JP7477060B1 - 嵩密度検出方法及び装置、並びに含水率算出方法及び装置、コークスの製造方法 - Google Patents

嵩密度検出方法及び装置、並びに含水率算出方法及び装置、コークスの製造方法 Download PDF

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Abstract

特殊な装置を用いることなく高精度に嵩密度を検出することができる嵩密度検出方法及び装置、並びに含水率算出方法及び装置、コークスの製造方法を提供する。対象物にマイクロ波を発信して前記対象物の嵩密度を検出する嵩密度検出方法であって、複数の波長毎の発信マイクロ波を前記対象物へ発信するマイクロ波発信工程と、前記対象物を透過した前記発信マイクロ波を受信マイクロ波として複数の波長毎に受信するマイクロ波受信工程と、前記発信マイクロ波と前記受信マイクロ波とのエネルギー差である減衰量を複数の波長毎に算出する減衰量算出工程と、算出された前記減衰量と前記減衰量に対応する波長との関係について、予め決定された定形波長分布に基づく前記減衰量の波長分布を抽出すると共に、前記波長分布において前記定形波長分布に含まれる予め決定された代表波長を特定する波長特定工程と、特定された前記代表波長に基づいて、前記対象物の嵩密度を検出する嵩密度検出工程と、を有する。

Description

本発明は、マイクロ波を用いて対象物の嵩密度を検出する嵩密度検出方法及び装置、並びに含水率算出方法及び装置、コークスの製造方法に関するものである。
製鉄工場において、コークスの原料となる石炭は、ベルトコンベアで運搬され、調湿機によって乾燥された後にコークス炉に投入される。一般的には原料石炭の含水率が低いほど、コークスの品質は向上する。しかし含水率が低すぎる場合には、運搬中の石炭の粉塵発生量の増加や、発火の危険性、コークス炉の押し詰まりといった問題を発生させる。このため、含水率を所定範囲に制御することが必要である。
そこで、石炭の含水率を測定する技術として、マイクロ波を利用するものがある。ベルトコンベア上の石炭にマイクロ波が照射され、石炭におけるマイクロ波の伝播特性の変化から、石炭の含水率が測定される(例えば特許文献1-3参照)。特許文献1には、スクレーパーを使って嵩密度を物理的に均一にし、ベルトコンベア上の石炭の表面を均すことが開示されている。特許文献2には、石炭層内に水分計を埋め込むことで、嵩密度の変動の影響を受けることなく含水量を測定する方法が提案されている。特許文献3には、被測定物を透過していないマイクロ波と被測定物を透過した後のマイクロ波との間の減衰量と位相量から、被測定物の密度及び含水率の双方を測定する方法が開示されている。
特開平7-55726号公報 特開平6-129980号公報 特開2019-70535号公報
マイクロ波を利用した水分測定技術では、嵩密度の情報が必要になる。通常、嵩密度は、放射線の一種であるガンマ線が物質中を通過する際に弱められるという性質を利用して測定される。しかしながら、ガンマ線は取扱いが厳しく規制されており、ガンマ線を用いて嵩密度を測定する方法は管理コストがかかる。一方、特許文献1、2のように、嵩密度を測定せずにスクレーパーで均一にする場合、被測定物の搬送量の変動による層厚の変動が大きく、被測定物の表面がスクレーパーよりも下にある場合に、補正が不可能になってしまう。また、スクレーパーによって被測定物が跳ね飛ばされるため、ベルトコンベアから被測定物が落下する課題がある。さらに、特許文献3のように減衰量と位相量から被測定物の密度を測定した場合、高精度な嵩密度の測定は困難である。
本発明は、上記課題を解決すべく、特殊な装置を用いることなく高精度に嵩密度を検出することができる嵩密度検出方法及び装置、並びに含水率算出方法及び装置、コークスの製造方法を提供することにある。
