JP4024833B1 - プラズマ式灰溶融炉の制御方法及びプラズマ式灰溶融炉 - Google Patents

Abstract

【課題】 耐火材の経時変化した場合にもスラグの出滓量が低下せず、安定したスラグの出滓を確保し得るプラズマ式灰溶融炉の制御方法及びプラズマ式灰溶融炉を提供する。
【解決手段】
炉体及び炉蓋を流通する冷却水の流量Ｇw、入口温度Ｔwi及び出口温度Ｔwoに基づいて、炉体冷却損失熱量Ｑlrを求め、これに基づいてプラズマ出力補正値Ｑps1を求める。また、灰の投入速度Ｇash、排ガス流量Ｇg、排ガス温度Ｔg、トーチ電流Ａt、トーチ電圧Ｖt、プラズマトーチの冷却水の流速Ｇwt、入口温度Ｔwit、出口温度Ｔwotの各計測値に基づいて、マスバランス式からスラグ滞留量推定値Ｗsを推定するとともに、エネルギーバランス式から炉体の内部におけるスラグ温度推定値Ｔsを推定して、Ｗs及びＴsからプラズマ出力補正値Ｑps2を求める。上記プラズマ出力補正値Ｑps1及びプラズマ出力補正値Ｑps2をプラズマ出力基準値Ｑps0に加えることにより、プラズマトーチのプラズマ出力目標値Ｑpss2を求める。
【選択図】 図２

Description

本発明は、プラズマ式灰溶融炉の制御方法及びプラズマ式灰溶融炉に関し、より詳細には、炉体冷却損失熱量から求めたプラズマ出力補正値に基づいて、プラズマトーチのプラズマ出力の調整を行うプラズマ式灰溶融炉の制御方法、及びこの制御方法を用いたプラズマ式灰溶融炉に関する。

従来より、ゴミ焼却炉、下水汚泥焼却炉等から排出される灰は、資源化して再利用するとともに無害化するために、例えば高温で溶融することによりスラグ化されている。このようなスラグの溶融に使用される設備として、プラズマ式灰溶融炉がある。一般に、プラズマ式灰溶融炉では灰が連続投入され、プラズマを発生させた炉内で高温に加熱して溶融した後、スラグとして出滓される。このような連続溶融を安定して行うために、従来より種々の技術が検討されている。

例えば、灰の投入重量と、炉内温度と、灰の塩基度から必要な溶融熱量を求めて運転を行うプラズマ式灰溶融炉が検討されている（特許文献１）。このプラズマ式灰溶融炉では、耐火材の摩耗などの炉の経時変化により、炉体の冷却損失熱量が変化した場合を考慮した制御ができないというがある。また、測定されるのは炉内温度であってスラグ温度ではないため、正確な温度管理ができないという欠点がある。更に、この灰溶融炉ではスラグ滞留量を考慮していないため、正確な制御を期待することができないという欠点がある。

また、炉内のスラグの温度をスラグ温度計を用いて計測しながら自動運転を行うとともに、スラグ温度計が不具合を起こした場合に備えて間接パラメータを計測し、スラグ温度計の温度と間接パラメータとの対応関係から異常を検出するプラズマ式灰溶融炉が検討されている（特許文献２）。この灰溶融炉においても、耐火材の摩耗などの炉の経時変化により、炉体の冷却損失熱量が変化した場合を考慮した制御ができないという欠点がある。また、上記と同様にスラグ滞留量を考慮していないため、正確な制御を期待することもできないという欠点を抱えている。
特開２００１−２８９４２７号公報（請求項１〜３） 特開２００３−２２２３１０号公報（請求項１）

本発明は上記従来技術の欠点を解消するために為されたものであり、本発明の目的は、耐火材の摩耗などの炉の経時変化により、炉体の冷却損失熱量が変化した場合にも、スラグの出滓量が低下せず、しかも安定したスラグ温度及びスラグ滞留量を適切な範囲に設定することにより、安定したスラグの出滓を確保し得るプラズマ式灰溶融炉の制御方法及びプラズマ式灰溶融炉を提供することである。

本発明のプラズマ式灰溶融炉の制御方法は、炉体冷却手段を備えた炉体に連続投入される灰を、プラズマトーチにより加熱溶融してスラグとして排出するプラズマ式灰溶融炉の制御方法であって、前記炉体冷却手段によって前記炉体から除去される炉体冷却損失熱量Ｑlrを求めるとともに、該炉体冷却損失熱量Ｑlrからプラズマ出力補正値Ｑps1を求め、該プラズマ出力補正値Ｑps1に基づいて前記プラズマトーチのプラズマ出力目標値Ｑpss1を求めることを特徴とする。

高温で運転されるプラズマ式灰溶融炉では、炉の経時変化等により耐火材が摩耗すると、トーチにより発生する熱量のうち、スラグの溶融に使用されずに炉本体の炉壁、炉蓋、出滓口などから炉体冷却手段により炉体の外部に出て行ってしまう熱量、即ち冷却損失熱量Ｑlrが多くなり、スラグの出滓量が次第に小さくなってくる。上記本発明の構成では、炉体冷却手段によって炉体から除去される炉体冷却損失熱量Ｑlrからプラズマ出力補正値Ｑps1を求め、このプラズマ出力補正値Ｑps1に基づいてプラズマトーチのプラズマ出力目標値Ｑpss1が求められるので、炉内の状態が一定でさえあれば、炉の耐火材が摩耗してもスラグの出滓量が低下することはなくなる。

