(57)【要約】【課題】それぞれ性状の異なる汚泥を発生させる複数の下水処理場からの汚泥を同時に流動床式焼却炉に投入する場合における流動床式焼却炉のモデル予測制御を可能にする。【解決手段】流動床式焼却炉１０の制御方法であって、流動床式焼却炉１０の数学モデルを記憶するステップと、複数の下水処理場それぞれについて数学モデルに含まれるモデル定数の第１の値を記憶するステップと、２つ以上の下水処理場からの汚泥を流動床式焼却炉１０に同時に投入する場合、２つ以上の下水処理場にそれぞれ対応する２つ以上の第１の値に基づき決定される第２の値をモデル定数とした数学モデルを用いて、流動床式焼却炉１０のモデル予測制御を行うステップと、を含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
砂層部およびフリーボード部を有する流動床式焼却炉の制御方法であって、
前記流動床式焼却炉の数学モデルを記憶するステップと、
それぞれ性状の異なる汚泥を発生させる複数の下水処理場それぞれについて前記数学モデルに含まれるモデル定数の第１の値を記憶するステップと、
前記複数の下水処理場のうち２つ以上の下水処理場からの汚泥を前記流動床式焼却炉に同時に投入する場合、前記２つ以上の下水処理場にそれぞれ対応する２つ以上の前記第１の値に基づき決定される第２の値を前記モデル定数とした前記数学モデルを用いて、前記流動床式焼却炉のモデル予測制御を行うステップと、
を含む、流動床式焼却炉の制御方法。
【請求項２】
請求項１に記載の流動床式焼却炉の制御方法であって、
前記モデル定数は、前記数学モデルに含まれるゲイン定数および時定数の少なくとも一方を含む、流動床式焼却炉の制御方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の流動床式焼却炉の制御方法であって、
前記モデル定数の前記第２の値は、前記２つ以上の下水処理場にそれぞれ対応する前記２つ以上の第１の値と、前記２つ以上の下水処理場それぞれからの汚泥の流量と、に基づいて決定される、流動床式焼却炉の制御方法。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れか一項に記載の流動床式焼却炉の制御方法であって、
前記数学モデルは、前記流動床式焼却炉に供給される燃料の流量および前記流動床式焼却炉に供給される空気の風量の少なくとも一方を操作量として含み、前記砂層部の温度、前記フリーボード部の温度、および前記流動床式焼却炉からの排ガスの酸素濃度のうち少なくとも２つを制御量として含む、流動床式焼却炉の制御方法。
【請求項５】
砂層部およびフリーボード部を有する流動床式焼却炉の制御装置であって、
前記流動床式焼却炉の数学モデルと、それぞれ性状の異なる汚泥を発生させる複数の下水処理場それぞれについて前記数学モデルに含まれるモデル定数の第１の値と、を記憶する記憶部と、
前記複数の下水処理場のうち２つ以上の下水処理場からの汚泥を前記流動床式焼却炉に同時に投入する場合、前記２つ以上の下水処理場にそれぞれ対応する２つ以上の前記第１の値に基づき決定される第２の値を前記モデル定数とした前記数学モデルを用いて、前記流動床式焼却炉のモデル予測制御を行う制御部と、
を備える、流動床式焼却炉の制御装置。
【請求項６】
砂層部およびフリーボード部を有する流動床式焼却炉の制御装置に、
前記流動床式焼却炉の数学モデルを記憶するステップと、
それぞれ性状の異なる汚泥を発生させる複数の下水処理場それぞれについて前記数学モデルに含まれるモデル定数の第１の値を記憶するステップと、
前記複数の下水処理場のうち２つ以上の下水処理場からの汚泥を前記流動床式焼却炉に同時に投入する場合、前記２つ以上の下水処理場にそれぞれ対応する２つ以上の前記第１の値に基づき決定される第２の値を前記モデル定数とした前記数学モデルを用いて、前記流動床式焼却炉のモデル予測制御を行うステップと、
