(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転ストーカ式焼却炉内に吹き込む一次空気を、その上流側から下流側にかけて複数のゾーンに分けて供給制御すると共に、給じんプッシャによるごみ投入量と焼却炉の回転によるごみ移動速度を制御して燃焼状態を制御する燃焼制御方法において、焼却炉内の燃焼状態を、その上流側から下流側にかけてのごみの層厚分布と燃焼分布を分けると共にその層厚分布と燃焼分布の最適な通常状態を最適燃焼パターンとし、その最適燃焼パターンのごみ層厚に対して、厚い・普通・薄いの３つに分け、かつ最適燃焼パターンの燃焼分布に対して、燃焼分布が、上流側・普通状態・下流側の３つに分けて、ごみの層厚分布と燃焼分布を、合計９つに分けたパターンを作成し、他方焼却炉の温度、上記各ゾーンに供給する一次空気などの計測状態量から焼却炉の燃焼状態を推定して、ごみの層厚分布と燃焼分布が、上記パターンのいずれの状態かのパターン依存度を推定し、その依存度を基にファジールールで重み付けを行うと共に各プロセス制御量を傾斜配分すると共に、これに基づいて各ゾーンに供給する一次空気、給じんプッシャの速度、炉回転数の操作量を決定して、ごみの層厚分布と燃焼分布を最適燃焼パターンに戻すようにしたことを特徴とする回転ストーカ式ごみ焼却炉の燃焼制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転ストーカ式ごみ焼却炉の燃焼方法に係り、特に、焼却炉内での燃焼状態の安定化とその後流のボイラでの蒸発量の安定化とを同時に図ることができる回転ストーカ式ごみ焼却炉の燃焼制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
回転ストーカ炉においてごみを焼却する際に要求される性能の中で、最上位に上げられるのが、燃焼性能とボイラ性能であり、具体的には以下の性能が要求されている。
【０００３】
0004103235.tif 000002
ところが、これらは相反する傾向が強く、ある性能を満足しようとして運転条件を操作すると、他の性能が満足できなくなる問題がある。
【０００４】
例えば、焼却残渣の熱灼減量を低減すべく、ごみ層厚を薄くすると燃焼室温度が下がり排出ガスのＣＯ濃度が高くなる。逆にごみ層厚を厚くすると、排出ガスのＣＯ濃度を低くできるものの、焼却残渣の熱灼減量が悪化してしまう。
【０００５】
従来、ストーカ式ごみ焼却炉での燃焼制御は、特開平９−１１２８６９号公報に示されるように、ごみの搬送速度を操作して、ごみの層厚を一定にする方法や特開平１０−２５３０３１号公報に示されるように、焼却炉内での燃え切り位置を検出して焼却炉に吹き込む一次燃焼用空気と二次燃焼空気の比率を調整して燃え切り位置を制御する方法が提案されている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１の発明は、回転ストーカ式焼却炉内に吹き込む一次空気を、その上流側から下流側にかけて複数のゾーンに分けて供給制御すると共に、給じんプッシャによるごみ投入量と焼却炉の回転によるごみ移動速度を制御して燃焼状態を制御する燃焼制御方法において、焼却炉内の燃焼状態を、その上流側から下流側にかけてのごみの層厚分布と燃焼分布を分けると共にその層厚分布と燃焼分布の最適な通常状態を最適燃焼パターンとし、その最適燃焼パターンのごみ層厚に対して、厚い・普通・薄いの３つに分け、かつ最適燃焼パターンの燃焼分布に対して、燃焼分布が、上流側・普通状態・下流側の３つに分けて、ごみの層厚分布と燃焼分布を、合計９つに分けたパターンを作成し、他方焼却炉の温度、上記各ゾーンに供給する一次空気などの計測状態量から焼却炉の燃焼状態を推定して、ごみの層厚分布と燃焼分布が、上記パターンのいずれの状態かのパターン依存度を推定し、その依存度を基にファジールールで重み付けを行うと共に各プロセス制御量を傾斜配分すると共に、これに基づいて各ゾーンに供給する一次空気、給じんプッシャの速度、炉回転数の操作量を決定して、ごみの層厚分布と燃焼分布を最適燃焼パターンに戻すようにした回転ストーカ式ごみ焼却炉の燃焼制御方法である。