(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
継続的に供給される原料をエネルギーの供給により生じる熱で加熱し次工程に送り出す炉の内部を監視する炉内監視装置であって、
炉内で原料とガスが流れる箇所に設けられた温度計により前記炉内の温度を測定する温度測定部と、
前記炉内の温度を維持するように前記炉内へ供給するエネルギー量を制御する供給量制御部と、
前記炉内へ供給されたエネルギー量を記録する供給量記録部と、
前記炉内の測定温度を記録する温度記録部と、
前記供給されたエネルギー量の推移が前記測定された温度の推移として現れるまでの応答時間を算出する時間算出部と、を備え、
前記算出された応答時間の変化により前記炉内のコーチング付着状況の推定を可能にすることを特徴とする炉内監視装置。
【請求項２】
前記時間算出部は、前記エネルギーの供給により生じる熱が前記温度測定部に伝達されるステップを一次遅れモデルで近似したときの時定数を、前記応答時間として算出することを特徴とする請求項１記載の炉内監視装置。
【請求項３】
前記応答時間を出力する出力部を更に備えることを特徴とする請求項１または請求項２記載の炉内監視装置。
【請求項４】
前記応答時間の変化率の絶対値が所定値を超えたときに異常と判定する異常判定部を更に備え、
異常の発生を報知可能にすることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の炉内監視装置。
【請求項５】
前記炉は、継続的にセメント原料が供給されるプレヒータであり、
前記温度測定部は、前記プレヒータ内の温度を測定し、
前記温度記録部は、前記プレヒータ内の測定温度を記録し、
前記供給量記録部は、前記プレヒータ内にエネルギーとして供給される石炭燃料の量を記録し、
前記時間算出部は、前記記録された石炭燃料の量の推移が前記プレヒータ内の温度の推移として現れるまでの応答時間を算出し、
前記算出された応答時間の変化によりプレヒータ内のコーチング付着状況の推定を可能にすることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の炉内監視装置。
【請求項６】
継続的に供給される原料をエネルギーの供給により生じる熱で加熱し次工程に送り出す炉の内部を監視する炉内監視方法であって、
炉内で原料とガスが流れる箇所に設けられた温度計により前記炉内の温度を測定する手順と、
前記炉内の温度を維持するように前記炉内へ供給するエネルギー量を制御する手順と、
前記炉内へ供給されたエネルギー量を記録する手順と、
前記炉内の測定温度を記録する手順と、
前記供給されたエネルギー量の推移が前記測定された温度の推移として現れるまでの応答時間を算出する手順と、を含み、
前記算出された応答時間の変化により前記炉内のコーチング付着状況の推定を可能にすることを特徴とする炉内監視方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、継続的に供給される原料を加熱し次工程に送り出す炉の内部を監視する炉内監視装置および炉内監視方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
セメント原料を焼成するロータリーキルンについて、その表面温度の変化を測定し、温度の高低を基準にコーチングの付着の有無を推定する技術が知られている。これは、ロータリーキルンは、継続的に供給される原料を加熱し次工程に送り出すため、内壁に付着物が堆積すると、加熱された原料の送出が阻害されるため、堆積量を監視する必要があるためである。また、このような技術は、炉内の温度を維持し、同様の条件で継続的に原料を加熱処理するのにも役立つ。
【０００３】
たとえば、特許文献１記載のロータリーキルンの操業制御装置は、ロータリーキルンの特定の長さ方向において周方向に沿って分布する複数の測定点でのシェル温度を温度計によって連続的に測定し、シェル温度が最低値を下回るとロータリーキルン内の熱負荷を増加させ、内壁面の付着物を剥離させている。特許文献２記載のロータリーキルン内の付着物の厚さ検出方法は、大気温度、ロータリーキルンの炉内ガス雰囲気温度および鉄皮表面温度から、ロータリーキルン内の付着物の厚さを演算している。また、特許文献３記載の外熱ロータリーキルンでは、温度センサを複数箇所に設置し、測定温度をテストプラントによる検討結果に照合し、キルン壁温度を推定し、キルン内堆積層厚さを推定している。