また、本発明のプラズマ式灰溶融炉の制御方法は、前記プラズマトーチを冷却するトーチ冷却手段を更に備え、前記炉体内部におけるスラグ滞留量推定値Ｗsを、灰の投入速度Ｇash、及び所定の係数Ｋsにより表されるスラグ滞留量推定値Ｗsの変化率を表す下記の式
ｄ（Ｗs）／ｄｔ＝Ｇash−Ｋs・Ｗs …（２）
により推定するとともに、前記炉体の内部におけるスラグ温度推定値Ｔsを、スラグ比熱Ｃs、プラズマ出力Ｑt、前記炉体冷却損失熱量Ｑlr、前記トーチ冷却手段によって除去されるトーチ冷却損失熱量Ｑlt、前記炉体から排出されるスラグにより失われるスラグ持出熱量Ｑout、前記灰中に含まれる未燃分の燃焼及び前記灰とともに還元剤が前記炉体に投入される場合における該還元剤による発熱量Ｑc、及び前記炉体排出後の排出ガスに含まれる未燃分の燃焼による排ガス熱量Ｑgにより表される、前記炉体内の滞留スラグの熱量の変化率を表す下記の式
Ｃs・ｄ（Ｗs・Ｔs）／ｄｔ＝Ｑt＋Ｑc−Ｑg−Ｑlt−Ｑout−Ｑlr …（３）
により求め、更に、前記求めた前記スラグ滞留量推定値Ｗs及び前記スラグ温度推定値Ｔsに基づいてプラズマ出力補正値Ｑps2を求め、該プラズマ出力補正値Ｑps2と前記炉体に投入される灰の投入速度目標値Ｇashsに基づいて求められたプラズマ出力基準値Ｑps0との和により、又は、該プラズマ出力補正値Ｑps2と前記プラズマ出力目標値Ｑpss1との和により、前記プラズマトーチのプラズマ出力目標値Ｑpss2を求めることを特徴とする。

プラズマ式灰溶融炉では、安定したスラグの出滓を確保するためには、炉体内のスラグ温度及びスラグ滞留量を適切に保つことが必要であると考えられるが、これらを直接的に連続計測することが困難である。本発明の上記構成では、スラグ滞留量推定値Ｗs及びスラグ温度推定値Ｔsが求められ、これらに基づいてプラズマ式灰溶融炉の制御が行われるので、安定したスラグの出滓が確保される。

本発明のプラズマ式灰溶融炉は、連続投入される灰を貯留するとともに溶融後のスラグを排出する炉体と、前記炉体を冷却する炉体冷却手段と、灰を溶融させるためのプラズマを発生させるプラズマトーチと、該プラズマトーチの出力を調整する制御手段と、を備えたプラズマ式灰溶融炉であって、前記制御手段は、前記炉体冷却手段によって除去される炉体冷却損失熱量Ｑlrを求めるとともに、該炉体冷却損失熱量Ｑlrからプラズマ出力補正値Ｑps1を求め、該プラズマ出力補正値Ｑps1に基づいて前記プラズマトーチのプラズマ出力目標値Ｑpss1を求めることを特徴とする。

この構成により、炉体冷却手段によって炉体から除去される炉体冷却損失熱量Ｑlrからプラズマ出力補正値Ｑps1を求め、このプラズマ出力補正値Ｑps1に基づいてプラズマトーチのプラズマ出力目標値Ｑpss1が求められるので、炉内の状態が一定でさえあれば、炉の耐火材の摩耗によるスラグの出滓量の低下はなくなる。

また、本発明のプラズマ式灰溶融炉は、連続投入される灰を貯留するとともに溶融後のスラグを排出する炉体と、前記炉体を冷却する炉体冷却手段と、灰を溶融させるためのプラズマを発生させるプラズマトーチと、前記プラズマトーチを冷却するトーチ冷却手段と、該プラズマトーチの出力を調整する制御手段と、を備えたプラズマ式灰溶融炉であって、前記制御手段は、前記炉体内部におけるスラグ滞留量推定値Ｗsを、灰の投入速度Ｇash、及び所定の係数Ｋsにより表されるスラグ滞留量推定値Ｗsの変化率を表す下記の式
ｄ（Ｗs）／ｄｔ＝Ｇash−Ｋs・Ｗs …（２）
により推定するスラグ滞留量推定手段と、前記炉体の内部におけるスラグ温度推定値Ｔsを、スラグ比熱Ｃs、プラズマ出力Ｑt、前記炉体冷却手段によって除去される炉体冷却損失熱量Ｑlr、前記トーチ冷却手段によって除去されるトーチ冷却損失熱量Ｑlt、前記炉体から排出されるスラグにより失われるスラグ持出熱量Ｑout、前記灰中に含まれる未燃分の燃焼及び前記灰とともに還元剤が前記炉体に投入される場合における該還元剤による発熱量Ｑc、及び前記炉体排出後の排出ガスに含まれる未燃分の燃焼による排ガス熱量Ｑgにより表される、前記炉体内の滞留スラグの熱量の変化率を表す下記の式
Ｃs・ｄ（Ｗs・Ｔs）／ｄｔ＝Ｑt＋Ｑc−Ｑg−Ｑlt−Ｑout−Ｑlr …（３）
により推定するスラグ温度推定手段と、前記推定した前記スラグ滞留量推定値Ｗs及び前記スラグ温度推定値Ｔsに基づいてプラズマ出力補正値Ｑps2を求める第２プラズマ出力補正値演算手段と、を更に備え、前記制御手段は、該求められたプラズマ出力補正値Ｑps2と前記炉体に投入される灰の投入速度目標値Ｇashsに基づいて求められたプラズマ出力基準値Ｑps0との和により、又は、該求められたプラズマ出力補正値Ｑps2と前記プラズマ出力目標値Ｑpss1との和により、前記プラズマトーチのプラズマ出力目標値Ｑpss2を求めることを特徴とする。

