JP2001324125A - プラズマアーク式溶融炉 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 効率的に溶融を行うことができ、溶融に伴う
耐火壁への損傷を低減化させることができるプラズマア
ーク式溶融炉を提供する。 【解決手段】 溶融炉１の炉本体２内には、プラズマ電
極用の３本の主電極３と１本の炉底電極４が配設されて
いる。主電極３は互いに離間して配置させ、上部から垂
下されている。炉底電流４は、主電極３を頂点とする三
角形の略中心に配置されている。主電極３と炉底電極４
は、直流電源装置（図示省略）にそれぞれ接続されてい
て、電極間に電流を通すと、プラズマ発熱とスラグ内ジ
ュール発熱により、炉本体２内の焼却灰は溶融する。プ
ラズマ噴流とスラグの吹き出し流により上昇流が生じ
る。高温になる主電極３の中間部に焼却灰が投入される
ので、下降流が生じ、液内部で溶融が行われる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、下水汚泥、都市ご
み及び産業廃棄物などの焼却灰及び事業用火力発電プラ
ント等の燃焼炉から排出される焼却灰を溶融するプラズ
マアーク式溶融炉に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、下水汚泥、都市ごみ及び産業
廃棄物などの焼却灰（粉体無機物）は、その資源化、減
容化及び無害化を図るために、例えば、図８に示すよう
なプラズマアーク式溶融炉５１によって溶融され、スラ
グとして取り出されている。すなわち、このような溶融
炉５１を使用して炉本体５２内で焼却灰を溶融するに
は、ごみ焼却炉５３から排出された焼却灰を乾式灰出装
置５４よりスクリーン５５、灰コンベヤ５６、灰供給コ
ンベヤ５７及び定量投入装置５８を経て炉本体５２内に
投入し、投入された焼却灰を高温プラズマ５９及びスラ
グ内電流のジュール発熱で溶融する。溶融スラグ６０
は、出滓口６１から出滓樋６２を通って乾式出滓装置６
３に排出され、スラグコンベヤ６４を介してスラグピッ
ト６５に導かれ、種々の利用に供される。このため、炉
本体５２の上下部には、直流電源装置６６に接続される
プラズマ電極の主電極（陰極）６７及び炉底電極（陽
極）６８がそれぞれ１本ずつ配設され、炉本体５２の上
部には窒素ガス発生装置６９から窒素ガスが送給される
ようになっている。

【０００３】なお、ごみ焼却炉５３はバグフィルタ７０
を介して煙突７１に連通され、炉本体５２内で発生した
排ガスはＣＯ燃焼室７２、減温塔７３、バグフィルタ７
４及び排ガスファン７５を経て焼却炉煙道に導かれよう
になっている。そして、ＣＯ燃焼室７２には燃焼空気フ
ァン７６より空気が送給され、バグフィルタ７４は溶融
飛灰処理装置７７に接続されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ここで、図９及び図１
０に示すように、ごみ焼却炉５３の焼却灰は、溶融炉５
１内に投入されると浮遊し、主電極６７と炉底電極６８
との間のプラズマ噴流やスラグの湧き出しによって、温
度が低い壁面付近に移動する（矢印Ｂ参照）。このた
め、焼却灰の溶融が溶融炉５１内の温度の低い場所で行
われていて、溶融効率の点で好ましくない。

【０００５】全体的に温度を上げれば（高温化）その分
だけ炉壁温度が上昇するので溶融が促進されるが、耐火
壁（耐火物）の損傷が激しくなる。また、上述したよう
に、浮遊層７８は壁面近傍に押しやられることから、電
極付近の高温部ではスラグのむき出し領域となり、この
ため、輻射熱量も大きくなり、炉の天井や炉壁への輻射
損失が大きくなってしまう。本発明は、かかる状況に鑑
みてなされたものであり、効率的に溶融を行うことがで
き、溶融に伴う耐火壁への損傷を低減化させることがで
きるプラズマアーク式溶融炉を提供することを目的とす
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明に係るプラズマア
ーク式溶融炉は、かかる課題を解決するためになされた
ものであり、耐火壁の炉本体内にプラズマ電極の主電極
と炉底電極とを配設し、上記主電極と上記炉底電極との
間に電流を通して上記炉本体内の対象物を溶融するプラ
ズマアーク式溶融炉において、上記主電極と上記炉底電
極を直流電源装置にそれぞれ接続し、かつ上記主電極を
互いに離間させて複数配設したことを特徴とする。