[1]対象物にマイクロ波を発信して前記対象物の嵩密度を検出する嵩密度検出方法であって、複数の波長毎の発信マイクロ波を前記対象物へ発信するマイクロ波発信工程と、前記対象物を透過した前記発信マイクロ波を受信マイクロ波として複数の波長毎に受信するマイクロ波受信工程と、前記発信マイクロ波と前記受信マイクロ波とのエネルギー差である減衰量を複数の波長毎に算出する減衰量算出工程と、算出された前記減衰量と前記減衰量に対応する波長との関係について、予め決定された定形波長分布に基づく前記減衰量の波長分布を抽出すると共に、前記波長分布において前記定形波長分布に含まれる予め決定された代表波長を特定する波長特定工程と、特定された前記代表波長に基づいて、前記対象物の嵩密度を検出する嵩密度検出工程と、を有する嵩密度検出方法。
[2]前記代表波長と嵩密度との関係を示す嵩密度テーブルを用いて前記代表波長から前記対象物の嵩密度を検出する、[1]に記載の嵩密度検出方法。
[3][1]又は[2]に記載の嵩密度検出方法により前記対象物の嵩密度を検出し、前記発信マイクロ波と前記受信マイクロ波との位相差及びエネルギー差と、前記嵩密度とを用いて、前記対象物の含水率を算出する、含水率算出方法。
[4]前記嵩密度をQ(kg/m)、前記発信マイクロ波と前記受信マイクロ波との位相差をφ(deg)、前記減衰量をD(dB)、係数をA、B、Cとしたとき、前記対象物の含水率W(%)は、下記の式(1)により算出される、[3]に記載の含水率算出方法。
W=(A×φ/Q)+(B×D/Q)+C ・・・(1)
[5][3]に記載の含水率算出方法により石炭の含水率を算出し、算出した前記含水率に基づいて、前記含水率が予め設定された範囲内の値に収まるように前記石炭を乾燥させ、乾燥させた前記石炭をコークス炉にて乾留する、コークスの製造方法。
[6][4]に記載の含水率算出方法により石炭の含水率を算出し、算出した前記含水率に基づいて、前記含水率が予め設定された範囲内の値に収まるように前記石炭を乾燥させ、乾燥させた前記石炭をコークス炉にて乾留する、コークスの製造方法。
[7]対象物にマイクロ波を発信して前記対象物の嵩密度を検出する嵩密度検出装置であって、複数の波長毎の発信マイクロ波を前記対象物へ発信するマイクロ波発信部と、前記対象物を透過した前記発信マイクロ波を受信マイクロ波として複数の波長毎に受信するマイクロ波受信部と、前記発信マイクロ波と前記受信マイクロ波とのエネルギー差である減衰量を複数の波長毎に算出する減衰量算出部と、算出された前記減衰量と前記減衰量に対応する波長との関係について、予め決定された定形波長分布に基づく前記減衰量の波長分布を抽出すると共に、前記波長分布において前記定形波長分布に含まれる予め決定された代表波長を特定する波長特定部と、特定された前記代表波長に基づいて、前記対象物の嵩密度を検出する嵩密度検出部と、を有する嵩密度検出装置。
[8]前記対象物の嵩密度を検出する[7]に記載の嵩密度検出装置と、前記発信マイクロ波と前記受信マイクロ波との位相差及びエネルギー差と、前記嵩密度とを用いて、前記対象物の含水率を算出する含水率算出部と、を有する、含水率算出装置。
[9]前記対象物の前記嵩密度又は前記対象物の前記含水率を表示する表示装置をさらに備える、[8]に記載の含水率算出装置。
本発明によれば、複数の波長毎のマイクロ波の減衰量に基づいて嵩密度を検出することにより、特殊な装置を用いることなく高精度に嵩密度を検出することができる。
図1は、本発明の嵩密度検出装置を用いた含水率算出装置の好ましい実施形態を示す模式図である。 図2は、本発明の嵩密度検出装置の好ましい実施形態を示すブロック図である。 図3は、マイクロ波の波長と減衰量との関係を異なる嵩密度の対象物毎に測定したときの一例を示すグラフである。 図4は、図3の実験結果に基づく嵩密度と代表波長との関係を示すグラフである。
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。図1は、本発明の嵩密度検出装置を用いた含水率算出装置の好ましい実施形態を示す模式図である。図1の含水率算出装置1は、例えば切出装置2からベルトコンベア3上に供給された対象物Sである石炭の含水率を算出する。対象物Sは、ベルトコンベア3に代表される運搬装置によって調湿機に運搬される。調湿機は、含水率算出装置1により算出された含水率に基づいて、含水率が設定範囲内に収まるように対象物Sを乾燥する。その後、乾燥された対象物S(石炭)がコークス炉に投入されてコークスが製造される。
