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JP2777843B2 - 燃焼プロセスを制御するシステム、装置および方法と、それに用いられる検出装置および煙道 - Google Patents

燃焼プロセスを制御するシステム、装置および方法と、それに用いられる検出装置および煙道

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JP2777843B2
JP2777843B2 JP5501455A JP50145593A JP2777843B2 JP 2777843 B2 JP2777843 B2 JP 2777843B2 JP 5501455 A JP5501455 A JP 5501455A JP 50145593 A JP50145593 A JP 50145593A JP 2777843 B2 JP2777843 B2 JP 2777843B2
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Description

【発明の詳細な説明】 背景技術 石炭、石油、天然ガスおよびバイオマス等の炭素含有
物質の燃焼は、今日の工業社会における主要なエネルギ
ー源である。燃焼による主な生成物質は、熱、ガスおよ
び灰である。燃焼によって発生した熱は、スチーム（ボ
イラー系統を構成する。）等の作動流体に転嫁され、発
電、化学プロセスの運転、熱源の供給を行なう動力ター
ヒンへと運ばれる。燃焼は、また、地方公共団体の廃棄
物の焼却にも用いられる。この場合、「廃棄物のエネル
ギー化」による燃焼によって発生した熱の有効利用が部
分的に行われてはいるが、廃棄物の破壊が燃焼の主要目
的である。ボイラーおよび焼却炉からの燃焼ガスは、可
能な限りの熱を回収した後に大気中へ放出される。
典型的なボイラーでは、燃焼炉からも排気ガス流から
も収熱が行なわれる。炉における伝熱は主として水冷却
壁からの熱の吸収またはタービンによって行なわれる。
燃焼炉の設計者またはオペレーターは、ボイラーの性
能が理想的であり、ボイラー効率が最大となり、これに
よって資源の有効利用と無駄な排出の低減とが図れるよ
うボイラーの運転を管理しようとする。ユーティリティ
ボイラーにおいては、ボイラーおよび下流の熱回収装置
において一定の温度分布が維持される場合に熱回収率が
最大となる。燃焼温度と伝熱温度とがこの範囲から逸脱
すると煙突からの熱損失が増大する。このことは、例え
ば、燃焼室の熱交換器の表面にすすやスラグが堆積した
ときに発生し、その結果、ボイラーへの伝熱効率が低下
する。
エネルギーの発生または廃物の処理を目的とした焼却
炉では、相当な量の有毒な炭化水素および／または塩素
化合物の排出の危険性を低減させるために燃焼温度は一
定範囲内に維持されなければならない。これらの設備に
おいて排気ガス温度を常時監視することは一般的には行
なわれておらず、従って、この温度要求が満たされてい
るかどうかを確認する手段のためには、余分な、従って
無駄な補助燃焼を必要とする。
ボイラーまたは燃焼炉用のある種の汚染防止システム
では、有害な汚染物質の濃度を低減させるために後燃焼
帯域において化学プロセスを利用している。このような
システムでは、ガス流中の有害汚染物質と化学的に反応
してこれらを無害化するために尿素、アンモニア、その
他の化合物が噴射される。反応は理想的な温度範囲内で
行なわれる。もし、これらの反応が理想的温度範囲外で
起ると、汚染の低減が不十分となり、別の有害物質が生
成する。
ボイラーの効率を測定し、かつ制御するパラメーター
の１つは、燃焼室内から排出されるガスの温度である。
多くの商業的ボイラーでは、排ガスの温度は約1000-180
0°Ｋであることが望ましい。温度がこの範囲よりも低
い場合は、温度を上げるために燃焼条件を変えることが
出来る。また、温度がこの範囲を越えて上昇したとき
は、伝熱表面を清掃してボイラーへの伝熱を増加させる
ことが出来る。例えば、固形廃棄物の焼却炉では燃焼温
度を制御するのに補助ヒーターがしばしば使われる。必
要な場合にのみ、しかも最大効率を確保するために所望
の範囲に燃焼温度を保つのに必要な限度においてのみ補
助ヒーターを点火することが望ましい。
排出ガス温度を監視するための信頼するに足る正確な
システムを提供しようとする試みは限られた程度におい
てしか成功していない。高速熱電対測定子としても知ら
れる吸引式熱電温度計が一般的にこの目的のために使用
される。このような装置は、基本的には、水冷式の管式
ハウジングによって覆われた熱電対であり、このハウジ
ングを通じて高温排出ガスが放出される。これらの装置
は使用上の困難を伴い、熱電対接合部がより低温の炉壁
から十分に隔離されていないと正確には作動しない。熱
電対は長時間にわたって高温ガスに曝されるのに十分な
抵抗力を有しておらず、通常は、腐蝕するかまたは故障
する。これらの装置の他の欠点は、単一点の測定しか行
なうことが出来ないことであり、平均ガス温度を得るた
めに複数個の装置を必要とする。
音響式熱電温度計が排出ガス温度を監視するのに用い
られて来た。音響式熱電温度計は、ガス温度の変化と音
速の変化とが相関関係を保持することをその利用の前提
としている。これらの装置では、平均温度を計算するの
に照準線の一方からの測定が採用される。音響温度測定
においては、ガスの分子量が略々一定であることが条件
とされる。しかし、実際には、水蒸気量と燃焼中の水素
濃度が相当に変動するので、音響測定の精度は低下す
る。別の欠点として、これらの装置に用いられる音響発
声器が極度の高温とすすおよび灰の堆積物に曝されるた
め、その音質が変化することが挙げられる。正確な温度
分布を知るためには、複数個の発声器と検知器とが必要
となる。更に、システムの乱調が粒子の分散を惹き起
し、また燃焼関係の機器からの音響放射が騒音の原因と
なり、この双方が測定精度を低下させる。音響測定は、
費用がかかり、複雑であり、また、信号分析のために長
時間を要する。
排ガス温度の監視のために赤外線熱電温度計が使われ
ることもある。この熱電温度計は、ボイラー出口室の赤
外線を測定するものである。しかし、このものはガスに
より放射される赤外線と冷却機の炉壁から放射される赤
外線とを区別することが出来ず、従って、工業的な監視
および制御システムで利用するには精度的に不十分であ
る。
本発明の目的は、ガス温度と壁温度とを区別して排ガ
ス温度を正確に測定可能な光学的温度監視装置を用いる
ことができ、しかも、燃焼パラメーター、伝熱パラメー
ター、汚染防止技術やその他の化学プロセスの各種パラ
メーターを制御してボイラー、燃焼炉、焼却炉等の管理
を改善するための方法および装置を提供することにあ
る。
発明の要約 本発明は、燃焼室から来るガス流中に随伴した灰の粒
子から放射される波長の相対的強度を測定して、ボイラ
ーや焼却炉内部の化学反応（燃焼を含む）と燃焼効率を
制御するシステムに関するものである。
粒子はガスと熱的に平衡関係にあるので、灰の粒子か
ら放射される波長の相対的強度を測定することによって
ガス温度を正確に測定することができる。粒子による放
射と冷却器の炉壁等による放射とを区別するために測定
光の波長は可視光帯域と近赤外線帯域の中から選択す
る。
本発明のシステムは、燃焼ガス流中の灰粒子から放射
される予め選択された狭い波長帯域の光の強度を検知す
る手段と、検知された光の強度を表す信号を出す手段
と、この信号に応答して焼却炉内の燃焼パラメーターや
ボイラー内の伝熱を制御したり、汚染防止機器、その他
のプロセス機器の運転を制御する手段とを有している。
検知波長域は約400-900nmの範囲が好ましく、検出帯
域幅は約10-20nmにするのが好ましい。この帯域内での
光の絶対強度または相対強度の変化は温度変化を示し、
この温度変化は例えばボイラーの熱効率が十分でないこ
とを示すものである。一定の運転モードで運転されてい
る時に、所定波長帯域での粒子からの放射光の強度が増
大するということは、粒子、従ってそれと平衡関係にあ
るガスの温度が望ましくなく上昇したことを示し、例え
ば熱交換器表面に堆積した煤やスラグによってボイラー
