(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炉内底部に設けられ、燃焼すべきごみを載置して前記炉内をごみの入り口側から出口方向に移動させる複数のゾーンからなるストーカと、前記複数のゾーン毎に前記ストーカの下側から燃焼空気を供給するためのダクトとを備えたごみ焼却炉において、前記複数のゾーン毎にその下側の圧力と前記炉内の圧力との差圧を測定する差圧測定手段と、
前記複数のゾーン毎に前記ストーカの温度を測定する温度測定手段と、
炉内を撮像する撮象手段と、
該撮像手段により得られた炉内画像から画像処理によって炉内の燃え切り点位置を算出する画像処理手段と、
あらかじめごみの無い状態にて測定された前記複数のゾーンの下側の圧力と前記炉内の圧力との差圧に基づいて算出された前記複数のゾーン毎の圧損係数を用いて、燃焼状態にある時の前記複数のゾーンの下側の圧力と前記炉内の圧力との差圧と前記燃焼空気の量とから前記複数のゾーン毎のごみ層厚指標を算出する手段と、
炉内の燃焼状況を示す指標として、少なくとも前記算出された燃え切り点位置と、前記算出されたごみ層厚指標とを用い、ゾーン毎のストーカ温度目標値と前記温度測定手段により測定されたゾーン毎のストーカ温度との差に応じて、あらかじめ作成されている知識ベースに基づいてごみ層厚指標目標値を算出する手段と、
前記算出されたごみ層厚指標目標値と前記算出されたごみ層厚指標とから前記ストーカの各ゾーンのごみ層厚を制御するごみ層厚制御手段とを備えたことを特徴とするストーカ温度制御装置。
【請求項２】
請求項１記載のストーカ温度制御装置において、前記ごみ層厚制御手段は、前記算出されたごみ層厚指標目標値と前記算出されたごみ層厚指標とから、ごみ供給用のフィーダのオン／オフ周期、前記ストーカの速度を制御して前記複数のゾーン毎のごみ層厚指標を目標値になるように制御することを特徴とするストーカ温度制御装置。
【請求項３】
請求項２記載のストーカ温度制御装置において、前記知識ベースとして、知識推論あるいはファジー推論を用いることを特徴とするストーカ温度制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ごみ焼却炉におけるストーカ温度の制御装置及びこれを備えた燃焼制御装置に関し、特に、ストーカ上におけるごみの量を把握しながらストーカ温度を望ましい温度範囲内に維持すると共に、最適な燃焼を行うための改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ごみ焼却炉では多種多様なごみを炉内に供給し燃焼させるため、燃焼状態が時間的に変化する。すなわち、ごみ焼却炉においては、ホッパから炉内へのごみの供給はフィーダにより行われる。炉内底部にはストーカが設けられ、燃焼すべきごみを載置して炉内をごみの入り口側から出口方向に移動させる。このストーカは通常、複数のゾーンに分割されている。炉内へ供給されたごみは、各ゾーンのストーカの動きにより移送され、その間に輻射熱を受けて乾燥、昇温し、着火燃焼する。
【０００３】
一般に、フィーダの動作は予め設定した周期で繰り返し行われるが、ごみ質や炉内でのごみの堆積状況の違いにより各周期において炉内に供給されるごみの量はかなり変化する。ごみの供給が過剰になるとフィーダ動作により供給されるごみは、炉内に堆積したごみの表層だけを移送し、ストーカによる移送で行われている乾燥・昇温・着火・燃焼プロセスを乱し、燃焼を不安定にする。また、供給が過少になるとごみ枯れを起こし燃焼が急激に悪化する。
【０００４】
ストーカの各ゾーンのごみ層厚は、乾燥・昇温・着火・燃焼のプロセスで、炉の出口側に進むにつれ徐々に薄くなる。しかし、ごみ質の変化によりゾーン毎にそのプロセスの進行度合いが異なるため、各ゾーンのごみ層厚、すなわちごみ層の形状は常に変化する。この変化が大きくなると一時的な過剰燃焼やごみ枯れなどを引き起こす。
【０００５】