を実行させる、プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流動床式焼却炉の制御方法、制御装置、および制御装置のプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、下水処理場から発生する汚泥を流動床式焼却炉にて処理することが広く知られている。例えば特許文献１には、砂層部とフリーボード部とを有する流動床式焼却炉のモデル予測制御を行う技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第５２７７０３６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来技術において、流動床式焼却炉の数学モデルを用いてモデル予測制御が行われる。当該数学モデルは、例えば性状が既知である汚泥を発生させる下水処理場からの当該汚泥を流動床式焼却炉に投入する場合を想定してモデリングされる。このため、従来技術では、例えばそれぞれ性状の異なる汚泥を発生させる複数の下水処理場からの汚泥を同時に流動床式焼却炉に投入する場合に対応できなかった。
【０００５】
かかる事情に鑑みてなされた本発明の目的は、それぞれ性状の異なる汚泥を発生させる複数の下水処理場からの汚泥を同時に流動床式焼却炉に投入する場合における流動床式焼却炉のモデル予測制御を可能にする、流動床式焼却炉の制御方法、制御装置、および制御装置のプログラムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一実施形態に係る流動床式焼却炉の制御方法は、
砂層部およびフリーボード部を有する流動床式焼却炉の制御方法であって、
前記流動床式焼却炉の数学モデルを記憶するステップと、
それぞれ性状の異なる汚泥を発生させる複数の下水処理場それぞれについて前記数学モデルに含まれるモデル定数の第１の値を記憶するステップと、
前記複数の下水処理場のうち２つ以上の下水処理場からの汚泥を前記流動床式焼却炉に同時に投入する場合、前記２つ以上の下水処理場にそれぞれ対応する２つ以上の前記第１の値に基づき決定される第２の値を前記モデル定数とした前記数学モデルを用いて、前記流動床式焼却炉のモデル予測制御を行うステップと、を含む。
【０００７】
本発明の一実施形態に係る制御装置は、
砂層部およびフリーボード部を有する流動床式焼却炉の制御装置であって、
前記流動床式焼却炉の数学モデルと、それぞれ性状の異なる汚泥を発生させる複数の下水処理場それぞれについて前記数学モデルに含まれるモデル定数の第１の値と、を記憶する記憶部と、
前記複数の下水処理場のうち２つ以上の下水処理場からの汚泥を前記流動床式焼却炉に同時に投入する場合、前記２つ以上の下水処理場にそれぞれ対応する２つ以上の前記第１の値に基づき決定される第２の値を前記モデル定数とした前記数学モデルを用いて、前記流動床式焼却炉のモデル予測制御を行う制御部と、を備える。
【０００８】
本発明の一実施形態に係るプログラムは、
砂層部およびフリーボード部を有する流動床式焼却炉の制御装置に、
前記流動床式焼却炉の数学モデルを記憶するステップと、
それぞれ性状の異なる汚泥を発生させる複数の下水処理場それぞれについて前記数学モデルに含まれるモデル定数の第１の値を記憶するステップと、
前記複数の下水処理場のうち２つ以上の下水処理場からの汚泥を前記流動床式焼却炉に同時に投入する場合、前記２つ以上の下水処理場にそれぞれ対応する２つ以上の前記第１の値に基づき決定される第２の値を前記モデル定数とした前記数学モデルを用いて、前記流動床式焼却炉のモデル予測制御を行うステップと、を実行させる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の一実施形態に係る流動床式焼却炉の制御方法、制御装置、および制御装置のプログラムによれば、それぞれ性状の異なる汚泥を発生させる複数の下水処理場からの汚泥を同時に流動床式焼却炉に投入する場合における流動床式焼却炉のモデル予測制御が可能になり、運転操作および監視負担の軽減、ならびに燃料使用量の低減を実現することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態に係る汚泥焼却システムの概略構成を示す図である。
