JP2004031083A

JP2004031083A - Plasma melting device and plasma melting method

Info

Publication number: JP2004031083A
Application number: JP2002184855A
Authority: JP
Inventors: Kazushi Tanaka; 田中　和士; Yoshimasa Akatsuka; 赤塚　義正; Naotaka Tanahashi; 棚橋　尚貴; Takushi Seo; 瀬尾　拓史
Original assignee: Chubu Electric Power Co Inc
Current assignee: Chubu Electric Power Co Inc
Priority date: 2002-06-25
Filing date: 2002-06-25
Publication date: 2004-01-29
Anticipated expiration: 2022-06-25
Also published as: JP3977164B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a plasma melting device with a simple constitution easy to operate capable of reducing the size of the device, and a plasma melting method. <P>SOLUTION: A power source 41 is connected between a cathode 11 and a nozzle 12 surrounding the cathode 11 and conducting gas for plasma generation. A serial circuit of the power source 41 and a power source 42 is connected between the cathode 11 and an anode 20 with an object to be melted 30 arranged. The power source 41 and the power source 42 are applied when performing melting treatment to the object to be melted 30. Plasma jet is generated by the power source 41, and the object to be melted 30 is heated and melted. A plasma arc is generated between the melted part of the object to be melted heated and melted by the plasma jet and the cathode 11 by the power sources 41 and 42. Since the plasma jet is generated from the nozzle 12 at all times, the plasma arc is automatically generated between the cathode 11 and the object to be melted 30 even if the plasma arc generated between the cathode 11 and the object to be melted 30 is extinguished. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、非溶融状態では非導電性を有する被溶融物をプラズマを用いて溶融するプラズマ溶融装置及びプラズマ溶融方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
焼却灰等の、非溶融状態では非導電性を有する被溶融物を溶融する溶融装置として、プラズマ溶融装置が用いられている。
このような、非溶融状態では非導電性を有する被溶融物をプラズマにより溶融するプラズマ溶融装置では、焼却灰が溶融状態にない時には、電極と焼却灰との間にプラズマを発生させるための起動処理が必要である。
焼却灰等の被溶融物をプラズマにより溶融するプラズマ溶融装置における起動方法としては、例えば、特開平８−２１０７７８号公報、特開平９−７２５１９号公報に記載されている起動方法が知られている。
特開平８−２１０７７８号公報に記載されているプラズマ溶融装置の起動方法は、主電極と起動電極を接触させて主電極と起動電極との間にプラズマアークを発生させ、プラズマアークによる加熱溶融によってスラグ層の表面に発生した溶融スラグ部分に起動電極を接触挿入することによって起動させるものである。
また、特開平９−７２５１９号公報に記載の起動方法は、プラズマの停止と同時に溶融炉の上部から導電体をスラグ浴中に打ち込み、導電体と炉体電極との導通を確認した後に起動させるものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
特開平８−２１０７７８号公報に記載のプラズマ溶融装置の起動方法では、主電極と起動電極との間のプラズマアークによってスラグ表面に発生した溶融スラグ部分に起動電極を接触挿入させる操作が必要である。
特開平９−７２５１９号公報に記載のプラズマ溶融装置の起動方法では、導電体をスラグ浴中に打ち込む操作が必要である。
すなわち、前記した従来のプラズマ溶融装置の起動方法は、起動電極あるいは導電体等を移動させる操作が必要である。このため、操作性がよくないと考えられる。
また、起動電極あるいは導電体等を移動可能とする機構を用いる必要があるため、構成が複雑となり、装置を小型化するのにも限度がある。
