JP2003302017A

JP2003302017A - 減圧焼却方法およびその装置

Info

Publication number: JP2003302017A
Application number: JP2002107343A
Authority: JP
Inventors: Akio Shimizu; 明夫清水
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2002-04-10
Filing date: 2002-04-10
Publication date: 2003-10-24

Abstract

(57)【要約】【課題】従来のプラズマ減圧焼却法より高い圧力下での
処理が可能で、運転コストが低減され、かつ大容量処理
の可能な処理方法を得る。【解決手段】可燃性あるいは難燃性の被処理物を、減圧
酸素雰囲気に保持した処理容器１の内部の加熱テーブル
３の上に被処理物供給手段２を用いて投入し、加熱テー
ブル３で加熱分解し、得られた熱分解ガスをプラズマ式
高温酸素導入手段５により導入された高温酸素を用いて
酸化反応させて焼却する際、水蒸気導入手段８より水蒸
気を導入して、水蒸気を添加した雰囲気において上記の
酸化反応を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、プラズマ加熱を用
いた、可燃性あるいは難燃性物質の減圧焼却方法とその
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】可燃性あるいは難燃性物質の減容処理に
は、従来、バーナーを利用した焼却法、不燃ガス中で高
温に加熱して分解する熱分解法、過酸化水素を用いた酸
化分解法等の処理方法が用いられ、あるいは適用が検討
されている。このうちバーナーを利用した焼却法におい
ては、燃焼により生じるガスに加えて、バーナーにおい
ても燃焼排ガスが発生し、さらに、不完全燃焼を防止す
るために二次燃焼用の高温空気を導入する必要があるの
で、処理装置全体から発生する排ガス量が膨大となり、
この排ガスを処理するために大規模な排ガス処理装置の
設置が必要になるという問題点がある。また、被処理物
を焼却する焼却炉の炉壁材は高温に曝されて損傷しやす
いので、頻繁に補修する必要があり、メンテナンス費用
が多大になるという問題点がある。

【０００３】このようなバーナーを利用した焼却法の難
点を解消する焼却法として、本発明者等は、酸素プラズ
マを用いて減圧下で可燃性あるいは難燃性物質を灰化処
理するプラズマ減圧焼却法を提案してきた（特開平９−
１８５９４２号公報、特開平１１−２４４８１６号公
報、特願平１０―２８４０６４号公報、特願平１１−９
９９３号公報、特願平１１−２６１４９０号公報、特願
平１１−２７５５４８号公報、特願2000―１２７０２０
号公報参照）。このプラズマ減圧焼却法を用いれば、加
熱分解された被処理物が高温の酸素との反応により効果
的に酸化されるので、排ガス量が小さく抑えられ、所要
の排ガス処理装置が小さくなる。また、処理容器がコー
ルドウォールであるため、補修・メンテナンスが極めて
容易で、高い稼動率で運転でき、さらに、二次廃棄物が
少ないという利点がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、プラズ
マ減圧焼却法は数々の利点を有しており、可燃性あるい
は難燃性物質の焼却方法としての適用が期待されてい
る。しかしながら、このプラズマ減圧焼却法によって難
燃性物質を焼却処理する場合には、処理容器の反応処理
圧力を 1.3 kPa前後の比較的低い圧力に保持するように
真空排気装置で排気する必要があるので、被処理物の処
理能力を大きくしようとすると、真空排気装置の所要排
気能力が増大して所要電力が高くなり、焼却処理のラン
ニングコストに占める真空排気装置の運転コストが過大
となってしまうという問題点がある。