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、回転ストーカ式ごみ焼却炉で、安定した燃焼性能とボイラ性能を維持することが可能な回転ストーカ式ごみ焼却炉の燃焼制御方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１の発明は、回転ストーカ式焼却炉内に吹き込む一次空気をその上流側から下流側にかけて複数のゾーンに分けて制御すると共に、給じんプッシャによるごみ投入量と焼却炉の回転によるごみ移動速度を制御して燃焼状態を制御する燃焼制御方法において、焼却炉内の燃焼状態を、その上流側から下流側にかけてのごみの層厚分布と燃焼分布に応じて複数のパターンに分け、他方焼却炉の温度、上記各ゾーンに供給する一次空気などの計測状態量から、上記パターンを推測し、その各パターンについてファジーモデルを作成し、このファジーモデルに基づいた予測を含むファジールールより、各ゾーンに供給する一次空気、給じんプッシャの速度、炉回転数を制御するようにした回転ストーカ式ごみ焼却炉の燃焼制御方法である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適一実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００１１】
先ず、図１により全体構成を説明する。
【００１２】
図１において、１０は回転ストーカ式焼却炉で、上流側に給じんホッパ１１が接続されると共に、ごみｇを焼却炉１０内に送り出すプッシャ１２が設けられる。
【００１３】
この回転ストーカ式焼却炉１０は、多数の孔が形成された回転ドラム１３からなり、その回転ドラム１３が、支持ローラ１４を介して固定梁１５上に回転自在に支持されると共に駆動モータ１６で回転されるようになっている。
【００１４】
固定梁１５には、回転ドラム１３に一次燃焼空気を供給する風箱１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃが、その上流側から下流側にかけて例えば図示のように３ゾーンＡ，Ｂ，Ｃに分けて設けられる。
【００１５】
各風箱１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃは、図では示していないが円周方向にさらに３分割して設けられる。各ゾーンの風箱１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃは、押込空気ライン１８を介して押込ファン１９に接続されると共に、その押込空気（一次空気）をゾーンＡ〜Ｃに分配すると共に、円周方向に分配する分配弁２０Ａ〜Ｃが接続される。また各ゾーンＡ〜Ｃと円周方向に分割された風箱１７へ供給する空気の流量と圧力を個々に検出する流量計２１，圧力計２２が接続されると共に押込ファン１９側にも全体の流量と圧力を検出する流量計２３，圧力計２４が接続され、さらに吸込側に押込空気量を制御する制御弁２５が接続される。
【００１６】
回転ストーカ式焼却炉１０には、燃焼炉２６が形成され、その燃焼炉２６に焼却炉１０で発生した可燃性ガスを二次燃焼させる二次燃焼室２７が形成される。また燃焼炉２６の底部には、焼却炉１０から排出された未燃物を後燃焼させる後燃焼装置２８が設けられると共に後燃焼装置２８からの焼却残渣の排出口２９が設けられる。
【００１７】
二次燃焼室２７には二次空気を吹き込むノズル３０が設けられ、そのノズル３０が二次空気ライン３１に接続されると共にそのライン３１に、二次空気用ファン３２が接続され、さらにそのファン３２に、二次空気量を制御する制御弁３３が接続される。また、二次空気ライン３１には、流量計３４，圧力計３５が接続される。
【００１８】
後燃焼装置２９には、その風箱３６に分配弁３７が接続されると共に後燃焼空気ライン３８が接続され、そのライン３８に後燃焼用ファン３９が接続され、ファン３９の吸込側に制御弁４０が接続される。また、４１は流量計、４２は圧力計である。
【００１９】
燃焼炉２６の頂部には、ボイラ５０が接続される。ボイラ５０は燃焼炉２６からの燃焼排ガスを導入する水管壁からなる導入部５１と過熱器５２とボイラ本体５３と気水ドラム５４からなり、燃焼排ガスが、図示の矢印で示した導入部５１、過熱器５２、ボイラ本体５３を通って排ガスダクト５５より排気され、給水は導入部５１とボイラ本体５３を通って気水ドラム５４に入り、そこで気液分離されて、発生した蒸気が、過熱器５２を通って過熱されスチームライン５６より発生蒸気量を制御する制御弁５７を介してタービン（図示せず）に供給されるようになっている。
