(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
工業炉の炉壁内部に配置された温度検出手段により炉壁内部温度を計測し、
前記炉壁内部温度の計測値に基づいて、伝熱逆問題手法を用いて、炉内壁表面での温度及び熱流束とを算出し、
前記算出された炉内壁表面での温度及び熱流束と、炉形状と、工業炉内部に存在するガス及び炉内壁の輻射物性またはガス及び炉内壁及び粒子の輻射物性とから、輻射伝熱解析手法を用いて、工業炉内の雰囲気温度を推定することを特徴とする工業炉内部の雰囲気温度検知方法。
【請求項２】
前記炉壁内部温度を計測する際に、前記炉壁内部の炉壁厚み方向に異なる２位置で温度計測することを特徴とする請求項１に記載の雰囲気温度検知方法。
【請求項３】
前記炉壁内部温度を計測する際に、前記炉壁側表面における異なる複数の位置で温度計測することを特徴とする請求項１又は２に記載の雰囲気温度検知方法。
【請求項４】
工業炉の炉壁内部に配置された温度検出手段により炉壁内部温度を計測し、
前記炉壁内部温度の計測値に基づいて、伝熱逆問題手法を用いて、炉内壁表面での温度及び熱流束とを算出し、
前記算出された炉内壁表面での温度及び熱流束と、炉形状と、工業炉内部に存在するガス及び炉内壁の輻射物性またはガス及び炉内壁及び粒子の輻射物性とから、輻射伝熱解析手法を用いて、工業炉内の雰囲気温度を推定した後、
前記推定した工業炉内部の雰囲気温度に基づいて、工業炉内に供給する原料、燃料、及びガスの供給量のうちの少なくとも１つを制御することを特徴とする工業炉の燃焼制御方法。
【請求項５】
前記炉壁内部温度を計測する際に、前記炉壁内部の炉壁厚み方向に異なる２位置で温度計測することを特徴とする請求項４に記載の燃焼制御方法。
【請求項６】
前記炉壁内部温度を計測する際に、前記炉壁側表面における異なる複数の位置で温度計測することを特徴とする請求項４又は５に記載の燃焼制御方法。
【請求項７】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の工業炉内部の雰囲気温度検知方法の処理手順を実行させるためのプログラムを格納したコンピュータ読取り可能な記録媒体。
【請求項８】
請求項４〜６のいずれか１項に記載の工業炉の燃焼制御方法の処理手順を実行させるためのプログラムを格納したコンピュータ読取り可能な記録媒体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、工業炉内部の雰囲気温度の検知方法に関するもので、特に水蒸気や二酸化炭素、一酸化炭素などの輻射性ガスが存在する工業炉内部の燃焼ガス雰囲気の温度分布の検知方法に関するものである。また、本発明は、推定された雰囲気温度分布に基づき、種々の工業炉の目的に応じて、工業炉内の燃焼制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、操業中の工業炉内の温度は工業炉の壁面から炉内部に挿入した熱電対によって測定されている。この熱電対によって計測された温度は一般に炉温と呼ばれている。工業炉では必要に応じて複数の熱電対が炉内に設置されており、それらの炉温の指示値により、燃焼制御を行う。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、熱電対によって計測される温度は、雰囲気の温度だけでなく、炉壁の温度や被加熱物がある場合はその温度、さらに、粒子が存在する場合にはその温度の影響をも受ける。そのため、雰囲気の温度が同一であっても周囲の温度の状況により熱電対の指示値は異なってくる。逆にいえば、同じ炉温であっても炉壁温度や粒子温度の状況により雰囲気温度は異なる。
【０００４】
一般に工業炉内部の温度は１０００℃を超える高温場であるため、炉内の伝熱は輻射伝熱が支配的である。そのため、熱電対によって計測される温度は、熱電対先端部における、主に輻射伝熱の熱収支として定まる温度を示す。このことが炉温と雰囲気温度とが一対一に対応しない理由である。
【０００５】
また、熱電対は温度測定の応答性が遅い。熱電対は高温場に直接晒されるため、保護管によって覆われている。この保護管内部を熱が伝わるのに時間を要するため、実際の現象が生じた時刻から熱電対が検知する時刻との間には時間遅れが生じる。この時間遅れを抑制するためには、細い熱電対を保護管なしで用いる必要があるが、高温場に直接晒されるため熱電対の耐久性が悪化するため、実用上は不可能である。
【０００６】
