(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
焼却炉内を通過する、周波数が２０ｋＨｚ以上の音波の伝播時間を測定し、測定された伝播時間に基づいて燃焼量を検出することを特徴とする焼却炉の燃焼量検出方法。
【請求項２】
燃焼炉内の未燃焼ガスを含む空間に周波数が２０ｋＨｚ以上の音波を入射する音波発振器と、前記音波を受信する音波受信器と、前記音波の前記空間での伝播時間を演算し燃焼量を検出する演算手段を備えてなることを特徴とする焼却炉の燃焼量検出装置。
【請求項３】
焼却炉内を通過する、周波数が２０ｋＨｚ以上の音波の伝播時間を測定し、測定された伝播時間に基づいて燃焼量を検出し、該検出された燃焼量に基づいて焼却炉内に供給する空気の量を調整することを特徴とする燃焼炉の燃焼制御方法。
【請求項４】
燃焼炉内の未燃焼ガスを含む空間に周波数が２０ｋＨｚ以上の音波を入射する音波発振器と、前記音波を受信する音波受信器と、前記音波の前記空間での伝播時間を演算し燃焼量を検出する演算手段と、該演算手段からの情報に基づいて炉内の空気量の調整を行う調整手段とを備えてなることを特徴とする焼却炉の燃焼制御装置。
【請求項５】
前記調整手段が、焼却物に向けて供給される一次空気、または、焼却物上空の未燃焼ガスを含む空間に供給される二次空気の空気量を調整するものである請求項４記載の焼却炉の燃焼制御装置。
【請求項６】
焼却物に向けて一次空気を送風する一次空気送風手段と、当該一次空気の量を調節する一次空気調節手段と、前記焼却物上空の未燃焼ガスを含む空間に二次空気を送風する二次空気送風手段と、当該二次空気の量を調節する二次空気調節手段と、前記未燃焼ガスを含む空間に周波数が２０ｋＨｚ以上の音波を入射する音波発振器と、前記音波を受信する音波受信器と、前記音波の未燃焼ガスを含む空間での伝播時間を検出する演算手段と、前記演算手段からの情報に基づいて前記一次空気調節手段または二次空気調節手段を制御する制御手段を備えてなることを特徴とする焼却炉。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、都市ごみ、産業廃棄物、ＲＤＦ、石炭等の固体燃料を燃料とする焼却炉で、炉内の燃焼量を検出する方法、装置、それに基づいて燃焼を制御する方法、装置、および焼却炉に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常、焼却炉で、都市ごみ、産業廃棄物、ＲＤＦ、石炭などの固体燃料を焼却する場合、燃料の供給変動が発生する。燃料の供給過剰では燃焼ガス中の酸素濃度が減少し不完全燃焼を起こし、また燃料の供給過少では燃焼ガスの温度が低下し不完全燃焼をおこす。このような不完全燃焼が生じると、ダイオキシンやー酸化炭素などの有害物質が多量に放出される。
【０００３】
従って、不完全燃焼ガスの濃度を瞬時に検出して、直ちに空気量を調節し、不完全燃焼ガスが排出される前に完全燃焼させる必要がある。
そこで、燃焼量の大小によって炎の明暗の度合いが異なることに着目し、炉内の輝度を明るさ検出センサで測定することにより、その輝度値に比例して空気量を制御する方法が提案されている（特開平６─４２７２６号公報参照）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述の光学的手法では、瞬時に測定できはするものの、ダストの付着による感度の低下や、炉壁からの光による外乱によって、正確に検出できないという問題がある。
従って、検出器の設置場所を炉頂などに限定したり、ダストが付着しないような特別な工夫を要し、また、煙の発生により炉内が暗くなった場合に備えて圧力検出センサなどの別の手段を並設させる必要も生じている。さらに、炉内の温度分布は流動する傾向にあるが、同じ燃焼量でも炎の位置が明るさセンサから遠く離れると検出する輝度が低くなるなどして、検出結果に大きなバラツキを生じてしまう傾向にある。
結果として、前述の光学的手法では、誤動作を起こしやすく、不完全燃焼を確実に防ぐことはできない。
【０００５】
