JP2011117806A - 粒度測定方法および粒度測定システム - Google Patents

Abstract

【課題】搬送装置によって搬送される粉粒体の粒度をオンラインであっても容易に精度よく求めることができる粒度測定方法および粒度測定システムを提供する。
【解決手段】搬送装置によって搬送される粉粒体の粒度を測定する粒度測定方法であって、搬送される粉粒体表面の変位を所定のサンプリング周期で計測するステップと、計測された粉粒体表面の計測変位データを時系列にプロットした後、数値化処理するステップと、数値化処理された数値化処理変位データと前記計測変位データとの差から誤差分散を算出するステップと、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、搬送装置によって搬送される粉粒体の粒度を測定する粒度測定方法および粒度測定システムに関するものである。

コークスは、石炭をコークス炉で乾留（蒸し焼き）することにより製造される。原料となる石炭は、粉砕機で細かく粉砕された後、ベルトコンベア等によりコークス炉へ搬送される。搬送された石炭は、コールビンに一旦貯蔵された後、装入車でコークス炉に装入され、乾留される。

コークス炉に装入される石炭の粒度は、装入する際の装入量や、製造されるコークスの品質などに影響する。そのため、装入される石炭の粒度を測定し、管理する必要がある。

下記特許文献１には、ベルトコンベアで搬送されている粉粒体の粒度および粒度分布をリアルタイムに自動測定する方法として、ベルトコンベア上に載せられて移動している粉粒体の表面の変位を所定のサンプリング時間で測定し、こうして得られた変位データを時系列にプロットした図形から粒子間の接触もしくは重なりを示す部分を不連続点として検出し、これより粒径を測定して粒度分布を求める方法が開示されている。

特開２００８−４６０７７号公報

しかしながら、引用文献１に開示された方法は、粒子がほぼ完全な球形をしている場合には、粒子間の接触もしくは重なりを示す不連続点を検出可能であるが、粉砕された粒子がほぼ完全な球形をしていることは稀であり、粒子間の接触を示す不連続点のみを検出することは通常は困難である。そのため、不連続点を検出し、これより粒径を測定し、粒度分布を容易に精度よく求めることは困難である。

また、粉粒体の表面の変位を計測する場合、粉粒体の粒径の差に基づく変位に、重力方向の上下変動が重なることは、避けることができない。この上下変動が生じる理由として、回転機械特有の機械的な振動や、複数のベルトコンベアに粉粒体が乗り継ぐ時に発生する落下衝撃による揺れ、ベルトのエンドレス加工部に見られる凹凸面の存在などが考えられる。これら避けられない上下変動によって、粉粒体の表面の変位を計測しただけでは、粉粒体の粒度を測定することは不可能である。

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、その課題は、搬送装置によって搬送される粉粒体の粒度をオンラインであっても容易に精度よく求めることができる粒度測定方法および粒度測定システムを提供することである。

上記の課題を解決するために、本発明の粒度測定方法は、
搬送装置によって搬送される粉粒体の粒度を測定する粒度測定方法であって、
搬送される粉粒体表面の変位を所定のサンプリング周期で計測するステップと、
計測された粉粒体表面の計測変位データを時系列にプロットした後、数値化処理するステップと、
数値化処理された数値化処理変位データと前記計測変位データとの差から誤差分散を算出するステップと、を備えることを特徴とするものである。

かかる構成による粒度測定方法の作用効果を説明する。搬送装置によって搬送される粉粒体表面の変位を所定のサンプリング周期で計測し、計測された粉粒体表面の計測変位データを時系列にプロットすると、大きな上下変動と小さな上下変動が組み合わされた形状となる。本発明者らが鋭意研究した結果、大きな上下変動は、粉粒体が載せられた搬送装置表面の変動と、粉粒体の表面プロフィールの変動とが組み合わさったものであり、小さな変動は、粉粒体を構成する個々の粒子の大小による変動であることが分かった。本発明によれば、計測変位データを数値化処理することにより、計測変位データから小さな上下変動が取り除かれ、大きな上下変動のみからなる数値化処理変位データを得ることができる。この数値化処理された数値化処理変位データと計測変位データとの差は、小さな上下変動に相当し、上述のように小さな上下変動は粉粒体を構成する個々の粒子の大小による変動である。さらに、本発明者らは、数値化処理された数値化処理変位データと計測変位データとの差から求められる誤差分散が、粉粒体を構成する粒子の大きさの割合である粒度と高い相関関係があることを見出した。よって、数値化処理された数値化処理変位データと計測変位データとの差から誤差分散を算出することで、粉粒体の粒度をオンラインであっても容易に精度よく求めることができる。

本発明に係る粒度測定方法において、予め作成しておいた誤差分散と粒度の関係から、前記算出された誤差分散に対応する粒度を求めるステップを備えることが好ましい。

上記のように誤差分散と粒度との間には高い相関関係があるので、誤差分散と粒度の関係を予め作成しておくことができる。この誤差分散と粒度の関係に、数値化処理変位データと計測変位データとの差から算出された誤差分散を当てはめ、対応する粉粒体の粒度を求めることができる。

