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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022076570
(43)【公開日】2022-05-20
(54)【発明の名称】ごみ焼却処理施設の燃焼制御装置及び燃焼制御方法
(51)【国際特許分類】
F23G 5/50 20060101AFI20220513BHJP
【ＦＩ】
F23G5/50 N ZAB
F23G5/50 H
【審査請求】有
【請求項の数】4
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2020186985
(22)【出願日】2020-11-10
(71)【出願人】
【識別番号】800000068
【氏名又は名称】学校法人東京電機大学
(71)【出願人】
【識別番号】000136804
【氏名又は名称】株式会社プランテック
(74)【代理人】
【識別番号】100209129
【弁理士】
【氏名又は名称】山城 正機
(72)【発明者】
【氏名】加藤 政一
(72)【発明者】
【氏名】菅原 秀雄
(72)【発明者】
【氏名】増田 倹吾
(72)【発明者】
【氏名】鮫島 良二
【テーマコード（参考）】
3K062
【Ｆターム（参考）】
3K062AA01
3K062AA11
3K062AB01
3K062AC01
3K062BA02
3K062CA01
3K062CB09
3K062DA01
3K062DA07
3K062DA27
3K062DB06
3K062DB08
3K062DB28
(57)【要約】
【課題】追加の計測器や複雑な計算アルゴリズムを必要とする高価な制御装置を使用することなく、廃熱ボイラの時定数による影響を低減して応答性を向上させることが可能なごみ焼却処理施設の燃焼制御装置を提供する。
【解決手段】本発明の燃焼制御装置は、ごみを燃焼する焼却炉と、焼却炉で発生した燃焼排ガスの排熱を利用して蒸気を発生させる廃熱ボイラとを備えたごみ焼却処理施設の燃焼制御装置であって、廃熱ボイラから発生する蒸気量が制御目標値に追従するよう焼却炉のフィードバック制御を行う燃焼制御装置において、蒸気量によるフィードバック制御に加え、廃熱ボイラ入口における燃焼排ガスが有する熱量を先行要素として焼却炉の制御を行う。
【選択図】図２
【解決手段】本発明の燃焼制御装置は、ごみを燃焼する焼却炉と、焼却炉で発生した燃焼排ガスの排熱を利用して蒸気を発生させる廃熱ボイラとを備えたごみ焼却処理施設の燃焼制御装置であって、廃熱ボイラから発生する蒸気量が制御目標値に追従するよう焼却炉のフィードバック制御を行う燃焼制御装置において、蒸気量によるフィードバック制御に加え、廃熱ボイラ入口における燃焼排ガスが有する熱量を先行要素として焼却炉の制御を行う。
【選択図】図２
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ごみを燃焼する焼却炉と、前記焼却炉で発生した燃焼排ガスの排熱を利用して蒸気を発生させる廃熱ボイラとを備えたごみ焼却処理施設の燃焼制御装置であって、前記廃熱ボイラから発生する蒸気量が制御目標値に追従するよう前記焼却炉のフィードバック制御を行う燃焼制御装置において、
前記蒸気量によるフィードバック制御に加え、前記廃熱ボイラ入口における燃焼排ガスが有する熱量を先行要素として前記焼却炉の制御を行う、
燃焼制御装置。
前記蒸気量によるフィードバック制御に加え、前記廃熱ボイラ入口における燃焼排ガスが有する熱量を先行要素として前記焼却炉の制御を行う、
燃焼制御装置。
【請求項2】
前記制御目標値と前記蒸気量との差分に基づいて第一の制御量を出力する第一調節部と、
前記焼却炉で発生した燃焼排ガスが有する熱量を先行要素として第二の制御量を出力する第二調節部とを備え、
前記焼却炉は前記第一の制御量と前記第二の制御量との差分に基づいて制御が行われる、
請求項1に記載の燃焼制御装置。
前記焼却炉で発生した燃焼排ガスが有する熱量を先行要素として第二の制御量を出力する第二調節部とを備え、
前記焼却炉は前記第一の制御量と前記第二の制御量との差分に基づいて制御が行われる、
請求項1に記載の燃焼制御装置。
【請求項3】
前記燃焼排ガスが有する熱量を、前記廃熱ボイラ入口における燃焼排ガスの温度と流量とから算出する、
請求項１又は２に記載の燃焼制御装置。
請求項１又は２に記載の燃焼制御装置。
【請求項4】
前記ごみ焼却処理施設は前記燃焼排ガス中の有害物質をろ過するろ布を備えたバグフィルタをさらに備え、
前記バグフィルタ出口で計測した前記燃焼排ガスの流量を用いて前記熱量を算出する、
請求項３に記載の燃焼制御装置。
前記バグフィルタ出口で計測した前記燃焼排ガスの流量を用いて前記熱量を算出する、
請求項３に記載の燃焼制御装置。
【請求項5】
