JP2001249049A

JP2001249049A - 溶融スラグの温度計測方法

Info

Publication number: JP2001249049A
Application number: JP2000061318A
Authority: JP
Inventors: Ichiro Yamashita; 一郎山下; Akira Noma; 野間　　彰; Susumu Nishikawa; 進西川; Minoru Ike; 稔池; Keita Inoue; 敬太井上
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2000-03-07
Filing date: 2000-03-07
Publication date: 2001-09-14

Abstract

(57)【要約】【課題】煤塵濃度が高い炉であっても、溶融スラグの
液面温度を確実に測定することができる溶融スラグの温
度計測装置を提供する。【解決手段】炉内に収容された溶融スラグ５の液面５
ａから放射される輻射光８のうち、２〜２０μｍの波長
域の輻射光８を複数集光し、この輻射光８を焦電素子２
８に間欠的に当てることによって、入射する輻射光８の
強度に応じた振幅の出力電圧を焦電素子２８から発生さ
せ、この出力電圧値とプランクの輻射則から上記溶融ス
ラグ５の液面温度を推定する溶融スラグの温度計測方法
である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、煤塵濃度が高い炉
内においても溶融スラグの液面温度を確実に測定するこ
とができる温度計測方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、炉内に収容された溶融スラグの液
面温度を測定するには、この液面から放射される、１〜
２μｍ程度の波長を有する近赤外域輻射光の強度や、異
なる波長を有する２種類以上の輻射光の強度比から、ス
ラグ液面５ａの温度を推定している。しかし、炉内の煤
塵は、径が１〜２μｍ程度で上記近赤外域の輻射光の波
長とほぼ同一寸法であるため、炉内の煤塵濃度が非常に
高い炉、例えばプラズマ灰溶融炉においては、溶融スラ
グの近赤外域輻射光は煤塵によって散乱してしまう。こ
のため、炉の天井に配設した窓まで該近赤外域輻射光が
到達せず、スラグ液面の温度を推定することができな
い。従って、プラズマ灰溶融炉では、炉の出滓口から排
出される溶融スラグの温度を熱電対等によって測定し、
この測定値によって炉内温度を推定している。しかし、
この方法では、溶融スラグの液面温度を正確に推定する
ことは困難である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記課題を
解決し、煤塵濃度が高い炉であっても、溶融スラグの液
面温度を確実に測定することが可能な溶融スラグの温度
計測装置を提供することを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明に係る溶融スラグ
の温度計測方法は、上記目的を達成するため、炉内に収
容された溶融スラグの液面から放射される輻射光のう
ち、中間赤外域又は遠赤外域の輻射光を光電気素子に集
光し、入射する輻射光の強度に応じた振幅の出力電圧を
光電気素子から発生させ、この出力電圧値とプランクの
輻射則から上記溶融スラグの液面温度を決定する方法で
ある。

【０００５】ここで、中間赤外域において用いることが
できる光電気素子としては焦電素子がある。焦電素子
は、間欠的に入射される輻射光に同期した交流信号を出
力し、この交流信号の振幅は光量に比例した大きさにな
る。これによって、各波長の出力信号の振幅値に、炉内
の煤塵及び炉壁に設けられた集光窓の透過率を考慮して
真の光強度比を算出し、プランクの輻射則から溶融スラ
グの液面温度を推定することができる。通常は、煤塵の
径が１〜２μｍであり、この径とほぼ同じ大きさの波長
を有する近赤外域の輻射光は煤塵によって散乱され、炉
の天井部等にまで到達することが困難である。このた
め、溶融スラグの表面から放射される輻射光のうち、近
赤外域の輻射光によっては、溶融スラグの液面温度を推
定することができない。しかし、本発明によれば、煤塵
の径よりも大きい波長域の中間赤外域又は遠赤外域の輻
射光を用いるため、炉内の煤塵濃度が非常に高い場合で
あっても、煤塵の径よりも大きい波長を有する中間赤外
域又は遠赤外域の輻射光は煤塵によって散乱されること
なく炉壁まで到達し、確実に溶融スラグの表面温度を推
定することができる。また、溶融スラグの輻射光を用い
て直接的に温度を計測するため、正確な温度を測定する
ことができ、輻射光の種類は、２波長以上あれば良い。
なお、焦電素子は、通常、人体検出等に用いる汎用素子
であり、遠赤外用ＣＣＤ素子等に比較して低コストで、
かつ、冷却等の付帯設備も必要ない。

