JP2006019259A - 廃棄物を処理する方法および装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 廃棄物を処理する方法および装置が提供される。
【解決手段】 廃棄物は、１つ以上のアークプラズマ電極（２７）および複数のジュール加熱電極（２４）を利用するプラズマ−ジュール加熱された溶融システム（２１）内で変換される。アークプラズマ電極（２７）は、ＡＣ電力またはＤＣ電力を利用して動作するように、もしくは、ＡＣ電力とＤＣ電力との切り替えにあわせて構成され得る。アークプ
ラズマ電極（２７）は、また、独立アーク電圧およびアーク電流制御にあわせて構成され得る。ジュール加熱回路は、アーク電極との間で有害な相互作用を起こすことなく、アーク電極と同時に動作するように構成される。本発明のシステムは、安定した、浸出することのない生成物および気体燃料を提供する。気体燃料は、燃焼プロセスまたは不燃プロセスにおいて利用され、電気を発生し得る。
【選択図】 図８Ｄ

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、米国シリアルナンバー第０８／６９３，４２５号（１９９６年８月
７日出願）の一部継続出願であり、現在係属中であり、この出願は、米国シリア
ルナンバー第０８／６２１，４２４号および第０８／６２２，７６２号（両方と
も１９９６年３月２５日出願）の一部継続出願であり、これらの両方とも現在係
属中であり、これらの出願の両方は米国シリアルナンバー第０８／４９２，４２
９号（１９９５年７月１９日出願）の一部継続出願であり、現在係属中であり、
この出願は、米国シリアルナンバー第０８／３８２，７３０号（１９９５年２月
２日出願）の一部継続出願であり、現在米国特許第５，６６６，８９１号である
。これらのすべての出願は、参考のため本明細書中に援用される。
（技術分野）
本発明は、概して、廃棄物を処理する方法および装置、より具体的には、アー
クプラズマ、すなわちジュール加熱溶融装置システム（ｊｏｕｌｅ ｈｅａｔｅ
ｄ ｍｅｌｔｅｒ ｓｙｓｔｅｍｓ）を用いて廃棄物を処理する方法および装置
に関する。
（発明の背景）
公共固形廃棄物（ＭＳＷ）および他の廃棄物の処理は、埋立地用の空間に限り
があること、および新しい焼却炉を建設するための敷地と関連する諸問題のため
に、過去数十年に渡って重大な問題となっている。さらに、環境意識が高まった
結果、固形廃棄物の処理が適切に行なわれることを保証することは複数の大都市
圏および国全体にとって最大の関心ごととなっている。ＵＳＡおよびＥＰＡ「Ｔ
ｈｅ Ｓｏｌｉｄ Ｗａｓｔｅ Ｄｉｌｅｍｍａ」Ａｎ Ａｇｅｎｄａ ｆｏｒ
Ａｃｔｉｏｎ，ＥＰＡ／５３０−ＳＷ−８９−０１９、Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ
、Ｄ．Ｃ．（１９８９）を参照されたい。
焼却およびコジェネレーションによってＭＳＷのボリュームを低減し、ＭＳＷ
のエネルギー含有量を回復する試みがなされた。標準的な廃棄物のエネルギー転
化焼却炉は、廃棄物のストリームの固形燃性破片を処理し、蒸気を生成して蒸気
タービンを駆動し、焼却処理の結果として廃灰物質（ｗａｓｔｅ ａｓｈ ｍａ
ｔｅｒｉａｌ）を生成する。通常、この灰は、公共の埋立地に埋められる。しか
しながら、最新の傾向および最近の規則は、有害廃棄物が許可された埋立地にそ
のような物質を輸送することを要求し得る。これは、灰を処理するコストを実質
的に上昇さ電池。さらに、埋立地からのガスの排気および地下水が汚染される可
能性について世間の関心が高まっている。焼却炉システムと関連する別の不利な
点は大量の排ガスが生成されることであり、その結果、排気を低減して監督官庁
によって課せられた要求に応じようとし、高価な大気汚染制御システムが必要と
なる。
焼却炉システムと関連する欠点を克服するために、有毒廃棄物を破壊するため
のアークプラズマトーチを利用する試みが従来技術においてなされた。アークプ
ラズマトーチの使用は、特定の運転条件のもとで、伝統的な焼却炉または燃焼処
理よりも有利な点を提供する。なぜなら、プラズマアークトーチによって形成さ
れたガス生成物のボリュームは、通常の焼却または燃焼の間に生成されるボリュ
ームよりも著しく少なくなり得、より少ない有毒物質がガス生成物に存在し、一
定の状況下で廃棄物質がガラス化され得るからである。
例えば、Ｃａｒｔｅｒらによる米国特許第５，２８０，７５７号は、公共固形
廃棄物をガス化するための、反応容器内でのプラズマアークトーチの使用が開示
される。中等品ガスを有する生成物および低毒物質を有するスラグがこれによっ
て生成される。
Ｂａｒｔｏｎらによる米国特許第４，６４４，８７７号は、プラズマアークト
ーチを用いるポリ塩化ビフェニール（ＰＣＢ）の熱分解性破壊に関する。反応室
において、廃棄物質はプラズマアークトーチによって微粒化およびイオン化され
、その後、冷却され、ガスおよび微粒子物質に再結合される。Ｂｅｌｌらによる
米国特許第４，４３１，６１２号は、ＰＣＢ等の有害廃棄物を処理する中空グラ
ファイト電極移行式アークプラズマ炉について述べる。
鉛で汚染された土および廃電池物質の改善プロセスがＢｉｔｌｅｒらによる米
国特許第５，２８４，５０３号において開示される。ガラス化したスラグは土か
ら形成される。燃性ガスおよび揮発鉛は廃電池のケーシングから形成され、好適
には、従来の溶鉱炉用の燃料に転換および使用される。
Ｂａｒｔｏｎら、Ｂｅｌｌら、ＣａｒｔｅｒらおよびＢｉｔｌｅｒらによって
提示されたシステムは極めて不利な点を有する。例えば、そのような不利な点は
、広範囲の廃棄物原料に対して良質な非浸出性ガラス生成物を保証するためには
