JP3820259B2 - 溶融スラグの温度計測方法 - Google Patents

Description

本発明は、煤塵濃度が高い炉内においても溶融スラグの液面温度を確実に測定することができる温度計測方法に関する。

従来、炉内に収容された溶融スラグの液面温度を測定するには、この液面から放射される、１〜２μｍ程度の波長を有する近赤外域輻射光の強度や、異なる波長を有する２種類以上の輻射光の強度比から、スラグ液面５ａの温度を推定している。
しかし、炉内の煤塵は、径が１〜２μｍ程度で上記近赤外域の輻射光の波長とほぼ同一寸法であるため、炉内の煤塵濃度が非常に高い炉、例えばプラズマ灰溶融炉においては、溶融スラグの近赤外域輻射光は煤塵によって散乱してしまう。このため、炉の天井に配設した窓まで該近赤外域輻射光が到達せず、スラグ液面の温度を推定することができない。
従って、プラズマ灰溶融炉では、炉の出滓口から排出される溶融スラグの温度を熱電対等によって測定し、この測定値によって炉内温度を推定している。しかし、この方法では、溶融スラグの液面温度を正確に推定することは困難である。

本発明は、上記課題を解決し、煤塵濃度が高い炉であっても、溶融スラグの液面温度を確実に測定することが可能な溶融スラグの温度計測装置を提供することを目的とする。

本発明に係る溶融スラグの温度計測方法は、上記目的を達成するため、炉内に収容された溶融スラグの液面から放射される輻射光のうち、中間赤外域又は遠赤外域の輻射光を光電気素子に集光し、入射する輻射光の強度に応じた振幅の出力電圧を光電気素子から発生させ、この出力電圧値とプランクの輻射則から上記溶融スラグの液面温度を決定する方法である。

ここで、中間赤外域において用いることができる光電気素子としては焦電素子がある。焦電素子は、間欠的に入射される輻射光に同期した交流信号を出力し、この交流信号の振幅は光量に比例した大きさになる。これによって、各波長の出力信号の振幅値に、炉内の煤塵及び炉壁に設けられた集光窓の透過率を考慮して真の光強度比を算出し、プランクの輻射則から溶融スラグの液面温度を推定することができる。
通常は、煤塵の径が１〜２μｍであり、この径とほぼ同じ大きさの波長を有する近赤外域の輻射光は煤塵によって散乱され、炉の天井部等にまで到達することが困難である。このため、溶融スラグの表面から放射される輻射光のうち、近赤外域の輻射光によっては、溶融スラグの液面温度を推定することができない。
しかし、本発明によれば、煤塵の径よりも大きい波長域の中間赤外域又は遠赤外域の輻射光を用いるため、炉内の煤塵濃度が非常に高い場合であっても、煤塵の径よりも大きい波長を有する中間赤外域又は遠赤外域の輻射光は煤塵によって散乱されることなく炉壁まで到達し、確実に溶融スラグの表面温度を推定することができる。また、溶融スラグの輻射光を用いて直接的に温度を計測するため、正確な温度を測定することができ、輻射光の種類は、２波長以上あれば良い。なお、焦電素子は、通常、人体検出等に用いる汎用素子であり、遠赤外用ＣＣＤ素子等に比較して低コストで、かつ、冷却等の付帯設備も必要ない。

また、本発明に係る溶融スラグの温度計測方法の一態様では、上記煤塵の径が１〜２μｍであり、溶融スラグの表面から放射される複数の輻射光が２〜２０μｍの波長域を有する遠赤外域の輻射光である。
炉内に充満する煤塵の径よりも溶融スラグから放射される輻射光の波長の方が大きく、該輻射光は煤塵による散乱の影響をあまり受けないため、確実に溶融スラグの液面温度を推定することができる。

本発明によれば、煤塵濃度が高い炉内においても溶融スラグの液面温度を正確にかつ安価なコストで推定することができる。

以下に、本発明の実施の形態に係る溶融スラグの温度計測方法に用いる計測装置について、図面を用いて詳細に説明する。
本発明は、複数波長の遠赤外光を検出し、該遠赤外光の煤塵に対する透過率の波長依存性から各波長の光強度を補正した上で、プランクの輻射則から溶融スラグの液面温度を測定する方法である。また、煤塵の影響を取り除くため、主灰単独、混合灰、灰投入無の各運転状況に応じた輻射光の煤塵透過率及び輻射率をパソコンを用いて校正したり、集光窓の汚れによる透過光の減衰の影響を取り除くため、複数波長域の強度域の強度比を求める。
図１は、この溶融スラグの温度計測装置及び該温度計測装置が配設されたプラズマアーク溶融炉を示す概略図である。

