JP2002147737A - 溶融スラグの深さ計測方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 溶融炉本体の炉底に沈殿している溶融メタル
の量を知ること。 【解決手段】 溶融炉本体２の炉室６内の焼却灰及び該
焼却灰に含まれるメタル成分をプラズマアークにより加
熱して溶融することにより溶融スラグ２３及び溶融メタ
ル２４を生成している。プラズマアークのアーク長を赤
外線カメラ１７で測定すれば、プラズマアークの抵抗値
を求めることができる。よって、プラズマ電極４，７間
の電流値及び抵抗値とプラズマアークの抵抗値から溶融
スラグ２３の抵抗を求め、溶融スラグ２３の抵抗値と溶
融スラグ２３層の厚さの関係より溶融スラグ２３層の厚
さを求め、これにより溶融メタル２４の溶融面を求め
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、灰溶融炉の炉底に
溜まっている溶融スラグ及び溶融メタルの量を知ること
ができる溶融スラグの深さ計測方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】灰溶融炉は、ごみ焼却灰の減容化または
有効利用を図るためのものであり、灰溶融炉により溶融
した焼却灰は、低沸点の揮散物や、金属類及びその他成
分のスラグに分け、無害化するとともに、そのリサイク
ルを図っている。こうした焼却灰の溶融炉のニーズが増
加してきている。これらの灰溶融炉には、焼却灰の溶融
のための重油等を燃料にするバーナ式灰溶融炉や、アー
ク式灰溶融炉及びプラズマ式灰溶融炉等のように電気を
熱源として灰を溶融するものが知られている。

【０００３】灰溶融炉では、焼却灰が溶融されると焼却
灰は溶融スラグとなり、焼却灰に含まれるメタル成分が
溶融すると溶融メタルとなり、両者は灰溶融炉の炉底に
溜まる。溶融スラグは、炉底に溜まると溶融スラグの排
出口である出滓口からオーバーフローすることにより炉
室外に排出される。一方、溶融スラグよりも比重の大き
い溶融メタルは、溶融スラグ層の下に沈殿し、灰溶融炉
の運転を長時間継続すると溶融メタル層が厚くなり、反
対に溶融スラグ層の割合が低くなる。スラグ層が薄くな
ると電源電圧が変動し、運転に支障をもたらしたりする
ため、溶融メタルの沈殿層が灰溶融炉の炉底にどの程度
溜まっているか運転中に把握する必要がある。また、有
効利用のため溶融メタルには有害な重金属等が含まれて
おり、溶融スラグとは分離して処理する必要があり、溶
融メタルの排出時の時期を誤ると装置の稼働率に影響す
る。従来では、灰溶融炉の運転者の経験により溶融メタ
ルの排出を行っていたが、炉底の溶融メタルの溶融面の
高さを知るための技術が、特開平７−１４６１６７８号
公報に開示されている。

【０００４】当該技術は、図３に示すように、アーク炉
５１の炉本体５２の炉蓋５３に、電極６２が垂下され、
炉蓋５３の中央部には孔５４が穿設され、この孔５４に
は横断面積が一定である耐火性のある棒状部材５５が昇
降装置５６により、上下動できるような構成になってい
る。また、棒状部材５５を吊すワイヤロープ５７には、
重量計５８が取付けられ、棒状部材の５５の重量を計る
ことができる。

