JP2006040619A - プラズマ灰溶融炉用直流電源装置及びプラズマ灰溶融炉の運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】プラズマ灰溶融炉の主電極と炉底電極間でアークが発生せず、主電極と炉壁外郭導通部間でサイドアークが発生する問題がある。また、再起動時の導通確認に補助電源回路を設けると装置が大きくなり、コスト高になる。
【解決手段】プラズマ灰溶融炉５０の主電極５１と炉底電極５２間に直流電源装置１０を接続している。その主整流回路１５の平滑コンデンサ１６に初期充電回路３０を接続し、平滑コンデンサ１６を運転開始時に予め所定低電圧に充電制御すると共に、主電極５１と炉底電極５２間の導通状況をチョッパ回路１７の出力変化から検出する導通検出手段３１を設けている。導通確認後は、主整流回路１５から平滑コンデンサ１６を充電し、プラズマコントロール盤１の指示によりコンデンサ電圧を電極間に印加し、発生させたプラズマアークで加熱溶融する。
【選択図】図１

Description

本発明は、プラズマ灰溶融炉に係り、特に都市ごみや産業廃棄物等の焼却灰を溶融してスラグ化するプラズマ灰溶融炉用直流電源装置及びプラズマ灰溶融炉の運転方法に関する。

従来から、都市ごみや産業廃棄物等の焼却灰を減容化や無害化、更には金属類のリサイクルを図るためにプラズマ灰溶融炉が用いられている。このプラズマ灰溶融炉の運転開始は、例えば特許文献１に記載されているように、カーボン製の主電極を炉底電極との間にある溶融メタル表面あるいはメタル材に接触させ、導通を得られた状態から直流電源装置により通電して起動している。

このプラズマ灰溶融炉では、導通前の主電極と炉底電極間は負荷が無負荷に近いため、直流電源装置の出力電圧が主整流回路の交流電圧に応じて高電圧となり、主電極と溶融炉本体外郭導通部間でサイドアークの発生する恐れがある。

このため従来は、運転開始前の電源として補助電源回路を用い、真空遮断器を開いた状態で、サイドアークの発生しない低電圧を印加した状態で導通を検出していた。この補助電源回路はサイドアークの発生開始電圧より出力電圧を低く抑えるため専用のトランス、整流回路、開閉器、出力電流制限抵抗および電圧センサからなり、開閉器を閉路し、電流制限抵抗により短絡電流を制限する。また主電極と炉底電極間の導通は出力電流センサの電流値で検出する。

補助電源回路による通電時は、主整流器の電圧が加わらないように主回路の真空遮断器は開路しておき、チョッパ回路の動作を停止して使用する。このとき、チョッパ回路を停止してもチョッパ回路の半導体スイッチ両端のダイオードから流入する電流で平滑コンデンサへ過大な充電電流が流れないように、予め小型の整流回路（初期充電回路）で平滑コンデンサの初期充電を実施している。

特開２００２−２１３７２６号公報

上記した従来のプラズマ灰溶融炉用直流電源装置では、再起動時の導通確認に使用する補助電源回路は電源容量が大きいため全体装置も大きくなり、コスト高になる。しかし、補助電源回路を設けない場合は、溶融炉再起動時の導通確認電圧が通常運転電圧と同じ高電圧となるため、主電極と炉本体外郭導通部間でサイドアークが発生し、絶縁物を損傷してしまう問題がある。

本発明の目的は、上記従来技術の問題点に鑑み、補助電源回路を設けることなく簡単で、かつ灰溶融炉の運転に好適なプラズマ灰溶融炉用直流電源装置を提供することにある。また、運転開始時にサイドアークを発生させることなく通常運転に移行させることができるプラズマ灰溶融炉の運転方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、交流電圧を直流電圧へ変換する主整流回路と、主整流回路出力の直流電力を保持する平滑コンデンサと、直流出力電流をパルス幅変調制御信号により可変するチョッパ回路と、チョッパ回路出力を平滑して負荷に供給する平滑直流リアクトルを含む主回路を構成し、前記主回路をプラズマ灰溶融炉の主電極と炉底電極間に接続したプラズマ灰溶融炉用直流電源装置において、前記平滑コンデンサに初期充電回路を接続し、前記初期充電回路には平滑コンデンサを運転開始時に予め所定低電圧に充電制御した状態で前記チョッパ回路を導通させ、前記主電極と炉底電極間の導通状況を前記チョッパ回路の出力変化から検出する導通検出手段を設けたことを特徴とする。

