JP3611299B2 - 溶融スラグの深さ計測方法 - Google Patents

Description

【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６３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

Claims (5)

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. 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. 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. 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. 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。

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