加熱、混合および滞留時間が不十分であることを含む。さらに、炉の大きさおよ
び供給機の設計が著しく制限される。なぜなら、燃焼室の壁は、唯一の熱源であ
るアークプラズマに比較的近くなければならないからである。炉の大きさが制限
される結果として、燃焼室の壁において高い熱応力が生じることがよくある。
従来技術の金属電極を有するアークプラズマ炉は、比較的高いＤＣ電流で用い
られるときに電極の寿命が短くなることによって制限され得る。従って、より高
い出力を獲得するためには、アークを長くすることによってアークポテンシャル
が上昇されなければならない。これは、炉の側壁に放射熱損がもたらされ、金属
電極（トーチ）を非効率にする。さらに、冷たい、非電気的な伝導性物質が処理
されているとき、このようなアークプラズマシステムの始動時および再運転時に
、従来の移行式アークプラズマと関連する問題がよく起こる。
従来システムと関連する別の不利な点は、廃棄物質を転換する間に生成される
燃性ガスが非効率的に使用されることである。例えば、ガスの燃焼は、高い燃焼
速度をもたらさないことがよくあり、従って、非効率である。さらに、このよう
なガスが燃焼すると、環境上あまり魅力的でないプロセスを提供するような量の
窒素酸化物（ＮＯｘ）等の汚染物質を放出する。
従って、このような従来技術の試みは有用ではあるが、堅牢で、廃棄物転換シ
ステムを容易に操作できる必要が依然として残る。この廃棄物転換システムは、
有害ガスの排気を最小限化し、幅広い固形廃棄物から有用なエネルギーへの転換
を最大化し、商業用途のために安全で安定した形か、または処理するために特定
の有害廃棄物の生成を考慮に入れることを必要としない製造ストリームを生成す
る。
従って、有害ガスの排気を最小限化し、それによって従来技術と関連する欠点
を克服する一方で、広範囲の廃棄物質を有用なエネルギーおよび安定した生成物
へと処理および転換する、堅牢で、ユーザに友好的で、高い柔軟性を有する方法
および装置を提供することが所望され得る。
（発明の要旨）
本発明は、公共廃棄物および産業廃棄物等の固形廃棄物質の有用なエネルギー
への転換の改善を、大気汚染を著しく低減して行なう方法および装置を提供する
。本発明は、さらに、幅広い廃棄物質を有用な商品、または処理するために適切
な安全で安定した製品に転換する方法および装置を提供する。例えば、本発明の
システムは、公共固形廃棄物（ＭＳＷ）、産業廃棄物または他の形態の廃棄物を
処理して、商業用途のために適切か、または環境を危険にさらさずに処理され得
る安定した非浸出性の生成物（例えば、結晶質および非結晶質の生成物）にする
ことができる。このシステムは、さらに、空気の排気を最小限化し、電気を生成
するための有用なガス生成物の生成を最大化する。本発明は、さらに、単一の場
所において有用なガスおよび生成物ストリームに廃棄物質を転換することを完了
するかまたは実質的に完了する利点を有する小型の廃棄物のエネルギー転化処理
システムを提供する。
廃棄物質を転換するための本発明の方法および装置は、独立して制御可能なア
ークプラズマ（単数または複数）とジュール加熱溶融装置との組合せを一体型シ
ステムとして採用する。本発明の好適な実施形態において、廃棄物質を転換する
ために、完全に一体化されたジュール加熱溶融装置およびアークプラズマ（単数
または複数）が利用される。ジュール加熱溶融装置およびアークプラズマ（単数
または複数）は、電力供給の有害な相互作用を伴わず、通常の溶融池を用いて同
時に作動するように構成され、システムのジュール加熱溶融装置部位およびシス
テムのアークプラズマ部位の各々に対して独立した電力制御を行なう。
上述のように、本発明の転換プロセスから形成された生成物は、有用な商品で
あるか、または処理するために適切な安定した生成物である。さらに、本発明は
、高速熱分解の使用を可能にし、これによって、燃焼プロセスおよび非燃焼プロ
セスにおいて使用するために適切な高純度のガスを提供する。例えば、本発明に
従って生成されたガスは、小型、高効率のガスタービンまたは内燃機関を用いて
電気を生成するために用いられ得る。いくつかの実施形態において、本発明の廃
棄物転換ユニットは、自家動力式であり得るか、または外部利用のために所与の
レベルの電気を提供し得る。これは、ガスタービンまたは内燃機関において、異
なった量の天然ガス、ディーゼルまたは任意の他の燃料等の補助燃料を利用する
ことによって達成され得る。
本発明のさらなる実施形態において、効率および汚染の低減を著しく改善する
ために廃棄物処理ユニットの環境上魅力的な低排気内燃機関発電システム（また
はガスタービンシステム）が提供される。これは、燃料と空気の超希薄比率での
スパーク点火機関が（例えば、水素を多く含むガス、天然ガス、ディーゼルオイ
ル等の）複数燃料運転を利用することによって達成される。超希薄運転は、廃棄
物処理ユニットによって生成された水素を多く含むガスにおける水素の高速火炎
着火（ｆａｓｔ ｆｌａｍｅ ｆｒｏｎｔ）の特性によって可能にされる。さら
に、内燃機関において非常に高い圧縮比が用いられ得る。可変の燃料運転は、制
御システムおよび燃料処理システムによって可能にされる。これらのシステムは
、燃料の状態を連続的に変更することでなめらかな燃焼の着火、およびノッキン
グのない超希薄の高い圧縮比機関の要求を保証することを可能にする。
高効率の低排気内燃機関発電システムは、気体燃料を電気に転換する効率を約
４０％まで（例えば、３０〜４２％）だけ向上させ得ることが予測される。超希
薄な条件で運転することによって、このようなシステムは、標準内燃機関発電シ
ステムに対して１０よりも多いファクターだけＮＯｘの排気を低減し得ることも
