JP6472035B1 - 焼却炉内のごみ量推定機能を備えた燃焼制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】 炎越しの熱画像を用いて、ストーカ上のごみ量（体積）を広範囲に且つ正確に推定することにより、ストーカ上のごみ量を最適化して、ごみの乾燥から燃焼までを最適に行う燃焼制御システムを提供する。
【解決手段】 炉本体２内のストーカ５上を搬送されるごみの熱画像を炎越しに撮像するための撮像手段１０と、撮像手段１０によって撮像された熱画像のオプティカルフローを用いてストーカ５上の炉本体２の両側の内壁面との境界線を検出し、ストーカ上の所定エリアのごみの推定量を算出するコントローラと、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ストーカ式ごみ焼却炉内のごみ量を推定する機能を備えた燃焼制御システムに関する。

従来、ストーカ式ごみ焼却炉内のごみ量を測定する方法として、例えば、電波式レベルスイッチによる測定、即ち、焼却炉の対向する側面の一方に電波発信機を取り付け、他方の側面に受信機を取り付けて、電波の送受信位置（図９のＺの位置）にごみの存在の有無を測定する方法が知られている。

更に他の測定方法として、燃焼空気の差圧による測定が知られており、それは、燃焼空気量の火格子下圧力と炉内圧力と流量とを用いてごみの厚みを推定する方法である（特許文献１等）。

更に他の方法として、可視カメラによる画像処理方法が知られており、これは焼却炉の前面に可視カメラを設定し、撮像した画像をデジタル画像処理する方法である（特許文献１等）。

特開２００４−３０９１２２号公報

しかしながら、ストーカ式ごみ焼却炉に電波式レベルスイッチを設けてごみ量を測定する方法では、電波式レベルスイッチの検出レベルにごみが有るか無いかは測定できるが、ごみの有無が電波式レベルスイッチの位置で分かるだけで、ストーカ上の全てのごみ量を推定することはできない。

また、燃焼空気の差圧によるごみ量の測定では、空気の抜け箇所があると測定することができない。また、基準差圧（絞り）が火格子の経年的な損耗等により変化するため、測定誤差が徐々に大きくなる。

また、可視カメラによる画像処理方法では、ごみの流れの上流側が炎や燃焼ガスで遮られて見えない（図９参照）。

そこで本発明は、炎や燃焼ガスからの熱放射エネルギーのない特定波長領域を撮像可能な撮像手段による炎越しの熱画像を用いて、ストーカ上のごみ量（体積）を広範囲に且つ正確に推定することができる、焼却炉内のごみ量推定機能を備えた燃焼制御システムを提供することを主たる目的とし、併せて、ストーカ上のごみ量を最適化して、ごみの乾燥から燃焼までを最適に行うことができ、その結果、燃焼状態が安定し、また完全燃焼させることができる、焼却炉内のごみ量推定機能を備えた燃焼制御システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る焼却炉内のごみ量推定機能を備える燃焼制御システムの第１の手段は、焼却炉の炉本体内のストーカ上を搬送されるごみの熱画像を炎越しに撮像するための撮像手段と、前記撮像手段によって撮像された熱画像のオプティカルフローを用いて前記ストーカ上のごみと前記炉本体の両側の内壁面との境界線を検出し、前記ストーカ上の所定エリアのごみの推定量を算出するコントローラと、を備えることを特徴とする。

また、本発明の第２の手段は、上記第１の手段において、前記コントローラは、前記ストーカ上のごみの前記推定量が所定範囲内となるように前記ストーカのストーカ速度を制御することを特徴とする。

また、本発明の第３の手段は、上記第１又は第２の手段において、前記コントローラは、前記ストーカ上のごみの前記推定量が所定範囲内となるように前記焼却炉にごみを供給する給じん装置の給じん速度を制御することを特徴とする。

また、本発明の第４の手段は、上記第１の手段において、前記ストーカが乾燥ストーカ及び燃焼ストーカを含み、前記所定エリアが前記乾燥ストーカに相当するエリアと前記燃焼ストーカに相当するエリアの双方のエリアを含み、前記コントローラは、前記燃焼ストーカ上のごみの推定量が所定範囲となるように前記乾燥ストーカのストーカ速度を制御するとともに、前記乾燥ストーカ上のごみの推定量が所定範囲となるように前記焼却炉にごみを供給する給じん装置の給じん速度を制御することを特徴とする。

さらに、本発明の第５の手段は、上記第１の手段において、前記コントローラは、前記所定エリアでの前記境界線の平均高さを演算し、前記平均高さと前記所定エリアの面積とから前記所定エリアのごみの推定量を演算することを特徴とする。