この構成により、一般的には直接的に連続計測することが困難なスラグ滞留量及びスラグ温度の推定値が求められ、これらに基づいてプラズマ式灰溶融炉の制御が行われるので、安定したスラグの出滓が確保される。

本発明のプラズマ式灰溶融炉の制御方法及びプラズマ式灰溶融炉では、耐火材の損耗による炉体冷却損失熱量の増加が検知され、これに基づいてプラズマトーチのプラズマ出力が調整されるので、耐火材の経時変化によるスラグ出滓量の低下を抑制することができる。また、直接的に連続計測することが困難なスラグ滞留量及びスラグ温度が、それぞれスラグ滞留量推定値Ｗs及びスラグ温度推定値Ｔsとして求められ、これらに基づいてプラズマ式灰溶融炉の制御が行われるので、安定したスラグの出滓が確保される。

本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。

図１は本発明の一実施形態に係るプラズマ式灰溶融炉の概略構成を示す模式図であり、このプラズマ式灰溶融炉では、本発明のプラズマ式灰溶融炉の制御方法が実施される。同図に示すように、本実施形態のプラズマ式灰溶融炉は炉体１０を備え、この炉体１０は、炉本体１２と、炉蓋１４と、出滓口１６とを有している。また、炉体１０は灰供給機１８を備え、この灰供給機１８はスクリュウ２０の回転により、処理対象である灰を炉本体１２に連続的に供給する。更に、本実施形態では、炉蓋１４の略中央部にプラズマトーチ２２が設置されており、このプラズマトーチ２２は、プラズマトーチ保持昇降装置２４によって上下に移動することが可能となっている。プラズマトーチ２２にはプラズマ電源装置４１が接続され、このプラズマ電源装置４１は炉本体１２の底部に設けられた炉底電極２５にも接続されている。プラズマトーチ２２は、制御装置４０の制御の下にプラズマ電源装置４１から供給される電力により、炉底電極２５との間でプラズマを発生させ、灰供給機１８により供給される灰を溶融させる。また、本実施形態では、プラズマトーチの後方からは、緩やかに空気（プラズマ作動ガス）を送り込むことにより、発生したプラズマが炉本体１２内のスラグに向けられるように構成されている。

プラズマにより溶融した灰は、炉本体１２内の底部に滞留する溶融金属層２８と、その上に滞留する溶融スラグ層２６とに分離する。溶融スラグ層２６の溶融スラグは、矢印３１に示すように、炉本体１２から溢れて出滓口１６から排出される。また、炉体１０から排出されるガスは、矢印３０に示すように流れ、更に炉体１０の外部で燃焼用空気が加えられることにより完全に燃焼した後、溶融炉から排出される。この燃焼後の排ガスの流量Ｇg及び温度Ｔgは、流量計及び温度計（図示せず）によって計測される。

更に、本実施形態では、炉蓋１４に炉内の温度を計測する炉蓋温度計３２が設けられている。また、炉本体１２内の溶融スラグの様子を撮影するための炉内ＩＴＶ３４と、出滓口１６付近の様子を撮影するための出滓口ＩＴＶ３６とが設けられている。

本実施形態のプラズマ式灰溶融炉は、炉体冷却手段として、炉本体１２と炉蓋１４とに冷却水を流通させるための冷却管１５が設けられ、この冷却管１５には、冷却水の流量Ｇwを計測する流量計（図示せず）と、炉体１０に入る冷却水の温度（入口温度Ｔwi）を計測する温度計（図示せず）と、炉体１０から出てくる冷却水の温度（出口温度Ｔwo）を計測する温度計（図示せず）とが設けられている。また、本実施形態のプラズマ式灰溶融炉では、トーチ冷却手段として、プラズマトーチ２２を冷却する冷却水を流通させる冷却管（図示せず）が設けられており、この冷却管には、冷却水の流量Ｇwtを計測する流量計（図示せず）と、冷却水の入口温度Ｔwitを計測する温度計（図示せず）と、冷却水の出口温度Ｔwotを計測する温度計（図示せず）とが設けられている。なお、図１では、炉蓋１４に設けられた冷却管１５のみが画かれ、炉本体１２の冷却管、及びプラズマトーチ２２の冷却管は省略されている。また、上記では、炉体冷却手段としての冷却管１５は、炉本体１２及び炉蓋１４に設けられている構成を示したが、冷却管１５は、炉本体１２及び炉蓋１４に加えて出滓口１６をも冷却するように構成してもよい。

