JP2004156819A

JP2004156819A - プラズマアーク式溶融炉

Info

Publication number: JP2004156819A
Application number: JP2002322022A
Authority: JP
Inventors: Akira Noma; 野間　　彰; Keita Inoue; 敬太井上
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2002-11-06
Filing date: 2002-11-06
Publication date: 2004-06-03

Abstract

【課題】炉体に迷走電流が発生することがなく、また腐食ガスによる電極の消耗を抑止可能で、被処理物を均一に溶融処理することができ、さらには可燃物も溶融処理す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】電極間に発生させたプラズマアークにより炉内を高温に保持してなるプラズマアーク式溶融炉１０において、主電極１３と該主電極を包皮するごとく配設したノズル部１４と間に直流電源１６により電圧を印加してプラズマアーク３０を生成するプラズマアーク生成部と、前記主電極１３とノズル部１４との間に導入する作動ガス１５により前記プラズマアーク３０を炉内部へ流入させて形成した輻射域１８とを有し、前記輻射域１８にて廃棄物２０の溶融処理を行う構成とする。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電極間に発生させたプラズマアークにより炉内を高温に保持し、焼却灰等の被処理物の溶融処理を行うプラズマアーク式溶融炉に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、廃棄物を焼却処理した後の焼却灰等を溶融処理するための炉としてプラズマアーク式溶融炉が広く用いられている。プラズマアーク式溶融炉は、炉に配設した電極間に高温のプラズマアークを発生させ、このプラズマアークにより炉内を高温に保持して被処理物を溶融処理する炉であり、廃棄物の減容化、無害化に有効で、さらに溶融後のスラグの再利用化が可能であることから有用な廃棄物処理装置の一つとして挙げられる。
【０００３】
従来の一般的なプラズマアーク式溶融炉の構成を図４に示す。かかるプラズマアーク式溶融炉は、炉本体０１と、プラズマトーチ０２と、該プラズマトーチ０２の先端に配設された電極０２ａと、炉底電極０２ｂとを主要構成とし、供給口０４から炉内に投入された廃棄物０３が溶融して生成した溶融スラグ０７を介して前記電極０２ａ、０２ｂに通電することによりプラズマアーク０６を生成している。かかるプラズマアーク式溶融炉では、プラズマ伝熱とスラグのジュール発熱により廃棄物を溶融処理し、溶融スラグをオーバーフローさせて出滓口０８より排出する。
【０００４】
しかし、前記従来技術のように、スラグを介して電極間に通電する溶融炉では炉本体に電流が流れてしまい炉壁の損傷やスラグの溶融状態の悪化が問題となり、また被溶融物に含有される低融点物質が揮散して炉内が腐食ガス雰囲気となり、これにより電極が腐食してしまうという問題を抱えていた。
そこで、例えば図４に示す特開平１０−２７６８７号公報（特許文献１）では、前記プラズマトーチ０２の外周に、耐熱性と電気絶縁性を有する筒状カバー０１２を設け異常アークの発生を防止してプラズマトーチの延命化を図っている。特開２０００−１８５５２公報（特許文献２）では、炉本体と電極との間に絶縁スリーブを装着するとともに電極と炉本体との間に隙間を設けて窒素ガス等のパージガスを導入して絶縁を確保し、また炉本体に配設した絶縁体を挟み電流計を接続し、炉鉄皮に発生する迷走電流を検知する構成としている。
【０００５】
