JP2001289427A - プラズマ加熱式溶融炉およびその運転方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 プラズマ加熱式溶融炉の熱効率を向上させて
ランニングコストを低減すると共に、熟練度の低い作業
者であってもスラグの温度を適正な値にすることができ
るプラズマ加熱式溶融炉を提供する。 【解決手段】 計量コンベヤ２１と、塩基度測定装置２
２とを設ける。そして、溶融炉５に投入する灰２の重量
と塩基度とを予め測定し、溶融させるのに必要な熱量を
予測する。そして、プラズマアークの出力を、予測した
熱量が供給できる値に制御する。プラズマアークの出力
を、プラズマトーチ６の位置、プラズマ電流値、プラズ
マガス流量値の順で変化させることにより、未熟練者で
も安定した運転をすることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、プラズマアークに
伴って発生する熱により、例えば炉内に投入された灰等
の溶融対象物を溶融するプラズマ加熱式溶融炉およびそ
の運転方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】図４は、従来から実施されているプラズ
マ加熱式溶融炉の概略構成を示す構成図である。同図に
おいて受入ホッパ１に投入された溶融対象物としての粉
末状の灰（チャー）２は、搬送コンベヤ３によって搬送
され、ロータリーバルブ４を経由して溶融炉５の内部に
投入される。溶融炉５の内部には、電極６ａとプラズマ
ガスの噴出口６ｂを備えたトランスファ型のプラズマト
ーチ６が配置されている。プラズマトーチ６は、移動装
置７に保持され、上下方向に移動自在である。電極６ａ
は直流電源８の正極に接続され、噴出口６ｂは図示を省
略するプラズマガスの供給源に接続されている。直流電
源８の負極は、溶融炉５の底部に配置された下部電極９
に接続されている。温度計１０は溶融炉５の内部温度を
検出し、溶融炉５の外部に表示する。

【０００３】このように大略構成された従来のプラズマ
加熱式溶融炉では、噴出口６ｂからプラズマガスを供給
しながら、直流電源８をオンし、電極６ａの先端と下部
電極９との間にプラズマアークを発生させる。この状態
で灰２を溶融炉５の内部に投入すると、プラズマアーク
に伴って発生する熱により、灰２が溶融する。溶融した
灰２（以下、スラグ２ａという。）は導電性があるの
で、溶融炉５の内部に灰２を投入すると、溶融面が上昇
し、これに対応してプラズマトーチ６を徐々に上昇さ
せ、プラズマトーチ先端と溶融面の表面との距離、いわ
ゆる極間距離を調整する。スラグ２ａの上面が湯口５ａ
を超えると、スラグ２ａは出さい樋１１に流れ出し、例
えば水槽に導かれて急冷され、塊状の固体となる。

【０００４】作業者は、出さい樋１１を流れるスラグ２
ａの状態を監視し、スラグ２ａの流速が適切な範囲に入
るように、プラズマアークの出力を調節する。すなわ
ち、一般に、温度が高いスラグ２ａの流動性は大きいの
で、スラグ２ａの流速が遅い場合は、プラズマアークの
出力を大きくして溶融炉５の内部温度（以下、炉内温度
という。）を上昇させ、スラグ２ａの流速が速い場合
は、プラズマアークの出力を小さくして、炉内温度を下
降させる。