上述のように炉温を計測しても雰囲気温度を空間的及び時間的に精度よく検知または推定することはできない。特に、炉内の温度を上下させるような操業が必要な場合は、炉温と雰囲気温度との関係は非常に複雑になる。そして多くの工業炉ではこのような非定常的な操業が行われている。そのため、従来技術では工業炉内での化学反応や加熱条件を高精度に制御することは困難である。
【０００７】
例えば、材料製造やガス製造するための工業炉では、その製造物の品質を確保するために雰囲気温度の制御が必要になるが、炉温による燃焼制御では、適正な雰囲気温度に制御することは難しい。また、被加熱物を所定の温度に加熱したり溶融させたりする炉では、生産量を確保した上で、できるだけ少ないエネルギー消費量でその目的を達成することが求められるが、炉温に基づく燃焼制御では適正なエネルギー供給量に設定することが難しい。
【０００８】
また、工業炉によっては炉内の温度が１５００℃を超えるものがある。そのような高温の炉内の温度を熱電対で計測するためには、貴金属を用いた高価な熱電対を用いる必要があることに加え、高温場に長時間晒されることにより熱電対の寿命が短いという問題がある。工業炉は数百から数千時間連続で運転することが多いことから、長時間に渡って高い測定精度で炉内の温度状況を検知する方法が必要となっている。
【０００９】
本発明は、主に、炉内伝熱が輻射伝熱に支配されるような高温場となる工業炉において、雰囲気温度を高い精度で検知すると同時に、長時間の操業においてもその検知性能が劣化しない工業炉内の雰囲気温度検知方法を提供することを目的としている。
【００１０】
また、本発明は上述の雰囲気温度検知方法を用いて推定された雰囲気温度に基づいて、原料および／または燃料および／またはガスの供給量を制御して、工業炉の燃料原単位の向上や品質の高い材料の安定製造が達成できる工業炉の燃焼制御方法を提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の工業炉内部の雰囲気温度検知方法は、工業炉の炉壁内部に配置された温度検出手段により炉壁内部温度を計測し、前記炉壁内部温度の計測値に基づいて、伝熱逆問題手法を用いて、炉内壁表面での温度及び熱流束とを算出し、前記算出された炉内壁表面での温度及び熱流束と、炉形状と、工業炉内部に存在するガス及び炉内壁の輻射物性またはガス及び炉内壁及び粒子の輻射物性とから、輻射伝熱解析手法を用いて、工業炉内の雰囲気温度を推定することを特徴とする。
【００１２】
本発明の雰囲気温度検知方法の一態様では、前記炉壁内部温度を計測する際に、前記炉壁内部の炉壁厚み方向に異なる２位置で温度計測する。
【００１３】
本発明の雰囲気温度検知方法の一態様では、前記炉壁内部温度を計測する際に、前記炉壁側表面における異なる複数の位置で温度計測する。
【００１４】
本発明の工業炉の燃焼制御方法は、工業炉の炉壁内部に配置された温度検出手段により炉壁内部温度を計測し、前記炉壁内部温度の計測値に基づいて、伝熱逆問題手法を用いて、炉内壁表面での温度及び熱流束とを算出し、前記算出された炉内壁表面での温度及び熱流束と、炉形状と、工業炉内部に存在するガス及び炉内壁の輻射物性またはガス及び炉内壁及び粒子の輻射物性とから、輻射伝熱解析手法を用いて、工業炉内の雰囲気温度を推定した後、前記推定した工業炉内部の雰囲気温度に基づいて、工業炉内に供給する原料、燃料、及びガスの供給量のうちの少なくとも１つを制御することを特徴とする。
【００１５】
本発明の燃焼制御方法の一態様では、前記炉壁内部温度を計測する際に、前記炉壁内部の炉壁厚み方向に異なる２位置で温度計測する。
【００１６】
本発明の燃焼制御方法の一態様では、前記炉壁内部温度を計測する際に、前記炉壁側表面における異なる複数の位置で温度計測する。
【００１７】
本発明の記憶媒体は、前記工業炉内部の雰囲気温度検知方法の処理手順を実行させるためのプログラムを格納したコンピュータ読取り可能なものである。
【００１８】
本発明の記憶媒体は、前記工業炉の燃焼制御方法の処理手順を実行させるためのプログラムを格納したコンピュータ読取り可能なものである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明が対象としている工業炉とは、具体的には、被加熱物を所定の温度に加熱するための加熱炉、固体物を溶融するための溶融炉、原料を燃焼雰囲気中に供給することにより原料を反応させて所望の物質を製造するための材料製造のための反応容器、石炭またはチャーまたはゴミまたはプラスチックを熱分解またはガス化するための熱分解炉またはガス化炉である。
【００２０】