【０００５】本発明は、従来のプラズマ減圧焼却法の上
記のごとき難点を考慮してなされたもので、本発明の目
的は、従来法の反応処理圧力の約 10 倍の高い反応処理
圧力下においても難燃性物質の焼却処理が可能で、所要
真空排気装置の小型化、運転コストの低減が図られ、か
つ、処理装置の大型化が可能な減圧焼却方法と、この減
圧焼却方法を用いて処理する減圧焼却装置を提供するこ
とにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明においては、（１）可燃性、または難燃性物質を、減圧酸素雰囲気中
において加熱分解し、得られた熱分解ガスを、プラズマ
加熱して得た高温酸素を用いて酸化反応させて焼却処理
する減圧焼却方法において、酸化反応を水蒸気を添加し
て行うこととする。あるいは、酸化反応を水素、もしく
は、水素化合物を添加して行うこととする。

【０００７】（２）可燃性、または難燃性物質の減圧焼
却装置を、処理容器と、処理容器の内部に被処理物を供
給する被処理物供給手段と、供給された被処理物を加熱
する加熱テーブルと、処理容器の内部を減圧する排気手
段と、処理容器の内部に酸素ガスを供給する少なくとも
一つの酸素供給手段と、処理容器の内部に高温酸素を導
入するプラズマ式高温酸素導入手段と、処理容器の内部
に水蒸気を導入する水蒸気導入手段とを備えて構成する
こととする。あるいは、上記の水蒸気導入手段に代っ
て、処理容器の内部に水素、もしくは、水素化合物を導
入する水素導入手段を備えて構成することとする。

【０００８】（３）さらに、上記の（２）の減圧焼却装
置において、少なくとも一つの酸素供給手段を、供給さ
れた酸素が処理容器内部に旋回流をなして導入されるよ
うにガス供給ノズルを配置して構成することとする。（４）上記の（３）において、さらに、処理容器内部に
導入された酸素の旋回流の中心のガス流面と直交する方
向の処理容器の端部に、排気手段に連結する排気口を配
置することとする。

【０００９】（５）上記の（２）〜（４）において、少
なくとも一つの酸素供給手段を、供給された酸素が処理
容器内部の加熱テーブルの方向に導入されるようにガス
供給ノズルを配置して構成することとする。（６）上記の（２）〜（５）のいずれかにおいて、処理
容器に、容器壁面の温度を検知する一つないしは複数の
温度センサーを設置することとする。

【００１０】（７）上記の（３）〜（６）のいずれかに
おいて、処理容器の排気口と排気手段との間に高周波誘
導結合型プラズマ式２次燃焼室を連結することとする。（８）さらに、上記の（６）の減圧焼却装置の運転方法
において、処理容器の加熱テーブル上に供給した被処理
物を、減圧酸素雰囲気中で加熱分解し、プラズマ加熱し
て得た高温酸素を用いて酸化反応させて焼却処理を行う
際に、容器壁面の温度を検知する温度センサーを監視し
て、検知された温度が規定値に達したとき、被処理物供
給手段により新たに被処理物を供給して減圧焼却処理を
行うこととする。

【００１１】上記の（１）のごとき方法により被処理物
の減圧焼却処理を行うこととすれば、酸化反応の際のガ
スに含まれる水素と炭素の比率（Ｈ／Ｃ比）が高くな
り、後述のごとく、相対的に高い圧力下においても完全
燃焼させることが可能となる。したがって、小型の排気
装置を用いればよく、低運転コストで処理できることと
なる。また、上記の（２）のごとく減圧焼却装置を構成
すれば、上記の（１）のごとき方法により減圧焼却処理
を行うことが可能となる。

【００１２】また、上記の（３）、（５）のごとくとす
れば、処理容器内に効果的に酸素が供給されることとな
り、上記の（４）のごとくとすれば、排気系への粒状物
質の流入をサイクロン効果を用いて防止することができ
る。また、上記の（６）のごとくとすれば、温度センサ
ーの出力によって処理容器内での処理の進行状況が検知
できる。したがって、上記の（８）のごとき方法によっ
て焼却処理を行えば、処理の進行状況を的確に判断し
て、新たな被処理物を投入できるので、効率よく処理す
ることが可能となる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の減圧焼却方法なら
びに減圧焼却装置の実施の形態を図面を用いて説明す
る。図１は、本発明の減圧焼却装置の一実施例の基本構
成を示す縦断面図である。また、図２は、図１の減圧焼
却装置に組み込まれているプラズマ式高温酸素導入手段
の横断面図である。