予測される。このようなシステムを利用して、本発明のさらなる目的は、極めて
堅牢および簡単な酸化触媒を用いることによって一酸化炭素および炭化水素の放
出を１０よりも多いファクターだけ低減するというオプションを提供することで
ある。例えば、本発明は、（化学量論的比に関連して約０．４〜０．７の範囲に
おける）空気に対する燃料の超希薄比率で、および例えば、約１２〜１５からの
範囲におけるｒ等の非常に高い圧縮比でスパーク点火内燃機関を利用するように
、または空気に対する燃料の超希薄比率でタービンを運転し、ＮＯｘ生成のレベ
ルを著しく低減するために設計された環境上魅力的なシステムを提供する。
本発明の別の実施形態において、廃棄物転換ユニットから出た排ガスは、非燃
焼プロセスにおいて用いられ得る。これは、廃棄物転換ユニットにおいて処理さ
れた廃棄物から、電気エネルギーを効率的で環境上好ましく生成するための排気
物転換ユニットを燃料電池システムと一体化することによって達成され得る。例
えば、溶融炭酸塩燃料電池（ＭＣＦＣ）は、本発明の廃棄物転換ユニットと共に
用いられ得、排ガスが燃料電池と共に用いるために十分にきれいであるという条
件のもとで、非燃焼プロセスにおいて廃棄物転換ユニットの排ガスから電気を生
成する。これは、例えば、廃棄物によって生成された炉の排ガスが燃料電池と適
合し得るような廃棄物の組成であり、それによって燃料電池のＤＣ出力が電力会
社に売るためか、または廃棄物転換ユニットに電力供給するための三相ＡＣ電力
に転換されるときに所望され得る。
ガスタービン、内燃機関または燃料電池発電装置を有する一体型システムとし
てのアークプラズマ炉とジュール加熱溶融装置との組合せは、廃棄物処理および
発電設備を提供する。これらは、モジュラユニットに配置されることが可能であ
り、大量の公共固形廃棄物を取り扱うために容易にスケーリングされ得る。
主要処理ユニットは、好適には、廃棄物質を加熱するためのＤＣまたはＡＣ電
極アークプラズマ（単数または複数）を含み、溶融池のジュール熱容量も有する
。好適な実施形態において、電極アーク（単数または複数）は、グラファイトか
らできている電極を有するＤＣ電極アーク（単数または複数）である。適切な電
気回路と組み合わされたＤＣまたはＡＣアーク電極（単数または複数）の使用は
、アークプラズマ（単数または複数）とジュール加熱溶融装置システムと同時の
独立した制御を可能にする。アークプラズマおよびジュール加熱溶融装置を運転
する主要モードは熱分解（すなわち、低酸素運転）である。好適な実施形態にお
いて、システムは、高速熱分解が生じ、それによって他の熱分解の方法と比較し
て、より高純度を有するガスが生成されるように運転される。
好適には、アークプラズマおよびジュール加熱溶融装置のコンポーネントは、
システムがこれらのコンポーネントを同時に独立して制御し得る、すなわち調整
し得る運転ができるように通常の溶融池と完全に一体化される。アークプラズマ
（単数または複数）は、グラファイト電極（単数または複数）と溶融物質との間
で生じる。しかしながら、グラファイトよりも、タングステン等の他の金属素子
が電極材料として利用され得ることが分かる。
本発明の調整可能な、完全な一体型システムは、柔軟性および効率性を最大化
する電気的および機械的な設計上の特徴を用いる。このようにして、多種多様な
材料を良質な、安定した非浸出性ガラスにガラス化するための高処理速度、およ
び一体型システムであるために要求されるボリュームが低減されることが予測さ
れ得る。アークプラズマ（単数または複数）は、高効率で、他の技術よりも著し
く高速で原材料を処理するために必要な放射面積の加熱を提供する。ジュール加
熱溶融装置は、奥行きのあるボリュームの加熱（ｄｅｅｐ ｖｏｌｕｍｅ ｈｅ
ａｔｉｎｇ）を提供し、均一に混合する特性によって溶融池全体を一定の温度に
保つことができ、それにより、高品質で均一なガラス生成物が得られる。
同時に独立して制御できるアークプラズマ（単数または複数）およびジュール
加熱溶融装置の運転は、所定のアーク溶融装置の構成および電気回路によって提
供される。限定はされないが、アークプラズマは、好適には、ＤＣアーク（単数
または複数）によって運転され、ジュール加熱溶融装置はＡＣ電力によって運転
される。ＤＣアーク（単数または複数）およびＡＣ電力が供給されるジュール加
熱溶融装置の構成は、各コンポーネントの独立した制御および運転を行なう能力
を保証する。しかしながら、代替的な実施形態において、アーク（単数および複
数）およびジュール加熱溶融装置部位の両方は、ＡＣ電力を用いて運転され得、
一方で、各コンポーネントまたは部位を独立して制御および運転する。
本発明は、アーク電圧および電流の独立した制御を可能にするＤＣおよびＡＣ
アーク回路を提供する。これらの回路は、１つのアーク電極、または代替的に、
複数のアーク電極によって動作するように設計され得る。これらの回路は、さら
に、所望される電力に応じて、ＡＣとＤＣとを切り換えるように設計され得る。
本発明は、アークプラズマ（単数または複数）が同時におよび独立して運転され
得るジュール加熱回路も提供する。
溶融装置をアークプラズマ（単数または複数）と組合せて使用することは、従
来技術よりも均一の加熱を提供する。さらに、ジュール加熱ガラス溶融装置によ
って提供される奥行きのあるボリュームの加熱を利用することは運転を容易にす
る。これはさらに、廃棄物質を通る導電経路を用いるか、または用い得るアーク
プラズマを高速で再運転するために、廃棄物において十分な導電性が維持される
ことが必要な一定温度（ｃｏｎｓｔａｎｔ）の熱源も提供する。さらに、完全に
一体化されたシステムは、炉壁がアークプラズマ（単数または複数）から遠くに