【図２】制御装置の動作を示すフローチャートである。
【図３】比較例における制御量および燃料使用量の時間変化を示すグラフである。
【図４】一実施形態における制御量および燃料使用量の時間変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態について説明する。
【００１２】
図１を参照して、本発明の一実施形態に係る汚泥焼却システム１について説明する。汚泥焼却システム１は、流動床式焼却炉１０と、第１流量指示調節計（ＦＩＣ；Flow Indication Controller）２１と、第２流量指示調節計２２と、制御装置３０と、を備える。
【００１３】
流動床式焼却炉１０は、例えば中空の略円柱形状である。流動床式焼却炉１０は、内部に砂層部１１およびフリーボード部１２を有する流動床式の焼却炉である。
【００１４】
砂層部１１には、燃料４０が、第１バルブ４１および第１流量センサ４２を介して供給される。第１バルブ４１の開度に応じて、砂層部１１に供給される燃料４０の流量（燃料流量）が変化する。第１流量センサ４２は、砂層部１１に供給される燃料流量を測定する。また、砂層部１１には、流動空気５０が、第２バルブ５１、ブロワ５３、および第２流量センサ５２を介して供給される。第２バルブ５１の開度またはブロワ５３の回転数に応じて、砂層部１１に供給される流動空気５０の流量（流動空気流量）が変化する。第２流量センサ５２は、砂層部１１に供給される流動空気流量を測定する。また、砂層部１１には、第１温度センサ６１が設けられる。第１温度センサ６１は、砂層部１１内の温度（砂層温度）を測定し、制御装置３０に入力する。
【００１５】
フリーボード部１２には、複数の下水処理場それぞれからの汚泥７０が、第３流量センサ７１を介して投入可能である。図１に示す例では、２つの下水処理場それぞれから汚泥７０が投入されているが、３つ以上の下水処理場それぞれから汚泥７０が投入されてもよい。第３流量センサ７１は、下水処理場毎に、フリーボード部１２に投入される汚泥７０の流量（汚泥投入量）を測定し、制御装置３０に入力する。フリーボード部１２に投入された汚泥７０は、砂層部１１へ燃料４０および流動空気５０によって燃焼する。汚泥７０の燃焼によって発生したガスは、排ガスとして炉外に排出される。また、フリーボード部１２には、第２温度センサ６２および酸素濃度センサ６３が設けられる。第２温度センサ６２は、フリーボード部１２内の温度（フリーボード温度）を測定し、制御装置３０に入力する。酸素濃度センサ６３は、排ガスの酸素濃度を測定し、制御装置３０に入力する。
【００１６】
第１流量指示調節計２１には、第１流量センサ４２から燃料流量の測定値が入力され、制御装置３０から燃料流量の目標値が入力される。当該目標値の詳細については後述する。第１流量指示調節計２１は、砂層部１１に供給される燃料流量が目標値に近づくように、第１バルブ４１の開度をフィードバック制御する。
【００１７】
第２流量指示調節計２２には、第２流量センサ５２から流動空気流量の測定値が入力され、制御装置３０から流動空気流量の目標値が入力される。当該目標値の詳細については後述する。第２流量指示調節計２２は、砂層部１１に供給される流動空気流量が目標値に近づくように、第２バルブ５１の開度またはブロワ５３の回転数をフィードバック制御する。
【００１８】
制御装置３０は、通信部３１と、記憶部３２と、制御部３３と、を備える。通信部３１は、情報の入出力を行う任意の通信インタフェースを含む。
【００１９】