【００１４】図１において、１は処理容器、２は、処理
容器１の内部に被処理物を供給する被処理物供給手段、
３は、供給された被処理物を加熱する加熱テーブル、５
は、処理容器１の内部に高温酸素を導入するプラズマ式
高温酸素導入手段、６は、酸素を処理容器１の内部に旋
回流を形成させて導入する第１の酸素供給手段、７は、
酸素を加熱テーブル３の方向に向けて導入する第２の酸
素供給手段、８は、処理容器１の内部に水蒸気を導入す
る水蒸気導入手段であり、９は、処理容器１の壁面の温
度を検知するための温度センサーである。また、処理容
器１の上部の排気口に連結された排気系は、コンダクタ
ンスバルブ１１とドライポンプ１３より構成されてお
り、コンダクタンスバルブ１１の前段には高周波誘導結
合型プラズマ式２次燃焼室１４が、またドライポンプ１
３の前段には後段サイクロン１２が備えられている。

【００１５】これらの構成手段のうち、プラズマ式高温
酸素導入手段５は、図２に見られるように、間隙に冷却
水を通流させた二重の石英管５ａと、その外側に同軸に
巻かれた水冷式の誘導コイル５ｂからなり、石英管５ａ
の中心軸を処理容器１の中心軸に対して偏芯させて連結
されている。石英管５ａの一端のフランジよりこの石英
管５ａに対して旋回流を形成するように、例えば 15
〔ｌ／min 〕の酸素ガスが供給され、同時に、一端より
石英管の軸方向の流れを形成するように、例えば15
〔ｌ／min 〕の酸素ガスが供給される。このように酸素
ガスを流し、巻回数が５ターンの誘導コイル５ｂに 13.
56 [MHz]の高周波電力を供給することによって、石英管
５ａの内部の酸素ガスが加熱され、プラズマ化される。
この方式では高周波電力が直接酸素ガスの加熱に用いら
れるのでエネルギーロスが少なく、効率良く 1000 ℃以
上の高温酸素が得られ、図に見られるように、処理容器
１の内部の主酸化反応領域１０へと供給され、酸化反応
が促進される。

【００１６】図１に示した減圧焼却装置による可燃性、
難燃性物質の焼却処理は以下のごとく行われる。まず、
処理容器１の内部を真空排気したのち、第１の酸素供給
手段６および第２の酸素供給手段７より酸素ガスを、ま
た、プラズマ式高温酸素導入手段５より高温酸素を供給
し、水蒸気導入手段８より水蒸気を導入して所定の圧力
に保持する。つぎに、処理容器１の底部の加熱テーブル
３を約 600℃に加熱したのち、被処理物供給手段２のロ
ードロック式投入口より約 1ｌの被処理物を処理容器１
の加熱テーブル３上に投入する。投入された可燃性、難
燃性の被処理物は熱分解ガスを放出し、放出された熱分
解ガスは、水蒸気と混合されたのち、酸素ガスと混合さ
れ、高温酸素の働きによって完全燃焼する。このとき、
熱分解ガスと水蒸気混合ガスとに含まれる水素と炭素の
比率（Ｈ／Ｃ比）が図３にに示した特性曲線の上部、す
なわち完全燃焼領域に存在するように水蒸気の導入量は
40 〔 g/min〕に設定されている。なお、この導入すべ
き水蒸気量は、当然被処理物の特性によって異なり、ま
た、加熱テーブル３の温度等の熱分解条件によっても異
なるが、熱分解ガス中のＨ／Ｃ比は少なくとも１以上で
あるので、発生ガス中の炭素と同程度の水蒸気を添加す
れば、Ｈ／Ｃ比を３程度にすることが可能であり、図３
に見られるように、比較的圧力の高い条件下においても
完全燃焼させることができる。水蒸気を添加すれば、H₂
O の分圧が上昇し、次式のごとき、固体炭素を気化させ
る反応が活発となって、完全燃焼が進行し、不完全燃焼
による煤の発生が抑制されるものと推定される。