そこで、本発明は、非溶融状態では非導電性を有する被溶融物をプラズマにより溶融するプラズマ溶融装置及びプラズマ溶融方法であって、操作性がよく、装置の構成が簡単で、小型化が可能であるプラズマ溶融装置及びプラズマ溶融方法を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための本発明の第１発明は、請求項１に記載されたとおりのプラズマ溶融装置である。
請求項１に記載のプラズマ溶融装置では、第１の電極と、第１の電極を取り囲み、プラズマ発生用ガスを通す導電性のノズルとの間に第１の電源が接続され、第１の電極と、非溶融状態では非導電性を有する被溶融物が配置される第２の電極との間に第１及び第２の電源が直列に接続されており、第１の電源によって、第１の電極とノズルとの間にプラズマジェットを発生させて第２の電極に配置されている被溶融物を加熱溶融させ、直列接続された第１及び第２の電源によって、溶融して導電性を持った被溶融物と第１の電極との間にプラズマアークを発生させる。これにより、第１及び第２の電源を投入する操作だけで、第１の電極と被溶融物間にプラズマアークを発生させる（起動させる）ことができる。さらに、第１の電極と第２の電極との間に、第１の電極とノズルとの間に接続される第１の電極と第２の電極が直列に接続されているため、例えば、焼却灰等の非溶融状態では非導電性を有する被溶融物が大量に投入されてプラズマアークが消弧した場合でも、第１の電圧によって発生しているプラズマジェットにより被溶融物が加熱溶融され、加熱溶融されて導電性を有するようになった被溶融物と第１の電極との間にプラズマアークが自動的に再発生する（再起動する）。このように、第１発明では、起動時または再起動時に、従来のプラズマ溶融装置のように起動電極や導電体を移動させる操作が不要であるため、操作性がよい。さらに、起動電極や導電体を移動可能とする機構が不要であるため、装置の構成が簡単となり、また、装置の小型化が容易となる。
なお、「第１の電源と第２の電源を直列に接続する」という構成は、別体の電源装置を直接に接続する構成だけでなく、１つの電源装置から第１の電源と第２の電源を出力する構成も含まれる。
また、本発明の第２発明は、請求項２に記載されたとおりのプラズマ溶融装置である。
請求項２に記載のプラズマ溶融装置では、第１の電極と、第１の電極を取り囲み、プラズマ発生用ガスを通す導電性のノズルとの間に第１の電源が接続され。第１の電極と、非溶融状態では非導電性を有する被溶融物が配置される第２の電極との間に第２の電源が接続されており、第１の電源によって、第１の電極とノズルとの間にプラズマジェットを発生させて第２の電極に配置されている被溶融物を加熱溶融させ、第２の電源によって、溶融して導電性を持った被溶融物と第１の電極との間にプラズマアークを発生させる。これにより、第１及び第２の電源を投入する操作だけで、第１の電極と被溶融物間にプラズマアークを発生させる（起動させる）ことができる。また、例えば、プラズマアークが消弧した場合には、第１の電源を投入するだけで、第１の電極と被溶融物との間にプラズマアークが再発生する（再起動する）。さらに、第１の電源を常時投入しておけば、プラズマアークが消弧した場合に、プラズマアークが自動的に再発生する（再起動する）。このため、操作性がよく、構成が簡単であり、小型化が可能である。
また、本発明の第３発明は、請求項３に記載のプラズマ溶融方法である。
請求項３に記載のプラズマ溶融方法では、第１の電極とノズルとの間に第１の電圧を印加し、第１の電極とノズルとの間にプラズマジェットを発生させて第２の電極に配置されている被溶融物を加熱溶融させ、第１の電極と、非溶融状態では非導電性を有する被溶融物が配置されている第２の電極との間に第２の電圧を印加し、第１の電極と溶融した被溶融物との間にプラズマアークを発生させる。これにより、第１発明や第２発明と同様に、第１及び第２の電源を投入する操作だけで、第１の電極と被溶融物間にプラズマアークを発生させる（起動させる）ことができる。さらに、例えば、プラズマアークが消弧した場合でも、第１の電極と被溶融物との間にプラズマアークを容易に再発生させる（再起動させる）ことができる。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明に係るプラズマ溶融装置の一実施の形態の概略構成図である。
本実施の形態のプラズマ溶融装置１００は、プラズマトーチ１０、プラズマ溶融炉１２０、電源１３０により構成されている。
プラズマ溶融炉１２０には、被溶融物３０が収納される導電性を有するるつぼ２０が配置されている。るつぼ２０は、プラズマアーク発生のための電極（アノード）となる。るつぼ２０よりあふれた溶融物は、回収室１４０で冷却固化されて回収される。
本実施の形態では、プラズマの高温によって溶融する被溶融物３０として、非溶融状態では非導電性を有し、溶融時には導電性を有する物質を対象とし、基本的にはすべての固体成分がその対象となる。このような被溶融物３０としては、例えば、廃棄物、廃棄物やその他の物質を焼却あるいは炭化処理して発生する未燃固化物である焼却灰や炭化物、下水汚泥、金属精錬時に発生する高融点のスラッジ、ガラス等の不燃物がある。廃棄物としては、産業廃棄物、都市ゴミや医療廃棄物等様々なものがある。
特に、このような対象物の中で、現在、環境問題になっている様々の廃棄物や物質を溶融固化することは、これらの廃棄物や物質等の環境への溶出を防止することができ、また、大幅な減容化ができるので、環境負荷の低減にきわめて有効である。
【０００６】
図１に示すプラズマ溶融炉（プラズマ溶融装置）１２０の一実施の形態の構成を図２に示す。
本実施の形態のプラズマ溶融炉（プラズマ溶融装置）１２０は、カソード１１、ノズル１２、アノード２０、電源４１、電源４２により構成されている。電源４１には、プラズマジェットの発生を開始させるための高周波電源が重畳される。高周波電源は、最初にプラズマアークを着火させる時にのみ電源４１に重畳される。
