JP6587667B2 - 廃棄物焼却炉の燃焼制御方法及び燃焼制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、廃棄物焼却炉の燃焼制御方法及び燃焼制御装置に関する。

従来、ストーカ式焼却炉では、ごみは性状や大きさが一定でないため、ストーカの下から吹き込む燃焼空気量は、ストーカ上の火炎を検出して燃え切り位置が一定となるように、自動燃焼制御装置（ＡＣＣ）により、ストーカ送り速度等を制御し、その後、排ガス中の酸素濃度が一定以上（燃焼に必要な空気量が確保される量）となるように二次燃焼用空気の吹込み量を制御している。

しかし、ごみの性状（主としてごみの発熱量）が変動するため、燃え切り位置を同じにするために空気比が一定でなく、発生する排ガスの組成、特に未燃ガス濃度が変化する。この未燃ガスを完全燃焼させるために二次燃焼用空気を二次燃焼室内に吹込み、撹拌・混合を促進するが、ごみ発電の効率を上げるために排ガス中の酸素濃度を一定以下とし、排ガス損失を抑えるように二次燃焼用空気量を必要最小としている。

このため、二次燃焼用空気量の応答が遅れると空気量不足で未燃のＣＯが規制値を超える、あるいは空気量が過剰となって排ガス系統で無駄な動力を消費し、かつ排ガス損失が増えて発電効率の低下を招く。また、二次燃焼用空気は最大流量で設計されるため、流量が下がるとノズルの適正流速が保てない。

一般に、図９に示すように、二次燃焼用空気は自動燃焼制御装置１１の制御下で流量制御弁１０によりダンパ制御され、ノズル２０ａ（通常はヘッダ８に接続された複数本の管２０の各々の先端部に接続されている。）から焼却炉の燃焼室２内に供給される。このとき二次燃焼用空気を送る送風機（不図示。二次空気供給管９の上流に設けられる。）は、想定される流量及び流路の圧力損失の最大値から選定される（図１０、図１１参照）が、ごみ量やごみ質の変動にともない制御している流量が変化すれば、ノズル２０ａからの吐出流速が変化し、燃焼室内の混合攪拌状態が変化する。特に二次燃焼用空気の流量が少ない場合は、ノズル流速が遅くなり、燃焼室内の混合攪拌が良好に保てなくなる。

そこで、複数の管を用い、二次燃焼用空気量に応じてこれら複数の管の中から使用する管を選択することで、二次燃焼用空気の風路断面積を調整し、選択した管より二次燃焼用空気を送り込む方法が提案されている（特許文献１）。

斯かる方法によれば、焼却炉内のごみの性状や燃焼状態によって排ガスの発生量が減少し、これに伴って二次燃焼用空気量を減らした場合でも、常に炉内への二次燃焼用空気量の吐出圧力の低下を抑えつつ流量を変更することができて、排ガス中のダイオキシン類等の未燃ガスの発生を抑制することができるとされている。

特開２００１−１８２９２２号公報

しかしながら、上記従来のように二次燃焼用空気量に応じてこれら複数の管の中から使用する管を選択することで風路断面積を調整し、選択した管より二次燃焼用空気を送り込んだとしても、この種の焼却炉では、一般に、二次燃焼用空気の流量は自動燃焼制御装置（ＡＣＣ）により制御されているため、二次燃焼用空気を噴出させるノズル出口付近のノズル孔内面にダストやクリンカが付着・堆積するとノズル内の流路が狭まってくるために吐出流量が減少するが、自動燃焼制御装置が制御流量を維持しようとする結果、圧力損失が過大となる。

圧力損失が過大となると、二次燃焼用空気を送る送風機の動力を過度に消費するとともに、当該送風機への負荷が大きくなって送風機の寿命を縮めたり故障原因となる等の問題が生じる。

また、斯かる問題は、二次燃焼用空気を供給する場合に限らず、二次燃焼用空気に代えて又は二次燃焼用空気と共に、燃焼室内の未燃ガスを撹拌・混合するために再循環ガス（排ガス）や炉内燃焼ガス等を炉内に吹込む場合にも生じ得る。

