JP3692245B2 - プラズマ式灰溶融炉の溶融スラグ深さ等の測定方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、下水汚泥、都市ゴミや産業廃棄物などの焼却灰及び事業用火力発電プラント等の燃焼炉から排出される焼却灰を溶融するプラズマアーク式灰溶融炉の溶融スラグの深さ等の測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プラズマアーク式灰溶融炉においては、焼却灰を溶融すると、該焼却灰は溶融スラグ、溶融メタル、排ガスに分離され、溶融メタルは溶融スラグ池に沈殿されその上に溶融スラグを貯留させ、貯留させた溶融スラグは溶融スラグ池の出滓口より前記排ガスとともに逐次は外部へ排出されるようにしている。
ところが、溶融メタルは前記溶融スラグ池の下層に沈殿されているため、運転の継続につれ溶融メタル層は厚くなり、溶融スラグ池に貯留される溶融スラグ層は浅くなっていく。
スラグ層の厚さがある程度以下になると電源電圧が激しく変動するようになり、運転に支障をもたらすことになる。このため、溶融スラグ深さを常時把握し上記運転不可の状態を事前に回避する必要がある。
【０００３】
上記溶融スラグ深さが浅くなった状態の検知については、下記提案がなされている。
▲１▼重量を計測しながら棒を挿入し、浮力による重量変化から溶融スラグ深さを検知する。
▲２▼電圧変動が激しくなったことでスラグ層が浅くなったことを検知する。
▲３▼雰囲気温度変動からスラグ層が浅くなったことを検知する。
▲４▼スラグ面と炉底の電位差から検知する。
▲５▼炉体重量変化から検知する。
▲６▼電圧をかけた２本の電極を挿入していき、そこに流れる電流から検知する。
【０００４】
従来より行なわれている上記提案の内プラズマアーク式灰溶融炉に関するもで且つ定量的測定を可能にした、特開平８−３２０１１１号公報に開示されている提案について下記に詳説する。
上記提案は、図５（Ａ）に示す第１実施例と図６に示す第２実施例がある。第１実施例では図５（Ａ）の模式図に見るように、プラズマ電極２Ｂを使用し、第２実施例の場合は図６の模式図に見るように検出部材３２を使用して、プラズマアーク式灰溶融炉における溶融メタルの湯面検出を可能にした方法に関するもので、例えば第１実施例の場合（図５（Ａ）参照）は溶融スラグ池の出滓口３より排出され一定レベルに保持されている溶融スラグＳｆの表面に、プラズマ発生電極２Ｂを下降接触させ、プラズマ電極２Ｂと溶融メタル層Ｍに導通可能に設けた基準電極２３との電位差を検出して溶融スラグＳｆ層の厚さを検知し、これにより溶融メタル層Ｍの湯面レベルを検出するようにしたものである。
【０００５】
上記提案の第１例は、図５（Ａ）に示す模式図に示すように、炉本体１内に垂下した陽電極２Ｂ、陰電極２Ａ間に電源８により直流電圧を印加して一定電流Ｉを流しプラズマアークを形成させ、電極間に介在させた焼却灰を溶融して溶融スラグ池に溶融メタル層Ｍを沈澱させ、その上に溶融スラグＳｆを形成貯留させ、貯留させた溶融スラグＳｆを出滓口３より外部へ出滓させている運転状態において、
点Ａ、Ｄ間のプラズマ抵抗をＲ₄、点Ｂ、Ｃ間のプラズマ抵抗をＲ₁、点Ｃ、Ｄ間のスラグ抵抗をＲ₃、点Ｃ、Ｅ間のスラグ抵抗をＲ₂とすると、電極２Ａ、２Ｂ間への電圧印加により前記抵抗Ｒ₁、Ｒ₃、Ｒ₄間に定電流Ｉが流れている。
その際、電極２Ｂを点線図示のように溶融スラグＳｆ面に向け下降接触させ、基準電極２３と直流電源８の陰極間との電位差Ｖを検出している。
【０００６】
上記通電状況を図５（Ｂ）に示す等価回路により分析すると、溶融スラグ深さはあいまいな値で予想できる。
【０００７】
また、上記提案の第２例は、図６に示す模式図に見るように、炉本体１には溶融メタル層Ｍが基準電極２３の上に沈澱され、その上に溶融スラグＳｆが形成されている。該溶融スラグＳｆに検出部材３２を下降接触させ電源８により直流電圧を印加して一定電流Ｉを通電させ、その場合の電源電圧Ｖの変動を計測するようにしたものである。