従来、このようなごみ焼却炉内の燃焼の自動制御は、余熱利用のために設置されたボイラからの発生蒸気量、炉内温度、燃焼排ガス酸素濃度などの操業情報や、炉内の火炎の画像情報を利用して燃焼状態の時間的変化を捉え、これに応じてごみの供給量、ごみの移送量、一次燃焼空気流量・温度とその各ゾーンへの配分比、二次燃焼空気量・温度などを操作し燃焼を安定させるようにしていた。
【０００６】
しかし、炉内の燃焼状態の変化を捉えるためには、上述したような情報だけでは炉内のごみ量や、ごみの堆積状況を把握することは難しく、結果として安定した燃焼を継続するために不可欠な炉内における安定したごみ層の形成が困難であった。
【０００７】
更に、ごみ焼却炉の燃焼制御方式として、炉出口温度の安定化、ボイラからの発生蒸気量の安定化などを目的としたＡＣＣ（自動燃焼制御）システムが知られており、このＡＣＣシステムに関して多くの提案がなされている。しかし、これらの提案は、制御対象である炉出口温度、発生蒸気量や、排ガス中の酸素濃度、有害ガス濃度、あるいは炉内画像を画像処理して得られるごみの燃え切り点位置あるいは燃焼位置などの付加情報で制御系を構成しているが、ごみ層の厚みそのものを計測、制御しようとする方式は提案されていない。
【０００８】
これに対し、本出願人は、上記した従来の燃焼制御方式の欠点を解決するために、炉内のごみの量、特に堆積状況を把握して制御することにより、安定した燃焼を確保し得るごみ焼却炉の燃焼制御方式を提案した。これは、特願平８−２０９９３１号に開示されている。
【０００９】
以下に、この燃焼制御方式を、図５を参照して説明する。図５は水平ストーカ式ごみ焼却炉とその計装系の構成を示す概略断面図である。焼却すべきごみ１１はホッパ１２に供給され、ホッパ１２の底部に設けられたフィーダ１３の周期的なオン／オフ動作により、焼却炉の炉内１４に供給される。炉内１４の底部には炉内１４に供給されたごみ１１を載置し、炉内１４の出口１５、すなわち焼却灰の出口に向かってごみを移動させるストーカ１６が設けられている。ストーカ１６は、ここでは４つのゾーン１６−１〜１６−４に分割され、各ゾーン毎にストーカ１６の速度、すなわちごみの移送速度を操作できる構成になっている。
【００１０】
また、ストーカ１６の下側には一次燃焼空気１７を供給するためのダクト１８が設けられている。このダクト１８はストーカ１６の各ゾーン１６−１〜１６−４の下側にそれぞれ開口する４つの開口部１８−１〜１８−４を備えている。４つの開口部１８−１〜１８−４のダクト１８からの分岐部には、ストーカ１６の各ゾーン１６−１〜１６−４への一次燃焼空気１７の供給量を制御するためのダンパ１９−１〜１９−４が設けられている。また、各ダンパ１９−１〜１９−４とストーカ１６の各ゾーン１６−１〜１６−４間の開口部１８−１〜１８−４内にはそれぞれ圧力計２０と流量計２１が設置されており、ストーカ１６のゾーン１６−１〜１６−４毎の圧力Ｐｓｉ、空気流量Ｆｉを計測できるように構成されている。
【００１１】
他方、炉内１４には圧力計２２が設けられており、炉内圧力Ｐo を測定する。炉内１４にはまた、二次燃焼空気供給口２３が設けられ、炉内１４に二次燃焼空気２４が送り込まれる。更に、炉内１４の出口１５付近の内壁には炉内１４のごみの堆積状態や燃焼状態を撮像するための炉内カメラ２５が設けられている。炉内１４の天井部分には燃焼排ガス２６の排出口２７が設けられている。排出口２７には酸素濃度計２８が設けられている。そして、一次燃焼空気１７を供給するダクト１８内及び二次燃焼空気供給口２３内にはそれぞれ流量計２９、３０が設置されている。
【００１２】
ゾーン毎のごみ層厚指標の推定は以下のようにして行われている。炉内及び各ゾーンのストーカ１６下側の圧力計２２、２０により、ゾーン毎の炉内圧力との差圧を求め、求めた差庄と、管内流圧力について一般に成り立つ圧損式を利用し、ストーカ１６とごみ層による圧損係数を求める。これらの値から事前に求めたストーカ１６だけの圧損係数を除き、ごみ層のみによる圧損係数を求める。このようにしてゾーン毎に求めたごみ層による圧損係数をごみ層厚の指標とする。