また、従来のプラズマアーク式溶融炉のように、溶融スラグを介して通電させてプラズマアークを発生する場合、未溶融物は温度が低く導電性が低いため加熱し難い。さらに、運転後に溶融スラグ池が深いときや、スラグ池の温度が低いときには電極間にかかる電圧が高くなるという問題を有しており、特に被処理物の粒径が約２０ｍｍ以上であると電圧が不安定となりアーク切れを起こす惧れも考えられる。このように、プラズマアーク状態は被溶融物に依存し、常に安定した状態で溶融処理を行うことは困難である。
【０００６】
そこで、特開平１１−２３７０１８号公報（特許文献３）では、炉頂部に垂下させた主電極及び昇降可能なスタート電極と、炉底部から挿入した炉底電極とを設け、炉の運転開始時には前記主電極とスタート電極との間に発生させたプラズマアークにより被処理物を溶融し、溶融スラグが生じると前記主電極と炉底電極との間にプラズマアークが発生するように切換えるとともに、スタート電極を定期的に溶融スラグ内へ下降させて不完全溶融物をスラグ内に押し込み溶融の均一化を図っている。
【０００７】
【特許文献１】
特開平１０−２７６８７号公報
【特許文献２】
特開２０００−１８５５２公報
【特許文献３】
特開平１１−２３７０１８号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記特開平１１−２３７０１８号公報では、スタート電極を高温のスラグ内に出し入れしているため電極の劣化、損傷が激しく、交換頻度が高くなりメンテナンスの手間、コストが大きい。また、前記スタート電極の上下動のみではスラグの撹拌状態が不十分であるため不完全溶融物が残留し、これによりプラズマアーク状態が不安定となり炉の運転制御が困難となる。
また、これらの従来技術では、プラズマトーチが炉内に露出しているため、腐食ガス雰囲気、高温ガス雰囲気に晒され、プラズマトーチの消耗が著しくランニングコストが嵩んでしまう。
【０００９】
さらに、可燃分を含む被処理物を溶融処理する場合は発生する排ガスを熱分解する必要があるが、前記従来技術ではスラグ池に熱エネルギが集中し、ガス雰囲気を高温化することができないため、このような被処理物には適していない。
従って本発明はかかる従来技術の問題に鑑み、炉体に迷走電流が発生することがなく、また腐食ガスによる電極の消耗を抑止可能で、被処理物を均一に溶融処理することができ、さらには可燃物も溶融処理す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。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明はかかる課題を解決するために、
電極間に発生させたプラズマアークにより炉内を高温に保持してなるプラズマアーク式溶融炉において、
作動ガスにより被覆されるように配設された電極対を有し、該電極対によりプラズマアークを生成するプラズマアーク生成部と、
前記プラズマアークの輻射熱により高温に保持される炉内の輻射域とを備え、前記プラズマアーク生成部が炉内の輻射域から外れた炉壁から炉外の適宜位置に配設され、前記輻射域にて被処理物の溶融処理を行うことを特徴とする。
【００１１】
かかる発明は、電極対によりプラズマアークを発生させるプラズマアーク生成部と、高温雰囲気下で被処理物を溶融処理する輻射域とを別に設け、プラズマアークの熱及びこれにより生じる輻射熱のみで被処理物を溶融するため、電流制御が容易で安定したプラズマアーク状態を保持することができ、被処理物の種類に係わらず安定して溶融処理を行うことができる。即ち、被処理物に未溶融物が多量に含まれる場合や大径の被処理物を含有する場合においても、確実に溶融することが可能となる。
【００１２】
また、輻射域は高温であるとともに還元性雰囲気に保たれ、発生した排ガスを熱分解することができるため、電気伝導率の低い可燃性廃棄物にも適している。さらに、前記電極対が作動ガスにより被覆されるため電極対が炉内の腐食ガス雰囲気に晒されることがなく消耗しない。
また、前記プラズマ生成部を炉壁から炉外の適宜位置に配設し前記プラズマ生成部を炉内に露出させずに、生成したプラズマアークのみを炉内に流入するように構成することにより、前記電極対の腐食若しくは酸化による消耗を防止でき、電極の継ぎ足しや電極交換が不要となるためランニングコストの削減が可能となる。