また、本発明のプラズマ灰溶融炉の運転方法は、灰溶融炉の主電極と炉底電極間に直流電源装置を接続し、灰溶融炉の起動時に前記主電極を前記炉底電極側に下降させると共に、前記直流電源装置内の平滑コンデンサに初期充電回路から予め所定低電圧を充電した後に、前記直流電源装置のチョッパ回路を導通させ、前記平滑コンデンサの電圧を前記主電極と炉底電極間に印加し、該電極間の導通状況を前記チョッパ回路の出力変化から検出し、前記電極間の導通が確認されたときは前記各電極間へ主回路から印加すると共に前記主電極を上昇させてプラズマアークを発生させる本運転を開始する。また、電極間の導通が確認されないときは、前記主電極の下降または前記平滑コンデンサへの再充電による運転開始動作を繰り返し行う。

本発明によれば、灰溶融炉の運転に好適な直流電源装置を補助電源装置を用いることなく提供できる。また、灰溶融炉にサイドアークを発生させることなく繰り返し起動させることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、各図を通して同一符合は同等のものを表す。

（実施例１）
図１は一実施例によるプラズマ灰溶融炉用直流電源装置と、この電源装置を用いたプラズマ灰溶融炉の構成を示している。プラズマ式灰溶融炉５０は、溶融炉本体でもある炉壁外郭導通部５４の上部に昇降装置６１を取り付けたカーボン製の主電極５１があり、溶融メタル５８との間で発生するプラズマアーク５５のアーク長を調整することで炉内の発生熱量を調整する。底部には炉底電極５２が配置されている。溶融メタル５８や炉壁外郭導電部５４と炉底電極５２との間は接地安全上絶縁が図られておらず、ほぼ同電位となっている。一方、炉壁外郭導通部５４と主電極５１の間は絶縁物５３により絶縁されており、主電極５１と炉壁外郭導電部５４との間でアーク（サイドアーク５６）の発生を防止する仕組みとなっている。サイドアーク５６が発生した場合は、検出器５９により異常が検出される。

正常放電時のプラズマアーク５５は主電極５１と溶融メタル５８の間で発生する。焼却灰投入口６０から供給される焼却灰は、上記仕組みにより発生するプラズマアーク５５の熱により溶融される。

プラズマアーク灰溶融炉５０は、主電極５１を溶融スラグ５７の内部または溶融メタル５８の表面まで下降させ、炉底電極５２との間で導通状態となった後に、電流を通電したまま主電極５１を徐々に上昇させる。導通部分から主電極５１が離れた時点でアーク放電が始まり、さらに周囲の気体が電離してプラズマアーク発生に至る。

主電極５１と炉底電極５２との間の導通状態を検出するために、電極下降中に主電極５１と炉底電極５２間に電圧を印加して電流導通状況に至ったことを検知し、プラズマコントロール盤１に通知する。その後、プラズマコントロール盤１から与えられる通電電流指令値２に従い、プラズマアーク用の電流を直流電源制御回路３により制御して通電する仕組みとなっている。

しかし、導通前の両電極間は無負荷に近いため、直流電源装置１０の出力電圧が主整流回路１５の交流電圧に応じて高電圧となり、主電極５１と溶壁外郭導通部５４間でサイドアーク５６の発生する恐れがある。

このため、本実施例による直流電源装置１０は、平滑コンデンサ１６を充電する初期充電回路３０により、主整流回路１５の出力電圧より低い予め定めた電圧値（所定低電圧）となるように平滑コンデンサ１６を充電する。これにより、整流器出力と平滑コンデンサ１６の電圧差から生じる平滑コンデンサ１６への突入電流によって回路が損傷することを防止する。

初期充電回路３０は交流電力を変圧器３２、整流器３３、開閉器３４、限流抵抗３５および直流電圧センサ３９で構成され、平滑コンデンサ１６の充電電圧を主整流回路１５の出力電圧に近づけておく。限流抵抗３５により充電電流値を小さくし、従来の補助電源回路と比較して、百分の１程度の小容量回路で構成しているので、充電に要する時間は、例えば数十秒から１分程度で可能である。初期充電開始時は開閉器３４を自動的に閉路し、平滑コンデンサ１６が目的の電圧まで充電された場合、開閉器３４を自動的に開路することで初期充電を終了する。

プラズマ灰溶融炉５０の再起動時に、主電極５１が導電率の高い溶融スラグ５７の内部或いは溶融メタル５８の表面まで下降し、溶融メタル５８を介して主電極５１と炉底電極５２間が導通状態に至ったことを判定する必要がある。

本実施例の初期充電回路３０には、充電電圧制御部３１ａと導通検出部３１ｂを有する導通検出部３１を設け、初期充電回路３０による平滑コンデンサ１６の充電と、直流電源装置１０の負荷となる主電極５１から炉底電極５２間の導通による平滑コンデンサ１６の放電現象を観測する。

