JP3617579B2 - 直流式灰溶融炉 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、都市ゴミや下水汚泥を焼却した後に残る焼却灰に直流を通電し、そのジュール熱により焼却灰を加熱溶融して一体化する直流式灰溶融炉に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、都市ゴミや下水汚泥を焼却した後に残る焼却灰の取り扱いを容易にするために、焼却灰自体に直流を通電しジュール熱を発生させて加熱溶融し、粉末状の焼却灰を一体化する処理がなされている。この処理で用いられる直流式灰溶融炉は、本体が耐火煉瓦やカーボンにより坩堝状に形成され、その底部に炉底電極が設置されるとともに、上部炉頂部に昇降機構により支持されたカーボンからなる可動電極が配設される。この炉内に処理する焼却灰を投入し、上方から可動電極を下降させてその下端を焼却灰中に挿入させた状態で保持する。この状態で両電極間に電流を流すと、焼却灰の抵抗によりジュール熱を発生し焼却灰が加熱される。溶融温度に達すると粉末状であった焼却灰が溶融し一体化されるため、冷却後は、運搬や貯蔵、廃棄等の処理の取り扱いが容易となる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の直流式灰溶融炉は、可動電極にカーボンを用いているので、焼却灰中に覆われている部分を除いて炉内に露出している電極部分が高温空気中にさらされるため、酸化されて消耗する。特に、焼却灰の表面（溶融した場合の液面）部分は、高温であるため、酸化による消耗が著しく、次第に径が細くなりくびれてしまう。図３は電極の位置と酸化消耗の関係を模式的に示した説明図であり、図（ａ）のように、下端が溶融した焼却灰の中にある場合は、その途中が酸化されてくびれるため、やがて電極は折損して下部が落下してしまう。
【０００４】
この可動電極の消耗のため、従来の直流式灰溶融炉が直流電源の出しうる最大能力を発揮させようとした場合に次の２点が課題となっていた。
（１）まず、炉頂に設置されたカーボンからなる可動電極の酸化消耗についてであるが、可動電極の溶融灰中に浸されている部分は、溶融灰中の酸素成分が極めて少ないため、電極の酸化による消耗がほとんどない。一方、可動電極上部の溶融灰に浸されていない部分は、炉内の酸素を含む大気にさらされているため酸化し消耗する。この酸化による電極の消耗は、溶融灰の液面近くの部分が著しい。すなわち、焼却灰が溶融すると、その溶融界面が高温となり、その上方が酸素を含む大気にさらされているため、溶融界面の直上部の高温部の酸化反応が他の部分よりも促進されて消耗が最大となる。
【０００５】
その結果、消耗が進むと、電極の形状は溶融灰界面近傍がくびれた形状になる。この消耗が進み中心部までが酸化されると、電極が折損して落下し、電極原単位の低下の大きな要因となる。図３（ａ）に示された酸化消耗の様子から、電極の下端部において主に酸化消耗されるのであれば、電極のくびれによる折損は防止可能であることが考えられる。そこで、図（ｂ）のように、電極の先端位置が溶融灰に浅く浸された状態を保持するように、電極位置の制御を続けることが必要であると考えられる。
【０００６】
また、炉本体を構成する耐火材の保護という点から考えると、電極は溶融灰の中に浸されていなければならない。つまり、焼却灰を直流電流により溶融させる方式では、炉頂の可動電極を介して溶融灰の間に通電させてその電流により発生するジュール熱を用いている。そのため、折損の発生や電極の位置制御の誤操作等のため、可動電極が途中で溶融灰より露出した場合にそのままの状態で通電を続けると、可動電極からアークが発生してしまい、炉内に投入した電気エネルギーの大部分がアーク熱になる。このアーク放電の状態が続くと、アーク熱により炉本体の内部を形成する耐火材が過熱されて無用な劣化を起こすとともに、投入した電力が焼却灰の溶融に用いられることなく無駄に消費されて投入電力の効率が損なわれる。
【０００７】
（２）次に、最大直流出力電圧の維持についての課題を説明する。操業効率、特に電力原単位を最大限に向上させようとすると、直流コンバータの能力一杯まで出力電圧と電流を与える必要がある。炉内への投入電力Ｐは直流電圧Ｖと直流電流Ｉの積となる。即ち、Ｐ＝Ｖ×Ｉとして表される。ここでは、直流電流および直流電圧がともに最大能力まで出力できるのが望ましい。しかしながら、直流電流については特に制限がなく最大能力まで出力できて問題がないものの、出力電圧については最大限にすることが困難である。そのため、操業効率を向上させようとした場合は、直流出力電圧を出力限界で維持できることが必要となる。
【０００８】