本発明に係る粒度測定方法において、前記数値化処理は、時系列にプロットした計測変位データを非線形のカーブフィッティングにより数値化することが好ましい。

時系列にプロットした計測変位データを非線形のカーブフィッティングにより数値化することで、計測変位データから小さな上下変動を容易に取り除くことができる。

上記の課題を解決するために、本発明の粒度測定システムは、
搬送装置によって搬送される粉粒体の粒度を測定する粒度測定システムであって、
搬送される粉粒体表面の変位を所定のサンプリング周期で計測するレーザー変位計と、
計測された粉粒体表面の計測変位データを時系列にプロットした後、数値化処理し、数値化処理された数値化処理変位データと前記計測変位データとの差から誤差分散を算出する演算処理装置と、を備えることを特徴とするものである。

かかる構成による粒度測定システムの作用効果は、すでに述べた通りであり、本発明に係る粒度測定システムによれば、搬送装置によって搬送される粉粒体の粒度をオンラインであっても容易に精度よく求めることができる。

粒度測定システムの概要構成を示す図である。 石炭層の表面の変位を計測した変位データの一例を示す図である。 石炭層表面全体の変位データ、およびこれを数値化処理した変位データを示す図である。 ３ｍｍ篩下割合と誤差分散の関係について示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。図１は、本発明の粒度測定システムの概要構成を示している。粒度測定システムは、搬送装置によって搬送される粉粒体の粒度を測定することができる。以下、粉粒体の一例として石炭を挙げて説明する。

石炭Ｃは、ホッパー１からベルトコンベア２（搬送装置に相当）のベルト２０上に落とされる。ベルト２０上に落とされた石炭Ｃは、ベルトコンベア２により図１の左方向へと搬送されていく。ベルト２０上の石炭Ｃは、均し手段３によって表面が平滑化された石炭層Ｃ１となる。

表面が平滑化された石炭層Ｃ１は、さらにベルトコンベア２で搬送されていく。レーザー変位計４は、移動する石炭層Ｃ１の表面の変位を所定のサンプリング周期で計測し、出力信号を出力する。出力された出力信号は、演算処理装置５に取り込まれる。演算処理装置５は、取り込んだ出力信号から変位データを算出するとともに、後述する数値化処理などを行なうことができる。

＜粒度測定方法＞
石炭層Ｃ１の表面の変位を計測した変位データ（以下、計測変位データ）の一例を図２に示す。図２では、計測変位データを時系列にプロットしている。ここでは、３ｍｍ篩下６５％の石炭を用いた結果を示す。なお、本実施形態において、３ｍｍ篩下は、３ｍｍ篩を通過する粉体の質量から計算され、３ｍｍ未満の大きさの粉体の重量百分率で表される。すなわち、３ｍｍ篩下６５％とは、３ｍｍ篩を通過した粉体の重量が全体の重量の６５％であることを示している。

図２では、計測開始時におけるレーザー変位計４から石炭層Ｃ１の表面までの計測距離を０とし、この計測距離より短くなったときをマイナス、この計測距離より長くなったときをプラスとしている。また、図２には、石炭Ｃを載せない状態でのベルト２０表面の変位も同時に記載している。

本実施形態で使用したレーザー変位計（キーエンス社製、ＬＫ−Ｇ１５０）は、２０，５０，１００，２００，５００，１０００μｓｅｃのサンプリング周期にて計測可能である。例えば、ベルトコンベア２の搬送速度が１６０ｍ／ｍｉｎの場合、サンプリング周期を１００μｓｅｃとすると約０．２６ｍｍの間隔で変位を計測可能である。このとき、粒径が３ｍｍであれば、一つの粒子に対して約１１点のデータをサンプリング可能となり、石炭粒子の表面プロフィールを十分に判別できる。仮にベルトコンベア２の搬送速度がもっと速い場合、サンプリング周期を短くすれば、一つの粒子に対するサンプリング数が少なくなることはない。反対にベルトコンベア２の搬送速度がもっと遅い場合には、サンプリング周期をもっと長くしてもよい。すなわち、サンプリング周期は、ベルトコンベアの搬送速度、必要とするサンプリング数、計測する粒径などによって適宜選択可能である。

図のように、計測された石炭層Ｃ１表面の計測変位データには、大きな上下変動と、小さな上下変動の２つの変動があることが分かる。一方、ベルト２０表面のみの計測変位データの場合、大きな上下変動しか見られない。すなわち、石炭層Ｃ１表面の計測変位データは、ベルト２０自体のうねりと、石炭層Ｃ１のベルト上堆積プロフィールとが合わさった大きな上下変動に、石炭粒子の大小による小さな上下変動が加わったものと考えられる。よって、石炭層Ｃ１表面全体の計測変位データから大きな上下変動を差し引き、小さな上下変動を抽出することで、石炭粒子の大小による変位が分かる。

