(57)【要約】【課題】燃料性状および灰性状の変動を自動制御し、灰溶融炉を安定的に運転することができる灰溶融装置およびその制御方法を提供する。【解決手段】燃料性状および灰性状を示す情報の入力を受け付ける手段２２１と、灰溶融炉１００に供給される物質の供給量を計算する第１の計算手段２２２と、上記供給量に基づいて生ずるであろう灰溶融炉の運転状態を示す指標値を予測計算する第２の計算手段２２３と、上記灰溶融炉の運転状態を計測する計測手段２２４と、上記第２の計算手段により計算された指標値と、上記計測手段により計測された計測結果とを比較する比較手段２２５とを有し、上記比較手段は、比較の結果に基づいて、前記第１の計算手段に再計算させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
灰を溶融してスラグを製造する灰溶融装置において、
灰を溶融する灰溶融炉と、スラグを回収するスラグ回収装置と、灰溶融炉を制御する制御装置とを有し、
上記制御装置は、燃料性状を示す情報の入力を受け付ける第１の入力受け付け手段と、
灰性状を示す情報の入力を受け付ける第２の入力受け付け手段と、
上記燃料性状を示す情報、および、上記灰性状を示す情報を使用して、上記灰溶融炉に供給される物質の供給量を計算する第１の計算手段と、
上記供給量に基づいて生ずるであろう灰溶融炉の運転状態を示す１種以上の指標値を予測計算する第２の計算手段と、
上記灰溶融炉の運転状態を計測する計測手段と、
上記第２の計算手段により計算された１種以上の指標値と、上記計測手段により計測された計測結果とを比較する比較手段とを有し、
上記比較手段は、比較の結果に基づいて、前記第１の計算手段に、上記灰溶融炉を目的の運転状態とする供給量を求めるための再計算を行わせること
を特徴とする灰溶融装置。
【請求項２】
請求項１記載の灰溶融装置において、
上記第１の入力受け付け手段、および、上記第２の入力受け付け手段は、外部からネットワークを介して受け付ける機能を有すること
を特徴とする灰溶融装置。
【請求項３】
請求項１記載の灰溶融装置において、
上記第１の計算手段により計算される物質の供給量は、燃料投入量、燃焼空気量、酸素富化量、灰投入量、灰融点降下剤量であること
を特徴とする灰溶融装置。
【請求項４】
請求項１に記載の灰溶融装置において、
上記スラグ回収装置は、回収されるべきスラグの複数の仕様に対応して、複数設けられ、
上記制御装置は、スラグの仕様を示す情報の入力を受け付ける第３の入力受け付け手段と、上記受け付けられたスラグの仕様に対応したスラグ回収装置を選択する手段とを有すること、
を特徴とした灰溶融装置。
【請求項５】
灰を溶融してスラグを製造する灰溶融炉について制御するための制御装置において、
燃料性状を示す情報の入力を受け付ける第１の入力受け付け手段と、
灰性状を示す情報の入力を受け付ける第２の入力受け付け手段と、
上記燃料性状を示す情報、および、上記灰性状を示す情報を使用して、上記灰溶融炉に供給される物質の供給量を計算する第１の計算手段と、
上記供給量に基づいて生ずるであろう灰溶融炉の運転状態を示す１種以上の指標値を予測計算する第２の計算手段と、
上記灰溶融炉に設けられたセンサの出力に基づいて、上記灰溶融炉の運転状態を計測する計測手段と、
上記第２の計算手段により計算された１種以上の指標値と、上記計測手段により計測された計測結果とを比較する比較手段とを有し、
上記比較手段は、比較の結果に基づいて、前記第１の計算手段に、上記灰溶融炉が目的の運転状態により運転される供給量とするための再計算を行わせること
を特徴とする灰溶融炉の制御装置。
【請求項６】
灰を溶融してスラグを製造する灰溶融炉について制御するための制御装置において、
燃料性状を示す情報の入力を受け付ける第１の入力受け付け手段と、
灰性状を示す情報の入力を受け付ける第２の入力受け付け手段と、
スラグの仕様を示す情報の入力を受け付ける第３の入力受け付け手段と、
上記灰溶融炉に設けられた複数のスラグ回収装置を選択する選択手段と、
上記燃料性状を示す情報、および、上記灰性状を示す情報を使用して、上記灰溶融炉に供給される物質の供給量を計算する第１の計算手段と、
上記供給量に基づいて生ずるであろう灰溶融炉の運転状態を示す１種以上の指標値を予測計算する第２の計算手段と、
上記灰溶融炉に設けられたセンサに基づいて、上記灰溶融炉の運転状態を計測する計測手段と、
上記第２の計算手段により計算された１種以上の指標値と、上記計測手段により計測された計測結果とを比較する比較手段とを有し、
上記比較手段は、比較の結果に基づいて、前記第１の計算手段に、上記灰溶融炉が目的の運転状態により運転される供給量とするための再計算を行わせ、
上記選択手段は、上記受け付けられたスラグの仕様に対応したスラグ回収装置を選択し、選択結果の情報を出力すること
を特徴とする灰溶融炉の制御装置。
【請求項７】
灰を溶融してスラグを製造する灰溶融炉の制御方法において、
燃料性状を示す情報の入力を受け付けるステップと、
灰性状を示す情報の入力を受け付けるステップと、
上記燃料性状を示す情報、および、上記灰性状を示す情報を使用して上記灰溶融炉に供給される物質の供給量を計算するステップと、
上記供給量に基づいて生ずるであろう灰溶融炉の運転状態を示す１種以上の指標値を予測計算するステップと、
上記灰溶融炉の運転状態を計測するステップと、
上記指標値を予測計算するステップにより計算された１種以上の指標値と、上記運転状態を計測するステップにより計測された計測結果とを比較するステップと、