内部の伝熱が効率的に行なわれていないことを表してい
る。検知した光の強度を用いて温度、従ってガス流の温
度を計算する。計算された温度はオペレーターまたはコ
ンピュータ制御装置へ伝えられて、ボイラー内の熱交換
器表面のスラグ、煤、その他の堆積物を除去する手段、
例えば放水器やブロワーが作動して熱交換器の効率が回
復される。
本発明のシステムの他の特徴は、光を反射する粒子が
生成する状況、例えば、燃料中の有機質マトリックスと
強く結合した鉱物を多量に含有する燃料を燃焼する場合
の排ガス温度を検知及び監視する方法を提供することに
ある。例えば、多くの石炭はカルシウム、マグネシウム
その他の鉱物を多量に含有しており、これらが石炭の燃
焼により生成する粒子上に光反射性の被膜を形成する。
これにより反射される光は、温度を示す灰粒子から放射
される光の強さを上廻るものであり、計測される温度の
精度に影響を及ぼす。このような場合，本発明のシステ
ムでは、反射された光を散乱させるような粒子径を有す
る粒子によって放射される特定波長の光のみを選択的に
測定する。この技術により本発明の装置においては反射
光と粒子からの放射光とを区別することが可能となる。
よって、上記したシステムにおけるがごとく、検知され
た波長の強度は排ガス温度を示すものとなり、燃焼プロ
セスの効率を監視するために利用することが可能とな
る。
本発明は、例えば、焼却炉の燃焼効率、ボイラーの伝
熱効率等の効率を監視する精度の高いシステムを提供す
る。本発明は、汚染防止制御システムの効率を最大とす
るよう該システムを監視、制御するために利用すること
ができ、これによって汚染物質の排出を低減することが
可能である。本発明における任意の監視装置は、温度が
所望の範囲より上昇しまたは低下したときに補助燃焼設
備または熱交換器表面のクリーニング設備等の二次的シ
ステムを自動的に作動させるコンピュータまたはマイク
ロプロセッサーにより制御されたフィードバック・シス
テムと一体化することが可能である。このシステムは、
炉壁または反射光による干渉または騒音により実質的に
影響されない、リアルタイムでかつ正確な燃焼炉排ガス
の温度を測定する手段、及び効率的な燃焼を最大限に可
能とし、かつ望ましくない物質の放出を最小限に低減す
るような運転パラメーターを制御する手段を提供する。
図面の簡単な説明 第１図は、本発明の装置に使用することのできる光温
度モニターの概略図である。
第２図は、ボイラーの燃焼炉出口に設置された本発明
のシステムを示す概略図である。
第３図は、石炭燃焼ボイラーの運転中における燃焼炉
排出ガス温度（FEGT温度）を示すグラフである。
第４図は、本発明の光モニターシステムにより検知さ
れた石炭燃焼ボイラーのFEGT温度をHVT測定子により検
知された温度と比較して示すグラフである。
第５図は、１回のスートブロワの運転前、運転中及び
運転後に本発明の光モニターシステムを用いて計測され
た温度の変化を示すグラフである。
第６図は、数回のスートブロワの運転前、運転中及び
運転後に本発明の光モニターシステムを用いて計測され
た温度の変化を示すグラフである。
第７図は、低鉱物含量の東部れき青炭を燃焼する発電
設備において本発明の光温度モニターシステムを用いて
得られた温度、波長、及び物質放出量の関係を示すグラ
フである。
第８図は、有機結合カルシウムを高濃度に含有する西
部亜れき青炭を燃焼する発電設備において、光反射性の
粒子を含むガス流の測定に適合しない３色式熱電温度計
を用いて24時間（２期）にわたって測定した温度を示す
グラフである。これらのデータは、測定温度が期待温度
を大幅に上廻り、反射光が正確な温度測定を干渉してい
ることを示す。
第９図は、反射光と放射光とを区別するよう改造され
た光温度モニターシステムを用いて得られた温度、波
長、及び物質放出量の関係を示すグラフである。温度は
期待温度範囲にある。
第10図は、高濃度鉱物含有西部炭を燃焼する発電設備
において、スートブロワの運転前、運転中及び運転後に
本発明の光モニターシステムを用いて計測された温度の
変化を示すグラフである。
発明の詳細な説明 本発明は、ボイラーまたは焼却炉における燃料の燃焼
によって生成するガス流中に随伴する灰粒子の放射光強
度を選択された狭い波長帯域において検知するシステ
ム；検知された光に応答して発生する信号を処理するシ
ステム；およびボイラーまたは焼却炉の熱効率およびそ
の他の重要な運転パラメーターを制御するためにこの信
号を利用するシステムを提供する。灰粒子によって放射
される特定波長の光の強度は当該粒子の温度を示すもの
である。灰粒子は通常20-30ミクロンの粒径を有し、10
万分の数秒の範囲内において雰囲気中のガスと熱的に平
衡関係を維持しているので、炉から排出されるときのガ
ス流の温度は粒子によって正確に計測することができ
る。
第１図は、本発明の光温度モニター10の概略図を示
す。モニターは炉または煙突の壁18に適当に設置された
観察口に挿入されている開口管16を有する。開口管16
は、好ましくは水冷式ジャケット20に囲まれている。
管の端には対物レンズ26が設けられている。レンズ26
の裏側には、フィールド閉鎖口26、フィールドレンズ30
および１または２以上の光検知器32が設けられている。
フィールドレンズ30と閉鎖孔28とは必ずしも設置しなく
てもよく、対物レンズ26からの光を光検知器32に導通す
る光ファイバーに置き替えることもできる。光検知器32
の前面には、当該光検知器に予め選択された波長の光の
みが届くように干渉フィルター34が備えられている。こ
の装置は、好ましくは、空気入口64を有する空冷式の防
じん容器14内に格納される。容器14には、コンダクター
（図示しない）を通じて水ジャケット20に冷却水を供給
する入口22および出口24を設けることもできる。点線50
は光の経路を示す。
開口管は炉の反対側の端に、空気の入口36を有するこ
とが望ましい。第１図に示す例においては、空気の入口
36は、図に示すようにレンズ26の前に設けられ、空気入
口64からの流入空気の流れをレンズ26の表面に導くよう
に配置されている。空気は、管から排出され炉排気部に
導入され、レンズ26の前面に圧力を形成する。この圧力
によってすす及び灰の粒子のレンズ上への堆積が妨げら
れる。レンズを清潔に保つ他の手段として、例えば閉鎖
可能なシャッターまたはレンズ表面を定期的にふき取る
装置を設けることもできる。
本発明の装置は、少なくとも１つの光検知器と少なく
とも１つのフィールドレンズおよび／または光ファイバ
ーを含む。好ましい態様は、２以上のフィールドレンズ
と光ファイバー及び光検知器を含むものである。光検知
器には、約400-900nmの範囲外の波長を有する光を排除
するフィルターが設けられている。複数個の光検知器が
設けられている場合、各光検知器は他の光検知器と異な
る狭い波長域または色の光のみを検知するよう、それぞ
れ異なるフィルターを有する。実際の操作においては、
点線50で示した粒子から放射される光は、レンズ26で映
像化させ、次いで孔28を経て光検知器32上のフィールド
レンズ30によって再び映像化される。フィールドレンズ
に代えて光ファイバーを用いるときは、レンズ26によっ
て映像化された光は、光ファイバー26に受容され光検知
器32に送られる。干渉フィルター34は、好ましくは、フ
ィールドレンズ30または光ファイバーと光検知器32との
間に置かれ、それぞれの光検知器32によって受容される
光を所望の波長の光に限定する。波長は、炉壁により放
射される光または先に述べた反射光を排除するよう選択
される。好ましい波長は可視光から近赤外線の帯域の波
長であり、約400-900nmである。光反射の無い灰粒子が
生成する雰囲気で使用するのに好適な本発明の１つの具
体例では、それぞれ600nm、650nmおよび700nmの特定波
長を約10-12nmの幅で検知する３個の光検知器32が用い
られる。光反射性の灰粒子が生成する雰囲気で使用する
のに好適な本発明の別の具体例では、それぞれ430nm、7
30nmの特定波長を約10-12nmの幅で検知する２個の光検
知器32が用いられる。これらの波長を有しないすべての