【０００６】また、本発明に係る溶融スラグの温度計測
方法の一態様では、上記煤塵の径が１〜２μｍであり、
溶融スラグの表面から放射される複数の輻射光が２〜２
０μｍの波長域を有する遠赤外域の輻射光である。炉内
に充満する煤塵の径よりも溶融スラグから放射される輻
射光の波長の方が大きく、該輻射光は煤塵による散乱の
影響をあまり受けないため、確実に溶融スラグの液面温
度を推定することができる。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態に係
る溶融スラグの温度計測方法に用いる計測装置につい
て、図面を用いて詳細に説明する。本発明は、複数波長
の遠赤外光を検出し、該遠赤外光の煤塵に対する透過率
の波長依存性から各波長の光強度を補正した上で、プラ
ンクの輻射則から溶融スラグの液面温度を測定する方法
である。また、煤塵の影響を取り除くため、主灰単独、
混合灰、灰投入無の各運転状況に応じた輻射光の煤塵透
過率及び輻射率をパソコンを用いて校正したり、集光窓
の汚れによる透過光の減衰の影響を取り除くため、複数
波長域の強度域の強度比を求める。図１は、この溶融ス
ラグの温度計測装置及び該温度計測装置が配設されたプ
ラズマアーク溶融炉を示す概略図である。

【０００８】プラズマアーク溶融炉１（以下、単に溶融
炉ともいう。）内部の中心には、上下方向に沿って主電
極２及び炉底電極３が配設されており、溶融炉１の底部
には溶融スラグ５が収容されている。上記主電極２の下
端からはプラズマアーク７が炉底電極３に向けて放射さ
れ、溶融スラグ５の液面５ａからは上方に向けて輻射光
８が放射されている。この輻射光８の波長は、図２に示
すように、散乱のない場合は２μｍ程度であるものが多
く、散乱を考慮した場合は５〜１０μｍ程度のものが多
い。また、溶融炉１の天井部１０には、集光窓１１を介
して上記輻射光８を集光し、これを用いて溶融スラグ５
の液面温度を推定する温度計測装置１５が配設されてい
る。

【０００９】この集光窓１１は、その材質がＺｎＳｅで
あり、横方向にスライド可能に構成されているため、集
光窓１１が汚れた場合に取り替えることが容易にでき
る。従って、スライド方式でなく、ワイピングによって
集光窓１１の汚れを除去するようにしても良い。また、
図示していないが、窓ホルダー１６は冷却水によって冷
却されており、集光窓１１の炉内側はＮ2ガスによって
パージされている。この集光窓１１の上部にはＺｎＳｅ
製集光レンズ２０が配設され、集光窓１１からの輻射光
８を集光することができ、該集光レンズ２０の上部には
ライトチョッパー２２が配設されている。該ライトチョ
ッパー２２は、ＤＣ電源２４に接続されたＤＣモーター
（減速機）２５に取り付けられ、該ＤＣモーター２５に
よって自由に回転させることができる。

【００１０】このライトチョッパー２２の上部には、焦
電素子（パイロエレクトリック素子ともいう。）２８が
設けられており、増幅器２９を介してパソコン３０、及
び制御装置に接続されている。ここで、上記焦電素子２
８は、遠赤外域の輻射光８が当たると温度が上昇して分
極値が変化し、輻射光８の強度に比例する量の電荷を放
出するため、増幅器２９でこの電荷量を増幅させたの
ち、パソコン３０に送ることができる。しかし、焦電素
子２８は一定の強度の光である定常光を一定時間以上当
てると反応しなくなる、いわゆる飽和性と呼ばれる性質
を有するため、輻射光８を上記ライトチョッパー２２に
よって断続的に遮った間欠的な状態で焦電素子２８に照
射する必要がある。図１では、焦電素子２８が１つの場
合の温度計測装置１８を示したが、これに限定されず、
２つ以上の焦電素子２８を配設し、各々の焦電素子２８
ごとに波長の異なる輻射光２８を照射させても良い。

【００１１】

【実施例】次いで、上記構成を有する温度計測装置１５
を実証炉に配設して行った実施例によって、本発明を更
に詳細に説明する。［温度計測装置の概要］まず、温度計測装置１５の構成
を説明する。本実施例で用いた計測装置１５は、図１に
示すような構成を有するものであり、その波長域が２〜
２０μｍ、５〜２０μｍ、７〜２０μｍのバンドパスフ
ィルターを有する３個の焦電素子２８が配設されてい
る。この焦電素子２８は、温度によって誘電率が変化す
る強誘電体結晶であり、感度は、最大１０００Ｖ／Ｗで
ある。集光レンズ２０は凸レンズであり、輻射光８が該
集光レンズ２０によって焦電素子２８の受光面に結像
し、他の光を検出し難くしている。