【００１３】
具体的な数式を用いて更に説明すると、まず、あるダクトと炉内の２点ａ−ｂ間を流れる気体の圧力について、一般に、次のような圧損式が成り立つ。
【００１４】
Ｐａ−Ｐｂ＝（１／２）ζａｂρω2                     （１）
ここで、Ｐａ及びＰｂはあるダクトと炉内のａ点及びｂ点における圧力、ζａｂは圧損係数、ρは流体密度、そしてωは流速である。
【００１５】
この（１）式からストーカの４つのゾーンのうちのｉ番目のゾーン１６−ｉ上にごみが存在しない場合には次式が成り立つ。
【００１６】
ζｓｉ＝｛２（Ｐｓｉ＊−Ｐ0 ＊）／ρ｝・（Ａｉ／Ｆｉ＊）2   （２）
ここで、ζｓｉはｉゾーンのストーカ１６−ｉの圧損係数、Ｐ0 ＊はストーカ上にごみが存在しない場合において圧力計２２で測定される炉内圧力、Ｐｓｉ＊は同じくストーカ１６−ｉ上にごみが存在しない場合において圧力計２０により測定される、ストーカ下側のダクト開口部１８−ｉ内の圧力、Ａｉは開口部１８−ｉのダクトからの分岐部における面積、そしてＦｉ＊はごみが存在しない場合にｉゾーンにおいて流量計２１で測定される燃焼空気量である。
【００１７】
次に、ストーカ１６−ｉ上にごみが存在する場合における、ごみ層のみによる圧損係数ζｒｉは次式により求められる。
【００１８】
ζｒｉ＝｛２（Ｐｓｉ−Ｐ0 ）／ρ｝・（Ａｉ／Ｆｉ）2 −ζｓｉ  （３）
このようなストーカ１６上に存在するごみ層の圧損係数ζｒｉが炉内の目視によるごみ層厚と適合することから、ストーカ１６のゾ一ン毎のごみ層圧損係数をごみ層厚の指標として用いることにより、炉内のごみ層形状を推定出来る。
【００１９】
以上のようにして求められるごみ層厚指標は、各ゾーンでの適正な値を経験的に求めることが出来る。これは、実際に炉の運転を通して炉出口温度や発生蒸気量の推移、炉内の観察などから得られるものである。したがって、このごみ層厚指標を所望の目標値となるように制御することにより、燃焼制御が可能となる。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の方法では、ごみ層厚指標の目標値をどのようにして設定するかということまでは考慮していない。また、ゾーン毎のごみ層形状の制御においては、ストーカの温度をも考慮する必要がある。これは、ストーカの温度は、３５０℃以下に維持される必要があるからである。
【００２１】
そこで、本発明の課題は、上記の方法でごみ層形状を制御する場合において、各ゾーンのごみ層厚さ指標の目標値を、各ストーカ温度、現在の各ごみ層厚さ指標や炉内画像を画像処理して得られる燃え切り点位置のような情報に基づいてあらかじめ作成された知識ベースから求めることで、ストーカの温度を望ましい範囲内に制御することのできるストーカ温度制御装置を提供しようとするものである。
【００２２】
本発明の他の課題は、上記のストーカ温度制御装置を備えたごみ焼却炉の燃焼制御装置を提供することにある。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、炉内底部に設けられ、燃焼すべきごみを載置して前記炉内をごみの入り口側から出口方向に移動させる複数のゾーンからなるストーカを備えたごみ焼却炉において、前記複数のゾーン毎に前記ストーカの温度を測定する温度測定手段と、炉内を撮像する撮像手段と、該撮像手段により得られた炉内画像から画像処理によって炉内の燃え切り点位置を算出する画像処理手段と、前記複数のゾーン毎のごみ層厚を検出する手段と、炉内の燃焼状況を示す指標として、少なくとも前記算出された燃え切り点位置と、前記検出されたごみ層厚とを用い、ゾーン毎のストーカ温度目標値と前記温度測定手段により測定されたゾーン毎のストーカ温度との差に応じて、あらかじめ作成されている知識ベースに基づいてごみ層厚指標目標値を算出する手段と、前記算出されたごみ層厚指標目標値と前記検出されたごみ層厚とから前記ストーカの各ゾーンのごみ層厚を制御してストーカ温度の制御を行うごみ層厚制御手段とを備えたことを特徴とするストーカ温度制御装置が提供される。