本発明によれば、オプティカルフローを用いてストーカ上のごみと炉本体の両側の内壁面との境界線を検出することにより、ストーカ上のごみ量を広範囲に且つ正確に推定することができる。更に、ストーカ上のごみ量を広範囲に且つ正確に推定することにより、ストーカ上のごみ量の最適化が可能となり、ごみの乾燥から燃焼迄の最適化を図ることができる。

本発明に係る焼却炉内のごみ量推定機能を備えた燃焼制御システムを有するストーカ式焼却炉の一実施形態を示す概略構成図である。 本発明に係る焼却炉内のごみ量推定機能を備えた燃焼制御システムの構成要素である撮像手段により撮像された熱画像の一例である。 本発明に係る焼却炉内のごみ量推定機能を備えた燃焼制御システムの構成要素である撮像手段により撮像された熱画像を画像処理するイメージ図である。 図３のイメージ図に続く画像処理のイメージ図である。 図４のイメージ図に続く画像処理のイメージ図である。 炉壁とごみとの境界線をイメージした熱画像の一例である。 本発明に係る焼却炉内のごみ量推定機能を備えた燃焼制御システムの制御ブロック図の一例である。 図７の制御ブロック図のごみ量補正制御の制御例を示すタイミングチャートである。 従来の可視カメラの焼却炉への設置位置の一例を、撮影された炉内燃焼状態のモニター画像とともに示す説明図である。

本発明の実施形態について、以下に図１〜図８を参照して説明する。図１は、本発明に係る焼却炉内のごみ量推定機能を備えた燃焼制御システムを有するストーカ式焼却炉の一実施形態を示している。

ストーカ式焼却炉１は、炉本体２、ホッパー３、給じん装置４、ストーカ５、主灰シュート６、廃熱ボイラ７、燃焼用空気系統８等を備えている。

図示例のストーカ５は、ごみ送り方向に、可動火格子５ａと固定火格子５ｂが交互に階段状に配列された階段式ストーカである。炉本体２内において、ストーカ５は、上流側から下流側にかけて、乾燥ストーカ５ｃ、燃焼ストーカ５ｄ、後燃焼ストーカ５ｅの３つに区分されている。油圧シリンダ等の油圧機器で構成されるストーカ駆動装置５ｆ、５ｇ、５ｈによって、乾燥ストーカ５ｃ、燃焼ストーカ５ｄ、及び後燃焼ストーカ５ｅの其々の可動火格子５ａを往復動させることにより、ごみを攪拌しながら上流側から下流側へ移送する。可動火格子５ａが往復動する速度、即ちストーカ速度は、コントローラ１１により制御され得る。コントローラ１１は、制御部、演算部、記憶部、インターフェース等を備えている。

図示例の給じん装置４は、プッシャー４ａの往復動により、ホッパー３内のごみを焼却炉内に押し込むプッシャー方式であって、プッシャー４ａの往復動作動速度、即ち、給じん速度を制御することにより、燃焼量に応じたゴミ量を供給する。プッシャー４ａは、油圧シリンダ等のプッシャー駆動装置４ｂによって往復動する。

燃焼用空気系統８は、ごみ焼却炉に必要な空気を炉内に送り込む装置であり、押込送風機８ａ、空気予熱器８ｂ、空気ダクト８ｃ、ダンパ８ｄ等によって構成されている。燃焼用空気は、ストーカ５の下から送られる１次空気と、燃焼室上部に送られる２次空気とに分けられる。風量制御は、ダンパ８ｄの制御又は押込送風機８ａの電動機の回転数制御により行われる。

ストーカ５上を搬送されるごみの熱画像を炎越しに撮像するための撮像手段１０が、炉本体２に取り付けられている。撮像手段１０は、図１に示すように、燃焼ストーカ５ｄの下流側上方に取り付けられ、燃焼ストーカ５ｄ及び乾燥ストーカ５ｃを撮像するように配置されている。

炎や燃焼ガスで充満されている焼却炉内で大半を占めるのがＨ_２ＯとＣＯ_２である。Ｈ_２ＯとＣＯ_２からの熱放射エネルギーは、特定の波長領域でゼロ又はほぼゼロになることが知られており、そのような波長領域は、赤外領域である１．６μｍ付近及び３．９μｍ付近に存在する。