【００１２】［光学系の構成］溶融スラグ５の液面５ａ
からは、図３に示すように、遠赤外域の輻射光８が放射
されており、該輻射光８は、集光レンズ２０を介して焦
電素子２８に集光される。この焦光レンズ２０の径はφ
５０ｍｍであり、焦点距離はｆ＝５０ｍｍであるため、
焦光レンズ２０から溶融スラグ５の液面５ａまでの距離
ａが約１５００ｍｍの場合、焦光レンズ２０と焦光素子
２８との距離ｂが以下の（式１）で算出される５１．７
ｍｍのときに結像する。

【００１３】

【数１】

【００１４】ただし、スラグ面は下がることがあるた
め、ｂ≒５２〜５３［ｍｍ］に設定する。また、焦電素
子２８の受光面の径は、ｄｐ＝２［ｍｍ］であるため、
焦電素子２８に入射するスラグ面５ａの領域は、ｄｓ＝ｄｐ・ａ／ｂ＝２×１５００／５３＝５６．６≒
５７［ｍｍ］となる。スラグ面５ａから見た焦光レンズ
２０の立体角は、以下のとおりである。 ω＝２π（１−ｃｏｓθ）＝２π[１−ｃｏｓ（０．０
１６７）]＝８．８×１０^-4［ｓｒａｄ］ θ＝ａｒｃｔａｎ（２５／１５００）＝０．０１６７［ｒａｄ］

【００１５】［スラグ面の輻射エネルギー］スラグ面５
ａの単位面積から放射される、単位波長当たりの輻射エ
ネルギーは、以下の（式２）から算出される。

【００１６】

【数２】

【００１７】ここで、ε・τは輻射率×透過率、ｈは
プランクの定数、ｋはボルツマン定数、Ｃは光速度、ν
は輻射光の周波数である。ε・τ＝１とした場合の（Ｅ
λ／Ｃ）は図４のグラフのようになる。

【００１８】焦電素子２８の感度波長範囲を２〜２０μ
ｍ、５〜２０μｍ、７〜２０μｍとすると、１８００
［ｋ］では、スラグ面５ａから放射される輻射エネルギ
ーは、以下の（式３）〜（式５）のようになる。

【００１９】

【数３】

【００２０】

【数４】

【００２１】

【数５】

【００２２】［輻射強度の煤塵による減衰］実証炉にお
けるＨｅ−Ｎｅレーザーを用いた煤塵による光の散乱特
性計測結果からσ・ｎ＝３．５［ｍ^-1］とする。ここ
で、σは煤塵の散乱断面積、ｎは煤塵の密度である。ス
ラグ面５ａから放射された輻射光８が計測用集光窓１１
に到達するまでに減衰する割合は、 η＝ｅｘｐ（−σ・ｎ・Ｌ）＝ｅｘｐ（−３．５×１
５）＝５．２×１０³ 但し、Ｌはスラグ面５ａから集光窓１１までの距離であ
り、図３のａとほぼ等しいとした。

【００２３】［焦電素子に入射する輻射エネルギー］溶
融スラグ５の輻射率ε＝０．１、集光窓１１及び焦光レ
ンズ２０等の総合透過率τ＝０．１とするとε・τ＝
０．０１である。図３のｄｓで示した領域の面積は、Ｓ
＝π・（ｄｓ／２）²＝π・（５７×１０3 ／２）² ＝
２．６×１０^-3 ［ｍ^-2］であるから、焦電素子２８に
入射する輻射エネルギーは、それぞれ波長域ごとに以下
のようになるｅ2〜20 ＝ω／２π・Ｅ2〜20・Ｓ・ε・τ・η ＝８．８×１０^-4／２π×１．４２×１０⁶×２．６４×１０^-3 ×０．０１×２．７５×１０^-5＝１．４×１０^-7［Ｗ］ｅ5〜20 ＝ω／２π・Ｅ5〜20・Ｓ・ε・τ・η ＝８．８×１０^-4／２π×１．４２×１０⁵×２．６４×１０^-3 ×０．０１×２．７５×１０^-5＝２．６×１０^-8［Ｗ］ｅ7〜20 ＝ω／２π・Ｅ7〜20・Ｓ・ε・τ・η ＝８．８×１０^-4／２π×２．５６×１０⁵×２．６４×１０^-3 ×０．０１×２．７５×１０^-5＝１．１×１０^-8［Ｗ］