ごみを燃焼する焼却炉と、前記焼却炉で発生した燃焼排ガスの排熱を利用して蒸気を発生させる廃熱ボイラとを備えたごみ焼却処理施設の燃焼制御方法であって、前記廃熱ボイラから発生する蒸気量が制御目標値に追従するよう前記焼却炉のフィードバック制御を行う燃焼制御方法において、
前記蒸気量によるフィードバック制御に加え、前記廃熱ボイラ入口における燃焼排ガスが有する熱量を先行要素として前記焼却炉の制御を行うステップを有する、
燃焼制御方法。
前記蒸気量によるフィードバック制御に加え、前記廃熱ボイラ入口における燃焼排ガスが有する熱量を先行要素として前記焼却炉の制御を行うステップを有する、
燃焼制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ごみ焼却処理施設の燃焼制御装置及び燃焼制御方法に関し、特に、焼却炉で発生した排熱を利用して蒸気を発生させる廃熱ボイラを備えたごみ焼却処理施設において、廃熱ボイラから発生する蒸気量を時間遅れなく目標値に追従させる技術に関する。
【背景技術】
【0002】
図４に、従来から用いられている、ごみを燃焼する焼却炉４１０と、焼却炉４１０で発生した燃焼排ガスの排熱を利用して蒸気を発生させる廃熱ボイラ４２０とを備えたごみ焼却処理施設４の模式図を示す。
【0003】
ごみ焼却処理施設４に搬入されるごみはその大きさや組成が一定ではないため、焼却炉４１０に投入される前に図示しないごみピット内で撹拌・混合され、ある程度均質化されたうえで、図示しない投入装置によって焼却炉４１０に投入される。焼却炉４１０に投入されたごみは、図示しない送り装置によって焼却炉４１０内をゆっくりと移動しながら、一次燃焼空気供給装置４１１ａ及び二次燃焼空気供給装置４１１ｂから供給される燃焼空気によって焼却処理される。焼却炉４１０内でごみが焼却されるに伴い、高温の燃焼排ガスが発生する。なお、個別の要素についての詳細な説明は省略するが、ごみ焼却処理施設４は他に、排ガス冷却装置４３０、バグフィルタ４４０、排ガス煙道４５０、誘引通風機４６０、煙突４７０等によって構成される。
【0004】
焼却炉４１０で発生した高温の燃焼排ガスは排ガス煙道４５０を介して廃熱ボイラ４２０に供給される。廃熱ボイラ４２０においては、多数の水管内にボイラ給水が流通しており、水管内の水が燃焼排ガスの排熱によって加熱されて蒸気を発生する。発生した蒸気は図示しない蒸気タービンを駆動し、主に発電のために供される。
【0005】
廃熱ボイラ４２０から発生する蒸気量の変動を抑制し所定の目標値に保持することは、ごみ焼却処理施設を安定して運用するために非常に重要である。そのため、従来においては、廃熱ボイラ４２０で発生した蒸気の蒸気量を蒸気量計測手段４２１を用いて計測し、計測された蒸気量が予め設定された制御目標値に追従するよう焼却炉４１０の燃焼制御を行うフィードバック制御が行われている。
【0006】
つまり、上述した通り、焼却炉４１０に投入されたごみは可燃成分（Ｃ、Ｈ、Ｓ等）の組成が一定ではないため、ごみピット内で撹拌・混合処理を行ったとしても、発生する燃焼排ガスの温度や量が変動することがある。そのため、燃焼空気の供給量、焼却炉４１０内へのごみの投入頻度、又は焼却炉４１０内におけるごみの送り速度を調整することによって、廃熱ボイラ４２０から発生する蒸気量が所定値になるよう制御を行う制御装置４８０を備える。このような従来型の単純フィードバック制御装置４８０によって行われる制御をブロック図に表すと、図５のようになる。
【0007】
図５において、従来型の単純フィードバック制御装置４８０によって行われる制御系は、焼却炉４１０の入出力関係について演算を行う焼却炉演算部４Ｆ、廃熱ボイラ４２０の入出力関係について演算を行う廃熱ボイラ演算部４Ｂ、調節部４Ｃ、比較部４８１及び加算部４８２によって構成される。ここで、Ｒ（ｓ）は入力、つまり、図示しない設定器で設定される蒸気量の制御目標値のラプラス変換を、Ｃ（ｓ）は出力、つまり、廃熱ボイラ４２０から発生する蒸気量のラプラス変換を、Ｇｃ（ｓ）は調節部Ｃにおける入力から出力への伝達関数を、Ｇｆ（ｓ）は焼却炉４１０における入力から出力への伝達関数を、Ｇｂ（ｓ）は廃熱ボイラ４２０における入力から出力への伝達関数を、Ｄ（ｓ）は外乱のラプラス変換を示す。なお、ここでいう外乱とは、ごみの発熱量の変動等を意味するもので、廃熱ボイラ４２０から発生する蒸気の蒸気量に影響を与えるものである。
【0008】
このフィードバック制御系の出力Ｃ（ｓ）は、入力Ｒ（ｓ）及び外乱Ｄ（ｓ）を用いて式（１）のように表される。なお、式（１）においては、各伝達関数におけるラプラス変数表示の（ｓ）は全て省略した（以下、式中の（ｓ）は省略）。
【0009】
【数1】
【0010】
式（１）より、入力Ｒ（ｓ）及び外乱Ｄ（ｓ）の項いずれにも、分母に焼却炉４１０の伝達関数Ｇｆ（ｓ）と廃熱ボイラ４２０の伝達関数Ｇｂ（ｓ）との積Ｇｆ（ｓ）Ｇｂ（ｓ）が存在することが分かる。ここで、Ｇｆ（ｓ）及びＧｂ（ｓ）は、それぞれ、式（２）及び式（３）のように表される。