さらに、従来のノズルの構造が複雑であることから、製造コストが嵩むとともに、メンテナンスや補修を行い難いという問題もあった。

そこで、本発明は、炉内の燃焼を促進させるために二次燃焼用空気や再循環ガス等のガスを炉内の燃焼室に吹込むノズルの内面にダストやクリンカが付着してそれらのノズルの流路断面積の減少が生じる等しても、過大な圧力損失を生じさせることなく制御流量を維持するとともに適正流速を保つことができる廃棄物焼却炉の燃焼制御方法及び燃焼制御装置を提供することを主たる目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る廃棄物焼却炉の燃焼制御方法は、廃棄物焼却炉の燃焼室内に吹込むことにより燃焼を促進させるガスの圧力を圧力検出器により検出するステップと、前記圧力検出器の検出圧力が所定範囲を保つように、前記燃焼室内にガスを分流させて吹込むための分岐管に介在させた圧力制御弁の開度を調節するステップと、を含むことを特徴とする廃棄物焼却炉の燃焼制御方法。

前記圧力検出器の検出圧力が前記所定範囲内の一定値を維持するように前記圧力制御弁の開度を調節することが好ましい。

或いは、ガス流量が増加する過程において、前記圧力検出器の検出圧力が前記所定範囲内の上方値に達した時に前記圧力制御弁を所定開度まで一旦開いて前記所定範囲内の下方値まで検出圧力を下げた後、前記圧力制御弁の開度を徐々に広げることが好ましい。

また、上記目的を達成するため、本発明に係る廃棄物焼却炉の燃焼制御装置は、廃棄物焼却炉の燃焼室内に吹込むことにより燃焼を促進させるガスを供給するための主管と、前記主管から分岐する分岐管と、前記分岐管に介在させた圧力制御弁と、前記主管のガス圧力を検出する圧力検出器と、該圧力検出器で検出した圧力値が所定範囲を維持するように前記圧力制御弁の開度を調節する制御装置と、を備えることを特徴とする。

前記主管と前記分岐管とがヘッダを介して分岐し、前記圧力検出器が前記ヘッダ内の圧力を検出することが好ましい。

本発明によれば、ガス吹込みノズルの内面にダストやクリンカが付着してノズル内の流路が狭まる等しても、管内の圧力が所定範囲を保つように分岐管の圧力制御弁の開度を調節することにより、過大な圧力損失を生じさせることなく、適正範囲のノズル流速を維持することが可能となる。

本発明に係る廃棄物焼却炉の燃焼制御装置の一実施形態を示す概略構成図である。 本発明に係る廃棄物焼却炉の燃焼制御方法の第１実施形態を説明するためのグラフであり、ガス流量とヘッダ圧力の関係を示すグラフである。 本発明に係る廃棄物焼却炉の燃焼制御方法の第１実施形態を説明するためのグラフであり、ガス流量とノズル流速との関係を示すグラフである。 本発明に係る廃棄物焼却炉の燃焼制御方法の第１実施形態を説明するためのグラフであり、ガス流量とヘッダ圧力との関係を示すグラフである。 本発明に係る廃棄物焼却炉の燃焼制御方法の第２実施形態を説明するためのグラフであり、ガス流量とヘッダ圧力の関係を示すグラフである。 本発明に係る廃棄物焼却炉の燃焼制御方法の第２実施形態を説明するためのグラフであり、ガス流量とノズル流速との関係を示すグラフである。 本発明に係る廃棄物焼却炉の燃焼制御方法の第２実施形態を説明するためのグラフであり、ガス流量とヘッダ圧力との関係を示すグラフである。 本発明に係る廃棄物焼却炉の燃焼制御装置の他の実施形態を示す斜視図である。 従来の廃棄物焼却炉の燃焼制御装置を示す概略構成図である。 従来の廃棄物焼却炉の燃焼制御方法を示すグラフであり、二次燃焼用空気流量とノズル流速との関係を示すグラフである。 従来の廃棄物焼却炉の燃焼制御方法における二次燃焼用空気流量と圧力損失との関係を示すグラフである。

本発明に係る廃棄物焼却炉の燃焼制御方法及び装置の実施形態について、以下に図１〜図８を参照しつつ説明する。なお、全実施形態を通じ、同一又は類似の構成部分については同符号を付している。

図１は、本発明に係る廃棄物焼却炉の燃焼制御装置を示す概略構成図である。図１において、焼却炉の具体的構成は図示省略している。

本発明に係る廃棄物焼却炉の燃焼制御装置１は、燃焼を促進させる二次燃焼用空気を廃棄物焼却炉の燃焼室２内に吹込むための主管３と、主管３から分岐する分岐管４と、分岐管４に介在させた圧力制御弁６と、主管３のガス圧力を検出する圧力検出器５と、圧力検出器５で検出した圧力値が所定範囲を維持するように分岐管４に介在した圧力制御弁６の開度を調節する制御装置７と、を備えている。