カソード１１（第１の電極）は、例えば、タングステンにより形成され、電源４１の負端子に接続される。
ノズル１２は、例えば、銅により形成され、電源４１の正端子と電源４２の負端子に接続される。ノズル１２は、カソード１１の外面との間に空隙部が設けられ（離間して配設され）、カソード１１を取り囲むように配設されている。空隙部は、先端側（アノード２０側）が開口している。この空隙部には、プラズマ発生用のガス（例えば、アルゴンガス）が注入される。ノズル１２は、通常、冷却水等によって冷却されている。
アノード２０（第２の電極）は、例えば、カーボンにより形成され、電源４２の正端子に接続される。アノード２０は、るつぼ状に形成され、被溶融物３０が配置される。
カソード１１とノズル１２によって、プラズマトーチ１０が構成されている。
電源４１（第１の電源）は、カソード１１（例えば、カソード１１の先端部）とノズル１２（例えば、カソード１１の先端部と対向する、ノズル１２の先端部）との間にプラズマアークが発生する電流（カソード電流）Ｉａをカソード１１とノズル１２に供給する。ノズル１２内に注入されているプラズマ発生用のガスは、カソード１１とノズル１２との間に発生するプラズマアークによってイオン化され、ノズル１２の先端部の開口部からプラズマジェットが発生する。カソード電流Ｉａは、ノズル１２から発生されるプラズマジェットにより、アノード２０に配置されている被溶融物３０が加熱溶融される値に設定する。
直列に接続された電源４１（第１の電源）と電源４２（第２の電源）は、アノード２０に配置されている、ノズル１２から発生されたプラズマジェットにより加熱溶融された被溶融物３０とカソード１１との間にプラズマアークが発生する電流（アノード電流）Ｉｂをカソード１１とアノード２０に供給する。
電源４１（第１の電源）と電源４２（第２の電源）としては、定電流電源を用いるのが好ましい。
定電流電源の構成としては、電源４１は負荷電圧が小さいもの、電源４２は負荷電圧が大きいものが望ましい。電源４１は、トーチ内部の電極１１とノズル１２の間でアーク放電を発生するものであり、電極同士の間隔が小さいため必要とされる負荷電圧は小さいもので充分である。しかしながら、ノズル１２とるつぼ２０の間は距離も大きく被溶融物３０が介在するため、アーク放電を発生させるためには高電圧が必要となる。このため、電源４２は、負荷電圧の大きなものが必要である。電源４１と４２を直列に接続することにより、電極１１とるつぼ２０の間に印加される電圧はその和の高電圧となり、よりアーク放電を発生させ易くなるのである。
また、本実施の形態では、電源４１の電流値を電源４２の電流値より数アンペア程度大きく設定している。これにより、プラズマジェットからプラズマアーク、あるいはプラズマアークからプラズマジェットにスムーズに変化することが可能となった。
【０００７】
次に、本実施の形態のプラズマ溶融装置を用いて被溶融物を溶融する動作を図２〜図４により説明する。
まず、図２に示すように、電源４１（第１の電源）とカソード１１（第１の電極）とノズル１２に接続するとともに、電源４２（第２の電源）をノズル１２とアノード２０（第２の電極）に接続する。これにより、カソード１１とアノード２０との間には、電源４１と電源４２が直列に接続される。被溶融物３０は、るつぼ状のアノード２０に配置される。
電源４１からカソード１１とノズル１２に供給される電流によって、カソード１１とノズル１２の間にプラズマアークが発生し、ノズルからプラズマジェットが発生する。
この時、被溶融物が非溶融状態にあって非導電性を有しており、カソード１１と被溶融物３０との間にプラズマアークが発生しない場合には、被溶融物３０の表面がプラズマジェットによって加熱溶融される。
【０００８】
プラズマジェットによって被溶融物３０の表面が加熱溶融されると、図３に示すように、被溶融物３０の溶融した部分（溶融部分）３１が導電性となる。
溶融部分がアノード迄拡がると、カソード１１とアノード２０との間に直列に接続されている電源４１と電源４２からカソード１１とアノード２０に供給されている電流によって、カソード１１と被溶融物３０の溶融した部分３１との間にプラズマアークが発生し、被溶融物３０はプラズマアークによって加熱溶融される。この時、図４に示すように、比較的重い金属を含む導電性の溶融物３３がアノード２０の下方に、比重の小さい無機質層等３２がアノード２０の上方に分離される。
アノード２０の上部から溢れた溶融物は、冷却水等によって冷却されて固化する。
【０００９】
このような状態で、アノード２０に新たに大量の被溶融物３０が投入された場合、被溶融物３０の非導電性によってカソード１１と被溶融物３０との間のプラズマアークが消弧することがある。
ここで、電源４１がカソード１１とノズル１２に接続された状態にあるため、ノズル１２からプラズマジェットが発生している。
したがって、カソード１１と被溶融物３０との間のプラズマアークが消弧した場合には、ノズル１２から発生しているプラズマジェットによって、起動時と同様に、非溶融物３０が加熱溶融された後、カソード１１と被溶融物３０との間にプラズマアークが自動的に再発生する。
【００１０】
このように、本実施の形態では、第１の電源４１と第２の電源４２が直列に接続され、カソード１１とノズル１２との間に第１の電源４１が接続され、カソード１１とアノード２０との間に第１の電源４１と第２の電源４２の直列回路が接続されている。すなわち、被溶融物３０の溶融処理時、第１の電源４１が常時カソード１１とノズル１２との間に接続された状態にある。
これにより、起動時には、ノズル１２から発生するプラズマジェットによってカソードと被溶融物との間にプラズマアークが自動的に発生する。
また、カソード１１と被溶融物３０との間のプラズマアークが消弧した場合でも、ノズル１２から発生しているプラズマジェットによってカソード１１と被溶融物３０との間に自動的にプラズマアークが再発生する。