【0011】
【数2】
【0012】
【数3】
【0013】
ここで、式（２）及び式（３）において、Ｔｆ及びＫｆはそれぞれ焼却炉１０の時定数及びゲインを、Ｔｂ及びＫｂはそれぞれは廃熱ボイラ４２０の時定数及びゲインを表す。ところで、焼却炉４１０の時定数Ｔｆに対して、廃熱ボイラ４２０の時定数Ｔｂは、廃熱ボイラ４２０の保有熱量が大きいことに伴い、数倍以上の大きさとなる。具体的には、Ｔｆが数分以内であるのに対し、Ｔｂは１０分以上となる。そのため、燃焼排ガスの熱量等の変動に伴う発生蒸気量の変動は、燃焼排ガスの変動よりもかなり遅れて発現することとなる。そのため、蒸気量の変動を検出してから制御を行うと、出力に時間遅れが発生するとともに、振動を伴う時間変動が生じることとなる。従来においては、このような発生蒸気量の変動に追従するために、調節部ＣにおいてＰＩＤ（Ｐｒｏｐｏｔｉｏｎａｌ－Ｉｎｔｅｇｒａｌ－Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ）制御を行い、主として微分動作（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ａｃｔｉｏｎ：Ｄ動作）により時間遅れを補償する制御を行うよう設計される。または、ごみピットに投入されたごみの性状をＡＩ（Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ）を用いて予測し、予測されたごみの性状から所望の熱量を有する燃焼排ガスが発生するようごみの送り速度の調整等を行っている。しかしながら、このようなＰＩＤ制御には限界があり、また、ＡＩを用いた予測制御には、複雑な計算アルゴリズムを使用するための高価な制御装置が必要となる。
【0014】
また、特許文献１に示されるように、燃焼後の排ガス組成を実測し、燃焼排ガス中の実測成分濃度（Ｏ２及びＨ２Ｏ）からごみの発熱量を推算した上でボイラ発熱量を推算する先行制御を行う技術が提案されている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0015】
【特許文献1】特開２０１７－９６５１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0016】
特許文献１に開示された技術によると、ごみの発熱量を推算するためには焼却炉内の水蒸気及び酸素濃度を計測する必要があり、計測機器が増えコスト増となるという問題があるとともに、水蒸気及び酸素濃度から二酸化炭素濃度を、二酸化炭素濃度から発熱量を、発熱量から蒸発量を、という三重の推算を行うものであり、計算の精度を担保しにくいという問題があった。
【0017】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、追加の計測機器や複雑な計算アルゴリズムを必要とする高価な制御装置を使用することなく、廃熱ボイラの時定数による影響を低減して応答性を向上させることが可能なごみ焼却処理施設の燃焼制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0018】
本発明では、以下のような解決手段を提供する。
【0019】
第１の特徴に係る発明は、ごみを燃焼する焼却炉と、焼却炉で発生した燃焼排ガスの排熱を利用して蒸気を発生させる廃熱ボイラとを備えたごみ焼却処理施設の燃焼制御装置であって、廃熱ボイラから発生する蒸気量が制御目標値に追従するよう焼却炉のフィードバック制御を行う燃焼制御装置において、蒸気量によるフィードバック制御に加え、廃熱ボイラ入口における燃焼排ガスが有する熱量を先行要素として焼却炉の制御を行う燃焼制御装置、を提供する。
【0020】
第１の特徴に係る発明によれば、廃熱ボイラに流入する燃焼排ガスが保有する熱量を蒸気量の先行要素として、つまり、蒸気量の変動に先行して燃焼排ガスの熱量の変動に基づいて制御を行うことで、廃熱ボイラの時定数の影響を受けることなく、時間遅れの少ない燃焼制御装置を実現することができる。
【0021】
第２の特徴に係る発明は、第１の特徴に係る発明であって、制御目標値と蒸気量との差分に基づいて第一の制御量を出力する第一調節部と、焼却炉で発生した燃焼排ガスが有する熱量を先行要素として第二の制御量を出力する第二調節部とを備え、焼却炉は第一の制御量と第二の制御量との差分に基づいて制御が行われる燃焼制御装置、を提供する。
【0022】
第２の特徴に係る発明によれば、実際の蒸気量の出力のラプラス変換を制御目標値である入力及び外乱のラプラス変換を用いて立式した際、廃熱ボイラの時定数に依存しない項が発現し、廃熱ボイラの時定数の大きさに依存しない応答を得ることが可能となる。
【0023】