そこで、この課題を解決するため、直流出力電圧を一定に保ちかつ直流出力電流を一定に保つ「定電圧定電流制御」の方法を用いることか考えられる。しかしながらこの方法を用いようとすると、電極先端の位置情報が容易に得られないため、電極が溶融灰の中に位置しているのか、溶融灰から完全に露出しているのかの判別ができないという課題があり、従来の「定電圧定電流制御」方法を、そのまま用いることができない。そのためさらに、電極先端位置を検出する方法として、イメージセンサなど画像処理装置を用いた方法を用いることも考えられるが、その場合は装置が大型となり、その分コストが増大するという新たな課題が生じる。また、炉内は１６００℃を超える高温環境であり、炉内に煙が存在することなどから、常に確実に検出することは困難であり、実現性に欠ける。また、他の方法として、機械的方法により電極先端位置を検出する測長器を用いることや、測長演算等も考えられるが、可動電極そのものが消耗するのでこれらの代替方法についても実現性に欠ける。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
そこで上記課題を解決するために、本願発明者は、炉頂に設置される可動電極の下端位置を溶融灰の表面になるべく浅く浸した状態に維持する制御装置を備えた直流式灰溶融炉を発明した。具体的には、実験結果より発見することができた以下に述べる３つの現象を利用して制御を行なう。
現象１：溶融灰に炉頂電極が浸されると、溶融灰から電流脈動周波数を起因とする固有音（以降は溶融音と呼ぶ）が発生し、その溶融音の大きさと電極の位置との間には次の関係がある。
（１）可動電極が溶融灰に深く浸漬された場合に溶融音は大きくなる。
（２）可動電極が溶融灰に浅く浸漬された場合に溶融音は小さくなる。
図４は、溶融音の測定状態の説明図であり、溶融灰中に浸された可動電極の下端の深さＬが増すごとに溶融音が大きくなり、マイクロフォンに入力される溶融音のレベルは図５のように変化する。
【００１０】
現象２：電極の位置と直流電圧との間には次の関係がある。
（１）電極位置が溶融灰に深く浸漬された場合に負荷電圧は小さくなる。
（２）電極位置が溶融灰に浅く浸漬された場合に負荷電圧は大きくなる。
現象３：電極の位置と電極からの輻射熱を測定して得られた電極温度との間には次の関係がある。
（１）電極位置が溶融灰に深く浸漬された場合に電極温度は低くなる。
（２）電極位置が溶融灰に浅く浸漬された場合に電極温度は高くなる。
これらの現象から、溶融音が大きければ可動電極を上昇させ、可動電極の温度が高ければ可動電極を下降させるという電極昇降の指令を出力する制御方法を用いることにより、前述した課題を解決することが可能になる。
【００１１】
すなわち、請求項１の発明は、炉底内部に電極が配設されるとともに、炉頂部にカーボンからなる可動電極が上下動自在に支持された炉本体内に焼却灰を投入し、可動電極の下端を焼却灰中に挿入した状態で両電極間に直流を通電することにより、焼却灰自体にジュール熱を発生させて焼却灰を加熱・溶融させる直流式灰溶融炉において、マイクロフォンが検知した溶融音の大きさと温度センサが測定した可動電極発熱部の温度と電流計が測定した電流値とにもとづき、演算手段が可動電極の現在位置を算出し、その現在位置と可動電極が焼却灰から露出しない最適位置との差分を求め、その値を昇降指令として出力する。出力された昇降指令は可動電極昇降装置に送られ、その指令にもとづいて可動電極が昇降駆動される。
【００１２】
請求項２の発明は、請求項１の発明における演算手段としてファジィ演算器を用い、各入力値をその値の大小に応じて複数の領域に弁別してからファジィルールを用いたファジィ制御により昇降指令を算出する。
【００１３】
請求項３の発明は、さらに、マイクロフォンと演算手段または演算器との間にバンドパスフィルタおよび一次遅れフィルタを接続して溶融音信号中に含まれるノイズを除去する。
【００１４】
請求項４の発明は、またさらに、電極に通電される直流電流に溶融音を引き起こす脈動成分を付加するスイッチング回路を設置して、適用範囲を拡大する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は本発明の実施形態における制御部分の電気的構成を示すブロック図である。この実施形態では、図示されるように、演算手段として、ファジィ演算器２５を用いたものであり、このファジィ演算器２５に、入力信号として直流主回路電流信号ｉｄｃが入力される。また、炉内で発生する溶融音Ｓｍは、マイクロフォン２１に入力されて電気信号に変換され、バンドパスフィルタ２２、一次遅れフィルタ２３を介して溶融音信号Ｓｍ＋としてファジィ演算器２５に入力される。輻射熱から得られる炉内温度すなわち可動電極の発熱部の温度Ｔｍは温度／電庄変換器２４により、電気信号Ｔｍ＋に変換されファジィ演算器２５へ送られる。ファジィ演算器２５はこれらの入力信号から、電極の昇降指令であるところの出力信号Ｃｒｉｆを出力する。