上記比較ステップで比較した結果に基づいて、上記灰溶融炉が目的の運転状態により運転される供給量とするための供給量を再計算するステップとを、情報処理装置により実行すること、
を特徴とする灰溶融炉の制御方法。
【請求項８】
請求項５に記載の灰溶融炉の制御方法において、
スラグの仕様を示す情報の入力を受け付けるステップと、
上記スラグの仕様に応じてスラグ回収装置を選択するステップとを、情報処理装置により実行すること、
を特徴とした灰溶融炉の制御方法。
【請求項９】
灰を溶融してスラグを製造する灰溶融炉の制御を行うための情報処理装置に、
燃料性状を示す情報の入力を受け付けるステップと、
灰性状を示す情報の入力を受け付けるステップと、
上記燃料性状を示す情報、および、上記灰性状を示す情報を使用して上記灰溶融炉に供給される物質の供給量を計算するステップと、
上記供給量に基づいて生ずるであろう灰溶融炉の運転状態を示す１種以上の指標値を予測計算するステップと、
上記灰溶融炉の運転状態を計測するステップと、
上記指標値を予測計算するステップにより計算された１種以上の指標値と、上記運転状態を計測するステップにより計測された計測結果とを比較するステップと、
上記比較ステップで比較した結果に基づいて、上記灰溶融炉が目的の運転状態により運転される供給量とするための供給量を再計算するステップとを、実行させるためのプログラム。
【請求項１０】
請求項５に記載のプログラムにおいて、
上記情報処理装置に、スラグの仕様を示す情報の入力を受け付けるステップと、上記スラグの仕様に応じてスラグ回収装置を選択し、選択結果を出力するステップとを、実行させるためのプログラム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は石炭火力発電所から排出される石炭灰の溶融処理に係り、特に灰溶融炉の制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
石炭は、世界中に豊富な埋蔵量を有することから、他の化石燃料に比べて経済性に優れている。このため拡大する電力需要を賄うため、石炭火力発電所の増設が予想される。
【０００３】
このような石炭は、石炭自体の中に１０〜２０％の灰分を含有し、そのため、石炭を燃焼すると燃え残りとして石炭灰が排出される。例えば、日本国内の石炭火力発電所だけでも約５７０万トン／年の石炭灰が排出されている。このうち約４４０万トン／年の石炭灰は、セメント材料等に再利用され、再利用されない残り約１３０万トン／年の石炭灰は、埋め立て処分されている。（例えば非特許文献１参照。）
排出された石炭灰は、重金属を溶出するため、管理型産業廃棄物に指定されている。このため、石炭灰を埋め立て処分する場合の処分費用は、１トン当たり数千〜１万円程度であり、年々増加する傾向にある。また、処分場用地の確保が困難であり、環境負荷の増大などの埋め立て処分にかかわるさまざまな問題がある。
【０００４】
そこで石炭灰の中の重金属を封印し、かつ石炭灰を減容する処理の手段として、石炭灰を溶融してスラグとして回収する方法が提案されている。また、回収したスラグを再利用する方法の提案も求められている。
【０００５】
例えば鉄鋼業界では、高炉スラグをコンクリート骨材や石材、繊維材料（ロックウール）などに再利用している（例えば非特許文献２参照。）。一方、石炭灰を溶融し、石材や繊維材料を作った研究例もある（例えば非特許文献３参照。）。
【０００６】
しかしながら石炭灰は、高炉スラグや廃棄物焼却灰に比べて融点が高く、石炭灰を溶融してスラグにするには、融点を下げる必要がある。石炭灰の融点を低減する方法については、研究例がある（例えば非特許文献４参照。）。
【非特許文献１】
（財）石炭利用総合センター発行「ＣＣＴ  Ｊｏｕｒｎａｌ」２００２年７月、ｐ．８−１５
【非特許文献２】
桜谷敏和著「循環型社会に貢献する鉄鋼スラグの再資源化技術」川崎製鉄技報２０００年４月、Ｖｏｌ．３２、ＮＯ．４、ｐ．４３−５０
【非特許文献３】
渡辺恭史著「石炭灰等火力発電所廃棄物の溶融妻子原価技術の開発」、火力原子力発電１９９５年２月、Ｖｏｌ．４６、ＮＯ．２、ｐ．１７０−１７５
【非特許文献４】
Ｈ．Ｊ．Ｈｕｒｓｔ著「Ｅｎｅｒｇｙ  ＆  Ｆｕｅｌｓ」１９９６年１０月、ｐ．１２１５−１２１９
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
今後も、石炭火力発電を利用し電力を供給していくためには、現在、埋め立て処分されている石炭灰を、有価物として回収する技術の確立が求められている。そこで、石炭火力発電所から排出される石炭灰を溶融して、製品スラグとして回収する方法が考えられる。この方法として、石炭火力発電所に灰溶融炉を設置し、石炭火力発電所から排出される石炭灰を、連続的に溶融し、製品スラグとして回収することが考えられる。また、灰溶融炉の燃料には、石炭火力発電所で使用する化石燃料を用いることも考えられる。
【０００８】
このように有価物である製品スラグとして回収するためには、スラグの性状を市場の需要に合わせて製造し、付加価値を上げることが必要である。そのためには、灰溶融炉において、炉内の安定燃焼、および、その維持管理が必須となる。
【０００９】
しかしながら、日本の石炭火力発電所では、灰融点の高い石炭が用いられており、さらに石炭の銘柄も頻繁に変動する。灰融点の高い石炭の使用により、灰溶融炉の炉内温度を灰融点より高く維持しなければならない。また、使用する石炭の銘柄が変わることにより、燃料の性状も変動し、かつ、石炭灰の性状および融点も変動し、灰溶融炉の安定運転が困難であるという問題がある。
【００１０】
