(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室底部に設けられたストーカの下側から燃焼空気を供給して燃焼を行う自動燃焼制御機能を有するごみ焼却炉において、
ごみにおける可燃分の組成を一定と仮定して理論空気量を計算する第１のステップと、
前記計算された理論空気量、ごみ焼却炉出口の排ガス中のＯ２濃度測定値、あらかじめ知られている空気中のＯ２濃度、燃焼空気量の測定値を基に、燃焼したごみの可燃分量を計算する第２のステップと、
燃焼したごみ中の水分量を０と仮定してごみ焼却炉出口の排ガスに含まれる複数のガス成分の量を計算する第３のステップと、
あらかじめ概算された可燃分発熱量と前記燃焼したごみの可燃分量から燃焼したごみの総発熱量を求め、前記第３のステップで計算された複数のガス成分の量からごみ焼却炉出口の排ガスのエンタルピを計算し、更にごみ焼却炉入口と出口の熱量のバランス計算を行ったうえで燃焼したごみ中の水分量を計算する第４のステップと、
前記第３、第４のステップを前記ごみ中の水分量があらかじめ定められた値に収束するまで繰り返してごみ中の水分量を求める第５のステップと、
灰分比を一定と仮定して前記第２のステップで計算された燃焼したごみの可燃分量と前記第５のステップで求められたごみ中の水分量とに基づいてごみ処理速度を計算して、燃焼したごみ量を求める第６のステップと、
前記可燃分発熱量と前記第５のステップで求められたごみ中の水分量と前記第６のステップで計算された燃焼したごみ量とから燃焼したごみの低位発熱量を計算する第７のステップとを含むことを特徴とするごみ焼却炉の燃焼ごみ低位発熱量推定方法。
【請求項２】
請求項１記載の燃焼ごみ低位発熱量推定方法において、前記第３のステップにおける複数のガス成分は、ＣＯ２、水蒸気、Ｎ２、Ｏ２であることを特徴とするごみ焼却炉の燃焼ごみ低位発熱量推定方法。
【請求項３】
請求項１記載の燃焼ごみ低位発熱量推定方法において、前記ごみ焼却炉は炉内上部にボイラを備えており、前記第４のステップにおけるごみ焼却炉入口と出口の熱量のバランス計算においては、供給される燃焼空気のエンタルピと前記ボイラで発生される蒸気のエンタルピとを用いることを特徴とするごみ焼却炉の燃焼ごみ低位発熱量推定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ごみ焼却炉の燃焼ごみ低位発熱量推定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図２を参照して、自動燃焼制御機能を備えた従来のごみ焼却炉の一例についてその概略を説明する。図２において、ごみの搬送に関係する装置としては、クレーン（図示せず）によりホッパ１２に投入されたごみ１１を炉内に押出すフィーダ１３、炉内でごみを搬送しながらその上で燃焼させるストーカ１６がある。ストーカ１６は、大きく４つのゾーンに分割されている。通常、ゾーン１６−１は乾燥帯、ゾーン１６−２、１６−３は燃焼帯、ゾーン１６−４は後燃焼帯と呼ばれている。なお、ゾーン１６−２、１６−３を１つにした３ゾーン構成の場合もある。いずれにしても、各ゾーンのストーカは、その動作速度を個別に設定できる構造になっている。
【０００３】
燃焼空気の供給は、ストーカ１６の下方から供給する一次燃焼空気（一次押込空気）と、炉内でガス化した成分を燃焼させるために供給される二次燃焼空気（二次押込空気）とで行われる。一次燃焼空気は、ゾーン毎の配分をゾーン毎のダンパ１６−１、１６−２、１６−３、１６−４の開度により調節できる。
【０００４】
計装設備としては、供給する空気の流量を計測する流量計（一次燃焼空気、二次燃焼空気）、一次燃焼空気のゾーン毎の配分を計測するゾーン毎の流量計、ゾーン毎のストーカ下方の圧力計、炉内圧力計、ごみ焼却炉出口の燃焼排ガス中の酸素濃度計などのほか、炉内の各点の温度や余熱利用のために設置されたボイラ３１の発生蒸気流量計３２なども設置される。
