JP2010210114A - 溶融炉のレベル測定方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 焼却灰等の被溶融物を溶融するプラズマ溶融炉等の溶融炉に適用され、とりわけマイクロ波距離計を用いて炉内の溶融物レベルを精度よく測定できる様にする。
【解決手段】 溶融炉５０の炉側壁５７の外側にマイクロ波距離計３を配置し、当該マイクロ波距離計３から炉内の溶融物（スラグＳやメタルＭ）に向けてマイクロ波を投射すると共に、その反射波の強度を測定する事に依り炉内の溶融物がスラグ層Ｓかメタル層Ｍかを判定し、これに基づいて溶融物レベル（スラグレベルＳＬやメタルレベルＭＬ）を検出する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば焼却灰等の被溶融物を溶融するプラズマ溶融炉等の溶融炉に適用され、とりわけマイクロ波距離計を用いて溶融物レベル（スラグレベルやメタルレベル）を測定するレベル測定方法及びその装置の改良に関する。

従来、溶融炉の溶融物レベルを測定するものとしては、溶融炉内の溶湯に直接プローブを挿入して計測するものがあり、その方法としては、圧縮ガスの背圧を利用するものや透磁率を利用したものが知られている（特許文献１参照）。

ところが、この様なものは、計測時に溶融炉の通電を停止してバッチ的に計測するので、１日での計測回数に制限がある。又、消耗品となる特殊プローブを用いるので、ランニングコストが非常に高価であった。

ところで、マイクロ波距離計を用いて溶融物レベルを測定するものとしては、例えば特許文献２に記載されたものが知られている。
これは、輸送容器の上方にマイクロ波距離計を配置し、当該マイクロ波距離計から輸送容器内の溶融物に向けてマイクロ波を投射すると共に、その反射波の強度を測定する事に依りスラグレベルとメタルレベルを同時に測定するものである。

ところが、この様なものは、溶融炉に用いられるものではないと共に、輸送容器の上方にマイクロ波距離計を配置し、溶融物に向けてマイクロ波を投射するものであるので、次の様な問題があった。
（１） 溶融炉の様に溶融物の上方のガス層が高ダスト雰囲気では、ここを通過するマイクロ波の反射波が安定しない。
（２） 溶融炉の様に溶融物の上方のガス層が高ダスト雰囲気では、マイクロ波距離計のアンテナにダストが入らない様にこれを防ぐ為のフィルタが必要であるが、このフィルタにダストが付着して測定が困難になり、長期連続測定ができなくなる。フィルタを清掃する場合も、溶融炉の運転中は、これが困難である。
（３） スラグ層でマイクロ波が減衰するので、メタルレベルの測定が不安定である。

他方、マイクロ波距離計を用いてこれに依り炉側壁から耐火物の消耗量を測定するものも知られている（特許文献３参照）。

然しながら、これは、溶融炉に用いられるものの、炉内の溶融物レベルを測定するものではない。

特開平１０−１２２５４４公報 特開２００３−３４４１４２公報 特開２００３−２９４４３０公報

この様に、従来の何れのものも、マイクロ波距離計を用いて炉内の溶融物レベルを精度よく測定するものではなかった。

本発明は、叙上の問題点に鑑み、これを解消する為に創案されたもので、その課題とする処は、マイクロ波距離計を用いて炉内の溶融物レベルを精度よく測定できる様にした溶融炉のレベル測定方法及びその装置を提供するにある。

本発明の溶融炉のレベル測定方法は、溶融炉の炉側壁の外側にマイクロ波距離計を配置し、当該マイクロ波距離計から炉内の溶融物に向けてマイクロ波を投射すると共に、その反射波の強度を測定する事に依り炉内の溶融物がスラグ層かメタル層かを判定し、これに基づいて溶融物レベルを検出する事に特徴が存する。