【００１６】
図２は本発明に係る直流式灰溶融炉の実施形態の構成を示す説明図である。図において、１は坩堝状に形成された炉本体であり、耐火煉瓦やカーボン等の耐火材からなる。炉本体１の上には同じく耐火材からなる炉蓋２が形成されている。炉本体１の内側底部には炉底電極３が設置されている。この炉本体１の内側に処理する焼却灰Ａを投入して、上部の炉蓋２の中央開口部より可動電極４が挿入される。可動電極４は、電極昇降マスト５、ワイヤ６、プーリ７、ワイヤドラム８、ドラム駆動モータ９等から構成された昇降装置１０により、昇降自在に支持されている。
【００１７】
また、可動電極４と炉底電極３とには、直流電源装置としてサイリスタ整流器１１が接続される。ここで、可動電極４の下端を焼却灰Ａ内に挿入した状態で、サイリスタ整流器１１を作動させて両電極３，４間に直流電流を流すと、焼却灰Ａを抵抗負荷としたジュール熱が発生する。このジュール熱により、粉末状態の焼却灰Ａ自身が加熱されて溶融し一体化される。さらにサイリスタ整流器１１と可動電極４を接続する電線には、ＣＴおよびＡ／Ｄ変換器等からなる電流計１２が設置されて、通過する電流の値を直流主回路電流信号ｉｄｃとして検出する。さらに、炉本体１の近くに、単一指向性の特性を持つマイクロフォン２１が設置されて、炉内で発生する溶融音Ｓｍを採取する。またさらに、炉蓋２を貫通して、温度センサ２４が取り付けられて、炉内温度すなわち可動電極４の発熱部の温度Ｔｍを検出している。
【００１８】
次に、制御装置の動作を説明する。まず、直流主回路電流信号ｉｄｃはファジィ演算器に入力されると、その値の大きさに応じて、電流が小さい領域、中位の領域、電流が大きい領域のいずれに属するか弁別される。また、マイクロフォン２１により採取された溶融音Ｓｍには、マイクロフォン２１の後部と側面からの雑音も含まれているため、それらを排除して純粋な溶融音を得るために、バンドパスフィルタ２２へ入力して溶融音以外の雑音を除去する。
【００１９】
このバンドパスフィルタ２５を、サイリスタを利用した６相純ブリッジ整流方式を例に取り説明すると、通過させる中心周波数（Ｈｚ）をＦ、サイリスタの整流相数をＰ、サイリスタ整流装置に供給される電源周波数（Ｈｚ）をＳとすると、中心周波数Ｆは、Ｆ＝Ｐ×Ｓとして表わすことができる。なお、直流源がサイリスタを利用した６相純ブリッジ整流方式以外の場合は、スイッチング回路を設けて、意図的に、直流電流に一定の脈動を持つようにすることで、同様の制御が可能である。
【００２０】
その場合は、バンドパスフィルタ２２の中心周波数Ｆを、直流電流の脈動の周波数と一致させる。バンドパスフィルタ２２を通過した信号は、さらに一次遅れフィルタ２３を通過させることにより、溶融音以外の音で周波数が同じか、あるいは近い周波数の雑音が発生しても、それらの雑音は除去される。こうして雑音が除去されて純粋な溶融音のみからなる溶融音信号Ｓｍ＋は、ファジィ演算器２５に入力される。ファジィ演算器２５では、この溶融音信号Ｓｍ＋の大きさから可動電極４の先端がどれぐらい溶融灰Ａに浸されているかを推測することが可能になる。すなわち、溶融音信号Ｓｍ＋は電極の位置信号として用いられる。
【００２１】
可動電極の温度Ｔｍは温度／電圧変換器２４により電気信号に変換されてから、ファジィ演算器２５に入力される。この信号は可動電極４の先端位置が溶融灰Ａから抜け出たことにより、可動電極４に発生したアーク放電にともなう熱の輻射を検知して得られたものであり、可動電極４の先端が溶融灰Ａの表面から離間したか否かを判別するのに用いられる。
ここで、前述したように、炉内で得られた溶融音Ｓｍの大きさが可動電極４の先端位置とほぼ比例した関係にあることを利用し、溶融音信号Ｓｍ＋を、可動電極４が溶融灰に浸された深さＬを表わす信号と見なして扱い。溶融音信号Ｓｍ＋の値が大きければ電極４を上昇させ、可動電極温度信号Ｔｍ＋の値が高ければ電極４を下降させる内容の電極昇降指令を出力するように、予めファジィルールとしてファジィ演算器２５に定義しておく。
【００２２】
また、この演算では、電流領域を大、中、小の３つの領域に分けているので、この３つの領域それぞれと可動電極温度信号Ｔｍ＋と溶融音信号Ｓｍ＋の大、中、小の大きさの判別領域との組み合わせに応じた出力の内容を予めファジィルールとしてファジィ演算器２５に定義しておく。