本発明は、従来の技術の有するこのような問題点に鑑みてなされたものであり、ダストの付着や煙の発生等に影響されず、炉内の燃焼量を瞬時に正確に検出することができ、燃焼量の変動に則してただちに空気量を調整し炉外への不完全燃焼ガスの放出を抑えることができる焼却炉の燃焼量検出方法、装置、燃焼量制御方法、装置および焼却炉を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１にかかる発明は、焼却炉の燃焼量検出方法であって、焼却炉内を通過する、周波数が２０ｋＨｚ以上の音波の伝播時間を測定し、測定された伝播時間に基づいて燃焼量を検出することを特徴とする。音波は高速であり、瞬時に燃焼量を検出することができる。また、光学的手法と異なり、センサーへのダストの付着、煙の発生等に影響されない。さらに、音波の伝播時間は、伝播する経路での平均的な伝播速度の結果として検出されるものであり、局所的に温度の高いところが、炉内のどこにあっても検出結果に影響を与えない。また、音波の周波数が２０ｋＨｚ未満であれば、可聴範囲であるが、２０ｋＨｚ以上であれば、人間の耳には聞こえないため騒音の問題をなくすことができる。
【０００９】
請求項２にかかる発明は、焼却炉の燃焼量検出装置であって、燃焼炉内の未燃焼ガスを含む空間に周波数が２０ｋＨｚ以上の音波を入射する音波発振器と、前記音波を受信する音波受信器と、前記音波の前記空間での伝播時間を演算し燃焼量を検出する演算手段を備えてなることを特徴とする。音波発振器と音波受信機は、ダストの付着の有無に関係なく、音波を発振し受信する。また煙が発生して、内部の状態が見えなくなっていても検出できる。さらに、局所的に燃え盛っていても全体の平均として伝搬速度を計測するので安定して正確な燃焼量を検知することができる。音波は高速であり、瞬時に燃焼量を検出することができる。また、音波の周波数が２０ｋＨｚ以上であり、人の耳には聞こえないので騒音問題をおこさない。
【００１２】
請求項３にかかる発明は、焼却炉の燃焼制御方法であって、焼却炉内を通過する、周波数が２０ｋＨｚ以上の音波の伝播時間を測定し、測定された伝播時間に基づいて燃焼量を検出し、該検出された燃焼量に基づいて焼却炉内に供給する空気の量を調整することを特徴とする。音波の伝搬時間の測定は瞬時にでき、燃焼量の変動に遅れることなく、空気量を調整することができる。
【００１３】
請求項４にかかる発明は、焼却炉の燃焼制御装置であって、燃焼炉内の未燃焼ガスを含む空間に周波数が２０ｋＨｚ以上の音波を入射する音波発振器と、前記音波を受信する音波受信器と、前記音波の前記空間での伝播時間を演算し燃焼量を検出する演算手段と、該演算手段からの情報に基づいて炉内の空気量の調整を行う調整手段とを備えてなることを特徴とする。音波発振器と音波受信機は、ダストの付着の有無に関係なく、音波を発振し受信する。また煙が発生して、内部の状態が見えなくなっていても検出できる。さらに、局所的に燃え盛っていても全体の平均として伝搬速度を計測するので安定して正確な燃焼量を検知することができる。音波の伝搬時間の測定は瞬時にでき、燃焼量の変動に遅れることなく、空気量を調整することができる。
【００１４】
請求項５にかかる発明は、請求項４に記載の発明に加えて、前記調整手段が、焼却物に向けて供給される一次空気、または、焼却物上空の未燃焼ガスを含む空間に供給される二次空気の空気量を調整するものである。一次空気量の調整によって、流動層での燃焼量の制御をする。例えば、流動層での燃焼量が過大で、流動層上空で不完全燃焼ガスの全てが完全燃焼されない場合には、一次空気量を減少させて流動層での燃焼量を減少させ、不完全燃焼ガスの発生を抑える。二次空気量の調整によって、流動層上空での不完全燃焼ガスの完全燃焼量を制御する。例えば、流動層で発生する不完全燃焼ガスの量が増加すれば、これに対応して二次空気量を増加させる。
【００１５】
請求項６にかかる発明は、焼却物に向けて一次空気を送風する一次空気送風手段と、当該一次空気の量を調節する一次空気調節手段と、前記焼却物上空の未燃焼ガスを含む空間に二次空気を送風する二次空気送風手段と、当該二次空気の量を調節する二次空気調節手段と、前記未燃焼ガスを含む空間に周波数が２０ｋＨｚ以上の音波を入射する音波発振器と、前記音波を受信する音波受信器と、前記音波の未燃焼ガスを含む空間での伝播時間を検出する演算手段と、前記演算手段からの情報に基づいて前記一次空気調節手段または二次空気調節手段を制御する制御手段を備えてなることを特徴とする。焼却炉としては、都市ごみや産業廃棄物などを焼却するもので、流動床炉の他にストーカ−炉や回転式炉などがある。音波は高速であり、瞬時に燃焼量を検出することができる。また、光学的手法と異なり、センサーへのダストの付着、煙の発生等に影響されない。さらに、音波の伝播時間は、伝播する経路での平均的な伝播速度の結果として検出されるものであり、局所的に温度の高いところが、炉内のどこにあっても検出結果に影響を与えない。したがって、音波の発振器および受信器の取付位置は、特に限定されない。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照しつつ説明する。
