(57)【要約】【課題】循環流動層式焼却炉における多種・多様燃料変更・変動や焼却負荷変更時に発生する炉内温度分布変更を抑制し、局所高温化による設備トラブル・操業トラブルを未然に防止することを実現する循環流動層式焼却炉の温度制御方法を提供する。【解決手段】循環流動層式焼却炉において、前記焼却炉の焼却負荷・使用する燃料配合・性状に応じて、前記炉内各部温度の目標値、もしくは制約値を自動的にオンラインで設定し、設定された前記炉内各部温度の目標値、制約値の少なくとも一方に基づいて、前記焼却炉に供給される一次燃焼空気量および二次燃焼空気量を調整することを特徴とする循環流動層式焼却炉の温度制御方法。【選択図】図２
2009257731.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
循環流動層式焼却炉において、前記焼却炉の焼却負荷・使用する燃料配合・性状に応じて、前記炉内各部温度の目標値、もしくは制約値を自動的にオンラインで設定し、設定された前記炉内各部温度の目標値、制約値の少なくとも一方に基づいて、前記焼却炉に供給される一次燃焼空気量および二次燃焼空気量を調整することを特徴とする循環流動層式焼却炉の温度制御方法。
【請求項２】
過去炉内温度実績値を用いて、前記炉内各部温度の目標値、もしくは制約値をオンラインで補正することを特徴とする請求項１に記載の循環流動層式焼却炉の温度制御方法。
【請求項３】
一次燃焼空気量および二次燃焼空気量の調整量に制約を設けることを特徴とする請求項１または２に記載の循環流動層式焼却炉の温度制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、循環流動層式焼却炉（循環流動層型ボイラ）の温度制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
循環流動層式焼却炉（循環流動層型ボイラ）は、代表例を図１に示すように、処理対象物（燃料）を燃焼或いはガス化させる燃焼炉１と、流動媒体を捕集して燃焼炉１へと戻すサイクロン２とで主に構成されており、燃焼炉１内の下部には、燃焼炉１内に一次燃焼空気を吹き込む一次燃焼空気吹き込み口３と、送風ファン４からの空気流量を制御する一次燃焼空気用ダンパ（弁）４ａが設けられている。また、燃焼炉１の側壁には、燃焼炉１内に二次燃焼空気を吹き込むための二次燃焼空気吹き込み口５と、送風ファン４からの空気流量を制御する二次燃焼空気用ダンパ（弁）４ｂと、燃焼炉１内に処理対象物を投入するための投入口６と設けられている。
【０００３】
このような循環流動層式焼却炉は、微粉炭燃焼に適した焼却炉として開発されたものであるが、石油代替ボイラとして、近年、多様な燃料の燃焼に展開されている。例えば、使用される燃料として、バイオマス、ＲＰＦ、廃タイヤ、スラッジ、脱水汚泥が挙げられる。
【０００４】
ただし、このように燃料が多種多様になると、燃料毎の成分、組織、保有熱量などが異なることによる乾燥、乾留、燃焼速度の相違が発生するために、燃焼炉内でのガス流れ方向の主燃焼位置（主に燃料が燃焼する位置）や燃えきり位置（ガス、固定炭素分の燃焼が完了する位置）が変動し、炉内温度バランス（炉内温度分布）が変化する。また、燃料種類によっては、入荷状況によって、燃焼負荷（総投入燃料カロリー）を変更せざるを得ない場合があり、その場合も前述と同様に炉内温度バランスが変化する。その結果、当初予想していなかった炉内個所が高温化して、設備トラブルに繋がる危険性がある。
【０００５】
そのため、特許文献１では、ガス燃焼の燃えきり点位置近くのサイクロン出口温度の温度制御を行うことで、更に下流に位置する排出ガス処理部の高温化による設備トラブルを防止しようとしている。
【特許文献１】特開２０００−１８５４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献1のようにサイクロン出口温度のみで制御していると、燃料性状によっては、炉全体の熱バランスが炉ガス流れ後方に偏った状態が継続し、ボイラが設置されている場合、炉体でバランス良く収熱できなくなる。