本発明は、大きく分けて二つの要素から構成されている。一つめの要素は工業炉の炉壁に設置された温度検出手段により炉壁内部温度を計測し、計測値に基づいて、伝熱逆問題手法を使って、炉内壁表面での温度及び熱流束とを算出するものである。もう一つの要素は、この算出された炉内壁表面での温度及び熱流束と、工業炉の形状や内部に存在するガス、粒子及び炉内壁の輻射物性とから、輻射伝熱解析手法を使って、工業炉内の雰囲気温度を推定するものである。
【００２１】
以下にこれらの二つの要素ごとにその実施の形態について説明する。
【００２２】
一つ目の要素は、伝熱逆問題の考え方により、炉壁内部の温度計測値と炉壁の炉外側の伝熱境界条件とから、炉壁の炉内側の表面温度と熱流束とを推定するという方法を採用する。この伝熱逆問題解析手法により、炉壁内部に設置された温度検出位置から炉内側表面までの伝熱抵抗のために生じる温度検出手段の伝熱応答遅れを修正し、炉内側表面で起こっている伝熱の非定常温度変化を忠実に計算することができる。
【００２３】
炉壁内部の温度計測値は１点あれば伝熱逆問題演算が可能であるが、伝熱方向、すなわち炉壁の厚み方向に２点あれば炉外側に近い温度計測値を伝熱計算の境界条件として採用することにより、逆問題演算の精度が高まるため、炉壁内部の温度検出手段は伝熱方向に２点設置することが望ましい。
【００２４】
また、温度検出手段には一般に熱電対による温度計測法を用いるが、炉壁内部の温度を検出することができれば、温度検出手段は熱電対による温度計測法に限られるものではなく、例えば被加熱材が炉内に存在するような工業炉を対象とした場合、被加熱材の表面の温度および熱流束は固体内部の熱伝導解析により推定することができる。例えば、鋼材の連続加熱炉の操業ではプロセスコンピュータにより炉内に存在するすべての鋼材の温度をオンラインで算出している。
【００２５】
炉内側の表面に炉内の物質が付着したり、溶損したりすることにより、炉壁の厚みが変化する（炉内壁から炉内壁側の温度検出器までの距離が変化する）ような工業炉においても、炉内壁表面に付着する物質や炉壁の融点温度を炉内壁側の伝熱境界条件とすることにより伝熱逆問題の手法が適用できる。
【００２６】
本発明では、James V. Beckの非線形伝熱逆問題の手法（J. V. Beck, Int. J. Mass Transfer, vol.13, pp703-716, 1970）を適用し、非定常伝熱方程式の数値解より、工業炉の炉壁内部に設置された温度検出手段による温度計測値を最もよく説明できる炉内側の表面温度と熱流束とを時系列的に逐次求め、非定常伝熱差分方程式の解として求められる工業炉の炉壁内部の温度分布を決定している。
【００２７】
図１は工業炉の炉壁内部の熱移動を表す概念図である。工業炉内部の高温ガスなどから主として輻射伝熱により炉内側表面２に熱エネルギーが流入する。炉内側表面２から流入した熱エネルギーは、炉壁３内を通過して炉外側表面４から失われる。
【００２８】
図１において、伝熱方向であるｘ方向５の伝熱を考えると、炉壁内部の熱移動を支配する方程式は以下の式で表せる。
【００２９】
【数１】
0004272343.tif 000002
【００３０】
ここで、Ｔは炉壁３内部の絶対温度、ρは炉壁３の密度、ｃpは炉壁３の比熱、λは炉壁３の熱伝導率、ｔは時間、ｘは炉内側表面２から炉壁３内部の任意の位置までの距離、Ｌは炉壁３の厚み、σはステファン−ボルツマン定数、εwは炉外側表面４の表面放射率、ｈwは炉外側表面４での対流熱伝達係数、Ｔwは炉外側周囲の絶対温度、Ｔinitは炉壁内部初期の絶対温度である。
【００３１】
式（１）、（２）、（３）より計算した時刻ｔ、温度計測位置における炉壁内部点温度Ｔ（Ｅ，ｔ）と計測温度Ｙ（ｔ）の２乗誤差を以下の式（４）で定義し、これが最小となるような炉内側表面での温度と熱流束
【００３２】
【数２】
0004272343.tif 000003
【００３３】
を式（５）により決定する。
【００３４】
【数３】
0004272343.tif 000004
【００３５】
なお、炉壁３は複数の断熱材を多層にした構造でも、一つの材質のみで構成されていてもどちらでもよい。
【００３６】
また、上述の手法により炉内側表面の温度及び熱流束を推定する位置の数は１つ以上、いくつであっても構わない。工業炉を操業するにあたって必要な数だけ設けることができる。温度及び熱流束を推定する表面点の数が多いほど、雰囲気温度分布を高い空間分解能で検知することが可能である。
【００３７】
二つ目の要素は、上記手法で推定した炉内壁表面温度及び熱流束と、炉形状び炉内輻射伝熱に関する物性値とから、輻射伝熱解析の手法により、炉内雰囲気の温度を決定するという手法を用いる。
