JP4025262B2 - スラグ流下状態評価装置 - Google Patents

Description

本発明は、スラグ流下状態評価装置に関し、特に、廃棄物焼却灰の溶融炉、又は、都市ごみを熱分解／ガス化する廃棄物処理設備に用いられる溶融炉についてのスラグ流下状態評価装置に関する。

まず、従来の溶融炉として、ガス化溶融炉について、図４に基づいて説明する。図４は、ガス化溶融炉の概略構成図である。
ガス化溶融炉１００では、まず、都市ゴミ等を吸塵機１０１から流動層１０３を備えたガス化炉１０２に投入し、５００℃〜６００℃で蒸し焼きにして不燃物と可燃ガスに分離する。ここで、不燃物は流動層から排出される。
そして、可燃ガス及び可燃ガスに同伴されるチャーと飛灰とを溶融炉１１０に送り込む。溶融炉１１０では、燃焼用の空気によって、１２００℃〜１４００℃で可燃ガス及びチャーを燃焼させて飛灰を溶融する。ここで、溶融炉１１０で発生した燃焼性排ガスはボイラドラム１３０に送られて水蒸気を分離させた後、冷却工程に回される。尚、ボイラドラム１３０からの蒸気流量は、蒸気弁１３１で調整される。また、溶融炉１１０のスラグ排出口１１１から排出する溶融スラグは水槽１２０に滴下されて水槽１２０中の冷却水１２１で冷却固化された後、固化スラグとして回収される。

上述した飛灰の溶融状態は、飛灰の塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ？）によって決まる飛灰の溶融温度と、可燃ガスの熱量によって決定される。ところが、投入されるゴミの成分が変動するため、飛灰の塩基度も可燃ガスの熱量も、それに合わせて変動し、可燃ガスの熱量減少あるいは飛灰の溶融温度上昇によって飛灰を溶融しきれない状態が発生しうる。そこで、こうした場合に備えて、溶融炉１１０の上部から、助燃料を投入して熱量を追加している。経済効率、環境対策、更には資源の有効活用といった観点から、助燃料の投入量はできるだけ少ない方が望ましい。しかし、助燃料が少なすぎると、スラグの溶融が止まってスラグ排出口１１１が閉塞し、正常な運転ができなくなるという重大な問題につながる。従って、これらを踏まえてスラグの溶融滴下状態を監視しながら、助燃料の投入量を最適化することが行われている。

ここで、スラグの溶融滴下状態を評価する方法として、従来から、溶融滴下するスラグをモニタカメラで撮像してスラグ流下画像を取得し、画像処理手法によって、スラグの溶融滴下状態を評価する方法がある（特許文献１〜３参照）。
しかしながら、この方法では、スラグ滴下部がダーティな雰囲気であるため、モニタカメラの視界が悪く、十分にスラグ滴下状態を評価することができない場合がある。また、スラグが滴下の途中で冷却固化してスラグ排出口を閉塞することがないように、排出口付近を断熱壁で覆って温度低下を防ぐ構造をとっている場合、モニタカメラで内部を撮像するための覗き窓の大きさや設定位置が大きく限定されることになり、スラグの滴下軌道が覗き窓の視野から外れる可能性がある。この場合、モニタカメラで滴下スラグを撮像できないため、正しくスラグの溶融滴下状態を評価することができない。

スラグの溶融滴下状態を評価する別の方法として、従来から、冷却水中にハイドロフォン（水中マイク）を設置して、スラグの冷却水への水中落下凝固音を計測することにより、スラグの溶融滴下状態を監視する方法もある（特許文献４参照）。この方法においては、モニタカメラを用いる上述の方法と比べて、スラグが見えない場合でも安定してスラグ落下状況の評価を行うことができる。この方法では、水中マイクが出力した信号に対して増幅器及びバンドパスフィルタを適用させることにより、水中落下凝固音を含む所定の帯域信号を通過させて雑音成分を除去している（特許文献４参照）。

特開２０００−１８５４１号公報 特開平１１−２６４５３３号公報 特開平７−１２６６６３号広報 特開平６−１７０６１号広報

しかしながら、冷却水中に設置した水中マイクでスラグの冷却水への水中落下凝固音を計測することによりスラグの溶融滴下状態を監視する方法では、冷却水槽周辺のスラグ搬送コンベア、冷却水供給ポンプ、ポンプ制御スイッチなどが発する定常的な雑音や、配管清掃などガス化溶融炉の通常メンテナンス作業（主に、作業員が人手で行う作業）などで発生する非定常的な雑音を、水中マイクが拾ってしまう。そして、これらの雑音は広い周波数帯域を持つため、スラグの水中落下凝固音にあわせて帯域設定されたバンドパスフィルタによっても除去することができず、正しくスラグの溶融滴下状態を評価することが困難となる。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、スラグの水中落下凝固音に基づいて正確にスラグの溶融滴下状態を評価することができる、スラグ流下状態評価装置を提供するものである。