【００２４】
本発明によればまた、炉内底部に設けられ、燃焼すべきごみを載置して前記炉内をごみの入り口側から出口方向に移動させる複数のゾーンからなるストーカと、前記複数のゾーン毎に前記ストーカの下側から燃焼空気を供給するためのダクトとを備えたごみ焼却炉において、前記複数のゾーン毎にその下側の圧力と前記炉内の圧力との差圧を測定する差圧測定手段と、前記複数のゾーン毎に前記ストーカの温度を測定する温度測定手段と、炉内を撮像する撮像手段と、該撮像手段により得られた炉内画像から画像処理によって炉内の燃え切り点位置を算出する画像処理手段と、あらかじめごみの無い状態にて測定された前記複数のゾーンの下側の圧力と前記炉内の圧力との差圧に基づいて算出された前記複数のゾーン毎の圧損係数を用いて、燃焼状態にある時の前記複数のゾーンの下側の圧力と前記炉内の圧力との差圧と前記燃焼空気の量とから前記複数のゾーン毎のごみ層厚指標を算出する手段と、炉内の燃焼状況を示す指標として、少なくとも前記算出された燃え切り点位置と、前記算出されたごみ層厚指標とを用い、ゾーン毎のストーカ温度目標値と前記温度測定手段により測定されたゾーン毎のストーカ温度との差に応じて、あらかじめ作成されている知識ベースに基づいてごみ層厚指標目標値を算出する手段と、前記算出されたごみ層厚指標目標値と前記算出されたごみ層厚指標とから前記ストーカの各ゾーンのごみ層厚を制御してストーカ温度の制御を行うごみ層厚制御手段とを備えたことを特徴とするストーカ温度制御装置が提供される。
【００２５】
なお、前記ごみ層厚制御手段は、前記算出されたごみ層厚指標目標値と前記算出されたごみ層厚指標とから、ごみ供給用のフィーダのオン／オフ周期、前記ストーカの速度を制御して前記複数のゾーン毎のごみ層厚を目標値になるように制御する。
【００２６】
前記知識ベースとしては、知識推論あるいはファジー推論を用いることが好ましい。
【００２７】
また、前記炉内の燃焼状況を示す指標としては更に、炉内温度、前記画像処理手段により算出される燃焼位置、前記炉内の排ガスの出口側に設けられるボイラの発生蒸気量の少なくとも１つを用いても良い。
【００２８】
本発明によれば更に、上記のストーカ温度制御装置を備えたごみ焼却炉の燃焼制御装置が提供される。
【００２９】
【発明の実施の形態】
図２を参照して、本発明が適用されるごみ焼却炉は、図５で説明したごみ焼却炉に更に、温度測定装置が設けられている。すなわち、ストーカ１６には各ゾーン毎にそれぞれ、ストーカの温度を測定するための温度測定装置３１−１〜３１−４が設けられている。ここでは、各ゾーンを代表する位置のストーカに直接熱電対が埋め込まれて温度測定が行われる。その他の構成については、図５と同じなので同一番号を付して説明は省略する。
【００３０】
本発明の特徴であるストーカ温度の制御は、以下のような観点に基づいている。ストーカ１６における各ゾーン１６−１〜１６−４は、そこに堆積しているごみの燃焼による輻射や接触により加熱され、燃焼していないごみの接触や燃焼空気により冷却される。また、燃焼の結果として生じる焼却灰は、断熱材として燃焼火炎の輻射が直接ストーカ１６を加熱することを防ぐ。ストーカ１６の温度はこれら加熱・冷却の結果として上下するので、ごみ質の変動による燃焼状態の変化によって大きく影響を受ける。
【００３１】
以上のことからストーカの温度を下げるためには、燃焼を抑制しつつごみの移送速度を大きくし、燃焼位置を移動させ燃焼していないごみで冷却するという第１の方法と、ごみの移送速度を小さくし、燃えているごみを灰にして燃焼空気で冷却する第２の方法とが考えられる。これらはそれぞれ、ごみ層を厚くする、薄くすることに対応する。
【００３２】
これらの操作によるストーカ温度の応答に比較して、ごみ層形状制御の応答は十分速いので、ごみ層厚指標の目標値を設定することでストーカ温度制御が実現できる。