このため、非溶融状態では非導電性の被溶融物のプラズマ溶融装置として、操作性がよく、構成が簡単で、小型化が可能なプラズマ溶融装置を得ることができる。
【００１１】
なお、第１の電源４１と第２の電源４２を直列に接続する方法は、別体の電源と直接に接続してもよいし、１つの電源に複数の出力端子を設けてもよい。
【００１２】
以上の実施の形態では、カソード１１とアノード２０との間に第１の電源４１と第２の電源４２を直列に接続し、第１の電源４１をカソード１１とノズル１２に接続したが、電源の接続方法はこれに限定されない。
図５に電源の接続方法を変更したプラズマ溶融装置の他の実施の形態を示す。本実施の形態では、カソード１１とノズル１２との間に電源５１（第１の電源）を接続し、カソード１１とアノード２０との間に電源５２（第２の電源）を接続している。
本実施の形態では、電源５１からカソード１１とノズル１２に供給する電流（カソード電流）Ｉａは、ノズル１２から発生されるプラズマジェットにより、アノード２０に配置されている被溶融物３０が加熱溶融される値に設定する。
また、電源５２からカソード１１とアノード２０に供給する電流（アノード電流）Ｉｂは、アノード２０に配置されている、ノズル１２から発生されるプラズマジェットにより加熱溶融された被溶融物３０とカソード１１との間にプラズマアークが発生する値に設定する。
電源５１（第１の電源）と電源５２（第２の電源）としては、定電流電源を用いるのが好ましい。
本実施の形態では、被溶融物３０の溶融処理時には、電源５１（第１の電源）からカソード１１とノズル１２にカソード電流Ｉａを供給するとともに、電源５２（第２の電源）からカソード１１とアノード２０にアノード電流Ｉｂを供給する。
これにより、図２〜図４に示した実施の形態と同様に、起動時には、ノズル１２から発生するプラズマジェットによってカソード１１と被溶融物３０との間にプラズマアークが自動的に発生する。
また、電源５１を常時投入しておけば、カソード１１と被溶融物３０との間のプラズマアークが消弧した場合でも、ノズル１２から発生しているプラズマジェットによってカソード１１と被溶融物３０との間に自動的にプラズマアークが差異発生する。
さらに、電源５１が常時投入されていない場合には、プラズマアークが消弧した時に電源５１を投入するのみで、自動的にプラズマアークが再発生する。
【００１３】
本発明のプラズマ溶融装置を用いて被溶融物を溶融処理した場合の各部の電流及び電圧を図６に示す。
図６において、太い実線はアノード２０（第２の電極）の電圧（アノード電圧）を示し、細い実線はアノード２０（第２の電極）の電流（アノード電流Ｉｂ）を示し、太い鎖線はノズル１２の電圧（カソード電圧）を示し、細い鎖線はノズル１２の電流（カソード電流Ｉａ）を示している。
図６において、時点ｔ１で、カソード１１とノズル１２に電源（図２では電源４１、図５では電源５１）が接続され、カソード１１とアノード２０に電源（図２で葉、電源４１と電源４２の直列回路、図５では電源５２）が接続されるとともに、アノード２０に被溶融物３０が投入されている。
そして、ノズル１２から発生するプラズマジェットにより被溶融物３０が加熱溶融され、時点ｔ２で、カソード１１と被溶融物３０の溶融部３１との間にプラズマアークが発生している。
次に、時点ｔ３で、大量の被溶融物３０がアノード２０に投入されたため、カソード１１と被溶融物３０との間のプラズマアークが消弧している。
そして、ノズル１２から発生しているプラズマジェットによって被溶融物３０が加熱溶融され、時点ｔ４で、カソード１１と被溶融物３０の溶融部３１との間に再度プラズマアークが発生していることを示している。
【００１４】
本発明は、実施の形態で説明した構成に限定されず、種々の変更、追加、削除が可能である。
例えば、本発明は、焼却灰等の被溶融物以外の種々の被溶融物を溶融する場合に適用することができる。
また、プラズマトーチとしては、種々の構造のものを用いることができる。
また、第１の電極、ノズル、第２の電極の構造、材料としては種々の構造、材料を用いることができる。
【００１５】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１、請求項２に記載のプラズマ溶融装置及び請求項３に記載のプラズマ溶融方法を用いれば、操作が容易であり、構成が簡単で、装置を小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のプラズマ溶融装置の一実施の形態の概略構成図である。
【図２】本発明のプラズマ溶融装置の一実施の形態を示す図である。
【図３】本発明のプラズマ溶融装置の一実施の形態を示す図である。
【図４】本発明のプラズマ溶融装置の一実施の形態を示す図である。
【図５】本発明のプラズマ溶融装置の他の形態を示す図である。
【図６】本発明のプラズマ溶融装置の一実施の形態の動作時における各部の電流、電圧を示す図である。
【符号の説明】
１０　プラズマトーチ
１１　カソード（第１の電極）
１２　ノズル
２０　アノード（第２の電極）
３０　被溶融物
４１、４２、５１、５２　電源[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a plasma melting apparatus and a plasma melting method for melting a non-conductive material to be melted in a non-melted state using plasma.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art A plasma melting device is used as a melting device for melting a material to be melted which is non-conductive in a non-molten state such as incineration ash.