【００１３】
また、前記プラズマアークと対面する側に、炉内に投入された被処理物を溶融処理する受け部を設けたことを特徴とし、好ましくは前記受け部を所定角度に傾斜させて、被処理物供給口より投入された被処理物を移動させながら連続的に溶融処理する構成とする。
かかる発明は、生成したプラズマアークの熱及びこれにより生じる輻射熱を最大限に受けて最も高温に保持される箇所を受け部とし、該受け部を被処理物が通過若しくは滞留するように構成することにより、最も熱効率が良い状態で被処理物の溶融が行われるようにしている。また、前記受け部を傾斜させて被処理物を連続的に溶融可能に構成することで処理効率を大幅に向上させることが可能となる。
【００１４】
さらに、前記プラズマアーク生成部を、主電極と該主電極を包皮するごとく配設したノズル部と間にプラズマアークを生成させる構成とし、
前記主電極とノズル部との間に導入する作動ガスにより前記プラズマアークを炉内部へ流入させて輻射域を形成することを特徴とする。
従来のプラズマアーク式溶融炉のプラズマトーチは、図３（ｂ）に示されるようにプラズマトーチ内に正・負何れか一方の電位を有する主電極１３と、トーチ外に設けた対極の電位を有する炉底電極２５との間に電圧を印加し、溶融スラグ２１を介して通電させてプラズマアーク３０を生成する移送型である。
【００１５】
一方本発明は、プラズマトーチ内に正・負の両電極を有し、電極間で発生したプラズマアークを作動ガス１５によってトーチ外に吹き出し、溶融スラグ２１を溶融する非移送型であり、前記一方の電極を主電極１３、他方の電極をノズル部１４としているため被処理物に通電することがなく、電気伝導率の低い可燃性廃棄物や大径の被処理物にも適している。
さらに、電流がプラズマトーチ外に漏洩することがなく、炉体への迷走電流の発生を防止することができる。
【００１６】
また、前記プラズマアーク生成部を複数設けることが好ましい。
プラズマアーク式溶融炉では、出滓口付近で溶融スラグが固化して炉外への流出が妨げられるという問題や、被処理物投入口付近の未溶融物の導電性が低く溶融が円滑に行われないという問題があった。そこで、本発明のように、例えば出滓口付近や被処理物投入口付近に補助的にプラズマアーク生成部を設けることで、これらの問題を解消し、溶融炉の運転を円滑に行うことが可能となる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
図１は本発明の第１実施形態にかかるプラズマアーク式溶融炉の全体構成図で、図２は図１の別の実施形態である第２実施形態にかかるプラズマアーク式溶融炉の全体構成図である。
【００１８】
本第１実施形態のプラズマアーク式溶融炉１０は、図１に示されるように、耐火物を鉄皮で被覆した炉本体１１の一端側に廃棄物供給口１９、他端側に出滓口２２を設け、該炉本体１１の天井部に主電極１３及びノズル部１４と直流電源１６からなるプラズマアーク生成部１２を設けた構成としている。
本実施形態では、供給される廃棄物２０の種類は特に限定されないが、従来のプラズマアーク式溶融炉では処理不可能な大径の可燃物等の被処理物が好ましい。前記炉本体１１のプラズマアークと対面する側には受け部２３が形成され、前記供給口１９より供給される廃棄物２０を溶融してスラグ化する。該受け部２３の炉高は被処理物が完全に溶融する層厚となるように設定する。
【００１９】
また、炉本体１１の前記廃棄物供給口１９側はプッシャ１７を具備し、供給口１９より投入された廃棄物２０を順次押し込み移動させるように構成する。さらに、前記受け部２３を供給口１９側から出滓口２２側に向けて下降するように傾斜させることが好適である。これにより、廃棄物２０を連続的に溶融処理することが可能となり処理効率が向上する。
【００２０】
