JP2005164060A - プラズマ溶融炉の電源の制御方法及び同装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
プラズマ溶融炉の異常状態について、電源電流若しくは漏洩電流を検知して、異常を判断し、それに応じた適切な電源電圧の制御をして炉の損傷を防止する方法及び装置の提供。
【解決手段】
炉体に対向して挿設された主電極と炉底電極間に直流電源により電圧を印加してプラズマアークを生成し、該プラズマアークにより被溶融物を溶融処理するプラズマ溶融炉の電源制御方法において、
絶縁材により相互に絶縁された前記主電極側炉体と前記炉底電極側炉体との間に流れる漏洩電流を測定し、
該漏洩電流が、約200Ａ以上である場合には直ちに前記直流電源を遮断し、約50Ａ以上でかつ200Ａ未満である場合には所定時間経過後に前記直流電源を遮断し、約20Ａ以上でかつ50Ａ未満である場合には所定時間経過後に炉内への被溶融物の投入を停止し、約20Ａ未満である場合には警報のみ出力し運転を継続して、漏洩電流によってもたらされる炉の損傷を防止する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、灰などの被溶融物を保有する炉体の中央部に設けられた上部主電極と炉底電極間に直流電圧を印加してプラズマアークを形成し、該プラズマアークの熱エネルギで、被溶融物を溶融するプラズマ溶融炉の電源の制御方法及び同装置に関する。更に詳しくは、前記溶融炉を運転中にプラズマが失火したときを判断して、炉体保護のために電源電圧を遮断する方法及び装置、更には、漏洩電流を測定し、その大きさから判断して、電源電圧を制御する方法及び装置に関する。

各種焼却灰、ボイラ飛灰などの被溶融物を溶融して再資源化を図る要請が増大し、プラズマ溶融炉による被溶融物の溶融化が注目されている。プラズマ溶融炉は耐火材で形成される炉体の中央部に上部主電極と炉底電極を配置して、炉内に被溶融物を導入保有し、前記電極間に高い電圧を印加して、電極間にプラズマアークを形成し、該プラズマアークの熱エネルギで、被溶融物を溶融する。溶融した被溶融物は金属或いはスラグの状態で炉内から取り出し、回収される。

当該電極間にはプラズマ電流が流れるが、前記電極と炉体間は当然絶縁材、耐火材などで絶縁されているが、その絶縁抵抗は、無限大ではなく固有の値を有しているが、更に導電性付着物、発生極性ガスなどに起因するスパークの発生で、微視的な導通状態が現出されたり、絶縁材耐火材は熱劣化などで、その絶縁性は低下するので、サイド電流と称される漏洩電流が流れる。勿論、この電流は、溶融に関わるエネルギにはならず、無駄なばかりか、炉材などを促進的に劣化させるので、可及的に小さいことが望ましい。

そこで、例えば特許文献１では直流アーク炉の炉蓋を開示している。この技術は、上部主電極が炉体の天井を貫通するが、該天井を環状の小天井とその外周囲の大天井にわけ、その間を絶縁すると共に、スリット間隙を設け、その間隙に不活性ガスを噴射させて絶縁の低下を防止するというものである。そして、同時に小天井と大天井の間の電気抵抗を測る測定器を配設して常時観察するとしている。

ところが、溶融炉運転中には各種の外乱により、プラズマ電流は不安定になる。例えば、原材料である灰などの被溶融物の不均一性から、電極間に存在する被溶融物の電気的物性が急変し、失火することがある。その時、プラズマ電流は流れなくなり、サイド電流のみが流れている状態となる。しかし、電源が一定電流電源である場合には電流値を一定に保つように電源が働くため、サイド電流が益々増大する。そして、終局的には、炉体の甚大な損傷を招くことがある。