第３の特徴に係る発明は、第１又は２の特徴に係る発明であって、燃焼排ガスが有する熱量を、廃熱ボイラ入口における燃焼排ガスの温度と流量とから算出する燃焼制御装置、を提供する。
【0024】
第３の特徴に係る発明によれば、新たな計測機器を設置することなく、既設の設備を活かして応答性の高い制御を行うことが可能となる。
【0025】
第４の特徴に係る発明は、第３の特徴に係る発明であって、ごみ焼却処理施設は燃焼排ガス中の有害物質をろ過するろ布を備えたバグフィルタをさらに備え、バグフィルタ出口で計測した燃焼排ガスの流量を用いて熱量を算出する燃焼制御装置、を提供する。
【0026】
第４の特徴に係る発明によれば、バグフィルタ出口における排ガス流量を検出し、検出された排ガス流量を排ガスの熱量の算出に用いることによって、廃熱ボイラ入口で検出するのと同様に時間遅れなく、しかも、ダストによる影響を低減してより精度の高い測定が可能となるため、より高精度の燃焼制御が可能となる。
【発明の効果】
【0027】
本発明によれば、追加の計測器や複雑な計算アルゴリズムを必要とする高価な制御装置を使用することなく、廃熱ボイラの時定数による影響を低減して応答性を向上させることが可能なごみ焼却処理施設の燃焼制御装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0028】
【発明を実施するための形態】
【0029】
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しながら説明する。なお、これはあくまでも一例であって、本発明の技術的範囲はこれに限られるものではない。
【0030】
［ごみ焼却処理施設の全体構成］
図１を用いて、本実施形態に係るごみ焼却処理施設の全体構成を説明する。
図１を用いて、本実施形態に係るごみ焼却処理施設の全体構成を説明する。
【0031】
図１に示すように、本実施形態のごみ焼却処理施設１は、焼却炉１０と、廃熱ボイラ２０と、排ガス冷却装置３０と、バグフィルタ４０と、排ガス煙道５０と、誘引通風機６０と、煙突７０と、燃焼制御装置８０によって構成される。
【0032】
焼却炉１０は、不定形の一般廃棄物や、産業廃棄物等の廃棄物を焼却処理するものである。本実施形態においては、竪型ごみ焼却炉を例にとって図示しているが、焼却炉１０の形式は、ストーカ炉や流動層炉など、他の形式であってもよい。
【0033】
焼却炉１０には、一次燃焼空気を供給する一次燃焼空気供給手段１１ａ、二次燃焼空気を供給する二次燃焼空気供給手段１１ｂ、炉内冷却用の冷却水を供給する冷却水供給手段１２等が配設される。これらは、後述する燃焼制御装置８０からの信号によって、それぞれの供給量を変化させることができるよう構成される。
【0034】
廃熱ボイラ２０は、焼却炉１０で廃棄物を焼却処理した際に発生する高温の燃焼排ガスから排熱を回収し、給水を加熱して蒸気を発生するものであり、ボイラ給水を加熱するエコノマイザ、エコノマイザで加熱されたボイラ給水をさらに加熱して蒸発させる蒸発器、及び、蒸発器で発生した蒸気と水分とを気液分離する蒸気ドラム等から構成される。また、廃熱ボイラ２０で発生した蒸気を取り出す主蒸気配管には、蒸気量を検出する蒸気量検出手段２１が配設される。
【0035】
排ガス冷却装置３０は、廃熱ボイラ２０から排出された燃焼排ガスをバグフィルタ４０に供給可能な温度、好ましくは２００℃以下まで減温するものであり、例えば、冷却水を噴霧して燃焼排ガスを冷却する減温塔等によって構成される。
【0036】
バグフィルタ４０は、排ガス冷却装置３０で減温された燃焼排ガスをろ過することで、燃焼排ガス中に含まれる煤塵や有害成分を除去するものであって、煤塵や有害成分をろ過するためのろ布を含む。
【0037】
排ガス煙道５０は、焼却炉１０、廃熱ボイラ２０、排ガス冷却装置３０、バグフィルタ４０等の各装置の間を接続し燃焼排ガスを流通させるための煙道である。焼却炉１０と廃熱ボイラ２０との間における排ガス煙道５０には、燃焼排ガスの温度を検出する排ガス温度検出手段５１、及び、燃焼排ガスの流量を検出する排ガス流量検出手段５２が配設される。なお、このような排ガス温度検出手段５１や排ガス流量検出手段５２は、従来のごみ焼却処理施設にも設置されているものである。
【0038】
誘引通風機６０は、バグフィルタ４０の下流に配設される通風機であり、バグフィルタ３０で浄化された排ガスを吸引して、煙突７０から排ガスを大気に放出するためのものである。
【0039】
燃焼制御装置８０は、蒸気量検出手段２１で検出された蒸気量、排ガス温度検出手段５１で検出された排ガス温度、排ガス流量検出手段５２で検出された排ガス流量に基づいて、一次燃焼空気供給手段１１ａや二次燃焼空気供給手段１１ｂから焼却炉１０へ供給される燃焼空気流量及び／又は冷却水供給手段１２から焼却炉１０内へ供給される冷却水流量などを制御するものである。
【0040】
〔燃焼制御装置の構成〕