【０００５】プラズマアークの出力は、移動装置７によ
りプラズマトーチ６を上下させて電極６ａ先端とスラグ
２ａの表面との極間距離を変化させたり、プラズマ電流
値あるいはプラズマガス流量を変化させることにより制
御できる。なお、トランスファ型トーチの場合、極間距
離を過度に大きくするとアークが消弧（失火）し、過度
に小さくすると、プラズマガスにより吹き上げられたス
ラグ２ａがトーチ先端に付着して、アークの消弧やプラ
ズマガス流量の減少等が発生し、いずれもトラブルの原
因になる。このため、作業者は、極間距離を障害の生じ
ない予め設定した範囲内に収まるように調整する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このように
して溶融作業を行っているときに、もし、スラグが出さ
い樋内で固化してしまうと、スラグの出さいを停止し
て、固化したスラグを除去しなければならず、運転再開
までに時間を要する。このため、作業者は、必要以上に
プラズマアークの出力を大きくする傾向がある。このよ
うにプラズマアークの出力を必要以上に大きくすると、
電力原単位（ｋＷ／ｔ−ａｓｈ）が高くなり、結果とし
て、熱効率の低下を招いていた。

【０００７】また、灰の性質は一定ではなく、投入され
る灰の重量も変動する。さらに、プラズマアークの出力
を変化させても、炉内温度は直ちに変化せず、時間的に
遅れて追従する。しかも、プラズマアークの出力は、極
間距離（トーチ高さ）、プラズマ電流値あるいはプラズ
マガス流量のいずれの値を変化させても変化するので、
プラズマアークの出力を適切に制御するには、経験を必
要とした。

【０００８】本発明は、このような従来技術の実情に鑑
みてなされたもので、その目的は、プラズマ加熱式溶融
炉の熱効率を向上させてランニングコストを低減すると
共に、熟練度の低い作業者であってもスラグの温度を適
正な値にすることができるプラズマ加熱式溶融炉を提供
するにある。

【０００９】また、他の目的は、このようなプラズマ加
熱式溶融炉の適切な運転方法を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
め、第１の手段は、プラズマアークにより溶融対象物を
溶融させるプラズマ加熱式溶融炉において、投入される
前記溶融対象物の重量を測定する手段と、測定された前
記溶融対象物の重量に応じてプラズマトーチの出力を制
御する制御手段とを備えた構成とした。

【００１１】この場合、前記プラズマ加熱式溶融炉の内
部の温度を検出する手段をさらに備え、前記測定された
重量に加え、前記検出された温度を勘案して前記プラズ
マトーチの出力を制御するようにするとよい。また、投
入される前記溶融対象物の塩基度を測定する手段をさら
に備え、前記重量、温度に加え、前記測定された塩基度
に基づいて前記プラズマトーチの出力を制御するように
構成することもできる。なお、前記制御手段は、溶融対
象物の重量を測定した後、当該溶融対象物の投入前に前
記制御を先行的に前記制御を実行する。また、前記制御
手段によるプラズマトーチの出力制御は、演算された必
要投入熱量に基づいて行われる。

【００１２】第２の手段は、プラズマアークにより溶融
対象物を溶融させるプラズマ加熱式溶融炉の運転方法に
おいて、プラズマトーチの極間距離を調整する第１の工
程と、前記第１の工程で所望の炉内温度に達しない場
合、あるいは前記先端位置が所定の調整範囲から外れて
しまう場合に、プラズマトーチの電流値を調整する第２
の工程と、前記第２の工程で所望の炉内温度に達しない
場合、あるいは前記電流値が所定の調整範囲から外れて
しまう場合に、プラズマガス流量を調整する第３の工程
とを含んだ構成とした。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。

【００１４】図１は、本発明に係るプラズマ加熱式溶融
炉の構成図であり、従来例として示した図４と同等な各
部には同一の参照符号を付し、重複する説明は省略す
る。

【００１５】搬送コンベヤ３の端部にはシャッタ２０が
配置されており、シャッタ２０とロータリーバルブ４と
の間には、計量コンベヤ２１が配置されている。計量コ
ンベヤ２１の搬送路の側面には、塩基度測定装置２２が
配置されている。プラズマトーチ６の近傍には距離セン
サ２３が配置されている。計量コンベヤ２１、塩基度測
定装置２２および距離センサ２３はそれぞれ制御装置２
４に接続されている。制御装置２４は、演算装置２４ａ
と記憶装置２４ｂ等を備えている。記憶装置２４ｂに
は、灰の塩基度Ｋと融点Ｔおよび溶融させるのに必要な
単位重量当りの熱量Ｑｕを統計的に解析して関連付けた
データテーブルと後述の図２および図３に示した関係の
データテーブルが予め入力されている。また、この実施
の形態における直流電源８は定電流特性を備えている。

