JPS6193311A - ボイラ排ガス成分推定方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、ボイラの燃焼状態の監視に係わり、特に、バ
ーナ近傍の燃焼状態と燃焼後流部へ投入される空気量或
いはそれを表わす数式を用いて火炉出口における排ガス
成分を推定監視する方法及び装置に関する。

〔発明の背景〕

従来、ボイラ運転時における排ガス成分は、火炉出口或
いは煙道などに検出端を設けて検出していた。燃焼時に
は、未燃分或すは化学変化により有害物質（ＮＯｘ、Ｓ
Ｏｘ等）が生成され排ガス中に含まれるが、検出された
それら成分の分離。

分析には長時間を要し、オンライン監視はできなかった
。

このため、その低減には、運転員の経験と勘に頼らざる
を得なかった。特にその生成量が規制されつつあるＮ０
ｘ（窒素酸化物）、５Ｏｘ（硫黄酸化物）或いは燃焼効
率に影響を与える未燃分の低減、等については、早急に
解決されるべき課題であるにもかかわらず、；然焼状態
を定量的に評価する方法が技術的に確立さ、れていない
のが現状である。

さらに石油代替エネルギーとして石炭が見直されている
中で、微粉炭燃焼技術が注目されている。

この技術そのものは、すでに完成されたと言われるが、
先に述べたＮ　Ｏｘ排出ｔ、灰中未燃分の残存量等が、
ガス、油等の燃焼に比べ格段に増加することから環境及
び効率に及ぼす影響が大きいので、新たな技術的対応が
望まれている。

そして灰中未燃分の場加は、ボイラ効率を低下させると
共に廃棄物処理に種々の制約をもたらす。

さらに、微粉炭の燃料として高燃料比炭（固形炭素／揮
発分）、低品位炭の使用に伴ない灰中未然分の低減への
対策が急務となってきている。

微粉炭の燃焼は、１次空気と共に火炉内に送り込まれた
微粉炭が高温の炉壁および火炎からの輻射熱を受け、石
炭粒子の温度が上昇して水分が蒸発し、次に揮発分を発
生しつつ着火し放熱と燃焼による発熱がバランスするま
で、１次および２次空気による燃焼によって急激に温度
上昇し火炎を形成する。

一方、微粉粒子の燃焼過程は、まず燃焼の初期に揮発分
の分解燃焼が進み、その後コークス状の残留炭素質（以
後、チャーと呼ぶ）の表面燃焼が進行する。チャーの表
面燃焼は、揮発分の分解燃焼に比べてかなり遅く、安全
に燃え切るまでに要する時間の大部分はチャーの表面燃
焼に要するものと考えられる。

この事から、微粉炭燃焼は、燃料比、灰分、粘結性９粒
径分布など、その性状に係わる因子が多く、このため燃
焼過程での灰中未燃分を推定することは非常に困難であ
る。

しかし、灰中未燃分を減少させる燃焼方法は、０２を過
剰気味にして高温雰囲気の火炉内で一気に燃焼させれば
良い事は経験上からも明らかであるが、制御上及び安全
上そのような運転方法には問題がある。

現状の事業用あるいは産業用の微粉炭焚きボイラにおい
ては、ボイラ効率を向上させるため灰中未燃分を極力低
くするような運転をしているが、ガス及び油焚きボイラ
に有効な２段燃焼あるいは緩慢燃焼などの燃焼方法を採
ると火炉内温度が低下し灰中未燃分がかえって増加する
傾向にあり問題となっている。