【０００５】
また、炉の灰の出口側に設置された炉内カメラ（後述する）からの画像を画像処理して燃焼位置や燃切り点が計測される。燃焼位置、燃切り点に関しては、ごみ焼却炉の燃焼制御方式及び装置（特願平５−１９７２９１）に開示されているので、詳しい説明は省略する。概説すれば、燃焼位置とはごみの燃焼が一番盛んになっている最前面（炉内カメラ側）の点であり、燃切り点とはごみが燃切って炎が無くなった最前面の位置を示している。
【０００６】
この例における自動燃焼制御装置は、このような構造のごみ焼却炉におけるボイラドラム３１からの発生蒸気量を一定化させるために設置される。このために、自動燃焼制御装置は、機能面から見ると、蒸気流量の計測値と設定値、ごみ質、炉内（出口）温度等の情報に応じて一次燃焼空気、二次燃焼空気の流量や温度を制御するための燃焼空気制御部ＭＣ１と、乾燥帯のごみ層厚指標にもとづいてフィーダ１３の動作周期を制御するフィーダ制御部ＭＣ２と、蒸気流量の計測値と設定値、燃焼排ガス中の酸素濃度、燃焼位置、燃切り点等の情報に応じてストーカ１６の動作比率を決定し、各ゾーンのダンパの開度調節を行う蒸気流量ファジー制御部ＭＣ３と、ごみ質、燃切り点等の情報に応じてストーカ１６のゾーン毎の速度制御を行うストーカ速度制御部ＭＣ４とを有している。なお、ごみ質とは、ごみの単位重量当たりの発生熱量であり、単位はＫｃａｌ／Ｋｇで表される。また、本構成の説明においては、ストーカ全体の平均的な動きを決定するためにストーカ動作比率を操作し、それぞれのゾーン毎のバランスを決定するためにストーカ速度を操作するものとして説明している。
【０００７】
上記のように、ごみ焼却炉の自動燃焼制御装置は、ごみ焼却炉の余熱利用のために設置されたボイラドラム３１の発生蒸気量を安定化させるために、炉内温度、燃焼排ガス酸素濃度等の情報や、炉内の画像情報を利用して得られる燃焼位置、燃切り点等の情報から一次燃焼空気、二次燃焼空気の流量、温度やフィーダ１３の動作周期、ストーカ１６の速度を制御する制御系を構成している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
通常、ごみ焼却炉では多種多様なごみを処理するので、燃料としてごみ焼却炉内に投入されるごみ低位発熱量は時間的に変化する。自動燃焼制御装置においては、ごみ低位発熱量を推定し、その変化に応じてごみの供給量、ごみの移送量、一次燃焼空気流量・温度とそのストーカゾーンへの配分比、二次燃焼空気量・温度などを操作することにより燃焼を安定させる必要がある。
【０００９】
ところで、従来のごみ低位発熱量推定方法では、数時間のクレーンによるごみの投入実績、燃焼結果をもとに物質収支及び熱収支によりごみ低位発熱量を求めていた。この方法では、得られたごみ低位発熱量が数時間の平均値として得られるので、数分〜６０分程度で変動する燃焼状態に対して、その主要な原因と考えられるごみ低位発熱量の変動を捉え燃焼制御に活用することができない。
【００１０】
また、ごみの見かけ比重から数分〜６０分程度で変動するごみ低位発熱量を推定する方法も提案されているが、同一条件でのごみ体積の測定が困難であることとも関係して、ごみの見かけ比重と実際の発熱量の相関が弱く、推定値はあまり当てにできない。
【００１１】
そこで、本発明の課題は、より安定した自動燃焼制御の実現を可能とするための燃焼ごみ低位発熱量推定方法を提供することにある。
【００１３】