【００３８】
本発明では、工業炉内を輻射伝熱解析手法の一つであるゾーン法（H. C. Hottel and E. S. Cohen, AIChE Journal, vol.4, pp.3-14, 1958）の概念を適用して、雰囲気温度分布を求める。図２は雰囲気温度分布の計測対象となる工業炉内をゾーンに分割した一例を示す模式図である。図２では二次元的な表記になっているが、実際の工業炉では三次元的な分割を用いることが望ましい。
【００３９】
図２では炉内側表面ゾーンWを６つに（W１〜W６）、雰囲気ゾーンGを６つに（G１〜G６）分割している。それぞれの炉内側表面ゾーンWには一つの炉内壁温度が定義される。また、それぞれの雰囲気ゾーンGには一つの雰囲気温度が定義される。炉内側表面ゾーンWの表面温度と表面熱流束は、それぞれの炉内側表面ゾーンWに対応する位置の炉壁内部に温度検出器１１〜１６を設置することにより（図２では１１〜１６はそれぞれ１つのみ図示してあるが、これは炉壁内部の温度測定点が１点であることを意味するものではなく、伝熱方向に２つの測定点を持つ場合も図２に含まれる）、前述の伝熱逆問題を用いた手法から算出される。このとき、雰囲気ゾーンGの温度は輻射伝熱の理論から式（６）、（７）を用いて算出することができる。
【００４０】
【数４】
0004272343.tif 000005
【００４１】
ここに、ｑwは炉内側表面の表面熱流束、Ｅbは炉内側表面及び雰囲気の黒体射出能であり絶対温度との関係は式（７）の通り、εwは炉内側表面の表面放射率、σはステファン−ボルツマン定数、Ｆa→bはガス輻射を考慮したゾーンａからゾーンｂへの形態係数である。
【００４２】
式（６）中の炉内側表面の表面放射率εwは炉内側表面の材質や表面状態から知ることができる。ガス輻射を考慮したゾーンａからゾーンｂへの形態係数Ｆa→bは雰囲気の輻射吸収係数及び炉形状から決定することができる。
【００４３】
雰囲気中に粒子が存在する場合には、雰囲気ゾーンG中の粒子密度と粒子の放射率を考慮した形態係数Ｆa→bを算出しておけばよい。その際、粒子と雰囲気や粒子と壁面との間の形態係数はそれぞれ雰囲気と雰囲気、雰囲気と壁面との間の形態係数に加算して考えればよい。工業炉中に存在する粒子は一般に数百ミクロン以下の微小な粒子であるので、その温度は周囲のガス温度とほぼ一致しているとみなすことができることが多いため、粒子温度に対する黒体射出能Ｅb,pを雰囲気の黒体射出能Ｅb,gと一致させて考えることができる。なお、必要があれば粒子温度に対する黒体射出能Ｅb,pを雰囲気の黒体射出能Ｅb,gとを個別に考えてもよい。
【００４４】
これら炉内側表面の放射率や粒子の放射率はそれぞれの材質や表面性状によって決まっており、これらは輻射伝熱に関する書籍や便覧から得ることができる。
【００４５】
炉内側表面の表面熱流束ｑwと炉内側表面の黒体射出能Ｅb,wは前述の伝熱逆問題手法の結果として算出されている。すなわち、図２に示すようなゾーン分割のもとでは、式（６）であらわされる６本の方程式中の未知数はG１〜G６の６個の雰囲気の黒体射出能Ｅb,gとなっている。したがって、雰囲気の黒体射出能
【００４６】
【数５】
0004272343.tif 000006
【００４７】
は式（６）で示す６本の方程式を連立させて解くことにより演算が可能である。
さらに、式（７）から雰囲気ゾーンG１〜G６の温度を決定することができる。
【００４８】
伝熱逆問題により表面温度と熱流束とを求める炉内側表面ゾーンWの数が雰囲気ゾーンGの数より少ない場合は、次のような処理をおこなう。図３はそのような場合のゾーン分割の模式図である。図３の例では炉壁内部に温度検出手段を設置して炉内側表面の温度及び熱流束が得られる点数はW１〜W６の６点であるのに対して、雰囲気ゾーンGはG１〜G８の８つある。このような場合は、例えば、炉内側表面W２とW３での表面温度及び熱流束からW７を補間により推定する。同様にW５とW６での表面温度及び熱流束からW８を補間により推定する。そして、炉内側表面ゾーンWの分割を再構成する。この処理により、式（６）で示す方程式は８本、未知数は８個となり雰囲気ゾーンG１〜G８の温度を決定することが可能となる。
【００４９】