光が干渉フィルター34によって遮ぎられる。光検知器32
は、受容する波長の光の絶対強度及び相対強度を示す信
号を発する。この信号は、灰粒子の温度を示す信号を発
生する、第２図に示す信号プロセッサーに送られる。
第２図は、ボイラーの炉出口部に設置された本システ
ムの概略図である。第２図に示すように、光学機器の収
納箱14は炉の煙突部15に取り付けられ、開口管16が炉壁
を横切るように設計されている。この装置は燃焼室の真
上に据付けられ、加熱ガス流が燃焼ゾーンを出る火焔ゾ
ーン上に位置する。燃料の燃焼により発生した灰粒子48
は、ガス流46に随伴する。
選択された波長を有する光の強度は光検知器により信
号に変換され、信号経路52を経て信号プロセッサー54に
送られる。信号プロセッサー54は、好ましくは容器14と
一体化される。信号プロセッサー54は信号を分析し、ま
た、所望によりデータに基づいて灰粒子48の温度を計算
する。粒子からの放射エネルギーのスペクトル分布を分
析することによってガス流の温度を計算することが可能
である。一つの具体例では、信号プロセッサー54におい
て光検知器によって発信されたアナログ信号が増幅さ
れ、アナログ−デジタル変換器に送られる。デジタル信
号はコンピューターにより積算され、当該信号に基づく
粒子の温度が計算される。
次いで温度データはライン61を経由してディスプレイ
62に送られ、温度、時間その他の情報が表示される。こ
れによってオペレーターは燃焼および／または伝熱の状
態を制御する行動をとることができる。あるいは、プロ
セッサー54からの信号はライン63を経由して送られ自動
制御装置60を作動させる。これによって、例えば補助バ
ーナーの点火、スートブロワーの制御、燃焼室42内の水
噴射等を含む、１または２以上の燃焼または伝熱パラメ
ータが制御される。
本発明におけるシステムの特徴の一つは、高鉱物含量
の燃料の燃焼によって光反射性の強い灰粒子が生成する
ような状況下での排ガス温度の測定および監視方法を提
供することにある。ガス流中に随伴する光反射性の粒子
は、燃焼室の火焔からの反射光を受け光検知器が計測す
る値をゆがめる原因となる。この反射光は灰粒子による
放射光の強度を上廻るものであり、このため温度計の精
度を低下させることとなる。このような場合、本発明の
システムでは、反射された光を散乱させるような粒子径
を有する粒子によって放射される特定波長の光のみを選
択的に測定する。この技術により本発明の装置において
は反射光と粒子からの放射光とを区別することが可能と
なる。本発明の好ましい態様においては、検知手段は、
波長域約400-800nm、波長幅約10-12nmの光を検知する少
なくとも１つの光検知器を含む。２以上の光検知器が用
いられる場合、各検知器がそれぞれ異なる波長の光を検
知する。更に好ましい態様においては、熱電温度計は、
それぞれ430nmおよび730nmの波長を検知する少なくとも
２つの光検知器を有する。このような熱電温度計は、光
反射性の粒子を含む系においても光反射をしない粒子の
みを含む系においても使用することができるが、特に光
反射性の粒子が存在する系において正確な温度測定結果
を与える。
多用光学熱電温度計の理想的根拠 燃焼炉排ガスおよび炉壁を含む囲まれた空間内のすべ
ての要素が同一温度であると仮定すると、空間は黒体と
して作用し、検知量における放射能Piはプランクの式に
よって計算される。波長λ、集光システムに対する連続
した角度Ω、孔の面積Ａとした場合、それぞれの光の経
路tiλ）に対する放射能Piは次の式により求められる。
但し、C1／π＝1.191x10-12 W−cm2/sr、C2＝1.44cm
−Ｋ、ｉは各光検知器の光経路（例えば、光検知器３個
の場合、ｉ＝1,2,3）、Ｔは温度を示す。以下に述べる
ように、バンドパスフィルターの中心波長λiは、λiＴ
≦0.3cm−Ｋまたはexp（C2／λiＴ≫１を満足するもの
であり、従って、プランクの因子はウィーンの法則（Wi
enLaw）、即ちexp（C2／λiＴ）−１＝C2／λiＴ）を略
々満たすものである。更に、フィルターの波長幅Δλi
は、その透過曲線が頂冠に近似するのに十分なだけ小さ
くなければならず、従って、λi−Δλi/2＜λ＜λi＋
Δλi/2に対してはtiλ）＝tiであり、これを除く場合
はtiλ）＝０である。従って、式（１）は、概略次の式
（２）に近似する。
Pi＝Biexp（−C2／λiＴ） （２） 但し、Bi＝ＡΩC1tiΔλi／πλi 5であり、光学シス
テムごとに決定される（温度に無関係な）実数であり、
較正によって評価される。このように、炉の排気空間が
黒体放射体であるならば、Piを測定することによって式
（２）からＴを求めることができる。
実際には、炉の排ガスはその温度が均一でなく、また
壁温とも異なるので系は厳密には熱平衡を保ってはいな
い。この結果、各部分間で放射エネルギーの移動が起
る。プランクの式はこのような条件下では有効ではない
ので、式（２）を直接適用するためには、これらの温度
の差異の効果につき慎重な配慮を払ったうえで粒子随伴
ガスの温度を評価しなければならない。
それにも拘らず、粒子随伴ガスが均一な温度を保ち、
かつ温度Tpの部分的に透明な加熱空間として放射し、一
方冷却壁が温度Twの黒体として放射するものと仮定する
ことによって系の温度を合理的な近似値として求めるこ
とができる。そこで、熱電温度計の孔における放射エネ
ルギーは、粒子が部分的に壁を曇らせていることを考慮
して、ガス中の粒子からの放射と壁からの放射の合計と
考えられる。本発明のシステムの特徴は、代表的な炉の
運転条件において壁からの放射エネルギーによる寄与を
粒子からのものに比較して問題にならない程度のものと
するような波長を選択したうえで温度の決定に式（２）
を適用することにある。
熱電温度計の孔に入るエネルギーの近似値の計算に当
たっては、ガス自身は透明であり、従って、関係する波
長のエネルギーを吸収または放射することは無く、また
密度ncm-3で均一な半径ｒ（実際には粒子半径は均一で
は無いが、均一と見なすことによって有用な近似値が得
られる。）と断面積がσ＝πr2である粒子は、上記波長
に較べて大きいものであると仮定する。壁から放射され
粒子に当たる光はすべて粒子によってブロックされる。
壁から放射され熱電温度計に到達する光はfw＝exp（−
α１）で与えられる。ここで、α＝ｎσで粒子曇の吸収
係数を示し、１は雲と壁および熱電温度計との間の距離
である。残余の光成分、fp＝１−fw、は粒子から放射さ
れる。この例では、各熱電温度計の全放射能は次の２つ
の部分に分解される。
Pi＝Bi［fpexp（−C2／λiTp）＋ （１−fp）exp（−C2／λiTw）］ （３） 上記式中、第１の部分は粒子雲の寄与によるものであ
り、第２の部分は、壁から放射され粒子雲を通過して熱
電温度計に到達する放射成分を表す。
この説明では粒子内散乱、粒子と壁の間の放射伝熱及
び粒子の真の多分散を無視しているので、fpを直接計算
しようとするのは合理的でない。にも拘らず、雲が十分
に濃い場合には、fp＞0.1と仮定することが合理的であ
る。更に、式（３）の計算では、Tw＜Tpの場合、壁から
の放射を表す第２部分の寄与は、十分に短い波長を選択
することによって増幅された第１部分の粒子からの放射
と比較して無視する程度に小さくすることが可能である
ことを示す。このような条件下で各波長において検知さ
れる放射強度は次式によって与えられる。
Ｐ＝εiBiexp（−C2／λiT） （４） ここで、εiは粒子雲の有効放射量であり、次数的に
は略々fpと同じである（濃厚な粒子雲のように粒子間の
放射移動が相当大であるときには、雲による有効な放射
量と個々の粒子による放射量との相関々係は殆ど存在し
ないことに注意）。更に、これらの短波長においては、
灰粒子雲からの放射強度は温度よりも速く指数関数的に
増大するが、放射との関係は直線的である。このよう
に、放射の不安定性が比較的大きいときには、温度誤差
は小さい。算術的には、温度に関して式（４）を解くこ
とによってこのことは理解できる。
Δελによって温度精度は次式によって計算される。
