JP2002061812A - プラズマトーチとアークプラズマを用いた廃棄物分解炉 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電力消費を少なくし、かつダイオキシンの発
生を抑える。 【解決手段】 廃棄物（３）に対して超高温のプラズマ
ジェットを照射するプラズマトーチ（８）と、廃棄物と
の間でアーク放電させるためのアーク放電装置（４）と
を備え、プラズマトーチから廃棄物に対してプラズマジ
ェットを照射して廃棄物を分解すると同時にガスを発生
させ、アーク放電装置によりアーク放電に移行させるよ
うにしたものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はダイオキンの発生を
無くしたプラズマトーチとアークプラズマを用いた廃棄
物分解炉に関する。

【０００２】

【従来の技術】環境問題がいよいよ身近になってきた
が、その環境問題の一つに「ダイオキシン類」の大気中
への放出があり、単なる人体に影響があるばかりでな
く、若者の成長期に生殖機能まで影響を与える、いわる
ゆ「環境ホルモン（生殖ホルモンかく乱物質）」とし
て、注目を集めるようになってきた。

【０００３】ダイオキシンは地球上に自然には存在しな
いので、人類が製造した化学物質である。１９６０年代
のベトナム戦争で枯葉剤として使用され、その結果、ダ
イオキシンを吸収した人間の生命が危険にさらされるば
かりではなく、遺伝的にも子孫に対しても危険であるこ
とが示された。この時のダイオキシンは意識的人工的に
製造されたものであるが、最近のダイオキシン類は、廃
棄物の燃焼炉内で生成され、無意識のうちに大気中や灰
の中に放出されたものである。ダイオキシンの人間に対
する毒性は強く、サリンの１０倍、青酸カリの１０００
０倍の強さで、５０キログラムの体重の大人がわずか１
万分の１グラムで死亡する。

【０００４】一方、それが遺伝を通し、環境ホルモンと
しての許容量は目下いろいろと議論されているが、暫定
的に決められている値がある。先進国に比べ、日本は遅
れているので、やがて外国レベルにはなると思うが、現
在の日本では、１〜４ピコグラムである。米国に比べる
と、１００倍以上の許容量になっていることからも、こ
れ以下では安全という意味ではなく、これ以上は危ない
という捉え方をした方が良い。

【０００５】ダイオキシンは人工的に生成されたもので
あるから、発生源が明らかである。プラスチックや塩化
ビニル製品を焼却炉で３００℃から８００℃で燃焼（酸
化反応）させると、ダイオキシンが生成される。燃焼炉
内の温度を上げればダイオキシンは生成されない。燃焼
炉の温度を上げるには、酸化反応を能率的にするわけで
あるから、外部から燃焼炉へ空気や酸素を注入すること
が考えられる。ファンによって、外部から空気を吹き込
む実験をすると、炉内には酸素が増えるので全体として
は燃焼が良くなるが、空気の通路は外気で冷却され、温
度が逆に低下して、そこでダイオキシンが発生する。

【０００６】純酸素を注入する方法もある。空気の４分
の１が酸素であるので、空気を注入する場合に比べ、注
入する外気の量が少なくて済むので、外気の通路の冷却
は多少は少なくなるが、空気から純酸素を取り出すため
に、経済コストが上がってしまう。以上のように空気、
あるいは純酸素を注入する方法は、確かに温度を上げる
ことが出来るが、ダイオキシン生成に必要な酸素までも
供給してしまうという欠点がある。

【０００７】これに対し、最近アーク・プラズマを用い
る分解炉やプラズマトーチ型分解炉が提案され、試験的
に使われるようになってきた。物質の温度が徐々に上が
ってゆくと、初めは固体（水なら氷）、それから液体、
さらに水蒸気のような気体となる。これにさらにエネル
ギーを与え、高温にすると、水なら酸素と水素に分か
れ、原子や分子となる。それでも気体である。それにさ
らにエネルギーを与え、原子を原子核と電子とにばらば
らにしたものが「プラズマ」である。電気のスパークや
雷光、蛍光灯や水銀灯の内部はプラズマ状態である。プ
ラズマ状態は物質の高温状態であり、プラズマを生成す
るにはアーク放電やグロー放電がポピュラーである。