具体的には、本発明は、ごみを水分、可燃分、灰分から構成されるものとしてそのうちの灰分比率及びごみの可燃分成分組成比を一定と仮定し、可燃分の低位発熱量のみを長時間の物質収支に基づいて求め、その他必要なプロセス値については数分〜６０分程度の平均値を用いて物質・熱収支の計算を行い、ごみ低位発熱量を推定することで、その変動を素早く正確に捉えることを可能とし、より安定した自動燃焼制御の実現を可能とすることを課題とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、燃焼室底部に設けられたストーカの下側から燃焼空気を供給して燃焼を行う自動燃焼制御機能を有するごみ焼却炉において、ごみにおける可燃分の組成を一定と仮定して理論空気量を計算する第１のステップと、前記計算された理論空気量、ごみ焼却炉出口の排ガス中のＯ2 濃度測定値、あらかじめ知られている空気中のＯ2 濃度、燃焼空気量の測定値を基に、燃焼したごみの可燃分量を計算する第２のステップと、燃焼したごみ中の水分量を０と仮定してごみ焼却炉出口の排ガスに含まれる複数のガス成分の量を計算する第３のステップと、あらかじめ概算された可燃分発熱量と前記燃焼したごみの可燃分量から燃焼したごみの総発熱量を求め、前記第３のステップで計算された複数のガス成分の量からごみ焼却炉出口の排ガスのエンタルピを計算し、更にごみ焼却炉入口と出口の熱量のバランス計算を行ったうえで燃焼したごみ中の水分量を計算する第４のステップと、前記第３、第４のステップを前記ごみ中の水分量があらかじめ定められた値に収束するまで繰り返してごみ中の水分量を求める第５のステップと、灰分比を一定と仮定して前記第２のステップで計算された燃焼したごみの可燃分量と前記第５のステップで求められたごみ中の水分量とに基づいてごみ処理速度を計算して、燃焼したごみ量を求める第６のステップと、前記可燃分発熱量と前記第５のステップで求められたごみ中の水分量と前記第６のステップで計算された燃焼したごみ量とから燃焼したごみの低位発熱量を計算する第７のステップとを含むことを特徴とするごみ焼却炉の燃焼ごみ低位発熱量推定方法が提供される。
【００１５】
なお、前記第３のステップにおける複数のガス成分は、ＣＯ2 、水蒸気、Ｎ2 、Ｏ2 である。
【００１６】
また、前記ごみ焼却炉は炉内上部にボイラを備えており、前記第４のステップにおけるごみ焼却炉入口と出口の熱量のバランス計算においては、供給される燃焼空気のエンタルピと前記ボイラで発生される蒸気のエンタルピとを用いる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に、図１を参照して本発明の燃焼ごみ低位発熱量推定方法の好ましい実施の形態について説明する。
【００１９】
はじめに、下記のような前提条件のもとに行われる燃焼ごみ低位発熱量推定方法について説明する。
【００２０】
（１）図２で説明したように、ごみ焼却炉の各部に設けられる測定器の測定値は数分〜６０分程度の平均値を利用する。但し、可燃分発熱量については概略値を初期値としてあらかじめ別途計算する。
【００２１】
（２）ごみ焼却炉出口の燃焼排ガスのＯ2 濃度は、乾きベースの値である。
【００２２】
（３）一次押込空気、二次押込空気中の水分は無視する。
【００２３】
（４）尿素水、水、ろ液汚水などを炉内に噴霧する場合は、それらを考慮した計算が行われる。
【００２４】
（５）補助燃料を使用する場合も、その成分、発熱量、使用量など考慮した計算が行われる。
【００２５】
本形態における燃焼ごみ低位発熱量推定方法においては、図１に示すフローチャートに示す手順に基づいて、理論空気量Ｌｃ、可燃分燃焼速度Ｍ・Ｒｃ、ごみ処理速度Ｍ、ごみ組成比−水分Ｒｗ、ごみ組成比−可燃分Ｒｃ、一次燃焼空気比（Ｌ1 ／Ｌｃ・Ｍ・Ｒｃ）（但し、Ｌ1 は一次押込空気流量）、２次燃焼空気比（Ｌ2 ／Ｌｃ・Ｍ・Ｒｃ）（但し、Ｌ2 は二次押込空気流量）、総空気比（Ｌ1 ＋Ｌ2 ）／（Ｌｃ・Ｍ・Ｒｃ）、ごみ低位発熱量Ｈｕなどを計算する。なお、以降で用いられる計算式で使用される記号は、下記の表１、表２に示す通りである。表１、表２において備考欄に数字が示されているものは仮定値または理論値である。また、ごみ焼却炉出口の排ガス、燃焼空気、ボイラドラムから発生される主蒸気のエンタルピは成分に基づいて実測値のルックアップテーブルなどを利用して求める。