導通検出手段３１内部の充電電圧制御部３１ａは、プラズマコントロール盤１からの指令値２に含まれる出力電圧指令値或いは、予め設定した所定低電圧で平滑コンデンサ１６を充電したなら、開閉器３４を開路して充電を停止する。この状態において、導通検出部３１ｂはチョッパ回路１７の半導体スイッチを導通させて、主電極５１と炉底電極５２間に平滑コンデンサ１６の電圧を印加する。

平滑コンデンサ１６の充電は既に停止しているので、電極間が導通した場合には平滑コンデンサ１６は放電現象に伴いその両端電圧が急激に低下する。導通検出部３１ｂは、この電圧急変後の電圧値が所定電圧以下になったことを検出したとき電極間の導通を確認している。電極間が導通しない場合はコンデンサ１６の両端電圧には急激な変化が無く、自然にゆっくりと低下するので、所定時間経過後において所定電圧以上となっていることで判断できる。この場合、初期充電回路３０の開閉器３４をＯＮして、平滑コンデンサ１６を再充電し、開閉器３４をＯＦＦ後、チョッパ回路１７をＯＮして放電する動作を繰返すことで電極間の導通検出を継続する。

次に、直流電源装置１０がプラズマ式溶融炉５０の再起動時に主電極５１から溶融メタル５８間の導通を確認し、プラズマ着火通電を開始する場合の運転動作を説明する。

図２はプラズマ灰溶融炉の運転方法を示すフローチャートである。導通確認に適切なコンデンサ充電電圧（初期低電圧）は予め設定されているものとする。プラズマコントローラ盤１からの再起動指令により処理を開始する(１００)。

直流電源装置１０の直流電源制御回路２はチョッパ１７をＯＦＦさせておき、導通検出手段３１は初期充電回路３０の開閉器３４をＯＮして平滑コンデンサ１６を所定低電圧に充電してから、開閉器３４をＯＦＦして充電を停止する(１０１)。直流電源制御回路は、チョッパ回路１７の半導体ＳＷをＯＮして主電極５１から炉底電極５２間に平滑コンデンサ１６の充電電圧を印加する（１０２）。

この状態を受けてプラズマコントロール盤１は主電極５１の下降を開始し（１０３）、主電極５１と炉底電極５２間が導通したかを監視する（１０４）。導通の監視は、時間経過とともに平滑コンデンサ１６の電圧が自然に低下していくので、所定時間を経過しても平滑コンデンサ１６が所定電圧以上を保持する場合は導通確認失敗と見なし（１０５）、手順１０１からやり直す。

ここで、電極間に所定低電圧が印加されていると、主電極の降下位置が炉底電極５２にある程度まで近づく乃至溶融メタル５８に接触すると電極間が導通する。しかし、何らかの事情によって導通の得られないこともある。その場合、所定低電圧の上限しきい値内でコンデンサ１６の充電電圧を可変し、手順１０１からの手法を繰り返す。

手順１０４で所定電圧以下を検出した場合、導通確認成功で主電極５１の下降を停止し（１０６）、主整流回路１５による大電流の再起動運転のためにチョッパ回路１７をＯＦＦし、初期充電回路３０による再度初充電を実施する(１０７)。この時、初充電電圧は通常の高電圧まで上昇させる。初充電終了後、真空遮断器１２を投入し、主整流回路１５を動作させ大電流での再起動運転を開始できるようにする（１０８）。

この状態を受けて、プラズマコントロール盤１より連続電流指令値を出力し、その指令値でチョッパ運転を開始する（１０９）。直流電源装置１０は指令値どおりの電流となるように出力電流を制御する。プラズマコントロール盤１は指令どおりの通流が得られたら、主電極５１を昇降装置６１で通常運転時の位置まで上昇させる（１１０）。この動作によりプラズマアークが着火し（１１１）、灰溶融炉が再起動する（１１２）。

本実施例によれば、従来の初期充電回路を利用することで、運転開始時のサイドアークの発生を防止する、アーク電極の適正位置を与えることができる。また、直流電源装置は従来の補助電源回路を用いていないので、構成が簡単になりコスト安になる。

（実施例２）
図３は本発明の実施例２によるプラズマ灰溶融炉再起動時の電極間導通確認モデルの構成図示す。電極間導通確認モデルは、コンデンサの放電により出力電流が変化することで電極間導通を確認するもので、電源として図１の初期充電回路３０と同様のものを有している。

主電極５１と炉底電極５２間に、電圧源７１、スイッチ７２、平滑コンデンサ１６、スイッチ７３および導通検出手段３１よりなる導通確認回路を接続したものである。導通検出手段３１は平滑コンデンサ２６の充電電圧を制御する充電電圧制御部３１ａと、コンデンサの放電負荷である主電極５１と炉底電極５２間の抵抗値が導通により低下するので、コンデンサ放電による出力電流から導通を検出する導通検出部３１ｂよりなる。