含水率算出装置1は、嵩密度検出装置20と、含水率算出部30とを有する。嵩密度検出装置20は、ベルトコンベア3上の対象物Sに発信マイクロ波を発信するマイクロ波発信部11と、対象物Sを透過した発信マイクロ波を受信マイクロ波として受信するマイクロ波受信部12と、発信マイクロ波と受信マイクロ波との位相差及びエネルギー差(減衰量)を算出するマイクロ波評価部13とを備える。
マイクロ波発信部11とマイクロ波受信部12とは、それぞれ例えばアンテナからなっており、対象物Sを挟んで互いに対向する位置に位置決めされている。なお、マイクロ波の波長及びマイクロ波発信部11とマイクロ波受信部12との距離等は、対象物Sの種類(石炭の銘柄)に応じて適宜設定することができる。
マイクロ波評価部13は、例えばコンピュータ等のハードウェア資源からなる。マイクロ波評価部13は、ケーブルを介してマイクロ波発信部11及びマイクロ波受信部12にそれぞれ接続され、マイクロ波発信部11及びマイクロ波受信部12の動作を制御する。具体的には、マイクロ波評価部13は、マイクロ波発信部11から所定のエネルギー及び位相の発信マイクロ波を発信すると共に、その発信マイクロ波を受信したときの受信マイクロ波の位相及びエネルギーを取得する。そして、マイクロ波評価部13は、発信されたマイクロ波の波長毎に、発信マイクロ波と受信マイクロ波との位相差及びエネルギー差を算出する。
含水率算出部30は、例えばコンピュータ等のハードウェア資源からなっており、マイクロ波評価部13により算出された位相差及びエネルギー差である減衰量と、マイクロ波評価部13により検出された嵩密度とを用いて、対象物Sの含水率を算出する。ここで、対象物Sの含水率の算出に用いられる嵩密度は、波長特定部22により特定された代表波長に基づき、嵩密度検出部23により検出された嵩密度である。対象物Sの含水率の算出に用いられる位相差は、位相差算出部13aから送信された波長毎の位相差のうち、波長特定部22により特定された代表波長に基づいて選択された位相差である。対象物Sの含水率の算出に用いられる減衰量は、減衰量算出部21から送信された波長毎の減衰量のうち、波長特定部22により特定された代表波長に基づいて選択された減衰量である。ここで、含水率算出部30は、位相差をφ(deg)、減衰量をD(dB)、嵩密度をQ(kg/m)としたとき、下記の式(1)により対象物Sの含水率W(%)を算出する。
W=(A×φ/Q)+(B×D/Q)+C ・・・(1)
なお、式(1)のA、B、Cは係数であって、対象物Sの種類(石炭の銘柄)、マイクロ波発信部11及びマイクロ波受信部12の距離、ベルトコンベア3の材質及び厚さ等に応じて予め設定される。これにより、対象物Sの層厚が大きく変動する場合であっても、ベルトコンベア3から対象物Sを落下させることなく確実に対象物Sの含水率を算出することができる。また、式(1)のA、B、Cは係数であって、事前に用意された多くのサンプル(対象物S)を用いて予め決定された係数であってもよい。具体的に、事前に用意された各サンプルについて、JIS規格(JIS M 8811:2000、石炭類及びコークス類-ロットの全水分測定方法、分析水分)に基づき含水率Wを算出しておく。加えて、事前に用意された各サンプルについて、位相差φと、減衰量Dと、嵩密度Qとについても測定しておく。そして、複数のサンプル(少なくとも3種以上の対象物S)に関する含水率Wと、位相差φと、減衰量Dと、嵩密度Qとに基づいて、式(1)の係数A、B、Cについて決定しておいてもよい。