このような場合の、溶融炉電源回路の制御手段において、前記特許文献１の技術ではその性格上、対策にはならない。

特許第３３５０３２０号公報

本発明は上記従来の技術の問題点に鑑みなされたもので、プラズマ溶融炉の異常状態について、電源電流若しくは漏洩電流を検知して、異常を判断し、それに応じた適切な電源電圧の制御をして炉の損傷を防止する方法及び装置の提供を目標とする。

従って、本発明はかかる課題を解決するために、
炉体に対向して挿設された主電極と炉底電極間に直流電源により電圧を印加してプラズマアークを生成し、該プラズマアークにより被溶融物を溶融処理するプラズマ溶融炉の電源制御方法において、
前記直流電源の電源電流値（Ｉ_ｐｖ）を時系列的に検出し、該検出された電流値が前記溶融炉の運転に伴い変化して、予め定められた電流限界値（Ｉ_L）との関係が
Ｉ_L ≧ Ｉ_ｐｖ
となったときに、プラズマの失火と判断し、電源を遮断することにより漏洩電流によってもたらされる炉の損傷を防止することを特徴とする。

このとき、前記電流限界値Ｉ_Lの値が、前記直流電源の電流最大値の１０％程度であることが好適である。
一般に、主電極と炉底電極間に生成したプラズマが失火する主な原因の一つとして、主電極から炉体に流れる漏洩電流（サイド電流）の発生が考えられる。例えば前記直流電源として一定電流電源を適用した場合には、電流値を一定に保つように電源が働くため漏洩電流が増大していき、炉体に損傷を招いてしまう。プラズマが失火すると、電源電流は漏洩電流として炉体のみに流れるため抵抗が大きくなり、電源電流値が低下し、電圧が上昇する。従って、かかる発明のように、予め電流限界値（Ｉ_L）を閾値として設定しておき、電源電流値（Ｉ_ｐｖ）がこの閾値以下となった時に電源を遮断することにより、炉体の損傷を防止することができる。

また別の発明として、炉体に対向して挿設された主電極と炉底電極間に直流電源により電圧を印加してプラズマアークを生成し、該プラズマアークにより被溶融物を溶融処理するプラズマ溶融炉の電源制御方法において、
絶縁材により相互に絶縁された前記主電極側炉体と前記炉底電極側炉体との間に流れる漏洩電流を測定し、
該漏洩電流が、約200Ａ以上である場合には直ちに前記直流電源を遮断し、約50Ａ以上でかつ200Ａ未満である場合には所定時間経過後に前記直流電源を遮断し、約20Ａ以上でかつ50Ａ未満である場合には所定時間経過後に炉内への被溶融物の投入を停止し、約20Ａ未満である場合には警報のみ出力し運転を継続して、漏洩電流によってもたらされる炉の損傷を防止することを特徴とする。

前記絶縁材の絶縁特性を著しく劣化させる主原因は、主電極と絶縁材との間に塩化物が付着して電流が流れ、該付着物が電極の振動等のために電極から離れた瞬間に発生したアーク放電によるものが大きい。絶縁材の絶縁抵抗が十分大きく、塩化物付着時に流れる電流値が小さければ、アークが発生してもアークに供給されるエネルギが小さいため、アークは維持されず消滅する。
ここで、空気１気圧下の低電流域におけるアーク電流−アーク維持電圧特性を図６に示す。かかる図では、主電極と絶縁材とのクリアランス（ギャップ）を複数設定している。これによれば、アーク電流が小さいほどアーク電圧が大きく、アークを維持するためには大きな電圧を印加する必要があることがわかる。図において、アーク電流が20Ａ前後で階段状に電圧は減少するが、これ以上電流を上げても電圧は大きく変化しない（100〜200Ａ以上となると逆に電圧は増加するため、30〜50Ａでアーク維持電圧は最小となる）。従って、漏洩電流が約20Ａ未満の場合には必要とされる電圧が大きいためアークが発生し難い（Silent Arc）が、20Ａ以上の漏洩電流が検出された場合にはアークが発生し易い（Hissing Arc）。