Ｔ＝1900°Ｋ、λ＝430nmのとき、式（６）によれ
ば、25％の放射誤差により生じる温度誤差は1.4％、即
ち27°Ｋである。
以上の解析により、単色熱電温度計は十分に短い波長
を選択することによって、どのような温度も妥当な精度
をもって測定しうるものと考えられる。原理としては、
この通りであるが、すべての波長−集光器の組合せにお
いて、検知器のノイズが温度精度の下限を形成する。こ
のように、短波長の使用は、放射が大である場合には、
あらゆる燃焼炉温度測定にも適しておらず、特に、測定
温度幅の大きい場合または極端に低い温度を測定する場
合には不適当である。このような条件ではより長い波長
の使用が必要である。しかし、長波長では見かけの放射
は予測困難であり、また時間の経過とともに変動する。
未知の放射または変動の大きい放射による影響を除く
ために比例高温測定を採用することができる。このため
には、２つの近接した波長λ1とλ2における放射が一定
であるとの仮設（灰色体仮設）を測定する。温度はこれ
ら２つの波長において検知される放射強度の比から次式
によって決定される。
P1／P2＝（B1／B2）exp［（C2/T） （1/λ2−1/λ1）］ （７） B1およびB2を較定した後、P1／P2の測定値により、式
（７）を解くことによって温度を求めることが出来る。
光モニターで用いられる可視波長域においては、有効粒
子雲放射を粒子径と粒子密度にのみ依存させることによ
り、固有粒子放射の影響は、粒子間の放射移動により除
去される。従って、有効放射の波長への依存度は極く僅
かであり、近接した波長に対しては灰色体仮設が有効に
適用される。このように、炉排気ガス温度を正確に測定
するための鍵は、壁からの放射を無視できる波長を選択
して、かつ極端な短波長（例えばλＴ≪1cm−Ｋ）を用
いるかまたは２以上の比色熱電計を用いることにより放
射の効果を減殺するような条件下で電熱温度計を用いて
灰粒子からの放射を測定することにある。
発明の利用性 本発明のシステムは、特に、化石燃料、石炭または可
燃性の廃棄物を燃焼する動力プラントおよび焼却炉の燃
焼炉排ガス温度（FEGT）を継続して監視しかつ制御する
ことのできる、簡便かつ応答の迅速な光学計測器を提供
する。本発明は、これらのプラントにおける汚染防止機
器の監視にも利用することができる。このシステムは、
光反射性の灰を含む灰粒子随伴排ガス流を排出する殆ん
どの化学プロセスで利用可能である。
蒸気ボイラーの炉は作動流体への伝熱効率を最大とす
るように設計される。炉における伝熱は、火焔温度、炉
の形状、および壁への灰およびスラクの想定堆積量に基
づいて計算される。この計算によって系の伝熱部の設計
に用いられるFEGTの設計値が得られる。燃料の変化、バ
ーナーの閉塞、または炉壁への灰およびスラクの堆積に
よって熱伝導率が変化すると設計値から外れた運転が行
なわれる。このような状態はFEGTの変化によって顕著に
現わされ、本システムはこのFEGTの変化を検知すること
ができる。
このようにして検知された情報は、炉制御装置または
オペレーターを指示して燃焼条件を調整するために用い
られる。例えば、補助バーナーの点火、スートブロワま
たは水噴射装置の作動等によるボイラー内の熱交換器表
面のクリーニングが行なわれる。或いは、情報は関係す
る制御装置を作動させるのに用いられる。
ボイラー内での蒸気発生の大部分は炉壁で行なわれる
ので炉効率の増大がFEGTの低下を招く。このため、放射
伝熱の増大によりスチームの流速が高められ、ボイラー
の損傷が起り得る。低FEGTは伝熱部におけるスチームの
過熱能力を減衰させる。この結果、蒸気温度が低下し、
早期凝縮が起り、発電設備ではタービン効率が低減し、
水滴の影響によるタービン羽根の腐蝕の原因となる。逆
に、FEGTの上昇に伴う炉効率の低下は、蒸気発生量の低
減と蒸気過熱を惹き起す。蒸気流量の低下はタービンの
発電量を低減させ、発電設備の経済性を損なう。
設備によっては、FEGTの制御は炉への煙道ガスの循
環、炉壁からの灰堆積物の除去およびまたは空気／燃料
混合物の調整によって行なうことができる。例えば、堆
積した灰が放射および伝熱を妨げるからである。灰は
「スートブローイング」によって、即ち、灰の堆積物を
空気、水または蒸気によって除去することにより行なわ
れる。スートブローイングは殆んどのボイラーでは通常
定期的に行なわれているが、その頻度は、困難を伴う伝
熱効率の測定に基づくことなく、経験によって決定され
るので、殆んどの場合は理想的な効率を上廻るかまたは
下廻る条件で運転される。
本発明の装置は、炉が常時最適な効率で運転されるよ
うFEGTまたは所望により他の温度パラメータを継続的に
監視するのに用いられる。FEGTが設定値を越えて上昇し
た場合にスートブローイングを作動するために本発明の
装置を用いる具体例を実施例に示した。
本システムは、ユーティリティボイラーに常設され、
燃焼プロセスを自動または手動で制御するために用いら
れる。100MW規模の石炭火力発電設備の効率が１％高め
られた場合、年間の節約額は数百万ドルとなる。
廃棄物処理設備（焼却炉）においては、排気ガス温度
の臨界的温度履暦は主バーナーの燃焼率で管理される。
燃焼品質は容易に管理出来ないので、必要な排気温度を
維持するのに燃料の熱量または燃料そのものの量が不足
することがある。このような場合、天然ガス、重油等の
補助燃料が炉の温度を上げるために用いられる。廃棄物
処理設備の目標温度は安全を見て所要温度よりも５−10
％高く設定される。このため、不要の補助燃料コストを
要し、これに伴って運転コストも増加する。本発明のシ
ステムは連続的に信頼しうるFEGTを測定することが出
来、焼却炉の効率を高めかつコストを低減する。例え
ば、光学機器によって得られる温度測定値は燃焼制御シ
ステムと連動して燃料供給量を制御することができる。
この場合、FEGTが設定値を下廻ると補助燃料の燃焼が始
まる。
多くのボイラーには汚染防止システムが備えられてお
り、このシステムでは化学物質が後燃焼帯域に向けて噴
射される。これらの化学物質は排気ガス中の有害物質と
反応して、これを無害な物質に変換する。この化学反応
は温度によって左右されるので、適切に制御されていな
いと好ましくない副生物を生成する。
これらのシステムの性能は、汚染低減の程度と好まし
くない副生成物の生成量によって評価され、これらは反
応温度によって著しく影響される。例えば、尿素または
アンモニアの噴射による排ガス中の一酸化炭素（NO）濃
度の低減システムでは、NOの低減率は温度が最適温度を
越えて上昇すると低くなる。温度が最適範囲よりも低下
するとアンモニアその他の好ましくない物質が排出され
る。このように汚染防止設備のオペレーターまたはシス
テムは、排ガス温度の変化によって検知されるボイラー
運転条件の変化に応じて噴射速度、化学物質の種類等の
化学物質に関するパラメータを変化させようとする。本
発明によれば、排ガスの温度が厳密に監視されるので、
燃焼条件を効果的な汚染防止管理に必要な最適排ガス温
度が保たれるように制御することができる。
本発明を適用することのできるその他の化学プロセス
としては、製鉄プロセス、化学精製プロセスおよび粒子
を随伴するガス雰囲気での温度監視を必要とするその他
のプロセスを挙げることができる。
本システムによれば、熱電対、音響熱電温度計、その
他の温度測定機器に関連する問題を避けることが出来
る。具体的には、これらの問題として、過酷な条件下で
の炉の耐用年数の短縮、実際のガス流の温度と通常はこ
れよりもかなり低い炉壁の温度の検出不能、等が挙げら
れる。
以下、実施例を挙げて本発明を更に詳細に説明する。
実施例 実施例１ 本発明の光学的温度システムの作動を石炭火力発電設
備に適用した場合について説明する。本発明の光検知器
を種々の燃焼炉運転条件下で高速熱電対（HVT）と比較
した。この設備の燃料は低反射性の灰粒子の生成を伴う
米国東部炭であり、従って、３色温度検知器を使用し
た。
計測器 本試験に用いた光学温度測定装置の概略を第１図に示
した。この測定装置は３個の独立した光検知器32を備え
ており、各光検知器はフィルターによりそれぞれ異なる
波長の光を検知するよう構成されている。これらの検知