従って、炎や燃焼ガスが充満した炉内で、炎や燃焼ガスが放射しない波長を中心波長とする狭帯域波長の赤外線だけを検出する撮像手段１０を用いて炉内を撮影することにより、可視光カメラでは撮影しにくいごみを炎や燃焼ガスの影響を受けずに、炎越しに撮影することができる。

そのため、撮像手段１０は、１．６μｍ付近を中心波長とする狭帯域波長の近赤外線を選択透過させるフィルタを備える近赤外線カメラ１０ａと、３．９μｍ付近を中心波長とする狭帯域波長の中赤外線を選択透過させるフィルタを備える中赤外線カメラ１０ｂと、を備えることにより、炎や燃焼ガスを通して炉内の内部状況をリアルタイムでビデオ映像として連続的に撮影することができる。撮像手段１０は、近赤外線カメラ１０ａ又は中赤外線カメラ１０ｂの何れかを備えることもできる。

ある実施例において、近赤外線カメラ１０ａは１．５１１μｍ〜１．６６４μｍの波長帯域の近赤外線のみを選択的に透過させるフィルタを備え、中赤外線カメラ１０ｂは３．８３２μｍ〜３．９４２μｍの波長帯域の中赤外線のみを選択的に透過させるフィルタを備えている。

撮像手段１０によって撮像された炎越しの熱画像データは、リアルタイムでコントローラ１１に送られる。図２は、炎越し熱画像の一例である。コントローラ１１は、リアルタイムで送られてくる時系列の熱画像データから、ストーカ５上を搬送されるごみの量（体積）を推定するための演算を行う。その演算は、例えば、次の（１）〜（４）の画像処理手順によって処理され得る。

（１）図３の熱画像のイメージ図を参照して、熱画像上で、炉本体内の底部、即ちストーカ５の上面と炉本体内の左右側壁の内壁面２ａ、２ｂの各々とが交わる底辺Ｌ１、Ｌ２を設定する。底辺Ｌ１、Ｌ２は、ストーカ５のごみ搬送方向（図３の縦方向）に沿う左右両側縁である。底辺Ｌ１、Ｌ２は、ストーカ５上にごみが無い状態で撮像手段より撮像した画像データから予め設定され得る。熱画像上で底辺Ｌ１、Ｌ２が設定されれば、熱画像上における左右側壁の内壁面２ａ、２ｂ上の点について、座標を特定することができる。

（２）時系列で撮像された熱画像の画像処理により、熱画像上の内壁面２ａ、２ｂとごみとの境界線Ｌ３、Ｌ４を検出する。境界線Ｌ３，Ｌ４の検出方法として、時系列で撮像された熱画像にオプティカルフローが適用される。オプティカルフローにおいて、流れ成分の無い場所が内壁面２ａ、２ｂであり、流れ成分の有る場所がごみであると看做すことができる。熱画像（静止画像）のみではゴミの燃えカスなどで内壁面とごみとの色合いがはっきりしない部分では内壁面とごみとの境界が正確に検出できないが、オプティカルフローでは、色情報によらず、ごみの特徴点の動きで境界線Ｌ３、Ｌ４を検出するため、正確に境界線Ｌ３，Ｌ４を検出することができる。こうして内壁面２ａ、２ｂとごみとの境界を境界線Ｌ３、Ｌ４と判定し、境界線Ｌ３、Ｌ４の座標データをコントローラ１１に格納する。オプティカルフロー自体は公知技術であるので、詳細な説明を省略する。

（３）図４を参照して、底辺Ｌ１、Ｌ２をストーカ５の奥行き方向（熱画像上のＹ軸方向）に所定間隔Ｙ１で走査することにより分割し、底辺Ｌ１、Ｌ２上の各分割点Ｄから境界線Ｌ３、Ｌ４迄の高さＨを算出する。

（４）図５を参照して、指定エリアＡを設定し、指定エリアＡの両側底辺Ｌ１，Ｌ２の分割点Ｄ_１〜Ｄ_８から境界線Ｌ３、Ｌ４迄の高さＨ_１〜Ｈ_８の平均値（（Ｈ_１＋Ｈ_２＋Ｈ_３＋Ｈ_４＋Ｈ_５＋Ｈ_６＋Ｈ_７＋Ｈ_８）÷８）を、指定エリアＡの平均高さＨとし、指定エリアＡの面積をＳとし、指定エリアＡのごみの推定量Ｖ（＝Ｓ×Ｈ）を算出する。平均高さＨは、Ｈ_１〜Ｈ_８の一部の高さを用いて、例えば、（Ｈ_１＋Ｈ_２＋Ｈ_３＋Ｈ_４）÷４、或いは、（Ｈ_１＋Ｈ_４＋Ｈ_５＋Ｈ_８）÷４等とすることもできる。なお、面積Ｓ及び高さＨは実機寸法に換算される。

