JP7104653B2 - 燃焼設備の操業方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃焼設備の操業方法に関する。より具体的には、キルンを備える燃焼設備の操業方法に関する。

廃棄物の処理にしばしば燃焼炉が使用される。燃焼炉を含めた燃焼設備では、排ガス成分に注意を払う必要があり、特にＣＯの排出量に注意が必要となる。特許文献１では、油分が付着したダライ粉や故銅等のリサイクル原料から油分を完全に加熱除去することが開示されている。そして、これにより、製錬炉において設備の損傷を招くことなく、且つ、安全に処理することができると共に、排ガスもクリーンな状態で排気することにより環境に配慮したリサイクル原料の前処理方法が開示されている。

特許文献２では、都市ごみ焼却炉及び廃棄物焼却炉においてダイオキシン類の発生を抑制するための焼却炉におけるＣＯ制御方法が開示されている。更に特許文献２では、焼却炉の二次燃焼室内を工業用テレビカメラで撮像すること、撮像した画像情報を画像処理装置において画像処理して二次燃焼室における明るさと色度の少なくとも一方を数値データとして検出が開示されている。そして、二次燃焼室におけるＣＯ濃度と数値データとの相関を表す相関データを利用することが開示されている。

特許文献３では、燃え切り点を適正に制御することが開示されている。更に、特許文献３では、燃え切り点を光学的に検出するため、回転式ストーカの内部を撮像するためのカメラを設けることを開示している。

特許文献４では、ごみ焼却炉において、焼却炉内を工業用ＴＶでとらえ、画像全体の輝度レベルに対する乾燥帯の炎の平均輝度レベルを画像処理によって求めることを開示している。そして、その変化に応じて、燃焼空気、ストーカ速度等の操作量を調整することを開示している。

特開２０１５－０６７８７１号公報 特許第２６９０２０８号公報 特開平２－１８７５１０号公報 特開平１－０４９８１８号公報

ＣＯ量を制御するうえで、重要なのは実際に排出されるガスにどれだけＣＯが含まれているかどうかである。排煙部に到達するまでの途中過程（例えば、燃焼設備の比較的前段の工程）でＣＯ量を監視しても、排煙部で実際に排出されるガスのＣＯ量とずれが生じる可能性がある。

しかし、排出されるガスのＣＯ量を監視するために、排煙部にＣＯ測定センサを設けた場合、新たな問題が生じる。例えば、排煙部のＣＯ測定センサが、ＣＯ量が増加した旨を警告しても、当該警告を受け取った後で、燃焼設備の調節などを行うのでは、タイムラグが生じる。即ち、燃焼設備の調節結果が、排煙部のＣＯ測定センサに反映されるまで時間がかかる。そして、その間は、増加したＣＯ量が排煙とともに排出されることとなる。

以上の理由から、本開示は、燃焼設備におけるＣＯの排出を制御するための新たな手段を提供することを目的とする。

本発明者らが鋭意検討した結果、排煙部のＣＯ量が増加する場合、それ以前の時間帯に特定の予兆があることを見出した。より具体的には、キルンの出口部分の炎の状態に変化があることを見出した。

上記知見に基づいて完成された発明、一側面において、以下の発明を包含する。
（発明１）
燃焼設備の操業方法であって、
前記設備は、キルンと、ストーカと、二次燃焼室と、排煙部と、撮像部と、データ処理部と、ＣＯ測定部と、制御部とを備え、
前記方法は、
前記撮像部が撮像した前記キルン内の出口部分の炎の画像に基づいて、前記データ処理部が前記炎の輝度を解析する工程と、
前記ＣＯ測定部が前記排煙部内のＣＯ量を測定する工程と、
前記データ処理部が、前記ＣＯ量と前記炎の輝度との相関関係を解析する工程と、
前記制御部が、少なくとも、前記相関関係と、前記炎の輝度とに基づいて、前記キルン内の燃焼状態を制御する工程と、
を含む、該方法。
（発明２）
発明１の方法であって、前記制御する工程が、空気量、原料の投入量、燃料の量のうち少なくともいずれか１つを調節することを含む、該方法。
（発明３）
発明１又は２の方法であって、前記制御する工程が、前記炎の一部分の輝度に基づいて前記キルン内の燃焼状態を制御することを含む、該方法。
（発明４）
発明３の方法であって、前記炎の一部分が外炎である、該方法。