【０００７】
また、サイクロン出口温度のみを考慮していると、カロリーが高く、燃焼速度が速い燃料が入った場合、ガス流れ前方の燃料投入口付近上部の焼却炉主燃焼位置での局所高温に対応できない場合があり、高温（例えば、温度計測定値＞９５０℃）の時間が継続すると、灰分が固着することでクリンカが発生する確率が高い。こうして発生したクリンカが炉下部に落下すると、操業を停止して、除去しなければならない。
【０００８】
また、多種・多性状の燃料を使用する場合、燃料の配合・性状によっても炉内温度および温度バランスが大きく変化する。配合の変更、燃料の性状変動などにより、カロリーが高く、かつ燃焼速度が速い燃料が投入された場合、前述と同様に燃料投入部に近いボイラ中部温度が上昇し、９５０℃近くまで上昇するケースがある。炉内の温度分布むらを考慮すると、局所的に１０００℃以上に近くになっている可能性があり、クリンカ発生の危険性がある。
【０００９】
従来の循環流動層式焼却炉では、微粉炭や汚泥などを単一種類燃料で使用、または含水率などの性状分布が小さい燃料、例えば微粉炭やプラスチック系のＲＰＦを混合して使用していた。そのため、燃料主燃焼位置の変動による加熱や固着物による設備負荷は小さく、上記の問題は顕在化しなかった。そのため、従来の制御系では、炉内各部の温度分布をトータルで考慮した制御にはなっていない。また、前述特許文献１の制御系では、サイクロン出口温度などの設定値は上限制約値であるため、焼却負荷、燃料配合、炉内温度バランス状態によらず、一定値を用いていた。
【００１０】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、循環流動層式焼却炉における多種・多様燃料変更・変動や焼却負荷変更時に発生する炉内温度分布変更を抑制し、局所高温化による設備トラブル・操業トラブルを未然に防止することを実現する循環流動層式焼却炉の温度制御方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本来は、燃料配合、燃料性状、焼却負荷によらず、各部温度は一定の温度に追従させるのが理想的であるが、炉内部形状・操作能力から考えると現実的ではない。また無理に操作量を大きく変化させると、燃焼のバランスを大きく崩す。例えば、一次燃焼空気を大幅に減らすと燃焼・流動砂の流動が減少し、残渣大・乾留速度減が発生する。また二次燃焼空気を大幅に減らすと、ガス攪拌効果が低減し、未燃ガス・残渣増・ＮＯｘ増に繋がる。そのため、設備負荷を軽減し、安定した操業を実現するためには、燃料・焼却負荷に応じた目標温度を設定することが必要となる。
【００１２】
このような考え方に基づいて、本発明は、上記の課題を解決するために、以下のような特徴を有している。
【００１３】
［１］循環流動層式焼却炉において、前記焼却炉の焼却負荷・使用する燃料配合・性状に応じて、前記炉内各部温度の目標値、もしくは制約値を自動的にオンラインで設定し、設定された前記炉内各部温度の目標値、制約値の少なくとも一方に基づいて、前記焼却炉に供給される一次燃焼空気量および二次燃焼空気量を調整することを特徴とする循環流動層式焼却炉の温度制御方法。
【００１４】
［２］過去炉内温度実績値を用いて、前記炉内各部温度の目標値、もしくは制約値をオンラインで補正することを特徴とする前記［１］に記載の循環流動層式焼却炉の温度制御方法。
【００１５】
また、前記［１］または［２］を実プラントに適用した場合に残渣・未燃ガス分が発生したケースに備えて、一次燃焼空気量および二次燃焼空気量の上下限流量を設定・調整するため、以下のような特徴も有している。
【００１６】