【００２６】
【表１】
0003822328.tif 000002
【００２７】
【表２】
0003822328.tif 000003
【００２８】
１．ステップＳ１においては、可燃分の組成を一定と仮定して下記の式（１）により理論空気量Ｌｃを求める。
【００２９】
【数１】
0003822328.tif 000004
【００３０】
式（１）において、Ｃｃはごみ可燃分組成比−炭素、ＣH はごみ可燃分組成比−水素、Ｃｏはごみ可燃分組成比−酸素、Ｃｓはごみ可燃分組成比−硫黄をそれぞれ表す。
【００３１】
２．ステップＳ１では更に、計算された理論空気量Ｌｃ、ごみ焼却炉出口の排ガス中のＯ2 濃度測定値ＯｕｔＯ2 、あらかじめ知られている空気中のＯ2 濃度Ａｉｒ＿Ｏ2 、燃焼空気量の測定値（Ｌ1 ＋Ｌ2 ）に加えて、Ｃ＿ＣＯ2 体積係数Ｖ＿Ｃ、ごみ可燃分組成比−炭素Ｃｃ、Ｎ2 ＿ＮＯ2 体積係数Ｖ＿Ｎ2 、ごみ可燃分組成比−窒素ＣN を基に、下記の式（２）により可燃分燃焼速度Ｍ・Ｒｃを計算し、燃焼したごみの可燃分量を求める。
【００３２】
【数２】
0003822328.tif 000005
【００３３】
この式（２）では、燃焼空気量（Ｌ1 ＋Ｌ2 ）、Ｏ2 濃度測定値ＯｕｔＯ2 などから酸素の消費量が分かるので燃焼したごみの可燃分量が計算されていることを意味する。言い換えれば、可燃分燃焼速度Ｍ・Ｒｃは、単位時間当たりに燃焼したごみの可燃分量を意味する。
【００３４】
３．ステップＳ２では燃焼したごみ中の水分量を０、すなわちごみ組成比−水分Ｒｗを０と仮定して次のステップに移行する。
【００３５】
４．ステップＳ３では、下記の式（３）〜（６）により排ガス中の各成分の量を計算する。
【００３６】
【数３】
0003822328.tif 000006
【００３７】
【数４】
0003822328.tif 000007
【００３８】
【数５】
0003822328.tif 000008
【００３９】
【数６】
0003822328.tif 000009
【００４０】
式（３）では、Ｃ＿ＣＯ2 体積係数Ｖ＿Ｃ、可燃分燃焼速度Ｍ・Ｒｃ、ごみ可燃分組成比−炭素Ｃｃに基づいてＣＯ2 のガス量を計算する。式（４）では、Ｈ＿Ｈ2 Ｏ体積係数Ｖ＿Ｈ、可燃分燃焼速度Ｍ・Ｒｃ、ごみ可燃分組成比−水素ＣH 、Ｈ2 Ｏ＿Ｈ2 Ｏ体積係数Ｖ＿Ｈ2 Ｏ、炉内噴霧水流量Ｗ、汚水ろ液噴霧量Ｗｒ、尿素噴霧量ＮＨ3 、尿素キャリー水量ＷＮＨ3 、ごみ処理速度Ｍ・Ｒｗに基づいて水蒸気量ＧＨ2 Ｏが計算される。式（５）では、Ｎ2 ＿ＮＯ2 体積係数Ｖ＿Ｎ2 、可燃分燃焼速度Ｍ・Ｒｃ、ごみ可燃分組成比−窒素ＣN 、あらかじめ知られている空気中のＮ2 濃度Ａｉｒ＿Ｎ2 及び燃焼空気量（Ｌ1 ＋Ｌ2 ）に基づいて、窒素ガス量ＧＮ2 が計算される。更に、式（６）では、あらかじめ知られている空気中のＯ2 濃度Ａｉｒ＿Ｏ2 、燃焼空気量（Ｌ1 ＋Ｌ2 ）、理論空気量Ｌｃ、可燃分燃焼速度Ｍ・Ｒｃに基づいて酸素量ＧＯ2 が計算される。
【００４１】
５．ステップＳ４では、別途計算される初期値の可燃分発熱量Ｈｃと燃焼したごみ中の可燃分量から燃焼したごみの総発熱量が分かり、排ガスに含まれる複数のガス成分などから排ガスのエンタルピを求め、下記の式（７）でごみ焼却炉に入る熱量と出る熱量のバランス計算から燃焼したごみ中の水分量を計算する。
【００４２】
【数７】
0003822328.tif 000010
【００４３】