【０００４】
一方、ロータリーキルンの前段階に設けられるプレヒータは、保温材により囲まれているため、内部に設けられた温度計により、コーチングの付着の有無を推定している。たとえば、特許文献４記載のサイクロンでは、プレヒータ内に設置された複数の温度計で測定された温度を時系列的に監視し、測定温度のいずれかが設定値以下になったときにセメント原料の除去作業を指示するための警告を発する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−２３０６７６号公報
【特許文献２】特開昭５６−１３７１０６号公報
【特許文献３】特開平１０−１９７１５７号公報
【特許文献４】特開平１１−２６２６８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このように炉の表面または内部の温度を測定し、測定温度から内部状況を監視する種々の方法が提案されている。しかしながら、上記の方法は燃料供給量の変化を考慮しておらず必ずしも信頼性が高いとは言えない。これに対して、直接的に内部状況を監視する方法も考えられるが、現実的ではない。たとえば、セメント原料のプレヒータ内部に挿入された温度計を引き抜き、温度計に付着したコーチングの状況から内部のコーチング状況を推定する方法では、温度計を測定口から抜出す時点でコーチングが脱落する可能性が高く測定は困難である。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、供給されるエネルギー量の変化に対応して、高い信頼性で炉内の状況を推定できる炉内監視装置および炉内監視方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（１）上記の目的を達成するため、本発明の炉内監視装置は、継続的に供給される原料を加熱し次工程に送り出す炉の内部を監視する炉内監視装置であって、炉内の温度を測定する温度測定部と、前記炉内の温度を維持するように前記炉内へ供給するエネルギー量を制御する供給量制御部と、前記炉内へ供給されたエネルギー量を記録する供給量記録部と、前記炉内の測定温度を記録する温度記録部と、前記供給されたエネルギー量の推移が前記測定された温度の推移として現れるまでの応答時間を算出する時間算出部と、を備え、前記算出された応答時間の変化により炉内状況の推定を可能にすることを特徴としている。
【０００９】
このように、本発明の炉内監視装置は、供給されたエネルギー量の推移が炉内の温度の推移として現れるまでの応答時間を算出し、応答時間の変化により炉内状況の推定を可能にしている。これにより、供給されるエネルギー量の変化に対応して、高い信頼性で炉内状況を推定できる。たとえば、応答時間の増加から炉内壁を覆う層の増加を推定できる。また、応答時間が急激に変化したときに温度測定部の層の剥がれが生じたことを推定したり、供給原料の量に異常があったことを推定したりすることも可能になる。
【００１０】
（２）また、本発明の炉内監視装置は、前記時間算出部は、前記エネルギーの供給により生じる熱が前記温度測定部に伝達されるステップを一次遅れモデルで近似したときの時定数を、前記応答時間として算出することを特徴としている。
【００１１】
これにより、容易に妥当な応答時間を算出することができる。たとえば、エネルギー供給量の実測値の時系列データから炉内温度の推移を推定し、炉内温度の実測値の時系列データにフィッティングすることで、一次遅れモデルで近似したときの最適な時定数を求めることができる。
【００１２】
（３）また、本発明の炉内監視装置は、前記応答時間を出力する出力部を更に備えることを特徴としている。これにより、作業者は出力された応答時間を監視することができ、炉内壁を覆う層の変化や、炉内の異常の発生を容易に把握することができる。
【００１３】