［３］一次燃焼空気量および二次燃焼空気量の調整量に制約を設けることを特徴とする前記［１］または［２］に記載の循環流動層式焼却炉の温度制御方法。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、炉内各部の目標温度をオンラインで自動的に決定し、それに追従するように制御することで、循環流動層式焼却炉における多種・多様燃料変更・変動や焼却負荷変更時に発生する炉内温度分布変更を抑制し、局所高温化による設備トラブル・操業トラブルを未然に防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。なお、この実施形態では、２種類の燃料を使用する循環流動層式焼却炉を対象にした場合について説明するが、以下の説明は、３種類以上の燃料を使用する循環流動層式焼却炉であっても同様である。
【００１９】
まず、図１を用いて、この実施形態において対象とする循環流動層式焼却炉のプロセスについて説明する。
【００２０】
循環流動層式焼却炉は、処理対象物（燃料）を燃焼或いはガス化させる燃焼炉１と、流動媒体を捕集して燃焼炉１へと戻すサイクロン２とで主に構成されており、燃焼炉１内の下部には、燃焼炉１内に一次燃焼空気を吹き込む一次燃焼空気吹き込み口３と、送風ファン４からの流量を制御する一次燃焼空用ダンパ（弁）４ａが設けられている。また、燃焼炉１の側壁には、燃焼炉１内に二次燃焼空気を吹き込むための二次燃焼空気吹き込み口５と、送風ファン４からの流量を制御する二次燃焼空気用ダンパ（弁）４ｂと、燃焼炉１内に処理対象物（燃料）を投入するための投入口６と設けられている。必要に応じて、燃料種類毎に設けられたコンベアにて搬送・検量して投入量を制御する燃料搬送・検量・投入量制御装置７も設けられている。
【００２１】
燃焼炉１では、一次燃焼空気吹き込み口３及び二次燃焼空気吹き込み口５から燃焼炉１内に空気を吹き込むことで、投入口６から炉内に投入した処理対象物（燃料）を、燃焼炉１底部に充填された砂などの流動媒体とともに流動化させる。その過程で、処理対象物は、乾燥されて揮発分を放出し、燃焼する。
【００２２】
そして、前述したように、流動媒体や未燃分を捕集する捕集部（サイクロン）２と、捕集した流動媒体などを燃焼炉１に戻す戻し管２ａとを備えており、サイクロン２では、それらを排ガスと流動媒体や比較的粒径の大きな灰などとに分離する。捕集部２で分離した排ガスは、比較的粒径の小さな灰などを同伴して排ガス処理設備２ｂへと送られ、除塵後に煙突２ｃから外部へと放出される。また、サイクロン２で回収した流動媒体や比較的粒径の大きな灰などは、流動媒体として、戻し管２ａを介して燃焼炉１の下部へと戻して未燃分の再燃焼などを行う。
【００２３】
ここで、上述の燃焼炉１の床部に充填された流動媒体は、その下方から吹き込まれる一次燃焼空気により流動状態となり、流動媒体による濃厚層を形成し、その保有する高い熱容量および撹拌効果により、処理対象物の乾燥及び揮発分の放出を促進させる。また、前記燃焼炉１の上部には、一次燃焼空気の吹き込み及び二次燃焼空気の吹き込みにより吹き上げられて流動する流動媒体による希薄層が形成され、その流動媒体の保有する熱容量および撹拌効果により処理対象物の燃焼或いはガス化を行っている。
【００２４】
なお、この実施形態においては、燃焼炉１内の代表温度として、燃焼炉１の中部の温度（燃焼炉中部温度）とサイクロン２の出口の温度（サイクロン出口温度）を用いることとし、その燃焼炉中部温度を計測するための燃焼炉中部温度計８と、サイクロン出口温度を計測するためのサイクロン出口計９を設置している。
【００２５】
次に、この実施形態における炉内目標温度計算用の制御装置の構成について説明する。
【００２６】