また、伝熱逆問題により表面温度と熱流束とを求める炉内側表面ゾーンWの数が雰囲気ゾーンGの数より多い場合は、式（６）で示す方程式の数が未知数よりも多くなるため、数学的に一意に雰囲気ゾーンGの温度を得ることができない。この場合は、方程式の数と未知数の数が同じになるように、炉内側表面ゾーンWでの温度及び熱流束の情報を間引き、それぞれの雰囲気ゾーンGの温度を仮に決定する。このようなそれぞれの雰囲気ゾーンGの温度の仮決定を種々の間引き方に対して行い、得られた複数の仮の雰囲気ゾーンGの温度の平均化処理を行い最終的にそれぞれの雰囲気ゾーンGの温度が決定できる。
【００５０】
この際、平均化処理の方法としては単純算術平均化処理や仮の雰囲気ゾーンGの温度と最終的な雰囲気ゾーンGの温度との誤差の総和が最小となるような平均化処理などを用いることができる。
【００５１】
なお、炉内に被加熱材が存在するような工業炉を対象とした場合は、被加熱材の表面温度および熱流束を未知数として扱うこともでき、その場合は、雰囲気ゾーンの数と未知情報として扱われる炉内側表面ゾーンの数の和が、伝熱逆問題手法により表面温度と熱流束が得られる炉内側表面ゾーンの数と一致するようにゾーン分割を構成すればよい。
【００５２】
また、式（６）中に現れるガス輻射を考慮したゾーンａからゾーンｂへの形態係数Ｆa→bは複数の式（６）を連立して解く前に、予め算出しておくことができる。ガス輻射を考慮したゾーンａからゾーンｂへの形態係数Ｆa→bは工業炉の形状と雰囲気の輻射吸収係数とから、例えば、モンテカルロ法（M. F. Modest, Radiative Heat Transfer, p.669, 1993）などを適用することにより算出することができる。工業炉の形状が比較的単純なものであれば、解析的に算出することもできる。炉形状は操業中に変わることはない。
【００５３】
雰囲気の輻射吸収係数は雰囲気の温度、雰囲気の輻射性ガス（主に水蒸気、二酸化炭素、一酸化炭素）の濃度、圧力によって変化する。雰囲気が非輻射性ガス（例えば、酸素、窒素）のみから構成されている場合は輻射吸収係数をゼロとすればよい。予め種々の雰囲気の輻射吸収係数の値に対するガス輻射を考慮したゾーンａからゾーンｂへの形態係数Ｆa→bを計算しておき、雰囲気温度を上述の手法に基づいて検知する際には、工業炉内の雰囲気温度、雰囲気中の輻射性ガスの濃度、圧力に応じて適切な輻射吸収係数におけるガス輻射を考慮したゾーンａからゾーンｂへの形態係数Ｆa→bを用いて式（６）を解けばよい。
【００５４】
ただし、雰囲気の輻射吸収係数は雰囲気の温度の関数であるので、式（６）を解く際には雰囲気温度と雰囲気の輻射吸収係数の整合性がとれるまで収束演算をする必要がある。
【００５５】
本発明における輻射伝熱解析手法は、上述の手法に限られるものではなく、Discrete Transfer法（T. M. Shah and A. L. Ren, Numerical Heat Transfer, vol.8, no. 2, pp.149-167, 1985） やDiscrete Ordinate法（J. S. Truelove, J. Heat Transfer, vol.109, no.4, pp.1048-1051, 1987）などの他の輻射伝熱解析手法を用いてもよい。
【００５６】
ここまでに述べたような手法により、工業炉における雰囲気温度を検知することができる。図４は、本発明により雰囲気温度を検知するための処理のフロー図である。
【００５７】
まず、炉内の雰囲気温度の検知に先立ち、炉形状と仮定した雰囲気の輻射吸収係数とから定まるガス輻射を考慮したゾーンａからゾーンｂへの形態係数Ｆa→bを計算しておき、その結果をコンピュータの記憶装置に格納しておく。雰囲気の輻射吸収係数は対象としている工業炉において取り得る範囲内で複数仮定し、それぞれの輻射吸収係数に対するガス輻射を考慮したゾーンａからゾーンｂへの形態係数Ｆa→bを計算しておき、雰囲気温度を求める際には適切な輻射吸収係数に対するガス輻射を考慮したゾーンａからゾーンｂへの形態係数Ｆa→bを用いたり、補間により求められたガス輻射を考慮したゾーンａからゾーンｂへの形態係数Ｆa→bを用いたりすることができる。
【００５８】
工業炉の操業中の雰囲気温度を検知するためにはコンピュータにて動作するプログラムを用いる。以下にこのプログラムが行う処理を順を追って説明する。
【００５９】
まず、温度検出器が設けられた炉壁の密度、比熱、熱伝導率のデータと炉壁内部に設置された温度検出器の設置位置情報を読み込む。炉壁の熱物性値は、熱物性値データ集や製造会社が発行するカタログから知ることができる。炉壁内部に設置された温度検出器の設置位置情報は、温度検出器を取り付ける際に測定しておけばよい。
【００６０】