（４）また、本発明の炉内監視装置は、前記応答時間の変化率の絶対値が所定値を超えたときに異常と判定する異常判定部を更に備え、異常の発生を報知可能にすることを特徴としている。これにより、炉内の急激な変化を自動的に作業者に報知することが可能になる。
【００１４】
（５）また、本発明の炉内監視装置は、前記温度測定部は、継続的にセメント原料が供給されるプレヒータ内の温度を測定し、前記温度記録部は、前記プレヒータ内の測定温度を記録し、前記供給量記録部は、前記プレヒータ内にエネルギーとして供給される石炭燃料の量を記録し、前記時間算出部は、前記記録された石炭燃料の量の推移が前記プレヒータ内の温度の推移として現れるまでの応答時間を算出し、前記算出された応答時間の変化によりプレヒータ内の状況の推定を可能にすることを特徴としている。
【００１５】
これにより、プレヒータ内のコーチング厚を推定することができ、事前にサイクロン詰まりの防止処理を実行できる。また、リサイクル原燃料の供給を含め運転条件を推定でき、コーチング付着の原因を絞りこむことができる。このように、プレヒータ内の状況把握が容易になるため、従来は安全側で設定していたリサイクル原燃料の使用量制約を緩和することができる。
【００１６】
（６）また、本発明の炉内監視方法は、継続的に供給される原料を加熱し次工程に送り出す炉の内部を監視する炉内監視方法であって、炉内の温度を測定する手順と、前記炉内の温度を維持するように前記炉内へ供給するエネルギー量を制御する手順と、前記炉内へ供給されたエネルギー量を記録する手順と、前記炉内の測定温度を記録する手順と、前記供給されたエネルギー量の推移が前記測定された温度の推移として現れるまでの応答時間を算出する手順と、を含み、前記算出された応答時間の変化により炉内状況の推定を可能にすることを特徴としている。これにより、応答時間の変化により、供給されるエネルギー量の変化に対応して、高い信頼性で炉内状況を推定できる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、応答時間の変化により、供給されるエネルギー量の変化に対応して、高い信頼性で炉内状況を推定できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係るセメント製造プラントの構成を示す概略図である。
【図２】最下段のサイクロンと本発明に係る炉内監視装置（プレヒータ内監視装置）の構成を示す概略図である。
【図３】本発明に係る炉内監視装置（プレヒータ内監視装置）の動作を示すフローチャートである。
【図４】１次遅れモデルによるステップ応答のシミュレーション結果を示す図である。
【図５】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ主燃料供給量および温度の推移、算出された応答時間の推移を示すグラフである。
【図６】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ主燃料供給量および温度の推移、算出された応答時間の推移を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下に本発明の実施形態を説明する。
【００２０】
（セメント製造プラントの構成）
図１は、セメント製造プラント１００の構成を示す概略図である。セメント製造プラント１００は、主にクリンカの焼成を行うプラントであり、プレヒータ１０５、ロータリーキルン１７０、冷却機１８０、プレヒータ内監視装置２００（炉内監視装置）を備えている。
【００２１】
プレヒータ１０５は、ロータリーキルン１７０の前段に設けられ、ロータリーキルン１７０での焼成効率を向上させるためにセメント原料Ｍを管理用温度で予熱する。プレヒータ１０５は、多段サイクロンで構成されている。プレヒータ１０５には、粉体のセメント原料Ｍが、原料供給部１０８から継続的に供給される。セメント原料Ｍは、主に石灰石、粘土、けい石、酸化鉄原料を所定の構成成分になるように予め粉砕、乾燥、混合して作製される。原料供給量は、ほぼ一定になるように制御されている。
【００２２】