また、漏洩電流が約50Ａ以上、より好適には約100Ａ以上検出された場合には、炉体耐火物が溶損する惧れがある。また、漏洩電流が約200Ａ以上検出された場合には一瞬でも耐火物が溶損する可能性があり、さらに計測器が溶損する可能性がある。従って、炉が最も危険な状態である漏洩電流が約200Ａ以上検出された場合には直ちに前記直流電源を遮断してメンテナンスを行い、約50Ａ以上でかつ200Ａ未満検出された場合には所定時間経過後に前記直流電源を遮断し、遮断後にメンテナンスを行い、さらに、約20Ａ以上でかつ50Ａ未満検出された場合にはアーク維持と判断し、所定時間経過後に炉内への被溶融物の投入を停止し、約20Ａ未満の漏洩電流が検出された場合には運転を続行する。約20Ａ未満の漏洩電流であっても、10Ａ以上の電流値が検出された場合には警報を出力することが好適である。
尚、一定のアーク電流（アーク電流10Ａ）に対する、電極間距離−アーク電圧特性は図７のように線形となる。

さらに、炉体に主電極と炉底電極間とが対向して挿設され、直流電源により前記電極間に電圧を印加してプラズマアークを生成し、該プラズマアークにより被溶融物を溶融処理するプラズマ溶融炉の電源制御装置において、
前記直流電源の電源電流値（Ｉ_ｐｖ）の検知手段と、該検知手段により検出された電源電流値（Ｉ_ｐｖ）と予め定められた電流限界値（Ｉ_L）とを比較する判断手段と、該判断手段の出力信号に基づき電源遮断操作信号を出力可能な操作制御部と、を備え、
前記判断手段にて、前記電源電流値（Ｉ_ｐｖ）と前記電流限界値（Ｉ_L）の関係が
Ｉ_L ≧ Ｉ_ｐｖ
となったときにプラズマの失火と判断し、これに基づき前記操作制御部にて電源を遮断する信号を出力することにより漏洩電流によってもたらされる炉の損傷を防止することを特徴とする。

さらにまた、炉体に主電極と炉底電極間とが対向して挿設され、直流電源により前記電極間に電圧を印加してプラズマアークを生成し、該プラズマアークにより被溶融物を溶融処理するプラズマ溶融炉の電源制御装置において、
絶縁材により相互に絶縁された前記主電極側炉体と前記炉底電極側炉体との間に流れる漏洩電流を検知する漏洩電流検知手段と、前記検知した漏洩電流と予め設定された複数の閾値とを比較する判断手段と、該判断手段の出力信号に基づき複数の操作出力信号を出力可能な操作制御部と、を備え、
前記操作出力信号が、電源を遮断する第一の信号と、所定時間後に電源を遮断する第二の信号と、所定時間経過後に炉内への被溶融物の投入を停止する第三の信号と、を含むことを特徴とする。

前記発明において、前記操作制御部は、前記検知された漏洩電流値が約200Ａ以上である場合には前記第一の信号を出力し、約50Ａ以上でかつ200Ａ未満である場合には前記第二の信号を出力し、約20Ａ倍以上でかつ50Ａ未満である場合には前記第三の信号を出力し、約20Ａ未満である場合には警報のみ出力して運転を継続するようにしたことを特徴とする。

以上説明したように、本発明の効果は、以下のようにまとめることができる。
[1]特別な装置がないと、外からは観察不可能な、プラズマ溶融炉の負荷変動の異常を、電源電流及び／若しくは電源電圧の現在値を検出するのみで、炉に固有な閾値を設定して、適切な制御回路を附加することにより、異常時の漏洩電流（サイド電流）による炉の損傷を防止できる。
[2]特別な装置がないと、炉外からは観察不可能な、プラズマ溶融炉の負荷変動の異常を、漏洩（サイド）電流の現在値を検出するのみで、炉に固有な閾値を段階的に設定して、適切な制御回路を附加することにより、異常時の漏洩電流（サイド電流）による炉の損傷を防止できる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