図１は、本発明の焼却炉の一実施例の概略説明図、図２および図３は本発明の燃焼量検出方法および制御方法の説明図である。また、図４は、本発明の制御方法による燃焼ガス濃度の時経的変化を示し、図５は本発明の焼却炉の他の実施例を示す。
【００１７】
図１に示される焼却炉１は、流動床タイプのものであり、炉壁２２内の下方には分散板２０によって、風箱２１が形成されており、分散板２０上には焼却物と珪砂とを含む流動層２が形成されている。炉壁２２には給塵機２３が設けられている。風箱２１には、配管２７を介して、一次空気調節手段４および一次空気送風手段３が連結されており、分散板２０を介して流動層２に一次空気ａ１が供給される。流動層２は、一次空気ａ１によって流動化されている。また、一次空気ａ１は、焼却物の燃焼用空気としても使用される。
流動層２上空の燃焼室（フリーボード）５は，流動層２から出た未燃分を多く含む燃焼ガスを完全燃焼させる空間であり、燃焼室５横の炉壁２２には完全燃焼に使用される二次空気を送り込むための送風口２４が設けられている。送風口２４には、配管２８を介して二次空気調節手段７および二次空気送風手段６が連結されている。
さらに排気口手前には廃熱ボイラ２９が設けられている。
【００１８】
図１において、燃焼室５横の炉壁２２には、孔２５が設けられており、該孔２５の外部には、孔２５から燃焼室に向けて音波を入射する音波を発振する振動子８ａを備えた音波発振手段８と、燃焼室５を通過し、対向する炉壁面２２ａで反射した音波を受信するマイクロホン９ａを備えた音波受信手段９が設けられている。さらに、音波発振・受信手段８、９は演算・制御手段１０に連結されている。
【００１９】
演算・制御手段１０は、音波発振・受信手段８、９からの情報に基づいて、音波が燃焼室５を伝播するのに要した時間を演算し、その伝搬時間に基づいて、一次空気調整手段１８および二次空気調整手段１９を制御し、一次空気ａ１の量、および、二次空気ａ２の量を調節する。
【００２０】
図２に示されるように、音波発振手段８で作られる信号は、音波を周期的に発生するものである。この音波は所定経路を経て音波受信手段９で受信されるので、発信音と受信音とで、位相遅れ（τ）が生じる。演算・制御手段１０は、この位相遅れ（τ）を検出する。
【００２１】
音波の伝播速度（Ａ）は、次式（１）式に示すように、ガスの組成に依存する比熱比（κ）と、ガス定数（Ｒ）、およびガスの絶対温度（Ｔ）に比例する。
Ａ＝√（κＲＴ）              ・・・（１）
比熱比（κ）とガス定数（Ｒ）の変化の割合は極小さいことから、炉内の音波の伝播速度（Ａ）は、燃焼ガスの温度（Ｔ）に比例する。
したがって、燃焼ガスの燃焼量が大きいときは炉内の温度が高く、音波の伝播速度が速くなり、伝播時間が短くなるということがいえる。その逆に、燃焼量が小さいと温度が低く伝播速度が小さく伝播時間が長くなる。すなわち、炉内の音波の伝播時間は、炉内の燃焼量（温度）に比例する。よって、ある速度の音波が炉内の所定経路を通過することによって生じる位相遅れ（τ）〔時間〕の変化をを、燃焼量の変化として認識することができる。
【００２２】
図３において、数値Ａ、Ｂ、Ｃは、Ａ＞Ｂ＞Ｃで、τ＞Ａでは燃焼量が小さく、Ａ≧τ＞Ｂでは燃焼量が適正、Ｂ≧τ＞Ｃでは燃焼量が大きく、τ≦Ｃで過剰に燃焼していることを示している。
演算・制御手段１０は、演算された位相遅れ（τ）の値に基づいて、τ＞Ａであれば、燃焼量が小さいので、二次空気量を減らし、Ａ≧τ＞Ｂでは適正燃焼なので現状を維持し、Ｂ≧τ＞Ｃでは燃焼量が大きいので、二次空気量を増加させる。τ≦Ｃでは過剰に燃焼しており、二次空気量の制御だけで完全燃焼させることができないので、一次空気量を減少させて、流動層２での燃焼を低下させ、緩慢な燃焼を行うようにする。このように、燃焼ガス中の酸素濃度をー定にする。その結果、燃焼室５内では常に最適な空気比の下で燃焼が行われるため、ダイオキシンやー酸化炭素の排出を低減することができる。
【００２３】
図４は、演算・制御手段１０によって制御された炉内の、燃焼ガス温度、超音波伝播時間、二次空気量、燃焼ガス酸素の、経時的変化を模式的に示したものである。
超音波伝播時間が長いときは燃焼ガスの温度が低く、燃焼量が小さいので二次空気量を減らす。音波の伝播時間が短い場合は燃焼ガスの温度が高く燃焼量が大きいので二次空気量を増加させる。
音波の伝播時間は非常に高速であり、瞬時に燃焼量を検知することができるため、二次空気量を調節するのにかかる応答時間は、極めて短時間であることがわかる。
【００２４】