プラズマアーク溶融炉１（以下、単に溶融炉ともいう。）内部の中心には、上下方向に沿って主電極２及び炉底電極３が配設されており、溶融炉１の底部には溶融スラグ５が収容されている。上記主電極２の下端からはプラズマアーク７が炉底電極３に向けて放射され、溶融スラグ５の液面５ａからは上方に向けて輻射光８が放射されている。この輻射光８の波長は、図２に示すように、散乱のない場合は２μｍ程度であるものが多く、散乱を考慮した場合は５〜１０μｍ程度のものが多い。
また、溶融炉１の天井部１０には、集光窓１１を介して上記輻射光８を集光し、これを用いて溶融スラグ５の液面温度を推定する温度計測装置１５が配設されている。

この集光窓１１は、その材質がＺｎＳｅであり、横方向にスライド可能に構成されているため、集光窓１１が汚れた場合に取り替えることが容易にできる。従って、スライド方式でなく、ワイピングによって集光窓１１の汚れを除去するようにしても良い。また、図示していないが、窓ホルダー１６は冷却水によって冷却されており、集光窓１１の炉内側はＮ₂ガスによってパージされている。
この集光窓１１の上部にはＺｎＳｅ製集光レンズ２０が配設され、集光窓１１からの輻射光８を集光することができ、該集光レンズ２０の上部にはライトチョッパー２２が配設されている。該ライトチョッパー２２は、ＤＣ電源２４に接続されたＤＣモーター（減速機）２５に取り付けられ、該ＤＣモーター２５によって自由に回転させることができる。

このライトチョッパー２２の上部には、焦電素子（パイロエレクトリック素子ともいう。）２８が設けられており、増幅器２９を介してパソコン３０、及び制御装置に接続されている。ここで、上記焦電素子２８は、遠赤外域の輻射光８が当たると温度が上昇して分極値が変化し、輻射光８の強度に比例する量の電荷を放出するため、増幅器２９でこの電荷量を増幅させたのち、パソコン３０に送ることができる。しかし、焦電素子２８は一定の強度の光である定常光を一定時間以上当てると反応しなくなる、いわゆる飽和性と呼ばれる性質を有するため、輻射光８を上記ライトチョッパー２２によって断続的に遮った間欠的な状態で焦電素子２８に照射する必要がある。図１では、焦電素子２８が１つの場合の温度計測装置１５を示したが、これに限定されず、２つ以上の焦電素子２８を配設し、各々の焦電素子２８ごとに波長の異なる輻射光８を照射させても良い。

次いで、上記構成を有する温度計測装置１５を実証炉に配設して行った実施例によって、本発明を更に詳細に説明する。
［温度計測装置の概要］
まず、温度計測装置１５の構成を説明する。本実施例で用いた計測装置１５は、図１に示すような構成を有するものであり、その波長域が２〜２０μｍ、５〜２０μｍ、７〜２０μｍのバンドパスフィルターを有する３個の焦電素子２８が配設されている。この焦電素子２８は、温度によって誘電率が変化する強誘電体結晶であり、感度は、最大１０００Ｖ／Ｗである。集光レンズ２０は凸レンズであり、輻射光８が該集光レンズ２０によって焦電素子２８の受光面に結像し、他の光を検出し難くしている。

［光学系の構成］
溶融スラグ５の液面５ａからは、図３に示すように、遠赤外域の輻射光８が放射されており、該輻射光８は、集光レンズ２０を介して焦電素子２８に集光される。この焦光レンズ２０の径はφ５０ｍｍであり、焦点距離はｆ＝５０ｍｍであるため、焦光レンズ２０から溶融スラグ５の液面５ａまでの距離ａが約１５００ｍｍの場合、焦光レンズ２０と焦光素子２８との距離ｂが以下の（式１）で算出される５１．７ｍｍのときに結像する。