このような問題の多くは、燃焼火炎の形状などを改善す
ることにより解決できることを見い出し、火炎と灰中未
燃分とを関係付けることによる灰中未燃分の低減法をす
でに提案した。しかし、灰中未燃分は、火炎後流部で混
合される空気量によっても大きく左右され、火炉出口に
おける未燃分については現在まで有効な推定方法を見出
すことはできなかった。（なお関連公知例には特開昭５
７−１１２６１４　号がある。） 〔発明の目的〕 本発明の目的は、ボイラ運転中の燃焼排ガス中に含有さ
れる物質、特にＮＯｘ　、ＳＯｘ　、ぽいじん等の有害
物質或いは効率に影響のある未燃分の残存量、等を短時
間で推定し、それらを低減する運転を実現するための燃
焼状態監視方法及び装置を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明は火炎形状から燃焼状態特徴パラメータを抽出し
、燃焼後流部で投入されるアフタエア量と該抽出された
特徴パラメータとから火炉出口の排ガス中の成分あるい
は灰中未燃分を推定監視することにある。

さらに具体的には火炎の酸化炎のバーナ先端からの距離
、酸化炎間距離、酸化炎の厚みに関するパラメータの少
なくとも一つとアフタエア量とを用いて火炉出口の排ガ
ス成分を推定監視することに特徴がある。

〔発明の実施例〕

はじめに本発明の基礎となる事項について述べる。

ボイラ運転中の燃焼排ガスの中に含有している物質、特
に有害物質であるＮＯｘ　、Ｂｏｘ　、はいじん等には
規制値が設けられており、その生成量を規制値以下に守
って運転しなければならない。

一方、ボイラの燃焼効率は、常時最大に保って運転する
ことが望ましく、この効率を算出する上で目安すとなる
のが排ガス中に含まれる未燃分である。

最近、燃料としてガス、油に変わり石炭の利用が見直さ
れつつあり、ボイラにおいても微粉炭。

ＣＷＭ（石炭／水スラリ）、ＣＯＭ（石炭／油スラリ）
、等が燃料として用いられ始めている。

特に石炭を燃料とした場合、それ自体に含まれている窒
素成分が燃焼によりＮＯｘに転換するため、その生成量
は多大なものになる。さらに、燃焼速度がガス、油に比
べて格段に遅いことから、火炉温度の低下を伴い、灰中
未燃分の残存量も増える傾向にある。

このような事から、以下、説明例として微粉炭を燃料と
した場合について述べる。

第１図に微粉炭燃焼時の形状の異なる３ケースの火炎を
示す。それぞれ、 （ａ）　　灰中未燃分は少なくＮＯｘは多く、炉内温度
は高い火炎、 （ｂ）　　灰中未燃分は多く、Ｎ　Ｏｘは（ａ）（Ｃ）
の間、炉内温度は低い火炎、 （Ｃ）　　灰中未燃分が（ａ）、　（ｂ）の間、ＮＯｘ
は少なく、炉内温度は（ａ）（ｂ）の間の火炎、 火炎すなわち微粉炭の燃焼頭載は、揮発分が主体である
１次燃焼領域、固形炭素分の燃焼が主体でちる２次燃焼
領域に分けられ、これら領域の大きさ９位置関係と例え
ば灰中未燃分に着目した場合、その残存量とは極めて高
い相関がある。そして第１図で（ａ）　：　１次燃焼領
域の火炎が太きい、（ｂ）：１次燃焼領域の火炎が（ａ
）、　（Ｃ）の間である。（Ｃ）　二１次燃焼領域の火
炎の大きさが最も小さい。などの特徴がある。

（ａ）の場合、微粉粒子の周囲の０２分布が最適になる
ように微粉炭を高温雰囲気の炉内に適度拡散して送り込
むことで揮発分の着火を速くシ、高温雰囲気を保つこと
によシ急速に微粉粒子を燃焼させ、灰中未燃分は少ない
。

（ｂ）の場合、微粉炭と０２の分布が分離されて卦り、
両者の接触領域だけで燃焼が進行するため、燃焼し切ら
ない微粉粒子が大量に未燃分として残る。

（Ｃ）の場合、微粉炭と０２の分布を最適にするため、
２次空気を旋回させてバーナ近傍で微粉炭を散らし燃焼
を促進させると共に、旋回によυ微粉炭の後流部は負圧
となるため微、ｖ′；Ｊ炭と０２が混合され燃焼が進行
する。灰中未燃分は（２）と（ｂ）の間にな為。