【００１６】このように構成されたプラズマ加熱式溶融
炉の動作は以下のようになる。

【００１７】計量コンベヤ２１を動作させ、シャッタ２
０を開いて灰２を計量コンベヤ２１上に落下させる。計
量コンベヤ２１は灰２の重量Ｗを計測し、その結果を制
御装置２４に出力する。塩基度測定装置２２は、計量コ
ンベヤ２１が予め設定した距離を移動する毎に、計量コ
ンベヤ２１上の灰２から少量のサンプルを採取して塩基
度Ｋを測定し、その結果を制御装置２４に出力する。予
め設定した時間が経過すると、シャッタ２０を閉じて、
計量コンベヤ２１を停止させる。制御装置２４は、後述
する手順に従ってプラズマアークの出力Ｐを演算し、求
めた出力Ｐの値に応じて、計量コンベヤ２１を動作さ
せ、灰２を溶融炉５に投入する。

【００１８】制御装置２４は、プラズマアークの出力Ｐ
を以下の手順で演算する。

【００１９】先ず、必要熱量Ｓを推定する。すなわち、
塩基度測定装置２２から出力された灰２の塩基度Ｋの平
均値Ｋｍを求め、データテーブルを参照して対応する熱
量Ｑｕを求める。そして、計量装置２１ａから出力され
た灰２の重量Ｗと熱量Ｑｕとを乗算し、灰２を溶融させ
るのに必要な熱量Ｗ・Ｑｕを求める。

【００２０】次に、温度計１０を参照し、現在の炉内温
度と融点Ｔとの差ΔＴを求める。そして、差ΔＴと炉内
温度を１度上昇させるのに必要な単位熱量Ｍとを乗算
し、炉内温度を目的とする温度まで上昇させるのに必要
な熱量ΔＴ・Ｍを求める。そして、必要熱量Ｓを熱量Ｗ
・Ｑｕと熱量ΔＴ・Ｍの和として求める。

【００２１】灰２の投入から出さいまでの時間ｔは予め
計画されている。そこで、必要熱量Ｓと時間ｔとからプ
ラズマアークの出力Ｐを、 Ｐ＝ｋ・Ｓ／ｔ（ただし、ｋは係数） として決定する。なお、出力Ｐは、例えば時間ｔの８０
％が経過した時点で炉内温度が融点Ｔとなるようにして
もよく、出力Ｐは炉の運転条件に応じて適宜設定され
る。

【００２２】次に、プラズマトーチの出力Ｐの制御手順
を説明する。なお、ここでは、必要熱量Ｓがプラスであ
るとする。また、トーチ高さおよびプラズマ電流値と出
力Ｐとの関係が予め求められている。

【００２３】図２は、プラズマ電流値を一定にした場合
における、出力Ｐ［ｋＷ］とトーチ高さ［ｍｍ］（すな
わち極間距離）との関係を示す図である。同図に示すよ
うに、プラズマガス流量が大、中、小のいずれの場合
も、出力Ｐはトーチ高さに比例して大きくなる。

【００２４】図３は、トーチ高さを一定にした場合にお
ける、出力Ｐ［ｋＷ］とプラズマ電流値［Ａ］との関係
を示す図である。同図に示すように、プラズマガス流量
が大、中、小のいずれの場合も、出力Ｐはプラズマ電流
値に比例して大きくなる。