図２は図１のプラズマ式灰溶融炉の制御装置４０における制御系統を表している。本実施形態のプラズマ式灰溶融炉では、まず、予め決められた許容処理量に基づいて炉体１０に投入される灰の投入速度目標値Ｇashsが決定される。この灰の投入速度目標値Ｇashsに基づき、灰の嵩比重を考慮して灰供給機１８のスクリュウ２０の回転数が決められる。この灰の投入速度目標値Ｇashsはプラズマ出力基準値演算器４２に入力され、これに基づいてプラズマ出力基準値Ｑps0が求められる。

また、本実施形態では、炉本体１２及び炉蓋１４をに設けられた冷却管１５における冷却水の流速Ｇw（kg/h）と、炉体１０への冷却水の入口温度Ｔwi（℃）及び出口温度Ｔwo（℃）とが計測信号として炉体冷却損失熱量演算器４４に入力される。次に、これらの計測信号に基づいて、炉体冷却損失熱量Ｑlr（kcal/h）が求められる。具体的には、冷却水の比熱Ｃw（kcal/kg℃）として、下記の式（１）から求められる。

Ｑlr＝Ｃw・Ｇw・（Ｔwo−Ｔwi） …（１）
炉体冷却損失熱量演算器４４で求められた炉体冷却損失熱量Ｑlrは、次に第１プラズマ出力補正値演算器４６に入力される。第１プラズマ出力補正値演算器４６では、所定の計算式、予め作成された参照テーブル等に基づいてプラズマ出力補正値Ｑps1が求められる。第１プラズマ出力補正値演算器４６で求められたプラズマ出力補正値Ｑps1は、プラズマ出力基準値演算器４２から出力されるプラズマ出力基準値Ｑps0に加算され、プラズマ出力目標値Ｑpss1が求められる。

本実施形態では、前述の炉体冷却損失熱量演算器４４から出力される炉体冷却損失熱量Ｑlrは、スラグ温度・スラグ滞留量推定器４８にも入力される。また、スラグ温度・スラグ滞留量推定器４８には、灰供給機１８における実際の灰の投入速度Ｇash（kg/h）、排ガス流量Ｇg（Nm³/h）、排ガス温度Ｔg（℃）、プラズマトーチ２２におけるトーチ電流Ａt（Ａ）及びトーチ電圧Ｖt（Ｖ）、プラズマトーチ２２の冷却水の流速Ｇwt（kg/h）、入口温度Ｔwit（℃）及び出口温度Ｔwot（℃）の各計測値が入力される。また、スラグ温度・スラグ滞留量推定器４８には、所定の係数Ｋs（l/h）及びＫt（kcal/h/W）、スラグ比熱Ｃs（kcal/kg℃）、排ガス比熱Ｃpg（kcal/Nm³℃）が記憶されている。そして、スラグ温度・スラグ滞留量推定器４８は、これらの計測値及び定数に基づいて、炉体１０内部におけるスラグ滞留量推定値Ｗsを推定する。なお、上記の係数Ｋs、Ｋt、スラグ比熱Ｃs、排ガス比熱Ｃpgは、ほぼ一定値なので定数として扱うことができる。しかし、場合によっては変数として取り扱うことを否定するものではない。

スラグ滞留量推定値Ｗsは、具体的にはスラグ滞留量推定値Ｗsの変化率を表す下記の式
ｄ（Ｗs）／ｄｔ＝Ｇash−Ｋs・Ｗs …（２）
により求められる。また、スラグ温度・スラグ滞留量推定器４８は、炉体１０の内部におけるスラグ温度推定値Ｔsを、炉体１０内の滞留スラグの熱量の変化率を表す下記の式
Ｃs・ｄ（Ｗs・Ｔs）／ｄｔ＝Ｑt＋Ｑc−Ｑg−Ｑlt−Ｑout−Ｑlr …（３）
により推定する。

ここで、プラズマ出力Ｑtは、以下の式
Ｑt＝Ａt・Ｖt・Ｋt …（４）
により求められる。

また、Ｑcは、灰中に含まれる未燃分の燃焼による発熱量であり、灰とともに還元剤が炉体に投入される場合には、この還元剤による発熱量を含む量である。この発熱量Ｑcはプラズマ出力Ｑtに比較して十分に小さいので一定値として扱うことができるが、灰の供給量、還元剤供給量、炉蓋温度、プラズマトーチ２２の後方から炉体１０内への供給空気量（プラズマ作動ガス量）などの計測信号から求めてもよい。

Ｑltは、トーチ冷却損失熱量であり、このトーチ冷却損失熱量Ｑltは、下記の式
Ｑlt＝Ｃw・Ｇwt（Ｔwot−Ｔwit） …（５）
により求めることができる。

Ｑoutは、スラグ持出熱量であり、このスラグ持出熱量Ｑoutは、下記の式
Ｑout＝Ｃs・Ｋs・Ｗs・Ｔs …（６）
により求められる。

Ｑgは、炉体からの排出ガスによる排ガス熱量であり、この排ガス熱量Ｑgは、以下の式
Ｑg＝Ｃpg・Ｇg・Ｔg …（７）
により求められる。なお、上記の式は、更に詳細な熱収支の式に置き換えてもよい。