図１は、本発明に関わるプラズマ溶融炉と電源電圧、電流及びサイド電流検出回路の一例を表した略図である。図１において、溶融炉の一般的な構成及び運転方法を説明すると、溶融炉の底部、天井部及び側壁部は、高温に耐える耐火材によってなり、外側は鉄皮（４、３）で保護されている。天井部には中心を貫通して、上部主電極（１）が配設され、底部には炉底電極（２）が配設されている。天井部と側壁部とは絶縁材（５）で絶縁されている。両電極間には直流の電源装置（１１）が、直流電圧を印加できるように接続されている。電源装置の両端には電源電圧検出手段（８）、電極と直列に電源電流検出手段（９）が接続され、電源電圧電流の現在値が検出可能になっている。また、アースと同電位の炉体側壁鉄皮（３）と炉体天井壁鉄皮との間には漏洩（サイド）電流検出手段（１０）が接続されて、検出可能になっている。

不図示の原料投入装置により所定量の灰などの被溶融物を炉内に投入し、電極（１）（２）間に電圧を電源装置（１１）によって昇圧し、印加する。やがて、放電が開始され、プラズマが形成されると、電源電流が急増してほぼ一定値となって安定化したら、被溶融物の追加投入を行い、溶融を継続する。溶融金属、及び溶融金属は不図示の溶湯抜き出し口より、スラグは不図示の出滓口より取り出し、物質収支をバランスさせて定常状態を保つ。電源電流検出手段（８）、電源電圧検出手段（９）、漏洩（サイド）電流検出手段（１０）により電源電圧及び電流、漏洩（サイド）電流を常に監視しながら、安定な運転を保つ。

図４は本発明の実施例１における、電源制御装置のブロック図である。図４において、閾値Ｒ_ｍは次のようにして設定した。各種の炉材、絶縁材料、電極スリーブの運転温度環境における比抵抗を測定し、実施例における炉での電気抵抗を求めた。これにより最も低い抵抗値５Ωを閾値Ｒ_ｍとした。

当該Ｒ_ｍを図４の算出手段に入力し、運転中の電源電圧Ｅ_ｐｖに基づきＥ_ｐｖ／Ｒ_ｍに相当する信号を算出して出力させ、該出力信号と電源電流Ｉ_ｐｖとを判断手段に入力して比較し、その比較結果によりＥ_ｐｖ／Ｒ_ｍ≧Ｉ_ｐｖならば、その判断手段からの出力信号に基づき操作制御部を駆動して電源遮断操作出力を出力させて、電源装置の電圧印加回路を遮断する。

また、上記のようにＥ／Ｒで電流限界値を算出する他に、経験的に炉の損傷度合いを加味した値を入力することもできる。即ち、図２のフローに示すように、予め経験的に求められた電流限界値（Ｉ_L）を設定しておき、検出された電源電流Ｉ_ｐｖとの関係が、
Ｉ_L ≧ Ｉ_ｐｖ
となる場合に、プラズマ失火と判断する。これにより、プラズマの失火を容易に判断でき、炉体の損傷を未然に防ぐことが可能となる。

本実施例１の場合、通常運転電圧が５００Ｖであって、負荷電流は１０００Ａ流れていた。従って、Ｅ_ｐｖ／Ｒ_ｍは１００Ａである。即ち、電源最大電流値の１０％以下ならば、電源を遮断することとなる。

図５は本発明の実施例２における電源制御装置のブロック図である。５において、定数１、２、３は、次のようにして設定した。各種の炉材、絶縁材料、電極スリーブの運転温度環境における比抵抗を測定し、実施例における炉での電気抵抗を求めた。これにより最も低い抵抗値５Ωを中心として、その５倍と０．５倍の抵抗値における、電源電圧Ｅ_ｐｖを印加した時の漏洩（サイド）電流はそれぞれ、大きい順に０．４Ｅ_ｐｖ、０．２Ｅ_ｐｖ、０．０４Ｅ_ｐｖアンペアである。この電流値を閾値として測定を行なった。