そこで本発明は、高融点灰の溶融、および、使用する石炭の銘柄の変動を考慮し、灰溶融炉を安定的に運転するための灰溶融装置およびその制御方法を提供することを課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明は、たとえば、灰を溶融してスラグを製造する灰溶融装置において、灰を溶融する灰溶融炉と、スラグを回収するスラグ回収装置と、灰溶融炉を制御する制御装置とを有し、上記制御装置は、燃料性状を示す情報の入力を受け付ける第１の入力受け付け手段と、灰性状を示す情報の入力を受け付ける第２の入力受け付け手段と、上記燃料性状を示す情報、および、上記灰性状を示す情報を使用して、上記灰溶融炉に供給される物質の供給量を計算する第１の計算手段と、上記供給量に基づいて生ずるであろう灰溶融炉の運転状態を示す１種以上の指標値を予測計算する第２の計算手段と、上記灰溶融炉の運転状態を計測する計測手段と、上記第２の計算手段により計算された１種以上の指標値と、上記計測手段により計測された計測結果とを比較する比較手段とを有し、上記比較手段は、比較の結果に基づいて、前記第１の計算手段に、上記灰溶融炉を目的の運転状態とする供給量を求めるための再計算を行わせることを特徴とする灰溶融装置を提供する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明の第１の実施例を説明する。
第１の実施例では、灰溶融装置とその制御方法について説明する。
【００１３】
図１は、灰溶融装置の制御方法を示した図である。
【００１４】
まず、図１の概要を説明する。灰溶融装置は、灰を溶融する灰溶融炉１００、灰溶融炉を制御する灰溶融炉制御装置２００、各種調整器、運転状態を監視する各種センサ、スラグを回収するスラグ回収装置３３０を有する。
【００１５】
灰溶融炉１００については、図２において説明する。灰溶融炉制御装置２００については、図１に記載している機能については後述し、ハードウェア構成については、図３において説明する。
【００１６】
各種調整器は、灰処理制御装置の機能のひとつである供給量計算手段２２２で計算された各物質の供給量を、灰溶融炉１００に供給するため装置である。具体的には、空気調整器１２１、１次空気調整器１２２、２次空気調整器１２３、燃料搬送空気調整器１２４、灰搬送空気調整器１２５、酸素調整器１２６などがある。
【００１７】
各種センサは、灰溶融炉１００の運転状態を監視するための装置である。これらのセンサが出力した情報をもとに、運転状態計測手段２２４は灰溶融炉１００の運転状態を計測する。センサには、スラグ流下監視装置１２７、温度計測装置１２８、排ガス分析装置１２９などがある。スラグ流下監視装置１２７は、スラグ流下量１８６、スラグ画像データ１８５などの情報を、運転状態計測手段２２４に出力する装置である。この情報は、スラグの安定流下を確認するために必要な情報である。温度計測装置１２８は、炉内温度１８７を、運転状態計測手段２２４に出力する装置である。排ガス分析装置１２９は、灰溶融炉１００から排出される排ガス１５７の排ガス組成１８８および排ガス温度１８９を、運転状態計測手段２２４に出力する装置である。
【００１８】
なお、これらのセンサは、運転状態の実測データを運転状態計測手段２２４に出力するたけでなく、実測データから推測されるデータについても、運転状態計測手段２２４に出力する場合がある。
【００１９】
スラグ回収装置３３０は、溶融したスラグを回収するための装置である。スラグ回収装置は、回収されるべきスラグの仕様に対応して選択される。
【００２０】
つぎに、図１に示す灰溶融炉１００の構成について、図２を参照し説明する。
【００２１】
灰溶融炉１００は、上部に排ガス１５７の抜き出し口１０１を有し、下部にスラグの抜き出し口１０２を有する円筒炉である。
【００２２】
また、灰溶融炉１００は、少なくとも、１次空気ノズル１０３、２次空気ノズル１０４、燃料ノズル１０５、酸素ノズル１０６、および灰ノズル１０７の５種類のノズルを有する。これらのノズルは、全て灰溶融炉１００に対して、接線方向に取り付けられている。
【００２３】
燃焼空気は、その大部分が１次空気１５２および２次空気１５３に分割され、１次空気ノズル１０３および２次空気ノズルから炉内１３０に噴出される。このとき、１次空気と２次空気が、接線方向に噴出された結果、炉内１３０では旋回流１５１が発生する。
【００２４】
１次空気および２次空気以外の残部分の燃焼空気は、燃料１６１および灰１６２を搬送するために使用される。燃料搬送空気１５４は、燃料ノズル１０５から、一方、灰搬送空気１５５は、灰ノズル１０７からそれぞれ、炉内１３０に噴出される。
【００２５】
燃料１６１は、燃料供給器１０８から供給される。燃料１６１に石炭などの固体を使用する場合は、先に述べた燃料搬送空気１５４を使用して、炉内１３０に燃料１６１が投入される。炉内１３０に投入された燃料１６１は、旋回流１５１を形成する１次空気１５２、および、２次空気１５３と混合し、スラグの抜き出し口１０２付近において燃焼する。  酸素１５６は、酸素ノズル１０６から炉内１３０に投入され、炉内１３０で燃料１６１と直接混合される。酸素１５６は、燃料１６１の燃焼促進、および、火炎温度の上昇を目的として投入される。
【００２６】
灰１６２は灰供給器１０９から供給され、灰搬送空気１５５により搬送される。灰融点を調整する場合には、灰供給器１０９に融点降下剤１６３を、灰１６２とともに投入し、灰１６２と混合する。