次に、操業中の雰囲気ガスの輻射吸収係数の変動が雰囲気ガス温度の推定精度に及ぼす影響が工業炉の操業にとって許容範囲内にある場合は、工業炉内の輻射性ガス濃度と圧力の情報を読み込む。これらの情報は理論的な値を用いてもよいし、また、事前に測定した値を用いてもよい。操業中に変動する雰囲気ガスの輻射吸収係数の変動が雰囲気ガス温度の推定精度に無視できない影響を及ぼす場合には、ここではこの処理は行わない（パターン１）。
【００６１】
次に、初期化処理を行う。初期化処理では、炉壁内部の初期温度分布と時刻を与える。工業炉が立ちあがる際の初期の炉壁内部温度分布は周囲温度で一定とすればよい。また、操業開始後にこのプログラムが起動された場合は、その時刻での温度検出器での測定値を内挿および外挿して炉壁内部温度分布を与えればよい。ただしこの場合、プログラム実行直後の炉内側表面温度及び熱流束の推定値は誤差が大きくなる。そのため、プログラムは操業開始前から起動しておくことが望ましい。
【００６２】
ここまでで雰囲気温度検知のための準備処理が終わる。その後、時間進行の処理ルーチンに入り、雰囲気温度の検知処理が開始される。現時刻を炉壁内部に設置した温度検出器から計測値を取得するサンプリング時間間隔だけ進める。サンプリング時間は工業炉の形態や操業の形態によって自由にとることができるが、数秒から数分間隔とすることがほとんどである。
【００６３】
次に、現時刻におけるすべての温度検出器の計測値を取り込む。取り込んだ計測値に基づいて、伝熱逆問題の手法により、算出すべきすべての炉内側表面での温度と熱流束を算出する。
【００６４】
次に、雰囲気温度分布を推定する。前時刻の雰囲気温度分布を収束計算開始時の推定温度分布にすればよい。ただし、一番はじめの時間進行では周囲温度を推定温度分布にすればよい。式（６）に基づく輻射伝熱計算においては、収束計算の初期値は最終の計算結果に何ら影響を及ぼさない。しかし、収束計算に要する時間を短縮するために、収束計算開始時の推定温度分布は最終の雰囲気温度分布に近いものを選ぶことが望ましく、その意味から前時刻の雰囲気温度分布を収束計算開始時の推定温度分布とすることが妥当である。
【００６５】
次に、操業中に雰囲気ガスの輻射吸収係数の変動が雰囲気ガス温度の推定値に無視できない影響を及ぼすのであれば、ここで、雰囲気ガス中の輻射ガス濃度と圧力の測定値を読み込む（パターン２）。これらは連続式のガスクロマトグラフィーや圧力計を用いて測定すればよい。操業中の雰囲気の輻射吸収係数の変動が雰囲気ガス温度の推定結果への影響が無視できる場合には、操業中でこれらの値が不変として時間進行ルーチンに入る前にデータが読み込まれているので、ここではこの処理を行わない。
【００６６】
対象とする工業炉や操業条件によって雰囲気ガスの輻射吸収係数の変動幅や雰囲気温度の許容推定精度が異なるので、雰囲気ガス中の輻射ガス濃度と圧力の測定値を読み込むタイミングは一概にどちらがよいとは言えないが、一般的には雰囲気ガス中の輻射ガス濃度と圧力とが一定とした場合の雰囲気温度推定値と変動するとした場合の雰囲気温度推定値との差が１０℃以下になるような処理をすることが望ましい。
【００６７】
次に、ゾーンａからゾーンｂへの形態係数Ｆa→bを設定する。先に決定されている雰囲気温度分布の推定値、雰囲気の輻射性ガス濃度、圧力から雰囲気の輻射吸収係数を求め、適切な形態係数Ｆa→bの組を算出もしくは選択する。輻射吸収係数と雰囲気の温度、輻射性ガス濃度、圧力との関係は一意に決まる手法であれば、理論的な関係式を用いてもよいし、実験的な関係式から求めてもよい。
【００６８】
次に、式（６）を用いて雰囲気温度分布を算出する。算出された雰囲気温度分布が推定していた雰囲気温度分布と乖離している場合は、推定雰囲気温度分布として新たに算出した雰囲気温度分布を採用して、上述の処理を繰り返す。算出された雰囲気温度分布と推定していた雰囲気温度分布との差が許容値より小さくなった時点でこの繰り返し処理を終了し、最新の雰囲気温度分布が現時刻の雰囲気温度分布となる。
【００６９】
次に、算出した雰囲気温度分布の結果の全部または一部を出力する。出力先は、操業状況を監視するための画面、電子データの記憶装置、印刷された紙など何でもよく、また、これらのうちの複数の出力先に結果を出力してもよい。また、出力情報は算出した雰囲気温度分布の結果に限られるものではなく、必要に応じて時刻、炉内側表面ゾーンの温度や熱流束、温度検出器での計測値、雰囲気中の各種ガスの濃度、圧力などとともに出力することができる。
【００７０】
上述の処理を操業中連続的に行うことで、本発明による工業炉における雰囲気温度分布を空間的及び時間的に高い精度で推定できる。
【００７１】