このように、１次燃焼領域の火炎の大きさとバーナ先端
部からの燃焼性とが灰中未燃分の低減に効果があるとい
う現象に基づき、例えば灰中未燃分の推定指標（工υｎ
ｃ）を求める火炎形状の特徴パラメータ（特徴量）を第
２図のように定める。

第２図において、１次燃焼領域の輝度の高い領域を酸化
炎と呼ぶことにする。ここでは、例えば酸化炎を表わす
特徴パラメータとして、酸化炎のバーナ先端からの位置
　　Ｘ＝ｄＺ／ｄＢ・・・・・・・・・・・・（１） 酸化炎間距離　　Ｙ＝ｄＸ／ｄＢ　　　・・・・・・・
・・（２）酸化炎の厚み係数　　Ｚ　＝　ａ　／　ｂ　
　　・・・・・・・・・（３）ここで　ａ：酸化炎の径
方向の厚み ｂ二酸化炎の軸方向の厚み Ｇｌ、Ｇ２：重心位置 なお（１）、（２）式においてバーナ径ｄＢと距離ｄＺ
。

ｄＸとの比を用いているが、ｄＺ、ｄＸそのままの値を
用いてもよい。

ここで（１）〜（３）式を用いて、灰中未燃分の推定指
　　−標工。ｍｃ　　を、例え−ば、 Ｉｕ３ｃ＝に−Ｘ−１−Ｙ−１・Ｚ・・・・・・・・・
（４）で定義する。ここで、ｋは１次口径係数である。

一方、酸化炎を表わす特徴パラメータとして先に述べた
以外に次のようなものを用いることが可能である。

第２図のＸ、Ｙを表わすＧ、、Ｇ、の定め方として、 （１）第２図のＧｌ、Ｇ２を酸化炎の中心とする。

（２）第２図のＸをバーナ先端から酸化炎に最も近い位
置を０１．Ｏｘとする。

（３）火炎温度の最も高い位置をＧ、、Ｇ、とする。

（４）酸化炎を温度分布から求め、その重心をＧｌ。

Ｇ２とする。

また、Ｚとしてバーナ僅方向の火炎厚みなどが考えられ
るが、これら全てバーナ先端からの酸化炎の位置或いは
大きさを表わすパラメータであシ、その限りにおいては
必ずしも重心或いは厚みでなくても良い。しかし、酸化
炎の輝度（或いは温度）の分布は等高線状になっており
、高輝度領域抽出の制限値に応じてその面積は変化する
が、重心位置はそれによる変化を受けにくい事から酸化
炎を表わす特徴パラメータとして重心を用いるのが適当
と考える。

以上が、火炎形状を用いたバーナ近傍の灰中未燃分の推
定方法の１例である。

さらに、このような火炎に対してその後流側でアフタエ
アが投入された場合、灰中未燃分ＵＢＣとその推定指標
Ｉｕｙ＋ｃ　　との関係は、第３図（Ａ）のようになる
。第３図からアフタエアの影響で、推定指標Ｉｎｍｃ　
に対して灰中未燃分ＵＢＣが二値を採る領域（（Ａ）の
カーブ）を持つことがわかった。

一方アフタエアが最大量投入された時の灰中未燃分ＵＢ
Ｃとその推定指標Ｉｏｍｃ　　とは、第３図の破線（Ｂ
＞のように直線の関係を持つことが明らかになった。

この結果、アフタエア投入による灰中未燃分ＵＢＣへの
影響は、第４図に示すように計測位置、アフタエア量の
各々に対して関数（特に指数関数）で表わされることが
わかり、計測位置での灰中未燃分を精度良く推定できる
ことがわかった。

以上灰中未燃分について述べたが、他の排ガス成分（Ｎ
Ｏ３Ｃ、Ｓ　Ｏｘ　、はいじん７等）についても同様の
傾向を示している。本発、明に基づいた実施例を灰中未
燃分ＵＢＣを例にとり次に述べる。