このようにして、炉内１３０に投入された灰１６２は、燃料１６１の燃焼で温度の上がった旋回流１５１に同伴されて旋回しながら溶融し、溶融スラグ１６５となる。この溶融スラグ１６５は、スラグの抜き出し口１０２から流下し、スラグの抜き出し口１０２の直下にあるスラグ回収装置３３０の冷却水１６４で冷却され、固形スラグ１６６として回収される。本実施例においては、スラグ回収装置３３０は、スラグを水砕スラグとして回収する装置としているが、これに限定されるものではない。
【００２７】
なお、図２で説明した灰溶融１００は一例であり、本発明はこれに限定されるものではない。
【００２８】
図３は、図１で示した灰溶融炉制御装置２００のハードウェア構成を示したものである。図中２０１はディスプレイ、プリンタ等の出力装置、２０２はキーボード、マウス等の入力装置、２０３は灰溶融炉制御を実行する中央処理装置、２０４は中央処理装置において処理するデータを記憶する記憶装置、２０５は外部システムとの通信管理を行う通信制御装置である。
【００２９】
なお、図３で説明した灰溶融炉制御装置２００のハードウェア構成は、一例であり、本発明はこれに限定されるものではない。
【００３０】
ここで、図１に戻り、灰溶融炉の制御方法について説明する。
【００３１】
灰溶融炉制御装置２００の機能としては、燃料性状および灰性状を示す情報の入力を受け付ける手段２２１、灰溶融炉１００へ投入する各物質の供給量を計算する供給量計算手段２２２、灰溶融炉１００の運転状態を示す指標値を予測計算する計算手段２２３、灰溶融炉１００の運転状態を計測する計測手段２２４、前記指標値と運転状態を比較する手段２２５とを有する。
【００３２】
燃料性状および灰性状の入力を受け付ける手段２２１としては、キーボード等の入力装置２０２により入力する方法と、通信制御装置２０５により外部からインターネットなどのネットワークを介して受け付け、灰溶融炉制御装置２００に自動的に入力する方法とが考えられる。燃料性状および灰性状に関するデータは、通常、石炭火力発電所で定期的に取得・管理されているため、これらのデータを、ネットワークを介して石炭火力発電所から入手し、灰溶融炉制御装置２００に自動入力することにより、燃料性状および灰性状の入力負荷が軽減される。
【００３３】
次に、供給量計算手段２２２で求められる各種供給量と、および、灰溶融炉１００の運転状態の計測機能２２３によって計測される項目について説明する。
【００３４】
なお、以下に述べる供給量の計算方法は、使用する灰溶融炉の種類によって異なるため、使用する灰溶融炉において、あらかじめ実験等で得られた計算式および数値を用いて、各供給量が求められる。
【００３５】
はじめに、燃料投入量１７１を設定する。
【００３６】
本実施例では、灰溶融炉１００の熱負荷に設計値を有する場合について説明する。燃料投入量１７１の初期値は、灰溶融炉１００の熱負荷の設計値を、燃料１６１の発熱量で除することで決まる。
【００３７】
次に、燃焼空気量１７２の設定であるが、燃焼空気量１７２は、燃料１６１の元素分析から求まる理論空気量に、余剰空気を加えることで計算することができる。
【００３８】
このようにして計算された燃焼空気量１７２は、空気調整器１２１で統括制御され、１次空気１５２、２次空気１５３、燃料搬送空気１５４、灰搬送空気１５５に分割されて、灰溶融炉１００に供給される。
【００３９】
１次空気１５２の流量１７３は、１次空気調整器１２２で制御され、また２次空気１５３の流量１７４は、２次空気調整器１２３で制御される。
燃料搬送空気量１７５は、燃料１６１の種類によって計算される。例えば、石炭を使用する場合、燃料搬送空気１５４に対する石炭の質量比を０．５〜１程度とするのが一般的である。また、液体燃料や気体燃料を使用する場合は、燃料搬送空気１５４は不要である。計算された燃料搬送空気量１７５は、燃料搬送空気調整器１２４によって制御される。
灰搬送空気量１７６は、灰投入量１８１および灰融点降下剤量１８２により計算される。灰投入量１８１と灰融点降下剤量１８２の合計は、灰搬送空気１５５の１０倍以下の質量で供給するのが望ましい。計算された灰搬送空気量１７６は、灰搬送空気調整器１２５で制御される。
【００４０】
酸素富化量１８３の初期値は、燃料１６１の燃焼速度に応じて設定しておく。酸素富化量１８３は、酸素調整器１２６により制御される。
【００４１】
以上のことから、燃料投入量、燃焼空気量、酸素富化量等の各燃焼条件の初期値は、燃料１６１の燃焼速度に応じた設計値を設定しておくのが望ましい。これは、燃料１６１の燃焼状態が、燃焼空気や酸素の投入方法により大きく左右されるためである。したがって、初めに、各燃焼条件の初期値で燃焼し、灰溶融炉１００の運転状態計測手段２２３で計測した炉内温度１８７、排ガス組成１８８、排ガス温度１８９をもとに、各燃焼条件を補正する運転方法が望ましい。
【００４２】
また、はじめに灰１６２を投入しない場合の燃焼条件で、炉内温度１８７を昇温させ、次に燃焼条件を調整しながら、灰を投入していく運転方法も考えられる。
【００４３】
次に、灰投入量１８１の設定について説明する。
【００４４】
灰投入量１８１は、次に述べる３つの制限がある。第１には、炉内温度１８７を灰融点以上に保持することである。第２には、溶融スラグ１６５が安定して流下していること。第３には、スラグ流下量１８６が、灰投入量１８１と灰融点降下剤量１８２の合計重量に対して、その割合が一定値以上であること。以上３つの制限がある。なお、第２の制限である溶融スラグ１６５の安定流下は、流下スラグ監視装置１２７により計測されるスラグ流下画像データ１８５において、監視することができる。また、第３の制限であるスラグ流下量１８６についても、流下スラグ監視装置１２７により計測される。
【００４５】