【００２５】制御装置２４はあらかじめ前記図２および
図３に示した電流値一定の条件の下でプラズマガス流量
をパラメータにとったときのトーチ高さと出力との関
係、および／またはトーチ高さ一定の条件の下でプラズ
マガス流量をパラメータにとったときのプラズマ電流値
と出力との関係をテーブルとして持っておき、先ず、移
動装置７から電極６ａの先端位置を、また距離センサ２
３からスラグ２ａの表面の位置を求め、両者から現在の
極間距離を確認した後、この極間距離を大きくする。前
述のように、極間距離には適正範囲があり、また、後述
するように極間距離を変化させる場合もあるので、極間
距離は許容範囲の上限または下限から調整代を残した値
とする。このような場合、微小な温度差を調整する場合
には、極間距離の調整で十分である。なお、前記図２お
よび図３に示した関係のデータテーブルは炉の容量や能
力によってそれぞれ異なってくるので、適用する炉に応
じて前記トーチ高さやプラズマ電流値などの具体的な数
値は異なる。

【００２６】トーチ高さ（極間距離）の調整だけでは目
的とする出力に設定できない場合、続いてプラズマ電流
を調整する。さらに、プラズマ電流の調整では目的とす
る出力にならない場合は、続いてプラズマガス流量を大
きくする。このようにして、トーチ高さ、プラズマ電
流、プラズマガス流量の設定が終了したら、距離センサ
２３を監視し、トーチ高さを一定に保つようにする。こ
れは、スラグ溜まりのスラグ２ａが表面張力により排出
されず、スラグ２ａの表面レベルが上昇する場合がある
からである。そして、温度計１０の出力および出さい樋
１１のスラグの流速を監視し、例えば予め設定した時間
経過後の炉内の温度が予想以上に上昇し、かつスラグの
流速が速い場合は、温度差に応じて出力を低下させる等
の出力補正を行なう。なお、灰２を炉内に投入する時期
は、炉内の温度が十分に高い場合は直ちに、低い場合は
少量ずつ投入する。

【００２７】この実施の形態では、投入する灰の重量お
よび塩基度を測定することにより、必要熱量を予測し、
先行的にプラズマアークの出力を制御するので、炉内温
度を適切に制御でき、安定した連続運転を行うことが可
能となる。

【００２８】また、必要以上に出力を大きくすることが
ないので、無駄な投入電力を抑えることができ、電力原
単位を低く、すなわち熱効率を向上させることができ
る。

【００２９】加えて、炉内温度を必要以上に上昇させな
いので、プラズマトーチおよび炉体耐火物の寿命を延ば
すことができる。

【００３０】また、プラズマガスの流量を最後に調整す
るから、溶融炉内に供給した灰が散乱し、プラズマトー
チ上でスラグになることを予防でき、円滑な運転をする
ことができる。

【００３１】なお、この実施形態では出力Ｐの制御を制
御装置２４で行なうようにしたが、作業者が行なっても
よい。この場合、出力Ｐの制御手順を前述の手順で行う
ことで温度制御にばらつきが発生しない。

【００３２】また、灰２のサンプル複数回採取して塩基
度Ｋの平均値Ｋｍを求めるようにしたが、１回でもよ
い。

【００３３】また、出力Ｐを調整する際、極間距離を調
整してからプラズマ電流を調整するようにしたが、トー
チ高さの調整だけでは出力Ｐを調整できないことが明ら
かな場合には、トーチ高さを変えることなく、直ちにプ
ラズマ電流値を調整するようにしてもよい。

【００３４】また、トランスファ型のプラズマトーチに
付いて説明したが、非トランスファ型（プラズマジェッ
ト型）のプラズマトーチの場合も、本発明を適用するこ
とができる。

【００３５】また、距離センサ２３に代えて、電極６ａ
先端とスラグ２ａ間の電圧を監視してもよい。

【００３６】さらに、投入して溶融する溶融対象物は灰
に限らず、他の材料であってもよい。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
投入する灰の重量および塩基度を測定することにより必
要熱量を推定し、推定した必要熱量が得られるようにプ
ラズマアークの出力を設定するので、安定した連続運転
が可能であり、しかも電力原単位およびランニングコス
トを低減することができる。