ここで、上述した嵩密度は、嵩密度検出装置20によってマイクロ波を利用して検出される。図2は本発明の嵩密度検出装置20の好ましい実施形態を示すブロック図である。上述した図1及び図2の含水率算出装置1のマイクロ波発信部11及びマイクロ波受信部12は、嵩密度検出装置20の構成としても機能する。嵩密度を検出する際には、マイクロ波発信部11は、複数の異なる波長のマイクロ波を対象物Sへ発信する。マイクロ波発信部11は、例えば0.070~0.100(m)の波長域の範囲で掃引しながら、複数の波長のマイクロ波を発信する。なお、マイクロ波の波長域は、これに限定されず、対象物Sの種類又は特性等によって適宜設定することができる。マイクロ波受信部12は、複数の異なる波長毎に受信マイクロ波を受信する。
さらに、嵩密度検出装置20は、減衰量算出部21と、波長特定部22と、嵩密度検出部23と、を備える。なお、図1及び図2において、これらの構成がマイクロ波評価部13内に構築されている場合について例示しているが、これに限らず、マイクロ波評価部13とデータ伝送可能なコンピュータ等からなっていてもよい。また、マイクロ波評価部13における位相差算出部13aは、含水率算出装置1の構成として機能するものであり、上述の通り、含水率を算出する際に、発信マイクロ波と受信マイクロ波との位相差φを算出する。
減衰量算出部21は、発信マイクロ波に対する受信マイクロ波とのエネルギー差である減衰量を複数の波長毎に算出する。図3は、嵩密度が異なる4種類の対象物について、マイクロ波の波長と減衰量との関係を調査した結果を示す。図3に示す対象物は、嵩密度が685kg/m、760kg/m、791kg/m、840kg/mである。なお、図3において、対象物Sとして石炭を使用し、幅30×奥行30×高さ10cmのマイクロ波への影響がないアクリル容器を用意し、石炭の切出しに使用しているホッパーを模擬した装置を用いて容器内に石炭を装入した。そして、アクリル容器内の石炭に対し、波長毎のマイクロ波の減衰量を計測したものである。また、嵩密度はアクリル容器内の石炭の重量とアクリル容器の容積から算出した。図3に示すように、マイクロ波を対象物Sに発信させた場合における当該マイクロ波の波長と、発信マイクロ波に対する受信マイクロ波とのエネルギー差である減衰量との関係は、嵩密度によって変化する。
減衰量算出部21は、含水率算出装置1において含水率を算出する際に用いる減衰量を算出する機能を有する。このとき、減衰量を求める際に使用される波長は限定されず、嵩密度を検出するために発信されるマイクロ波の波長域内であってもよいし、複数の波長以外の波長域であってもよい。
波長特定部22は、減衰量算出部21により算出された減衰量と、当該減衰量に対応する波長との関係をグラフ状にプロットする(図3参照)。その後、波長特定部22は、グラフ状にプロットした減衰量と波長との関係について、予め決定された定形波長分布に基づく減衰量の波長分布を抽出する。ここで、定形波長分布は、同一の含水率であり嵩密度が異なる複数のサンプル(対象物)から事前に得た共通の分布(波長に対する減衰量の分布)として、「減衰量の急激な減少の後に急激な増加を示す波長分布」として予め決定しておいてよい。そして、図3に示す減衰量と波長との関係については、具体的に、0.088~0.092mの波長の範囲で、「減衰量の急激な減少の後に急激な増加を示す波長分布」が存在している。このため、波長特定部22は、図3に示す減衰量と波長との関係において、予め決定された定形波長分布(減衰量の急激な減少の後に急激な増加を示す波長分布)に基づき、0.088~0.092mの波長の範囲における減衰量の変動を「波長分布」として抽出する。
更に、波長特定部22は、予め決定した定形波長分布について、対象物Sの嵩密度を検出するための情報として有効な代表波長についても、予め決定しておく。つまり、波長特定部22は、抽出された波長分布において、定形波長分布に含まれる予め決定された代表波長についても特定する。ここで、代表波長は、定形波長分布(減衰量の急激な減少の後に急激な増加を示す波長分布)に含まれる「減衰量が最小値となる波長」として予め決定しておいてよい。このため、波長特定部22は、図3に示す減衰量と波長との関係において、抽出された定形波長分布(減衰量の急激な減少の後に急激な増加を示す波長分布)に含まれる減衰量の最小値を「代表波長」として特定する。つまり、波長特定部22は、図3に示す減衰量と波長との関係において、抽出された0.088~0.092mの波長の範囲における波長分布(減衰量の急激な減少の後に急激な増加を示す波長分布)における減衰量が最小値となる波長を「代表波長」として特定する。
