。

本発明の一実施の形態に係る廃棄物溶融処理設備における燃焼室の燃焼制御方法の制御系統、並びに廃棄物溶融処理設備のプロセスフローを示した模式図である。 同廃棄物溶融処理設備における燃焼室の燃焼制御方法の制御フロー図である。 燃焼空気量と判定指標との関係を示すグラフである。 燃焼空気量の補正判定を説明するための模式図であり、（Ａ）は燃焼空気量が十分な場合、（Ｂ）は燃焼空気量が少ない場合を示している。

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態に付き説明し、本発明の理解に供する。

本発明の一実施の形態に係る燃焼室の燃焼制御方法が適用される廃棄物溶融処理設備のプロセスフローを図１に示す。本実施の形態では、廃棄物溶融炉１０としてシャフト式のガス化溶融炉を想定している。廃棄物溶融炉１０では、廃棄物と共に副資材（コークス及び石灰石）が炉上部から投入され、乾燥、熱分解、燃焼、及び溶融の過程を経て生成したスラグが炉底から排出される。一方、炉内で生成した可燃分は、可燃性ダスト及び熱分解ガス（ＣＯ、Ｈ_２、ＣＨ_４、ＣＯ_２等）を含む可燃性ガスとして廃棄物溶融炉１０上部に設けられた配管１０ａから排出される。

廃棄物溶融炉１０から排出された可燃性ダスト及び可燃性ガスは、配管１０ａを介して除塵器１１に導入され、可燃性ダストが除塵器１１で捕集される。捕集された可燃性ダストは、送風羽口（図示省略）から廃棄物溶融炉１０内に吹き込まれる。一方、除塵器１１に捕集されなかった可燃性ダスト及び可燃性ガスは、配管１１ａを介して燃焼室１３へ導入される。

配管１１ａの燃焼室１３近傍にはメインバーナ（図示省略）が設置されており、メインバーナには、１次燃焼空気配管２８を介して燃焼空気送風機３０から１次燃焼空気が供給されている。また、燃焼室１３内には、２次燃焼空気配管２９を介して２次燃焼空気が燃焼空気送風機３０から供給されている。配管１１ａから燃焼室１３の上部へ導入された可燃性ダスト及び可燃性ガスは、燃焼室１３の下部に設けられた排ガス出口１３ａに到達するまでに完全燃焼される。

燃焼室１３から排出された排ガスは、ボイラ１５で熱回収された後、ダイオキシン類の再合成抑制等のため、排ガス温度調節器１６で１５０〜１７０℃に急冷される。排ガス温度調節器１６を通過した排ガスは、濾過式集塵器１７で除塵された後、誘引通風機１８を経て煙突１９から大気中に放出される。なお、ボイラ１５による熱回収によって発生した蒸気は、蒸気タービン発電機その他の熱源として利用される。

図１には、廃棄物溶融処理設備のプロセスフローと共に、燃焼室１３の燃焼制御に関係する制御系統を示している。本発明の一実施の形態に係る廃棄物溶融処理設備における燃焼室の燃焼制御方法は、後述する燃焼制御アルゴリズムが組み込まれた制御装置２０により実行される。
廃棄物溶融炉１０には、炉内圧力を測定するための圧力センサ２１、２２が設置されている。圧力センサ２１は炉頂部に、圧力センサ２２は朝顔部（シャフト部と炉底部の間）に設置され、それぞれ制御装置２０に接続されている。

また、１次燃焼空気配管２８には、１次燃焼空気の流量を測定する１次燃焼空気流量計２４及び１次燃焼空気の流量調整を行う１次燃焼空気調節弁２６が、２次燃焼空気配管２９には、２次燃焼空気の流量を測定する２次燃焼空気流量計２５及び２次燃焼空気の流量調整を行う２次燃焼空気調節弁２７が設置され、それぞれ制御装置２０に接続されている。
さらにまた、燃焼室１３の排ガス出口１３ａには、排ガス中の酸素濃度を測定する酸素濃度計２３が設置され、制御装置２０に接続されている。

図２を用いて、制御装置２０で実施される燃焼制御アルゴリズムについて説明する。
（ＳＴ１）廃棄物溶融炉１０の炉頂部に設置された圧力センサ２１の出力値を炉頂圧力ＰＴ、廃棄物溶融炉１０の炉頂部に設置された圧力センサ２１の出力値と朝顔部に設置された圧力センサ２２の出力値の差を炉内差圧ＰＤとする。そして、炉頂圧力ＰＴ及び炉内差圧ＰＤの変化量ΔＰＶを算出する。炉頂圧力ＰＴ及び炉内差圧ＰＤの変化量ΔＰＶとしては、例えば（３）式を用いて算出することができる。
ΔＰＶ＝｜ＰＴ（ｔ）−ＰＴ（ｔ−Δｔ）｜
＋｜ＰＤ（ｔ）−ＰＤ（ｔ−Δｔ）｜ （３）
ここで、ｔ：時刻、Δｔ：時間増分、｜｜：絶対値記号

（ＳＴ２）一方、１次燃焼空気流量計２４の現在値である１次燃焼空気量現在値ＰＶ１と、２次燃焼空気量計２５の現在値である２次燃焼空気量現在値ＰＶ２を、例えば図３に示すような、炉頂圧力ＰＴ及び炉内差圧ＰＤの変化量ΔＰＶと燃焼空気量の現在値ＰＶ（１次燃焼空気量現在値ＰＶ１、２次燃焼空気量現在値ＰＶ２）との関係に基づいて作成したグラフを用いて、それぞれ判定指標ＰＶ１’とＰＶ２’に変換し、ＰＶ１’とＰＶ２’の和を、燃焼空気量の制御出力ＯＰの補正が必要かどうかの判定値Ｈとする。図３より明らかなように、燃焼空気量の現在値ＰＶが増大するにつれて判定値Ｈも増大する。
なお、前記ΔＰＶとＰＶの関係グラフは、可燃性ダストを燃焼室内で完全燃焼させる試験等により決定される。