【００１７】

【化１】Ｃ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ＋Ｈ₂ ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋Ｈ₂ Ｃ＋２Ｈ₂→ＣＨ₄ 上記のように、水蒸気の添加の効果はＨ／Ｃ比の上昇に
よるものであり、水蒸気に代って、水素ガス、メタンガ
ス、メタノール、エタノール等の水素、もしくは水素化
合物を導入することとしても、当然同等の効果が得られ
る。

【００１８】投入された可燃性、難燃性の被処理物の処
理が進行すると、徐々に熱分解ガスの放出量が増大し、
図１中に点線で示した主酸化反応領域１０が上方へと広
がる。さらに、処理を 10 分程度行うと、可燃性ガスの
放出量は減少し、主酸化反応領域１０も下方へと下がり
縮小する。このとき、処理容器の側壁に設けられた温度
センサー９の検出温度は、図４に見られるように、被処
理物投入後、一旦上昇し、しばらくして下降に転じる。
この温度センサー９の検出温度を制御装置２０へ入力
し、その値が規定値に達したとき、制御装置２０から被
処理物供給手段２へと制御信号を出力して次の被処理物
を投入し、加熱処理する。この被処理物の投入に伴っ
て、温度センサー９の検出温度は、図４に見られるごと
く、再度上昇、下降を繰り返すこととなる。

【００１９】なお、本実施例では、上記のように温度セ
ンサー９の検出温度によって新たな被処理物の投入時期
を制御しているが、被処理物がある程度均質なものの場
合には、あらかじめ求めた時間間隔で断続的に投入して
処理することとしてもよい。また、酸素投入量と、ドラ
イポンプ１３から排出される排ガス中の酸素濃度と二酸
化炭素濃度とから、酸素消費量と二酸化炭素発生量とを
算定し、二酸化炭素発生量の減少信号や酸素消費量の減
少信号により、被処理物の投入時期を制御することとし
てもよい。なお、この制御方法を用いて処理する場合に
は、何らかの要因により燃焼反応が増大し、酸素濃度が
低くなり過ぎる事態が生じても、事態の発生を的確に検
知して酸素供給量を一次的に増大させる措置を採ること
ができる。また、投入した被処理物が低カロリーで、酸
化反応の最高潮時の二酸化炭素発生量が装置能力に比べ
て小さい場合には、これを的確に検知して被処理物の投
入量を増大させて処理することができる。

【００２０】上記のように被処理物を断続的に供給して
処理すると、被処理物は減容され、重量も減少する。例
えば、被処理物が可燃物の紙や綿などのセルロース系物
質の場合には、重量が 98 ％程度減少し、投入量の 1／
50程度になる。また、被処理物が難燃性のイオン交換樹
脂の場合には、投入量の約１／３となる。本減圧焼却装
置でセルロース系の可燃物のみを処理する場合には、例
えば１日８時間運転したのち、酸化反応の終了を待っ
て、図示しない搬出手段により残存する残さを回収すれ
ばよい。

【００２１】難燃物を含む被処理物を処理する場合に
は、被処理物を投入して熱分解反応を進行させ、この熱
分解反応が終了した時点で、加熱テーブルの温度を 600
℃から例えば 800℃に上昇させ、さらには、第２の酸素
供給手段から加熱テーブルに向かって供給するの酸素量
を増大させることによって酸化反応を促進させて処理す
ることも可能である。また、一定時間経過したのち、酸
素の供給を停止し、窒素ガスに置換したのち大気雰囲気
に復帰させて処理を強制終了させることも可能である。
このように本減圧焼却装置では、反応時間によって被処
理物の減容率を制御することが可能であり、イオン交換
樹脂の場合には、初期投入量の 1／5 から1／20の範囲
の減容率に制御することができる。