記憶部３２は、１つ以上のメモリを含む。記憶部３２は、後述するように制御部３３によって実行される流動床式焼却炉１０のモデル予測制御に用いられる任意の情報を記憶する。例えば、記憶部３２は、モデル予測制御に用いられる流動床式焼却炉１０の数学モデルと、それぞれ性状の異なる汚泥を発生させる複数の下水処理場それぞれについて当該数学モデルに含まれるモデル定数（パラメータ）の第１の値と、を予め記憶する。
【００２０】
流動床式焼却炉１０の数学モデルは、任意に決定可能である。例えば、当該数学モデルは、流動床式焼却炉１０に供給される燃料流量および流動空気風量の少なくとも一方を操作量として含んでもよい。当該数学モデルは、砂層温度、フリーボード温度、および排ガスの酸素濃度のうち少なくとも２つを制御量として含んでもよい。当該数学モデルは、炉への汚泥投入量を外乱として含んでもよい。また例えば、当該数学モデルに含まれるモデル定数は、ゲイン定数および時定数の少なくとも一方を含んでもよい。
【００２１】
モデル定数の第１の値は、対応する下水処理場から投入される汚泥の性状に応じて異なり得る。本実施形態において、汚泥の性状は、含水率、可燃分率、可燃分組成、および発熱量等を含む。各下水処理場で発生する汚泥の性状は、例えば事前の分析によって既知である。モデル定数の第１の値は、任意の手法で決定可能である。例えば、モデル定数の第１の値は、対応する１つの下水処理場からの汚泥の性状と、当該１つの下水処理場からの汚泥のみを流動床式焼却炉１０に投入して燃焼させる場合（即ち、汚泥の専焼を行う場合）におけるステップ応答試験の結果に基づき決定されてもよい。
【００２２】
また、流動床式焼却炉１０の数学モデルは、空気比の制約条件を含んでもよい。空気比は、空気中の酸素濃度と排ガスの酸素濃度との差に対する、空気中の酸素濃度の割合で示される。空気比の制約条件は、例えば、空気比が、所定の下限値および上限値で示される範囲内に収まるとの条件を含む。当該制約条件によれば、モデル予測制御による流動床式焼却炉１０の運転中、発生する排ガスの酸素濃度に基づく空気比が、当該範囲内に収まるように制御される。
【００２３】
制御部３３は、１つ以上のプロセッサを含む。制御部３３は、上述した数学モデルを用いて、流動床式焼却炉１０のモデル予測制御を行う。詳細には、制御部３３は、制御量（本実施形態では、砂層温度、フリーボード温度、および排ガスの酸素濃度のそれぞれ）の測定値が所定の目標値に近づくように、操作量（本実施形態では、燃料流量および流動空気流量のそれぞれ）の目標値を逐次決定する。制御部３３は、燃料流量の目標値を第１流量指示調節計２１に入力し、流動空気流量の目標値を第２流量指示調節計２２に入力する。上述したように、燃料流量の測定値が目標値に近づくように、第１流量指示調節計２１によって第１バルブ４１の開度がフィードバック制御される。また、流動空気流量の測定値が目標値に近づくように、第２流量指示調節計２２によって第２バルブ５１の開度がフィードバック制御される。
【００２４】
ここで、１つの下水処理場からの汚泥を流動床式焼却炉１０に投入する場合（即ち、汚泥の専焼を行う場合）と、２つ以上の下水処理場からの汚泥を流動床式焼却炉１０に投入する場合（即ち、汚泥の混焼を行う場合）とで、モデル予測制御を行う制御部３３の動作の細部が異なる。以下、具体的に説明する。
【００２５】
まず、１つの下水処理場からの汚泥を流動床式焼却炉１０に投入する場合について説明する。かかる場合、制御部３３は、上述した数学モデルに含まれるモデル定数の、当該１つの下水処理場に対応する第１の値を記憶部３２から読み出す。制御部３３は、読み出した第１の値をモデル定数とした数学モデル（即ち、モデル定数に第１の値が代入された数学モデル）を用いて、モデル予測制御を行う。
【００２６】