【００２０】
さて、６０は本発明の回転ストーカ式焼却炉を制御するインテリジェント制御装置で、押込空気ライン１８に設けた流量計２１からの流量値、圧力計２２からの圧力、その他、図には詳細に示していないが各箇所に設けた温度計からの温度や、回転ドラムの１３の回転数などのプロセス値がニューロファジー制御部６２に入力され、そのニューロファジー制御部６２で、焼却炉１０の入口温度ｘ1 、発生ガス量ｘ2 、二次燃焼室２７の温度ｘ3 、後燃焼装置２８の入口温度ｘ6 、二次空気ライン３１から供給される二次空気のＯ2 濃度ｘ4 が計測状態量として入力されると共に、押込空気ライン１８からの押込空気総量と圧力及び各ゾーンの風箱１７Ａ〜１７Ｃに供給される押込空気の流量と圧力からごみの滞留分布を求めて各ゾーンのごみ層厚ｘ5 が計測状態量として入力され、これらの状態量の変動に基づいて、これから起こりうる事象を予測しながら、押込空気ライン１８の制御弁２５をドラム圧力制御部（一次空気量）６３が、二次空気ライン３１の制御弁３３をＯ2 濃度制御部（二次空気）６４が、回転ドラム１３の駆動モータ１６を炉回転数制御部６５が、給じんプッシャ１２を給じんプッシャ周期制御部６６が、各風箱１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃの制御弁１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｃを、それぞれＡゾーン空気制御部６７、Ｂゾーン空気制御部６８、Ｃゾーン空気制御部６９が、ボイラ５０の制御弁５７をボイラ蒸発量制御部７０が最適制御を行うようになっている。
【００２１】
このインテリジェント制御部６０を説明する前に、回転ストーカ式焼却炉１０でのごみ焼却を説明する。
【００２２】
先ず、給じんホッパ１１内に、ごみクレーンなどからごみｇが投入され、そのごみｇが給じんプッシャ１２により周期的に押し出されて回転ストーカ式焼却炉１０の回転ドラム１３内に投入される。
【００２３】
回転ドラム１３は駆動モータ１６で回転され、投入されたごみｇは、その回転ドラム１３の傾斜と回転により順次下流側に搬送される。
【００２４】
この回転ドラム１３には風箱１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃから押込空気が吹き込まれ、主に、上流側（Ａゾーン）では乾燥が、中間（Ｂゾーン）では熱分解が、下流側（Ｃゾーン）では燃焼が行われる。下流側の燃焼ゾーンでは、炉の円筒形断面に起因して、強力な渦を伴った火炎が形成され、攪拌・混合の強いガス燃焼が行われる。
【００２５】
この回転ストーカ式焼却炉１０で発生した可燃性ガスは、二次燃焼室２７に導入され、ノズル３０から吹き込まれた二次空気で燃焼され、燃焼排ガスとなってボイラ５０にて給水を加熱して蒸気を発生させる。
【００２６】
また、回転ストーカ式焼却炉１０から排出された未燃分は後燃焼装置２８に排出され、風箱３６から供給される後燃焼空気で、燃焼処理されると共に灼熱減容されて排出口２９から排出される。
【００２７】
このように、回転ストーカ式焼却炉１０内に投入されたごみは、乾燥、熱分解過程を経て、燃焼に移行し、下流側の燃焼ゾーンでは、炉の円筒形断面に起因して、強力な渦を伴った火炎が形成され、攪拌・混合の強いガス燃焼が行われるため、炉内に滞留している各ゾーンのごみ層から発生する熱分解ガスは、ごみ質変動に起因して質及び量に多少の変動があっても、発生後、この強力な渦燃焼の中で、その変動は吸収される。
【００２８】
これまでは、ごみ質の変化により燃焼変動が生じた場合、一次空気総量を制御することにより、ボイラ５０へ供給される熱量を安定化させ、その上で、燃焼性能を維持するという考え方に立ち、燃焼変動により状態が変化した後、回復動を行うというフィードバック制御を基本としてきた。この場合、ある程度のごみ変化までは問題がないが、ごみ質が急激かつ大幅に変化した場合、ボイラ５０への入熱量を安定化させるべく、一次空気総量を制御した場合、同時に起こる燃焼変動に対応しきれず、燃焼の悪化を招くおそれがある。
【００２９】