課題を解決するための手段及び効果

上記課題を解決するために、本発明に係るスラグ流下状態評価装置は、溶融炉から排出されたスラグを冷却固化する冷却水中に設けられ、当該スラグの水中落下凝固音を計測する水中マイクと、前記水中マイクから出力された音信号を処理する信号処理手段とを有するスラグ流下状態評価装置であって、前記信号処理手段は、前記音信号の絶対値検波を行う絶対値検波手段と、前記絶対値検波手段により絶対値検波が行われた音信号に対して包絡線抽出を行う包絡線検出手段と、を有することを特徴とする。

本発明に係るスラグ流下状態評価装置によると、水中マイクで出力された音信号に対して包絡線抽出を行うことにより、周波数の情報をつぶして音量レベルの情報のみにしてスラグの流下状態を評価している。従って、水中マイクから出力された音信号に関して、スラグの水中落下凝固音と周波数帯域が重複するが音量レベルがより小さい、冷却水槽周辺のスラグ搬送コンベア、冷却水供給ポンプ、ポンプ制御スイッチ等が発する定常的な雑音を簡単に区別することができ、スラグの水中落下凝固音を正確に評価することができる。

また、本発明に係るスラグ流下状態評価装置は、前記信号処理手段が、前記包絡線検出手段により包絡線抽出が行われた音信号に対し、ローパスフィルタ処理を行うローパスフィルタ、を更に有することが好ましい。

この構成によると、水中マイクで出力された音信号に対して包絡線抽出を行ったうえでローパスフィルタ処理を行うことにより、パルス状に発生する音信号を除去してスラグの流下状態を評価している。従って、水中マイクから出力された音信号に関して、スラグの水中落下凝固音と周波数帯域も音量レベルも類似するが連続性がなくパルス状に発生して音量レベルの維持時間が短い突発音である、配管清掃等溶融炉の通常メンテナンス作業などに伴う非定常的な雑音を除去することができ、スラグの水中落下凝固音をより正確に評価することができる。

また、本発明に係るスラグ流下状態評価装置は、前記ローパスフィルタが、非定常的な突発音の継続時間よりも長く、且つ、前記スラグの流下の有無の境界判別誤差が大きくならない程度に短い範囲で時定数が設定されることが好ましい。

この構成によると、ローパスフィルタは、非定常的な突発音の継続時間よりも長く、且つ、スラグの流下の有無の境界判別誤差が大きくならない程度に短い範囲で時定数を持っている。従って、非定常的な突発音を十分に減衰でき、且つ、スラグの流下の有無の境界判別の精度も保つことができる。
尚、突発的な非定常的な雑音の継続時間は１秒程度であるから、ローパスフィルタの時定数は５秒程度であることが望ましい。

以下、図面を参照しつつ、本発明を実施するための最良の形態について説明する。

まず、本実施の形態に係るスラグ流下状態評価装置について、図１に基づいて説明する。図１は、本実施の形態に係るスラグ流下状態評価装置をガス化溶融炉に適用した場合の概略構成図である。

図１に示すように、ガス化溶融炉の溶融炉１では、可燃ガスを燃焼した熱で飛灰が溶融し、溶融スラグ１０として溶融炉１の底に溜まる。尚、燃焼ガス１５は、燃焼ガス排出口２から後処理工程に回される。
溶融炉１の底は斜めに傾いており、この傾斜を溶融スラグ１０が流動し、スラグ排出口３に取り付けられた樋３ａからスラグ排出シュート４内に滴下する。そして、スラグ排出シュート４の下には、冷却水５ａを貯めた水槽５が設置してあり、スラグ排出シュート４内を滴下した流下スラグ１１は冷却水５ａに落下し、凝固して固化スラグ１２となる。ここで、冷却水５ａは、スラグ排出シュート４の下側が水没するように水位が調整される。
尚、固化スラグ１２は、水槽５の底に設置されたベルトコンベア６で受けられ、スラグ落下口７まで運ばれる。そして、スラグ落下口７から落下した固化スラグ１２はリサイクルに回される。