このようにして設定した定数１（０．４）、定数２（０．２）、定数３（０．０４）と運転中に検出された電源電圧Ｅ_ｐｖとを図５の乗算器に入力し、その結果と漏洩電流Ｉ_ｌｋとを判断手段に入力して、その比較結果により図３に示すように、Ｉ_ｌｋ≧０．４Ｅ_ｐｖならば、操作部の操作出力１により直ちに電源を遮断し、Ｉ_ｌｋ≧０．２Ｅ_ｐｖならば、操作部の操作出力２により所定時間保持後電源を遮断し、Ｉ_ｌｋ≧０．０４Ｅ_ｐｖならば、操作部の操作出力３により所定時間保持後原料投入を停止する。

本実施例２の場合、通常運転電圧が５００Ｖであるので、漏洩（サイド）電流が０．４×５００＝２００Ａ、０．２×５００＝２００Ａ、０．０４×５００＝２０Ａのとき前記の操作が行われることになる。

また、本実施例２では上記方法の他に、漏洩電流値により炉の異常を検出し、運転を制御する方法がある。これは、漏洩電流が約50Ａ以上、より好適には約100Ａ以上検出された場合には、炉体耐火物が溶損する惧れがある。また、漏洩電流が約200Ａ以上検出された場合には一瞬でも耐火物が溶損する可能性があり、さらに計測器が溶損する可能性がある。従って、図３に示されるように、炉が最も危険な状態である漏洩電流が約200Ａ以上検出された場合には、時間応答の速いヒューズやＭＣＢにより直ちに前記直流電源を遮断してメンテナンスを行い、約50Ａ以上でかつ200Ａ未満の漏洩電流が10sec以上の間検出された場合には所定時間経過後に前記直流電源を遮断し、遮断後にメンテナンスを行い、さらに、約20Ａ以上でかつ50Ａ未満の漏洩電流が10sec以上の間検出された場合にはアーク維持と判断し、所定時間経過後に炉内への被溶融物の投入を停止し、約20Ａ未満の漏洩電流が検出された場合には運転を続行する。約20Ａ未満の漏洩電流であっても、10Ａ以上の電流値が検出された場合には警報を出力することが好適である。尚、10secはその状態が維持されたと判断できる短い時間として経験的に設定した。
これにより、プラズマの失火による炉の損傷、計器の損傷を未然に防ぎ、無駄な電力の消費を防止できる。

本発明は、プラズマ溶融炉の運転における異常を察知して、その電源回路を制御することにより、炉の損傷を防ぎ、無駄な電力の消費を防止できる。これにより各種産業から排出する灰などの被溶融物の溶融反応工程の制御が適切にできるので、産業廃棄物の資源化に有用である。

本発明の関わるプラズマ溶融炉と電源電圧、電流及び漏洩（サイド）電流検出回路の一例を表した略図である。 本発明の実施例１における、電源制御方法のフロー図である。 本発明の実施例２における、電源制御方法のフロー図である。 本発明の実施例１における、電源制御装置のブロック図である。 本発明の実施例２における、電源制御装置のブロック図である。 空気１気圧下の低電流域におけるアーク電流−アーク維持電圧特性を示すグラフである。 アーク電流10Ａに対する、電極間距離−アーク電圧特性を示すグラフである。

符号の説明

１ 上部主電極
２ 炉底電極
３ 炉体側壁鉄皮
４ 炉体天井壁鉄皮
５ 絶縁材
６ スラグ
７ 溶融金属
８ 電源電流検出手段
９ 電源電圧検出手段
１０ 漏洩（サイド）電流検出手段
１１ 電源装置

Claims (6)