図２を用いて、本実施形態におけるごみ焼却処理施設の燃焼制御装置８０が行う制御について説明する。図２は、本実施形態に係るごみ焼却処理施設の燃焼制御装置８０が行う制御における信号の流れを示すブロック図である。なお、図５で説明した従来型の単純フィードバック制御装置４８０と重複する箇所については説明を簡略化または省略し、主に図５と異なる点について説明する。
図２を用いて、本実施形態におけるごみ焼却処理施設の燃焼制御装置８０が行う制御について説明する。図２は、本実施形態に係るごみ焼却処理施設の燃焼制御装置８０が行う制御における信号の流れを示すブロック図である。なお、図５で説明した従来型の単純フィードバック制御装置４８０と重複する箇所については説明を簡略化または省略し、主に図５と異なる点について説明する。
【0041】
本実施形態に係る燃焼制御装置８０においては、焼却炉１０で発生した燃焼排ガスが有する熱量、つまり、廃熱ボイラ２０入口における燃焼排ガスが有する熱量を先行要素として、従来型のフィードバック制御に付加して制御を行う。
【0042】
具体的に説明すると、本実施形態に係る燃焼制御装置８０で実行される制御のブロック線図は、焼却炉１０の入出力関係について演算を行う焼却炉演算部Ｆ、廃熱ボイラ２０の入出力関係について演算を行う廃熱ボイラ演算部Ｂ、第一調節部Ｃ１、第一比較部８１及び加算部８２に加え、第二調節部Ｃ２及び第二比較部８３によって構成される。
【0043】
なお、Ｒ（ｓ）は入力、つまり、図示しない設定器で設定される蒸気量の制御目標値のラプラス変換を、Ｃ（ｓ）は出力、つまり、蒸気量検出手段２１で検出された廃熱ボイラ２０から発生する蒸気量のラプラス変換を、Ｇｃ１（ｓ）は第一調節部Ｃ１における入力から出力への伝達関数を、Ｇｃ２（ｓ）は第二調節部Ｃ２における入力から出力への伝達関数を、Ｇｆ（ｓ）は焼却炉１０における入力から出力への伝達関数を、Ｇｂ（ｓ）は廃熱ボイラ２０における入力から出力への伝達関数を、Ｄ（ｓ）は外乱のラプラス変換を示す。
【0044】
第一比較部８１は、図示しない設定器で設定される蒸気量の制御目標値である入力Ｒ（ｓ）と、蒸気量検出手段２１で検出された廃熱ボイラ２０から発生する蒸気量である出力Ｃ（ｓ）の差分を算出する。
【0045】
第一調節部Ｃ１は、従来型の単純フィードバック制御装置４８０で示された調節部４Ｃと同様に、第一比較部８１で算出される入力Ｒ（ｓ）と出力Ｃ（ｓ）の差分を入力とし伝達関数Ｇｃ１（ｓ）にしたがって算出される操作量を出力する。このとき第一調節部Ｃ１から出力される操作量を第一操作量ＭＶ１とする。
【0046】
第二調節部Ｃ２は、排ガス温度検出手段５１で検出された排ガス温度と、排ガス流量検出手段５２で検出された排ガス流量とを用いて、図示しない排ガス熱量算出手段によって算出される燃焼排ガスが有する熱量、つまり廃熱ボイラ２０入口における燃焼排ガスの熱量を入力とし伝達関数Ｇｃ２（ｓ）にしたがって算出される操作量を先行要素として出力する。このとき第二調節部Ｃ２から出力される操作量を第二操作量ＭＶ２とする。
【0047】
なお、第一調節部Ｃ１及び第二調節部Ｃ２によって調整されるのは、一次燃焼空気供給手段１１ａや二次燃焼空気供給手段１１ｂから焼却炉１０内に供給される燃焼空気の空気量及び／又は冷却水供給手段１２から焼却炉１０内に供給される冷却水の供給量である。
【0048】
第二比較部８３は、第一調節部Ｃ１から出力される第一操作量ＭＶ１と、第二調節部Ｃ２から出力される第二操作量ＭＶ２との差分を算出するものである。
【0049】
加算部８２は、第二比較部８３から出力される第一操作量ＭＶ１と第二操作量ＭＶ２との差分に対し、外乱Ｄ（ｓ）を加算するものである。加算部８２からの出力は、焼却炉演算部Ｆへの入力となる。
【0050】
次に、このように構成された本実施形態に係る燃焼制御装置８０を用いた燃焼制御方法について説明する。
【0051】
本実施形態に係る燃焼制御装置８０を用いた燃焼制御方法は、蒸気量によるフィードバック制御に加え、廃熱ボイラ２０入口における燃焼排ガスが有する熱量を先行要素として焼却炉１０の制御を行うステップを備える。
【0052】
具体的には、第一調節部Ｃ１において制御目標値と蒸気量との差分に基づいて第一操作量ＭＶ１を出力するステップ、第二調節部Ｃ２において焼却炉で発生した燃焼排ガスが有する熱量を先行要素として第二操作量ＭＶ２を出力するステップ、第一操作量ＭＶ１と第二操作量ＭＶ２との差分に対し外乱Ｄ（ｓ）を加えたものを焼却炉１０への入力とするステップ、を備える。
【0053】
このような構成であるため、焼却炉演算部Ｆには第一操作量ＭＶ１と第二操作量ＭＶ２との差分に対し外乱Ｄ（ｓ）を加えたものが入力される。そして、排ガス温度検出手段５１で検出された排ガス温度と排ガス流量検出手段５２で検出された排ガス流量とを用いて燃焼排ガスの熱量が算出され、燃焼排ガスの熱量に対応する信号は二つに分岐し、一方は廃熱ボイラ演算部Ｂに対する入力となり、他方は第二調節部Ｃ２に対する入力となる。そして燃焼排ガスの熱量に応じて第二調節部Ｃ２で算出される第二操作量ＭＶ２が第二比較部８３に入力されて第一操作量ＭＶ１との差分が算出され、さらに外乱Ｄ（ｓ）を加えたものが焼却炉演算部Ｆに入力される。