嵩密度検出部23は、代表波長(減衰量が最小値となる波長)に基づいて対象物Sの嵩密度を検出する。図3に示すように、嵩密度が685kg/m~791kg/mの範囲において、嵩密度が異なると代表波長(減衰量が最小値となる波長)も異なる値になる。図4は図3の実験結果に基づく嵩密度と代表波長との関係を示すグラフである。図4に示すように、嵩密度によって代表波長は異なる。これは、代表波長に基づいて嵩密度を検出できることを意味する。嵩密度検出部23には、図4に示すような代表波長と嵩密度との関係を示す嵩密度テーブルが設定されている。嵩密度検出部23は、嵩密度テーブルを用いて、代表波長から対象物Sの嵩密度を検出する。
図1から図4を参照して本発明の嵩密度検出方法及び含水率算出方法の好ましい実施形態について説明する。まず、対象物Sに発信マイクロ波が発信(マイクロ波発信工程)され、対象物Sを透過した発信マイクロ波が受信マイクロ波としてマイクロ波受信器で受信(マイクロ波受信工程)される。この際、複数の波長のマイクロ波が対象物Sに発信され、複数の波長毎の受信マイクロ波が受信される。
次に、減衰量算出部21において、発信マイクロ波と受信マイクロ波との減衰量が算出(減衰量算出工程)される。この際、複数の波長毎に減衰量が算出される。また、位相差算出部13aにおいて、発信マイクロ波と受信マイクロ波との位相差が算出される。その後、波長特定部22により、定形波長分布(減衰量の急激な減少の後に急激な増加を示す波長分布)が抽出されると共に、定形波長分布に含まれる代表波長(減衰量が最小値となる波長)が特定(波長特定工程)される(図3参照)。そして、嵩密度検出部23において、嵩密度テーブルに基づいて(図4参照)、代表波長に対応する嵩密度が検出(嵩密度検出工程)される。さらに、含水率算出部30において、位相差φ、減衰量D及び嵩密度Qを用いて、式(1)により含水率が算出される。算出された含水率又は嵩密度は表示装置40に表示される。
そして、コークスの製造方法として、上記した含水率算出方法により対象物である石炭の含水率を算出し、算出した含水率に基づいて、当該含水率が予め設定された範囲内の値に収まるように石炭を乾燥させ、乾燥させた石炭をコークス炉にて乾留してもよい。
上記実施形態によれば、複数の波長のマイクロ波を用いて対象物Sの嵩密度を検出することにより、新たなセンサを設置することなく高精度に嵩密度を検出することができる。すなわち、従来のように、ガンマ線を用いる必要もなく、重量測定手段や層厚測定手段のようなセンサを増設する必要がない。
さらに、嵩密度検出装置20を用いてリアルタイムに嵩密度を検出し、検出した嵩密度に基づいて含水率を算出することにより、物理的に対象物Sの嵩密度を一定にする処理を行う必要がない。よって、従来のように、ベルトコンベア3上の対象物Sの表面がスクレーパー設置位置に達しない場合であっても含水率の算出を行うことができる。また、スクレーパーや含水率算出装置に石炭が衝突することがないため、対象物Sがベルトコンベア3上から落下することなく、連続的に高精度な含水率算出結果を得ることができる。
本発明の実施形態は、上記実施形態に限定されず種々の変更を加えることができる。例えば上記実施形態において、対象物Sは石炭であって、コークスの製造過程において含水率を算出する場合について例示しているが、これに限定されない。対象物Sは、水を含む対象である限り、たとえば鉄鉱石や焼結鉱であってもよい。また、上記実施の形態において、0.070~0.100mの波長域のマイクロ波を発信して掃引する場合について例示しているが、図3に示す通り、嵩密度が変化しても代表波長(減衰量が最小値となる波長)は0.090m付近に集中する。そこで、嵩密度検出時には、例えば0.088~0.092mの範囲で波長を掃引して、異なる波長毎に受信マイクロ波を取得してもよい。