サイクロン１１０は、多段に設けられ、高温ガスとセメント原料Ｍとの間の熱交換および分離を行う。サイクロン１１０は、コーン部１１１とシュート部１１２を有している。シュート部１１２は、コーン部１１１の下部に連結され、セメント原料Ｍを排出する。排気口１１３は、コーン部１１１の上部中央に設けられ、排ガスを排出する。排出された排ガスは原料の乾燥や廃熱発電等に利用される。排気口１１３の周辺部にはマンホール（図示せず）が開閉自在に設けられている。仮焼炉１６０にはロータリーキルン１７０から高温の排ガスが流れ込んでいる。また、仮焼炉１６０にはセメント原料Ｍが供給されている。最下段のコーン部１１１には、仮焼炉１６０からセメント原料Ｍおよび排ガスが流入している。
【００２３】
ロータリーキルン１７０は、プレヒータ１０５から排出されたセメント原料Ｍを１４５０℃程度で焼成し、クリンカを生成する。冷却機１８０は、いわゆるクリンカクーラーであり、ロータリーキルン１７０で生成されたクリンカを冷却する。冷却により代わりに熱せられた空気は、キルンや仮焼炉１６０の燃焼用空気として利用される。
【００２４】
リサイクル原燃料Ｒ１、Ｒ２は、それぞれ仮焼炉１６０およびロータリーキルン入口１６９に設けられたリサイクル原燃料供給部１６１、１６９から供給される。リサイクル原燃料Ｒ１、Ｒ２としては、たとえば、廃プラスチック、廃油、木屑または廃タイヤが供給される。リサイクル原燃料Ｒ１、Ｒ２の供給量は、ほぼ一定になるように制御されている。
【００２５】
主燃料供給部１６２は、仮焼炉１６０の側面に設けられ、主燃料Ｆとしてたとえば石炭燃料を供給する。主燃料供給部１６２は、温度計１９０により計測される温度を一定にするようにプレヒータ内監視装置２００により供給量を制御している。温度計１９０は、最下段のコーン部１１１上部に接続している排気口１１３の付け根付近に設けられている。温度計１９０は、たとえば熱電対または測温抵抗体で構成される。温度計１９０は、鉄皮で形成された排気口１１３の壁部を介して先端が排気口１１３の内部に入るように挿入されている。
【００２６】
プレヒータ内監視装置２００は、主燃料Ｆの供給量と測定されたプレヒータ１０５内の温度とからプレヒータ１０５内の状況を推定可能にする。プレヒータ内監視装置２００の詳細は後述する。
【００２７】
（最下段のサイクロンおよびプレヒータ内監視装置の構成）
図２は、最下段のサイクロン１１０とプレヒータ内監視装置２００の構成を示す概略図である。図２に示すように、最下段のサイクロン１１０の壁部は、鉄皮の内側に耐火物が内張りされている。サイクロン１１０内に高温ガスとセメント原料Ｍを流通させると、サイクロン１１０の内壁面に原料が付着し、付着物がコーチングＣとして次第に成長する。サイクロン１１０内のコーン部１１１に付着したコーチングＣが剥がれてシュート部１１２へ落下したり、コーチングＣが異常に成長するとサイクロン詰まりが発生したりする虞が生じる。
【００２８】
サイクロン詰まりの発生が確認されると、通常は製造プラントが停止され、詰まった原料の解消作業が行われる。このような作業は時間と手間がかかり、大きな負担となる。また、莫大な損失をもたらしうる。したがって、プレヒータ１０５内を監視し、コーチングＣの状況を把握し、異常が発生したときには予め対処することが重要となる。そのため、プレヒータ内監視装置２００が設けられている。
【００２９】
プレヒータ内監視装置２００（炉内監視装置）は、継続的に供給される原料を加熱し次工程に送り出す炉の内部を監視する。プレヒータ内監視装置２００は、温度測定部２１０、供給量制御部２２０、供給量記録部２３０、温度記録部２４０、時間算出部２５０、出力部２６０および異常判定部２７０を備えている。
【００３０】
温度測定部２１０は、温度計１９０に接続され、プレヒータ１０５内の温度を測定する。供給量制御部２２０は、測定された温度を参照し、プレヒータ１０５内の温度を維持するように主燃料の供給量（エネルギー量）を制御する。供給量記録部２３０は、プレヒータ１０５内へ供給された主燃料Ｆの量を記録する。温度記録部２４０は、プレヒータ１０５内の測定温度を記録する。
【００３１】
時間算出部２５０は、供給された主燃料Ｆの量の推移が測定された温度の推移として現れるまでの応答時間を算出する。具体的には、エネルギーの供給により生じる熱が温度測定部２１０に伝達されるステップを一次遅れモデルで近似したときの時定数を、応答時間として算出することが好ましい。