なることを可能にする。なぜなら、さらなる熱源が提供されるからである。アー
クプラズマからの壁の距離の増加は供給の選択を増加させ、炉の内張りにおける
熱応力を低減する。従って、熱に敏感で、高耐久性であり長寿命の耐火性内張り
が用いられ得る。本発明は、さらに、長寿命ならびに非常に広範囲のアークプラ
ズマおよびジュール加熱室の電力レベルを有する電極の使用を可能にする。
アークプラズマおよびジュール加熱溶融装置電力の独立した制御は、表面加熱
および奥行きのあるボリュームの加熱を連続的に調整し得る混合を提供する。こ
の制御は、運転の異なった段階に対して最適化され得る。例えば、さらなる加熱
は、廃棄物の供給が開始される間、さらなる表面加熱が必要であり得る一方で、
ガラスを注ぐか、またはガラスプールの温度を維持するためにさらなる表面加熱
が所望または要求され得る。さらに、表面加熱およびボリューム加熱の異なった
混合は、異なった廃棄物のストリームに適切である。奥行きのあるボリュームの
加熱に対する表面の比は、例えば、大量の金属および高温の材料を含む産業廃棄
物よりも公共廃棄物の方が小さくなり得る。アークプラズマ（単数または複数）
およびジュール加熱溶融装置の部位の各々への電力供給の制御は、運転のこのよ
うな異なった段階に対応する処理および運転の間、（手動または自動で）調整さ
れ得る。
本発明によって生成された良質のガラス化された生成物は、種々の用途におい
て用いられ得る。例えば、ガラス化された生成物は、道路等において用いるため
に粉砕され得、アスファルトに組み込まれ得る。あるいは、ガラス化された生成
物はシンダーブロックまたは建築用ブロックの中に用いられるシンダーの代わり
に利用され得、これによってブロック内への水の吸収を最小限にする。さらに、
ガラス化された生成物は、従来技術のガラス化生成物よりも実質的なボリューム
の低減を示す最終的な成形物に凝固され得る。本発明により形成された生成物は
、さらに、結晶構造、または結晶構造と非結晶構造との組合せであり得る。凝固
された成形物は健康上のリスクまたは環境へのリスクをともなわず処理されるた
めに適切である。
前述の説明は、本発明のより適切な目的の１部の概要を説明した。これらの目
的は、本発明のより重要な特徴および応用の１部を例示するにすぎないと解され
る。後述されるように、開示された発明を異なった方法で改変して適用すること
によって、他の多くの有益な結果が獲得され得る。従って、本発明の他の目的お
よび完全な理解は、好適な実施形態の以下の詳細な説明を参照することによって
得ることができる。
本発明をより完璧に理解するために、添付の図面と共に下記の説明を参照する
。
（好適な実施形態の詳細な説明）
図１Ａ〜図１Ｄを参照すると、本発明に使用されることに適しているいくつか
のアークプラズマ−ジュール加熱の溶融装置（ａｒｃ ｐｌａｓｍａ−ｊｏｕｌ
ｅ ｈｅａｔｅｄ ｍｅｌｔｅｒ）が示される。本明細書中で説明するように、
これらの実施形態は、単一のガラス溶融体内で完全に一体化され、かつ、同時に
動作するが、特別な電力送達回路を使用することにより互いに電気的に隔離され
た、ＤＣまたはＡＣアーク（単数または複数）、ならびに、ＡＣジュール加熱電
気システムを利用する。アークプラズマ−溶融装置の組み合わせは、従って、熱
的かつ電気的に一体化される。
本発明による、完全に一体化されたプラズマ−溶融装置のシステムは、処理中
に調整が行われ得るように、プラズマ加熱とガラス溶融装置による加熱との間に
連続的に調整可能な割合の電力を有する利点を提供する。例えば、連続的に調整
可能な単独の電気の供給（ｐｏｗｅｒｉｎｇ）は、システムの一部分（例えば、
アークプラズマまたは溶融装置）を利用することが望ましい場合に有用である。
連続的に調整可能な単独の電気供給の特性は、頑強さを提供し、条件が変化する
中での動作の容易さを促進する。連続的に調整可能な単独の電気供給の特性は、
さらに、固体廃棄生成物（例えば、ガラスおよび排ガス発生）に対してさらなる
制御を提供することにより、効率を良くし、環境的魅力を最大化する。
アークプラズマおよび溶融装置の連続的に調整可能な単独の動作は、ユーザが
、種々のタイプの加熱を選択することを可能にする。例えば、アークプラズマ（
またはプラズマ）は、放射面を加熱する。大量のプラズマパワーが、供給の開始
と共に使用され得る。いくぶん低いが依然として実質的な量のプラズマパワーが
、連続的な供給中に使用され得る。廃棄物の表面の高温加熱（ｈｉｇｈ ｓｕｒ
ｆａｃｅ ｗａｓｔｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｈｅａｔｉｎｇ）は、高スル
ープット処理ならびに高速熱分解を促進して、高品質の可燃性ガスを生成する。
表面の高温加熱もまた、材料が溶融しにくい、または、材料の導電性が高い場合
の処理に必要であり、それにより、アークプラズマがない場合のガラスによるジ
ュール加熱の効率が制限される。
ガラス溶融装置の電極によるジュール加熱は、深い、容積測定の加熱（ｖｏｌ
ｕｍｅｔｒｉｃ ｈｅａｔｉｎｇ）を提供する。このタイプの加熱は、溶融プー
ル全体における混合を促進することにより、高品質ガラスの生成を保証する。こ
のタイプの加熱は、さらに、アークを移行するより安定した動作のために導電性
材料を提供する。容積測定の加熱の単独の使用は、さらに、供給されない場合に
、低電力要件で、廃棄物を溶融した状態に維持するために利用され得る。容積測
定の加熱は、さらに、ガラスの流し込みに関して重要である。
プラズマ加熱およびガラス溶融装置による加熱の連続的に調整可能な単独の電
気供給は、プラズマ加熱のみの場合の悪影響（例えば、材料の過剰な揮発、およ