【０００５】このような構成により、アーク炉５１を運
転すると、炉本体５２の炉底５９に溶融スラグ６０が溜
まり、溶融スラグ６０の下部に溶融メタル６１が沈殿す
る。そこで、図３に示すように、棒状部材５５の先端６
３を溶融スラグ６０層に挿入すると、棒状部材５５が溶
融スラグ６０の浮力により、見かけの重量が軽くなる。
この見かけの重量は棒状部材５５の挿入長さに比例して
軽くなり、また棒状部材５５が溶融メタル６１の沈殿層
に挿入されると、溶融メタル６１によりより大きな浮力
を受けて、それまでとは別の比率によって棒状部材５５
の重量が軽くなる。よって、棒状部材５５が浮力を受け
た位置と、溶融スラグ６０の浮力が変わる位置を調べる
ことにより、溶融スラグ６０及び溶融メタル６１の溶融
面の高さが分かり、溶融メタル６１が所定量溜まると溶
融メタル６１を炉本体５２から排出するようにしてい
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、棒状部
材を灰溶融炉内に入れて、溶融スラグ若しくは溶融メタ
ルに浸漬させると、棒状部材の耐久性に問題があり溶融
メタルの溶融面の連続監視が困難である。また、溶融ス
ラグ等から棒状部材が受ける浮力も正確に計ることは困
難であり、安全性にも問題がある。本発明は、このよう
な事情に鑑みてなされたもので、プラズマ式灰溶融炉の
炉底に沈殿する溶融スラグ及び溶融メタルの溶融面の高
さを、従来よりも正確に知ることができる溶融スラグの
深さ計測方法を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の溶融スラグの計
測方法は、上記目的を達成するために、焼却灰を溶融炉
本体の炉室内に投入し、該焼却灰及び該焼却灰に含まれ
るメタル成分をプラズマアークにより加熱して溶融する
ことにより溶融スラグ及び溶融メタルを生成し、上記溶
融炉本体の炉底部に沈む溶融メタルを上記炉室外に排出
するプラズマ灰溶融炉の運転方法において、プラズマ電
極間の電流値と電圧値からプラズマ電極間の全抵抗値を
求めるとともに上記プラズマアークの抵抗値を求め、上
記プラズマ電極間の全抵抗値からプラズマアークの抵抗
値を差し引いて溶融スラグの抵抗値を求め、該溶融スラ
グの抵抗値と溶融スラグ層の厚さの関係よって溶融スラ
グの深さを導き出すことにより、上記溶融メタルの溶融
面の高さを導き出し、溶融メタルの溶融面が所定高さに
達すると該溶融メタルを炉室外に排出するようにした。
上記発明は、上記プラズマアークの抵抗値は、上記プラ
ズマ電極の先端部と溶融スラグ間のアーク長により求め
ることができ、上記プラズマアークのアーク長を赤外線
カメラで測定することができる。また、上記発明は、上
記溶融スラグの温度を測定することにより、上記溶融ス
ラグの温度による抵抗値の変動を加味して、溶融スラグ
の深さを求めるようにすることができ、上記溶融スラグ
の温度は２波長の赤外線温度計により測定することがで
きる。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態による
溶融スラグの深さ計測方法について図面を参照しながら
説明する。図１は、本発明に係るプラズマアーク式灰溶
融炉１を示し、この灰溶融炉１は内壁１１に囲まれた炉
室６を設け、内壁１１は耐熱レンガ等の耐熱材により形
成されている。また、灰溶融炉１には、炉室６側に配設
される主電極４、炉室６の炉底壁５に配設される炉底電
極７及び直流電源８等を備えたプラズマ装置が設けられ
ている。主電極４は、溶融炉本体２の天井壁３を貫通し
て垂下されて配設されるとともに、昇降装置１５に支持
されることにより炉室６内を上下動できるように構成さ
れている。主電極４は、金属または黒鉛製であり、内部
にプラズマ用ガスを発生させる通路を形成した円筒形状
のものを用いている。主電極４の下端部には、その先端
と対向する炉底壁５に炉底電極７を設置し、これらの電
極４，７間に、プラズマ発生用の直流電源８を接続して
いる。直流電源８は、炉底電極７側に＋を接続し、主電
極４側に−を接続している。