図示例において、主管３と分岐管４とはヘッダ８を介して分岐しており、圧力検出器５はヘッダ８内の圧力を検出するようになっている。

図外の送風機からヘッダ８に二次燃焼用空気を供給する二次空気供給管９には、従来と同様に、制御ダンパ等の流量制御弁１０が介在されており、この流量制御弁１０は自動燃焼制御装置（ＡＣＣ）１１によって制御される。通常、焼却炉の稼働中、主管３には二次燃焼用空気が常時流されている。主管３及び分岐管４の各々の流路断面積は、ヘッダ８に接続されている二次空気供給管９の流路断面積より小さくなるように設計されている。なお、二次燃焼用空気の流量制御は、制御ダンパによるダンパ制御でなく、送風機の回転数制御とすることもできる。

主管３及び分岐管４の先端部にはノズル３ａ、４ａが設けられ、ノズル３ａ、４ａが焼却炉の燃焼室２に内部連通状態で接続されている。図示例において、主管３及び分岐管４のノズル３ａ、４ａは、主管３のノズル３ａを内管として分岐管４のノズル４ａを外管とする二重管構造となっている。図示しないが主管のノズルを外管として分岐管のノズルを内管とすることもできる。

一般に、流量と流速は比例し、流速と流路断面積との積が流量となる。従って、流量が少ない場合には、それに応じて流路断面積を小さくすれば、流速は維持されることになる。

そこで、流量制御弁１０により制御された（即ち、自動燃焼制御装置１１により制御された）二次燃焼用空気流量が小流量の場合は、主管３だけに二次燃焼用空気を流すことにより、小流量でも所望のノズル流速を保つことができる。

流量制御弁１０により制御された流量が増加すると、主管３のノズル流速が大きくなり、ノズル圧力損失が大きくなる。一般に、流体の圧力損失は、流速の２乗に比例する。圧力損失が大きくなりすぎると、制御流量を維持できなくなる。

そこで、主管３内のガス圧を圧力検出器５で検出し、圧力検出値が所定圧力以上になると圧力制御弁６を開いていき、分岐管４にもガスを流すようにする。 図示例では、圧力損失をヘッダ８内のヘッダ圧力として圧力検出器５によって検知し、ヘッダ圧力が所定値Ｐ１（図４参照）以上になると、制御装置７が圧力制御弁６を徐々に開き、分岐管４にも二次燃焼用空気を流すようにする。圧力制御弁６を開き始めるヘッダ圧力の所定値Ｐ１は、ノズル流速の適正範囲内の所定流量に対応する圧力に設定され、好ましくはノズル流速の適正範囲内の最大流量に対応する圧力に設定される。

図２（ａ）〜（ｄ）に、流量制御弁１０の開度（横軸）と、（ａ）全流量（縦軸）、（ｂ）分岐管４の流量（縦軸）、（ｃ）主管３の流量（縦軸）、及び（ｄ）ヘッダ圧力（縦軸）との関係を示す。図３は流量とノズル流速との関係を示すグラフであり、図４は流量（流速）とヘッダ圧力との関係を示すグラフである。図２，図３を参照して、圧力制御弁６は、検出圧力が所定値Ｐ１になった時に開き始め、開き始めた後は、二次燃焼用空気の流量が増加しても、ヘッダ圧力が所定値Ｐ１（図４）を保つように制御されている。

このように制御することにより、主管３及び分岐管４のノズル流速を適正範囲に維持し、過大な圧力損失とならずに、流量を増加させることができる。

また、主管３のノズル３ａの内面にダストやクリンカ等が付着してノズル３ａの開口が狭くなると、圧力検出器５の検出圧力が上昇するので、所定圧力（Ｐ１）になると分岐管４の圧力制御弁６が開き、過度の圧力損失とならずに、流量を増加させることができる。

このように、本発明では圧力検出器５により流路の状態そのものを監視していることになるので、ノズルの内面へのダストやクリンカ等の付着によりノズルが詰ってくる等しても、過大な圧力損失とならずに適切に流速を維持しつつ、流量を増加させることができる。そして、圧力検出器５と圧力制御弁６による上記制御を行うことにより、ノズルや装置全体は煩雑にならず、簡易な装置で実現可能である。

なお、図示例ではヘッダ８内の圧力を検出しているが、主管３に供給されるガス（二次燃焼用空気）の圧力を検出できれば良く、ヘッダ内以外の主管３又は主管３に連通する部分（例えば、分岐管４の圧力制御弁６とヘッダ８との間の部分）の圧力を検出することもできる。