【００３２】
出力部２６０は、たとえばモニター画面やプリンタにより構成され、算出された応答時間を出力する。グラフにより過去のデータも含めて経時的に出力することが好ましい。このように算出された応答時間の変化が出力されることで、応答時間の推移が解析作業者またはオペレータにより監視されプレヒータ１０５内の状況の推定が可能になる。これにより、応答時間の変化により、供給される主燃料Ｆの量の変化に対応して、高い信頼性で炉内状況を推定できる。
【００３３】
これにより、プレヒータ１０５への主燃料Ｆの供給量変更とそれに伴う温度変化を時系列(過渡状態)で測定できる。そして、温度計掃除直後の温度変化と掃除後時間が経過した時点の温度変化を比較することで、温度計１９０へのコーチングＣの付着状態を推定することもできる。また、コーチングの成長原因の推定にも応用できる。
【００３４】
異常判定部２７０は、応答時間の変化率の絶対値が所定値を所定時間以上超えたときに異常と判定する。これにより、炉内の急激な変化を自動的に作業者に報知することが可能になる。たとえば、応答時間の変化量が設定値以上で設置時間以上元のレベル（上昇前の値）の設定比率まで戻らない場合に異常と判断する。これらの異常判定の各設定値は、温度計の感度や付着したコーチングにより、応答時間が変化するため、絶対量としては設定できない。そこで、掃除時の実績から決定することができる。異常判定部２７０は、必ずしも必須ではないが設けられていることが好ましい。
【００３５】
（プレヒータ内監視装置の動作）
以上のように構成されたプレヒータ内監視装置２００の動作を説明する。図３は、プレヒータ内監視装置２００の動作を示すフローチャートである。まず、プレヒータ１０５内の温度を測定する（Ｓ１）。そして、プレヒータ１０５内の温度を維持するように炉内へ供給する主燃料の量を制御し（Ｓ２）、供給された主燃料の量を記録する（Ｓ３）。そして、同時に炉内の測定温度を記録する（Ｓ４）。
【００３６】
次に、記録に基づいて、供給されたエネルギー量の推移が測定された温度の推移として現れるまでの応答時間を算出する（Ｓ５）。そして、算出された応答時間を出力する（Ｓ６）。なお、応答時間の算出については後述する。
【００３７】
次に、応答時間の変化率の絶対値が所定値より大きいか否かを判定する（Ｓ７）。所定値より大きいときには、出力部２６０により警告を行う。また、算出された応答時間の変化により炉内状況の推定を可能にする。
【００３８】
このようにしてプレヒータ１０５内のコーチング厚を推定することができ、事前にサイクロン詰まりの防止処理を実行できる。また、リサイクル原燃料Ｒ１、Ｒ２の供給を含め運転条件を推定でき、コーチング付着の原因を絞りこむことも可能になる。このように、プレヒータ１０５内の状況把握が容易になるため、従来は安全側で設定していたリサイクル原燃料の使用量制約を緩和することができる。
【００３９】
（応答時間の算出例）
セメント製造プラント１００の運転に伴い、サイクロン１１０内部に高温ガスとセメント原料Ｍが流通すると、次第にサイクロン１１０内壁面に付着したセメント原料Ｍが保温材として作用し、付着量が増加するほど、温度計１９０への熱の伝達時間が増加する。
【００４０】
温度、主燃料の供給量の実測データを用いて、コーチング内の熱の伝達時間（応答時間）を算出する。コーチングにより熱が１次遅れで伝達すると仮定し、ステップ応答を１次遅れモデルで近似する。そして、逐次型最小２乗法を用いてオンラインで１次遅れの時定数を演算する。１次遅れモデルにおける時刻ｔでの応答θ(t)は以下の通りに表される。なお、t0はむだ時間、θ1は時定数（θ(t)がθ2の６３．２％に至るまでの時間）を表し、θ2はゲインに相当する。
【数１】
0005559641.tif 000002
【００４１】
この数式により、ゲインを一定にし、コーチング厚が大きい場合と小さい場合とでそれぞれシミュレーションすると異なる時定数が得られる。図４は、１次遅れモデルによるステップ応答のシミュレーション結果を示す図である。図４に示すように、コーチング厚の大きい掃除前の曲線は、時間の経過に対して緩やかに上昇し、時定数が大きくなっている。また、コーチング厚の小さい掃除後の曲線は、時間の経過に対して急激に上昇し、時定数が小さくなっている。このような仮定に基づいて、オンライン推定で１次遅れの時定数を演算する。演算で用いられる数式は以下の通りである。