溶融炉の炉側壁の外側には、マイクロ波距離計が配置される。マイクロ波距離計は、例えば単一の場合には、上下方向に移動可能に配置されると共に、複数の場合には、上下方向の所定間隔毎に固定して配置される。そして、マイクロ波距離計から炉内の溶融物に向けてマイクロ波が投射される。つまり、マイクロ波距離計からのマイクロ波は、炉側壁を透過して炉内の溶融物に達してこれに依り反射される。そして、その反射波は、同じく炉側壁を透過してマイクロ波距離計に達する。この時、炉内の溶融物に依りマイクロ波の反射波の強度が変わる。そこで、この強度の変化に依り炉内の溶融物がスラグ層かメタル層かを判定し、これに基づいて溶融物レベル、つまり、ガス層とスラグ層の境界であるスラグレベルやスラグ層とメタル層の境界であるメタルレベルを検出する。

マイクロ波距離計を上下方向に移動可能に配置するのが好ましい。この様にすれば、マイクロ波距離計に依り測定範囲全体を網羅できると共に、コストの低減を図る事ができる。

マイクロ波距離計をメタル抜出し要求高さに配置するのが好ましい。この様にすれば、メタル抜出し要求高さにメタルレベルが達したかどうかを検出する事ができ、これに基づきメタルを抜出すタイミングの目安にする事ができる。

本発明の溶融炉のレベル測定装置は、炉内の溶融物に対応する炉側壁に設けられてマイクロ波を透過し得るマイクロ波透過体と、マイクロ波透過体の外側に配置されてマイクロ波を投射してその反射波の強度を測定する事に依り炉内の溶融物がスラグ層かメタル層かを判定し得るマイクロ波距離計と、から構成した事に特徴が存する。

炉内の溶融物に対応する炉側壁には、マイクロ波を透過し得るマイクロ波透過体が設けられている。マイクロ波距離計は、マイクロ波透過体の外側に配置されてマイクロ波を投射してその反射波の強度を測定する。その測定結果に依り炉内の溶融物がスラグ層かメタル層かを判定し、これに基づいて溶融物レベル、つまり、ガス層とスラグ層の境界であるスラグレベルやスラグ層とメタル層の境界であるメタルレベルを検出する。
炉側壁には、マイクロ波透過体が設けられているので、マイクロ波距離計のマイクロ波を透過できると共に、炉側壁本来の機能を損なう事がない。

炉側壁は、溶融物に接する耐火物と、耐火物の外側に空冷空間を形成して設けられたケーシングとを備え、マイクロ波透過体は、ケーシングに穿設した縦長のスリットと、スリットに嵌着されてマイクロ波を透過し得る透過板とを備えているのが好ましい。この様すれば、マイクロ波距離計をマイクロ波透過体の外側に配置して上下方向に移動する事に依り連続的な高さ位置で測定できる。

炉側壁は、溶融物に接する耐火物と、耐火物の外側に空冷空間を形成して設けられたケーシングとを備え、マイクロ波透過体は、耐火物の外側に空冷空間とケーシングを貫通して上下方向の所定間隔毎に設けられた複数の筒状の管台を備えているのが好ましい。この様すれば、マイクロ波距離計をマイクロ波透過体の各管台の外側に順次配置する事に依り断続的な高さ位置で測定できる。

本発明に依れば、次の様な優れた効果を奏する事ができる。
（１） 溶融炉の炉側壁の外側にマイクロ波距離計を配置し、当該マイクロ波距離計から炉内の溶融物に向けてマイクロ波を投射すると共に、その反射波の強度を測定する事に依り炉内の溶融物がスラグ層かメタル層かを判定し、これに基づいて溶融物レベルを検出する様にしたので、炉内のダストの影響を受ける事がなく、マイクロ波の反射波が安定する。この為、マイクロ波距離計を用いて炉内の溶融物レベルを精度よく測定できる。
（２） 炉内のダストの影響を受ける事がないので、長期連続測定が可能である。
（３） マイクロ波がスラグ層を通過せずに直接メタル層に達するので、メタル層の検知が確実に行える。
（４） 溶融炉の炉側壁の外側にマイクロ波距離計を配置し、当該マイクロ波距離計から炉内の溶融物に向けてマイクロ波を投射すると共に、その反射波の強度を測定する事に依り炉内の溶融物がスラグ層かメタル層かを判定し、これに基づいて溶融物レベルを検出する様にしたので、プローブを用いるものに比べて、消耗品がなく、ランニングコストを削減できると共に、操業を止めずに連続計測が可能となる。
（５） マイクロ波距離計を用いるので、これを利用すれば、特許文献３と同様に、耐火物の厚みを測定して耐火物の消耗量を把握する事もできる。