しかしながら、これらの制限による限界値があるが、その限界値以下であれば、灰投入量１８１を自由に設定できる。具体的には、燃料１６１に石炭を使用する場合は、灰投入量１８１の限界値は、石炭の投入量の３〜５倍程度と言われている。
【００４６】
なお、設定された灰投入量１８１は、灰供給器１０９により制御され、灰溶融炉１００に投入される。
【００４７】
灰融点降下剤１６３は、投入した灰１６２の融点が、あらかじめ設定された設計値よりも高い場合のみ使用される。
【００４８】
ここで灰融点降下剤量１８２の算出方法の一例を示す。
【００４９】
まず、以下の式で定義した塩基度の設計値を、固定しておく。
【００５０】
塩基度＝（ＣａＯ＋ＭｇＯ＋Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏ）／（ＳｉＯ２＋Ａｌ２Ｏ３）
融点降下剤１６３をＣａＯ等に固定することで、入力時に入手した灰組成をもとに、塩基度の設計値に見合う融点降下剤量１８２を算出できる。
【００５１】
そして、灰供給器１０９から供給された灰をサンプルして灰融点を実測することで、灰融点降下剤量１８２を補正する。
【００５２】
なお、灰融点降下剤１６３は、灰と混合されて灰供給器１０９から供給される。
【００５３】
運転状態を示す指標値を予測計算する手段２２３は、いままで述べた供給量計算手段２２２によって計算された計算量にもとづいて、炉内温度、排ガス組成、スラグ流下量などを計算する。また、比較手段２２５は、前記指標値と、運転状態計測手段２２４で計測された計測データとを比較し、運転状態に異常がある場合は、供給量の再計算を行い運転条件を調整する機能を有する。なお、指標値予測計算手段２２３、および、比較手段２２５については、図４で詳述する。
【００５４】
次に、図４を参照し、本灰溶融炉制御装置２００における、灰溶融炉の制御方法の処理の流れを説明する。
【００５５】
図示するように、まず燃料性状および灰性状が入力される。この燃料性状には、少なくとも発熱量、灰分、灰融点、燃料比、元素分析が含まれる。これらの性状は、次に述べる理由により灰溶融炉を制御するために必要な性状である。
【００５６】
発熱量は、灰溶融炉に投入する熱量を計算するために必要な性状であり、灰分は、燃料自体にあらかじめ含まれている灰の割合であって、別途投入する灰の投入量を調整するために必要な性状であり、灰融点は、灰の溶融に必要な熱量を計算するために必要な性状である。また、燃料比は、固体燃料を使用する場合において必要であり、固定炭素と揮発分の比で決まる。この値が高いほど、揮発分が少なくなるために燃焼速度も遅くなる。このため燃料比は、燃焼条件を調整するために必要な性状の一つである。元素分析は、完全燃焼に必要な酸素および空気の量を、計算するために必要な性状である。
【００５７】
灰溶融炉に投入する燃料、燃焼空気、酸素、灰、灰融点降下剤、等の各物質の供給量計算（Ｓ１１１０）における燃料投入量の初期設定値は、上記の燃料性状から計算することができる。
【００５８】
一方、灰性状には、少なくとも灰融点、組成、粒径分布が含まれる。これらの性状は、次に述べる理由により灰溶融炉を制御するために必要である。灰融点は、灰溶融の熱量を計算するために必要な性状であり、組成は、灰融点調整で融点降下剤の添加量を計算するために必要な性状であり、粒径分布は、溶融スラグの回収率に影響するために必要な性状である。具体的には、粒径が１０μｍを下回る粒子は飛散しやすく、回収率が低下する。
【００５９】
次に、灰溶融炉への各物質の供給量を計算する（Ｓ１１１０）。
【００６０】
燃料投入量は、灰溶融炉に投入する熱負荷を定格条件に合わせるように燃料投入量を決める方式と、燃料投入量を設定する方式がある。また燃料の燃焼速度は、気体、液体、固体の順に遅くなる。固体燃料では、前述のように燃料比の高いものほど、燃焼速度が遅くなる。
【００６１】
なお、燃料、空気および酸素の各投入量は、使用する燃料の燃焼速度に応じた初期値をパターン化しておくと有効である。
【００６２】
燃焼空気量は、燃料性状の元素分析値から、完全燃焼に必要な酸素および空気の量を算出する。
例えば、炭素及び水素のみで構成される燃料の完全燃焼に必要な酸素量の計算例を以下に示す。
反応式は、
炭素：Ｃ＋Ｏ２→ＣＯ２
水素：２Ｈ２＋Ｏ２→２Ｈ２Ｏ
の２種類であり、燃料の完全燃焼に必要な酸素量は、以下の式で計算できる。
【００６３】
燃料の完全燃焼に必要な酸素量＝（燃料中の炭素分の燃焼に必要な酸素量）＋（燃料中の水素分の燃焼に必要な酸素量）−（燃料中に含まれる酸素量）
酸素富化量は、燃焼空気量を考慮して調整し算出する。なお、酸素は、灰溶融炉内の温度を高めるのに必要なものである。
【００６４】
灰溶融に必要な熱量は、灰投入量に比例する。したがって、炉内温度と灰の融点から、灰投入量の限界値が決まる。
【００６５】
灰投入量の決め方の一例としては、
（燃料の全発熱量―灰の全溶融熱量）の条件で炉内温度を求め、
炉内温度≧灰融点
を満足する灰投入量の最大値から、灰投入量の限界値が求まる。
【００６６】
灰融点降下剤は、灰の融点を調整するために投入される。塩基度と呼ばれる、カルシウムなどのアルカリ金属酸化物と、シリカやアルミナなどのアルカリ以外の金属酸化物の比で灰融点を予測し、灰融点降下剤量を計算する方式が知られている。
【００６７】
例えば、塩基度を以下の式とすると、石炭灰は０．２以下である。これを高めることで、灰融点を低減する。
【００６８】
塩基度＝（ＣａＯ＋ＭｇＯ＋Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏ）／（ＳｉＯ２＋Ａｌ２Ｏ３）
上記の各物質の供給量計算（Ｓ１１１０）で計算した供給量に基づいて、燃焼計算（Ｓ１１２０）および灰溶融熱量計算（Ｓ１１３０）を実施する。