In such a plasma melting apparatus that melts a non-conductive material in a non-molten state using plasma, when the incinerated ash is not in a molten state, a start-up for generating plasma between the electrode and the incinerated ash is performed. Action is required.
As a start-up method in a plasma melting apparatus for melting a material to be melted such as incineration ash by plasma, for example, a start-up method described in JP-A-8-210778 and JP-A-9-72519 is known. .
The starting method of the plasma melting apparatus described in Japanese Patent Application Laid-Open No. H8-210778 is based on a method in which a main electrode and a starting electrode are brought into contact to generate a plasma arc between the main electrode and the starting electrode. The starting is performed by inserting a starting electrode into contact with a molten slag generated on the surface of the slag layer.
Further, in the starting method described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-72519, a conductor is driven into the slag bath from the upper part of the melting furnace at the same time as the plasma is stopped, and is started after the conduction between the conductor and the furnace body electrode is confirmed. Things.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
In the method of starting a plasma melting apparatus described in Japanese Patent Application Laid-Open No. H8-210778, an operation of contacting and inserting a starting electrode into a molten slag portion generated on a slag surface by a plasma arc between a main electrode and a starting electrode is required. .
In the method of starting a plasma melting apparatus described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-72519, an operation of driving a conductor into a slag bath is required.
That is, the above-described conventional method for starting the plasma melting apparatus requires an operation of moving the starting electrode or the conductor. Therefore, it is considered that the operability is not good.
Further, since it is necessary to use a mechanism capable of moving the starting electrode or the conductor, the configuration becomes complicated, and there is a limit in reducing the size of the device.
Therefore, the present invention relates to a plasma melting apparatus and a plasma melting method for melting a non-conductive material to be melted in a non-melted state by using plasma, which has good operability, has a simple structure, and can be miniaturized. It is an object of the present invention to provide a plasma melting apparatus and a plasma melting method.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
A first aspect of the present invention for solving the above-mentioned problems is a plasma melting apparatus as described in claim 1.
In the plasma melting apparatus according to claim 1, a first power source is connected between the first electrode and a conductive nozzle that surrounds the first electrode and passes a gas for generating plasma, and the first electrode is connected to the first electrode. And a second electrode on which a material to be melted having non-conductivity in the non-molten state is arranged, and a first and a second power supply are connected in series. A plasma jet is generated between the electrode and the nozzle to heat and melt the object disposed on the second electrode, and the first and second power supplies connected in series melt and have conductivity. A plasma arc is generated between the melted object and the first electrode. Thus, a plasma arc can be generated (started) between the first electrode and the material to be melted only by turning on the first and second power supplies. Furthermore, since the first electrode and the second electrode connected between the first electrode and the nozzle are connected in series between the first electrode and the second electrode, for example, incineration is performed. Even when the plasma arc is extinguished in a non-molten state such as ash when a large amount of a non-conductive material to be melted is injected and the plasma arc is extinguished, the melt is heated and melted by the plasma jet generated by the first voltage, A plasma arc is automatically regenerated (restarted) between the first electrode and the material to be melted by heating and having conductivity. As described above, in the first invention, at the time of starting or restarting, the operation for moving the starting electrode and the conductor as in the conventional plasma melting apparatus is not required, and thus the operability is good. Further, since a mechanism for moving the starting electrode and the conductor is unnecessary, the configuration of the device is simplified, and the size of the device is easily reduced.
Note that the configuration of “connecting the first power supply and the second power supply in series” is not limited to a configuration in which a separate power supply is directly connected, but also a configuration in which one power supply supplies the first power supply and the second power supply. A configuration for outputting power is also included.
According to a second aspect of the present invention, there is provided a plasma melting apparatus as set forth in claim 2.
In the plasma melting apparatus according to the second aspect, a first power supply is connected between the first electrode and a conductive nozzle surrounding the first electrode and passing a gas for plasma generation. A second power supply is connected between the first electrode and a second electrode on which an object to be melted which is non-conductive in a non-molten state is provided. A plasma jet is generated between the first electrode and the nozzle to heat and melt the object to be disposed disposed on the second electrode. A plasma arc is generated between the electrode and the electrode. Thus, a plasma arc can be generated (started) between the first electrode and the material to be melted only by turning on the first and second power supplies. Further, for example, when the plasma arc is extinguished, the plasma arc is regenerated (restarted) between the first electrode and the material to be melted only by turning on the first power supply. Furthermore, if the first power supply is constantly turned on, the plasma arc is automatically regenerated (restarted) when the plasma arc is extinguished. Therefore, the operability is good, the configuration is simple, and the size can be reduced.