本発明に係る溶融炉のレベル測定装置の第一例を示す縦断正面図。 図１の要部側面図。 マイクロ波距離計からの距離と反射波の強度との関係を示すグラフ。 本発明に係る溶融炉のレベル測定装置の第二例を示す縦断正面図。 図４の要部側面図。

以下、本発明の実施の形態を、図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係る溶融炉のレベル測定装置の第一例を示す縦断正面図。図２は、図１の要部側面図。図３は、マイクロ波距離計からの距離と反射波の強度との関係を示すグラフである。

レベル測定装置１は、プラズマ溶融炉やアーク炉や電気抵抗炉や低周波誘導炉や高周波誘導炉等の溶融炉５０に適用される。

溶融炉５０は、炉本体５１と、これに昇降可能に設けられた主電極５２と、これを昇降させる為の昇降手段（図示せず）と、炉底に設置された炉底電極５３と、焼却残渣や焼却飛灰や下水汚泥等の被溶融物Ａを炉本体５１に供給する被溶融物供給手段（図示せず）と、スラグ（溶融スラグ）Ｓを排出する流出口５４等から構成されている。

炉本体５１は、ケーシング（外殻）５５と、これの内側に設けられた耐火物５６とを備えて居り、炉側壁５７の下側は、ケーシング５５と耐火物５６との間に空冷空間５８が形成されて所謂空冷範囲にしてあると共に、炉側壁５７の上側及び炉上壁５９は、ケーシング５５と耐火物５６との間に水冷ジャケット６０が形成されて所謂水冷範囲にしてあり、高温のスラグ（約１５００℃）や高温ガスなどに耐える様にしてある。

被溶融物Ａは、図略しているが、コンテナに貯えられてスクリューコンベヤ等の被溶融物供給手段に依り炉本体５１内へ連続的に投入される。

主電極５２と炉底電極５３との間には、図略しているが、直流電源装置（容量約６００〜１０００ｋＷｈ／ｔ・被溶融物）からの直流電圧（２００〜５００Ｖ）が印加される事に依り電流が流れてプラズマアークが発生する。これに依って被溶融物Ａが１３００℃〜１６００℃に加熱されて順次溶融される。

被溶融物Ａが溶融されると、揮発成分や炭素は、一部酸化して一酸化炭素を含んだガスとなり、一方、鉄を始めとする金属やガラスや砂等の不燃性成分は、溶融状態となって溶融物になる。前記ガスは、図略しているが、出口ダクトを経て燃焼室に入り、そこで、燃焼空気ファンに依り送入された燃焼用空気に依って未燃焼分が完全燃焼され、燃焼室から排気されて冷却された後、フィルタを経て煙突に導かれる。

被溶融物Ａには、シリカ、アルミナ、カルシアや、鉄等が含まれているので、これが炉内で溶融されると、シリカ、アルミナ、カルシアを主成分とするスラグ（溶融スラグ）Ｓが上方に浮上すると共に、鉄を主成分とするメタル（溶融メタル）Ｍが下方に沈下し、炉底からメタル層（溶融メタル層）Ｍとスラグ層（溶融スラグ層）Ｓが順次形成され、分離された二層が形成される。

そして、スラグ層Ｓは、流出口５４から連続的に溢出し、水を満たしたスラグ水冷槽６１に落下して水砕スラグとなり、搬出コンベヤに依り搬出される。
メタル層Ｍは、炉底に蓄積したまま次第にその層厚を増し、炉底からの層厚が所定値を超えた時には、メタル抜出し位置から少なくともその一部が炉外へ排出されて所謂湯抜きが行われる。

レベル測定装置１は、この様な溶融炉５０に適用され、炉内の溶融物（スラグＳとメタルＭ）に対応する炉側壁５７に設けられてマイクロ波を透過し得るマイクロ波透過体２と、マイクロ波透過体２の外側に配置されてマイクロ波を投射してその反射波の強度を測定する事に依り炉内の溶融物がスラグ層Ｓかメタル層Ｍかを判定し得るマイクロ波距離計３と、から構成されている。