器に対して単一のエアパージ付き対物レンズ26が水冷管
16の一方の端に設けられている。孔の径は20mmで、フィ
ールドストップ28上に倍率1/3の映像が対物レンズ26に
よって映される。フィールドストップ28上の映像は、３
個のフィールドレンズ30によって、径2.54mmの検知面積
を有し、騒音を最少限に減らすための一体化された増幅
器と結合している３個のシリコン製光ダイード32に同じ
く1/3の倍率で映し出される。フィールドレンズはプレ
ート上の正三角形の頂点に設置されている。光ダイオー
ド（光検知器）32は、レンズ後方の別のプレート上に据
え付けられる。波長幅約10nm、中心波長600,650および7
00nmのインタ０フェースフィルターがフィールドレンズ
30と光ダイオード32の間に置かれる。光ダイオード増幅
器はａ±15ボルトの直流電源によって作動する。
増幅器からの出力信号はデータトランスレーションモ
デル2801Aマルチチャンネル高速12ビットアナログ−デ
ジタル変換データ取込ボードを備えたコンピュータ（コ
ンパック社製パーソナルコンピュータ）に送られる。こ
のデータ取り込み用ボードは、熱電温度計に要求される
温度測定範囲1000-1800°Ｋを捕捉することのできる自
動調節ゲイン1,2,4および8,15ビットダイナミックレン
ズを発生する増幅器を含む。このボードを作動させ、デ
ータを取り込みかつ解析するソフトウェアは、圧縮され
たBASIC言語で書かれており、必要に応じてデータトラ
ンスレーションPCLABのライブラリーパッケージによっ
て補充されている。プログラムは前節「理論的根拠」の
頃で記した数式に基づいて作成されている。その他多数
の実施プログラムを本明細書に規定する数式を参照する
ことにより設計、作成することが可能である。コンピュ
ータは、各光ダイオードからのデータを用いて見かけ温
度を計算するようプログラムされており、また波長に応
じて放射が僅かに変動したときに別の温度近似値を導く
ため３個の光ダイオード全部を用いたアルコリズムを利
用することもできる。コンピュータ及びデータ取り込み
ボードは、計算された温度を表す出力圧力信号を与える
ようプログラムすることもできる。この信号は標準的な
４−20mAの信号を受け取ることのできる炉制御システム
に導くことが可能である。
計測器は、雰囲気温度150°Ｆまでの、苛酷な、ほこ
りを伴う環境下に耐え、連続的に運転できるよう製作さ
れている。対物レンズを除いては、すべての光学および
電気部品は重負荷の防じん箱に納められている。水冷式
の開口管はボイラーの監視部に恒久的に設置されてい
る。対物レンズは管の凹所に設けられており、連続的に
エアパージを行なうことによって清潔に保たれている。
パージに用いられた空気は開口部から管外に排出され、
その圧力は管内にほこりが侵入しないよう調整される。
検定 計器は、300-1273°Ｋの温度で操作可能なインフラレ
ッド・インダストリーズ・モデル黒体を用いて検定され
た。黒体は熱電温度計の光軸に正確に沿って配置され、
その口径は映像が熱電温度計のファールトストップ全体
を占めるよう調節された。黒体の温度は一定値を保つよ
う設定され、この一定値の温度は、白金／白金−ロジウ
ム（13％）の熱電対及び氷点参照により測定された。３
個の光ダイオードによって生じた電圧は0.030mVの精度
でコンピュータに連動したデータ取り込み系統によって
測定された。
デューダの電圧はexp（−C2／λiT）によってプロッ
トした。２つのパラメータ間の関係は全温度範囲で直線
的であった。直線の勾配は検定値Biであった。直線に最
小自乗を適用して得られた検定定数は次の通りであっ
た。
B600＝1.23x107V、 B650＝2.30x106V、and B700＝6.15x105V、 光ダイオード/op-ampの組合せによる出力の増加は107
以上の入力放射強度と直線的な比例関係にあるので、こ
れらの検定定数はデータ取り込みシステムの15ビットの
ダイナミック全領域にわたって有効である。
データの変換 熱電温度計は炉排気ガス温度（FEGT）測定に用いられ
るための色（波長）の選択を最適化し、場合により上記
した不均一な温度効果を克服するのにある程度のフレキ
シビリティを与えるべく３色から構成される。データ変
換アルゴリズムは次の通りであった。即ち、３個の光検
知器からの電圧信号の測定を行なったうえで、各波長の
有効放射の関数としての灰の温度を式（４）を用いて計
算した。計算に基づき３つの曲線が作成された。灰随伴
ガスの放射が真に波長と無関係ならば（式（５））これ
ら３つの曲線は温度と放射の正しい値に対応する一点で
交差するであろう。但し、若し見かけの放射が波長の関
数として幾分変化するならば、３つの曲線は３点で交差
する。２つの曲線の各交差点は、計算される「２色」放
射及び温度値と同等である。更に、各放射値に対して平
均温度及びその標準変差は３つのカーブ全部から計算し
た。最少の標準変差値を有する温度を「３色」温度とし
て選択した。
発電設備における実施 光モニターの操作を商業的な石炭火力発電設備で実証
した。試験の目標は、本発明の光モニターと高速熱電対
（HVT）とを種々の炉運転条件下に使用したときの結果
を比較することであった。モニターは装置のレベル7.5
（高さ115フィート）上のポートに設置された。このポ
ートと20フィート離れた炉壁との間に物理的な障害物は
存在しなかった。但し、ポートの右側に一対のスクリー
ンチューブがあった。これらの存在が測定に影響を及ぼ
さないよう、光モニターの向きを調整した。
第３図は、光モニターによって得られた75分間の温度
データを示す。瞬間的な温度は一分間に約５回測定し
た。これらの瞬間温度値をプロットし、前10分間の平均
値を示すカーブをこれに重ね合わせた。各瞬間温度は前
述の３つの「２色」温度の平均である。通常３つの値の
ばらつきは25°Ｆ以内である。３色温度は、典型的には
平均化された瞬間的２色温度平均値から５°Ｆ以内の値
である。
第３図から、瞬間測定値は±50°Ｆのばらつきがある
が、10分間の平均は全くスムースであることがわかる。
この平均値は最初の25分間の運転で、当初の10分間での
約2200°Ｆの安定値から最終的な安定値である2160°Ｆ
に低下した。FEGTのこの低下は炉の運転条件の変化によ
って惹き起こされたものである。最初の10分間の期間
中、炉は約3.6％の酸素を用いて158MWの負荷で運転され
た。運転開始後10-25分の期間中は、酸素濃度は約2.0％
へと低下した。炉運転管理者によると、酸素の減少によ
り火焔温度は約150°Ｆだけ上昇し、これに伴い炉壁へ
の放射伝熱効率が高まり、従って、炉排ガス温度が約50
°Ｆ低下した。この温度変化はデータから明らかであ
り、光学測定子が炉運転条件の微妙な変化をとらえるこ
とが出来ることを示すものである。
この運転の最初の10分間は排ガスの温度分布はHVT測
定子を用いることによっても調べた。この測定値は、本
発明光モニターの測定と比較して第４図にプロットされ
ている。光モニターで測定された平均温度は炉中央に近
い部分の実際の温度を正確に表すものと考えられる。更
に、光モニターによって感知された瞬間的変動幅は、炉
壁から火焔の中心部に至るまでHVT測定子によって測定
された温度の範囲内にある。
第５図は、スートブローイングを実施中及び実施後の
温度変化を示す。グラフは、スートブローイング実施前
ではFEGTが約2400-2420°Ｆであったことを示す。スー
トブローイングは、運転経過21時間の直前に行なわれ
た。スートブローイング終了後温度は2350°Ｆ以下に低
下した。
第６図は、スートブローイング実施数時間後の温度変
化を示す。どの場合においても排ガス温度はスートブロ
ーイング実施後には低下した。これらの結果は、スート
ブローイングのような燃焼および／または伝熱操作の監
視および管理を実施するためにFEGTの連続的な測定を採
用することが可能であることを示す。
発電設備におけるテストの結果、モニターの機械的性
能は設計通りに発揮され、管内の水温は95°Ｆを越える
ことは無かった。また、対物レンズは常時きれいに保た
れた。設置された計器は、少なくとも１回のスートブロ