本発明の１実施例を第５．６図に示す。第５図は、アフ
タエア投入時の灰中未燃分ＵＢＣの監視・診断を単一バ
ーナについて実施した場合である。

炉壁の覗き窓から水又は空気で冷却したイメージ・ファ
イバを火炉に挿入し、燃焼火炎の画像を炉外に導く。炉
外に導かれた火炎画像は、ＩＴｖカメラで電気信号に変
えられる。第６図は、燃焼状態監視装置のＨａ成例であ
る。ＩＴＶカメラからのアナログ映像信号５は、Ａ／Ｄ
変換器１を介してデジタル映像信号６に変換され、フレ
ームメモリ２に書き込まれる。書き込まれた画像データ
７は、プロセッサ３に取り込まれ、（４）式で定義した
灰中未燃分推定指標Ｉ＋１ｍｃ　　を演算する。操作量
及び計測量１０は、プロセスエ１０９を介してデジタル
信号１１としてプロセッサ３に入力される。

一方、第５図において火炎後流部からアフタエアが投入
されており、計測位置ではアフタエアによる灰中未燃分
の減少量も重畳されて計測される。

そこで、（４）式にこのアフタエアによる影響を考慮し
た推定項を付加した（５）式を用いて灰中未燃分ＵＢＣ
を推定する。

Ｐ　（ＵＢＣ）＝Ｋｔ　・Ｉｏｍｃ＋Ｋｚ　・ｅｘｐ（
α）＋Ｃ・・・・・・・・・・・・（５） ここで、Ｐ（ＵＢＣ）；灰中未燃分推定量ＩＵＩＣＨ灰
中未燃分推定指標 α；アフタエアの影響を表わす 係数 に凰＋　Ｋ２　＊　Ｃ；定数（但し、Ｋ２はアフタエア
投入位置から検出位置 までの時間を考慮した定数） （５）式において、アフタエアの影響を表わすαは、（
６）式に示すようにアフタエア量の関数として表わされ
る。

α＝　ｇ　（ＧＡＡ、・・・）　　　　　・・・・・・
・・・・・・（６）ここで、ＧＡＡ；アフタエア量 また、（６）式で示されるアフタエア量は、（７）式の
ように空気比を用いて表わすことも可能である。

α＝ｇ（（λ−λＩＩＮｍ）　＊・・・）　　　・・・
・・・・・・・・・（７）ここで、λ；トータル空気比 λＩＮＩ　；バーナ空気比 さらに、ＧＡＡは総空気量と３次空気量を用いて表わす
こともできる。

（５）式は、１例として指数関数を用いてアフタエアの
投入による推定項を表わしたが、他の関数で表わすこと
も可能である。すなわち、 Ｐ　（ＵＢＣ）＝に＋　・ＩｎＩＣ＋に２　・ｆ　（ｇ
　ＣＧＡＡ）、　”・）　＋ＣＰ　（ＵＢＣ）”ＫヒＩ
ＩＪＩＣ＋に２　・ｆ　（ｇ（λ−λＩＩＮ−）、・・
・）＋Ｃ・・・・・・・・・・・・（８） となる。

以上の処理の１例としてプロセッサ３の内部処理フロー
の概略を第７図（ａ）、（ｂ）に示す。第７図（ａ）の
概略処理を次に説明する。

■１００：火炎画像データの入力 火炎画像データＩＭ（ｉ、ｊ）をプロセッサ３に入力す
る（ｉ−１〜工、Ｊ＝１〜Ｊ）。

■１１０：１１０：火炎タの平均化 その・燃焼状態を示す最も高い確立を持つ火炎形状を求
める（（９）式に１例を示す）。

ここで、ＩＭ（ｉ、　ｊ）　；平均化した火炎画像に；
平均化の標本数 （ｋ＝ｌ−Ｎ） ■１２０：火炎形状の特徴抽出 画像処理を用いて、火炎の高輝度、高温域（酸化炎）を
抽出し７、バーナとそれら抽出した領域（の重心）との
位置関係を算出する。