すなわち、あらかじめ概算された可燃分発熱量と燃焼したごみ中の可燃分量から燃焼したごみの総発熱量を求め、ステップＳ３で計算された複数のガス成分の量からごみ焼却炉出口の排ガスのエンタルピを計算し、更にごみ焼却炉入口と出口の熱量のバランス計算を行ったうえで燃焼したごみ中の水分量を計算する。なお、本形態ではボイラドラムを備えているので、ごみ焼却炉入口と出口の熱量のバランス計算においては、供給される燃焼空気のエンタルピの他にボイラドラムで発生される蒸気のエンタルピも用いられる。
【００４４】
なお、式（７）において、Ｍ・Ｒｃ・（ＳＨ＿Ｒｃ・Ｔ＋Ｈｃ）は、ごみ可燃分の顕熱及び燃焼熱を表し、Ｅａ（Ｔ１）・Ｌ１＋Ｅａ（Ｔ２）・Ｌ２は１次、２次燃焼空気顕熱を表し、（１＋α）・Ｅｇ（Ｔｂ，ＧＣＯ2 ，ＧＨ2 Ｏ，ＧＮ2 ，ＧＯ2 ）・｛ＧＣＯ2 ＋ＧＮ2 ＋ＧＯ2 ＋Ｖ＿Ｈ・Ｍ・Ｒｃ・ＣH ｝は水分を除いた燃焼排ガスの顕熱及びそれによる炉体熱損失を表す。また、Ｇｓ・｛Ｅｓ（Ｔｓ）−Ｉｗ｝＋１０００・ＢＢ・（Ｉｂ−Ｉｗ）はボイラによる吸熱（主蒸気＋ブロー）を表し、Ｍ・Ｒｗ・Ｖ＿Ｈ2 Ｏ・（１＋α）・Ｅｇ（Ｔｂ，ＧＣＯ2 ，ＧＨ2 Ｏ，ＧＮ2 ，ＧＯ2 ）は、燃焼排ガス中水分の顕熱及びそれによる炉体熱損失を表す。更に、Ｍ・Ｒｗ・（λ＿ＳＨ＿Ｗ・Ｔ）はごみ中水分の蒸発潜熱及び顕熱を表す。
【００４５】
６．ステップＳ５では、ごみ中の水分量があらかじめ定められた値εに収束するまでステップＳ３、Ｓ４を繰り返し、ごみ中の水分量を求める。
【００４６】
７．ステップＳ６では、灰分比を一定と仮定して、ステップＳ１で計算された燃焼したごみの可燃分量とステップＳ４で求められたごみ中の水分量とに基づいてごみ処理速度Ｍを計算し、下記の式（８）で燃焼したごみ量を求める。
【００４７】
【数８】
0003822328.tif 000011
【００４８】
８．ステップＳ６では更に、可燃分発熱量Ｈｃ、水の蒸発潜熱λを用いて、下記の式（９）で燃焼したごみの低位発熱量Ｈｕを求める。
【００４９】
【数９】
0003822328.tif 000012
【００５０】
９．ステップＳ７では表１、表２にある式に従って他の計算値を計算する。
【００５４】
一般に、収集された都市ごみはごみピットに蓄積され、クレーンによる攪拌を受けた後ホッパヘ投入され焼却処理される。収集されるごみは多種多様で、収集日、地域による特性などもある。また、ごみピットは通常数日分の収集ごみを蓄積できる大容量であるため、クレーンによる攪拌では一つかみ分とそのつかみ位置の周囲のごみを均一化することは比較的容易だが、ピット内のごみすべてを均一化することは不可能である。このため焼却処理されるごみにクレーンつかみ毎のごみ低位発熱量の変動が生じる。これに対し、本発明によればこのごみ低位発熱量の変動を素早く確実に捉えることが可能となり、この変動によって生じるであろう二次燃焼温度やボイラでの発生蒸気流量の変動が予測できるので、フィードフォワード制御を自動燃焼制御に活用することでかかる変動を安定化することが可能となる。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明したごみ焼却炉の燃焼ごみ低位発熱量推定方法により、ごみ焼却炉の二次燃焼室での燃焼温度管理や余熱利用設備として設けられるボイラの発生蒸気流量の安定化が従来以上に実現され、ＣＯやＮＯｘなどの公害物質発生の抑制、安定した自動運転の継続及び操業目標の達成を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるごみ焼却炉の燃焼ごみ低位発熱量推定方法の手順を説明するためのフローチャート図である。
【図２】本発明が適用される従来のごみ焼却炉の一例を示した図である。
【符号の説明】
１１    ごみ
１２    ホッパ
１３    フィーダ
１６    ストーカ
【図１】
0003822328.tif 000013
【図２】
0003822328.tif 000014