ーイングの実施の間は何ら悪影響を受けることが無かっ
た。装置内部の温度変化は運転に影響を及ぼすことが無
かった。水、空気およびプラント内に既に存在した電気
出力に関する事項を除いて、計測器に対して何らの注意
を払うこともなかった。
実施例２ 本発明の他の具体例は、第１図に示すがごときハウジ
ングに収納された小規模分光光度計の形式のものであ
る。分光光度計はアメリカンホログラフィックモデル10
0Sで、モデルDA-38光ダイオードアレーに連結されたホ
ログラフィー回折格子モデル446.121を備えている。こ
の組合せは38の独立した電圧信号を与えるもので、各信
号は特定の波長域内での放射輝度に対応している。320-
750nmの波長域であり、各光ダイオードによって検出さ
れるバンド幅は約11.5nmである。38の光ダイオードのう
ち16個の光ダイオードからの出力は１−100の範囲で手
動で選択可能なゲインに連結している。増幅器からの出
力は精度0.1mVのデジタル電圧計によって解読される。
第１図について説明した計器と同様に、分光光度計は焦
点距離50mm、直径25mmの対物レンズを有する。長波長光
の放射は短波長の光よりも輝度が大であるので、光ダイ
オード表面の１部は信号を減衰させるよう黒いテープで
マスクされている。波長800nm以上のすべての赤外放射
は、一対のKG3ガラスフィルターでブロックされる。更
に、高温の発電設備で計器を用いるときにはすべての波
長域の放射を均等に減衰させるための中性密度フィルタ
ーが設けられる。
この計測器は黒体を用いて検定された。実施例１と同
様に、検定によって各光ダイオードからの出力電圧に対
する入力放射強度の比例定数が決定された。検定の方法
は次の通りであった。各光ダイオードの出力電圧は入力
孔部に置かれた黒体の温度の関数として測定される。電
圧はプランク関数に対してプロットされ、ほぼ直線とな
る。所定の検定定数である直線の勾配は最小自乗法によ
り求めた。この操作は、モニターされた16の出力すべて
について同時に行なった。
この計測器の最初の使用は、東部炭を燃料とする設備
においてであり、実施例１に記載したモニターが設置さ
れた場所の１つに設置された。２色熱電温度計をバーナ
ーの上方約50フィートのポートに据付けてデータを収集
した。すべての波長の信号を測定可能な０−5Vの範囲内
で受けられるようND 2.0フィルターを置いた。実施例１
と同じ方法で16の検定チャンネルの出力を測定した。出
力信号は灰粒子の数密度の変化に応じて変動するので、
各波長に対する出力の最大、最小および確率値は、最大
値と最少値の平均の約10％以内とした。温度解析のため
に最も確率の高い値を各波長の最大値、最少値と平均す
ることにより得られた出力値を用いた。
これらの出力値は、各波長に対する仮定の放射の関数
としての見掛けの温度を計算するために、検定定数とと
もに用いられた。次いで、データを第１図に示す形式で
プロットした。第７図において、データは放射強度を変
動するパラメータに用い、温度対波長の曲線で表した。
よって、第７図の各ラインは一定の放射に相当する。灰
色体の仮説を考慮すると、水平線に最もフィットする第
７図中の曲線が温度と放射との最良の推定値を与えるも
のである。水平線からのかい離の最少の値は、温度1768
K（2722°Ｆ）、放射0.25である。この温度は、２色テ
ストモニターと並べてこの炉に設置された、実施例１記
載の３色モニターによって報告された温度とよく一致
し、更に、予想した炉運転条件とも一致した。
この同じ発電設備で、より高い負荷で運転したときの
同様のデータは、信号中430nmおよび730nmに大きなピー
クが存在したという、きわ立った違いを除いては、低負
荷運転によって得られたデータと同じであった。これら
２つのピークを無視するならば、データの残余の部分
は、1750°Ｋの温度と0.54の放射を示し、期待値と一致
する。温度は低負荷での運転と略々同じであり、伝熱状
態が良好であったことを示す。しかし、放射は２倍であ
り、燃焼量の増大により粒子負荷が増大したことを示
す。
２色テストモニターは中西部へ運ばれ、有機結合カル
シウム分の多い西部亜れき青炭であるパウダー河畔炭を
燃焼する２つの設備でのデータを収集した。これら設備
から得られた代表的なデータは第８図の曲線によって表
される。東部炭を使用する電力設備で見られた430nmと7
30nmの２つのピークは、この場合にも現れた。これらの
ピークは、西部炭を燃焼するプラントでは、温度及び負
荷の如何を問わずすべてのデータで現れた。これらのピ
ークを無視するならば、同一の手法を用いて得られた温
度は、約1900°Ｋ（2960°Ｆ）、見かけの放射は0.02で
あった。こうして得られた温度は著しく誤差のあるもの
であった。このような高い温度では蒸気管の故障を頻繁
に起すことなく運転することは不可能であり、また、計
算された非常に低い放射強度は排ガス中に殆んど灰粒子
を含まないことを意味するものである。このような状態
は現実的には起り得ないものである。前に述べた測定で
指摘した様に、結論的には、西部炭の灰粒子は灰色体と
して挙動することが無く、波長に依存した放射を行なう
ものと考えられ、このことによって多色比熱電温度計に
依存することが不可能となる。粒子の反射性によって比
較的高温の火焔部からの放射が温度モニターに到達する
ものと考えられる。この放射は、火焔付近のものと較べ
るとその強度は比較的弱いが、灰粒子自体による放射よ
りも遥かに大であり、従って、測定温度値を灰の温度よ
りもむしろ火焔の温度に近いものとする。
西部炭のデータを分析した結果、２つのピーク（430n
mと730nm）のみを温度計算のために用いるならば、温度
及び放射のいずれに対しても完全に合理的な値が常に得
られるとの知見が得られた。事実、第９図のデータから
は、プラントの運転条件に対する温度の期待値に極めて
近い1550°Ｋ（2330°Ｆ）という温度値が得られた。こ
れら２つの波長は、西部炭灰粒子の温度測定に特異的に
適合した波長と考えられる。その理由は、これらの灰は
理論に拘束されりことを望む訳ではないが、これらの灰
は0.1-1μｍ（100-1000nm）の範囲の径を有する粒子を
多量に含み、このため特定波長の散乱を促進するよう挙
動するものと考えられる。サブミクロン単位の灰粒子が
多量に存在することは石炭燃焼に関する文献で良く知ら
れた事実である。小粒径（サブミクロン）粒子の光散乱
能もまた良く知られた事実である。この光散乱能から導
かれる結論は、火焔ゾーンからの放射は温度モニター内
に全く散乱されないか、或いは非常に僅かしか散乱され
ないということである。従って、この計測器は灰粒子か
らの自動放射を検知することが出来、所望の温度を正し
く与えることが可能である。このことは、設備が異なっ
ても常にあてはまり、また東部炭（低鉱物含有炭）の燃
焼に対しても全く同様に適用される。430nmおよび730nm
近辺で作動することのできる２色熱電計は、西部炭およ
びその他の高鉱物含有炭を燃焼とするプラントの排ガス
温度の測定に非常に有効である。しかし、これらの波長
において作動する２色熱電温度計は、光反射性の灰粒子
を生成しない石炭及びその他の燃料の排ガス温度をも正
確に測定することが可能である。
実施例３ 光反射性の粒子からの光と反射光とを区別することの
できる本発明の光温度検知器の作動を火力発電所の石炭
燃焼ボイラーにおいて実証した。この設備は光反射性の
灰粒子を生成する有機結合アルカリ土類金属を含む米国
西部炭を燃焼とするものであった。２色温度検知器をこ
の設備において用いた。
設計器は、以下の点を除いては、第１図に示した実施
例１で用いたものと実質的に同一であった。フィールド
ストップ28と対物レンズ30とを省略し、検知された光を
対物レンズ26から光検知器32に伝えるのに光ファイバー
を用いた。３個の光ダイオードがあったが、このうち２
個を使用した。計器は実施例１と同様に検定した。光ダ
イオードは、それぞれ430nmおよび730nmを中心とする波
長のバンドを選択的に検知するよう設定された。
上記の２色光温度検知器システムを高濃度の有機系ア
ルアリ土類金属を含有する西部炭を燃料として使用する