び、炉壁の熱応力）を増加させることなく、ガラスを流し込むため、または、ガ
ラス生成を改善するために、余分な容積測定の加熱の使用を促進する。１つの容
器から失われる熱は、２つの容器から失われる熱より少ないかもしれない。
所定のタイプの廃棄物ストリームの処理中の、連続的に調整可能な単独の電気
供給に加えて、一体化されたプラズマ溶融装置ユニットの調整可能な機能を使用
して、異なるタイプの廃棄物ストリームの処理が最適化され得る。例えば、公共
廃棄物ストリームは、概して、高溶融温度の材料、ならびに、大部分が無機質か
らなる危険かつ産業的な廃棄物などの大量の金属を有するストリームより低い相
対的な量のプラズマパワーを必要とし得る。
容積測定の溶融装置による加熱の使用も、プラズマ電極構成のより大きな範囲
の選択を促進する。容積測定の溶融装置による加熱が実質的に溶融され、かつ、
導電性の状態に材料を維持するため、１つ以上のプラズマ電極が簡単に利用され
得る。これは、溶融された材料が、電極間に導電性のパスを提供することが部分
的に起因している。従って、１つ以上プラズマ電極を使用するための動作を連続
的に調整することが簡単に可能である。増加した柔軟性は、可燃性ガスの生成を
最適化し、粒子の放出を最小化し、および電極摩耗を削減するために使用され得
る。
プラズマおよび溶融装置による加熱システムの連続的に調整可能な単独の電気
供給は、従って、より大きく拡大した規模の温度制御を提供する。以前は利用可
能でなかった温度の空間的かつ熱的制御を使用して、一体型のアークプラズマお
よび溶融装置ガラス化システムの実用性および環境的魅力が改善され得る。１つ
の容器から失われる熱は、２つの容器から失われる熱より少ないかもしれない（
例えば、アークプラズマおよびジュール加熱技術が個別に使用された場合）。
本明細書中で説明するように、本発明による、ジュール加熱の溶融装置とアー
クプラズマとの完全な一体化は、さらに、二つ以上のアークプラズマ電極を有す
る細長い溶融チャンバの使用を促進する。溶融された材料は、２つ以上のアーク
プラズマ電極間に導電性または電流のパスを提供することが可能である。この構
成は、廃棄物供給およびスラグタッピングの柔軟性を著しく増加させ、アークプ
ラズマ電極の寿命および頑強さを増加させる。２つのアークプラズマ電極の細長
いチャンバ構成は、ジュール加熱の溶融装置によって促進される。なぜならば、
ジュール加熱の溶融装置が、炉がアイドル状態である間に２つのアークプラズマ
電極間に導電性パスを維持するために必要な熱を提供し、細長い溶融チャンバに
均一な加熱を提供することが可能であるからである。
本明細書中で示す本発明の実施形態は、部分的に浸水された電極を用いる溶融
によって、ジュール加熱ＡＣ電力の通過を可能にし、上部の移動可能な電極間（
所望であれば、これらの電極および／または浸水された対電極間）の溶融によっ
て、ＤＣアークプラズマ回路（単数または複数）の同時に起こる動作を可能にす
る回路構成を含む。廃棄物のタイプおよび溶融スラグの特性は、好適な動作モー
ドを決定する。いくつかの別の実施形態において、本発明のシステムは、ＡＣ−
ＡＣ構成によって動作するように構成され得る。すなわち、アーク（単数または
複数）はＡＣ電力供給（単数または複数）によって動作され、ジュール加熱の溶
融装置はＡＣ電力供給によって動作される。
図１Ａ〜図１Ｄに示す、一体化されたアークプラズマ−溶融装置システム２０
は、反応器２１を示す。ジュール加熱の溶融装置が、プロセスに最小限のエネル
ギーを投入して、高品質の熱分解ガスの生成を促進することが理解されるべきで
ある。この状況は、アークへのエネルギーの投入が、アークゾーン内の材料を熱
分解し、かつ、溶融するために必要とされるエネルギーの投入より大きい必要が
ないために存在する。溶融されていない供給材料の下にある溶融浴は、アークプ
ラズマ炉のみを用いるのではなく、ジュール加熱を用いて所望の温度に維持され
る。スラグを適切な温度に維持するためのエネルギー要件は、溶融装置の外面か
ら失われる熱に等しい。これは、非常に低いことが想定され、すなわち、適切に
設計された溶融装置のチャンバに関する約２０〜３０ＫＷ／ｍ２のスラグまたは
ガラス面領域である。空気／酸素、および／または、空気および蒸気の組み合わ
せは、溶融面から木炭を除去し、ガラスの酸化還元状態を調整するために加えら
れ得る。ジュール加熱の溶融装置は、ガス／蒸気の混合物が導入される浴の側面
の近傍にエネルギー（すなわち、高温ガス）を提供する。ユニット２１は、さら
に、図１Ａ〜図１Ｄに示すように接続された補助的な加熱器３１を含み得る。
反応器２１は、上面２１ａ、底面２１ｂ、および側面２１ｃおよび２１ｄを含
む。底面２１ｂは、図１Ａ〜図１Ｄに示すように、概して、Ｖ字型の構成を有し
得る。反応器２１は、さらに、廃材２９を反応器２１内に導入するために、少な
くとも１つのポートまたは開口部２２ａを含む。好適な実施形態において、反応
器２１は、図１Ａ〜図１Ｄに示すように、複数のポートまたは開口部２２ａおよ
び２２ｂを含む。ポート２２ａおよび２２ｂは、廃材２９の容器２１へのフロー
を制御し、かつ、空気が容器２１に入ることを防ぐためのフロー制御バルブなど
を含み得る。このようなポート２２ａおよび２２ｂが、互いに別々にまたは同時
に、１つ以上が選択的に利用され得るように制御されることが可能なことも好適
である。ポート２２ａおよび２２ｂは、さらに、図１Ｋに示すような供給メカニ
ズムと共に使用され得る。
反応器２１は、さらに、ガスポートまたは開口部２３、ならびに、金属／スラ
グ流し込みポートまたは開口部２５を含む。開口部またはガス排出ポート２３は
、可燃性ガスの制御された排出を可能にする任意の従来の材料から形成され得る