マイクロ波透過体２は、ケーシング５５に穿設した縦長のスリット４と、これに密閉可能に嵌着されてマイクロ波を透過し得る透過板５とを備えている。スリット４は、ケーシング５５のスラグ層Ｓとメタル層Ｍの境界高さが移動する範囲、つまりメタルレベルＭＬを検出できる高さ範囲に縦長に穿設されている。透過板５は、セラミック等のマイクロ波を透過し得る材料に依り作製されている。

マイクロ波距離計３は、周知の如く、アンテナ（図示せず）を備えて居り、これからマイクロ波を被検出物である溶融物に向けて送信すると共に、溶融物で反射された反射マイクロ波をアンテナで受信して溶融物までの距離を計測するものである。
マイクロ波距離計３は、単一で、そのアンテナがマイクロ波透過体２の透過板５の外側に当てがわれて上下方向に移動される。

次に、この様な構成に基づいてその作用を述解する。
マイクロ波距離計３は、マイクロ波透過体２の透過板５の外側に配置されて上下方向に移動されながら、マイクロ波が投射されてその反射波の強度が測定される。測定経路中の耐火物５６は、誘導体なので、マイクロ波が透過される。溶融物であるスラグＳとメタルＭは、マイクロ波の反射率が異なるので、反射波の強度が異なる。

図３は、マイクロ波距離計３から溶融物までの距離と反射波の強度との一例を示している。マイクロ波距離計３からスラグＳ又はメタルＭまでの距離は、５００ｍｍである。メタル層Ｍは、図３の実線で示す如く、殆どのマイクロ波が反射される為に５００ｍｍでの反射波の強度が大きい。スラグ層Ｓは、図３の鎖線で示す如く、マイクロ波の一部が透過されるので、５００ｍｍ以降にも反射波がある。

この様な事から、反射波の強度のピーク値やピーク以降の反射波の有無に依り測定した高さ位置がスラグ層Ｓかメタル層Ｍかが判断される。そして、スラグ層Ｓとメタル層Ｍの境界が決定されてこれがメタルレベルＭＬとされる。

次に、本発明の第二例を、図４及び図５に基づいて説明する。
図４は、本発明に係る溶融炉のレベル測定装置の第二例を示す縦断正面図。図５は、図４の要部側面図である。

第二例は、マイクロ波透過体２を第一例とは異ならせたものである。
つまり、マイクロ波透過体２は、耐火物５６の外側に空冷空間５８とケーシング５５を貫通して上下方向の所定間隔毎に設けられた複数の円筒状の管台６に依り構成されている。管台６は、スラグ層Ｓとメタル層Ｍの境界高さが移動する範囲、つまりメタルレベルＭＬを検出できる高さ範囲に複数設けられて居り、間隔を短くする目的から、側面視に於て千鳥状に配置されている。管台６は、円筒状のパイプとこれの外側に付設されたフランジとを備えている。

而して、マイクロ波距離計３は、単一で、全ての管台６から測定できる様に可動式にされている。複数の管台６のうち、マイクロ波距離計３が配置されないものは、適宜閉塞して置くのが望ましい。

この例では、マイクロ波透過体２の各管台６間でマイクロ波距離計３が移動されながら、各管台６に配置されたマイクロ波距離計３に依りマイクロ波が投射されると共に、その反射波の強度が測定され、その測定した管台６の高さが、スラグ層Ｓかメタル層Ｍかどうか判断される。そして、スラグ層Ｓとメタル層Ｍの境界が決定されてこれがメタルレベルＭＬとされる。
この例では、測定が断続的になるが、管台６の数を増やす事に依りメタルレベルＭＬをより正確に限定できる。