上記図６より下記関係式が得られる。即ち、
Ｖ＝ＩＲs ＋ＩＲm Ｒｍ≒０
つまり、Ｖを計測すればＲs が得られ、
スラグ層が薄くなり溶融メタル層が大となれば、
Ｒs →小、Ｖ→小になりその傾向が得られる。
【０００８】
上記提案においては、検出部材３２ないし検出用の電極２Ｂの溶融スラグＳｆ面への接触を前提としたもので、接触の度合いが不明瞭で検出値もあいまいさの域を出ない。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
最近のプラズマアーク式灰溶融炉の溶融スラグ深さの計測についての提案を前記のように説明したが、電圧変化による溶融スラグ深さの計測については上記問題点以外に下記問題を内蔵している。
▲１▼スラグ性状によつて電圧が変化する（特にゴミの性状は電圧変化に大きく影響する）。
▲２▼スラグ温度により電圧が変化する。
▲３▼出滓口等の侵食によって溶融スラグのオーバーフロー面が下がると電圧が変わる。
▲４▼スラグ面の把握が困難である（ダストで確認できない）。
【００１０】
本発明は、前記課題解決のため、なされたもので、スラグ性状、スラグ温度の影響や出滓口等の侵食の影響を受けることのない測定方法で、且つスラグ面の確認を必要としない溶融スラグ深さ等の計測方法の提供を目的とするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明は、 炉心上部に垂設したプラズマ電極とその対向位置に設けた炉底電極の間に形成した定電流プラズマアークにより焼却灰を溶融し、前記炉底電極上に溶融メタル層と溶融スラグ層からなる溶融スラグ池を形成したプラズマアーク式灰溶融炉において、
炉心上部に垂設したプラズマ電極自体を昇降自在に構成し、該昇降自在に構成されたプラズマ電極により、一定電流の通電のもとにプラズマアークを形成させ、該プラズマアークにより溶融スラグ層を形成して、プラズマアーク、溶融スラグ層、の順に溶融メタル層に向けエンコーダを介して等速で下降させて、その下降過程で前記プラズマ電極の電源電圧Ｖの変動を時間軸に基づいて計測し、該時間軸に基づく電圧変化位置と電極の下降量に基づいて前記溶融スラグ深さを計測し、好ましくは前記プラズマ電極がメタル層に至り電圧変化が０になった後のメタル層内の所定時点で前記下降駆動を停止反転させることを特徴とする。
【００１２】
上記発明により、プラズマ放電中に放電電極を下降させ挿入させていく訳であるが、プラズマ電極と炉底電極の間には抵抗率や、断面形状の異なるプラズマ、スラグ層、メタル層の通電部材が介在するため、電極の移動につれて変化する電圧も変化率も変わり、電圧と電極の移動（深さ）の関係は折れ線カーブを描くことになる。上記折れ点が通電部材の変わる位置に該当するため、この折れ点から折れ点までの距離を測れば求めようとするスラグ深さを得ることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載される構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載が無い限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
【００１５】
図１は、本発明の溶融スラグ深さ測定装置を備えたプラズマ式灰溶融炉の１実施例を示す縦断面図、図２は図１の等価回路を示す図、図３は図１の溶融スラグ深さ計測の状況を示すチャート図である。
図４（Ａ）は図１に示す灰溶融炉の比較例を示す図で、（Ｂ）は（Ａ）の別に設けた検出用電極の測定用電源にプラズマアーク用主電源を共用した場合の等価回路を示す図で、（Ｃ）は測定用電源を別途用意した場合の等価回路を示す図である。
【００１６】