【０００９】溶融炉本体２の天井壁３には覗き窓１２が
設けられ、覗き窓１２は、ほぼ出滓口１８の入口側上部
の直上方に配設されている。覗き窓１２の上部には、放
射温度計１３が配設され、波長が３μｍ以上の長波長の
ものが使用でき、本実施の形態では、２波長で温度を検
出する２色式放射温度計を用いている。この放射温度計
１３は、溶融スラグ２３の温度を計測することができ
る。また、溶融炉本体２には内壁１１及び鉄皮１０を貫
通する覗き窓１６を設け、覗き窓１６の外側には、赤外
線カメラ１７を配設している。赤外線カメラ１７の波長
は、３μｍ以上のものが使用できるが、８μｍ以上のも
のが好ましい。この赤外線カメラ１７は、主電極４の先
端（下端）部を観察できるように配設され、覗き窓１６
を介してプラズマアークのアーク長をモニターにより観
察することができる。

【００１０】次に、本発明の実施の形態の作用について
説明する。図１に示すように、灰溶融炉１の炉室６に
は、図示しない灰投入口から炉底壁上に焼却灰が投入さ
れ、灰溶融炉１の炉室６を還元雰囲気にした状態で、直
流電源８により電圧を電極４，７間に印加する。する
と、該電極４，７間にプラズマアークが発生し、炉室６
内が１０００℃以上の雰囲気となり、焼却灰が溶融す
る。焼却灰は溶融してスラグ２３となり、焼却灰中に含
まれているメタル成分が溶融して溶融スラグ２３の下に
沈む溶融メタル２４となる。溶融スラグ２３及び溶融メ
タル２４が炉底に溜まり、溶融スラグ２３の溶融面が出
滓口１８の高さに達すると、スラグ２３が出滓口１８か
ら溢れでて出滓樋１９を通って、次工程におけるスラグ
の空冷処理または水砕処理により冷却がなされる。

【００１１】以下、炉室６に溜まった溶融スラグ２３の
抵抗値を求める方法について説明する。図１に示す赤外
線カメラ１７が、プラズマ電極の主電極４の先端部を撮
影している。赤外線カメラ１７はプラズマアークの形状
を撮影するものであり、プラズマアークの形状をモニタ
ーで視ることができる。よって、赤外線カメラ１７が撮
影した映像をモニターが写し出し、そのアーク形状を画
像解析して、アーク長を導き出すことができる。アーク
長が分かればプラズマアークの抵抗値が分かるので、プ
ラズマ回路の全抵抗値からプラズマアークの抵抗値を差
し引けば、溶融スラグ２３の抵抗値を導くことができ
る。