以上のようにしてスラグ温度・スラグ滞留量推定器４８で求められたスラグ滞留量推定値Ｗsとスラグ温度推定値Ｔsは、次に第２プラズマ出力補正値演算器５０に入力される。第２プラズマ出力補正値演算器５０は、スラグ温度推定値Ｔsの想定される変化域を３つのレベルに区分する閾値を記憶し、また、スラグ滞留量推定値Ｗsについても、想定される変化域を３つのレベルに区分する閾値を記憶している。これらの閾値は、実際のプラズマ式灰溶融炉の運転実績に基づいて決められる。そして、これらの閾値に基づいて、それぞれ３つのレベルの区分を縦横に配して構成したマトリックス５２を備えている。マトリックス５２の要素のそれぞれ対応して、採るべき動作が記憶されており、第２プラズマ出力補正値演算器５０は、スラグ温度・スラグ滞留量推定器４８から入力されたスラグ滞留量推定値Ｗsとスラグ温度推定値Ｔsとが、マトリックス５２上においてどの位置にあるかを判断し、その位置に応じてプラズマ出力補正値Ｑps2を出力する。

表１は、マトリックス５２に記憶されている動作を示している。同表に示すように、スラグ温度推定値Ｔsのレベルとスラグ滞留量推定値Ｗsのレベルとが等しい場合（表１において左上から右下への対角線上の場合）には、プラズマ出力補正値Ｑps2をゼロに設定する。また、スラグ温度推定値Ｔsのレベルがスラグ滞留量推定値Ｗsのレベルより低い場合には、そのレベル差に応じた大きさの正の値にプラズマ出力補正値Ｑps2を設定する。更に、スラグ温度推定値Ｔsのレベルがスラグ滞留量推定値Ｗsのレベルより高い場合には、そのレベル差に応じた大きさの絶対値を有する負の値にプラズマ出力補正値Ｑps2を設定する。

以上のようにしてプラズマ出力補正値Ｑps2が求められると、前述のプラズマ出力目標値Ｑpss1に加算されて、プラズマ出力目標値Ｑpss2が求められる。次に、このプラズマ出力目標値Ｑpss2は、除算器５４に入力される。除算器５４では、プラズマ出力目標値Ｑpss2をプラズマトーチの電圧Ｖtで除することにより、プラズマトーチ電流目標値Ｉpssが求められる。次に、このプラズマトーチ電流目標値Ｉpssはスイッチ５６を介してプラズマ電源装置４１に入力され、プラズマ電源装置４１からはプラズマトーチ電流目標値Ｉpssを電流値とする電流が出力されてプラズマトーチ２２（図１）に供給されることになる。

なお、スイッチ５６は、本実施形態のプラズマ式灰溶融炉が動作している場合には「REMOTE」で使用されるが、「LOCAL」とすると、マニュアルで設定したプラズマトーチ電流目標値Ｉpssがプラズマ電源装置４１に入力されるように構成されている。

以上の構成を有する本実施形態のプラズマ式灰溶融炉について、シミュレーションを行い、その結果を図３及び図４に示した。図３は、図１のプラズマ式灰溶融炉において、プラズマ出力を一定とし、本発明の制御を行わないで運転した場合のシミュレーションの結果を表している。また、図４は、図１のプラズマ式灰溶融炉において、本発明の制御を行い、プラズマ出力を補正しながら運転した場合のシミュレーションの結果を表している。図３及び図４におけるシミュレーションの初期値は、表２に示したとおりである。

本発明の制御を行わない図３の場合、プラズマ出力が一定なので時間とともに炉体冷却損失熱量Ｑlrが増加し、スラグ温度が低下してくることが分かる。これに対して、図４の本発明の制御を行ってプラズマ出力を補正した場合、炉体冷却損失熱量Ｑlrが徐々に増加するとプラズマ出力もこれに伴って徐々に増加し、スラグ温度の低下が抑制されることが分かる。

なお、上記実施形態では、補正値としてプラズマ出力補正値Ｑps1とプラズマ出力補正値Ｑps2との両方を求める場合について説明したが、本発明は、補正値としてプラズマ出力補正値Ｑps1のみを求める構成、即ち、図２において、スラグ温度・スラグ滞留量推定器４８及び第２プラズマ出力補正値演算器５０が存在しない構成とすることができる。この場合には、プラズマ出力基準値Ｑps0とプラズマ出力補正値Ｑps1との和であるプラズマ出力目標値Ｑpss1が除算器５４に入力されてプラズマトーチ電流目標値Ｉpssが求められる。

また、本発明は、補正値としてプラズマ出力補正値Ｑps2のみを求める構成、即ち、図２において、第１プラズマ出力補正値演算器４６が存在しない構成とすることができる。この場合には、プラズマ出力基準値Ｑps0とプラズマ出力補正値Ｑps2との和であるプラズマ出力目標値Ｑpss2が除算器５４に入力されてプラズマトーチ電流目標値Ｉpssが求められる。

更に、本実施形態では、マトリックス５２において、スラグ温度推定値Ｔsとスラグ滞留量推定値Ｗsとをそれぞれ３つのレベルに区分した場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、スラグ温度推定値Ｔsとスラグ滞留量推定値Ｗsとをそれぞれ２以上の複数に区分した構成とすることもできる。

本発明のプラズマ式灰溶融炉の制御方法及びプラズマ式灰溶融炉によれば、耐火材が経時変化してもスラグの出滓量が低下せず、しかも安定したスラグの出滓を確保し得るので、産業廃棄物の再利用の分野で利用することができる。