【００３３】
複数の各ゾーン１６−１〜１６−４に対してごみ層厚指標の目標値を設定するためには、そのゾーンでの選択が次のゾーンのごみ層や発生蒸気量などに影響することから、各ゾーンのストーカ温度、現在のごみ層形状、燃え切り点位置、燃焼位置などの複数の計測値を考慮する必要がある。
【００３４】
このために、本形態によるストーカ温度制御装置は、図１に示すように、ストーカ温度制御部１を備えており、特にストーカ温度制御部１内に、上記の考慮すべき点をすべてＥＸＰＥＲＴのような知識推論やファジー推論などを用いて知識ベースとしてあらかじめ作成しておく。
【００３５】
以下に、本発明によるストーカ温度制御装置を実現するために必要な構成について説明する。各ゾーン１６−１〜１６−４毎のストーカ温度を測定するために温度測定装置３１−１〜３１−４が用いられる。複数のゾーン１６−１〜１６−４毎にその下側の圧力と炉内１４の圧力との差圧を測定するために、圧力計２０−１〜２０−４と圧力計２２とが用いられる。複数のゾーン１６−１〜１６−４毎の一次燃焼空気量を測定するために流量計２１−１〜２１−４が用いられる。炉内カメラ２５は、炉内画像を得るために用いられる。画像処理装置２は、炉内カメラ２５により得られた炉内画像から画像処理によって炉内の燃え切り点位置あるいは燃焼位置を算出するために用いられる。なお、燃え切り点位置、燃焼位置の算出方法については、例えば特開平７−５５１２５公報等に開示されているので、ここでは詳しい説明は省略する。
【００３６】
ごみ層厚指標計算部３は、あらかじめごみの無い状態にて測定された複数のゾーン１６−１〜１６−４の下側の圧力と炉内１４の圧力との差圧に基づいて算出された複数のゾーン毎の圧損係数を用いて、燃焼状態にある時の複数のゾーン１６−１〜１６−４の下側の圧力と炉内１４の圧力との差圧と燃焼空気量とから複数のゾーン１６−１〜１６−４毎のごみ層厚指標を算出する。ごみの無い状態にて算出された圧損係数は、圧損係数保持部４に保持されている。ごみ層厚指標計算部３における計算方法も、上記公報に詳しく開示されているので、説明は省略する。
【００３７】
ストーカ温度制御部１は、炉内の燃焼状況を示す指標として、少なくとも上記の燃え切り点位置と、上記のごみ層厚指標とを用い、ゾーン毎に与えられるストーカ温度目標値と温度測定装置３１−１〜３１−４により測定されたゾーン毎のストーカ温度との差に応じて、あらかじめ作成されている知識ベースに基づいてごみ層厚指標目標値を算出する。
【００３８】
ごみ層厚制御部５は、ストーカ温度制御部１から与えられるごみ層厚指標目標値とごみ層厚指標計算部３から与えられるごみ層厚指標とからストーカ１６の各ゾーン１６−１〜１６−４のごみ層厚を制御してストーカ温度の制御を行う。
【００３９】
図３、図４を参照して、知識ベースの一例として、知識推論を利用してストーカ温度を一定の範囲に制御する例を以下に説明する。図３においては、ゾーン１６−１の温度が適温、ゾーン１６−２の温度がやや高温、ゾーン１６−３の温度がやや低温、ゾーン１６−４の温度が適温、各ゾーンのごみ層厚指標がすべて標準、燃え切り点位置が炉入口側の場合を想定する。
【００４０】
これは、今まで燃えていたごみが高質で燃え易く、標準のごみ層形状ではゾーン１６−２に燃焼が偏ってしまった結果と推論される。この場合は、ゾーン１６−２のごみ層厚指標目標値を厚目に設定することで、そこでの燃焼プロセスの進行を遅くし、未燃焼のごみでゾーン１６−２の温度を適温に戻すことを試みる。新しく送られてくるごみが現状のごみ質またはそれを下回れば、ゾーン１６−２の温度は低下して適温となり、ゾーン１６−２で燃え切れないごみがゾーン１６−３に移動してくるのでゾーン１６−３の温度も適温になる。この場合は炉内ごみ量が増える方向なので、発生蒸気量、公害等への影響も小さい。
【００４１】