一側面において、上記発明は、データ処理部が、ＣＯ量と炎の輝度との相関関係を解析する工程と、制御部が、少なくとも、相関関係と、炎の輝度とに基づいて、前記キルン内の燃焼状態を制御する工程とを含む。これにより、ＣＯ量をより効果的に抑制することができる。

一実施形態における燃焼設備の概要を示す。 一実施形態の燃焼設備において、輝度の時間的変化を示す。ＣＯ量の上昇がみられる時間帯の数分前において、輝度の下降傾向がみられる。 一実施形態の燃焼設備において、輝度の時間的変化を示す。ＣＯ量の上昇がみられる時間帯の数分前において、輝度の下降傾向がみられる。 一実施形態の燃焼設備において、輝度の時間的変化を示す。ＣＯ量の上昇がみられる時間帯の数分前において、輝度の下降傾向がみられる。

以下、具体的な実施形態について説明する。以下の説明は、発明の理解を促進するためのものである。即ち、本発明の範囲を限定することを意図するものではない。

１．設備概要
図１に、一実施形態における本開示の設備の概要を示す。前記設備は、キルン８０と、ストーカ５０と、二次燃焼室７０と、排煙部２０と、撮像部６０と、データ処理部３０と、ＣＯ測定部１０と、制御部４０とを備える。

キルンは、廃棄物などを燃やすための炉である。原料（例えば廃棄物）と、燃料（例えば廃油など）とを利用して、燃焼させる。

ストーカは、キルンで燃焼された材料を後燃焼させるための物である。

二次燃焼室は、キルンで燃焼後に生じた種々のガスを完全燃焼させるための物である。

排煙部は、二次燃焼室と連通しており、排気ガスを排出する。

撮像部は、キルン内部を撮影できる構造となっており、撮影データは、データ処理部に送信される。

ＣＯ測定部は、排煙部から排出されるガス中に含まれるＣＯ量を測定する。測定データは、データ処理部に送信される。

データ処理部は、ＣＯ測定部及び撮影部から受信したデータを処理する。例えば、データ処理部は、ＣＯ測定部及び撮影部から受信したデータを記憶することができる。また、データ処理部は、ＣＯ測定部及び撮影部から受信したデータを解析（例えば、相関関係の解析など）することができる。データ処理部は、例えば、任意の情報処理端末（例えば、サーバー、ＰＣなど）であってもよい。また、情報処理端末は、所望の画像解析ソフト、統計解析ソフト等を備えてもよい。

制御部は、キルンの燃焼状態を制御することができる。例えば、制御部は、空気量、原料の投入量、燃料の量のうち少なくともいずれか１つを調節することができる。また、制御部は、データ処理部が記憶、及び／又は生成したデータを参照することができる。そして、当該データに基づいて制御を行うことができる。制御部は、例えば、任意の情報処理端末（例えば、サーバー、ＰＣなど）であってもよい。また、制御部は、上記データと処理部と同一のハードウェア内に存在してもよいし、別個独立に存在してもよい。

以下では、これらの設備を利用した操業方法について説明する。

２．燃焼設備の操業方法
一実施形態において、本開示は、燃焼設備の操業方法に関する。前記方法は少なくとも以下の工程を含む。
・ 撮像部が撮像したキルン内の出口部分の炎の画像に基づいて、データ処理部が炎の輝度を解析する工程。
・ ＣＯ測定部が排煙部内のＣＯ量を測定する工程。
・ データ処理部が、ＣＯ量と炎の輝度との相関関係を解析する工程。
・ 制御部が、少なくとも、相関関係と、炎の輝度とに基づいて、キルン内の燃焼状態を制御する工程。
以下では、各工程について、具体例を詳述する。

２－１．炎の輝度を解析する工程
撮像部が撮像したキルン内の出口部分の炎の画像データ（動画でもよく、静止画でもよい）は、データ処理部に送信される。データ処理部は、画像データを解析することができる。より具体的には、炎の輝度を解析することができる。