1. 炉体に対向して挿設された主電極と炉底電極間に直流電源により電圧を印加してプラズマアークを生成し、該プラズマアークにより被溶融物を溶融処理するプラズマ溶融炉の電源制御方法において、
   前記直流電源の電源電流値（Ｉ_ｐｖ）を時系列的に検出し、該検出された電流値が前記溶融炉の運転に伴い変化して、予め定められた電流限界値（Ｉ_L）との関係が
   Ｉ_L ≧ Ｉ_ｐｖ
   となったときに、プラズマの失火と判断し、電源を遮断することにより漏洩電流によってもたらされる炉の損傷を防止することを特徴とするプラズマ溶融炉の電源制御方法。
2. 前記電流限界値Ｉ_Lの値が、前記直流電源の電流最大値の１０％程度であることを特徴とする請求項１記載のプラズマ溶融炉の電源制御方法。
3. 炉体に対向して挿設された主電極と炉底電極間に直流電源により電圧を印加してプラズマアークを生成し、該プラズマアークにより被溶融物を溶融処理するプラズマ溶融炉の電源制御方法において、
   絶縁材により相互に絶縁された前記主電極側炉体と前記炉底電極側炉体との間に流れる漏洩電流を測定し、
   該漏洩電流が、約200Ａ以上である場合には直ちに前記直流電源を遮断し、約50Ａ以上でかつ200Ａ未満である場合には所定時間経過後に前記直流電源を遮断し、約20Ａ以上でかつ50Ａ未満である場合には所定時間経過後に炉内への被溶融物の投入を停止し、約20Ａ未満である場合には警報のみ出力し運転を継続して、漏洩電流によってもたらされる炉の損傷を防止することを特徴とするプラズマ溶融炉の電源の制御方法。
4. 炉体に主電極と炉底電極間とが対向して挿設され、直流電源により前記電極間に電圧を印加してプラズマアークを生成し、該プラズマアークにより被溶融物を溶融処理するプラズマ溶融炉の電源制御装置において、
   前記直流電源の電源電流値（Ｉ_ｐｖ）の検知手段と、該検知手段により検出された電源電流値（Ｉ_ｐｖ）と予め定められた電流限界値（Ｉ_L）とを比較する判断手段と、該判断手段の出力信号に基づき電源遮断操作信号を出力可能な操作制御部と、を備え、
   前記判断手段にて、前記電源電流値（Ｉ_ｐｖ）と前記電流限界値（Ｉ_L）の関係が
   Ｉ_L ≧ Ｉ_ｐｖ
   となったときにプラズマの失火と判断し、これに基づき前記操作制御部にて電源を遮断する信号を出力することにより漏洩電流によってもたらされる炉の損傷を防止することを特徴とするプラズマ溶融炉の電源制御装置。
5. 炉体に主電極と炉底電極間とが対向して挿設され、直流電源により前記電極間に電圧を印加してプラズマアークを生成し、該プラズマアークにより被溶融物を溶融処理するプラズマ溶融炉の電源制御装置において、
   絶縁材により相互に絶縁された前記主電極側炉体と前記炉底電極側炉体との間に流れる漏洩電流を検知する漏洩電流検知手段と、前記検知した漏洩電流と予め設定された複数の閾値とを比較する判断手段と、該判断手段の出力信号に基づき複数の操作出力信号を出力可能な操作制御部と、を備え、
   前記操作出力信号が、電源を遮断する第一の信号と、所定時間後に電源を遮断する第二の信号と、所定時間経過後に炉内への被溶融物の投入を停止する第三の信号と、を含むことを特徴とするプラズマ溶融炉の電源制御装置。
6. 前記操作制御部は、前記検知された漏洩電流値が約200Ａ以上である場合には前記第一の信号を出力し、約50Ａ以上でかつ200Ａ未満である場合には前記第二の信号を出力し、約20Ａ倍以上でかつ50Ａ未満である場合には前記第三の信号を出力し、約20Ａ未満である場合には警報のみ出力して運転を継続するようにしたことを特徴とする請求項５記載のプラズマ溶融炉の電源制御装置。

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