導通検出手段３１は、平滑コンデンサ１６をスイッチ７２により接続し、電圧源７１から限流抵抗３５を介して平滑コンデンサ１６を、サイドアークを発生させない所定低電圧となるまで充電する。その後、スイッチ７２を切離し、スイッチ７３を投入してコンデンサ１６に充電した電圧を主電極５１と炉底電極５２間に印加する。

このとき、主電極５１が溶融スラグ５７中に降下し、主電極５１と炉底電極５２間に導通があれば平滑コンデンサ１６は放電し、短時間ではあるが電流が通流するので、これを電流センサ１８で観測することにより導通を確認する。一方、導通検出手段３１により、主電極５１と主電極５２間に十分な電流が流れていないと判断される場合は、スイッチ７３をＯＦＦして上記充電と放電動作を繰り返し実施して、主電極５１の下降による導通を検出する。

本実施例によれば、初期充電回路のみでプラズマ灰溶融炉の初期導通を確認できる。

本発明の一実施例によるプラズマ灰溶融炉用直流電源装置の構成図。 本発明の一実施例によるプラズマ灰溶融炉の運転方法を示すフローチャート。 本発明の他の実施例によるプラズマ灰溶融炉再起動時の導通確認モデル図。

符号の説明

１…プラズマコントロール盤、２…指令値、３…直流電源制御回路、４…導通検出信号、１０ａ…直流電源装置、１０ｂ…従来の直流電源装置、１１Ａ…三相交流受電端子、１２…真空遮断器、１３…主変圧器、１５…主整流回路、１６…平滑コンデンサ、１７…チョッパ回路、１８…出力電流センサ、１９…出力電圧センサ、２０…直流リアクトル、３０…初期充電回路、３１…導通検出手段、３１ａ…充電電圧制御部、３１ｂ…導通検出部、３２…変圧器、３３…整流器、３４…開閉器、３５…限流抵抗、３９…直流電圧センサ、４０…補助電源回路、４１…トランス、４２…整流器、４３…開閉器、４４…調整抵抗、５０…プラズマ灰溶融炉、５１…主電極、５２…炉底電極、５３…絶縁物（絶縁スリーブ）、５４…炉本体外郭導電部、５５…プラズマアーク、５６…サイドアーク、５７…溶融スラグ、５８…溶融メタル、５９…サイドアーク検出器、６０…焼却灰投入口、７１…電圧源、７２，７３…スイッチ。

Claims (5)

1. 交流電圧を直流電圧へ変換する主整流回路と、主整流回路出力の直流電力を平滑する平滑コンデンサと、直流出力電流をパルス幅変調制御信号により可変するチョッパ回路と、前記チョッパ回路の出力を平滑して負荷に供給する平滑直流リアクトルを含んで主回路を構成し、前記主回路をプラズマ灰溶融炉の主電極と炉底電極間に接続したプラズマ灰溶融炉用直流電源装置において、
   前記主整流回路の出力側の前記平滑コンデンサに初期充電回路を接続し、前記初期充電回路には前記平滑コンデンサを運転開始時に予め所定低電圧に充電制御すると共に、前記主電極と炉底電極間の導通状況を前記チョッパ回路の出力変化から検出する導通検出手段を設けたことを特徴とするプラズマ灰溶融炉用直流電源装置。
2. 灰溶融炉の主電極と炉底電極に直流電源装置を接続し、運転開始時に前記主電極を炉底電極側に下降させると共に、前記直流電源装置の平滑コンデンサに充電回路より予め所定低電圧を充電した後に、前記直流電源装置のチョッパ回路を導通させ、前記平滑コンデンサの充電した所定低電圧を前記主電極と炉底電極間に印加し、この電極間の導通状況をチョッパ回路の出力電圧から検出し、前記電極間の導通が確認されたときは前記電極間へ主回路から印加すると共に前記主電極を上昇させてプラズマアークを発生させて本運転を開始することを特徴とするプラズマ灰溶融炉の運転方法。
3. 請求項２において、前記電極間の導通が確認されないときには前記主電極の下降または前記平滑コンデンサへの再充電から、運転開始動作を繰り返し行うことを特徴とするプラズマ灰溶融炉の運転方法。
4. 請求項３において、前記平滑コンデンサへの再充電は前記所定低電圧の上限しきい値内で可変して行われることを特徴とするプラズマ灰溶融炉の運転方法。
5. 主電極と炉底電極を持つプラズマ灰溶融炉の電極間導通確認モデルにおいて、
   前記主電極と炉底電極間に平滑コンデンサを充電する請求項１に記載の初期充電回路を接続し、前記平滑コンデンサを導通確認時に予め所定低電圧に充電制御すると共に、前記主電極と炉底電極間の導通状況を前記平滑コンデンサの出力変化から検出する導通検出手段を設けたことを特徴とするプラズマ灰溶融炉の電極間導通確認モデル。
   

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