【００２２】また、上記のように反応を強制終了させる
ことなく、炭化物が無くなるまで燃焼させ、被処理物を
完全に灰化させて、灰分を回収することも可能である。
例えば、有用金属を含む被処理物をこのように完全に灰
化させ、有用金属を灰として濃縮して回収すれば、酸を
用いて有用金属を灰から容易に溶離でき、金属回収率も
高くなる。

【００２３】なお、図１の減圧焼却装置において、処理
容器で酸化反応が進行しているとき、処理容器内には、
ガス流によって被処理物の小片や粒状物質が舞い上が
る。このため、処理容器１の上端中央部に設けられた排
気口からこれらの小片や粒状物質が排気系へと流入する
可能性があるので、処理容器１の上部の周辺に酸素ガス
を旋回流として供給する第１の酸素供給手段を配して、
そのサイクロン効果によってこれらの排気口への流入を
防止している。

【００２４】また、微量の未燃焼ガス成分がこの排気口
から排気系へと流出する場合があるので、この未燃焼ガ
ス成分を処理するために、排気系の前段に高周波誘導結
合型プラズマ式の２次燃焼室１４が設置されている。こ
のプラズマ式の２次燃焼室１４は、未燃焼ガスや酸素ガ
スをプラズマ中の電子と衝突させて活性化させ、酸化反
応させるよう構成されている。電子との衝突によりイオ
ン化する分子の寿命は１μｓ程度であるので、この２次
燃焼室１４内の排ガス速度を１〔 m／s 〕、イオン化率
を 0.01 ％の条件に設定すると、プラズマ長が 10 mm
でほぼすべての分子が平均１回プラズマ化することとな
る。したがって、この２次燃焼室１４内のプラズマ長を
数十cmにすることによって、分子がほぼ完全にイオン化
し、イオン化した未燃焼ガスと酸素が容易に酸化反応を
起こし、排ガスは完全燃焼する。このように完全燃焼さ
せることによって、塩素を含んだ被処理物の場合にも、
ダイオキシン等の毒性の強い有害物を合成することな
く、安全に処理できる。

【００２５】なお、図１に示した実施例の減圧焼却装置
においては、処理容器上部のサイクロンで捕集されない
で、排気系へと流入した微粒子を捕集するために後段サ
イクロン１２が組み込まれている。また排気装置にはド
ライポンプ１３が使用されている。

【００２６】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、（１）請求項１あるいは請求項２に記載のごとき方法に
より可燃性、あるいは難燃性物質の焼却減容処理を行う
こととしたので、比較的圧力の高い減圧状態でも完全燃
焼させることが可能となり、低コストで焼却処理ができ
ることとなった。

【００２７】（２）また、減圧焼却装置を、請求項３あ
るいは請求項４、さらには、請求項５〜９に記載のごと
く構成すれば、上記の（１）のごとき方法を適用して効
果的に被処理物の焼却処理を行うことが可能となるの
で、所要真空排気装置の小型化、運転コストの低減が図
られ、かつ、処理装置の大型化が可能な減圧焼却装置と
して好適である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の減圧焼却装置の一実施例の基本構成を
示す縦断面図

【図２】図１の減圧焼却装置に組み込まれているプラズ
マ式高温酸素導入手段の基本構成を示す横断面図

【図３】（Ｈ／Ｃ比）対圧力特性における完全燃焼領域
を示す特性図

【図４】図１の減圧焼却装置による焼却処理の際の処理
容器の側壁の検出温度の時間変化を示す特性図

【符号の説明】

１処理容器２被処理物供給手段３加熱テーブル５プラズマ式高温酸素導入手段６第１の酸素供給手段７第２の酸素供給手段８水蒸気導入手段９温度センサー１０主酸化反応領域１１コンダクタンスバルブ１２後段サイクロン１３ドライポンプ１４２次燃焼室（高周波誘導結合型プラズマ式）２０制御装置