そのため、初めに、石炭粒子の大小による小さな上下変動を全体の計測変位データから取り除くことで、大きな上下変動のみを抽出した。小さな上下変動を取り除くため、全体の計測変位データを数値化処理した。図３に、石炭層Ｃ１表面全体の計測変位データ、およびこれを数値化処理した変位データ（数値化処理変位データに相当）を合わせて示す。この実施形態では、数値化処理は、非線形のカーブフィッティングにより行なった。非線形のカーブフィッティングは、数学ソフト（ヒューリンクス社製、Ｆｌｅｘ Ｐｒｏ７）を用いて行なった。

非線形のカーブフィッティングは、計測変位データを例えば、
計算値_ｉ = ｐ０＋ｐ１×ｅｘｐ（−Ｘ／ｐ２）
の式に最小二乗法でフィッティングし、パラメータｐ０，ｐ１，ｐ２を導出することにより行なわれる。ここで、Ｘはデータの先頭位置からの番号である。

誤差分散は、計測変位データである計測値と上記の数値化処理によって求められた計算値との誤差を計算し、この誤差の二乗値の全総和を自由度で割ることで求められる。すなわち、誤差分散は、下記数式１で求められる。なお、自由度はＸ−１である。

誤差分散を求めるために用いるデータ数Ｘは、２５点以上であって、好ましくは５００点、より好ましくは２０００点である。

例えば、本実施形態ではベルトコンベア２の搬送速度を２４ｍ／ｍｉｎとしており、最小のサンプリング周期である２０μｓｅｃで計測すると、０．００８ｍｍのサンプリング間隔で変位を計測可能であり、最大のサンプリング周期である１０００μｓｅｃで計測すると、０．４ｍｍのサンプリング間隔で変位を計測可能である。最大のサンプリング間隔である０．４ｍｍで計測する場合、２５点未満のデータ数では、石炭が粉砕されて大きさ１０ｍｍ未満の一粒のプロファイルは、計測できないことになるため、データ数は２５点以上必要である。また、乾留工業の分野では、１０〜５０ｍｍの大きさの石炭を取り扱うことが多いが、５０ｍｍの石炭の一粒をプロファイルするためには、０．１ｍｍのサンプリング間隔で、５００点のデータ数とすることが好ましい態様である。

一方、５００点よりデータ数が多くなると、工場の操業では解析プログラムや制御系の機械への負荷が多くなってしまう。そのため、５２０ｍｍ=（０．２６ｍｍ間隔×２０００点）のデータであれば、３２．５〜３９ｋｇの石炭を評価することになり、重量基準での粒度分布を評価するに匹敵する量を処理できる。

上記の３ｍｍ篩下６５％の石炭のほか、３ｍｍ篩下７５％、３ｍｍ篩下８５％の石炭についても同様に石炭層Ｃ１表面の変位を計測し、上記の方法により誤差分散を算出した。

３ｍｍ篩下割合と誤差分散の関係について図４に示す。図のように、誤差分散が大きければ３ｍｍ篩下割合が小さく、誤差分散が小さければ３ｍｍ篩下割合が大きくなっており、誤差分散と３ｍｍ篩下割合には高い相関関係があることが分かる。これにより、計測した石炭層Ｃ１表面の計測変位データから誤差分散を求め、予め作成した誤差分散と３ｍｍ篩下割合との関係式から、この誤差分散に基づいて３ｍｍ篩下割合、すなわち粒度を推定することができる。

＜別実施形態＞
上記の実施形態では、粉粒体の一例として石炭を挙げて説明したが、本発明の粒度測定方法および粒度測定システムは、石炭以外の様々な粉粒体の粒度測定にも使用可能である。

時系列にプロットした計測変位データを数値化処理する方法としては、上記の式を用いた非線形のカーブフィッティングに限定されない。

粒度と誤差分散の関係は、図４のような関係式を予め作成しておく方法のほか、誤差分散と対応する粒度の関係テーブルを予め作成しておく方法でもよい。

２ ベルトコンベア
３ 均し手段
４ レーザー変位計
５ 演算処理装置
２０ ベルト
Ｃ 石炭
Ｃ１ 石炭層

Claims (4)

1. 搬送装置によって搬送される粉粒体の粒度を測定する粒度測定方法であって、
   搬送される粉粒体表面の変位を所定のサンプリング周期で計測するステップと、
   計測された粉粒体表面の計測変位データを時系列にプロットした後、数値化処理するステップと、
   数値化処理された数値化処理変位データと前記計測変位データとの差から誤差分散を算出するステップと、を備える粒度測定方法。
2. 予め作成しておいた誤差分散と粒度の関係から、前記算出された誤差分散に対応する粒度を求めるステップを備えることを特徴とする請求項１に記載の粒度測定方法。
3. 前記数値化処理は、時系列にプロットした計測変位データを非線形のカーブフィッティングにより数値化することを特徴とする請求項１又は２に記載の粒度測定方法。
4. 搬送装置によって搬送される粉粒体の粒度を測定する粒度測定システムであって、
   搬送される粉粒体表面の変位を所定のサンプリング周期で計測するレーザー変位計と、
   計測された粉粒体表面の計測変位データを時系列にプロットした後、数値化処理し、数値化処理された数値化処理変位データと前記計測変位データとの差から誤差分散を算出する演算処理装置と、を備える粒度測定システム。