【０００７】また、本発明に係るプラズマアーク式溶融
炉は、耐火壁を有する炉本体内にプラズマ放電用の陽極
と陰極とを炉体上部に配置し、上記陽極と上記陰極との
間に直流電流を通して上記炉本体内の対象物を溶融する
プラズマアーク式溶融炉において、上記陽極または上記
陰極を複数配置したことを特徴とする。

【０００８】

【発明の実施の形態】次に、本発明に係るプラズマアー
ク式溶融炉の実施の形態について図面に基づいて説明す
る。本発明の第１の実施形態に係るプラズマアーク式溶
融炉を図１乃至図３、第２の実施形態に係るプラズマア
ーク式溶融炉を図４乃至図５、第３の実施形態に係るプ
ラズマアーク式溶融炉を図６乃至図７にそれぞれ示す。

【０００９】まず第１の実施形態に係るプラズマアーク
式溶融炉について図１乃至図３を用いて説明する。図１
及び図２に示すように、溶融炉１は、有底円筒状に形成
された炉本体２を有しており、この炉本体２の下部側面
には、溶融されたスラグ及び排ガスを抜き出す出滓口
（図示せず）が設けられている。また、炉本体２の上部
には、図示しない直流電源装置に接続されるプラズマ電
極の主電極（陰極）３が内部に垂下して配設されてい
る。同主電極３には、その中心を貫通するガス流路があ
って、そこに図示しない窒素ガス発生装置から窒素ガス
が送給されるように構成されている。主電極３と炉底電
極４との間に直流電圧を印加してプラズマを発生させ、
投入された廃棄物の焼却灰を高温プラズマで加熱して溶
融する。すると、炉内には、スラグ１０の層と、その下
に溶融金属１１の層が形成される。

【００１０】上記炉本体２は、図１又は図２に示すよう
に、耐火材（レンガ、キャスタ）２ａと、同耐火材２ａ
の外側を覆う水冷ジャケット２ｂとによって構成されて
いる。

【００１１】次に、プラズマ電極について図１乃至図２
を用いて説明する。図１又は図２に示すように、プラズ
マ電極の主電極３は３本で構成され、炉底電極（陰極）
４は１本で構成されている。炉底電極４は、溶融炉１の
略中心位置に配設されている。主電極３は、その中心が
炉底電極４の中心とずれるように、炉底電極４からほぼ
等位置に配設されている。このため、各主電極３の先端
と炉底電極４の先端との距離は、略等しい。それぞれの
主電極３に流れる電流は等しくなるように供給される。

【００１２】焼却灰は、各主電極３を頂点とする三角形
の略中心および壁面近傍に投入される。主電極３の直下
では、ジュール発熱によるスラグ７の湧き出し流が発生
し、電極の中間位置では高温になる。したがって、ここ
に灰を投下すると熱交換効率が増大する。その一方で、
焼却灰が投入される主電極間の略中心部では、焼却灰に
より冷却されて低温になり、下降流が発生する。したが
って、図３に示すように、各電極直下ではスラグ２ｃの
ジュール発熱による上昇流となり、略中心部では下降流
となって、スラグ２ｃ内には矢印Ａのような対流が生ず
る。焼却灰は、この下降流により沈み込まされるので、
従来表面でしか行っていなかった熱交換による溶融を液
内部で行うことができる。なお、焼却灰を上述した特定
領域に投入するための構造としては、例えばパイプ等の
一般的な移送手段で構成することができる。なお、スラ
グ２ｃの下には溶融メタル層２ｄがあり、さらにその下
は耐火物の炉底２ｅとなっている。

【００１３】図１又は図２に示すように、投入された焼
却灰は高温部で浮遊層５を形成するので、液面からの熱
の輻射量を低減することができる。また、壁面近傍にお
いても、焼却灰を別途投入するので、浮遊層６が形成さ
れ、これによりスラグ表面がカバーリングされ、壁面へ
の輻射熱を抑えることができる。また、壁面近傍スラグ
を低温化し、耐火物耐久性を向上することができる。こ
のため、スラグの輻射熱から耐火材２ａを保護すること
ができるとともに、プラズマアークにより発生させた熱
エネルギの輻射による損失を低減し、かつ溶融に使われ
るエネルギの割合を増加させることができる。