A third aspect of the present invention is a plasma melting method according to the third aspect.
In the plasma melting method according to claim 3, a first voltage is applied between the first electrode and the nozzle, and a plasma jet is generated between the first electrode and the nozzle to generate a plasma jet on the second electrode. Heating and melting the disposed object to be melted, and applying a second voltage between the first electrode and the second electrode on which the object having non-conductivity in a non-molten state is disposed. A plasma arc is generated between the first electrode and the melted object. Thus, similarly to the first invention and the second invention, a plasma arc can be generated (started) between the first electrode and the material to be melted only by turning on the first and second power supplies. . Further, for example, even when the plasma arc is extinguished, the plasma arc can be easily regenerated (restarted) between the first electrode and the material to be melted.
[0005]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an embodiment of a plasma melting apparatus according to the present invention.
The plasma melting apparatus 100 according to the present embodiment includes a plasma torch 10, a plasma melting furnace 120, and a power supply 130.
In the plasma melting furnace 120, a conductive crucible 20 in which the melt 30 is stored is arranged. The crucible 20 serves as an electrode (anode) for generating a plasma arc. The molten material overflowing from the crucible 20 is cooled and solidified in the collection chamber 140 and collected.
In the present embodiment, as the material 30 to be melted by the high temperature of the plasma, a substance having non-conductivity in a non-molten state and a substance having conductivity at the time of melting is targeted. Be eligible. Examples of the material 30 to be melted include incinerated ash and carbides, which are unburned solids generated by incinerating or carbonizing wastes, wastes and other substances, sewage sludge, and high heat generated during metal refining. There are incombustible substances such as sludge and glass with melting point. There are various kinds of waste such as industrial waste, municipal waste and medical waste.
In particular, melting and solidifying various wastes and substances that are currently an environmental problem in such objects can prevent these wastes and substances from eluting into the environment. Also, since the volume can be significantly reduced, it is extremely effective in reducing the environmental load.
[0006]
FIG. 2 shows a configuration of an embodiment of the plasma melting furnace (plasma melting apparatus) 120 shown in FIG.
The plasma melting furnace (plasma melting device) 120 according to the present embodiment includes a cathode 11, a nozzle 12, an anode 20, a power supply 41, and a power supply 42. A high frequency power supply for starting generation of a plasma jet is superimposed on the power supply 41. The high frequency power supply is superimposed on the power supply 41 only when the plasma arc is first ignited.
The cathode 11 (first electrode) is formed of, for example, tungsten and is connected to the negative terminal of the power supply 41.
The nozzle 12 is formed of, for example, copper, and is connected to a positive terminal of the power supply 41 and a negative terminal of the power supply 42. The nozzle 12 is provided with a space between the nozzle 12 and the outer surface of the cathode 11 (separated from the outer surface) and is arranged so as to surround the cathode 11. The void is open on the tip side (on the anode 20 side). A gas for generating plasma (for example, argon gas) is injected into the gap. The nozzle 12 is usually cooled by cooling water or the like.
The anode 20 (second electrode) is formed of, for example, carbon, and is connected to the positive terminal of the power supply 42. The anode 20 is formed in a crucible shape, and the melt 30 is disposed therein.
The cathode 11 and the nozzle 12 constitute a plasma torch 10.
The power supply 41 (first power supply) generates a plasma arc between the cathode 11 (for example, the tip of the cathode 11) and the nozzle 12 (for example, the tip of the nozzle 12 facing the tip of the cathode 11). A current (cathode current) Ia is supplied to the cathode 11 and the nozzle 12. The gas for plasma generation injected into the nozzle 12 is ionized by a plasma arc generated between the cathode 11 and the nozzle 12, and a plasma jet is generated from the opening at the tip of the nozzle 12. The cathode current Ia is set to a value at which the melt 30 disposed on the anode 20 is heated and melted by the plasma jet generated from the nozzle 12.
A power supply 41 (first power supply) and a power supply 42 (second power supply) connected in series include the object 30 which is disposed on the anode 20 and is heated and melted by the plasma jet generated from the nozzle 12. A current (anode current) Ib at which a plasma arc is generated between the cathode 11 and the cathode 11 is supplied to the cathode 11 and the anode 20.
As the power supply 41 (first power supply) and the power supply 42 (second power supply), it is preferable to use constant current power supplies.
As the configuration of the constant current power supply, it is desirable that the power supply 41 has a small load voltage and the power supply 42 has a large load voltage. The power supply 41 generates an arc discharge between the electrode 11 and the nozzle 12 inside the torch, and a small load voltage is sufficient because the interval between the electrodes is small. However, since the distance between the nozzle 12 and the crucible 20 is large and the melt 30 is interposed, a high voltage is required to generate arc discharge. For this reason, the power supply 42 needs a large load voltage. By connecting the power supplies 41 and 42 in series, the voltage applied between the electrode 11 and the crucible 20 becomes the sum of the high voltages, and arc discharge is more easily generated.