（ＳＴ３）炉頂圧力ＰＴ及び炉内差圧ＰＤの変化量ΔＰＶが判定値Ｈ以上であるかどうかチェックが行われる。上述したように、判定値Ｈは燃焼空気量の現在値ＰＶに依存し、燃焼空気量の現在値ＰＶが大きいほど判定値Ｈは大きくなる。従って、現時点における燃焼空気量の現在値ＰＶが大きい場合、図４（Ａ）に示すように、判定値Ｈが大きくなるため、ΔＰＶ≧Ｈとなりにくい。逆に、現時点における燃焼空気量の現在値ＰＶが小さい場合、図４（Ｂ）に示すように、判定値Ｈが小さいため、ΔＰＶ≧Ｈとなりやすい。即ち、現時点における燃焼空気量の現在値ＰＶが小さいほど、炉内圧変化に基づく補正制御が実行されやすくなる。

（ＳＴ４）ΔＰＶ≧Ｈである場合、制御出力補正量ΔＯＰをΔＰＶに基づいて算出する。制御出力補正量ΔＯＰとしては、例えば（４）式を用いて算出することができる。
ΔＯＰ＝ａ×ΔＰＶ／（１次燃焼空気量現在値ＰＶ１（ｔ）＋２次燃焼空気量現在値ＰＶ２（ｔ））＋ｂ （４）
なお、ａ及びｂは定数であり、試験等により決定される。

（ＳＴ５）制御出力補正量ΔＯＰが算定されると、（５）、（６）式を用いて１次燃焼空気量の制御出力ＯＰ１と２次燃焼空気量の制御出力ＯＰ２を更新し、１次燃焼空気調節弁２６及び２次燃焼空気調節弁２７の開度を調節する。
ＯＰ１（ｔ＋Δｔ）＝ＯＰ１（ｔ）＋ΔＯＰ×ｋ１ （５）
ＯＰ２（ｔ＋Δｔ）＝ＯＰ２（ｔ）＋ΔＯＰ×ｋ２ （６）
ここで、ｔ：時刻、Δｔ：時間増分、ｋ１、ｋ２：係数
なお、ｋ１、ｋ２は試験等により決定される。ｋ１、ｋ２は定数としても良いし、例えば制御弁の開度に応じた変数としても良い。

（ＳＴ６）一方、ΔＰＶ＜Ｈである場合、酸素濃度制御が実施され、１次燃焼空気調節弁２６及び２次燃焼空気調節弁２７の開度が調節される。

以上、本発明の一実施の形態について説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。例えば、上記実施の形態では、燃焼室の燃焼制御を行うための専用の制御装置を使用したが、燃焼室の燃焼制御を行うプログラムがインストールされたパーソナルコンピュータを使用しても良い。また、上記実施の形態では、トップバーナ式の燃焼室としているが、ボトムバーナ式の燃焼室でも良い。

１０：廃棄物溶融炉、１０ａ：配管、１１：除塵器、１１ａ：配管、１３：燃焼室、１３ａ：排ガス出口、１５：ボイラ、１６：排ガス温度調節器、１７：濾過式集塵器、１８：誘引通風機、１９：煙突、２０：制御装置、２１、２２：圧力センサ、２３：酸素濃度計、２４：１次燃焼空気流量計、２５：２次燃焼空気流量計、２６：１次燃焼空気調節弁、２７：２次燃焼空気調節弁、２８：１次燃焼空気配管、２９：２次燃焼空気配管、３０：燃焼空気送風機

Claims (2)

1. 廃棄物溶融炉から排出される可燃性ガス及び可燃性ダストを燃焼させる燃焼室の燃焼制御方法において、
   前記燃焼室に供給する燃焼空気量の制御出力ＯＰの補正が必要かどうかの判定値Ｈを燃焼空気量の現在値ＰＶに基づいて算出し、前記廃棄物溶融炉の炉頂圧力及び炉内差圧の変化量ΔＰＶが前記判定値Ｈ以上である際、前記変化量ΔＰＶに応じて算出した制御出力補正量ΔＯＰを前記燃焼空気量の制御出力ＯＰに加算して前記燃焼室に吹き込むことを特徴とする廃棄物溶融処理設備における燃焼室の燃焼制御方法。
2. 請求項１記載の廃棄物溶融処理設備における燃焼室の燃焼制御方法において、前記燃焼空気量の制御出力ＯＰは、前記燃焼室のメインバーナに供給される１次燃焼空気量の制御出力ＯＰ１と前記燃焼室に直接供給される２次燃焼空気量の制御出力ＯＰ２とからなり、前記１次燃焼空気量の制御出力ＯＰ１と前記２次燃焼空気量の制御出力ＯＰ２は前記制御出力補正量ΔＯＰを用いて（１）式、（２）式によって補正されることを特徴とする廃棄物溶融処理設備における燃焼室の燃焼制御方法。
   ＯＰ１（ｔ＋Δｔ）＝ＯＰ１（ｔ）＋ΔＯＰ×ｋ１ （１）
   ＯＰ２（ｔ＋Δｔ）＝ＯＰ２（ｔ）＋ΔＯＰ×ｋ２ （２）
   ここで、
   ｔ：時刻、Δｔ：時間増分、ｋ１、ｋ２：係数

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