また、上述の本発明による工業炉における雰囲気温度の検知方法により得られた雰囲気温度分布から工業炉内に供給する原料、燃料、及びガスの供給量のうちの少なくとも１つを変更することができる。
【００７２】
加熱炉や溶融炉においては被加熱材を所望の温度に加熱するための雰囲気温度分布や被加熱材を溶融するための雰囲気温度分布を燃料と燃焼用空気量を変更することによって形成することができる。本発明による方法で推定できる雰囲気温度分布は熱電対による測定炉温に比べて応答性が高いため、異なる目標加熱温度の被加熱材が混在したり処理量が時々刻々変化する場合でも、加熱炉や溶融炉に適正な雰囲気温度分布を従来よりも迅速に形成することができ、加熱や溶融の燃料原単位の向上が図れる。
【００７３】
材料製造のための反応容器においては、所望の品質を確保するための雰囲気温度分布を原料や原料の改質に必要なガス、反応温度を維持するために必要な燃料やガスの供給量を変更することによって形成することができる。適正な反応条件に迅速かつ高い精度で設定できるため、歩留まりの向上、製造物の品質の安定化を図ることができる。
【００７４】
石炭またはチャーまたはゴミまたはプラスチックのガス化炉や熱分解炉においては、所望の回収物（例えば発生ガスやタール）品質を確保するための雰囲気温度分布をこれらの原料や酸化剤の供給量を変更するによって形成することができる。また、一般に、ガス化炉は１５００℃程度の高温で操業されるが、本発明の方法によれば温度検出手段の劣化や不能を避けることができる。そのため、回収物の品質の安定化や操業の安定化が図れる。
【００７５】
なお、これらの物質供給量の変更はプログラムを用いた自動制御であっても、手動制御であってもよい。
【００７６】
【実施例】
本発明による雰囲気温度検知方法を鋼材の連続加熱炉に適用した実施例について説明する。鋼材の連続加熱炉の天井壁内部および炉床壁内部および側壁内部に図５に示すように熱電対Ｔ１とＴ２を埋設した。Ｔ１の熱電対は伝熱逆問題により天井壁表面および側壁表面の温度と熱流束とを算出するための測定値であり、Ｔ２の熱電対はこの伝熱逆問題の炉外側境界条件を与えるための測定値である。
【００７７】
図５に示したような熱電対の設置は加熱炉の各燃焼制御帯（燃焼バーナを持つ帯）の天井および炉床にそれぞれ炉幅方向３箇所、炉長方向２箇所の合計６箇所、上部帯と下部帯の両側壁の炉長方向にそれぞれ２箇所の合計８箇所に埋設した。本発明を実施した鋼材の連続加熱炉には上部帯および下部帯にそれぞれ３つの燃焼制御帯、すなわち予熱帯、加熱帯、均熱帯があるので、熱電対は（６＋６＋８）×３＝６０箇所に１２０本埋設されている。
【００７８】
これらの本発明による雰囲気温度検知方法を実現するために埋設された熱電対による計測値は図４に示したフロー図の処理を行うプログラムが実行できるコンピュータに出力されており、計測値のサンプリング時間は３０秒である。
【００７９】
各燃焼制御帯は図６に示すようにゾーン分割した。ただし、図６では二次元的に図示しているが、実際のゾーン分割は紙面垂直方向に２分割されており、ゾーン分割は三次元的になっている。すなわち、埋設された熱電対による計測情報から炉内側表面の温度と熱流束が伝熱逆問題手法により算出される炉内側表面ゾーンは上部帯、下部帯それぞれ１０ゾーン、雰囲気ゾーンはそれぞれ８ゾーン、被加熱材の表面ゾーンはそれぞれ２ゾーンとなっている。この系では式（７）で表される連立方程式は上部帯、下部帯それぞれ１２本の式からなっており（式の数は炉内側表面ゾーンの数になる）、未知数の数はそれぞれ１２個（雰囲気ゾーンの温度８個と被加熱材の表面ゾーンの温度２個および熱流束２個）である。したがって、上部帯、下部帯それぞれについて連立方程式を解くことにより、各燃焼制御帯の雰囲気温度と被加熱物表面温度および熱流束が算出できる。
【００８０】
図７は、上部加熱帯天井の炉壁内部に埋設された熱電対による計測値とその計測情報により伝熱逆問題手法を用いて算出された表面温度、さらに、従来技術による炉温の測定値の時間変動の一例を示している。
【００８１】
従来技術による炉温測定では、炉温が１４７０℃程度で熱電対が断線して計測が不能になった。炉温計測用の熱電対の断線後、熱電対を取り付け変えたが、その作業に約２０分を要し、その間は当該熱電対位置に対応する燃焼制御帯の燃焼制御は手動となった。
【００８２】
それに対して、本発明による雰囲気温度検知方法では、炉温に比べて指示温度が低い炉壁内部に熱電対が埋設されているため、従来技術で生じたような熱電対の不具合はなく、時間的に中断することなく温度測定がなされた。そのため、本発明による雰囲気温度検知方法を適用することで、連続的に燃焼制御を自動で行うことができた。