【００１２】その計算方法の具体的な説明は、以下のと
おりである。溶融メタル２４の溶融面の高さを導き出す
のに、溶融スラグ２３の厚さを求めることにより導き出
す。図１に示すスラグ抵抗Ｒ_Ｓは溶融スラグ２３の厚さ
と比例し、スラグ抵抗に対するスラグ厚さは分かってい
るので、抵抗Ｒ_Ｓの値が分かれば、溶融スラグ層の厚さ
が分かる。ここで、プラズマ装置の全抵抗をＲ，全電流
をＩ，全電圧をＶとし、プラズマアークの抵抗をＲ_Ｐ，
電流をＩ_Ｐ，電圧をＶ_Ｐとし、溶融スラグ２３の抵抗を
Ｒ_Ｓとする。なお、プラズマ装置の全電圧はプラズマ電
極４，７の直流電源８であるので、直流電源８の電圧と
なる。直流電源８を流れる電流は電流計で測定できるの
で、プラズマ装置の全電流Ｉと全電流Ｖは、分かってい
る。したがって、プラズマ装置の全抵抗Ｒは、Ｒ＝Ｖ／
Ｉで導きだすことができ、プラズマアークの電流Ｉ
_Ｐは、プラズマ回路が直列回路であるので全電流Ｉに等
しい。また、プラズマ装置の全抵抗Ｒは、図１に示すプ
ラズマアークＲ_Ｐと溶融スラグＲ_Ｓの和であるので、Ｒ
＝Ｒ_Ｐ＋Ｒ_Ｓである。したがって、プラズマアークの抵
抗Ｒ_Ｐが分かると溶融スラグの抵抗Ｒ_Ｓが分かる。溶融
スラグの抵抗Ｒ_Ｓは、以下の方法で導き出すことができ
る。 （１）赤外線カメラよりアーク長Ｌ_Ｐが分かると、アー
ク長Ｌ_Ｐと電圧の関係が、Ｖ_Ｐ＝０．８Ｌ_Ｐ（ｍｍ）の
関係にあるので、アーク電圧Ｖ_Ｐが分かる。なお、アー
ク長Ｌ_Ｐは、主電極４の下端と溶融スラグ２３の溶融面
までの距離である。なお、主電極４は消耗するので、ア
ーク長Ｌ_Ｐは一定値ではないので、連続運転では、連続
的に観察が必要である。 （２）プラズマアークの抵抗Ｒ_Ｐは、Ｒ_Ｐ＝Ｖ_Ｐ／Ｉ
（なお、Ｉ_Ｐ＝Ｉ、Ｖ_Ｐ＝０．８Ｌ_Ｐ）であるので、こ
の式よりＲ_Ｐが導かれる。 （３）Ｒ_Ｐが分かると、スラグ抵抗Ｒ_Ｓは、Ｒ_Ｓ＝Ｒ−
Ｒ_Ｐにより導かれる。

【００１３】スラグ抵抗Ｒ_Ｓと溶融スラグの厚さとが比
例するので、スラグ抵抗Ｒ_Ｓによって溶融スラグ２３の
厚さが分かる。溶融スラグ２３の溶融面は、オーバフロ
ーする出滓口１８の高さであるので、溶融スラグ２３の
厚さ（深さ）が分かると、溶融スラグ２３の厚さがその
まま溶融メタル２４の出滓口１８までの距離になり、溶
融スラグ２３の下に沈んでいる溶融メタル２４の溶融面
高さが分かる。なお、厳密には、溶融スラグ２３の抵抗
値Ｒ_Ｓは、図２に示すように、溶融スラグ２３の温度差
によって変動する。図２のグラフの縦線はスラグの抵抗
値Ｒ_Ｓを示し、横線は溶融スラグの厚さＬ_Ｓを示し、Ｔ
_１、Ｔ_２は温度である。Ｔ_１、Ｔ_２によるスラグ抵抗
は、予め実験により測定することができる（図中ではＴ
_１＜Ｔ_２）。よって、より正確な溶融メタル２４の溶融
面を知るときは、図１に示す放射温度計１３を用いて溶
融スラグ２３の温度を計測し、その温度から溶融スラグ
２３の抵抗値を換算して溶融メタル２４の溶融面の高さ
を知ることができる。これにより、より正確な溶融メタ
ル２４の溶融面の高さを求めることができる。

【００１４】従来では、灰溶融炉の運転中において、焼
却灰の灰成分中に混入されている溶融メタル２４を、炉
室６内から排出するのに、運転者の経験等に基づいて行
っていた。本実施の形態では、溶融メタル２４の溶融面
高さを知ることができるので、溶融メタル２４の溶融面
が一定水準の高さに達したら、溶融メタル２４を炉室６
外に排出することができる。溶融メタル２４の排出につ
いては、傾倒式のプラズマ灰溶融炉であれば出滓口から
排出すればよいし、マッドガン方式であれば、炉壁に孔
を開けて溶融メタルを排出すればよい。

【００１５】以上、本発明の実施の形態について説明し
たが、勿論、本発明はこれに限定されることなく本発明
の技術的思想に基いて種々の変形が可能である。例え
ば、上記実施の形態では、室内側に配設される主電極及
び炉底に配設される炉底電極を備えたプラズマ灰溶融炉
に適用したが、正電極及び負電極が共に炉室内に配設さ
れるプラズマ灰溶融炉にも片方の電極を溶融メタルまで
挿入しておくことにより勿論適用が可能である。