ここで、スラグ排出シュート４に滴下する流下スラグ１１は、水中マイク２１と、信号処理回路（信号処理手段）３０と、から構成されているスラグ流下状態評価装置２０により監視される。
水中マイク２１は、スラグ排出シュート４のうち、冷却水５ａの水面下に没している部分に取り付けられる。この水中マイク２１は、流下スラグ１１の冷却水５ａへの水中落下凝固音を採取し、電気信号に変換して信号処理回路３０に送るように構成されている。そして、水中マイク２１から出力された電気信号は、信号処理回路３０で処理される。尚、信号処理回路３０で処理された結果は、中央制御室４０に送られ、溶融炉１の助燃料投入量や空気吹き込み量の制御に利用される。

次に、本実施の形態に係る信号処理回路について、図２に基づいてより詳細に説明する。図２は、本実施の形態に係る信号処理回路のブロック線図である。

図２に示すように、信号処理回路３０において、水中マイク２１で捉えられた流下スラグ１１の水中落下凝固音に関する音信号は、一旦ゲインアンプ３１でゲイン調整された後、絶対値検波部（絶対値検波手段）３２に送られる。
絶対値検波部３２では、音信号の負領域がカットされる。

絶対値検波部３２から出力された出力信号は、次に、包絡線検出部（包絡線検出手段）３３に送られ、包絡線検出が行われる。
本実施の形態においては、包絡線検出部３３では、ピークホールド方式を用いて包絡線の検出が行われる。尚、ピークホールド方式とは、信号値の上昇時はハイパスフィルタ、下降時はローパスフィルタを通す方式である。
ここで、音信号は３０Ｈｚ〜１０ｋＨｚ程度の領域であるが、対象となるスラグの水中落下凝固音は１ｋＨｚ前後であるため、包絡線検出部３３では、上昇時のハイパスフィルタの時定数は１ｍｓｅｃ前後、下降時のローパスフィルタの時定数は３０ｍｓｅｃ前後となるように設定するのが望ましい。

包絡線検出部３３から出力された出力信号は、次に、ローパスフィルタ３４に送られ、ローパスフィルタ処理が行われる。
ここで、除去したい突発的な非定常的な雑音の継続時間は１秒程度であり、ローパスフィルタ３４の時定数はこれよりも長い方が好ましいが、一方でローパスフィルタ３４の時定数をあまりに長くするとスラグの流下の有無の境界判別誤差が大きくなるため、ローパスフィルタ３４では、時定数を５秒程度に設定するのが望ましい。

次に、上述した本実施形態に係るスラグ流下状態評価装置において、実際に処理されたスラグの水中落下凝固音に関する音信号についての一例を、図３に基づいて説明する。
図３は、本実施形態に係るスラグ流下状態評価装置における信号処理の結果例であり、（ａ）は水中マイク音信号（ゲインアンプ出力信号）であり、（ｂ）は絶対値検波部出力信号であり、（ｃ）は包絡線検出部出力信号であり、（ｄ）はローパスフィルタ出力信号である。尚、図３において、横軸は時間、縦軸は信号レベルを表す。また、両軸とも単位は任意であるが、例えば、横軸の単位を時間[秒]、縦軸の単位を電圧[Ｖ]とする。

図３（ａ）は、水中マイク２１で捉えた流下スラグ１１の水中落下凝固音に関する音信号をゲインアンプ３１でゲイン調整したものである。ここでは、本実施形態に係るスラグ流下状態評価装置２０における信号処理の結果を分かりやすくするため、Ａ領域ではスラグ流下があるが、Ｂ領域ではスラグ流下がないものとする。

図３（ｂ）は、ゲインアンプ３１からの出力信号を絶対値検波部３２において絶対値検波したものである。図３（ｂ）に示すように、信号の負領域が消えて、正領域のみになっている。
尚、絶対値検波を行う理由は、信号が正負に触れていては、包絡線検出部３３において、ピークホールド方式での正確な包絡線検出ができないためである。

図３（ｃ）は、絶対値検波部３２からの出力信号を包絡線検出部３３においてピークホールド方式で包絡線検出したものである。図３（ｃ）に示すように、音の周波数領域の振動が消えて、音量レベルのみの情報となっている。
尚、この時点で、Ｂ領域の突発的な雑音信号がなければ、定常的な雑音レベルと流下スラグ１１の水中落下凝固音の信号レベルが明らかに異なるレベルであり、容易に分離可能であることが分かる。