次に、本発明の第三例を説明する。
第三例は、図略しているが、単一のマイクロ波距離計３をメタル抜出し要求高さに配置したものである。
この例では、例えばメタル抜出し要求高さに単一のマイクロ波透過体２の管台６が設置され、この管台６にマイクロ波距離計３が設置される。管台６の代わりに、第一例と同様にスリット４と透過板５を設けても良い。
この様にして、マイクロ波距離計３からマイクロ波を投射すると共に、その反射波の強度を常時測定すれば、反射波の強度の変化に依り測定高さがスラグ層Ｓかメタル層Ｍかが判断できる。これに基づいてメタルＭを抜出すタイミングの目安にすることができる。

次に、本発明の第四例を説明する。
第四例は、図略しているが、スラグ層Ｓとこの上のガス層Ｇの境界高さが移動する範囲、つまりスラグレベルＳＬを測定できる範囲までマイクロ波透過体２を設けたものである。

この様なものは、マイクロ波距離計３からのマイクロ波がガス層Ｇでは殆ど透過される。この為に、スラグ層Ｓとガス層Ｇの反射波の強度が異なるので、これらの境界であるスラグレベルＳＬを常時測定できる。

従って、スラグＳの異常上昇の監視が可能になり、流出口５４に続く装置の運転制御や灰供給量及び電力量の制御に利用できる。
又、スラグレベルＳＬの測定結果を利用してメタルレベルＭＬを算出する場合には、より正確にスラグレベルＳＬを測定する事ができる。

尚、マイクロ波透過体２は、先の例では、スリット４と透過板５から成るものや管台６であったが、これに限らず、適宜変更可能である。
マイクロ波距離計３は、先の例では、単一であったが、これに限らず、例えば複数にしても良い。この様にすれば、可動させる必要がないので、故障が少なくなる等の利点がある。

本発明は、プラズマ溶融炉等の灰溶融炉だけでなく、溶湯（溶融物）をもつ溶融炉（ガラス溶融炉、製鉄用高炉）等にも利用できる。

１…レベル測定装置、２…マイクロ波透過体、３…マイクロ波距離計、４…スリット、５…透過板、６…管台、５０…溶融炉、５１…炉本体、５２…主電極、５３…炉底電極、５４…流出口、５５…ケーシング、５６…耐火物、５７…炉側壁、５８…空冷空間、５９…炉上壁、６０…水冷ジャケット、６１…スラグ水槽、Ａ…被溶融物、Ｓ…スラグ層（スラグ）、Ｍ…メタル層（メタル）、Ｇ…ガス層、ＳＬ…スラグレベル、ＭＬ…メタルレベル。

Claims (6)

1. 溶融炉の炉側壁の外側にマイクロ波距離計を配置し、当該マイクロ波距離計から炉内の溶融物に向けてマイクロ波を投射すると共に、その反射波の強度を測定する事に依り炉内の溶融物がスラグ層かメタル層かを判定し、これに基づいて溶融物レベルを検出する事を特徴とする溶融炉のレベル測定方法。
2. マイクロ波距離計を上下方向に移動可能に配置した請求項１に記載の溶融炉のレベル測定方法。
3. マイクロ波距離計をメタル抜出し要求高さに配置した請求項１に記載の溶融炉のレベル測定方法。
4. 炉内の溶融物に対応する炉側壁に設けられてマイクロ波を透過し得るマイクロ波透過体と、マイクロ波透過体の外側に配置されてマイクロ波を投射してその反射波の強度を測定する事に依り炉内の溶融物がスラグ層かメタル層かを判定し得るマイクロ波距離計と、から構成した事を特徴とする溶融炉のレベル測定装置。
5. 炉側壁は、溶融物に接する耐火物と、耐火物の外側に空冷空間を形成して設けられたケーシングとを備え、マイクロ波透過体は、ケーシングに穿設した縦長のスリットと、スリットに嵌着されてマイクロ波を透過し得る透過板とを備えている請求項４に記載の溶融炉のレベル測定装置。
6. 炉側壁は、溶融物に接する耐火物と、耐火物の外側に空冷空間を形成して設けられたケーシングとを備え、マイクロ波透過体は、耐火物の外側に空冷空間とケーシングを貫通して上下方向の所定間隔毎に設けられた複数の円筒状の管台を備えている請求項４に記載の溶融炉のレベル測定装置。

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