【０００８】このようなプラズマを利用して廃棄物処理
をしようという考え方は1960年代の終わりごろから提案
されていた。例えば米国オークリッジ国立研究所のBurn
outという装置で実験していたアレキセフ博士は、その
装置内に固形物を投入し、どのように分解して行くかを
つぶさに観測し、分解炉の概念を提案していた。一方、
金属工業では金属鉱石から純粋な金属を溶出するための
熱源として、石炭やコークスのほかに、電気炉、アーク
炉を使ってきた。燃焼を用いないプラズマアーク炉は酸
素の注入が必要ないので、金属が酸化することも無く、
有効に純粋な金属を取り出すことが出来た。

【０００９】これらのプラズマを用いる方法を図２〜図
３を参照して説明する。図２はプラズマ・アーク炉の構
造を説明する図である。図において、炉容器内にホッパ
ー２から金属を含む廃棄物（産業廃棄物など）３を投入
し、斜めより挿入された黒鉛のアーク電極４と金属系廃
棄物３との間に図示しない電源装置により電圧を印加し
てアーク放電を起こす。アークが飛んだ部分の金属表面
は高温になって金属は溶解し、ガス化する。このガスは
アーク放電に使われ、高温プラズマとなり、他の廃棄物
を高温溶融・分解する。プラズマガスの温度は１５００
℃にもなるので、この中ではダイオキシンは発生しな
い。発生したガスは排出口５からスクラバー（図示せ
ず）に移し、１００℃以下に急冷し、それから、化学プ
ラントで残留ガスから、ＮＯＸなどの後処理をする。

【００１０】図３はプラズマトーチ型分解炉の構造を説
明する図である。アーク放電の代わりにプラズマジェッ
トを使う以外の構成は図２のものと同様である。プラズ
マトーチとはプラズマジェットとも呼ばれ、プラズマ噴
射装置の一種であり、金属板やコンクリートのカッター
として既に、市販もされている。プラズマ・トーチ８の
構造は円筒形のジャケットが二重構造になっていて其の
中を外部からのガス（空気、窒素ガス、アルゴンガス
等）を通過させ、ジャケット間に高電圧を加えて放電さ
せ、その高圧力で生成されたプラズマを噴射するように
なっている。放電をジャケット間でする場合とジャケッ
トと対象物との間で行う場合とに分かれ、前者を「非移
行型」と呼び、後者を「移行型」と呼ぶ。移行型は、ア
ーク放電に似ているが、違いはガスを供給している点で
ある。「非移行型プラズマ・トーチ」はプラズマを照射
する対象物が金属であるか非金属であるかによらず、プ
ラズマを生成し、照射できるメリットがある。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】プラズマアーク炉は、
従来の燃焼炉に比べて小型になるのが特徴である。熱源
として電気を使うが放電ガスは廃棄物を高温状態にして
発生するガスを利用するので比較的廉価である。しかし
ながら、アーク放電を定常的に維持するためにはガスが
必要で、そのために廃棄物からの蒸気を必要としてい
る。現在のアーク炉では、点火の初期にガスバーナーな
どにより、廃棄物を加熱してガスを発生させるようにし
ている。そのためには炉自体が高温になってくる必要が
あるので、炉の立ち上げに約半日は必要となっている。
アーク放電を開始するまでの立ち上げの間は比較的低温
なので、ダイオキシンが発生する可能性があるため、各
種のダイオキシン類に対する除去装置を用いているのが
現状である。

【００１２】一方、プラズマトーチ型分解炉は放電によ
りプラズマを発生させた後、そのジェットを廃棄物に照
射して溶融させるものであり、発生するプラズマは３０
００℃〜５０００℃、或いはそれ以上に達しているため
ダイオキシンが発生する可能性はなく極めて有効であ
る。しかし、この方法ではプラズマの発生に多くの電力
が必要となる。プラズマアーク炉の場合は、高温状態に
なった廃棄物からのガスを利用して放電させているので
比較的電力消費は少ないが、プラズマトーチ型分解炉で
はプラズマを発生させた後に廃棄物に照射しているため
電力消費が多くなってしまうのは避けがたい。