本発明のインテリジェント制御部６０は、炉内のごみ滞留部分を細分化し、各ゾーンのごみ層厚に適した空気量をきめ細かく制御し、余剰空気低減及び熱分解の促進を行うと共に、この制御をこれから起こり得る事象を予測しながら先行して行うことを特徴とする。
【００３０】
このインテリジェント制御部６０を図２により説明する。
【００３１】
図２において、７４は、前件部としてのケース判断ニューラルネット、７５は正規化処理部、７６は後件部としてのファジーニューロ制御部、７７，７８は乗算器、７９は後件部としてのプロセスファジーモデル、８０，８１は積和算器、８２は評価変数への換算ニューロである。
【００３２】
先ず計測状態から入力される状態変数ｘ1 〜ｘ6 が、ケース判断ニューラルネット７４、後件部ファジーニューロ制御部７６、プロセスファジーモデル７９に入力される。
【００３３】
ここで、状態変数ｘ1 〜ｘ6 は、
ｘ1 ：焼却炉入口温度
ｘ2 ：ガス量
ｘ3 ：二次燃焼室温度
ｘ4 ：Ｏ2 濃度（二次空気）
ｘ5 ：ごみ層厚（Ａ〜Ｃゾーン）
ｘ6 ：後燃焼入口温度
である。
【００３４】
前件部であるケース判断ニューラルネット７４は、入力された状態変数ｘ1 〜ｘ6 から焼却炉の燃焼状態を推定し、これを正規化処理部７５で正規化処理して各状態を、後述の図４で説明する依存度ｗ1 〜ｗ9 に適合させる。
【００３５】
この依存度ｗは、ファジーニューロ制御部７６、乗算器７７，７８に入力される。
【００３６】
ファジーニューロ制御部７６では、各依存度ｗ1 〜ｗ9 ごとに、ファジールールに基づいて操作量を計算すると共に各状態の依存度で重みづけを行い、これらを積和算器８１に出力して制御出力ｕ1 〜ｕ9 とする。
【００３７】
この制御出力ｕ1 〜ｕ9 は、
ｕ1 ：一次空気量
ｕ2 ：二次空気量
ｕ3 ：後燃焼空気
ｕ4 ：Ａゾーン空気量
ｕ5 ：Ｂゾーン空気量
ｕ6 ：Ｃゾーン空気量
ｕ7 ：炉回転数
ｕ8 ：プッシャ周期
ｕ9 ：後燃速度
である。
【００３８】
また、ファジーニューロ制御部７６からの出力は、プロセスファジーモデル７９に入力され、ファジーニューロ制御部７６と同様の演算がなされ、乗算器８０で各依存度毎に重み付けがなされ、積和算器８０で積和演算がなされ評価変数への換算ニューロ８２にて評価８４がなされると共にファジーニューロ制御部７６を調整して、状態の依存度ｗ1 〜ｗ9 の変化に基づいた準最適制御がなされる。
【００３９】
次に、この状態の依存度ｗ1 〜ｗ9 を図４により説明する。
【００４０】
図４（ａ）は、焼却炉１０の燃焼分布と各ゾーンＡ〜Ｃのごみ層厚について１〜９のパターンに分けて状態の依存度ｗ1 〜ｗ9 としたもので、中央の通常状態（５）が燃焼分布が最適で、ごみ層厚が通常に分布した最適燃焼状態を示しており、この通常状態（５）より上方の状態（１，４，７）は、ごみ層厚が薄い状態を、また下方の状態（３，６，７）は逆にごみ層厚が厚い状態を示している。
【００４１】
また、通常状態（５）より左方の状態（１，２，３）は、燃焼分布が上流側のゾーンにあり、右方の状態（７，８，９）では燃焼分布が下流側のゾーンにある状態を示している。
【００４２】
図４（ｂ）は、最適燃焼状態（通常状態５）から乾燥したごみが投入され、燃え切りゾーンにごみが少なくなったときの回復動作を、本発明のニューロファジィ制御と従来の燃焼と蒸発量の同時制御を比較して示したもので、□で囲った数字は本発明の制御での軌跡Ｌａを示し、丸数字が従来の制御の軌跡Ｌｂを示している。
【００４３】
先ず、従来制御では、通常状態（５）から乾燥ごみが投入されると、通常状態（５）から丸数字１のように状態（２）に移動する。すなわち燃え始め点が炉の上流側に移動する。次に数十分後に炉出口側にごみがなくなり始め、過剰空気が増え、丸数字２で示した状態（１）となる。さらに、収熱量が低下するので、蒸発量を一定に保つために一次空気量を増加するが、炉出口側でのごみ切れが起こっているためさらに過剰空気になって温度が低下してしまい丸数字３で示した状態（４）となってしまい、この状態（４）で制御不能となって手動介入が行われてしまう。
【００４４】
これに対して、本発明のニューロファジィ制御では、通常の状態（５）から乾燥したごみが投入され、□で囲った数字１の状態（２）のとき、炉入口側での燃焼が発生しているので、炉入口側での燃焼により発熱が増したので、蒸発量を一定にするために一旦一次空気総量を減らす。
【００４５】