【数２】
0005559641.tif 000003
【００４２】
Ｙｐは温度の予測値、Ｙは温度、Ｕは主燃料供給量を表す。ここではθ１が遅れ（時定数）を表し、θ２がゲインを表す。また、ｔは現在、ｔ−１は現在より１サンプル前、ｔ−２は、２サンプル前を表す（過去の値）。また、delay1は、１サンプル前の応答時間を表す。θ３、θ４は、主燃料供給量以外の温度への影響を及ぼす量を表す。また、ｅは、以下のように定義される。
【数３】
0005559641.tif 000004
【００４３】
ｅは、主燃料供給量以外の温度への影響を考慮するために用いる。ｅを用いるかどうかはプロセスにより、この項を無視してもよい。このようにして得られるＹ（ｔ）の予測値Ｙｐ（ｔ）が実際の値Ｙ（ｔ）に等しくなるようθ（ｔ）を最小二乗法で求める。これにより、容易に妥当な応答時間（時定数）を算出することができる。たとえば、エネルギー供給量の実測値の時系列データから炉内温度の推移を推定し、炉内温度の実測値の時系列データにフィッティングすることで、一次遅れモデルで近似したときの最適な時定数を求めることができる。これにより、作業者は出力された応答時間を監視することができ、炉内壁を覆う層の変化や、炉内の異常の発生を容易に把握することができる。なお、上記の演算は一例であって、演算方法は必ずしもこの方法に限定されない。
【００４４】
（実施例１）
上記のように構成されたセメント製造プラント１００を運転し、プレヒータ内監視装置２００により応答時間を算出する実験を行った。実験の途中で温度計を抜き出し、コーチングを掃除した。この掃除のタイミングは、コーチング厚が比較的小さい状態において行った。図５（ａ）、（ｂ）は、それぞれ主燃料供給量および温度の推移、算出された応答時間の推移を示すグラフである。図５に示すように、コーチング厚の増加に伴う応答時間の増加が観察された。コーチング厚が小さかったため掃除による影響は小さかったが、その後、３２０分の時点で応答時間の急激な増加が確認された。このようなコーチングの成長は、特定のリサイクル原燃料の使用量増によるものであり、オペレータがこれに対処したことで、応答時間は減少した。
【００４５】
（実施例２）
また、同様の条件で、コーチング厚が大きい場合の応答時間の算出実験を行った。図６（ａ）、（ｂ）は、それぞれ主燃料供給量および温度の推移、算出された応答時間の推移を示すグラフである。実験によりコーチング厚の増加による応答時間の増加を観察できた。また、コーチング厚が大きい影響で、掃除により一気に応答時間が減少したことが観察できた。
【００４６】
なお、以上の実施形態では、セメント製造プラントのプレヒータ内の監視を可能にするが、他の分野においても継続的に供給される原料を加熱し次工程に送り出す炉の内部を監視する必要性があれば、本発明を適宜応用できる。たとえば、セメント原料Ｍは、他の原料であってもよく、主燃料Ｆは他のエネルギーであってもよい。
【符号の説明】
【００４７】
１００  セメント製造プラント
１０５  プレヒータ
１０８  原料供給部
１１０  サイクロン
１１１  コーン部
１１２  シュート部
１１３  排気口
１６０  仮焼炉
１６１  リサイクル原燃料供給部
１６２  主燃料供給部
１６９  ロータリーキルン入口
１７０  ロータリーキルン
１８０  冷却機
１９０  温度計
２００  プレヒータ内監視装置（炉内監視装置）
２１０  温度測定部
２２０  供給量制御部
２３０  供給量記録部
２４０  温度記録部
２５０  時間算出部
２６０  出力部
２７０  異常判定部
Ｃ  コーチング
Ｆ  主燃料
Ｍ  セメント原料
Ｒ１、Ｒ２  リサイクル原燃料
【図１】
0005559641.tif 000005
【図２】
0005559641.tif 000006
【図３】
0005559641.tif 000007
【図４】
0005559641.tif 000008
【図５】
0005559641.tif 000009
【図６】
0005559641.tif 000010