【００１４】本実施形態におけるプラズマ電極の構成
は、主電極３が３本であるが、本発明はこれに限られ
ず、複数本であれば良い。また、プラズマ電極の配設位
置は、本実施形態では炉本体２の中心部にしているが、
出滓口の近い位置に配設するとその領域の温度を上げる
ことができるので、後工程に排出する溶融スラグの溶融
状態をより確実に制御することができる。

【００１５】次に、第２の実施形態について図４乃至図
５を用いて説明する。本実施形態は、基本的構成は第１
の実施形態と同じであるので、同じ部分は説明を省略す
る。本実施形態におけるプラズマ電極は、主電極７が１
本で、炉底電極８が３本で構成している。炉底電極が複
数あるので、炉底での電流集中を回避でき、炉底電極が
溶融するという不都合を回避することができる。また、
スラグ池中の広範囲に電流を流すことで、ジュール熱を
スラグ池のより広い範囲で生じさせ、スラグ池を均一温
度にでき、溶融効率を向上させることができる。本実施
形態におけるプラズマ電極の構成は、炉底電極８が３本
であるが、本発明はこれに限られず、複数本であれば良
い。

【００１６】以上、第１の実施形態として主電極が複数
で炉底電極が単数の場合、第２の実施形態として主電極
が単数で第２の実施形態について図４乃至図５を用いて
説明する。本実施形態は、基本的構成は第１の実施形態
と同じであるので、同じ部分は説明を省略する。炉底電
極が複数の場合をそれぞれ説明したが、本発明はこれら
に限られず、さらに主電極と炉底電極の両方を複数で構
成することができる。

【００１７】次に、第３の実施形態について図６乃至図
７を用いて説明する。本実施形態は、基本的構成は第１
の実施形態と同じであるので、同じ部分は同じ符号を付
すとともにその説明を省略する。第１乃至第２の実施形
態では、電極主電極と炉底電極とでプラズマを発生させ
ているが、本実施形態では、図６又は図７に示すよう
に、陰極２１と陽極２２とでプラズマを発生させてい
る。具体的には、炉本体２の略中央部に１本の陰極２１
を配置し、その陰極２１の周りに３本の陽極２２を配置
している。図７に示すように、陰極２１と３本の陽極２
２とのそれぞれの距離は略等しいように配置してあり、
また、陰極２１と各陽極２２との間にはそれぞれ電流路
（発熱部）２３が発生する。したがって、浮遊層２４
（灰）の近傍で発熱するため溶融効率を向上させること
ができる。

【００１８】以上、本実施形態では、中心位置に陰極、
その周囲に複数の陽極を配置した場合を説明したが、本
発明はこれに限られず、その逆のパターンすなわち、中
心位置に陽極、その周囲に陰極を配置して構成すること
ができる。また、複数配置する電極の本数も本実施形態
のように３本に限られず、複数本であれば良い。

【００１９】

【発明の効果】本発明に係るプラズマアーク式溶融炉
は、耐火壁を有する炉本体内にプラズマ放電用の主電極
と炉底電極とを配設し、上記主電極と上記炉底電極との
間に直流電流を通して上記炉本体内の対象物を溶融する
プラズマアーク式溶融炉において、上記主電極を互いに
離間させて複数配設したことを特徴とするので、各主電
極の中間部がより高温となり、このため、炉本体内を全
体的に昇温することなく、より多くの対象物を溶融する
ことができ、溶融の処理能力を向上させることができ
る。また、耐火壁の熱による損傷を低減化することがで
きる。

【００２０】上記主電極の中間部に上記対象物を投入す
ると、その場所が冷却されて下降流が発生し、これによ
り対象物を沈み込ませることができるので、液内部でも
熱交換を行うことができる。よって、熱交換効率が増大
し、対象物の溶融を効率的に行うことができる。また、
対象物が高温部に投入されるので、耐火壁への輻射熱を
減少させることができ、耐火壁の損傷を低減化すること
ができる。

【００２１】上記主電極を３本有するように構成する
と、上記の効果を簡易な構造で達成することができる。
３本の電極を正三角形の３頂点に位置するように配置す
ることができる。

【００２２】上記各主電極を炉底電極と互いにずらして
配設すると、電流が通る領域が広くなり、ジュール効果
による熱発生量を増加させることができる。スラグ池温
度分布を均一化することによって溶融有効領域を拡大す
ることができ、このため、溶融の処理量を上げることが
できる。

【００２３】上記炉底電極を複数互いに離間させて配設
すると、炉底での電流集中が回避されるので、対象物が
溶融した貯溜物について広範囲に電流が流れ、均一温度
に維持でき、溶融効率を向上させることができる。