【００３８】また、本発明によれば、プラズマトーチの
極間距離を調整する第１の工程と、第１の工程で所望の
炉内温度に達しない場合、あるいは前記先端位置が所定
の調整範囲から外れてしまう場合に、プラズマトーチの
電流値を調整する第２の工程と、第２の工程で所望の炉
内温度に達しない場合、あるいは前記電流値が所定の調
整範囲から外れてしまう場合に、プラズマガス流量を調
整する第３の工程とを含んでいるので、無駄な投入電力
を抑えることができ、電力原単位を低く、すなわち熱効
率を向上させることができる。加えて、炉内温度を必要
以上に上昇させないので、プラズマトーチおよび炉体耐
火物の寿命を延ばすことができる。また、プラズマガス
の流量を最後に調整するので、溶融炉内に供給した灰が
散乱し、プラズマトーチ上でスラグになることを予防で
き、円滑な運転をすることができる。さらに、プラズマ
アークの出力を、プラズマトーチのトーチ高さ、プラズ
マ電流値、プラズマガス流量値の順で変化させることに
より、未熟練者でも安定した運転をすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るプラズマ加熱式溶融炉の構成図で
ある。

【図２】プラズマアークの出力特性を示す図である。

【図３】プラズマアークの出力特性を示す図である。

【図４】従来のプラズマ加熱式溶融炉の構成図である。

【符号の説明】

２ 灰 ６ プラズマトーチ ２１ 計量コンベヤ ２２ 塩基度測定装置 ２４ 制御装置

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 プラズマアークにより溶融対象物を溶融
   させるプラズマ加熱式溶融炉において、 投入される前記溶融対象物の重量を測定する手段と、 測定された前記溶融対象物の重量に応じてプラズマトー
   チの出力を制御する制御手段と、を備えていることを特
   徴とするプラズマ加熱式溶融炉。
2. 【請求項２】 前記プラズマ加熱式溶融炉の内部の温度
   を検出する手段をさらに備え、 前記制御手段は、前記測定された重量に加え、前記検出
   された温度を勘案して前記プラズマトーチの出力を制御
   することを特徴とする請求項１記載のプラズマ加熱式溶
   融炉。
3. 【請求項３】 投入される前記溶融対象物の塩基度を測
   定する手段をさらに備え、前記制御手段は、前記重量、
   温度に加え、前記測定された塩基度に基づいて前記プラ
   ズマトーチの出力を制御することを特徴とする請求項１
   または２記載のプラズマ加熱式溶融炉。
4. 【請求項４】 前記制御手段は、溶融対象物の重量を測
   定した後、当該溶融対象物の投入前に前記制御を先行的
   に実行することを特徴とする請求項１ないし３のいずれ
   か１項に記載のプラズマ加熱式溶融炉。
5. 【請求項５】 前記制御手段によるプラズマトーチの出
   力制御は、演算された必要投入熱量に基づいて行われる
   ことを特徴とする請求項１ないし４記載のプラズマ加熱
   式溶融炉。
6. 【請求項６】 プラズマアークにより溶融対象物を溶融
   させるプラズマ加熱式溶融炉の運転方法において、 プラズマトーチの極間距離を調整する第１の工程と、 前記第１の工程で所望の炉内温度に達しない場合、ある
   いは前記先端位置が所定の調整範囲から外れてしまう場
   合に、プラズマトーチの電流値を調整する第２の工程
   と、 前記第２の工程で所望の炉内温度に達しない場合、ある
   いは前記電流値が所定の調整範囲から外れてしまう場合
   に、プラズマガス流量を調整する第３の工程と、を含ん
   でなることを特徴とするプラズマ加熱式溶融炉の運転方
   法。