本発明の一実施形態に係るプラズマ式灰溶融炉の概略構成を示す模式図である。 図１のプラズマ式灰溶融炉の制御装置における制御系統を表す図である。 図１のプラズマ式灰溶融炉において、プラズマ出力を一定とし、本発明の制御を行わないで運転した場合のシミュレーションの結果を表す図である。 図１のプラズマ式灰溶融炉において、本発明の制御を行い、プラズマ出力を補正しながら運転した場合のシミュレーションの結果を表す図である。

符号の説明

１０ 炉体
１２ 炉本体
１４ 炉蓋
１５ 冷却管
１６ 出滓口
１８ 灰供給機
２２ プラズマトーチ
２４ プラズマトーチ保持昇降装置
２５ 炉底電極
２６ 溶融スラグ層
２８ 溶融金属層
３２ 炉蓋温度計
３４ 炉内ＩＴＶ
３６ 出滓口ＩＴＶ
４０ 制御装置
４１ プラズマ電源装置
４２ プラズマ出力基準値演算器
４４ 炉体冷却損失熱量演算器
４６ 第１プラズマ出力補正値演算器
４８ スラグ温度・スラグ滞留量推定器
５０ 第２プラズマ出力補正値演算器
５２ マトリックス
５４ 除算器
５６ スイッチ

Claims (22)