【００１３】本発明は上記課題を解決するためのもの
で、電力消費を少なくし、かつダイオキシンの発生を抑
えることができるプラズマを利用した廃棄物分解炉を提
供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は、廃棄物分解炉
の始動時のダイオキシン類の発生の問題を解決するため
に、急速に高温処理をする必要があることに鑑み、炉内
がアーク放電可能な条件になるまで待つのではなく、
「プラズマトーチ」をこの炉の始動時に運転し、超高温
プラズマを廃棄物に照射し、分解すると同時に蒸発さ
せ、ガスを瞬時のうちに発生させ、アーク放電に移行出
来るようにしたものである。このため立ち上げ時間を短
縮して、ダイオキシン類が発生する温度に滞在する時間
を短縮し、ダイオキシンの発生、大気への放出を極力抑
えることができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て説明する。図１は本発明のプラズマトーチとアークプ
ラズマを用いた廃棄物分解炉を説明する図である。本発
明の廃棄物分解炉２０は、廃棄物３に対して超高温のプ
ラズマジェット９を照射し、廃棄物を分解と同時に蒸発
させ、ガスを瞬時のうちに発生させるプラズマトーチ８
と、廃棄物３からのガスを利用してアーク放電を起こす
ためのアーク電極４及びアーク電極と廃棄物間に電圧を
印加する電源装置（図示は省略）とを備えている。ま
た、従来のプラズマ炉と同様、廃棄物を投入するための
ホッパー２、発生したガスを排出して後処理するための
ガス排出口５、スラッジ排出口６を備えている。

【００１６】ホッパー２から投入する廃棄物３に対して
プラズマトーチ８より３０００℃〜５０００℃にも達す
るプラズマジエットを照射すると、照射された部分は局
部的に瞬時に分解・ガス化してプラズマ状態となり、電
圧が印加されているアーク電極４により直ちにアーク放
電が発生する。こうして発生した局部でのプラズマ状態
が次第に拡大して廃棄物の溶融・分解が行われる。アー
ク放電が安定した状態ではプラズマトーチ８によるプラ
ズマジェットの照射は停止しても、アーク放電により発
生したプラズマにより廃棄物の溶融・分解でガスが発生
し、アーク放電が継続される。そのため、アーク放電と
いう比較的低電力での溶融・分解が行われることにな
る。発生したガスはガス排出口５から排出して後処理さ
れ、溶融・分解したスラッジを排出口６から排出するの
は従来と同様である。

【００１７】なお、廃棄物には色々な種類の物質があ
り、アーク放電により気化し易いものや、しにくいもの
がある。このようないろいろの物質が混入していて混入
の度合いは制御できない。そのため、アーク放電で融解
しているときに、気化しにくい物質があると放電として
は不安定となり、このようなときにプラズマトーチを補
助プラズマとして入射し、廃棄物を強制的に融解してガ
ス化することにより、比較的安定にアーク放電を連続し
て行うことが可能である。

【００１８】このように、プラズマジエットを照射して
廃棄物を瞬時に分解・ガス化してプラズマ状態としてア
ーク放電に移行出来るので、ダイオキシン類が発生する
温度に滞在する時間を短縮してダイオキシン類の発生を
抑制することができる。また、電力消費の大きいプラズ
マトーチを立ち上げ時のみ使用し、以後はアーク放電の
み使うようにすれば電力消費を低く抑えることができ
る。

【００１９】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、プラズマ
トーチで立ち上げて瞬時にガスを発生させてプラズマ化
し、アーク放電を起こさせて廃棄物の溶融・分解を継続
するようにしたのでダイオキシンの発生を極力抑えて廃
棄物を溶融・分解することができる。また、プラズマ分
解炉は電力を大量に消費するが、特に電力消費の大きい
プラズマトーチは立ち上げ時のみとすることにより、比
較的コストを抑えることが可能である。