1 含水率算出装置
2 切出装置
3 ベルトコンベア
11 マイクロ波発信部
12 マイクロ波受信部
13 マイクロ波評価部
13a 位相差算出部
20 嵩密度検出装置
21 減衰量算出部
22 波長特定部
23 嵩密度検出部
30 含水率算出部
40 表示装置
D 減衰量
Q 嵩密度
S 対象物
W 含水率
φ 位相差


Claims (9)

  1. 対象物にマイクロ波を発信して前記対象物の嵩密度を検出する嵩密度検出方法であって、
    複数の波長毎の発信マイクロ波を前記対象物へ発信するマイクロ波発信工程と、
    前記対象物を透過した前記発信マイクロ波を受信マイクロ波として複数の波長毎に受信するマイクロ波受信工程と、
    前記発信マイクロ波と前記受信マイクロ波とのエネルギー差である減衰量を複数の波長毎に算出する減衰量算出工程と、
    算出された前記減衰量と前記減衰量に対応する波長との関係について、前記減衰量が最小値となる波長を代表波長として特定する波長特定工程と、
    特定された前記代表波長に基づいて、前記対象物の嵩密度を検出する嵩密度検出工程と、
    を有する嵩密度検出方法。
  2. 前記代表波長と嵩密度との関係を示す嵩密度テーブルを用いて前記代表波長から前記対象物の嵩密度を検出する、請求項1に記載の嵩密度検出方法。
  3. 請求項1又は2に記載の嵩密度検出方法により前記対象物の嵩密度を検出し、前記発信マイクロ波と前記受信マイクロ波との位相差及びエネルギー差と、前記嵩密度とを用いて、前記対象物の含水率を算出する、含水率算出方法。
  4. 前記嵩密度をQ(kg/m)、前記発信マイクロ波と前記受信マイクロ波との位相差をφ(deg)、前記減衰量をD(dB)、係数をA、B、Cとしたとき、前記対象物の含水率W(%)は、下記の式(1)により算出される、請求項3に記載の含水率算出方法。
    W=(A×φ/Q)+(B×D/Q)+C ・・・(1)
  5. 請求項3に記載の含水率算出方法により石炭の含水率を算出し、算出した前記含水率に基づいて、前記含水率が予め設定された範囲内の値に収まるように前記石炭を乾燥させ、乾燥させた前記石炭をコークス炉にて乾留する、コークスの製造方法。
  6. 請求項4に記載の含水率算出方法により石炭の含水率を算出し、算出した前記含水率に基づいて、前記含水率が予め設定された範囲内の値に収まるように前記石炭を乾燥させ、乾燥させた前記石炭をコークス炉にて乾留する、コークスの製造方法。
  7. 対象物にマイクロ波を発信して前記対象物の嵩密度を検出する嵩密度検出装置であって、
    複数の波長毎の発信マイクロ波を前記対象物へ発信するマイクロ波発信部と、
    前記対象物を透過した前記発信マイクロ波を受信マイクロ波として複数の波長毎に受信するマイクロ波受信部と、
    前記発信マイクロ波と前記受信マイクロ波とのエネルギー差である減衰量を複数の波長毎に算出する減衰量算出部と、
    算出された前記減衰量と前記減衰量に対応する波長との関係について、前記減衰量が最小値となる波長を代表波長として特定する波長特定部と、
    特定された前記代表波長に基づいて、前記対象物の嵩密度を検出する嵩密度検出部と、
    を有する嵩密度検出装置。
  8. 前記対象物の嵩密度を検出する請求項7に記載の嵩密度検出装置と、
    前記発信マイクロ波と前記受信マイクロ波との位相差及びエネルギー差と、前記嵩密度とを用いて、前記対象物の含水率を算出する含水率算出部と、
    を有する、含水率算出装置。
  9. 前記対象物の前記嵩密度又は前記対象物の前記含水率を表示する表示装置をさらに備える、請求項8に記載の含水率算出装置。
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