上記第１実施形態では、ガス流量の増加に伴い、圧力検出器５の検出圧力が所定の圧力になると圧力制御弁６が徐々に開き始める制御方法を説明したが、第２実施形態の制御方法として、ガス流量が増加する過程において、圧力検出器５の検出圧力が所定値Ｐ１に達した時に圧力制御弁６を所定開度まで一旦開いて圧力Ｐ２まで下げた後、圧力制御弁６の開度を徐々に広げる。所定開度は、主管３の適正範囲内のノズル流速に対応する圧力値に相当する開度であり、好ましくは、ノズル流速の適正範囲の下限値に対応する圧力値に相当する開度である。

第２実施形態の制御方法による流量、流速、ヘッダ圧力、弁開度の関係を示すグラフを図５（ａ）〜（ｄ）、図６、図７に示す。第２実施形態の制御方法においても、２次燃焼用空気の流量が増加していっても、ノズルの適正流速を維持しつつノズル圧力損失を低く抑えた状態を比較的広い流量幅で得ることができる。図７に示すグラフの例では、圧力制御弁６は、ヘッダ圧力が主管３のノズル流速適正幅の最大値に相当する圧力Ｐ１に達した時に圧力制御弁６を開いてヘッダ圧力を主管３のノズル流速適正範囲の最小値に対応する圧力Ｐ２までヘッダ圧力を下げ、その後、徐々に圧力制御弁６の開度を広げ、図６から分かるように分岐管４の流量を増やしている。

すなわち、第１実施形態は、主管３が常にノズル流速最大値で運転しているのに対し、第２実施形態では、ノズル流速の適正幅を広く使うことによって、圧力損失を抑えた状態で２次燃焼用空気の流量を増やすことを可能とする。

主管３及び分岐管４を其々複数本設ける場合は、１つのヘッダ８に複数本の主管及び分岐管を接続することができるが、図８に示すように、複数の主管３を接続した第１ヘッダ８ａを、圧力制御弁６を介在させた一本の分岐管４ｂで第２ヘッダ８ｂに接続し、第２ヘッダ８ｂに複数の分岐管４ｃを更に接続する構成としても良い。図８の構成によれば、複数の分岐管４ｃのガスを一つの圧力制御弁６により制御することができる。また、配管数を減らすことで構造を簡素化することができる。

本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、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、図示しないが、主管３と分岐管４とは二重管式に限らず、３重以上の多重管とすることもできるし、多重管とせずに並列管としても良い。また、本発明は、二次燃焼用空気に限らず、燃焼室に吹き込むことで燃焼を促進するガス、例えば、再循環用排ガス、炉内燃焼ガス、或いは、排熱ボイラから排出される水蒸気に適用することもできる。

１ 燃焼制御装置
２ 燃焼室
３ 主管
４、４ｂ、４ｃ 分岐管
５ 圧力検出器
６ 圧力制御弁
７ 制御装置
８、８ａ、８ｂ ヘッダ

Claims (3)

1. 廃棄物焼却炉の燃焼室内に吹込むことにより燃焼を促進させるガスの圧力を圧力検出器により検出するステップと、
   前記圧力検出器の検出圧力が所定範囲を保つように、前記燃焼室内にガスを分流させて吹込むための分岐管に介在させた圧力制御弁の開度を調節するステップと、
   を含み、
   ガス流量が増加する過程において、前記圧力検出器の検出圧力が前記所定範囲内の所定の上方値に達した時に前記圧力制御弁を所定開度まで一旦開いて前記所定範囲内の所定の下方値まで検出圧力を下げた後、前記圧力制御弁の開度を徐々に広げることを特徴とする廃棄物焼却炉の燃焼制御方法。
2. 廃棄物焼却炉の燃焼室内に吹込むことにより燃焼を促進させるガスを供給するための主管と、該主管から分岐する分岐管と、前記分岐管に介在させた圧力制御弁と、前記主管のガス圧力を検出する圧力検出器と、該圧力検出器で検出した圧力値が所定範囲を維持するように前記圧力制御弁の開度を調節する制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、ガス流量が増加する過程において、前記圧力検出器の検出圧力が前記所定範囲内の所定の上方値に達した時に前記圧力制御弁を所定開度まで一旦開いて前記所定範囲内の所定の下方値まで検出圧力を下げた後、前記圧力制御弁の開度を徐々に広げることを特徴とする廃棄物焼却炉の燃焼制御装置。
3. 前記主管と前記分岐管とがヘッダを介して分岐し、前記圧力検出器が前記ヘッダ内の圧力を検出することを特徴とする請求項２に記載の廃棄物焼却炉の燃焼制御装置。