この実施形態によると、従来技術の延長線上で容易に考えうるイメージセンサなど画像処理による制御や複雑な制御方法、あるいは高価な機器を使うことなく簡単な方法で、前述した２つの課題を解決することができる。その結果、直流電流による焼却灰の溶融効率、および電力原単位、電極原単位を大幅に向上させることが可能になる。
【００２３】
なお、実施形態では、演算手段にファジィ演算器を用いたが、ＰＩＤ制御の演算器を用いても、同様にこれらの入力と出力の関係を設定しておき、マイクロフォンが検知した溶融音の大きさと温度センサが測定した可動電極発熱部の温度と電流計が測定した電流値とにもとづいて可動電極の現在位置を算出し、その現在位置と可動電極が焼却灰から露出しない最適位置との差分を求めその値を昇降指令として出力することで、ほぼ同じ内容の電極位置制御が可能である。
【００２４】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、マイクロフォンが検知した溶融音の大きさ、温度センサが測定した可動電極発熱部の温度、電流計が測定した電流値にもとづいて、演算手段が昇降指令を算出し、その指令により可動電極昇降装置が可動電極を昇降駆動する。それにより、可動電極は溶融灰に対して常に最適の深さに保持され、電極は下端から順に酸化消耗される。その結果、可動電極の中途での欠損が防止されて、電力原単位、電極原単位が大幅に向上される。
【００２５】
ここで、演算手段としてファジィ演算器を用いると、制御部の構成が簡単になるとともに、制御の応答速度および精度を向上させることができる。
また、マイクロフォンと演算手段または演算器との間にバンドパスフィルタおよび一次遅れフィルタを接続することにより、溶融音信号中に含まれるノイズが除去されて、より高精度の制御が可能になる。
さらにまた、電極に通電される直流電流に溶融音を引き起こす脈動成分を付加するスイッチング回路を設置することより、直流電流中に脈動成分を含まない直流式灰溶融炉に対しても本発明の適用が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態における制御部分の電気的構成を示すブロック図である。
【図２】本発明に係る直流式灰溶融炉の実施形態の構成を示す説明図である。
【図３】可動電極の酸化による消耗の進行の様子を示す説明図である。
【図４】可動電極に発生する溶融音とその測定状態を示す説明図である。
【図５】可動電極下端位置と溶融音の大きさの関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１ 炉本体
２ 炉蓋
３ 炉底電極
４ 可動電極
５ 電極昇降マスト
６ ワイヤ
７ プーリ
８ ワイヤドラム
９ ドラム駆動モータ
１０ 昇降装置
１１ サイリスタ整流器
１２ 電流計
２１ マイクロフォン
２２ バンドパスフィルタ
２３ 一次遅れフィルタ
２４ 温度／電庄変換器
２５ ファジィ演算器
Ａ 焼却灰

Claims (4)

1. 炉底内部に電極が配設されるとともに、炉頂部にカーボンからなる可動電極が上下動自在に支持された炉本体内に焼却灰を投入し、可動電極の下端を焼却灰中に挿入した状態で両電極間に直流を通電することにより、焼却灰自体にジュール熱を発生させて焼却灰を加熱・溶融させる直流式灰溶融炉において、
   炉内で発生した溶融音を検知するマイクロフォンと、
   可動電極の発熱部の温度を測定する温度センサと、
   炉内電極に通電される電流値を測定する電流計と、
   マイクロフォンが検知した溶融音の大きさと温度センサが測定した可動電極発熱部の温度と電流計が測定した電流値とにもとづいて可動電極の現在位置を算出し、その現在位置と可動電極が焼却灰から露出しない最適位置との差分を求めその値を昇降指令として出力する演算手段と、
   昇降指令にもとづき可動電極を昇降駆動する可動電極昇降装置と、
   を備えたことを特徴とする直流式灰溶融炉。
2. 請求項１記載の直流式灰溶融炉において、
   演算手段にファジィ演算器を用いて、各入力値をその値の大小に応じて複数の領域に弁別してからファジィルールを用いたファジィ制御により昇降指令を算出することを特徴とした直流式灰溶融炉。
3. 請求項１または請求項２記載の直流式灰溶融炉において、
   マイクロフォンと演算手段または演算器との間にバンドパスフィルタおよび一次遅れフィルタを接続したことを特徴とする直流式灰溶融炉。
4. 請求項１または請求項２または請求項３記載の直流式灰溶融炉において、
   電極に通電される直流電流に溶融音を引き起こす脈動成分を付加するスイッチング回路を設置したこと特徴とする直流式灰溶融炉。

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