前記プラズマアーク生成部１２は、直流電源１６の陰極が接続された主電極１３と、該主電極１３を包皮するごとく配設され陽極に接続されたノズル部１４と、主電極１３とノズル部１４との間に設けた隙間から導入される作動ガス１５とから構成される。尚、本実施形態では電力供給源を直流電源としているが、交流電源若しくは高周波誘導電源でも良い。
かかるプラズマアーク生成部１２は、炉壁に設けた穴部より生成したプラズマアーク３０が炉内に流入するように、炉本体１１の炉壁から炉外の適宜位置に配設する。
【００２１】
前記主電極１３には、銅、タングステン等の金属製電極や黒鉛電極など、従来より用いられている何れの電極も利用可能で、また前記ノズル部１４には導電性金属材料を用いる。さらに、該ノズル部１４は内部に冷却水路を有する水冷ノズルとすることが好ましく、生成したプラズマアーク熱による焼損を極力防止する構成とする。また、かかるノズル部１４の形状は、廃棄物の種類、層厚及び溶融炉形状、溶融処理速度、作動ガス流量などに応じて適宜選択する。
また、本実施形態において前記作動ガスは、窒素ガスやアルゴンガス等の不活性ガスを用い、炉内を還元性雰囲気に保持できるようにする。このとき、加熱雰囲気となる作動ガスと温度は選択可能で、これにより酸化・還元・不活性化などと化学反応が容易に制御でき、処理目的に応じて作動ガス及び温度を選択する。
【００２２】
かかるプラズマアーク生成部１２では、運転開始時には前記主電極１３とノズル部１４との間に小電流のパイロットアークを点じ、得られたプラズマジェットで，主電極１３とノズル部１４との間に介在する作動ガス１５をイオン化しプラズマアークを進展させる。このように生成したプラズマアーク３０を前記作動ガス１５により炉壁に設けた穴部から炉内へ流入させ、廃棄物２０を溶融する。
このように炉内へ流入したプラズマアーク３０の輻射熱により、炉内に高温雰囲気の輻射域１８が形成される。
【００２３】
前記輻射域１８では、供給口１９より移送される廃棄物２０が前記プラズマアーク３０の熱及びこれにより生じる輻射熱により連続的に溶融処理され、溶融スラグ２１が生成する。そして、該溶融スラグ２１は下方に位置する出滓口２２より排出されて有効利用される。
一方、前記溶融処理により発生した排ガスは、輻射域１８の還元性ガス雰囲気にて無酸素状態でガス化し、可燃性ガスとして排出されるため回収されるガスは工業用ガスとして有効利用できる。
【００２４】
このようにかかる構成によれば、高温・高エネルギーのプラズマアークを利用した溶融炉でかつ可燃性廃棄物、大径廃棄物も処理可能であるため、例えば注射針等の医療ごみやアスベスト、放射性物質等の産業廃棄物等の処理も可能である。
また、従来のようにプラズマアークを発生させる際に被処理物に導通させていないため、溶融炉の運転開始時にもプラズマアークを簡単に生成することができ、また未溶融物にも均一に熱が伝達される。
さらに、プラズマトーチを非移送型としているため迷走電流の発生を防止でき、また該プラズマアーク生成部を炉壁若しくは炉外に配設しているため電極の消耗を抑止できる。
【００２５】
図２は本第２実施形態を示すプラズマアーク式溶融炉の全体構成図で、かかるプラズマアーク式溶融炉１０は、前記第１実施形態と同様に廃棄物供給口１９と出滓口２２とプッシャ１７を備えた炉本体１１と、該炉本体１１の天井部に設けられ、主電極１３ａ、１３ｂ及びノズル部１４ａ、１４ｂと直流電源１６ａ、１６ｂからなるプラズマアーク生成部１２ａ、１２ｂとから構成される。このとき、前記直流電源１６ａ、１６ｂは同一の電源を利用してもよい。
かかる第２実施形態では、プラズマアーク生成部１２ａ、１２ｂを廃棄物移送方向に複数設けた構成としている。
【００２６】
溶融炉上流側に設けたプラズマアーク生成部１２ａは、主に供給された未溶融の廃棄物２０を溶融し、スラグ化する作用を有し、下流側の出滓口２２近傍に設けたプラズマアーク生成部１２ｂは溶融スラグ２１が固化して排出不良が生じることを防止する作用を有している。
このように、プラズマアーク生成部１２を複数設けて用途を使い分けることで、溶融炉の運転を円滑に行うことが可能となる。