ただし、スラグ面は下がることがあるため、ｂ≒５２〜５３［ｍｍ］に設定する。
また、焦電素子２８の受光面の径は、ｄｐ＝２［ｍｍ］であるため、焦電素子２８に入射するスラグ面５ａの領域は、
ｄｓ＝ｄｐ・ａ／ｂ＝２×１５００／５３＝５６．６≒５７［ｍｍ］となる。
スラグ面５ａから見た焦光レンズ２０の立体角は、以下のとおりである。
ω＝２π（１−ｃｏｓθ）＝２π[１−ｃｏｓ（０．０１６７）]
＝８．８×１０^-4 ［ｓｒａｄ］
θ＝ａｒｃｔａｎ（２５／１５００）
＝０．０１６７［ｒａｄ］

［スラグ面の輻射エネルギー］
スラグ面５ａの単位面積から放射される、単位波長当たりの輻射エネルギーは、以下の（式２）から算出される。

ここで、ε・τは輻射率×透過率、 ｈはプランクの定数、ｋはボルツマン定数、Ｃは光速度、νは輻射光の周波数である。
ε・τ＝１とした場合の（Ｅλ／Ｃ）は図４のグラフのようになる。

焦電素子２８の感度波長範囲を２〜２０μｍ、５〜２０μｍ、７〜２０μｍとすると、１８００［ｋ］では、スラグ面５ａから放射される輻射エネルギーは、以下の（式３）〜（式５）のようになる。

［輻射強度の煤塵による減衰］
実証炉におけるＨｅ−Ｎｅレーザーを用いた煤塵による光の散乱特性計測結果からσ・ｎ＝３．５［ｍ^-1］とする。ここで、σは煤塵の散乱断面積、ｎは煤塵の密度である。
スラグ面５ａから放射された輻射光８が計測用集光窓１１に到達するまでに減衰する割合は、
η＝ｅｘｐ（−σ・ｎ・Ｌ）＝ｅｘｐ（−３．５×１５）＝５．２×１０³
但し、Ｌはスラグ面５ａから集光窓１１までの距離であり、図３のａとほぼ等しいとした。

［焦電素子に入射する輻射エネルギー］
溶融スラグ５の輻射率ε＝０．１、集光窓１１及び焦光レンズ２０等の総合透過率τ＝０．１とするとε・τ＝０．０１である。
図３のｄｓで示した領域の面積は、Ｓ＝π・（ｄｓ／２）²
＝π・（５７×１０3 ／２）² ＝２．６×１０^-3 ［ｍ^-2］
であるから、焦電素子２８に入射する輻射エネルギーは、それぞれ波長域ごとに以下のようになる
ｅ2〜20 ＝ω／２π・Ｅ2〜20・Ｓ・ε・τ・η
＝８．８×１０^-4／２π×１．４２×１０⁶×２．６４×１０^-3
×０．０１×２．７５×１０^-5＝１．４×１０^-7［Ｗ］
ｅ5〜20 ＝ω／２π・Ｅ5〜20・Ｓ・ε・τ・η
＝８．８×１０^-4／２π×１．４２×１０⁵×２．６４×１０^-3
×０．０１×２．７５×１０^-5＝２．６×１０^-8［Ｗ］
ｅ7〜20 ＝ω／２π・Ｅ7〜20・Ｓ・ε・τ・η
＝８．８×１０^-4／２π×２．５６×１０⁵×２．６４×１０^-3
×０．０１×２．７５×１０^-5＝１．１×１０^-8［Ｗ］

［焦電素子の出力電力］
焦電素子２８の感度は、
ρ2〜20 ＝ρ2〜20・ｅ2〜20 ＝１５００×１．４×１０^-7＝２．１×１０^-4［Ｖ］
ρ5〜20 ＝ρ5〜20・ｅ5〜20 ＝１５００×２．６×１０^-8＝３．９×１０^-5［Ｖ］
ρ7〜20 ＝ρ7〜20・ｅ7〜20 ＝１５００×１．４×１０^-8＝１．４×１０^-5［Ｖ］
従って、計測装置には、１０³〜１０⁴倍の増幅器が必要である。