境界線Ｌ３、Ｌ４は、熱画像を表示するモニターＭ上にも表示され、可視化され得る。図６にモニター画像の表示例を示す。境界線Ｌ３、Ｌ４の間を結ぶ線分Ｐは、分割点（Ｄ：図４、５）の真上にある境界線Ｌ３，Ｌ４上の点ＬＤ３と点ＬＤ４を其々結んでいる。モニター画像に表示することにより、算出したごみの推定量の妥当性を目視で確認できるようにし、流れるごみ形状の視認性を向上できる。

この線分Ｐについても高さが推定できるため、隣り合う線分Ｐ，Ｐ間のごみ体積の推定が可能である。また、線分Ｐは、直線だけでなく、炉内の実際のごみの堆積状況に合わせ一定の歪率等を持った曲線を設定することもできる。

上記の手法により乾燥ストーカ５ｃ上のごみの推定量Ｖ１、燃焼ストーカ５ｄ上のごみの推定量Ｖ２を、それぞれ算出する。

図７は、燃焼制御ブロック図の一例を示している。図７に示すように、焼却炉の能力に応じて設定されたごみ焼却量（Ｋ）から、ごみの低位発熱量（Ｑ）が算出される（Ｓ１）。低位発熱量は、真発熱量ともいい、ごみの総発熱量から水を蒸発させるのに必要なエネルギーを引いた熱量である。

設定されたごみ焼却量（Ｋ）と低位発熱量（Ｑ）から、基準ストーカ速度が演算される（Ｓ２）。基準ストーカ速度は、空燃比、燃切位置等の各種補正量により補正されて（Ｓ３）、補正されたストーカ速度を燃焼ストーカ速度として燃焼ストーカが制御される（Ｓ４）。

燃焼ストーカ速度に所定の速度比率を掛ける演算を行い（Ｓ５）、乾燥ストーカ速度を演算する（Ｓ６）。設定されたごみ焼却量（Ｋ）と低位発熱量（Ｑ）から、燃焼ストーカ上のごみ量設定値（Ｗ１）が演算される（Ｓ７）。燃焼ストーカ上のごみの推定量Ｖ１とごみ量設定値（Ｗ１）とを比較して偏差を補正量として乾燥ストーカ速度に加えて、目標となる燃焼ストーカ上のごみ量設定値（Ｗ１）にごみの推定量Ｖ１が近付くように燃焼ストーカ速度を補正制御する（Ｓ８）。

また、乾燥ストーカ速度に所定の速度比率を掛ける演算を行い（Ｓ９）、給じん速度を演算する（Ｓ１０）。設定されたごみ焼却量（Ｋ）と低位発熱量（Ｑ）から、乾燥ストーカ上のごみ量設定値（Ｗ２）が演算される（Ｓ１１）。乾燥ストーカ上のごみの推定量Ｖ２とごみ量設定値（Ｗ２）とを比較して偏差を補正量として給じん速度に加えて、目標となる乾燥ストーカ上のごみ量設定値にごみの推定量Ｖ２が近付くように給じん速度を補正制御する（Ｓ１２）。

図８は、ごみ量による速度の補正制御の一例を示す。図８に示すように、ごみ量の設定値（Ｋ）に対して所定範囲の適正範囲（Ｒ）が設定され、ごみの推定量が適正範囲（Ｒ）内にある時は速度補正量が維持される。ごみの推定量が適正範囲（Ｒ）を超えている時は速度補正量が減らされ、一方、ごみの推定量が適正範囲（Ｒ）より少ない場合は速度補正量が増やされる。

例えば、燃焼ストーカ上のごみ推定量Ｖ１が燃焼ストーカ上のごみ量の適正範囲（Ｒ）を超えている時は、乾燥ストーカ速度を減速させて燃焼ストーカ上へのごみの供給を減らし、逆に、燃焼ストーカ上のごみ推定量Ｖ１が燃焼ストーカ上のごみ量の適正範囲（Ｒ）より少ない場合は、乾燥ストーカ速度を増速させて燃焼ストーカ上のごみの量を増やす。燃焼ストーカ上のごみ推定量Ｖ１が燃焼ストーカ上のごみ量の適正範囲（Ｒ）内にある時は、乾燥ストーカ速度は維持される。