【0054】
このように、廃熱ボイラ２０の入口から焼却炉１０の入口に至る一巡伝達関数が構成され、廃熱ボイラ２０から発生する蒸気の蒸気量の先行要素として燃焼排ガスの熱量を用いた操作を付加したフィードバック系の制御装置の出力Ｃ（ｓ）は、入力Ｒ（ｓ）及び外乱Ｄ（ｓ）を用いて式（４）のように表される。
【0055】
【数4】
【0056】
本実施形態に係る燃焼制御装置８０における入出力関係を表した式（４）を、従来型の単純フィードバック制御装置４８０における入出力関係を表した式（１）と比較すると、その違いは、入力Ｒ（ｓ）及び出力Ｃ（ｓ）の分母にＧｃ２（ｓ）Ｇｆ（ｓ）という、廃熱ボイラ２０の伝達関数Ｇｂ（ｓ）に依存しない項が発現するところにある。この項の存在によって、廃熱ボイラ２０の時定数の大きさに関わらず、制御目標値は焼却炉１０で発生する燃焼排ガスの熱量に応じた制御を行うことが可能となり、ごみの発熱量等の変動や設定変更に対する応答性が向上する。
【0057】
図３に、本実施形態に係る燃焼制御装置８０を用いて燃焼制御を行った場合の応答性を検証した結果について示す。図３においては、（Ａ）定常状態から設定を変更した場合、（Ｂ）実際の運転データに基づく外乱を与えた際のランダム応答について検討を行い、それぞれ、従来型の単純フィードバック制御装置４８０を用いて制御を行った場合の結果との比較を行った。また、（ａ）はＧｃ２（ｓ）のゲインＫｐ２を２とした場合、（ｂ）は同ゲインを１０とした場合についての結果を示す。
【0058】
図３を参照すると、いずれの場合においても、本実施形態に係る燃焼制御装置においては、従来型の単純フィードバック系よりもオーバーシュートや変動幅の小さい応答が得られていることが確認できる。これは廃熱ボイラ２０の大きな時定数の影響を軽減できた結果である。
【0059】
本実施形態に係る燃焼制御装置８０の効果を物理的に説明すると以下のようになる。すなわち、焼却炉１０で発生した燃焼排ガスは所定の温度と所定の流量をもって廃熱ボイラ２０に流入する。燃焼排ガスが有する熱量は、温度と流量とによって算出されるが、焼却炉１０と廃熱ボイラ２０との間における排ガス煙道５０からの熱の流出は無視できるほど小さいため、ごみ燃焼部１０から排出される燃焼排ガスが保有する熱量と廃熱ボイラ２０に流入する燃焼排ガスが保有する熱量は等しい。本実施形態においては、廃熱ボイラ２０に流入する燃焼排ガスが保有する熱量を検知し、その熱量を蒸気量の先行要素として、つまり、蒸気量の変動に先行して燃焼排ガスの熱量の変動に基づいて燃焼空気量及び／又は冷却水量を調節することで、廃熱ボイラ２０の時定数の影響を受けることのない因子を操作量として制御系に加味して、時間遅れの少ない制御系を実現している。その結果、廃熱ボイラ２０から発生する蒸気量の変動を、従来の５％から３％以内に抑制することが可能となる。
【0060】
このとき、廃熱ボイラ２０に流入する燃焼排ガスが有する熱量を入力として所定の伝達関数にしたがって操作量を出力する調節部を第二調節部Ｃ２として設け、第二調節部Ｃ２から出力される操作量を第二操作量ＭＶ２として、第一操作量ＭＶ１と第二操作量ＭＶ２の差分を焼却炉１０の調節に使用する。
【0061】
このようにすることで、出力のラプラス変換を入力及び外乱のラプラス変換を用いて立式した際、廃熱ボイラ２０の時定数に依存しない項が発現し、廃熱ボイラ２０の時定数の大きさに依存しない応答を得ることが可能となる。
【0062】
また、ごみの熱量の算出に、排ガス煙道５０における排ガス温度検出手段５１及び排ガス流量検出手段５２で検出された排ガス温度及び排ガス流量を使用するため、従来から設置されている検出手段をそのまま用いて制御を行うことが出来る。つまり、制御のために新たな計測機器を設置することなく、既設の設備を活かして応答性の高い制御を行うことが可能となる。
【0063】
〔変形例〕
図１においては、排ガス流量検出手段５２を焼却炉１０と廃熱ボイラ２０の間の排ガス煙道５０に設置したが、変形例として、排ガス流量検出手段５２をバグフィルタ４０出口に設置した例を挙げることが出来る。
図１においては、排ガス流量検出手段５２を焼却炉１０と廃熱ボイラ２０の間の排ガス煙道５０に設置したが、変形例として、排ガス流量検出手段５２をバグフィルタ４０出口に設置した例を挙げることが出来る。
【0064】
排ガス煙道５０における燃焼排ガスの流速は１５ｍ／ｓ程度と速く、廃熱ボイラ２０入口からバグフィルタ４０出口までの時間遅れは蒸気量の遅れと比して小さい。一方で、バグフィルタ４０において燃焼排ガスに含有される煤塵やダスト等の不純物がろ過されるため、バグフィルタ４０の出口においてはダストの影響を受けずに精度の高い排ガス流量の測定が可能となる。