■１３０：灰中未燃分推定指標ＩｔＩｓｃ　　の計算灰
中未燃分推定指標Ｉ　ｕｓｃ　　を００式を用いて求め
る。

Ｋ、Ｃ１：定数 ７、　＝　ａ　／　ｂ　　　　　　　　　・・・・・・
・・・・・・・・・αυａ：バーナ径方向の酸化炎の厚
み ｂ：バーナ軸方向の酸化炎の厚み ■１４０ニアフタエアは投入されているか？アフタエア
の影響を考慮する必要があるか否かを判定する。

ＧＡＡ：アフタエア量 ■１５０ニアフタエア投入による灰中未燃分の減少量の
推定 アフタエアが投入され、燃焼が進行し灰中未燃分が減少
する量を推定する。

ｐ＝　ｆ　（ｇ（Ｇｉｎ、・・・）ｌ＋ｃ２　　　　・
・・・・・・・・＠ここで、Ｃ２：定数 Ｐ：推定した減少量 ＧＡＡ：アフタエア量 四穴において、関数ｇ（ＧＡＡ、・・・）は、少なくと
もＧＡＡを含む関数であることを示す。

■１６０：灰中未燃分の推定 先に求めたＩｒ＋ｍｃ　　とＰを用いて（至）式により
灰中未燃分を推定する。

Ｐ（ＵＢＣ）＝Ｋｔ・Ｉｕｍｃ＋に、ｚ・Ｐ＋Ｃ−・・
＋−＋ａここで、Ｐ（ＵＢＣ）：推定した灰中未燃分Ｐ
：推定した減少量 Ｉ　Ｕｗｒｃ　：灰中未燃分推定指標 に＊　、に２　、Ｃ：定数 ■１７０：推定結果の出力 灰中未燃分の推定量Ｐ　（ＵＢＣ）を出力装置に出力す
る。

また、第７図（ｂ）の概略処理は次の通りである。

■１２１：高輝度、高温域の抽出（半閾値処理）火炎の
特徴量として高輝度、高温域（酸化炎）を用いることか
ら、半閾値処理でその領域を抽出する。ここで、半閾値
処理とは、濃淡画像においてα４式を用いて画像を処理
することをいう。

・・・・・・・・・・・・α４ へ ここで、ＩＭ（ｉ、ｊ）：平均化した火炎画像（濃淡画
像） ＴＨ：半間値化レベル ■１２２：高輝度、高温域の重心を計算半閾値処理を用
いて抽出した高輝度、高温域（酸化炎）の重心を求める
。本実施例では、領域の重心をその代表点としたが、最
高輝度、最高温度点などをその代表点としても同様の効
果が期待できる。

■１２３：バーナからの重心位置を計算（Ｘ）灰中未燃
分推定指標Ｉｔｎ＋ｃ　　を求めるための特徴パラメー
タの１つであるＸ（バーナから酸化炎の重心までの距離
）を求める。以下、高輝度、高温域のことを酸化炎と称
す。

■１２４：重心間距離を計算（Ｙ） 灰中未燃分推定指標工ＵＩＩｃ　　を求めるための特徴
パラメータの１つであるＹ（止化炎の重心間距離）を求
める。

■１２５：高輝度、高温域の厚みを計算（Ｚ）酸化炎の
バーナ径方向の厚み及び軸方向のＨみを求め、（ロ）式
を用いてバーナ径方向への酸化炎のバーナ径方向への厚
み係数を計算する。

以上本発明を用いることにより、火炎画像から灰中未燃
分を推定すると共に、アフタエアによる灰中未燃分の減
少景を推定し、計測位置の灰中未燃分を精度よく推定或
いは予測することが可能となる。