【００６９】
燃焼計算（Ｓ１１２０）および灰溶融熱量計算（Ｓ１１３０）の結果をもとに、灰溶融炉の運転状態を示す指標値を計算する（Ｓ１１４０）。指標値には、推定される炉内温度、排ガス組成、スラグ流下量などがある。
【００７０】
次に、指標値のひとつである炉内温度と、入力された灰性状を示すデータのひとつである灰融点とを比較する（Ｓ１１５０）。指標値である炉内温度が、灰融点を上回る場合は、計算上では、上記の供給量計算（Ｓ１１１０）で設定した各供給量で、灰を溶融することができることになる。その場合は、灰溶融炉の運転条件の決定（Ｓ１１６０）に進む。なお、ここで、炉内温度を灰融点よりも１００〜２００℃程度高く設定して、溶融スラグを安定的に流下させてもよい。
【００７１】
一方、炉内温度が灰融点を下回った場合は、上記の供給量計算（Ｓ１１１０）に戻り、各供給量を再計算し、さらに、指標値も再計算する（Ｓ１１４０）。この場合、炉内温度を高める制御方法としては、以下の方法がある。
【００７２】
灰投入量を減少する方法、燃料投入量を増加し、かつこれに応じて燃焼空気や酸素投入量を増加する方法、酸素富化量を増加し、燃焼空気量を低減させて全体のガス量を減少させる方法、理論空気量および論理酸素量を上回る空気量および酸素量を投入する場合において、余剰空気および余剰酸素を低減する方法、の４つの方法である。
【００７３】
ただし、炉壁を保護するため、炉壁の温度、すなわち炉内温度は、１６００℃以下とするのが望ましい。
【００７４】
一方、灰融点を下げる制御方法としては、灰融点降下剤の投入量を増加させる方法がある。なお、灰融点降下剤に、カルシウム化合物を用いる場合は、その投入量を灰の投入量の３０％以下とするのが望ましい。これは、灰をアノーサイトと呼ばれる鉱物形態に近づけるためである。また、カルシウム化合物を灰の投入量の３０％を超えて投入すると、灰の融点が逆に上昇する場合がある。
【００７５】
以上の制御方式により、炉内温度を１６００℃以下で、かつ、炉内温度が灰融点より高くなるように制御する。
【００７６】
炉内温度と灰融点の比較（Ｓ１１５０）において、炉内温度が灰融点より高くなった場合は、その場合の供給量計算（Ｓ１１１０）において計算した供給量を、および、指標値計算（Ｓ１１４０）において計算した指標値を、灰溶融炉の運転条件として決定する（Ｓ１１６０）。
【００７７】
この運転条件で、実際に灰溶融炉を運転し、灰溶融炉の運転状態を計測および監視する（Ｓ１１７０）。計測および監視するデータには、少なくとも炉内温度、排ガス組成、排ガス温度、スラグ流下量、スラグ流下量画像の５項目が必要である。
【００７８】
炉内温度は、常に灰融点を上回っていなければならず、灰融点より下回ると運転条件の補正が必要となる。排ガス組成は、炉内の燃焼状態を監視するために必要であり、運用条件が一定の状態において、酸素濃度および排ガス温度が変動した場合は、炉の運転条件の補正が必要となる。スラグ流下量は、運転条件および灰の粒径分布に変動がない状態において、スラグ流下量が低下した状態が続いた場合は、運転条件の補正が必要となる。例えば、炉内温度が低下し、灰融点より低くなった場合には、炉内に灰が滞留している可能性が高い。スラグ流下画像は、カメラ等を介した画像により、スラグ流下状態を監視する。運転条件が一定の状態において、スラグ流下速度が低下した場合には、運転条件の補正が必要となる。
【００７９】
以上の運転状態の計測データに基づいて、灰溶融炉の運転状態に異常がないかどうかを判定する（Ｓ１１８０）。具体的には、指標値計算（Ｓ１１４０）で計算した炉内温度、排ガス組成、スラグ流下量などの指標値と、実際に計測されたこれらの計測値を比較し、異常がないかどうかを判定する。指標値と計測値が、一定の範囲を超えて乖離している場合は、運転状態に異常があると判定し、指標値と計測値の差が一定の範囲内であれば、運転状態に異常がないと判定する。
【００８０】
運転状態に異常がない場合は、この運転条件のまま運転を継続する。この場合、スラグの安定流下（Ｓ１１９０）からも異常がないことが確認できる。
【００８１】
一方、運転状態に異常がある場合は、前記の供給量計算（Ｓ１１１０）に戻り、灰溶融炉を目的の運転状態とするために、灰溶融炉の供給量の再計算、および指標値の再計算（Ｓ１１４０）を行い、運転条件を補正する。なお、運転条件を補正後、一定時間を経過しても上記計測データの異常が見られる場合には、灰投入量を減少させて、炉内温度を上昇させ、炉内に滞留したスラグを排出させることが望ましい。
【００８２】
以上、本発明の第１の実施例について説明した。
【００８３】
次に、第２の実施例について説明する。第２の実施例は、石炭火力発電所に灰溶融炉１００を設置し、石炭火力発電所から排出される石炭灰を、連続的に溶融し、製品スラグとして回収する方法である。
【００８４】
図５は、石炭火力発電所の中に、第１の実施例で説明した灰溶融炉１００を設置した灰処理方法を示したものである。
【００８５】
石炭を燃焼するための設置されているボイラ３１０は、バーナ３１１およびアフタエアポート３１２を有する。また、灰溶融炉１００の排ガス抜き出し口１０１は、排ガスダクト３１３を通じて、ボイラ３１０に接続した構成となっている。
【００８６】
このボイラ３１０において、石炭を燃焼することにより排出される灰１６２は、集塵機３２０にて回収される。この集塵機３２０で回収された灰１６２は、直接、灰溶融炉１００の灰供給器１０９に搬入される。灰供給機１０９に搬入された灰１６２のうち、灰溶融炉制御装置において計算された投入量が、灰ノズル１０７から炉内１３０に投入され、溶融処理される。