尚、前記プラズマアーク生成部１２の代りに従来の移送型プラズマトーチを併設しても良い。このとき、廃棄物供給口１９側若しくはスラグ出滓口２２側の電気伝導率の低い被処理物の加熱には、本実施形態の非移送型プラズマトーチ、即ちプラズマアーク生成部１２を配設した組み合わせとする。
【００２７】
また、本実施形態にかかるプラズマアーク式溶融炉１０の後段にガスエンジン、燃料電池等を備えた発電装置（不図示）を備えることも好適である。これは、該プラズマアーク式溶融炉１０が炉内を還元性かつ高温ガス雰囲気に保持でき、ガス化反応に適していることから、可燃性廃棄物の溶融に際して発生する排ガスを可燃性ガスに変換し、この可燃性ガスを燃料ガスとすることができるため例えばかかる溶融炉の動力源などとして利用可能である。また、ガス化時に水を供給して水性ガス化反応をおこすことで、ＣＯやＨ_２等の可燃性ガスを高効率で回収することも可能である。
【００２８】
【発明の効果】
以上記載のごとく本発明によれば、プラズマアークの熱及びこれにより生じる輻射熱のみで被処理物を溶融するため、電流制御が容易で安定したプラズマアーク状態を保持することができ、被処理物の種類に係わらず安定して溶融処理を行うことができる。即ち、被処理物に未溶融物が多量に含まれる場合や大径の被処理物を含有する場合においても、確実に溶融することが可能となる。
また、輻射域は高温であるとともに還元性雰囲気に保たれ、発生した排ガスを熱分解することができるため、電気伝導率の低い可燃性廃棄物にも適している。
【００２９】
また、前記電極対を作動ガスにより被覆し、さらには前記電極対を炉内壁若しくは炉外に設置しているため、電極対が炉内の腐食ガス雰囲気に晒されることがなく電極が消耗せず、電極交換や電極継ぎ足しが不要となる。
さらに、かかる発明のようにプラズマトーチを非移送型とすることで、電流がプラズマトーチ外に漏洩することがなく、炉体への迷走電流の発生を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態にかかるプラズマアーク式溶融炉の全体構成図である。
【図２】図１の別の実施形態である第２実施形態にかかるプラズマアーク式溶融炉の全体構成図である。
【図３】本発明のプラズマトーチの概略構成図（ａ）と、従来のプラズマトーチの概略構成図（ｂ）である。
【図４】従来のプラズマ溶融炉の断面説明図である。
【符号の説明】
１０プラズマアーク式溶融炉
１１炉本体
１２、１２ａ、１２ｂプラズマアーク生成部
１３、１３ａ、１３ｂ主電極
１４、１４ａ、１４ｂノズル部
１５作動ガス
１６、１６ａ、１６ｂ直流電源
１７プッシャ
１８輻射域
１９供給口
２０廃棄物
２１溶融スラグ

Claims

電極間に発生させたプラズマアークにより炉内を高温に保持してなるプラズマアーク式溶融炉において、
作動ガスにより被覆されるように配設された電極対を有し、該電極対によりプラズマアークを生成するプラズマアーク生成部と、
前記プラズマアークの輻射熱により高温に保持される炉内の輻射域とを備え、前記プラズマアーク生成部が炉内の輻射域から外れた炉壁から炉外の適宜位置に配設され、前記輻射域にて被処理物の溶融処理を行うことを特徴とするプラズマアーク式溶融炉。
前記プラズマアークと対面する側に、炉内に投入された被処理物を溶融処理する受け部を設けたことを特徴とする請求項１記載のプラズマアーク式溶融炉。
前記受け部を所定角度に傾斜させて、被処理物供給口より投入された被処理物を移動させながら連続的に溶融処理する構成としたことを特徴とする請求項２記載のプラズマアーク式溶融炉。
前記プラズマアーク生成部を、主電極と該主電極を包皮するごとく配設したノズル部と間にプラズマアークを生成させる構成とし、
前記主電極とノズル部との間に導入する作動ガスにより前記プラズマアークを炉内部へ流入させて炉内に輻射域を形成することを特徴とする請求項１記載のプラズマアーク式溶融炉。
前記プラズマアーク生成部を複数設けたことを特徴とする請求項１乃至４の何れか一に記載のプラズマアーク式溶融炉。