他の実施例として、第８図に複数の異なるバーナを本発
明による燃焼状態監視装置で監視する場合を示す。この
場合、燃焼状態監視装置の画像入力部をＡ、Ｂ、０段の
各々の画像入力時に切換える方法（第９図（ａ））、Ａ
／Ｄ変換器とフレーム・メモリを各々Ａ、Ｂ、Ｃ段用に
準備し、３段同時にフレームメモリに画像を入力する方
法（第９図（ｂ））が考えられる。プロセッサ１０の内
部処理は、基本的には第７図（ａＸｂ）と同様である。

その概略処理を第１０［ｎに示す。

例えば、実機ボイラの燃焼状態の監視に本発明を用いる
ことにより、各段のバーナ燃焼状態、すなわちボイラ運
転状態を監視でき、アフタエアの影響を考慮したきめの
細かな高効率運転を実現できる。また、本発明の灰中未
燃分推定値から、操作量（空気量、空気比９等）を制御
することによシ、オペレータの負担をさらに低減するこ
とができる。

さらに本発明は、バーナのタイプによって左右されるも
のではない。例えば、第１１図（ａ）と（ｂ）のように
異なるバーナ・タイプであってもバーナ断面方向から燃
焼火炎を計測すると、形成される火炎は（ａ）、（ｂ）
共同様な形状を示すことから明らかである。

〔発明の効果〕

本発明を実施することにより、排ガス成分、例えば灰中
未燃分（ＵＢＣ）を精度よく推定できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本となる火炎形状を比較した図、第
２図は火炎形状から抽出する特徴パラメータを承す図、
第３図は灰中未燃分とその推定指標をアフタエアの影響
について比較した図、第４図は灰中未燃分の減少過程を
投入全と距離について示した図、第５図は本発明の１実
施例を示す図、第６図は本発明の装置構成の１例を示す
図、第７図（ａ）（ｂ）はプロセッサの概略処理フロー
を示す図、第８図は本発明の他の実施例を示す図、第９
図は他の実施例の画像入力方法の１例を示す図、第１０
図は他の実施例の概略処理フローを示す図、第１１図は
異なるタイプのバーナを示す図である。 １・・・Ａ／Ｄ変換器、２・・・フレームメモリ、３・
・・プロセッサ、４・・・表示装置、５・・・アナログ
映像信号。 某　ｔＵ 語　２　ｍ 某３ｒ￥Ｊ 態淡 寥１ジノ・１４之、漬【 第　ＩＥＩ （θ） 葛　７　回 （ｂ） 粘　ｑ　回 （σ） 躬　／／　ｆ；Ｅｌ （σ） （ｂ） １１頁の続き 、発　明　者　　宮　垣　　　久　典　　日立重大みか
町５丁目：か工場内 １発　明　者　　横　　川　　　　　篤　　日立重大み
か町５丁目：か工場内

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、火炉の燃焼状態を監視する方法において、火炉バー
   ナ根本部の火炎形状から燃焼状態の特徴パラメータを抽
   出し、該抽出された特徴パラメータと該燃焼後流側で付
   加されるアフタエア量とを用いて火炉出口の排ガス成分
   を推定し、該推定された排ガス成分により該火炉の燃焼
   状態を監視することを特徴とする燃焼状態監視方法。 ２、該特許請求の範囲第１項記載の燃焼状態の特徴パラ
   メータとして火炎形状から得られる酸化炎のバーナ先端
   からの距離、酸化炎間距離、酸化炎の厚みに関するパラ
   メータの少なくともひとつを用いることを特徴とする燃
   焼状態監視方法。 ３、火炉の燃焼状態を監視する装置において、火炉バー
   ナ根元部の火炎形状検出手段と、該検出された火炎形状
   データを入力信号として燃焼状態特徴パラメータを演算
   する演算手段と、燃焼後流側に設けられたアフタエア量
   と該演算された特徴パラメータとから火炉出口の排ガス
   成分を推定する手段とから成ることを特徴とする燃焼状
   態監視装置。