【００８７】
本実施例において、灰溶融炉１００の燃料１６１として石炭を用いる場合は、石炭火力発電所であらかじめ保有している石炭を転用することができるという効果、および、石炭貯蔵設備などの新たな設備投資を抑制することができるという効果がある。
【００８８】
また、灰溶融炉１００の排ガス抜き出し口１０１から排出される排ガス１５７は、石炭の燃焼ガスで構成されるため、石炭火力発電所の排ガス処理設備を流用することが可能である。
【００８９】
石炭火力発電所では、大量の石炭を使用し、これにより大量の石炭灰が排出される。このため、石炭火力発電所から排出される石炭灰を、連続的に溶融し、スラグとして回収する灰溶融炉の運用システムは、非常に効率的である。
【００９０】
次に、第三の実施例について説明する。第３の実施例は、第１のおよび第２の実施例において製造した溶融スラグを、スラグ利用者のニーズに合わせ、製品化する実施形態である。
【００９１】
図６は、第１の実施例の灰溶融炉の制御方法（図１参照）に、スラグ回収装置選択機構３３１と、灰溶融炉制御装置２００の機能に、スラグ仕様入力手段２２７およびスラグ回収装置の選択手段２２６を加えた図である。
【００９２】
スラグ仕様入力手段２２７は、スラグの仕様を示す情報の入力を受け付ける手段であり、キーボード等の入力装置２０２により入力する方法と、通信制御装置２０５により外部からインターネットなどのネットワークを介して受け付け、灰溶融炉制御装置２００に自動的に入力する方法とが考えられる。
【００９３】
スラグ回収装置の選択手段２２６は、入力されたスラグの仕様にあわせてスラグを回収するためのスラグ回収装置３３０を選択する手段である。このスラグ回収装置選択手段２２６により選択された選択結果情報は、スラグ回収装置選択機構３３１に出力され、選択されたスラグ回収装置３３０に切り替わる。
ここで、代表的なスラグの製品化の方法を、簡単に説明する。
【００９４】
第１には、水砕スラグとして回収し製品化する方法である。水砕スラグは、溶融したスラグを水中に落下させ、急速に冷却することで製造される。水砕スラグは、一般に砂粒程度の大きさであり、ガラス質である。水砕スラグの特徴は、簡単に製造できるが、石材並みの強度の確保は困難である。水砕スラグの用途としては、骨材、路盤材などが考えられる。
【００９５】
第２には、徐冷スラグとして回収し製品化する方法である。徐冷スラグは、一日以上かけて緩やかに冷却されるため結晶化し、これによりスラグの強度を高められる。徐冷スラグの製造方法は、溶融スラグを水噴霧や空気などで徐冷し、冷却速度は５０度／時以下が望ましい。用途としては、石材、路盤材への適用が考えられる。
【００９６】
その他としては、繊維材料が挙げられる。ガラスウールやロックウールの製造設備を石炭灰の溶融スラグに適用すれば、石炭灰の溶融スラグを繊維材料として回収できる。用途としては、断熱材などが考えられる。
【００９７】
以上述べたとおり、スラグの用途により、溶融したスラグを冷却・回収する方式が異なる。
【００９８】
次に、スラグ回収装置３３０の種類の一例と、その概要について説明する。
【００９９】
水砕スラグ用のスラグ回収装置は、水槽、スラグコンベアで構成される。水槽の中に水を満たし、溶融スラグ１６５を水槽の水の中に滴下させる配置とする。溶融スラグ１６５は水中で冷却され、砂状の水砕スラグとなる。この水砕スラグを、スラグコンベアなどで回収する。水槽にスラグコンベアを収納することで本装置の各機器のパッケージ化が可能である。
【０１００】
徐冷スラグ用のスラグ回収装置は、スラグ冷却槽とスラグコンベアで構成される。溶融スラグ１６５をスラグコンベアに滴下させ、空気などで５０度／時程度で冷却しながら回収する。冷却槽内にスラグコンベアを設置することで、本装置の各機器のパッケージ化が可能である。
【０１０１】
繊維材料用のスラグ回収装置は、繊維化装置と繊維回収コンベアで構成される。繊維化装置は、ロックウールやガラスウールで使用される回転ローラーなどを有する。繊維化装置と繊維回収コンベアを台車などにセットすることで、本装置の各機器のパッケージ化が可能である。
【０１０２】
スラグ回収装置３３０を上記のようにパッケージ化しておき、スラグ仕様に応じてスラグ抜き出し口の直下に異なるパッケージを設置し、回収スラグの形態を可変とする。
【０１０３】
本実施例では、スラグの用途ごとに複数のパッケージ化されたスラグ回収装置３３０を有し、スラグの用途に合わせてスラグ回収装置３３０を選択する実施の形態である。スラグ回収装置３３０を、選択したスラグ装置に切り換える方法としては、スラグ回収装置３３０を切り替えるたびに、選択されたスラグ回収装置３３０を、灰溶融炉１００のスラグ抜き出し口１０２の直下に移動し、設置する方法がある。また、スラグ抜き出し口１０２と、複数のスラグ回収装置３３０とを接続する搬送路を設け、その搬送路の制御により、選択されたスラグ回収装置３３０に、溶融スラグを流下させる方法もある。なお、本実施例では、複数のスラグ回収装置３３０としたが、複数のスラグの冷却・回収方式に対応可能なひとつのスラグ回収装置３３０としてもよい。
【０１０４】
次に、図７を参照し、灰を製品スラグとして回収するための灰溶融炉の制御方法の処理の流れを説明する。
【０１０５】
図７に示す処理の流れは、Ｓ１１１０からＳ１１９０まで、第１実施例の図４に示した灰溶融炉の制御方法の処理の流れと同様であり、これ以降（Ｓ１２００以降）に、スラグを製品化する処理を加えたものである。ここでは、Ｓ１２００以降のスラグを製品化する処理を中心に説明する。
【０１０６】