【0065】
つまり、バグフィルタ４０出口における排ガス流量を検出し、検出された排ガス流量を排ガスの熱量の算出に用いることによって、廃熱ボイラ２０入口で検出するのと同様に時間遅れなく、しかも、ダストの影響を低減したより精度の高い測定が可能となる。そのため、より高精度な燃焼制御が可能となる。また、高温でダストを含む燃焼排ガスにセンサが晒されることがないため、検出手段自体を高寿命化することが可能となる。
【0066】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述したこれらの実施形態に限るものではない。また、本発明の実施形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は、本発明の実施形態に記載されたものに限定されるものではない。
【0067】
例えば、焼却炉１０は、その下流に廃熱ボイラ２０を備えるものであれば、ストーカ式、流動層式、キルン式等、任意の形式の焼却炉が用いられる。
【0068】
また、廃熱ボイラ２０は焼却炉１０と別体のものである必要はなく、焼却炉１０の炉壁を水管で構成してボイラ構造とした焼却炉・ボイラ一体型のものも本願発明に含み得る。その場合、熱量を計算するための温度を検出する位置は、二次燃焼空気を吹き込む位置の下流で、排ガスと二次燃焼空気が混合された位置であればよい。
【0069】
また、上記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施の形態の構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施の形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。また、各実施の形態の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換しても良い。
【産業上の利用可能性】
【0070】
この発明のごみ焼却処理施設の燃焼制御装置及び燃焼制御方法は、廃熱ボイラを備える各種ごみ焼却処理施設に適用することができる。
【符号の説明】
【0071】
１ ごみ焼却処理施設
１０ 焼却炉
１１ａ 一次燃焼空気供給手段
１１ｂ 二次燃焼空気供給手段
１２ 冷却水供給手段
２０ 廃熱ボイラ
２１ 蒸気量検出手段
３０ 排ガス冷却装置
４０ バグフィルタ
５０ 排ガス煙道
５１ 排ガス温度検出手段
５２ 排ガス流量検出手段
６０ 誘引通風機
７０ 煙突
８０ 燃焼制御装置
８１ 第一比較部
８２ 加算部
８３ 第二比較部
Ｃ１ 第一調節部
Ｃ２ 第二調節部
１０ 焼却炉
１１ａ 一次燃焼空気供給手段
１１ｂ 二次燃焼空気供給手段
１２ 冷却水供給手段
２０ 廃熱ボイラ
２１ 蒸気量検出手段
３０ 排ガス冷却装置
４０ バグフィルタ
５０ 排ガス煙道
５１ 排ガス温度検出手段
５２ 排ガス流量検出手段
６０ 誘引通風機
７０ 煙突
８０ 燃焼制御装置
８１ 第一比較部
８２ 加算部
８３ 第二比較部
Ｃ１ 第一調節部
Ｃ２ 第二調節部
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【手続補正書】
【提出日】2022-01-07
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ごみを燃焼する焼却炉と、前記焼却炉で発生した燃焼排ガスの排熱を利用して蒸気を発生させる廃熱ボイラとを備えたごみ焼却処理施設の燃焼制御装置であって、前記廃熱ボイラから発生する蒸気量が制御目標値に追従するよう前記焼却炉のフィードバック制御を行う燃焼制御装置において、
前記蒸気量によるフィードバック制御に加え、前記廃熱ボイラ入口における燃焼排ガスが有する熱量を先行要素として前記焼却炉の制御を行うものであり、
前記制御目標値と前記蒸気量との差分に基づいて第一操作量を出力する第一調節部と、
前記焼却炉で発生した燃焼排ガスが有する熱量を先行要素として第二操作量を出力する第二調節部とを備え、
前記焼却炉は前記第一操作量と前記第二操作量との差分に基づいて制御が行われる、
燃焼制御装置。
前記蒸気量によるフィードバック制御に加え、前記廃熱ボイラ入口における燃焼排ガスが有する熱量を先行要素として前記焼却炉の制御を行うものであり、
前記制御目標値と前記蒸気量との差分に基づいて第一操作量を出力する第一調節部と、
前記焼却炉で発生した燃焼排ガスが有する熱量を先行要素として第二操作量を出力する第二調節部とを備え、
前記焼却炉は前記第一操作量と前記第二操作量との差分に基づいて制御が行われる、
燃焼制御装置。
【請求項2】
前記燃焼排ガスが有する熱量を、前記廃熱ボイラ入口における燃焼排ガスの温度と流量とから算出する、