In the present embodiment, the current value of the power supply 41 is set to be several amperes larger than the current value of the power supply 42. This makes it possible to smoothly change from a plasma jet to a plasma arc or from a plasma arc to a plasma jet.
[0007]
Next, the operation of melting the material to be melted using the plasma melting apparatus of the present embodiment will be described with reference to FIGS.
First, as shown in FIG. 2, the power supply 41 (first power supply), the cathode 11 (first electrode) and the nozzle 12 are connected, and the power supply 42 (second power supply) is connected to the nozzle 12 and the anode 20 (first power supply). 2 electrode). Thus, the power supply 41 and the power supply 42 are connected in series between the cathode 11 and the anode 20. The melt 30 is arranged on the crucible-shaped anode 20.
The current supplied from the power supply 41 to the cathode 11 and the nozzle 12 generates a plasma arc between the cathode 11 and the nozzle 12, and generates a plasma jet from the nozzle.
At this time, if the material to be melted is in a non-molten state and has non-conductivity and no plasma arc is generated between the cathode 11 and the material to be melted 30, the surface of the material to be melted 30 It is heated and melted by the jet.
[0008]
When the surface of the melt 30 is heated and melted by the plasma jet, the melted portion (melt portion) 31 of the melt 30 becomes conductive as shown in FIG.
When the molten portion extends to the anode, the current supplied to the cathode 11 and the anode 20 from the power source 41 and the power source 42 connected in series between the cathode 11 and the anode 20 causes the cathode 11 and the material 30 to be melted. A plasma arc is generated between the melted portion 31 and the melt 30 is heated and melted by the plasma arc. At this time, as shown in FIG. 4, a conductive melt 33 containing a relatively heavy metal is separated below the anode 20, and an inorganic layer 32 having a low specific gravity is separated above the anode 20.
The melt overflowing from the upper part of the anode 20 is cooled by cooling water or the like and solidified.
[0009]
In such a state, when a large amount of the melt 30 is newly added to the anode 20, the plasma arc between the cathode 11 and the melt 30 is extinguished due to the non-conductivity of the melt 30. There is.
Here, since the power supply 41 is connected to the cathode 11 and the nozzle 12, a plasma jet is generated from the nozzle 12.
Therefore, when the plasma arc between the cathode 11 and the melt 30 is extinguished, the non-melt 30 is heated and melted by the plasma jet generated from the nozzle 12 in the same manner as at startup. Then, a plasma arc is automatically regenerated between the cathode 11 and the melt 30.
[0010]
Thus, in the present embodiment, the first power supply 41 and the second power supply 42 are connected in series, the first power supply 41 is connected between the cathode 11 and the nozzle 12, and the cathode 11 and the anode 20 are connected. A series circuit of a first power supply 41 and a second power supply 42 is connected between the first power supply 41 and the power supply. That is, the first power supply 41 is always connected between the cathode 11 and the nozzle 12 during the melting process of the melt 30.
Thus, at the time of startup, a plasma arc is automatically generated between the cathode and the material to be melted by the plasma jet generated from the nozzle 12.
Further, even when the plasma arc between the cathode 11 and the melt 30 is extinguished, the plasma arc is automatically restarted between the cathode 11 and the melt 30 by the plasma jet generated from the nozzle 12. appear.
For this reason, a plasma melting apparatus which has good operability, has a simple configuration, and can be reduced in size can be obtained as a plasma melting apparatus for a non-conductive object in a non-molten state.
[0011]
Note that the method of connecting the first power supply 41 and the second power supply 42 in series may be a direct connection to a separate power supply, or a single power supply may be provided with a plurality of output terminals.
[0012]
In the above-described embodiment, the first power supply 41 and the second power supply 42 are connected in series between the cathode 11 and the anode 20, and the first power supply 41 is connected to the cathode 11 and the nozzle 12. Is not limited to this.
FIG. 5 shows another embodiment of the plasma melting apparatus in which the power supply connection method is changed. In the present embodiment, a power supply 51 (first power supply) is connected between the cathode 11 and the nozzle 12, and a power supply 52 (second power supply) is connected between the cathode 11 and the anode 20.
In the present embodiment, a current (cathode current) Ia supplied from the power supply 51 to the cathode 11 and the nozzle 12 is obtained by heating and melting the object 30 disposed on the anode 20 by the plasma jet generated from the nozzle 12. Value.
The current (anode current) Ib supplied from the power supply 52 to the cathode 11 and the anode 20 is equal to the current to be melted 30 and the cathode 11, which are arranged at the anode 20 and are heated and melted by the plasma jet generated from the nozzle 12. Is set to a value at which a plasma arc occurs.
As the power supply 51 (first power supply) and the power supply 52 (second power supply), it is preferable to use a constant current power supply.
In the present embodiment, during the melting process of the material 30 to be melted, the cathode current Ia is supplied from the power supply 51 (first power supply) to the cathode 11 and the nozzle 12, and the cathode 11 is supplied from the power supply 52 (second power supply). An anode current Ib is supplied to the anode 20.