本発明の溶融スラグ深さ測定装置を備えたプラズマ式灰溶融炉１０は図１に示すように、上部より垂下させたプラズマ電極（−極）１１に対向させて炉底３０に炉底電極（＋極）１３を備え、図示してない焼却灰フィーダより焼却灰の供給を受け、前記プラズマ電極１１と炉底電極１３との間にプラズマアーク用主電源１２により直流電圧を印加して得られたプラズマアーク１１ｂにより焼却灰を溶融し、炉底電極１３上に溶融メタル層１４を沈殿させ、その上に導電性を帯びた溶融スラグ層１５を形成し出滓口１０ａより外部へ排ガスとともに排出する構成とした灰溶融炉１０において、
上記したように、一定電流Ｉの通電のもとにプラズマアーク１１ｂを形成させ、該プラズマアーク１１ｂにより溶融スラグ層１５を形成して、逐次出滓口１０ａより排出している運転状態で、プラズマ電極１１をエンコーダ１１ａを介して下降させて、プラズマアーク１１ｂ、溶融スラグ層１５、の順に溶融メタル層１４に向け等速で挿入させ、挿入の過程で電源電圧Ｖの変動を計測するようにしたものである。
【００１７】
上記計測の状況を図２に示す等価回路により下記に説明する。
なお、抵抗Ｒpはプラズマガスの抵抗を示し、抵抗Ｒsは溶融スラグの抵抗を示してある。電極降下前の等価回路はＯＰＲＳで示されている。
そこで、プラズマ電極１１が下降すると、Ｒp→小となるため、トータルの抵抗は減少する。また、更に下降して溶融スラグ層１５に電極１１が達したときの等価回路はＯＱＲＳとなり、以後下降につれＲｓ→小となるため、前記トータル抵抗は更に減少する。そして電極１１が溶融メタル層１４に達すると等価回路はＯＲＳとなり電圧降下はなくなる。
【００１８】
ところでプラズマとスラグでは抵抗率が異なるため、電極を一定速度で移動させた場合には電圧変化に差が出て、電圧は折れ線状に変化する。即ち、プラズマよりスラグへ電極が移行すると電圧変化の傾きもその点で変化するわけで、この傾きの変化する位置から溶融スラグ深さの計測を開始すれば良い。
なお、電極の下降が更に進み先端が溶融メタル層に達すると、電圧は零になるため、前記溶融スラグ深さ開始位置より電圧零点までの距離が溶融スラグ深さになる。
なお、上記距離の演算は電極等速下降ないし等速上昇用のエンコーダ１１ａの読みにより演算できる。
【００１９】
図３には図１の溶融スラグ深さ測定装置による計測の状況を示すチャート図を示してある。
横軸に時間軸を、縦軸にプラズマ電極１１の等速下降とともに変化する電圧Ｖ及び電極の等速下降ないし等速上昇させるエンコーダ１１ａの読みを示すチャート図である。
図に示すように、プラズマ電極１１を運転位置Ａよりエンコーダ１１ａにより等速下降させ、プラズマガスを通過してスラグ１５との境界点Ｂに至りさらに下降を続けメタル層１４に至り、点Ｃで電圧Ｖ＝０になるとともに、エンコーダ１１ａの下降駆動は点Ｄで停止反転する。
【００２０】
即ち、溶融メタル層１４に達した電極１１は反転して点Ｃ→点Ｂ→点Ａと上昇して旧位置に復帰する。
上記電極１１がプラズマガスへの突入時（点Ａ）、プラズマガスよりスラグ１５への移行時（点Ｂ）に於いては、境界面での電圧の山ができることから判断できる。
【００２１】
結局求める溶融スラグ深さはプラズマガスとスラグ境界面での電圧の山と、溶融メタル接触時に電圧が零になることから推定できる
図３に示すチャートは灰投入、出滓前の状態における計測結果で、電極下降時の溶融スラグ深さの計測値は８４．５ｍｍで、電極上昇時の溶融スラグ深さの計測値は８５ｍｍで両者は略一致している。
【００２２】
図４（Ａ）は図１に示す灰溶融炉１０の比較例を示す図で、図に見るように、検出用電極１６を別に設け、電源はプラズマアーク用主電源１２と共用にしてあり、エンコーダ１６ａにより等速下降させ、プラズマガスを経て溶融スラグ層１５に移行させ、さらに溶融スラグ層１５より溶融メタル層１４に到達するようにして、前記電極１６と炉底電極１３との間の電圧変化Ｖを計測するようにしてある。
【００２３】
図４の（Ｂ）は、（Ａ）の別に設けた検出用電極１６の測定用電源にプラズマアーク用主電源１２を共用した場合の等価回路を示す図で、測定用プラズマ電極が下降するにつれ、電圧変動を計測する計測回路はＯ₁Ｐ₁Ｒ₁Ｓ₁→Ｏ₁Ｑ₁Ｒ₁Ｓ₁→Ｏ₁Ｒ₁Ｓ₁に変更する。