【００２０】さらにプラズマ分解炉としての以下のよう
な効果が達成できる。 熱源が酸化反応による燃焼エネルギーではなく、放電
で生成されたプラズマであるため外部から空気や酸素を
注入する必要がなく、反応によって生成された物質、例
えば、飛灰が無い。飛灰にはダイオキシンが非常に多く
含まれているといわれているが、飛灰が出なければ、環
境に負担をかけることが少ない。 燃焼炉では外部から燃焼のために大量の空気を注入す
ると、反応後の気体を外部に放出しなければならず、煙
突が必要である。しかし、プラズマ炉では外部から空気
を送ることは殆ど無いので、煙突は原則として必要な
い。環境問題のシンボルである煙突が無いということ
は、廃棄物処理場を建設する際の住民との対話において
非常に大きくアピールすることができる。 プラズマ分解炉に固形状の廃棄物を投入した場合、そ
の体積が１５０分の１ないし３００分の１程度に縮小す
る。最終処分場がますます少なくなってきた現状を見る
と、このような体積縮小は極めて重要である。 プラズマ分解炉で最後に溶融して残ったものはガラス
と金属類が混入したもので、安全な固形物なので、建
設、土木など各方面に利用できる。リサイクル物となる
ので、廃棄物を全く外部に放出しないので「ゼロエミッ
ション」である。 プラズマ分解炉では一般廃棄物のほか、産業廃棄物も
処理できる。医療廃棄物、爆発性廃棄物、放射性廃棄
物、麻薬やＰＣＢなどの処理も可能である。 プラズマ分解炉で生成された気体のうち、水素、一酸
化炭素は燃料ガスとして利用できる。大規模になれば、
燃料電池として発電も出来、エネルギー回収が可能であ
る。 プラズマ分解炉の大きさは、従来の炉に比べて小型で
ある。２０メートル角の部屋に数１０トン・日の炉が入
る。また、プラズマ分解炉は小型では５トン／日から１
０００トン／日の処理まで可能である。 プラズマ分解炉の炉壁はかなり厚いので、プラズマか
ら発する騒音は全く外部には出ないので、静かな運転と
なる。 プラズマ分解炉のメンテナンスは炉本体の寿命が長い
ので、プラズマトーチやアーク電極の交換のみで、２時
間もあれば出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明のプラズマを用いた排気物分解炉を説
明する図である。

【図２】 プラズマを用いた排気物分解炉を説明する図
である。

【図３】 プラズマトーチ型分解炉の構造を説明する図
である。

【符号の説明】

２…ホッパー、３…廃棄物、４…アーク電極、５…ガス
排出口、６…スラッジ排出口、７…プラズマアーク、８
…プラズマトーチ、９…プラズマジェット、２０…本発
明の分解炉。

フロントページの続き Ｆターム(参考） 3K061 AA18 AB03 AC01 CA14 DB20 4D004 AA46 AA48 AB07 AC04 BA02 CA27 CA29 CB04 CB31 DA01 DA06 DA12 4G075 AA01 BA05 BA06 BB03 CA02 CA17 CA47 DA02 EA01 EB01 EB31 EC01 EC21

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 廃棄物に対して超高温のプラズマジェッ
   トを照射するプラズマトーチと、廃棄物との間でアーク
   放電させるためのアーク放電装置とを備え、プラズマト
   ーチから廃棄物に対してプラズマジェットを照射して廃
   棄物を分解してガスを発生させ、アーク放電装置により
   アーク放電に移行させるようにしたことを特徴とするプ
   ラズマトーチとアークプラズマを用いた廃棄物分解炉。
2. 【請求項２】 アーク放電が不安定なとき、前記プラズ
   マトーチから補助的にプラズマジェットを照射すること
   を特徴とする請求項１記載のプラズマトーチとアークプ
   ラズマを用いた廃棄物分解炉。