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｆ２３Ｌ 7/00 Ｆ２３Ｌ 7/00 ＡＣＦターム(参考） 3K023 JA01 JB01 3K061 AA16 AB02 AB03 BA04 CA07 CA14 FA25 3K065 TA06 TA16 TB07 TC04 TE06 TF05 TF09 TG01 TJ02 TJ05 TP04 3K078 AA04 BA03 CA03 CA12 CA17 CA25 4D004 AA12 AA47 AB03 AB06 CA27 CA28 CA43 CC01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】可燃性、または難燃性物質を、減圧酸素雰
囲気中で加熱分解し、得られた熱分解ガスを、プラズマ
加熱して得た高温酸素を用いて酸化反応させて焼却処理
する減圧焼却方法において、前記の酸化反応を水蒸気を
添加した雰囲気において行うことを特徴とする減圧焼却
方法。
【請求項２】可燃性、または難燃性物質を、減圧酸素雰
囲気中で加熱分解し、得られた熱分解ガスを、プラズマ
加熱して得た高温酸素を用いて酸化反応させて焼却処理
する減圧焼却方法において、前記の酸化反応を水素、も
しくは水素化合物を添加した雰囲気において行うことを
特徴とする減圧焼却方法。
【請求項３】処理容器と、処理容器の内部に被処理物を
供給する被処理物供給手段と、供給された被処理物を加
熱する加熱テーブルと、処理容器の内部を減圧する排気
手段と、処理容器の内部に酸素ガスを供給する少なくと
も一つの酸素供給手段と、処理容器の内部に高温酸素を
導入するプラズマ式高温酸素導入手段と、処理容器の内
部に水蒸気を導入する水蒸気導入手段とを備えた可燃
性、または難燃性物質の減圧焼却装置。
【請求項４】処理容器と、処理容器の内部に被処理物を
供給する被処理物供給手段と、供給された被処理物を加
熱する加熱テーブルと、処理容器の内部を減圧する排気
手段と、処理容器の内部に酸素ガスを供給する少なくと
も一つの酸素供給手段と、処理容器の内部に高温酸素を
導入するプラズマ式高温酸素導入手段と、処理容器の内
部に水素、もしくは水素化合物を導入する水素導入手段
とを備えた可燃性、または難燃性物質の減圧焼却装置。
【請求項５】請求項３または４に記載の減圧焼却装置に
おいて、前記の酸素供給手段の少なくとも一つが、供給
された酸素が処理容器内部に旋回流をなして導入される
ようにガス供給ノズルを配置して構成されていることを
特徴とする減圧焼却装置。
【請求項６】請求項５に記載の減圧焼却装置において、
処理容器内部に導入された酸素の旋回流の中心のガス流
面と直交する方向の処理容器の端部に、前記の排気手段
に連結される排気口が配置されていることを特徴とする
減圧焼却装置。
【請求項７】請求項３乃至６のいずれかに記載の減圧焼
却装置において、前記の酸素供給手段の少なくとも一つ
が、供給された酸素が処理容器内部の加熱テーブルの方
向に導入されるようにガス供給ノズルを配置して構成さ
れていることを特徴とする減圧焼却装置。
【請求項８】請求項３乃至７のいずれかに記載の減圧焼
却装置において、前記の処理容器に、容器壁面の温度を
検知する一つないしは複数の温度センサーが設置されて
いることを特徴とする減圧焼却装置。
【請求項９】請求項３乃至８のいずれかに記載の減圧焼
却装置において、前記の処理容器の排気口と前記の排気
手段との間に高周波誘導結合型プラズマ式２次燃焼室が
連結されていることを特徴とする減圧焼却装置。
【請求項１０】処理容器の加熱テーブル上に供給した被
処理物を、加熱分解し、プラズマ加熱して得た高温酸素
を用いて酸化反応させて焼却処理を行う際に、容器壁面
の温度を検知する前記の温度センサーを監視して、検知
された温度が規定値に達したとき、被処理物供給手段に
より新たに被処理物を供給して焼却減容処理を行うこと
を特徴とする請求項８に記載の減圧焼却装置の運転方
法。