。例えば、制限することを意図せず、炉２１からのガス排出は、開口部２３にお
けるフロー制御バルブなどによって制御され得る。図１Ａに示すように、ガス排
出ポート２３は、炉２１の上面２１ａにまたはその近傍に配置され得る。ポート
２３から出ていくガスは、ライン４２に入り、さらなる処理のためにスクラバー
、タービンなどに送られる。上記のように、廃棄物変換ユニットにおいて生成さ
れたガスは、さらに、図１８〜図１９に示すような非燃焼プロセスにおいて利用
され得る。さらに、ポート２３が動作不可能になった場合（例えば、図１Ｅおよ
び図１Ｇを参照）、緊急時にオフになるガスポート（ｅｍｅｒｇｅｎｃｙ ｏｆ
ｆ ｇａｓ ｐｏｒｔ）が、ユニット２１（例えば、ユニットの上面の近く、ま
たは、ユニットの側面の十分に高い位置）に提供され得る。これは、ユニット内
の圧力が高くなりすぎることを防ぐために望ましいかもしれない。空気除去デバ
イス（ａｉｒ ｒｅｌｉｅｆ ｄｅｖｉｃｅ）がユニット内に提供されて、ユニ
ット内の圧力が適切な範囲内にあることを保証する。
ユニット２１内の動作の初期モードは熱分解である。しかし、大量の可燃性ま
たは炭素質の材料の処理を援助するために、部分的酸化モードの動作が必要であ
り得る。
アーク（単数または複数）からの熱、および、廃材内に存在する金属の比重は
、炉２１において、３つの相または層（金属層、スラグ層、およびガス状の層）
が形成される要因となる。炉２１は、約１２００〜２０００℃の温度範囲内で動
作する。廃棄物供給の成分によって、炉２１は、約１５５０〜１６００℃の範囲
内で動作し得る。アークプラズマは、概して、約３５００℃より高い温度範囲内
で動作する。
金属層（図示せず）は、十分な量が集められるまで、炉辺２１の底部における
重量の分離によって堆積する。その後、金属は、排出ポート２５を通って、個別
の容器内に排出される。排出ポート２５は、溶融された金属材料の炉２１からの
排出を制御することが可能な任意の方法で組み立てられる。例えば、フロー制御
バルブまたは機器を使用して、排出ポート２５を通って金属コレクターまたは容
器２６に流れるフローが制御され得る。あるいは、金属排出ポート２５は、図１
Ａ〜図１Ｄに示すように、加熱コイル２５ａを含み得る。金属排出ポート２５は
、さらに、図１Ｌに示すように組み立てられ得、図１Ｍに示すような回路によっ
て加熱され得る。
詳細には、ポート２５は、プロセス中の所定の期間において、金属および／ま
たはスラグが取り除かれ、金属／スラグのコレクターまたは容器２６内に導入さ
れ得るように、フロー制御バルブなどを有するように設計される。危険な廃棄物
が処理される場合、空気および／またはガスが、システムに入るまたはシステム
から出ることがないような方法で、ポート２５にシール可能に接続されたコレク
ターまたは容器２６を有することが望ましいかもしれない。
廃材入口ポート２２ａおよび２２ｂは、廃材２９が、制御された方法で、廃棄
物供給システムからポート２２ａおよび２２ｂを通って炉２１に供給されるよう
に配置される。制限的であると解釈されることなく、ポート２２ａおよび２２ｂ
は、廃材２９の供給速度を監視するために、フロー制御バルブなどを含み得る。
供給システムは、空気が供給システムを通って炉に入ることが可能でない限り、
公共の固体廃棄物または他の廃棄物（例えば、危険な廃棄物、医療廃棄物、焼却
炉からの灰など）を炉２１に供給することが可能な任意の従来のタイプの供給シ
ステムであり得る。図１Ｌに示す供給メカニズムも、ユニット２１に廃棄物を供
給するために使用され得る。
図１Ａにさらに示すように、炉２１は、空気またはガス入口ポート２１ｅなど
のさらなるポートを含み得る。空気またはガス入口ポート２１ｅは、フロー制御
バルブなどのフロー制御を含む。好適には、ポート２１ｅは、図１Ａに示すよう
に、スラグ材料３０に近接するレベルで炉壁を通って入るように配置される。こ
の方法で、空気４８ｂ（所定の量の蒸気６５を含み得る）が、変換プロセス中に
、制御された速度および期間で炉２１内に注入されて、炉から出てくるガスの成
分が制御され得る。さらに、空気および／または蒸気は、供給材料内の任意の炭
素が、ＣＯ、ＣＯ２、Ｈ２、ＣＨ４などの炭素含有ガスに変換されることを保証
するように、開口部２１ｅを通って導入され得る。これにより、プロセス中の木
炭の量が減少される。これは、炭素が炭素含有ガスに完全に変換されない場合に
引き起こされ得る。
図１Ａにさらに示すように、システム２０は、さらに、タービン５２、ジェネ
レータ５５、および、アーク炉−溶融装置ユニットを結合させるために必要な機
器を含む。例えば、システム２０は、好適には、高温ガス浄化機器４３、廃棄物
の熱回収ユニット６１、ならびに、空気４７および水５９注入システムを含む。
図１Ａには示さないが、供給システム内の廃材のための供給調節プロセスも、炉
２１に供給される前に利用され得る。図１Ａに示すユニットに加えて、浄化ユニ
ット４３またはガスを燃料とするタービンから出てくるガスのために、オフガス
のスクラビングプロセスを取り入れて、任意の酸性ガスを除去することが望まし
いかもしれない。好適には、アーク炉２１から出てくるガスに関して必要とされ
る唯一のガス調節は、タービン５２に入る粒子の量を最小化するための、高温ガ
ス浄化ユニット４３におけるガス−固体の分離である。
炉２１において生成されるガスは、高速熱分解の結果として形成される可燃性
ガスである。本明細書中で説明されるように、高速熱分解は、概して、燃焼のた
めに、廃材を有用なガスに少なくとも６５％変換させる。本発明によって利用さ
れるアーク炉２１は、従って、廃棄物供給の成分によって、約２％の二酸化炭素