請求項１に記載の燃焼制御装置。
請求項１に記載の燃焼制御装置。
【請求項3】
前記ごみ焼却処理施設は前記燃焼排ガス中の有害物質をろ過するろ布を備えたバグフィルタをさらに備え、
前記バグフィルタ出口で計測した前記燃焼排ガスの流量を用いて前記熱量を算出する、
請求項２に記載の燃焼制御装置。
前記バグフィルタ出口で計測した前記燃焼排ガスの流量を用いて前記熱量を算出する、
請求項２に記載の燃焼制御装置。
【請求項4】
ごみを燃焼する焼却炉と、前記焼却炉で発生した燃焼排ガスの排熱を利用して蒸気を発生させる廃熱ボイラとを備えたごみ焼却処理施設の燃焼制御方法であって、前記廃熱ボイラから発生する蒸気量が制御目標値に追従するよう前記焼却炉のフィードバック制御を行う燃焼制御方法において、
前記蒸気量によるフィードバック制御に加え、前記廃熱ボイラ入口における燃焼排ガスが有する熱量を先行要素として前記焼却炉の制御を行うステップを有するものであり、
前記制御目標値と前記蒸気量との差分に基づいて第一操作量を出力するステップと、
前記焼却炉で発生した燃焼排ガスが有する熱量を先行要素として第二操作量を出力するステップとを備え、
前記焼却炉は前記第一操作量と前記第二操作量との差分に基づいて制御が行われる、
燃焼制御方法。
前記蒸気量によるフィードバック制御に加え、前記廃熱ボイラ入口における燃焼排ガスが有する熱量を先行要素として前記焼却炉の制御を行うステップを有するものであり、
前記制御目標値と前記蒸気量との差分に基づいて第一操作量を出力するステップと、
前記焼却炉で発生した燃焼排ガスが有する熱量を先行要素として第二操作量を出力するステップとを備え、
前記焼却炉は前記第一操作量と前記第二操作量との差分に基づいて制御が行われる、
燃焼制御方法。
【手続補正2】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0020】
また、第１の特徴に係る発明は、制御目標値と蒸気量との差分に基づいて第一操作量を出力する第一調節部と、焼却炉で発生した燃焼排ガスが有する熱量を先行要素として第二操作量を出力する第二調節部とを備え、焼却炉は第一操作量と第二操作量との差分に基づいて制御が行われる。
【手続補正3】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0021】
第１の特徴に係る発明によれば、廃熱ボイラに流入する燃焼排ガスが保有する熱量を蒸気量の先行要素として、つまり、蒸気量の変動に先行して燃焼排ガスの熱量の変動に基づいて制御を行うことで、廃熱ボイラの時定数の影響を受けることなく、時間遅れの少ない燃焼制御装置を実現することができる。
【手続補正4】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0022】
また、第１の特徴に係る発明によれば、制御目標値と蒸気量との差分に基づいて第一操作量を出力する第一調節部と、焼却炉で発生した燃焼排ガスが有する熱量を先行要素として第二操作量を出力する第二調節部とを備え、焼却炉は第一操作量と第二操作量との差分に基づいて制御が行われるため、実際の蒸気量の出力のラプラス変換を制御目標値である入力及び外乱のラプラス変換を用いて立式した際、廃熱ボイラの時定数に依存しない項が発現し、廃熱ボイラの時定数の大きさに依存しない応答を得ることが可能となる。
【手続補正5】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0023】
第２の特徴に係る発明は、第１の特徴に係る発明であって、燃焼排ガスが有する熱量を、廃熱ボイラ入口における燃焼排ガスの温度と流量とから算出する燃焼制御装置、を提供する。
【手続補正6】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0024】
第２の特徴に係る発明によれば、新たな計測機器を設置することなく、既設の設備を活かして応答性の高い制御を行うことが可能となる。
【手続補正7】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0025】
第３の特徴に係る発明は、第２の特徴に係る発明であって、ごみ焼却処理施設は燃焼排ガス中の有害物質をろ過するろ布を備えたバグフィルタをさらに備え、バグフィルタ出口で計測した燃焼排ガスの流量を用いて熱量を算出する燃焼制御装置、を提供する。
【手続補正8】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0026】
第３の特徴に係る発明によれば、バグフィルタ出口における排ガス流量を検出し、検出された排ガス流量を排ガスの熱量の算出に用いることによって、廃熱ボイラ入口で検出するのと同様に時間遅れなく、しかも、ダストによる影響を低減してより精度の高い測定が可能となるため、より高精度の燃焼制御が可能となる。