JP3820259B2 - 溶融スラグの温度計測方法 - Google Patents
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Description
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。
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。
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。
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。
[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。
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。
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。
ε・τ=1とした場合の(Eλ/C)は図4のグラフのようになる。
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。
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。
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。
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)
- 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(εA、εB)及び煤塵透過率(τA、τB)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。
- 上記補正因子(φ)が、φ=εB・τB/(εA・τA)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。
- 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。
- 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。
- 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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