【００８３】
また、本発明による雰囲気温度検知方法を適用して得られた雰囲気温度に基づく燃焼制御を実施した結果、鋼材を加熱するために必要な燃料発熱量は、鋼材１トンあたり430kJであった。これに対して、従来技術による炉温に基づく燃焼制御での推定値は442kJとなり、約3%の燃料原単位の向上効果が得られた。
【００８４】
ここで、上述した実施形態の機能を実現するために各種のデバイスを動作させるように、前記各種デバイスと接続された装置あるいはシステム内のコンピュータに対し、実施形態の機能を実現するためのソフトウェアのプログラムコードを供給し、そのシステムあるいは装置のコンピュータ（ＣＰＵあるいはＭＰＵ）に格納されたプログラムに従って前記各種デバイスを動作させることによって実施したものも、本発明の範疇に含まれる。
【００８５】
例えば、図４に示した工業炉における雰囲気温度検知方法の処理手順を実行するプログラムを格納した記憶媒体、雰囲気温度検知方法の処理手順を含む工業炉の燃焼制御方法を実現する処理手順を実行するプログラムを格納した記憶媒体も、本発明の範疇に含まれる。
【００８６】
また、この場合、上記ソフトウェアのプログラムコード自体が上述した実施形態の機能を実現することになり、そのプログラムコード自体、およびそのプログラムコードをコンピュータに供給するための手段、例えばかかるプログラムコードを格納した記憶媒体は本発明を構成する。かかるプログラムコードを記憶する記憶媒体としては、例えばフロッピーディスク、ハードディスク、光ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、磁気テープ、不揮発性のメモリカード、ＲＯＭ等を用いることができる。
【００８７】
また、コンピュータが供給されたプログラムコードを実行することにより、上述の実施形態の機能が実現されるだけでなく、そのプログラムコードがコンピュータにおいて稼働しているＯＳ（オペレーティングシステム）あるいは他のアプリケーションソフト等の共同して上述の実施形態の機能が実現される場合にもかかるプログラムコードは本発明の実施形態に含まれることは言うまでもない。
【００８８】
更に、供給されたプログラムコードがコンピュータの機能拡張ボードやコンピュータに接続された機能拡張ユニットに備わるメモリに格納された後、そのプログラムの指示に基づいてその機能拡張ボードや機能拡張ユニットに備わるＣＰＵ等が実際の処理の一部または全部を行い、その処理によって上述した実施形態の機能が実現される場合にも本発明に含まれる。
【００８９】
【発明の効果】
本発明によれば、工業炉内の雰囲気温度を空間的及び時間的に高い精度で検知することを可能にした。本発明による工業炉内の雰囲気温度分布検知方法により得られた雰囲気温度分布の検知結果に基づき、各種工業炉への物質投入量を制御することによって、工業炉の燃料原単位の向上や品質の高い材料を安定的に製造することができる。同時に、高温の工業炉雰囲気における長時間操業においても、雰囲気温度の検知性能が劣化しない。
【図面の簡単な説明】
【図１】工業炉の炉壁内部の熱移動を表す概念図である。
【図２】雰囲気温度分布の計測対象となる工業炉内をゾーンに分割した一例を示す模式図である。
【図３】伝熱逆問題により表面温度と熱流束とを求める表面ゾーンの数が雰囲気ゾーンの数より少ない場合のゾーン分割の模式図である。
【図４】本発明により雰囲気温度を検知するための処理のフロー図である。
【図５】本発明の実施例における炉壁内部での熱電対設置位置を示す模式図である。
【図６】本発明の実施例におけるゾーン分割を示す模式図である。
【図７】本発明の実施例における上部加熱帯天井の炉壁内部に埋設された熱電対による計測値とその計測情報により伝熱逆問題手法を用いて算出された表面温度、さらに、従来技術による炉温の測定値の時間変動を示す特性図である。
【符号の説明】
１、１１，１２，１３，１４、１５、１６  …  温度検出器
２  …  炉壁の炉内側表面
３  …  炉壁内部
４  …  炉壁の炉外側表面
５  …  炉壁内部のｘ方向座標
G  …  雰囲気ゾーン
Ｔ１、Ｔ２  …  熱電対
W  …  炉内側表面ゾーン
【図１】
0004272343.tif 000007
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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