しかし、現状を上回るごみ質の場合はゾーン１６−２において燃焼が抑制し切れず、さらに温度が高くなる可能性がある。この場合は、図４に示されるように、前に述べた状態から、ゾーン１６−２がごみ層やや厚目で高温、ゾーン１６−３がやや高温という状態に変化することになる。この場合は、高質ごみが継続していると推論され、さらにごみ層を厚くする余裕が無いので、ゾーン１６−２のごみ層を薄く設定し直し、ストーカ温度を下げる。
【００４２】
なお、以上で説明したストーカ温度制御装置を一般の自動燃焼制御装置に組み込むことで、発生蒸気量などの操業目標を安定して達成し、異常高温による機器へのダメージを最小限にとどめ、さらに緊急避難的な燃焼制御による公害の発生を無くすことが可能となる。
【００４３】
上記の実施の形態は、水平ストーカ式のごみ焼却炉に関して説明したが、他の形状のストーカ式ごみ焼却炉にも適用することができる。また、ゾーンの数は４つに制限されないことは言うまでもない。
【００４４】
更に、図１の形態では、ごみ層厚指標計算部３において、あらかじめごみの無い状態にて測定された複数のゾーンの下側の圧力と炉内の圧力との差圧に基づいて算出された複数のゾーン毎の圧損係数を用いて、燃焼状態にある時の複数のゾーンの下側の圧力と炉内の圧力との差圧と燃焼空気の量とから複数のゾーン毎のをごみ層厚指標を算出するようにしているが、これは、複数のゾーン毎のごみ層厚を実際に計測するセンサで代用することもできる。この場合、差圧を計測する手段や、図１における圧損係数保持部４は不要である。
【００４５】
【発明の効果】
上述のように、本発明ではごみ質の変動に対してもストーカの温度を常に一定範囲内に抑えながら、全体のごみ層の変動も一定の範囲内の変動に抑えることが可能となる。また、知識ベースを実操業データにあわせて更新することで、操業目標や公害への悪影響を最小にするストーカ温度制御が実現できる。
【００４６】
また、ストーカの各ゾーン毎のごみ層厚を適正に保つことにより、ストーカ上を移動するごみ層を適正に形成することができ、これによってごみの燃焼を炉内全体に亘って安定に維持することができる。したがって、ストーカ温度制御装置を、一般の自動燃焼制御装置に組み込むことにより、ＣＯやＮＯｘなどの公害物質の発生の抑制、安定した自動運転の継続、及び発生蒸気量の制御等の操業目標を従来以上に確実に達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるストーカ温度制御装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明が適用される水平ストーカ式ごみ焼却炉とその計装系の構成を示す概略断面図である。
【図３】本発明において用いられる知識ベースの一例として知識推論を用いる場合の動作例を説明するための図である。
【図４】本発明において用いられる知識ベースの一例として知識推論を用いる場合の動作例を説明するための図である。
【図５】従来の水平ストーカ式ごみ焼却炉とその計装系の構成を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１１    ごみ
１２    ホッパ
１３    フィーダ
１４    炉内
１５    出口
１６    ストーカ
１６−１〜１６−４    ゾーン
１７    一次燃焼空気
２０、２０−１〜２０−４、２２    圧力計
２１、２１−１〜２１−４、２９、３０    流量計
２３    二次燃焼空気供給口
２４    二次燃焼空気
２５    炉内カメラ
２６    燃焼排ガス
２７      燃焼排ガス排出口
２８    酸素濃度計
３１−１〜３１−４    温度測定装置
【図１】
0003763963.tif 000002
【図２】
0003763963.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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