【００２４】本発明に係るプラズマアーク式溶融炉は、
耐火壁を有する炉本体内にプラズマ放電用の陽極と陰極
とを炉体上部に配置し、上記陽極と上記陰極との間に直
流電流を通して上記炉本体内の対象物を溶融するプラズ
マアーク式溶融炉において、上記陽極または上記陰極を
複数配置したことを特徴とするので、複数配置した陽極
又は陰極の中間部がより高温となり、このため、炉本体
内を全体的に昇温することなく、より多くの対象物を溶
融することができ、溶融の処理能力を向上させることが
できる。また、耐火壁の熱による損傷を低減化すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態に係るプラズマアーク
式溶融炉の横断面図である。

【図２】図１のプラズマアーク式溶融炉の下部の中央縦
断面図である。

【図３】図１のプラズマアーク式溶融炉内で焼却灰を溶
融した場合の対流の様子を表した説明図である。

【図４】本発明の第２の実施形態に係るプラズマアーク
式溶融炉の横断面図である。

【図５】図４のプラズマアーク式溶融炉の下部の中央縦
断面図である。

【図６】本発明の第３の実施形態に係るプラズマアーク
式溶融炉の横断面図である。

【図７】図６のプラズマアーク式溶融炉の下部の中央縦
断面図である。

【図８】従来のプラズマアーク式溶融炉が適用される設
備を示す概念図である。

【図９】従来のプラズマアーク式溶融炉の横断面図であ
る。

【図１０】図９のプラズマアーク式溶融炉の下部の中央
縦断面図である。

【符号の説明】

１ 溶融炉 ２ 炉本体 ２ａ 耐火材 ２ｂ 水冷ジャケット ２ｃ、１０ スラグ ２ｄ メタル層 ２ｅ 炉底 ３、７ 主電極 ４、８ 炉底電極 ５、６、９、２４ 浮遊層 １１ 溶融金属 ２１ 陰極 ２２ 陽極 ２３ 電流路 ２５ 出滓口

フロントページの続き (72)発明者 星 要之介 神奈川県横浜市金沢区幸浦一丁目８番地１ 三菱重工業株式会社横浜研究所内 (72)発明者 西川 進 神奈川県横浜市金沢区幸浦一丁目８番地１ 三菱重工業株式会社横浜研究所内 (72)発明者 保田 静生 神奈川県横浜市中区錦町12番地 三菱重工 業株式会社横浜製作所内 (72)発明者 小林 勝彦 神奈川県横浜市中区錦町12番地 三菱重工 業株式会社横浜製作所内 (72)発明者 井上 敬太 神奈川県横浜市中区錦町12番地 三菱重工 業株式会社横浜製作所内 (72)発明者 池 稔 神奈川県横浜市中区錦町12番地 三菱重工 業株式会社横浜製作所内 Ｆターム(参考） 3K061 NB02 NB14 NB15 NB27 3K084 AA01 AA02 AA07 AA12 4K045 AA04 BA07 RB02 4K063 AA04 BA13 CA01 CA05 FA56 FA73

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 耐火壁を有する炉本体内にプラズマ放電
   用の主電極と炉底電極とを配設し、上記主電極と上記炉
   底電極との間に直流電流を通して上記炉本体内の対象物
   を溶融するプラズマアーク式溶融炉において、上記主電
   極を互いに離間させて複数配設したことを特徴とするプ
   ラズマアーク式溶融炉。
2. 【請求項２】 上記主電極の中間部に上記対象物を投入
   することを特徴とする請求項１に記載のプラズマアーク
   式溶融炉。
3. 【請求項３】 上記主電極を３本有することを特徴とす
   る請求項１又は２に記載のプラズマアーク式溶融炉。
4. 【請求項４】 上記各主電極を炉底電極と互いにずらし
   て配設したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか
   １項に記載のプラズマアーク式溶融炉。
5. 【請求項５】 上記炉底電極を複数互いに離間させて配
   設することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項
   に記載のプラズマアーク式溶融炉。
6. 【請求項６】 耐火壁を有する炉本体内にプラズマ放電
   用の陽極と陰極とを炉体上部に配置し、上記陽極と上記
   陰極との間に直流電流を通して上記炉本体内の対象物を
   溶融するプラズマアーク式溶融炉において、上記陽極ま
   たは上記陰極を複数配置したことを特徴とするプラズマ
   アーク式溶融炉。