【００２４】［焦電素子の出力電力］焦電素子２８の感
度は、 ρ2〜20 ＝ρ2〜20・ｅ2〜20 ＝１５００×１．４×
１０^-7＝２．１×１０^-4［Ｖ］ ρ5〜20 ＝ρ5〜20・ｅ5〜20 ＝１５００×２．６×
１０^-8＝３．９×１０^-5［Ｖ］ ρ7〜20 ＝ρ7〜20・ｅ7〜20 ＝１５００×１．４×
１０^-8＝１．４×１０^-5［Ｖ］従って、計測装置には、１０³〜１０⁴倍の増幅器が必要
である。

【００２５】［スラグ温度の推定］次いで、プランクの
放射則から、輻射エネルギーの強度比を求める。

【００２６】

【数６】

【００２７】

【数７】

【００２８】

【数８】

【００２９】各温度におけるＥ5〜7／Ｅ2〜5、Ｅ7〜20
／Ｅ2〜5 の値を図５に示す。各波長域のε・τの値
は、別途、実機試運転時に熱電対による計測値と焦電素
子２８の出力値から求める。焦電素子出力は、Ｖ2〜2
0、Ｖ5〜20、Ｖ7〜20 であるから、以下のようにな
る。Ｖ2〜5 ∝ε2・τ2・Ｅ2〜5 Ｖ5〜7 ∝ε5・τ5・Ｅ5〜7 Ｖ7〜20 ∝ε7・τ7・Ｅ7〜20 従って、以下の式が導かれる。

【００３０】

【数９】

【００３１】

【数１０】

【００３２】焦電素子出力が、Ｖ'2〜5 、Ｖ'5〜7 、
Ｖ'7〜20 と得られた場合、補正されたスペクトル強度
比は、以下の式のとおりである。

【００３３】

【数１１】

【００３４】

【数１２】

【００３５】これらのスペクトル強度比を用い、図５か
らスラグ液面５ａの温度を求めることができる。

【００３６】

【発明の効果】本発明によれば、煤塵濃度が高い炉内に
おいても溶融スラグの液面温度を正確にかつ安価なコス
トで推定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る温度計測装置を配設した溶融炉を
示す断面図である。

【図２】煤塵による散乱がある場合とない場合におけ
る、輻射光の波長と強度との関係を示すグラフである。

【図３】輻射光を集光する状態を示す概略図である。

【図４】輻射光の波長と輻射エネルギーとの関係を示す
グラフである。

【図５】温度と輻射スペクトル強度比との関係を示すグ
ラフである。

【符号の説明】

１プラズマアーク溶融炉２主電極３炉底電極５溶融スラグ７プラズマアーク８輻射光１０天井部１１集光窓１５温度計測装置１６窓ホルダー２０集光レンズ２２ライトチョッパー２４ＤＣ電源２５ＤＣモーター２８焦電素子２９増幅器３０パソコン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｇ０１Ｊ 5/10 Ｇ０１Ｊ 5/10 Ａ (72)発明者西川進神奈川県横浜市金沢区幸浦一丁目８番地１三菱重工業株式会社横浜研究所内 (72)発明者池稔神奈川県横浜市中区錦町12番地三菱重工業株式会社横浜製作所内 (72)発明者井上敬太神奈川県横浜市中区錦町12番地三菱重工業株式会社横浜製作所内Ｆターム(参考） 2G066 AA04 AC01 AC11 BA01 BA35 BB05 BC15 4K056 AA05 BA01 BB08 CA09 FA12 4K063 AA04 BA06 FA56

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】炉内に収容された溶融スラグの液面から
放射される輻射光のうち、中間赤外域又は遠赤外域の輻
射光を光電気素子に集光し、入射する輻射光の強度に応
じた振幅の出力電圧を光電気素子から発生させ、この出
力電圧値とプランクの輻射則から上記溶融スラグの液面
温度を決定することを特徴とする溶融スラグの温度計測
方法。
【請求項２】２以上の異なる波長の輻射光を用いて上
記溶融スラグの液面温度を決定することを特徴とする請
求項１に記載の溶融スラグの温度計測方法。
【請求項３】上記煤塵の径が１〜２μｍであり、溶融
スラグの液面から放射される輻射光が２〜２０μｍの波
長域を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の
溶融スラグの温度計測方法。
【請求項４】上記光電気素子が焦電素子であることを
特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の溶融スラグ
の温度計測方法。