図３（ｄ）は、包絡線検出部３３からの出力信号をローパスフィルタ３４においてローパスフィルタ処理したものである。図３（ｄ）に示すように、図３（ｃ）に現れていたＢ領域の突発的な雑音信号の音量レベルが抑制されて、簡単な閾値処理によりスラグ流下の有無を評価することができる。

このように、本実施形態に係るスラグ流下状態評価装置２０では、水中マイク２１で出力された音信号に対して包絡線検出部３３において包絡線抽出を行うことにより、周波数の情報をつぶして音量レベルの情報のみにして流下スラグ１１の流下状態を評価している。
その結果、水中マイク２１から出力された音信号に関して、流下スラグ１１の水中落下凝固音と周波数帯域が重複するが音量レベルがより小さい、水槽５周辺のスラグ搬送コンベア、冷却水供給ポンプ、ポンプ制御スイッチ等が発する定常的な雑音を簡単に区別することができ、流下スラグ１１の水中落下凝固音を正確に評価することができる。

また、本実施形態に係るスラグ流下状態評価装置２０では、水中マイク２１で出力された音信号に対して包絡線検出部３３において包絡線抽出を行ったうえでローパスフィルタ３４においてローパスフィルタ処理を行うことにより、パルス状に発生する音信号を除去して流下スラグ１１の流下状態を評価している。
その結果、水中マイク２１から出力された音信号に関して、流下スラグ１１の水中落下凝固音と周波数帯域も音量レベルも類似するが連続性がなくパルス状に発生して音量レベルの維持時間が短い突発音である、配管清掃等溶融炉の通常メンテナンス作業などに伴う非定常的な雑音を除去することができ、流下スラグ１１の水中落下凝固音をより正確に評価することができる。

また、本実施形態に係るスラグ流下状態評価装置２０では、ローパスフィルタ３４は、非定常的な突発音の継続時間である１秒程度よりも長く、且つ、流下スラグ１１の流下の有無の境界判別誤差が大きくならない程度に短い範囲である５秒程度の時定数を持っている。
その結果、非定常的な突発音を十分に減衰でき、且つ、流下スラグ１１の流下の有無の境界判別の精度も保つことができる。

更に、本実施形態に係るスラグ流下状態評価装置２０によると、モニタカメラを用いるスラグ流下状態評価装置と比べて、流下スラグ１１が見えない場合でも安定してスラグ落下状況の評価を行うことができる。また、従来の水中マイクを用いるスラグ流下状態評価装置と比べて、複雑なアルゴリズムや高価な装置を用いることなく、低コストで容易に流下スラグ１１の有無を判別することが可能である。

以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明は、前記実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいてさまざまな変更が可能なものである。

本実施の形態に係るスラグ流下状態評価装置をガス化溶融炉に適用した場合の概略構成図である。 本実施の形態に係る信号処理回路のブロック線図である。 本実施形態に係るスラグ流下状態評価装置における信号処理の結果例であり、（ａ）は水中マイク音信号（ゲインアンプ出力信号）であり、（ｂ）は絶対値検波部出力信号であり、（ｃ）は包絡線検出部出力信号であり、（ｄ）はローパスフィルタ出力信号である。 ガス化溶融炉の概略構成図である。

符号の説明

１ 溶融炉
３ スラグ排出口
４ スラグ排出シュート
５ａ 冷却水
１０ 溶融スラグ
１１ 流下スラグ
１２ 固化スラグ
２０ スラグ流下状態評価装置
２１ 水中カメラ
３０ 信号処理回路（信号処理手段）
３２ 絶対値検波部（絶対値検出手段）
３３ 包絡線検出部（包絡線検出手段）
３４ ローパスフィルタ

Claims (1)

1. 溶融炉から排出されたスラグを冷却固化する冷却水中に設けられ、当該スラグの水中落下凝固音を計測する水中マイクと、前記水中マイクから出力された音信号を処理する信号処理手段とを有するスラグ流下状態評価装置であって、
   前記信号処理手段は、
   前記音信号の絶対値検波を行う絶対値検波手段と、
   前記絶対値検波手段により絶対値検波が行われた音信号に対して包絡線抽出を行う包絡線検出手段と、
   前記包絡線検出手段により包絡線抽出が行われた音信号に対し、ローパスフィルタ処理を行うローパスフィルタと、を有し、
   前記ローパスフィルタは、
   非定常的な突発音の継続時間よりも長く、且つ、前記スラグの流下の有無の境界判別誤差が大きくならない程度に短い範囲で時定数が設定されることを特徴とするスラグ流下状態評価装置。

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