1. 炉体冷却手段を備えた炉体に連続投入される灰を、トーチ冷却手段を備えたプラズマトーチにより加熱溶融してスラグとして排出するプラズマ式灰溶融炉の制御方法であって、
   前記炉体冷却手段によって前記炉体から除去される炉体冷却損失熱量Ｑlrを求めるとともに、該炉体冷却損失熱量Ｑlrからプラズマ出力補正値Ｑps1を求め、該プラズマ出力補正値Ｑps1に基づいて前記プラズマトーチのプラズマ出力目標値Ｑpss1を求め、
   更に、前記炉体内部におけるスラグ滞留量推定値Ｗsを、灰の投入速度Ｇash、及び所定の係数Ｋsにより表されるスラグ滞留量推定値Ｗsの変化率を表す下記の式
   ｄ（Ｗs）／ｄｔ＝Ｇash−Ｋs・Ｗs …（２）
   により推定するとともに、
   前記炉体の内部におけるスラグ温度推定値Ｔsを、スラグ比熱Ｃs、プラズマ出力Ｑt、前記炉体冷却損失熱量Ｑlr、前記トーチ冷却手段によって除去されるトーチ冷却損失熱量Ｑlt、前記炉体から排出されるスラグにより失われるスラグ持出熱量Ｑout、前記灰中に含まれる未燃分の燃焼及び前記灰とともに還元剤が前記炉体に投入される場合における該還元剤による発熱量Ｑc、及び前記炉体排出後の排出ガスに含まれる未燃分の燃焼による排ガス熱量Ｑgにより表される、前記炉体内の滞留スラグの熱量の変化率を表す下記の式
   Ｃs・ｄ（Ｗs・Ｔs）／ｄｔ＝Ｑt＋Ｑc−Ｑg−Ｑlt−Ｑout−Ｑlr …（３）
   により推定し、更に、
   前記推定した前記スラグ滞留量推定値Ｗs及び前記スラグ温度推定値Ｔsに基づいてプラズマ出力補正値Ｑps2を求め、該プラズマ出力補正値Ｑps2と前記プラズマ出力目標値Ｑpss1との和により前記プラズマトーチのプラズマ出力目標値Ｑpss2を求めることを特徴とするプラズマ式灰溶融炉の制御方法。
2. 前記炉体冷却損失熱量Ｑlrは、前記炉体冷却手段の冷媒の比熱Ｃw、該冷媒の流量Ｇw、並びに該冷媒の前記炉体における入口温度Ｔwi及び出口温度Ｔwoに基づいて、下記の式
   Ｑlr＝Ｃw・Ｇw・（Ｔwo−Ｔwi） …（１）
   により求められることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ式灰溶融炉の制御方法。
3. 前記炉体に投入される灰の投入速度目標値Ｇashsに基づいてプラズマ出力基準値Ｑps0を求め、前記プラズマ出力基準値Ｑps0と前記プラズマ出力補正値Ｑps1との和を、前記プラズマトーチのプラズマ出力目標値Ｑpss1とすることを特徴とする請求項１又は２に記載のプラズマ式灰溶融炉の制御方法。
4. 前記炉体冷却手段は、前記炉体の炉本体及び炉蓋の冷却を行い、前記炉体冷却損失熱量Ｑlrは、前記炉本体及び前記炉蓋における冷却損失熱量から求められることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載のプラズマ式灰溶融炉の制御方法。
5. 前記炉体冷却手段は、前記炉体の炉本体、炉蓋及び出滓口の冷却を行い、前記炉体冷却損失熱量Ｑlrは、前記炉本体、前記炉蓋及び前記出滓口における冷却損失熱量から求められることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載のプラズマ式灰溶融炉の制御方法。
6. 前記スラグ温度推定値Ｔs及び前記スラグ滞留量推定値Ｗsの変化域をそれぞれ複数のレベルに区分する閾値を記憶し、前記スラグ温度推定値Ｔs及び前記スラグ滞留量推定値Ｗsと前記各閾値とを比較することにより、前記プラズマ出力補正値Ｑps2を求めることを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載のプラズマ式灰溶融炉の制御方法。
7. 前記スラグ温度推定値Ｔs及び前記スラグ滞留量推定値Ｗsの変化域をそれぞれ複数のレベルに区分し縦横に配してマトリックスを構成し、該マトリックス上において、
   前記スラグ温度推定値Ｔsのレベルと前記スラグ滞留量推定値Ｗsのレベルとが等しい場合には、前記プラズマ出力補正値Ｑps2をゼロに設定し、
   前記スラグ温度推定値Ｔsのレベルが前記スラグ滞留量推定値Ｗsのレベルより低い場合にはそのレベル差に応じた大きさの正の値に前記プラズマ出力補正値Ｑps2を設定し、
   前記スラグ温度推定値Ｔsのレベルが前記スラグ滞留量推定値Ｗsのレベルより高い場合にはそのレベル差に応じた大きさの絶対値を有する負の値に前記プラズマ出力補正値Ｑps2を設定する
   ことを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載のプラズマ式灰溶融炉の制御方法。
8. 前記プラズマ出力Ｑtは、前記プラズマトーチのトーチ電流Ａt及びトーチ電圧Ｖt、並びに所定の係数Ｋtから、下記の式
   Ｑt＝Ａt・Ｖt・Ｋt …（４）
   により求められることを特徴とする請求項１乃至７の何れかに記載のプラズマ式灰溶融炉の制御方法。
9. 前記トーチ冷却損失熱量Ｑltは、前記トーチ冷却手段の冷媒の比熱Ｃw、該冷媒の流量Ｇwt、該冷媒の前記トーチにおける入口温度Ｔwit及び出口温度Ｔwotに基づいて、下記の式
   Ｑlt＝Ｃw・Ｇwt（Ｔwot−Ｔwit） …（５）
   により求められることを特徴とする請求項１乃至８の何れかに記載のプラズマ式灰溶融炉の制御方法。
10. 前記スラグ持出熱量Ｑoutは、前記スラグ比熱Ｃs、及び所定の係数Ｋsとして、下記の式
    Ｑout＝Ｃs・Ｋs・Ｗs・Ｔs …（６）
    により求められることを特徴とする請求項１乃至９の何れかに記載のプラズマ式灰溶融炉の制御方法。
11. 前記排ガス熱量Ｑgは、排ガス比熱Ｃpg、排ガス流量Ｇg、及び排ガス温度Ｔgとして、以下の式
    Ｑg＝Ｃpg・Ｇg・Ｔg …（７）
    により求められることを特徴とする請求項１乃至１０の何れかに記載のプラズマ式灰溶融炉の制御方法。
12. 連続投入される灰を貯留するとともに溶融後のスラグを排出する炉体と、
    前記炉体を冷却する炉体冷却手段と、
    灰を溶融させるためのプラズマを発生させるプラズマトーチと、
    前記プラズマトーチを冷却するトーチ冷却手段と、
    該プラズマトーチの出力を調整する制御手段と、