図４（Ｃ）は、測定用電源１７を別途用意した場合の等価回路を示す図で、測定用電極が下降するにつれ、計測回路は Ｏ₂Ｐ₂Ｒ₂Ｓ₂Ｔ₂→Ｏ₂Ｑ₂Ｒ₂Ｓ₂Ｔ₂→Ｏ₂Ｒ₂Ｓ₂Ｔ₂に変更する。
【００２４】
なお、上記計測以外に保温時、出滓中−１、出滓中−２の場合について、計測を行なったが、それぞれ、溶融スラグ深さ７２ｍｍ、５３ｍｍ、９１ｍｍの計測結果が得られた。
【００２５】
【発明の効果】
１回の計測時間が１分程度であり、計測中にスラグ性状変化の影響やスラグ温度の変化の影響や出滓口等の侵食の影響を受けることがない。
また、測定用電極のプラズマガスへの突入時、プラズマよりスラグ層への移行時は電圧の変化に大きな山を伴うため、スラグ面の視認による把握の必要がなく、特に灰投入時の視界不良雰囲気における計測も確実に行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の溶融スラグ深さ測定装置を備えたプラズマ式灰溶融炉の１実施例を示す縦断面図である。
【図２】 図１の等価回路を示す図である。
【図３】 図１の溶融スラグ深さ計測の状況を示すチャート図である。
【図４】 （Ａ）は図１に示す灰溶融炉の比較例を示す図で、（Ｂ）は（Ａ）の別に設けた検出用電極の測定用電源にプラズマアーク用主電源を共用した場合の等価回路を示す図で、（Ｃ）は測定用電源を別途用意した場合の等価回路を示す図である。
【図５】 （Ａ）は従来のプラズマ式灰溶融炉における溶融メタルの湯面検出装置を備えた灰溶融炉の一実施例を示す模式図で、（Ｂ）は（Ａ）の等価回路である。
【図６】 図５に示す従来の灰溶融炉の他の実施例を示す模式図である。
【符号の説明】
１０ 炉本体
１０ａ 出滓口
１１ プラズマ電極
１１ａ、１６ａ エンコーダ
１１ｂ プラズマアーク
１２、１７ 直流電源
１３ 炉底電極
１４ 溶融メタル層

Claims (2)

1. 炉心上部に垂設したプラズマ電極とその対向位置に設けた炉底電極の間に形成した定電流プラズマアークにより焼却灰を溶融し、前記炉底電極上に溶融メタル層と溶融スラグ層からなる溶融スラグ池を形成したプラズマアーク式灰溶融炉において、
   炉心上部に垂設したプラズマ電極自体を昇降自在に構成し、該昇降自在に構成されたプラズマ電極により、一定電流の通電のもとにプラズマアークを形成させ、該プラズマアークにより溶融スラグ層を形成して、プラズマアーク、溶融スラグ層、の順に溶融メタル層に向けエンコーダを介して等速で下降させて、その下降過程で前記プラズマ電極の電源電圧Ｖの変動を時間軸に基づいて計測し、該時間軸に基づく電圧変化位置と電極の下降量に基づいて前記溶融スラグ深さを計測することを特徴とするプラズマ式灰溶融炉の溶融スラグ深さ等の測定方法。
2. 炉心上部に垂設したプラズマ電極とその対向位置に設けた炉底電極の間に形成した定電流プラズマアークにより焼却灰を溶融し、前記炉底電極上に溶融メタル層と溶融スラグ層からなる溶融スラグ池を形成したプラズマアーク式灰溶融炉において、
   炉心上部に垂設したプラズマ電極自体を昇降自在に構成し、該昇降自在に構成されたプラズマ電極により、一定電流の通電のもとにプラズマアークを形成させ、該プラズマアークにより溶融スラグ層を形成して、プラズマアーク、溶融スラグ層、の順に溶融メタル層に向けエンコーダを介して等速で下降させて、その下降過程で前記プラズマ電極の電源電圧Ｖの変動を時間軸に基づいて計測し、該時間軸に基づく電圧変化位置と電極の下降量に基づいて前記溶融スラグ深さを計測し、前記プラズマ電極がメタル層に至り電圧変化が０になった後のメタル層内の所定時点で前記下降駆動を停止反転させることを特徴とするプラズマ式灰溶融炉の溶融スラグ深さ等の測定方法。

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