キルン内の炎は、入口部分、出口部分、又はその中間などの各所で発生する。排煙部で排出されるＣＯ量の観点から、出口部分の炎が、最も重要となる。従って、データ処理部が解析するのは、少なくとも出口部分の炎を含めた画像データである。

また、燃焼自体は、キルン内のみならず、二次燃焼室、及びストーカでも起こる。しかし、ストーカでの燃焼状態は、ＣＯの発生に大きく寄与することはない。また、二次燃焼室は、発生した不完全燃焼状態のガスを完全燃焼させる役割があるものの、二次燃焼室内の燃焼状態を監視しても、不完全燃焼状態のガスの発生そのものを止めることに寄与することはない。こうした理由から、キルン内の出口部分の炎を解析することが重要となる。

具体的な解析内容としては、炎の輝度が挙げられる。一例においては、輝度を０～２５５までの範囲のグレースケールで表現してもよい。通常の画像は、カラーであるため、ＲＧＢの強度を、輝度への変換式（例「Ｙ＝０．２９９Ｒ＋０．５８７Ｇ＋０．１１４Ｂ」）に代入して導出してもよい。

また、好ましい実施形態においては、単純に輝度をグレースケールで数値化するだけではなく、時間変化を解析してもよい（例えば、移動平均、導関数等）。これにより、輝度が上昇傾向になるのか、下降傾向にあるのかを検出できる。単純に輝度の値のみを解析するのではなく、併せて時間的変化を解析することで、ＣＯ量との相関関係の導出する際の精度を向上させることができる。

また、好ましい実施形態においては、キルン内の出口部分の炎全体を解析するのではなく、炎の一部分の輝度を解析する。炎全体だと輝度の偏りがあるため、ＣＯ量との相関関係の導出する際の精度が劣る可能性がある。従って、解析する範囲を、炎の任意の一部分に絞ることが好ましい（例えば、外炎部分、或いは最大輝度を基準として所定の％以上の輝度の部分など）。

２－２．ＣＯ量を測定する工程
上記輝度の解析に加えて、ＣＯ量を測定する工程を実施する。なお、ＣＯ量を測定する工程は、輝度の測定及び解析と同時並行で行ってもよし、これらの前後で行ってもよい。

ＣＯ量の測定は、ＣＯ測定部によって排煙部にて行う。ＣＯ測定部はＣＯセンサを備え、測定したデータを、データ処理部に送信する。ＣＯセンサ自体は、特に限定されず、当分野で公知の物を使用することができる。また、ＣＯ測定部は、炎の輝度と同様、ＣＯ量そのものだけではなく、ＣＯ量の時間的変化を測定してデータ処理部に送信することができる。

２－３．相関関係を解析する工程
データ処理部は、上述した方法で解析した炎の輝度と、ＣＯ量との相関関係を解析することができる。相関関係の解析方法については、特に限定されない。例えば、炎の輝度と、ＣＯ量とをそれぞれ軸にとって、プロットし、回帰分析を行ってもよい。また、前記炎の輝度は、単に輝度そのものの値ではなく、変化量を採用してもよい。

いずれにしても、炎の輝度とＣＯ量との相関関係をすることで、炎の輝度に基づいてＣＯ量を予測することが可能となる。

好ましい実施形態においては、ある時間ｔでの炎の輝度と、時間ｔよりも後の時間であるｔ＋ΔｔでのＣＯ量との相関関係を利用することで、現在の炎の輝度に基づいて、将来のＣＯ量を予測することが可能となる。こうした観点から、相関関係を解析する工程は、ある時間ｔでの炎の輝度と、時間ｔよりも後の時間であるｔ＋ΔｔでのＣＯ量との相関関係を解析することが好ましい。Δｔの値については、特に限定されず、ＣＯ量の時間的変化と、炎の輝度時間的変化を対比して適宜決定することができる。例えば、炎の輝度が下降傾向に転じた時間と、ＣＯ量が上昇傾向に転じた時間との差を採用してもよい（例えば、Δｔ＝２分～１０分、好ましくは３分～６分）。

２－４．燃焼状態を制御する工程
キルンの燃焼状態の制御は、制御部によって実施される。制御部は、過去のデータを利用してデータ処理部が導出した相関関係に関するデータにアクセスすることができる。また、制御部は、データ処理部が解析した、今現在の炎の輝度のデータにもアクセスすることができる。そして、制御部は、相関関係と、炎の輝度とに基づいて、ＣＯ量が増加するか否かの予測を行うことができる。