【００１６】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、プラ
ズマ電極間の電流値及び抵抗値とプラズマアークの抵抗
値から溶融スラグの抵抗値を求め、該溶融スラグの抵抗
と溶融スラグ層の厚さの関係より溶融スラグの深さを求
めるようにした。したがって、溶融スラグの深さを知る
ことにより溶融メタルの溶融面を知ることができ、溶融
メタルの排出を的確なタイミングで行うことができるよ
うになった。よって、プラズマ灰溶融炉の稼働率の向上
を図ることができ、運転コストの軽減を図ることができ
る。また、プラズマアークのアーク長を赤外線カメラで
測定することにより、正確なアーク長を測定することが
できる。溶融スラグの温度を測定することにより、溶融
スラグの温度による抵抗値の変動を加味して、溶融スラ
グの深さを求めるようにしたので、正確な溶融スラグの
厚さを測定することができる。また、溶融スラグの温度
を２波長の赤外線温度計により測定することにより、よ
り正確な溶融メタルの溶融面の高さを測定することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態におけるプラズマアーク式
灰溶融炉の概略断面図である。

【図２】図１の灰溶融炉のプラズマ装置の電気回路の等
価図である。

【図３】従来のプラズマアーク式灰溶融炉の概略断面図
である。

【符号の説明】

１ プラズマアーク式灰溶融炉 ２ 溶融炉本体 ３ 天井壁 ４ 主電極 ５ 炉底壁 ６ 炉室 ７ 炉底電極 ８ 直流電源 １０ 鉄皮 １１ 内壁 １２，１６ 覗き窓 １３ 放射温度計 １５ 昇降装置 １７ 赤外線カメラ １８ 出滓口 １９ 出滓樋 ２３ 溶融スラグ ２４ 溶融メタル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐伯 健太郎 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 Ｆターム(参考） 3K061 AA18 NB02 NB30 4K045 AA04 BA07 DA07 RB02 4K056 AA05 BA03 FA12 FA17

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 焼却灰を溶融炉本体の炉室内に投入し、
   該焼却灰及び該焼却灰に含まれるメタル成分を含む溶融
   対象物をプラズマアークにより加熱して溶融することに
   より溶融スラグを生成するプラズマ灰溶融炉において、 プラズマ電極間の電流値と電圧値からプラズマ電極間の
   全抵抗値を求めるとともに上記プラズマアークの抵抗値
   を求め、上記プラズマ電極間の全抵抗値からプラズマア
   ークの抵抗値を差し引いて溶融スラグの抵抗値を求め、
   該溶融スラグの抵抗値と溶融スラグ層の厚さの関係よっ
   て溶融スラグの深さを導き出すようにしたことを特徴と
   する溶融スラグの深さ計測方法。
2. 【請求項２】 上記プラズマアークの抵抗値は、上記プ
   ラズマ電極の先端部及び上記溶融スラグ面間のアーク長
   の長さと抵抗の関係により求めることを特徴とする請求
   項１に記載の溶融スラグの深さ計測方法。
3. 【請求項３】 上記プラズマアークのアーク長は赤外線
   カメラを用いて測定したことを特徴とする請求項２に記
   載の溶融スラグの深さ計測方法。
4. 【請求項４】 上記溶融スラグの温度を測定することに
   より、上記溶融スラグの温度に対する抵抗値の変動を加
   味して、溶融スラグ層の厚さを求めるようにしたことを
   特徴とする請求項１に記載の溶融スラグの深さ計測方
   法。
5. 【請求項５】 上記溶融スラグの温度を２波長の赤外線
   温度計により測定したことを特徴とする請求項４に記載
   の溶融スラグの深さ計測方法。