    を備えたプラズマ式灰溶融炉であって、
    前記制御手段は、前記炉体冷却手段によって除去される炉体冷却損失熱量Ｑlrを求めるとともに、該炉体冷却損失熱量Ｑlrからプラズマ出力補正値Ｑps1を求め、該プラズマ出力補正値Ｑps1に基づいて前記プラズマトーチのプラズマ出力目標値Ｑpss1を求め、
    更に、前記制御手段は、前記炉体内部におけるスラグ滞留量推定値Ｗsを、灰の投入速度Ｇash、及び所定の係数Ｋsにより表されるスラグ滞留量推定値Ｗsの変化率を表す下記の式
    ｄ（Ｗs）／ｄｔ＝Ｇash−Ｋs・Ｗs …（２）
    により推定するスラグ滞留量推定手段と、
    前記炉体の内部におけるスラグ温度推定値Ｔsを、スラグ比熱Ｃs、プラズマ出力Ｑt、前記炉体冷却損失熱量Ｑlr、前記トーチ冷却手段によって除去されるトーチ冷却損失熱量Ｑlt、前記炉体から排出されるスラグにより失われるスラグ持出熱量Ｑout、前記灰中に含まれる未燃分の燃焼及び前記灰とともに還元剤が前記炉体に投入される場合における該還元剤による発熱量Ｑc、及び前記炉体排出後の排出ガスに含まれる未燃分の燃焼による排ガス熱量Ｑgにより表される、前記炉体内の滞留スラグの熱量の変化率を表す下記の式
    Ｃs・ｄ（Ｗs・Ｔs）／ｄｔ＝Ｑt＋Ｑc−Ｑg−Ｑlt−Ｑout−Ｑlr …（３）
    により推定するスラグ温度推定手段と、
    前記推定した前記スラグ滞留量推定値Ｗs及び前記スラグ温度推定値Ｔsに基づいてプラズマ出力補正値Ｑps2を求める第２プラズマ出力補正値演算手段と、を更に備え、
    前記制御手段は、該求められたプラズマ出力補正値Ｑps2と前記プラズマ出力目標値Ｑpss1との和により前記プラズマトーチのプラズマ出力目標値Ｑpss2を求めることを特徴とするプラズマ式灰溶融炉。
13. 前記制御手段は、前記炉体冷却手段の前記冷媒の比熱Ｃw、該冷媒の流量Ｇw、並びに前記炉体冷却手段の冷媒の前記炉体における入口温度Ｔwi及び出口温度Ｔwoに基づいて、下記の式
    Ｑlr＝Ｃw・Ｇw・（Ｔwo−Ｔwi） …（１）
    により前記炉体冷却損失熱量Ｑlrを求める炉体冷却損失熱量演算手段と、
    該炉体冷却損失熱量演算手段により求められた前記炉体冷却損失熱量Ｑlrから前記プラズマ出力補正値Ｑps1を求める第１プラズマ出力補正値演算手段と、
    を備えていることを特徴とする請求項１２記載のプラズマ式灰溶融炉。
14. 前記制御手段は、前記炉体に投入される灰の投入速度目標値Ｇashsからプラズマ出力基準値Ｑps0を求めるプラズマ出力基準値演算手段を更に備え、該プラズマ出力基準値演算手段により求められたプラズマ出力基準値Ｑps0と前記プラズマ出力補正値Ｑps1との和を、前記プラズマトーチのプラズマ出力目標値Ｑpss1とすることを特徴とする請求項１２又は１３記載のプラズマ式灰溶融炉。
15. 前記炉体冷却手段は、前記炉体の炉本体及び炉蓋の冷却を行い、前記制御手段における前記炉体冷却損失熱量演算手段は、前記炉本体及び前記炉蓋における冷却損失熱量から前記炉体冷却損失熱量Ｑlrを求めることを特徴とする請求項１２乃至１４の何れかに記載のプラズマ式灰溶融炉。
16. 前記炉体冷却手段は、前記炉体の炉本体、炉蓋及び出滓口の冷却を行い、前記制御手段における前記炉体冷却損失熱量演算手段は、前記炉本体、前記炉蓋及び前記出滓口における冷却損失熱量から前記炉体冷却損失熱量Ｑlrを求めることを特徴とする請求項１２乃至１４の何れかに記載のプラズマ式灰溶融炉。
17. 前記第２プラズマ出力補正値演算手段は、前記スラグ温度推定値Ｔs及び前記スラグ滞留量推定値Ｗsの変化域をそれぞれ複数のレベルに区分する閾値を記憶し、前記スラグ温度推定値Ｔs及び前記スラグ滞留量推定値Ｗsと前記各閾値とを比較することにより、前記プラズマ出力補正値Ｑps2を求めることを特徴とする請求項１２乃至１６の何れかに記載のプラズマ式灰溶融炉。
18. 前記第２プラズマ出力補正値演算手段は、前記スラグ温度推定値Ｔs及び前記スラグ滞留量推定値Ｗsの変化域をそれぞれ複数のレベルに区分し縦横に配して構成したマトリックスを備え、該マトリックス上において、
    前記スラグ温度推定値Ｔsのレベルと前記スラグ滞留量推定値Ｗsのレベルとが等しい場合には、前記プラズマ出力補正値Ｑps2をゼロに設定し、
    前記スラグ温度推定値Ｔsのレベルが前記スラグ滞留量推定値Ｗsのレベルより低い場合にはそのレベル差に応じた大きさの正の値に前記プラズマ出力補正値Ｑps2を設定し、
    前記スラグ温度推定値Ｔsのレベルが前記スラグ滞留量推定値Ｗsのレベルより高い場合にはそのレベル差に応じた大きさの絶対値を有する負の値に前記プラズマ出力補正値Ｑps2を設定する
    ことを特徴とする請求項１２乃至１６の何れかに記載のプラズマ式灰溶融炉。
19. 前記スラグ温度推定手段は、前記プラズマ出力Ｑtを、前記プラズマトーチのトーチ電流Ａt及びトーチ電圧Ｖt、並びに所定の係数Ｋtから、下記の式
    Ｑt＝Ａt・Ｖt・Ｋt …（４）
    により求めることを特徴とする請求項１２乃至１８の何れかに記載のプラズマ式灰溶融炉。
20. 前記スラグ温度推定手段は、前記トーチ冷却損失熱量Ｑltを、前記トーチ冷却手段の冷媒の比熱Ｃw、該冷媒の流量Ｇwt、該冷媒の前記トーチにおける入口温度Ｔwit及び出口温度Ｔwotに基づいて、下記の式
    Ｑlt＝Ｃw・Ｇwt（Ｔwot−Ｔwit） …（５）
    により求めることを特徴とする請求項１２乃至１９の何れかに記載のプラズマ式灰溶融炉。
21. 前記スラグ温度推定手段は、前記スラグ比熱Ｃs、及び所定の係数Ｋsとし、下記の式
    Ｑout＝Ｃs・Ｋs・Ｗs・Ｔs …（６）
    により表わされる前記スラグ持出熱量Ｑoutを用いることを特徴とする請求項１２乃至２０の何れかに記載のプラズマ式灰溶融炉。
22. 前記排ガス熱量Ｑgは、排ガス比熱Ｃpg、排ガス流量Ｇg、及び排ガス温度Ｔgとして、以下の式
    Ｑg＝Ｃpg・Ｇg・Ｔg …（７）
    により求められることを特徴とする請求項１２乃至２１の何れかに記載のプラズマ式灰溶融炉。

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