図２に示すように、制御装置１０は、投入される２種類の燃料の重量値を燃料搬送・検量・投入量制御装置７から受け取る。同様に、燃焼炉中部温度の計測値とサイクロン出口温度の計測値をそれぞれ燃焼炉中部温度計８とサイクロン出口温度計９から受け取る。これらのデータと、設定用計算機１１にて人間が設定したパラメータ値と、データベース１２に入っている過去炉内温度実績値（ここでは、過去の燃焼炉中部温度実績値とサイクロン出口温度実績値）と、各燃料のオフライン成分計測値から、制御装置１０により、炉内各部（ここでは、燃焼炉中部とサイクロン出口）の目標温度を決定する。決定された目標に追従するように、一次燃焼空気吹込口３から吹き込む一次燃焼空気量および二次燃焼空気吹込口５から吹き込む二次燃焼空気量を計算し、各燃焼空気吹き込み口３、５に設置された流量計（図示せず）の計測値に基づいて、一次燃焼空気用ダンパ４ａと二次燃焼空気用ダンパ４ｂの開度を調節する。
【００２７】
続いて、具体的な炉内各部（ここでは、燃焼炉中部とサイクロン出口）の目標温度の演算方法およびその目標温度に追従させるための制御方法について説明する。
【００２８】
（ａ）目標温度計算
図３、図４に示すような、燃料配合比率と焼却負荷を入力としたマトリクステーブル形式によって、燃焼炉中部温度の目標温度（図３）とサイクロン出口温度の目標温度（図４）を自動的に決定する。図３、図４のマトリクス上の設定温度（Ｂ１〜Ｂ９、Ｓ１〜Ｓ９）は、シミュレーションや操業実績に基づいたリーズナブルな値を人間が設定する。設定の際には、焼却負荷が同様な場合、燃焼炉中部温度とサイクロン温度はトレードオフの関係、つまり一方を高くすると、一方が低くなる関係にあることも留意する必要がある。また、燃料配合比率と焼却負荷の入力に応じて、マトリクス間は自動的に線形補間して目標温度を算出する。なお、燃料配合比率は各燃料の燃料検量装置７の実績値を使用しても良いし、人間が設定した配合比率値を使用しても良い。同様に、焼却負荷も燃料検量装置７の実績値とオフラインで測定した燃料毎のカロリーに基づいて計算しても良いし、人間が設定した焼却負荷を使用してもよい。
【００２９】
なお、この実施形態では、炉内温度の目標値を設定する場合について説明しているが、炉内温度の制約値を設定する場合についても同様である。
【００３０】
また、燃料を３種類以上使用する場合は、マトリクステーブルについては、パラメータ数が増大しないように、通常、操業で使用するパターンの燃料配合比率に応じて複数のパターンを設け（例えば、図５）、目標温度を計算する。配合状態がマトリクステーブルから外れている場合には、その配合状態に近い２配合のパラメータ値を用いて、内挿・外挿により目標温度を計算する。
【００３１】
（ｂ）現在の操業実績温度に基づいた補正
上記（ａ）に示した方法で決定された炉内各部の目標温度（燃焼炉中部目標温度Ｔ１ａ、サイクロン出口温度Ｔ２ａ）は、過去の実績や操業経験に基づいてリーズナブルに決定されたものの、現在の操業とずれが発生してしまう可能がある。それを解消するために、過去の燃焼炉中部温度実績の平均値Ｔ１ｓと、過去のサイクロン出口温度実績の平均値Ｔ２ｓを用いて補正を行う。具体的な補正式は下記の通りである。
【００３２】
燃焼炉中部目標温度補正値Ｔ１ｂ
Ｔ１ｂ＝Ｔ１ａ×α＋Ｔ１ｓ×（1−α）
ここで、αは調整パラメータ、ただし  ０≦α≦１とする。
【００３３】
サイクロン出口目標温度補正値Ｔ２ｂ
Ｔ２ｂ＝Ｔ２ａ×β＋Ｔ２ｓ×（1−β）
ここで、βは調整パラメータ、ただし  ０≦β≦１とする。
【００３４】
なお、燃焼炉中部温度実績平均値Ｔ１ｓとサイクロン出口温度実績平均値Ｔ２ｓについては、あまり古いデータを用いずに、現時点から長くても３０分以内（例えば、５分以内）の至近の温度実績（燃焼炉中部温度計８の計測値、サイクロン出口温度計９の計測値）の平均値を用いる。これによって、一種のフィードバック制御が行われる。
【００３５】
その際に、調整パラメータα、βについては、操作量の変更による制御対象の応答時間（ここでは、一次燃焼空気の吹き込み量と二次燃焼空気の吹き込み量を変更した後、燃焼炉中部温度あるいはサイクロン出口温度が変化するまでの時間）に基づいて、設定すればよい。α、βを大きくし過ぎると、早急に目標温度に到達しようとして、燃焼炉１内の燃焼状態の変動が大きくなり、逆にα、βを小さくし過ぎると、目標温度に到達するのに時間がかかり過ぎる。従って、制御対象の応答時間に応じて、望ましい応答になるようにα、βを決定すればよい。