次にＣゾーンでごみが薄くなるため、蒸発量を一定にする制御により一次空気が過剰になる。そこで余剰空気を減らすため、Ｂゾーンへの空気を増やしてＣゾーンの空気を減らすと同時にごみを多めに投入し炉の回転を上げてＢゾーンのごみ層を厚くすると共にこの操作を繰り返す。。
【００４６】
このファジーニューロ制御を図３（ａ），図３（ｂ）により説明する。
【００４７】
上流側のごみ燃え始め点が、徐々に中程までに移動し適正な位置で燃焼を開始するようになり、新しい空気バランスで、通常の状態（５）に戻り最適な燃焼状態に戻ることが可能となる。
【００４８】
この図４（ｂ）で説明したニューロファジー制御を、図３（ａ）〜図３（ｃ）によりさらに詳しく説明する。
【００４９】
上述のように計測値としての状態変数ｘ1 〜ｘ6 がケース判断ニューラルネット７４に入力されると、各状態の依存度ｗ1 〜ｗ9 が推定される。
【００５０】
この状態の依存度ｗ1 〜ｗ9 の推定は、例えば通常状態（５）の依存度ｗ5 からＣゾーンに、ごみが少なくなったときは、状態（４）の依存度ｗ4 のごみ層厚が薄い状態に移行するので、ｗ5 ＝１．０、ｗ4 ＝０．０からｗ5 ＝０．０、ｗ4 ＝１．０となり、この他ｗ1 〜ｗ3 ，ｗ6 〜ｗ9 ＝０となる。
【００５１】
この状態（４）でのニューロファジー制御部での操作ルール（１〜９）７６Ｒは、図３（ｂ）に示したメンバシップ関数９０により、傾斜配分して空気配分を決定する。
【００５２】
Ｃゾーン空気→ＮＳ
Ｂゾーン空気→ＰＳ
回転数→ＰＳ
プッシャ周期→ＰＳ
ここで、メンバシップ関数９０の
ＮＢ：Negative Big    負大
ＮＳ：Negative Small  負小
ＺＯ：Zero            ０
ＰＳ：Positive Small  正小
ＰＢ：Positive Big    正大
各操作ルール７６Ｒでは、各操作に対してメンバシップ関数９０のＮＢ〜ＰＢが対応付けされ、各プロセス操作量（ｕ1 〜ｕ9 ）の−１００〜１００％の範囲と操作量がＺＯの最適範囲（−α〜＋α）が、焼却炉の固有の性能で、オペレータにより決定される。
【００５３】
各ルール７６Ｒでの操作量を計算した後に、乗算器７７で状態の重み付けが行われ、ｗ4 ＝１．０のときは、その重みづけ（×ｗ4 ) により、メンバシップ関数の各ＮＢ〜ＰＢが、傾斜配分により斜線で示した領域の重心位置から操作量が算出され、積和算器８１により各制御出力としてのプロセス操作量（ｕ1 〜ｕ9 ）が決定される。
【００５４】
すなわち、メンバシップ関数９０で空気操作量がＮＳならば、図３（ｃ）に示すように、傾斜配分により斜線で示した領域の重心位置から操作量が算出され、同様に各ルール７６Ｒで各操作量が算出され、これにより、状態がｗ4 のときには余剰空気量を減らすために、Ｃゾーンの空気が減るように操作量ｕ4 が下げられ、Ｂゾーン空気が増えるように操作量ｕ5 が上げられ、同時に回転数が増加するように操作量ｕ7 が増加され、プッシャ周期の操作量ｕ8 を増やして、ごみ層をなるべく早く元に戻すような制御がなされる。
【００５５】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、ごみ層厚と燃焼分布による複数のパターンを作成し、焼却炉の計測状態量から、パターンを推定し、最適燃焼のパターンから燃焼状態が外れたときに、早期に層の厚みを修正して燃焼を最適状態に戻して安定化することが可能となる。また燃焼と蒸発量を同時に安定化することは、相反する操作となるが、燃焼状態をパターン化することで、そのパターンに基づいた制御の組合せによって、ごみ質などの急激な変動に対して安定燃焼を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態を示す全体図である。
【図２】図１のインテリジェント制御部の詳細を示す図である。
【図３】図２のニューロファジィ制御を説明する図である。
【図４】本発明において、燃焼制御を行うためのパターンを示す図である。
【符号の説明】
１０  回転ストーカ式焼却炉
１２  給じんプッシャ
６０  インテリジェント制御部
６２  ニューロファジ制御部
【図１】
0004103235.tif 000003
【図２】
0004103235.tif 000004
【図３】
0004103235.tif 000005
【図４】
0004103235.tif 000006