As a result, as in the embodiment shown in FIGS. 2 to 4, at the time of startup, a plasma arc is automatically generated between the cathode 11 and the melt 30 by the plasma jet generated from the nozzle 12.
Further, if the power supply 51 is always turned on, even when the plasma arc between the cathode 11 and the melt 30 is extinguished, the cathode 11 and the melt 30 are separated by the plasma jet generated from the nozzle 12. The difference between the plasma arcs occurs automatically.
Further, when the power supply 51 is not always turned on, the plasma arc is automatically regenerated simply by turning on the power supply 51 when the plasma arc is extinguished.
[0013]
FIG. 6 shows the current and voltage of each part when the object to be melted is melted using the plasma melting apparatus of the present invention.
6, a thick solid line indicates a voltage (anode voltage) of the anode 20 (second electrode), a thin solid line indicates a current (anode current Ib) of the anode 20 (second electrode), and a thick dashed line indicates the nozzle 12. (Cathode voltage), and the thin dashed line indicates the current of the nozzle 12 (cathode current Ia).
6, at time t1, a power supply (power supply 41 in FIG. 2, power supply 51 in FIG. 5) is connected to the cathode 11 and the nozzle 12, and a power supply (leaf, power supply 41 and power supply 42 in FIG. 2) is connected to the cathode 11 and the anode 20. , A power source 52 in FIG. 5 is connected, and the melt 30 is supplied to the anode 20.
Then, the melt 30 is heated and melted by the plasma jet generated from the nozzle 12, and at time t2, a plasma arc is generated between the cathode 11 and the melting portion 31 of the melt 30.
Next, at time t3, a large amount of the melt 30 is injected into the anode 20, so that the plasma arc between the cathode 11 and the melt 30 is extinguished.
Then, the melt 30 is heated and melted by the plasma jet generated from the nozzle 12, and at time t4, a plasma arc is again generated between the cathode 11 and the melted portion 31 of the melt 30. Is shown.
[0014]
The present invention is not limited to the configuration described in the embodiment, and various changes, additions, and deletions are possible.
For example, the present invention can be applied to the case of melting various objects to be melted other than the objects to be melted such as incineration ash.
Further, as the plasma torch, those having various structures can be used.
Further, various structures and materials can be used as the structures and materials of the first electrode, the nozzle, and the second electrode.
[0015]
【The invention's effect】
As described above, by using the plasma melting apparatus according to the first and second aspects and the plasma melting method according to the third aspect, the operation is easy, the configuration is simple, and the apparatus can be downsized. Can be.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an embodiment of a plasma melting apparatus of the present invention.
FIG. 2 is a view showing one embodiment of a plasma melting apparatus of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing one embodiment of a plasma melting apparatus of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing one embodiment of a plasma melting apparatus of the present invention.
FIG. 5 is a view showing another embodiment of the plasma melting apparatus of the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing currents and voltages of respective parts during operation of the embodiment of the plasma melting apparatus of the present invention.
[Explanation of symbols]
10 Plasma torch 11 Cathode (first electrode)
12 Nozzle 20 Anode (second electrode)
30 Power to be melted 41, 42, 51, 52

Claims

In a non-molten state, a plasma melting apparatus that melts a material to be melted having no conductivity by plasma,
A first electrode, a conductive nozzle surrounding the first electrode and passing a gas for plasma generation, a second electrode on which a melt is disposed, and first and second power supplies; A first power supply is connected between the first electrode and the nozzle, and first and second power supplies are connected in series between the first electrode and the second electrode;
The first power source generates a plasma jet between the first electrode and the nozzle to heat and melt the object to be melt disposed on the second electrode,
A plasma arc is generated between the first electrode that is melted and has conductivity by the first and second power supplies connected in series,
A plasma melting device characterized by the above-mentioned.

In a non-molten state, a plasma melting apparatus that melts a material to be melted having no conductivity by plasma,
A first electrode, a conductive nozzle surrounding the first electrode and passing a gas for plasma generation, a second electrode on which a melt is disposed, and first and second power supplies; A first power supply is connected between the first electrode and the nozzle, a second power supply is connected between the first electrode and the second electrode,
The first power source generates a plasma jet between the first electrode and the nozzle to heat and melt the object to be melt disposed on the second electrode,
A plasma arc is generated between the first electrode that is melted and has conductivity by the second power supply, and
A plasma melting device characterized by the above-mentioned.

In a non-molten state is a plasma melting method of melting a material to be melted having no conductivity by plasma,
A first voltage is applied between the first electrode and a conductive nozzle surrounding the first electrode and through which a gas for plasma generation is passed to generate a plasma jet between the first electrode and the nozzle. To heat and melt the object disposed on the second electrode,
A second voltage is applied between the first electrode and the second electrode on which the material to be melted is disposed, and plasma is applied between the first electrode and the material to be melted and having conductivity. Causing an arc,
A plasma melting method characterized by the above-mentioned.