次に、２つ以上の下水処理場からの汚泥を流動床式焼却炉１０に同時に投入する場合について説明する。かかる場合、制御部３３は、上述した数学モデルに含まれるモデル定数の、当該２つ以上の下水処理場にそれぞれに対応する２つ以上の第１の値を記憶部３２から読み出す。制御部３３は、読み出した２つ以上の第１の値に基づいて、当該モデル定数の第２の値を決定する。制御部３３は、決定した第２の値をモデル定数とした数学モデル（即ち、モデル定数に第２の値が代入された数学モデル）を用いて、モデル予測制御を行う。
【００２７】
ここで、モデル定数の第２の値は、２つ以上の下水処理場にそれぞれ対応する２つ以上の第１の値に基づいて、任意の手法で決定可能である。例えば、第２の値は、当該２つ以上の第１の値と、当該２つ以上の下水処理場それぞれからの炉への汚泥投入量と、に基づいて決定されてもよい。より具体的には、第２の値Ｐは、ｎ個目の下水処理場に対応する第１の値Ｐｎおよび汚泥投入量Ｌｎを用いて、次式で示されてもよい。
【数１】
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【００２８】
図２のフローチャートを参照して、上述した制御装置３０の動作のフローについて説明する。
【００２９】
ステップＳ１００：記憶部３２は、流動床式焼却炉１０の数学モデルを記憶する。
【００３０】
ステップＳ１０１：記憶部３２は、それぞれ性状の異なる汚泥を発生させる複数の下水処理場それぞれについて、ステップＳ１００の数学モデルに含まれるモデル定数の第１の値を記憶する。
【００３１】
ステップＳ１０２：制御部３３は、汚泥の混焼および専焼の何れを行うかを決定する。例えば、制御部３３は、流動床式焼却炉１０に汚泥を投入する２つ以上の下水処理場が作業者によって選択された場合、汚泥の混焼を行うと決定し（ステップＳ１０２−Ｙｅｓ）、プロセスはステップＳ１０３に進む。一方、制御部３３は、流動床式焼却炉１０に汚泥を投入する１つの下水処理場が作業者によって選択された場合、汚泥の専焼を行うと決定し（ステップＳ１０２−Ｎｏ）、プロセスはステップＳ１０６に進む。
【００３２】
ステップＳ１０３：ステップＳ１０２で汚泥の混焼を行うと決定した場合（ステップＳ１０２−Ｙｅｓ）、制御部３３は、ステップＳ１０２の２つ以上の下水処理場にそれぞれ対応する２つ以上の第１の値を記憶部３２から読み出す。
【００３３】
ステップＳ１０４：制御部３３は、ステップＳ１０３の２つ以上の第１の値に基づいて、第２の値を決定する。
【００３４】
ステップＳ１０５：制御部３３は、ステップＳ１０１のモデル定数に、ステップＳ１０４の第２の値を代入する。その後、プロセスはステップＳ１０８に進む。
【００３５】
ステップＳ１０６：ステップＳ１０２で汚泥の専焼を行うと決定した場合（ステップＳ１０２−Ｎｏ）、制御部３３は、ステップＳ１０２の１つの下水処理場に対応する第１の値を記憶部３２から読み出す。
【００３６】
ステップＳ１０７：制御部３３は、ステップＳ１０１のモデル定数に、ステップＳ１０６の第１の値を代入する。
【００３７】
ステップＳ１０８：制御部３３は、ステップＳ１０５またはステップＳ１０７で値が代入されたモデル定数を含む数学モデルを用いて、流動床式焼却炉１０のモデル予測制御を行う。
【００３８】
以上述べたように、本実施形態に係る制御装置３０は、流動床式焼却炉１０の数学モデルと、それぞれ性状の異なる汚泥を発生させる複数の下水処理場それぞれについて数学モデルに含まれるモデル定数の第１の値と、を記憶する。１つの下水処理場からの汚泥を流動床式焼却炉１０に投入する場合（即ち、汚泥の専焼を行う場合）、制御装置３０は、当該１つの下水処理場に対応する第１の値をモデル定数とした数学モデルを用いてモデル予測制御を行う。一方、２つ以上の下水処理場からの汚泥を流動床式焼却炉１０に同時に投入する場合（即ち、汚泥の混焼を行う場合）、制御装置３０は、当該２つ以上の下水処理場にそれぞれ対応する２つ以上の第１の値に基づき決定される第２の値をモデル定数とした数学モデルを用いてモデル予測制御を行う。
【００３９】