ＣＯ量が増加すると予測された場合、制御部は、キルンの燃焼状態を制御して、ＣＯの発生を抑制する燃焼条件に調節する。調節する対象の燃焼条件としては、例えば、空気量、原料の投入量、燃料の量のうち少なくともいずれか１つが挙げられる。

２－５．自動制御の方法
上記の制御する工程については、制御部をオペレータが操作して、キルンの燃焼状態を制御してもよい。しかし、好ましい実施形態においては、こうした制御部がキルンの燃焼状態を制御する工程を自動化してもよい。

自動化する際には、所定のルールに従って、キルンの燃焼状態を制御してもよい。完全燃焼を促進する方向で燃焼条件を調節するための条件として、例えば、輝度が所定の値以下になったこと、及び／又は、所定の期間以上、輝度の下降傾向が続いたことなどが挙げられる。こうした所定の値、及び所定の期間は、相関関係を考慮して適宜設定すればよい。

自動化する際には、予めプログラムを組んでもよく、或いは、人工知能の技術（例えば、エキスパートシステム、機械学習システム）を利用してもよい。例えば、機械学習させる際には、輝度のデータとＣＯ量のデータを学習させ、適切なキルンの燃焼状態を制御するパラメータを出力させるようにしてもよい。

排気煙突とキルンを備える設備において、煙突付近のＣＯ量を監視した。３つの時間帯（具体的には、以下の３つの時間帯：１０：１７：４２～１０：２３：１８、１１：５４：４４～１２：０１：１８、及び１３：２６：２８～１３：２９：２０）において、ＣＯ量が上昇しているのが検出された。

そこで、それぞれ３つの時間帯の前後での、キルンの輝度の時間的変化を調べた。具体的には、輝度は上述したようにグレースケールに変換し、０～２５５の値に変換した。そして、変換した値を利用して移動平均を算出した。結果を図２～４に示す。いずれの場合においても、ＣＯ量の上昇が始まる５～６分前から、輝度の下降傾向が始まっていた。

こうしたことから、ＣＯ量の上昇の予兆を示すデータとして、炎の輝度を活用できることが示された。従って、ＣＯ量と炎の輝度との相関関係を解析することで、より効率的に、燃焼設備におけるＣＯの排出を制御することができることが示された。

以上、本発明の具体的な実施形態について説明してきた。上記実施形態は、本発明の具体例に過ぎず、本発明は上記実施形態に限定されない。例えば、上述の実施形態の１つに開示された技術的特徴は、他の実施形態に適用することができる。また、特記しない限り、特定の方法については、一部の工程を他の工程の順序と入れ替えることも可能であり、特定の２つの工程の間に更なる工程を追加してもよい。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって規定される。

１０ ＣＯ測定部
２０ 排煙部
３０ データ処理部
４０ 制御部
５０ ストーカ
６０ 撮像部
７０ 二次燃焼室
８０ キルン

Claims (4)

1. 燃焼設備の操業方法であって、
   前記設備は、キルンと、ストーカと、二次燃焼室と、排煙部と、撮像部と、データ処理部と、ＣＯ測定部と、制御部とを備え、
   前記方法は、
   前記撮像部が撮像した前記キルン内の出口部分の炎の画像に基づいて、前記データ処理部が前記炎の輝度を解析する工程と、
   前記ＣＯ測定部が前記排煙部内のＣＯ量を測定する工程と、
   前記データ処理部が、前記ＣＯ量と前記炎の輝度との相関関係を解析する工程と、
   前記制御部が、少なくとも、前記相関関係と、前記炎の輝度とに基づいて、前記キルン内の燃焼状態を制御する工程と、
   を含む、該方法。
2. 請求項１の方法であって、前記制御する工程が、空気量、原料の投入量、燃料の量のうち少なくともいずれか１つを調節することを含む、該方法。
3. 請求項１又は２の方法であって、前記制御する工程が、前記炎の一部分の輝度に基づいて前記キルン内の燃焼状態を制御することを含む、該方法。
4. 請求項３の方法であって、前記炎の一部分が外炎である、該方法。

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