石炭火力発電設備でテストした。テストモニターは、実
施例２と同様に炉出口煙突部に設置した。電力設備は定
常的に運転され、この間実施例１に示したシステムを用
いて温度をモニターした。この結果を第10図に示す。第
10図において、時間“a"では発電設備はバーナーの傾斜
角−８°、負荷的219MWで運転されており、このとき蒸
気管への灰堆積を検討するためスートブロワを停止し
た。時間“a"以前においては、プラントは2300°Ｆの一
定温度で運転された。スートブロワを停止することによ
り温度は徐々に上昇し、時間“b"において2375°Ｆとな
った。また、時間“b"での負荷は213MWであった。時間
“c"でスートブロワの運転を再開した。第10図に示すよ
うに、スートブロワの運転によって温度は顕著に低下し
た。時間“d"、“c"及び“f"はそれぞれボイラーの傾斜
角度の変化が＋２°、＋８°及び＋２°であることを示
す。
フロントページの続き (72)発明者 ジョンソン，スティーブン エイ. アメリカ合衆国 01810 マサチューセ ッツ，アンドーバー，ブラック バーチ ウェイ ７ (72)発明者 ボニ，アーサー エイ. アメリカ合衆国 01810 マサチューセ ッツ，アンドーバー，ラングレイ レイ ン ６ (56)参考文献 特開 昭63−217130（ＪＰ，Ａ) 特開 昭52−9674（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) F23N 5/00 - 5/18 F23G 5/50

Claims (46)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】下記（ａ）と（ｂ）とを含む、粒子を随伴
    するガス流を生成する燃焼プロセスの運転パラメータを
    制御するシステム： （ａ） 燃焼室内の火焔からの放射ではない、燃焼生成
    ガス流中に随伴する粒子から発せられる各々所定波長の
    光を検知するための少なくとも２つの光検知器であっ
    て、各光検知器は互いに異なる波長帯域を検出し、各光
    検知器で検出された所定波長の光強度はガス流の温度の
    関数であり、ガス流の温度の上昇は燃焼プロセスの非効
    率性を表すようになっている光検知器、 （ｂ） 各検知器が検知した所定波長の光強度を表す信
    号を出して燃焼プロセスが非効率性であることを示す手
    段。
  2. 【請求項２】運転パラメータが補助バーナを含む請求項
    １記載のシステム。
  3. 【請求項３】運転パラメータが汚染防止システムを含む
    請求項１記載のシステム。
  4. 【請求項４】汚染防止システムが、ガス中の有害物質を
    無害な物質に変換する汚染防止用化学物質をガス流中に
    噴射する手段を含む請求項３記載のシステム。
  5. 【請求項５】汚染防止用化学物質がアンモニアまたは尿
    素である請求項４記載のシステム。
  6. 【請求項６】下記（ａ）と（ｂ）とを含む、粒子を随伴
    するガス流を含む燃焼ガスを生じ且つ熱交換器表面を有
    するボイラーの熱効率を制御するシステム： （ａ） ボイラー内の火焔からの放射ではない、燃焼生
    成ガス流中に随伴する粒子から発せられる所定波長の光
    を検知する少なくとも２つの光検知器であって、各光検
    知器で検出された所定波長の光強度はガス流の温度の関
    数であり、ガス流の温度の上昇はボイラーの熱の非効率
    性を表すようになっている光検知器、 （ｂ） 各検知器が検知した所定波長の光強度を表す信
    号を出して燃焼プロセスが非効率性であることを示す手
    段。
  7. 【請求項７】上記の手段（ｂ）が出した信号に応答し
    て、ボイラー内の燃焼パラメータまたは伝熱量を制御す
    る手段を含む請求項１または６に記載のシステム。
  8. 【請求項８】検知された波長の光の相対強度が随伴粒子
    の温度を表す請求項１または６に記載のシステム。
  9. 【請求項９】検知する波長が約400〜約900nmの範囲内に
    あり、各光検知器が検知する波長幅が10-12nmである請
    求項６〜８のいずれか一項に記載のシステム。
  10. 【請求項１０】信号に応答する手段がシグナルプロセッ
    サーを含む請求項７に記載のシステム。
  11. 【請求項１１】制御手段がボイラーの熱交換器表面を清
    掃する手段を含む請求項６に記載のシステム。
  12. 【請求項１２】ボイラーの熱交換器表面を清掃する手段
    がスートブロワーまたは水噴射器である請求項11に記載
    のシステム。
  13. 【請求項１３】ボイラーが石炭および固形廃棄物質から
    選ばれる燃料を燃焼するためのものである請求項11に記
    載のシステム。
  14. 【請求項１４】下記工程（ａ）〜（ｃ）を含む、粒子を
    随伴するガス流を含む燃焼ガスを生成し且つ熱交換器表
    面を有する燃焼室の熱効率を制御する方法： （ａ） 少なくとも２つの光検知器を用いて、燃焼室内
    の火焔からの放射ではない、燃焼生成ガス流中に随伴す
    る粒子から発せられる所定波長の光を検知し、各光検知
    器では互いに異なる波長帯域を検出し、各光検知器で検
    出された所定波長の光強度はガス流の温度の関数とし、
    ガス流の温度の上昇がボイラーの熱の非効率性を表すよ
    うにし、 （ｂ） 各検知器が検知した所定波長の相対光強度を表
    す信号を出して、燃焼プロセスが非効率性であることを
    示し、 （ｃ） 工程（ｂ）で得られた信号を解析し、解析結果
    を用いてボイラー内の燃焼パラメータまたは伝熱を制御
    する。
  15. 【請求項１５】下記（ａ）〜（ｃ）を含む、粒子を随伴
    するガス流を含む燃焼ガスを生じ且つ熱交換器表面を有
    する燃焼室の熱効率を制御する装置： （ａ） 燃焼室内の火焔からの放射ではない、燃焼生成
    ガス流中に随伴する粒子から発せられる各々所定波長の
    光を検知する少なくとも２つの光検知器であって、各光
    検知器は互いに異なる波長帯域を検出し、各光検知器で
    検出された所定波長の光強度はガス流の温度の関数であ
    り、ガス流の温度の上昇は燃焼室の熱の非効率性を表す
    ようになっている光検知器、 （ｂ） 各検知器が検知した所定波長の相対光強度を表
    す信号を出す手段、 （ｃ） 工程（ｂ）で得られた信号を解析し、解析結果
    を用いて燃焼パラメータまたは伝熱パラメーターの少な
    くとも一つを制御する信号を出すシグナルプロセッサ
    ー。
  16. 【請求項１６】出力信号に応答して排煙ガスの温度を自
    動的に低下させる手段を含む請求項15に記載の装置。
  17. 【請求項１７】下記手段を含む、燃焼室の燃焼排ガス流
    中に含まれる随伴灰粒子から出される所定波長を検出す
    る装置： （ａ） 燃焼室を出る燃焼排ガス用煙道に形成された開
    口管、 （ｂ） この開口管からの光を受光する対物レンズ、 （ｃ） 対物レンズからの光を映像化する少なくとも２
    つのフィールドレンズ、 （ｄ） フィールドレンズを通った各波長の光を検知す
    る少なくとも２つの光検知器、および （ｅ） 検知された光を灰粒子の温度を示す信号に変換
    する手段。
  18. 【請求項１８】灰粒子の温度を示す信号をボイラー効率
    制御装置に送る手段をさらに含む請求項17に記載の装
    置。
  19. 【請求項１９】請求項15または17に記載の装置を含む燃
    焼室の煙突。
  20. 【請求項２０】下記（ａ）と（ｂ）とを含む、随伴粒子
    を含むガス流を生じる燃焼室内の燃焼プロセスの運転パ
    ラメータを制御するシステム： （ａ） 燃焼室内の火焔からの放射ではない、燃焼生成
    ガス流中に随伴する粒子から発せられる所定波長の光を
    選択的に検知する単一の光検知器であって、この光検知
    器で検出された所定波長の光強度はガス流の温度の関数
    であり、ガス流の温度の上昇は燃焼プロセスの非効率性