かかる構成によれば、例えば汚泥の専焼を想定して事前に決定された第１の値をそのまま混焼時にも用いる構成と比較して、モデル予測制御の精度が向上する。このため、それぞれ性状の異なる汚泥を発生させる複数の下水処理場からの汚泥を同時に流動床式焼却炉１０に投入する場合であっても、流動床式焼却炉１０のモデル予測制御が可能となる。
【００４０】
例えば、図３は、汚泥の専焼を想定して事前に決定された第１の値をそのまま混焼時にも用いた比較例における、混焼時の制御量（砂層温度、フリーボード温度、および排ガスの酸素濃度）および燃料使用量の時間変化を示すグラフである。一方、図４は、上述した本実施形態における、混焼時の制御量および燃料使用量の時間変化を示すグラフである。図３および図４の比較から明らかなように、本実施形態によれば、適正な流動空気および燃料の供給により、制御量であるフリーボード温度および酸素濃度の安定性および制御追従性が向上する。また、制御量である砂層温度の上昇を抑制することができる。
【００４１】
また、本実施形態によれば、汚泥を混焼させる場合であってもモデル予測制御が可能であるため、流動床式焼却炉１０に投入される汚泥の性状に応じて変化する炉内状況に対して、制御追従性が向上し、流動床式焼却炉１０の運転の安全性が向上し、作業員の操作介入数の削減が可能である。また、流動床式焼却炉１０に投入される汚泥投入量の安定化および流動空気量の低減化によって、燃料使用量の削減が可能である。
【００４２】
本発明を諸図面および実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形または修正を行うことが容易であることに注意されたい。したがって、これらの変形または修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各手段または各ステップ等に含まれる機能等は論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の手段やステップ等を１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。
【００４３】
例えば、上述した実施形態に係る流動床式焼却炉１０は、流動床以外の任意の炉形式であってもよい。かかる場合、流動床式焼却炉１０の数学モデルは、炉形式に応じて任意に決定可能である。
【００４４】
また、上述した実施形態では、流動床式焼却炉１０の焼却対象が汚泥である例について説明した。しかしながら、流動床式焼却炉１０の焼却対象は汚泥に限られず、例えば、し渣類または沈砂等を含んでもよい。
【００４５】
また、上述した実施形態に係る制御装置３０として機能させるために、例えばコンピュータ等の情報処理装置を好適に用いることができる。このような情報処理装置は、実施形態に係る制御装置３０の各機能を実現する処理内容を記述したプログラムを、情報処理装置のメモリに格納し、情報処理装置のプロセッサによって当該プログラムを読み出して実行させることによって実現可能である。
【符号の説明】
【００４６】
１    汚泥焼却システム
１０    流動床式焼却炉
１１    砂層部
１２    フリーボード部
２１    第１流量指示調節計
２２    第２流量指示調節計
３０    制御装置
３１    通信部
３２    記憶部
３３    制御部
４０    燃料
４１    第１バルブ
４２    第１流量センサ
５０    流動空気
５１    第２バルブ
５２    第２流量センサ
６１    第１温度センサ
６２    第２温度センサ
６３    酸素濃度センサ
７０    汚泥
７１    第３流量センサ
【図１】
2019138558.tif 000004
【図２】
2019138558.tif 000005
【図３】
2019138558.tif 000006
【図４】
2019138558.tif 000007