【００３６】
（ｃ）炉内温度平準化制御
現在の炉内各部温度の計測値（燃焼炉中部温度計測値Ｔ１ｒ、サイクロン出口温度計測値Ｔ２ｒ）と前記の炉内目標温度補正値（燃焼炉中部目標温度補正値Ｔ１ｂ、サイクロン出口目標温度補正値Ｔ２ｂ）との差に基づいて、一次燃焼空気の吹き込み量と二次燃焼空気の吹き込み量のバランスを変更する。
【００３７】
具体的例を用いて説明すると、カロリー高・燃焼速度高の燃料の比率が上昇した場合には、燃焼炉中部温度が上昇するため、一次燃焼空気の吹き込み量を増加させて、主燃焼位置をガス流れ下流側へ移行させる。このとき変更するのは、あくまで燃焼空気のバランスだけであり、一次燃焼空気の吹き込み量と二次燃焼空気の吹き込み量の合計量については、炉出口酸素濃度によって調整する。言い換えると、この炉内温度平準化制御は、投入された熱量をできるだけ燃焼炉１全体でバランス良く燃焼させるのが目的である。
【００３８】
また、実プラントに前述の方法を適用した場合でも、残渣・未燃ガス分が発生したケースが考えられる。そのため、以後の発生防止用に、一次燃焼空気量および二次燃焼空気量の上下限流量の制約を設定・調整可能な構造とする。
【実施例１】
【００３９】
前記の本発明の一実施形態に基づいて、実際に循環流動層式焼却炉の温度制御を行った結果を図６に示す。
【００４０】
図６では、前記の特許文献１のようにサイクロン出口温度のみに上限制約（＜９８０℃）を設けて制御を行った場合（従来例）と、本発明の一実施形態に基づいて制御を行った場合（本発明例）とを比較している。
【００４１】
図６に示すように、従来例では、サイクロン出口温度のみを制約としているので、燃焼炉中部温度が９５０℃以上になっており、クリンカ発生のリスクが上昇している。
【００４２】
一方、本発明例では、燃焼炉中部目標温度Ｔ１ａを９４０℃、サイクロン出口目標温度Ｔ２ａを９３０℃とし、サイクロン出口温度計測値Ｔ２ｒがサイクロン出口目標温度Ｔ２ａに緩やかに近づいているので、オンラインでサイクロン出口目標温度の補正を行い、サイクロン出口目標温度補正値Ｔ２ｂを９９３℃とした。その結果、燃焼炉中部温度計測値Ｔ１ｒは９４０℃、サイクロン出口温度計測値Ｔ２ｒは９９３℃付近に制御されており、設備トラブル・操業トラブルのリスクが低い安定した燃焼状態となっている。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明を一実施形態における循環流動層式焼却炉を示す図である。
【図２】本発明を一実施形態における炉内目標温度設定用制御装置の説明図である。
【図３】燃焼炉中部目標温度設定用マトリクステーブルを示す図である。
【図４】サイクロン出口目標温度設定用マトリクステーブルを示す図である。
【図５】３種類以上の燃料を使用する場合のマトリクステーブルを示す図である。
【図６】本発明の実施例１における温度制御結果を示す図である。
【符号の説明】
【００４４】
１  燃焼炉
２  サイクロン
２ａ  戻し管
２ｂ  排ガス処理設備
２ｃ  煙突
３  一次燃焼空気吹込み口
４  送風ファン
４ａ  一次燃焼空気用ダンパ
４ｂ  二次燃焼空気用ダンパ
５  二次燃焼空気吹込み口
６  燃料投入口
７  燃料搬送・検量・投入量制御装置
８  燃焼炉中部温度計
９  サイクロン出口温度計
１０  炉内目標温度設定用制御装置
１１  設定用計算機
１２  データベース
【図１】
2009257731.tif 000003
【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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