、約４４％の一酸化炭素、約４３％の水素、約２％のメタンを含み、バランスが
小さい炭化水素であるガスを提供することが予測される。炉２１内で生成される
ガスは、ライン４２を通って、高温ガス浄化ユニット４３に転送される。ここで
、灰４４が除去され、従って、燃料ガス４５から分離される。
吸気４７がコンプレッサ４６に入り、コンプレッサ４６に存在する空気４８が
、いくつかの送達ストリームに分けられ得る。例えば、空気フロー４８ａがコン
バスタ４９に供給され得、空気フロー４８ｂが炉２１に供給され得る。
燃料ガス４５がコンバスタ４９に入り、空気４８ａと結合する。コンバスタ４
９内で生成された熱いガスおよび蒸気５１が、５４を介して発電機５５に接続さ
れたタービン５２を駆動し、それにより、電気５７が発生する。タービン５２は
、高効率蒸気噴射式ガスタービンであり得る。このようなタービンは市販されて
いる。特に起動時の自家動力動作のために、可変量の天然ガスまたは他のタイプ
の燃料５０が、コンバスタ４９（または図１Ｂに示す内燃機関５３）に供給され
得る。動作中に、燃料ガス４５および補助燃料５０が、コンバスタ４９内で結合
し得る。
水５９が、ポンプ５８を介してシステム２０に入り、熱回収蒸気システム６１
、すなわち、熱交換器に達し、そこで、熱いタービン排出ガス５６からの熱がフ
ロー６０と交換を行う。排気６２が、熱回収蒸気システム６１で、蒸気６３から
分離される。蒸気６３は、それぞれ図１Ａに示す、タービン５２への蒸気６４、
および空気フロー４８ｂへの蒸気６５として再利用され得る。
次に図１Ｂを参照して、コンプレッサ４６、コンバスタ４９、およびガスター
ビン５２が内燃機関５３に置き換えられていることを除いて、図１Ａに示すプロ
セスと同様のプロセスが示される。内燃機関５３は、使用が容易であり得、特に
、小型のチューナブルプラズマ−メルター電子変換ユニット（ｔｕｎａｂｌｅ
ｐｌａｓｍａ−ｍｅｌｔｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｕｎｉｔ
ｓ）に関して、コンプレッサ−ガスタービンよりもコスト効率性があり得る。空
気および補助燃料５０は、燃料ガス４５の組成に基づいて、所定の方法で内燃機
関５３に供給され得る。好ましくは、内燃機関５３の効率により、チューナブル
プラズマ−メルター電子変換ユニットが必要とする電力の全てまたは実質的に全
てに対して十分な電気を提供する。
スパーク点火内燃機関が有利であり得るが、これは、このような内燃機関は、
非常に小型のユニットに関してはタービンよりも安価であるためである。特に起
動時に、所望のレベルの電力の生成を促進するために、濃厚水素ガス（ｈｙｄｒ
ｏｇｅｎ−ｒｉｃｈ ｇａｓ）、プロパン、天然ガス、またはディーゼル燃料等
の補助動力が、内燃機関に動力を供給するために用いられ得る。補助燃料の量は
、廃棄物ストリームの組成、すなわち、入来する廃棄物材料の熱量、廃棄物材料
内の可燃性材料の量、および廃棄物処理の動力要件に依存して変動し得る。
チャンバ３１は、補助ヒーター３２ａおよび３２ｂを備える。チャンバ３１は
また、プラズマトーチ３４を備え得る。比重が異なるため、金属／スラグ層３０
内の金属は、ベッセル２１の底部２１ｂに向かって移動する。金属／スラグ層３
０内のスラグは、開口部またはポート３５ａを介して導管３５に出る。導管３５
は、同時係属中の米国特許出願第０８／４９２，４２９号の図２Ａ〜２Ｅに示さ
れる導管９８に関して上述された構成のいずれかと同様に位置し得ることが理解
される。ベッセル２１から補助ヒーターシステム３１へのスラグの流れもまた、
メルター２１および補助ヒーターシステム３１内の圧力を制御することにより制
御され得る。特に、ヒーターシステム３１へのスラグの流れを制御するために差
圧が用いられ得る。
スラグ３８は、均質なスラグ生成物を提供するために十分な時間の間、補助ヒ
ーター３２ａおよび３２ｂによりさらに加熱される。ヒーター３２ａおよび３２
ｂの代わり、またはそれらに加えて、ある種の粘性タイプの廃棄物用のリセプタ
クルへの流れを促進するために、スラグ３８の温度は、プラズマトーチ３４によ
り維持され得る。プラズマトーチ３４は、導管３５内の材料にさらなる熱を提供
するように配置され得る。次いで、スラグ３８はスラグポーリング導管（ｓｌａ
ｇ ｐｏｕｒｉｎｇ ｃｏｎｄｕｉｔ）３３およびポート３６を通過し、それに
よりチャンバ３１を出て、スラグコレクタまたはコンテナ３７に入る。有害廃棄
物が処理されている場合、空気および／またはガスが通過してシステムに出入り
しないような方法で、コレクタまたはコンテナ３７をポート３６に密閉可能に接
続することが所望され得る。ポート３６は、ヒートシステム３１からのスラグ３
８の放出を制御するために、流量制御弁等を備え得る。メルター内のスラグレベ
ルを維持するために、スラグの粘性を低減することが所望される場合に、補助ヒ
ーターシステム３１が利用される。補助ヒーターシステムはまた、スラグがスラ
グコンテナに落ちる前にスラグ放出の状態に近づくと、熱損失を補償する。
図１Ａにも示すように、ＤＣ電極２７ａおよび２７ｂが、図１Ａ〜１Ｄに示す
反応ベッセル２１内に設けられる。反応ベッセル２１はまた、複数のＡＣジュー
ル加熱電極２４ａおよび２４ｂを備える。図１Ａにさらに示すように、電極２４
ａおよび２４ｂは、それぞれ、側部２１ｃおよび２１ｄ上で相互に向かい合って
配置され得る。また、電極２４ａ〜２４ｂは、処理が行われているときに、スラ
グ３０に部分的に浸されるように配置される。１以上のさらなる電極２８が、図
１Ａ〜１Ｄにしめすように設けられる。
図１Ｂは、本発明による電極２４ａおよび２４ｂの配置の代替的な構成を示す