また、乾燥ストーカ上のごみ推定量Ｖ２が乾燥ストーカ上のごみ量の適正範囲（Ｒ）を超えている時は、給じん速度を減速させて乾燥ストーカ上へのごみの供給を減らし、逆に、乾燥ストーカ上のごみ推定量Ｖ２が乾燥ストーカ上のごみ量の適正範囲（Ｒ）より少ない場合は、給じん速度を増速させて乾燥ストーカ上のごみの量を増やす。乾燥ストーカ上のごみ推定量Ｖ２が乾燥ストーカ上のごみ量の適正範囲（Ｒ）内にある時は、給じん速度は維持される。

また、詳細を図示しないが、廃熱ボイラ７の蒸気温度、燃焼室ガス温度、排ガス分析値等が検出され、これらの検出データも、撮像手段１０からの熱画像データとともにコントローラ１１に供給され得る。コントローラ１１は、目標焼却量、目標蒸発量、空気過剰率等が設定され、ファジイ制御システムや自己回帰モデル制御システム等により、いわゆる自動燃焼制御（ＡＣＣ：Automatic Combustion Control）を行うことができる。自動燃焼制御では、ストーカ速度、ごみ供給量、燃焼用空気供給量が制御され得る。

上記構成を有する燃焼制御システムによれば、ストーカ上のごみ量の最適化が可能となり、ごみの乾燥から燃焼迄の最適化を図ることができる。また、最適な燃焼制御が実現できるため、発電設備を有するごみ処理施設では、蒸発量の安定と排ガス量の最小化により発電効率のアップが実現可能となる。また、局部的な高温燃焼による火格子損傷、炉壁損傷等の異常傾向の頻度が軽減され、ごみ焼却炉の安定した稼働を図ることができる。また、既設の焼却施設にも安価で容易に設置できるため、適用範囲が広い。更に、焼却施設の運転が容易になるため、運転員の資質に依存する必要がなく、また人員の削減による省力化も図られる。

本発明は、上記実施形態に限定解釈されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。例えば、上記実施形態ではストーカ速度と給じん速度を制御しているが、ごみ推定量に基づいて、乾燥ストーカへ供給する乾燥空気の供給量や温度を最適化制御することもできるし、燃焼用空気の温度を最適化制御することもできる。

１ ストーカ式焼却炉
２ 炉本体
２ａ 内壁面
２ｂ 内壁面
４ 給じん装置
５ ストーカ
５ｃ 乾燥ストーカ
５ｄ 燃焼ストーカ
５ｅ 後燃焼ストーカ
５ｆ ストーカ駆動装置
５ｇ ストーカ駆動装置
５ｈ ストーカ駆動装置
１０ 撮像手段
１１ コントローラ

Claims (5)

1. 焼却炉の炉本体内のストーカ上を搬送されるごみの熱画像を炎越しに撮像するための撮像手段と、
   前記撮像手段によって撮像された熱画像のオプティカルフローを用いて前記ストーカ上のごみと前記炉本体の両側の内壁面との境界線を検出し、前記ストーカ上の所定エリアのごみの推定量を算出するコントローラと、
   を備えることを特徴とする、焼却炉内のごみ量推定機能を備える燃焼制御システム。
2. 前記コントローラは、前記ストーカ上のごみの前記推定量が所定範囲内となるように前記ストーカのストーカ速度を制御することを特徴とする請求項１に記載の焼却炉内のごみ量推定機能を備える燃焼制御システム。
3. 前記コントローラは、前記ストーカ上のごみの前記推定量が所定範囲内となるように前記焼却炉にごみを供給する給じん装置の給じん速度を制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の焼却炉内のごみ量推定機能を備える燃焼制御システム。
4. 前記ストーカが乾燥ストーカ及び燃焼ストーカを含み、前記所定エリアが前記乾燥ストーカに相当するエリアと前記燃焼ストーカに相当するエリアの双方のエリアを含み、前記コントローラは、前記燃焼ストーカ上のごみの推定量が所定範囲となるように前記乾燥ストーカのストーカ速度を制御するとともに、前記乾燥ストーカ上のごみの推定量が所定範囲となるように前記焼却炉にごみを供給する給じん装置の給じん速度を制御することを特徴とする請求項１に記載の焼却炉内のごみ量推定機能を備える燃焼制御システム。
5. 前記コントローラは、前記所定エリアでの前記境界線の平均高さを演算し、前記平均高さと前記所定エリアの面積とから前記所定エリアのごみの推定量を演算することを特徴とする請求項１に記載の焼却炉内のごみ量推定機能を備える燃焼制御システム。