このように、本発明では、音響式計測であり、ダストの影響を受けず、瞬時に空気量を調節できるため、図４の実線で示される燃焼ガス酸素濃度のように、ほぼ一定の値が保たれる。これに比し、本発明のような音響式の計測による制御を行わない場合の酸素濃度は、破線で示されるように、燃焼量が大きければ少なく、小さければ多くなるため、不完全燃焼がおきやすい。
また、光学式の計測では、明るさの感度が、輝点（局所的に温度の高い所）の遠近に左右されるのに対し、本発明の音響式の計測では、音波に速度変化があっても、伝播時間はその平均速度の結果として計測されるものであるので、音波の経路途上に温度勾配が生じていても、燃焼量は燃焼室内の平均量で検出される。したがって、正確に燃焼量の変化を検出することができ、空気量の調節を誤作動させることがない。
【００２５】
また、演算・制御手段１０において用いられる音波の周波数は、Ｓ／Ｎ比を向上させるために、ｌｋＨｚ以上の周波数を用いることが好ましい。ｌｋＨｚ以上の音波を用いることでノイズの影響を小さくすることができる。
さらに大型の炉では音波の出力が大きくなり騒音の問題が発生するため、２０ＫＨｚ以上の周波数を用いることが好ましい。周波数を２０ＫＨｚ以上にすると、人間の耳には聞こえないため騒音の問題をなくすことができる。
【００２６】
なお、本発明は、図１に示すような流動床式部市ごみ焼却炉に限られるものではなく、ストーカ−炉や回転式炉でも同様の効果が得られる。
また、音波の経路に関しても、図１に示すような、炉壁の一側面から発振し、対向する側面で反射する音を受信するものに限らない。
例えば、図５に示されるように、マイクロホン９ａを振動子８ａの反対側に設け、音波を透過型にしても良い。
【００２７】
【発明の効果】
以上のように請求項１及び２にかかる発明は、音波の伝搬速度が温度に比例することから、音波の伝搬時間を測定して燃焼室の燃焼量を検出するものであり、瞬時に測定でき、煙やダストなどに影響されずに、燃焼量を検出することができる。また、音波受信手段の感度は音波の伝播する経路でー定であるため、燃焼量は燃焼室内の平均量で検出されるので局所的な温度の上昇等による誤動作を防止することができる。
【００２８】
請求項１、２、３、４、５及び６にかかる発明では、音波の周波数を２０ｋHz以上としたので、ノイズの影響を受けにくくし、また、小さな音波出力でもＳ／Ｎ比を大きくすることができる。さらに、人間の耳には聞こえないため騒音の問題をなくすことができる。
【００２９】
請求項３、４及び５にかかる発明では、音波の伝搬時間の測定から検出された燃焼量に基づいて焼却炉内に供給する空気の量を調整するものであり、音波によって瞬時に検出された燃焼量の値に従い、燃焼量の変動に遅れることなく適正空気量に調整することができる。したがって、不完全燃焼による有害ガスの炉外への放出を抑えることができる。
【００３０】
請求項６にかかる発明では、焼却物および焼却物の上空に向けて空気を供給する構成の焼却炉に、焼却炉内の音波の伝搬時間を測定し燃焼量を検出するための音波発振器、音波受信機および演算手段を備え、さらに、焼却炉内に供給する空気の量を調整する調整手段を備えたものであり、瞬時に燃焼量を検出でき、燃焼量の変動に遅れること無く、適正空気量に調整できる。また、音波発振器および音波受信器は、ダストが付着したり、炉内に煙が発生したりしていても、これらに干渉されずに音波を発振し、受信することができる。さらに、炉内に局所的に燃焼量が大きく温度が高い所が発生していても、伝搬速度は炉内の平均として捕らえられるので、安定して正確な燃焼量の把握ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の焼却炉の一実施例の概略説明図である。
【図２】本発明の燃焼量検出方法の説明図である。
【図３】本発明の燃焼量検出方法の説明図である。
【図４】本発明の焼却炉の燃焼量検出方法による各要素の時経的変化を示した図である。
【図５】本発明の焼却炉の他の実施例の概略説明図である。
【符号の説明】
１  焼却炉
２  焼却物を含む流動層
３  一次空気送風手段
４  一次空気調節手段
５  燃焼室
６  二次空気送風手段
７  二次空気調節手段
８  音波発振手段
９  音波受信手段
１０  演算・制御手段
ａ１  一次空気
ａ２  二次空気
【図１】
0003723829.tif 000002
【図２】
0003723829.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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