［スラグ温度の推定］
次いで、プランクの放射則から、輻射エネルギーの強度比を求める。

各温度におけるＥ5〜7／Ｅ2〜5、Ｅ7〜20／Ｅ2〜5 の値を図５に示す。
各波長域のε・τの値は、別途、実機試運転時に熱電対による計測値と焦電素子２８の出力値から求める。焦電素子出力は、Ｖ2〜20、Ｖ5〜20、Ｖ7〜20 であるから、以下のようになる。
Ｖ2〜5 ∝ε2・τ2・Ｅ2〜5
Ｖ5〜7 ∝ε5・τ5・Ｅ5〜7
Ｖ7〜20 ∝ε7・τ7・Ｅ7〜20
従って、以下の式が導かれる。

焦電素子出力が、Ｖ'2〜5 、Ｖ'5〜7 、Ｖ'7〜20 と得られた場合、補正されたスペクトル強度比は、以下の式のとおりである。

これらのスペクトル強度比を用い、図５からスラグ液面５ａの温度を求めることができる。

本発明に係る温度計測装置を配設した溶融炉を示す断面図である。 煤塵による散乱がある場合とない場合における、輻射光の波長と強度との関係を示すグラフである。 輻射光を集光する状態を示す概略図である。 輻射光の波長と輻射エネルギーとの関係を示すグラフである。 温度と輻射スペクトル強度比との関係を示すグラフである。

符号の説明

１ プラズマアーク溶融炉
２ 主電極
３ 炉底電極
５ 溶融スラグ
７ プラズマアーク
８ 輻射光
１０ 天井部
１１ 集光窓
１５ 温度計測装置
１６ 窓ホルダー
２０ 集光レンズ
２２ ライトチョッパー
２４ ＤＣ電源
２５ ＤＣモーター
２８ 焦電素子
２９ 増幅器
３０ パソコン

Claims (5)

1. 灰溶融炉内に収容された溶融スラグの液面から放射される輻射光のうち、２〜２０μｍの波長域内の少なくとも２つの異なる波長（Ａ、Ｂ）の輻射光を光電気素子に集光し、入射する輻射光の強度に応じた出力電圧（Ｖ'_A、Ｖ'_B）を光電気素子から発生させ、この出力電圧値の比（Ｖ'_B／Ｖ'_A）、輻射率（ε_A、ε_B）及び煤塵透過率（τ_A、τ_B）の補正因子（φ）を用いて輻射エネルギーの強度比（Ｅ'_B／Ｅ'_A）を補正して、補正された輻射エネルギーの強度比から上記溶融スラグの液面温度を決定することを特徴とする溶融スラグの温度計測方法であって、上記輻射率及び煤塵透過率が、主灰単独、混合灰、灰投入無の各運転状況に応じて校正される溶融スラグの温度計測方法。
2. 上記補正因子（φ）が、φ＝ε_B・τ_B／（ε_A・τ_A）で表され、上記輻射エネルギーの強度比（Ｅ'_B／Ｅ'_A）が、上記出力電圧値の比（Ｖ'_B／Ｖ'_A）に１／φを掛けて得られる請求項１に記載の溶融スラグの温度計測方法。
3. 上記補正因子（φ）が、試運転時に得られた出力電圧値の比（Ｖ _B ／Ｖ _A ）と輻射エネルギーの強度比（Ｅ _B ／Ｅ _A ）の商である請求項１又は請求項２に記載の溶融スラグの温度計測方法。
4. 上記光電気素子が、焦電素子であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の溶融スラグの温度計測方法。
5. 灰溶融炉内に収容された溶融スラグの液面から放射される輻射光のうち、２〜２０μｍの波長域内の少なくも２つの異なる波長（Ａ、Ｂ）の輻射光を光電気素子に集光する集光レンズと、入射する輻射光の強度に応じた出力電圧（Ｖ' _A 、Ｖ' _B ）を発生させる光電気素子と、この出力電圧値の比（Ｖ' _B ／Ｖ' _A ）、主灰単独、混合灰、灰投入無の各運転状況に応じた輻射率（ε _A 、ε _B ）及び煤塵透過率（τ _A 、τ _B ）の補正因子（φ）を用いて輻射エネルギーの強度比（Ｅ' _B ／Ｅ' _A ）を補正して、補正された輻射エネルギーの強度比から上記溶融スラグの液面温度を決定するパソコンを備えることを特徴とする溶融スラグの温度計測装置。

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