    を表すようになっている光検知器、 （ｂ） 各検知器が検知した所定波長の光強度を表す信
    号を出して燃焼プロセスが非効率性であることを示す手
    段。
  21. 【請求項２１】検知された波長の光の強度が随伴粒子の
    温度を表す請求項20に記載のシステム。
  22. 【請求項２２】下記（ａ）〜（ｃ）の工程を含む、粒子
    を随伴するガス流を含む燃焼ガスを生成し且つ熱交換器
    表面を有する燃焼室の熱効率を制御する方法： （ａ） 単一の光検知器を用いて、燃焼室内の火焔から
    の放射ではない、燃焼生成ガス流中に随伴する粒子から
    発せられる所定波長の光を検知し、この光検知器で検出
    された所定波長の光強度はガス流の温度の関数とし、ガ
    ス流の温度の上昇は燃焼室の熱の非効率性を表すように
    し、 （ｂ） 各検知器が検知した所定波長の光強度を表す信
    号を出して燃焼プロセスが非効率性であることを示し、 （ｃ） 工程（ｂ）で得られた信号を解析し、解析結果
    を用いて燃焼室内の運転パラメータまたは伝熱を制御す
    る。
  23. 【請求項２３】工程（ｃ）は、シグナルプロセッサーを
    用いて工程（ｂ）で得られた信号を解析し、得られた解
    析結果を用いて燃焼室の熱交換表面の清掃を開始する請
    求項14または22に記載の方法。
  24. 【請求項２４】熱交換器表面を清掃する手段がスートブ
    ロワーまたは水噴射器である請求項23に記載の方法。
  25. 【請求項２５】燃焼室で石炭または固形廃棄物質の燃料
    を燃焼する請求項14または22に記載の方法。
  26. 【請求項２６】下記（ａ）〜（ｃ）を含む、粒子を随伴
    するガス流を含む燃焼ガスを生成し且つ熱交換器表面を
    有する燃焼室の熱効率を制御する装置： （ａ） 燃焼室内の火焔からの放射ではない、燃焼生成
    ガス流中に随伴する粒子から発せられる所定波長の光を
    選択的に検知する単一の光検知器であって、この光検知
    器で検出された所定波長の光強度はガス流の温度の関数
    であり、ガス流の温度の上昇は燃焼室の熱の非効率性を
    表すようになっている光検知器、 （ｂ） 検知器が検知した所定波長の光強度を表す信号
    を出す手段、 （ｃ） 工程（ｂ）で得られた信号を解析し、解析結果
    を用いて燃焼室の燃焼パラメータまたは伝熱パラメータ
    の少なくとも一つを制御する信号を出すシグナルプロセ
    ッサー。
  27. 【請求項２７】出力信号に応答する手段がスートブロワ
    ーまたは水噴射器からなる燃焼室の熱交換器表面を清掃
    する手段である請求項15または26に記載の装置。
  28. 【請求項２８】下記手段を含む、燃焼室の燃焼排ガス流
    中に含まれる随伴灰粒子から出される所定波長を検出す
    る装置： （ａ） 燃焼室を出る燃焼排ガス用煙道に形成された開
    口管、 （ｂ） この開口管からの光を受光する対物レンズ、 （ｃ） 対物レンズからの光を映像化する少なくとも１
    つのフィールドレンズまたは光ファイバー、 （ｄ） フィールドレンズを通った各波長の光を検知す
    る単一の光検知器、および （ｅ） 検知された光を灰粒子の温度を示す信号に変換
    する手段。
  29. 【請求項２９】灰粒子の温度を示す信号を燃焼室の効率
    制御装置へ送る手段をさらに含む請求項28に記載の装
    置。
  30. 【請求項３０】光を信号に変換する手段がシグナルプロ
    セッサーである請求項28に記載の装置。
  31. 【請求項３１】下記（ａ）と（ｂ）とを含む、反射性粒
    子を随伴するガス流を生じる燃焼プロセスの運転パラメ
    ータを制御するシステム： （ａ） 燃焼室からの燃焼生成ガス流中に随伴する反射
    性粒子から発せられる所定波長の光を選択的に検知する
    ための煙突に取付けられた少なくとも１つの光検知器で
    あって、上記の所定波長は粒子が燃焼室内の火焔から反
    射された散乱光を出す波長であり、それによって粒子か
    ら出る光が選択的に検出でき、光検知器で検出された所
    定波長の光強度はガス流の温度の関数であり、ガス流の
    温度の上昇は燃焼プロセスの効率性を表すようになって
    いる光検知器、 （ｂ） 各検知器が検知した所定波長の光強度を表す信
    号を出して燃焼プロセスが非効率性であることを示す手
    段。
  32. 【請求項３２】手段（ｂ）が出す信号に応答して燃焼プ
    ロセスの運転パラメータを制御するする手段をさらに含
    む請求項20または31に記載のシステム。
  33. 【請求項３３】粒子が燃焼プロセスからの反射光を散乱
    させる請求項31に記載のシステム。
  34. 【請求項３４】運転パラメータに汚染防止システムが含
    まれ、この汚染防止システムはガス中の有害物質を無害
    な物質に変換する汚染防止用化学物質をガス流中に噴射
    する手段を含む請求項20または31に記載のシステム。
  35. 【請求項３５】汚染防止用化学物質がアンモニアまたは
    尿素である請求項34に記載のシステム。
  36. 【請求項３６】光反射性粒子を随伴するガス流を生成す
    る燃焼室の燃焼プロセスの運転パラメターの制御方法に
    おいて、 光反射性粒子が燃料室内の火焔からの反射光を散乱させ
    る波長域で光反射性粒子から発せられる光を光検知器で
    選択的に検知し、光検知器で検出された所定波長の光強
    度はガス流の温度の関数とし、ガス流の温度の上昇は燃
    焼プロセスの効率性を表すようにしたことを特徴とする
    方法。
  37. 【請求項３７】光反射性粒子が高鉱物質含有燃料の燃焼
    で生成する請求項36に記載の方法。
  38. 【請求項３８】燃料が石炭である請求項37に記載の方
    法。
  39. 【請求項３９】検知した所定波長の光強度を表す信号を
    出して燃焼室内の燃焼が非効率性であることを示す工程
    をさらに含む請求項36に記載の方法。
  40. 【請求項４０】信号を解析し、その結果を燃焼室内の燃
    焼パラメータまたは伝熱を制御するために利用する工程
    をさらに含む請求項39に記載の方法。
  41. 【請求項４１】少なくとも２つの光検知器を用い、各光
    検知器が互いに異なった波長帯域を検知する請求項36に
    記載の方法。
  42. 【請求項４２】検知波長が約400〜約900nmの範囲内にあ
    り、各光検知器の波長幅が10〜12nmである請求項12、26
    または36に記載の方法。
  43. 【請求項４３】下記（ａ）〜（ｃ）を含む、反射性粒子
    を随伴するガス流を生じる燃焼室の熱効率を制御する装
    置： （ａ） 粒子が燃焼室内の火焔から反射された散乱光を
    出す波長で反射性粒子が出す所定の波長を選択的に検知
    するための少なくとも１つの光検知器であって、光検知
    器で検出された所定波長の光強度はガス流の温度の関数
    であり、ガス流の温度の上昇は燃焼プロセスの非効率性
    を表すようになっている光検知器、 （ｂ） 検知器が検知した所定波長の光強度を表す信号
    を出す手段、 （ｃ） 工程（ｂ）で得られた信号に応答して燃焼プロ
    セスの運転パラメータまたは伝熱パラメータを制御する
    するシグナルプロセサー。
  44. 【請求項４４】検知波長が約400〜約900nmの範囲内にあ
    り、各光検知器の波長幅が10〜12nmである請求項15、26
    または43に記載の装置。
  45. 【請求項４５】光反射性粒子の粒径が燃焼室からの反射
    光を散乱するような大きさである請求項43に記載の装
    置。
  46. 【請求項４６】少なくとも２つの光検知器が用いられ、
    各光検知器がそれぞれ異なった波長を検知する請求項17
    または43に記載の装置。
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