灰溶融炉制御装置２００において、運転状態に異常がない場合は、スラグは安定的に流下し（Ｓ１１９０）、これにより、灰は、溶融スラグとなる。ここで、この溶融スラグを製品化するために、スラグ利用者からスラグの製品仕様が入力される。スラグの製品仕様としては、たとえば、骨材、路盤材、石材、路盤材、断熱材などの製品仕様がある。
【０１０７】
スラグ回収装置の選択手段２２６は、この入力されたスラグ仕様、および、原料となる溶融スラグ１６５から、使用するスラグ回収装置３３０を選択する（Ｓ１２００）。選択の例としては、骨材、路盤材の製品使用が入力された場合は、水砕スラグとして回収するため、水砕スラグ用のスラグ回収装置が選択される。また、石材、路盤材の製品使用が入力された場合は、徐冷スラグとして回収するため、徐冷スラグ用のスラグ回収装置が選択され、断熱材の製品使用が入力された場合は、繊維材料として回収するため、繊維材料用のスラグ回収装置が選択される。
【０１０８】
次に、選択されたスラグ回収装置３３０を使用して、溶融スラグ１６５は冷却および回収される（Ｓ１２００）。回収されたスラグは、スラグの要求仕様を満足するか否かが判定される（Ｓ１２１０）。スラグの要求仕様を満たす場合は、製品スラグとして、スラグ利用者に販売される。一方、スラグの要求仕様を満たさない場合は、供給量計算（Ｓ１１１０）に戻り、灰溶融炉の供給量を再計算し、灰溶融炉の運用条件を調整する。ここで製品スラグの状態は、スラグ抜き出し口から滴下時の溶融スラグ１６５の温度、粘性などの因子により左右される。製品スラグの要求仕様は、製品として使用される用途で決められた規格（ＪＩＳ規格など）、スラグ利用者により決められた要求仕様によって、規定される。
【０１０９】
なお、製品スラグの用途としては、骨材、路盤材、石材、繊維材料、土壌改良材、護岸工事材料、漁礁などが考えられる。
【０１１０】
本実施例において、スラグの仕様に応じた複数のスラグ回収装置を具備した灰溶融炉は、灰溶融炉で溶融されたスラグを、スラグ利用者のニーズに応じて、柔軟に複数の仕様の製品スラグを製造できる、という効果がある。
【０１１１】
以上、第３の実施例について説明した。
【０１１２】
なお、本発明は、以上の実施例に限定されることなく、種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることは言うまでもない。
【０１１３】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、石炭火力発電所から排出される石炭灰を溶融し、スラグ化する場合において、使用される燃料および灰の性状の変動に対して自動的に制御し、灰溶融炉を安定的に運転できる灰溶融装置の提供を実現できる。さらに、スラグの性状を市場の需要に合わせることより、スラグの付加価値を高めるという効果がある。
【０１１４】
したがって本発明により、灰を有価物である製品スラグとして回収が可能になり、現在埋め立て処分されている灰の削減が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の第１の実施例にかかる灰溶融装置の制御方法を示す図である。
【図２】図２は、図１に示す灰溶融炉を示す図である。
【図３】図３は、図１に示す灰溶融炉制御装置の構成を示す図である。
【図４】図４は、図１に示す灰溶融炉の制御方法のフローを示す図である。
【図５】図５は、本発明の第２の実施例にかかる灰溶融炉の制御方法を示す図である。
【図６】図６は、本発明の第３の実施例にかかる灰溶融炉の制御方法を示す図である。
【図７】図７は、図６に示す灰溶融炉の制御方法のフローを示す図である。
【符号の説明】
１００…灰溶融炉、１０１…排ガス抜き出し口、１０２…スラグ抜き出し口、１０３…１次空気ノズル、１０４…２次空気ノズル、１０５…燃料ノズル、１０６…酸素ノズル、１０７…灰ノズル、１０８…燃料供給器、１０９…灰供給器、１１０…水槽、１２１…空気調整器、１２２…１次空気調整器、１２３…２次空気調整器、１２４…燃料搬送空気調整器、１２５…灰搬送空気調整器、１２６…酸素調整器、１２７…スラグ流下監視装置、１２８…温度計測装置、１２９…排ガス分析装置、１３０…炉内、１５１…旋回流、１５２…１次空気、１５３…２次空気、１５４…燃料搬送空気、１５５…灰搬送空気、１５６…酸素、１５７…排ガス、１６１…燃料、１６２…灰、１６３…融点降下剤、１６４…冷却水、１６５…溶融スラグ、１６６…固形スラグ、１７１…燃料投入量、１７２…燃焼空気量、１７３…１次空気量、１７４…２次空気量、１７５…燃料搬送空気量、１７６…灰搬送空気量、１８１…灰投入量、１８２…灰融点降下剤量、１８３…酸素富化量、１８５…スラグ流下画像データ、１８６…スラグ流下量、１８７…炉内温度、１８８…排ガス組成、１８９…排ガス温度、１９０…スラグ回収装置選択情報、２００…灰溶融炉制御装置、２０１…表示装置、２０２…入力装置、２０３…中央処理装置、２０４…記憶装置、２０５…通信制御装置、３１０…ボイラ、３１１…バーナ、３１２…アフタエアポート、３１３…排ガスダクト、３２０…集塵機、３３０…スラグ回収装置、３３１…スラグ回収装置選択機構。
【図１】
2004183921.tif 000003
【図２】
2004183921.tif 000004
【図３】
2004183921.tif 000005
【図４】
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【図５】
2004183921.tif 000007
【図６】
2004183921.tif 000008
【図７】
2004183921.tif 000009