。図１Ｂに示す電極２４ａおよび２４ｂの配置により、電極の取換えが容易にな
る。特に、このタイプの構成により、炉床の排水を必要とせずに電極を取り換え
ことができる。炉床の排水は、しばしば、炉のライニングを劣化させるために望
ましくない。従って、電極２４ａおよび２４ｂをそれぞれ、角度３９ａおよび３
９ｂで置き、同時にガスの流出または漏れを防ぐことにより、必要とされる電極
の取換えを容易にする。限定として構成するものではないが、炉のそれぞれの内
側部に対する電極２４ａおよび２４ｂの角度３９ａおよび３９ｂは、垂直軸に対
して約３０°〜４５℃の間であり得る。ジュール加熱されたメルター用に金属電
極または被覆グラファイト電極を利用することが所望され得る。電極２４は、炉
の空洞部の内面に位置する限り、（垂直を含む）任意の角度で配置され得る。ア
ークプラズマ電極また複数のアークプラズマ電極は、好ましくはグラファイトで
形成される。電極全体における電極のメルトラインのすぐ上の部分は、酸化およ
び／または蒸気噴射により生じ得る浸食速度を低減するために被覆され得る。
図１Ｂにさらに示すように、ＡＣ動力を供給されるジュール加熱された電極２
４aおよび２４ｂは、それぞれ、炉の側部２１ｃおよび２１ｄを介して挿入され
得る。各電極の上端は、好ましくは、金属の炉カバーの外部に延び、電気的に接
地された炉シェルから電気的に絶縁される電気接続で覆われ得る。各電極下端は
、溶融バスの下に所望の深さまで浸漬される。溶解物の表面下への電極の侵入点
の適切な位置を選択することにより、ＤＣアーク、またはこのアークの放射にさ
らされる電極の部分を最小化し得ることにより、この電極の寿命が延びる。
電極２４ａおよび／または２４ｂを取り換える必要がある場合、使用済みの電
極は、溶融バスから取り出される。新たな電極が、その電極を予熱することなく
バスに挿入される場合、その冷たい電極は、溶融バスの粘性を、電極が溶融バス
と接するところで増加させ得、それによりこの新たな電極を溶融バスに挿入する
ことが困難になる。従って、バスと電極との接合点に安全にさらなる熱を提供し
、新たな電極をバスに十分に浸漬することを可能にする、特別な電気的に絶縁さ
れた電流制限電源を用いて、この電極を電気的に活性化することも所望され得る
。好適な実施形態では、適切な電気的かつ熱的な絶縁もまた、各電極に提供され
得、その結果、各電極は、通常動作中に、金属の炉カバーから熱的かつ電気的の
両方において絶縁される。
代替的な実施形態では、部分的に浸漬されたジュール過熱電極は、図１Ｅ〜１
Ｇに示すように、電極を垂直にはずすことにより取り換えられ得る。例えば、ジ
ュール加熱電極は、垂直に配置され、炉床を排水することなく取り換えられ得る
。
図１Ｃは、磁気コイル４０ａおよび４０ｂがメルトプールをさらに加熱および
／または混合するために、誘導的加熱および／または混合のために用いられ得る
、本発明の別の実施形態を示す。結合したアークプラズマ−メルターに導入され
ている特定の廃棄物ストリームと釣り合った最適な速度の溶解を行うために、炉
のメルター部分および炉のアーク部分により通常生成される以上のさらなる攪拌
または混合が所望され得る。これは、コイル４０ａおよび４０ｂ等の戦略的に配
置された磁気コイルの追加により、より大きなＪ×Ｂ力を生成し、次いで、これ
により溶融バス内にさらなる混合および／または加熱を生じることにより達成さ
れ得る。コイル４０ａおよび４０ｂは、炉の金属シェル内であるが、メルトプー
ルの耐火性ライニングの裏側に配置され得る。あるいは、炉シェルが非磁気ステ
ンレススティールで製造される場合、コイルは、シェルの外部に配置され得る。
コイル４０ａおよび４０ｂは、ＡＣ電源ソースに接続される。このバス混合の促
進は、炉電極の寿命および廃棄物のスループットを増加し得る、「チューニング
」タイプの一例である。
図１Ｄは、プラズマメルター処理の代替的構成が二次熱ブーストシステム４１
を組み込んだ、本発明の別の実施形態を示す。このシステムは、さらなる熱エネ
ルギーを提供し、一次プラズマ−メルター処理を出る凝縮可能部分をさらにクラ
ッキングするためのチャンバ内のアークプラズマであり得る。図１Ｄに示すよう
に、例えば、二次熱ブーストシステム４１は、ポート２３の近くまたは内部に配
置され得る。
プラズマメルター処理のための電気エネルギーへの廃棄物の変換は、固体およ
び液体廃棄物の気体生成物ガスへの最大変換に依存する。熱分解処理では、存在
するガスの一部が、軽量から中量のオイルである凝縮物を含有し得る。一次プラ
ズマ−メルターチャンバを出るガスの冷却が可能な場合、発生気体の一部の液化
が、炉温度で存在する凝縮物により生じ得る。第２のプラズマ発生気体チャンバ
は、これらのオイルが、入来する廃棄物材料からのエネルギー値を助長回復させ
る非凝縮性可燃性ガスに変換される。
二次プラズマチャンバ４１が図１Ｄに示すように配置される場合、一次炉チャ
ンバを出るガスの温度は、二次プラズマチャンバ４１に入る前には下がらないが
、これは、２つのシステムが直接結合されるためである。これにより、クラッキ
ングおよびガス化処理のための全体的なエネルギー要件が最小化される。
炉を出る凝縮可能種が二次プラズマチャンバ内で可燃性ガスに変換されるため
、二次廃棄物生成が最小化される。プラズマ発生気体チャンバは、常に必要とは
され得ないが、処理中に個別に制御され得ることが理解される。
電極もしくは複数の電極２４ａおよび２４ｂは、好ましくは、供給材料２９が
熱放射から壁部を防護または保護できるように、壁部２１ａ〜２１ｄから十分に
離れて位置する。これにより、幅広い種種の材料を耐火性炉ライニングとして用
いることが容易となる。
金属ではなく、グラファイトを電極材料として用いることが好ましいが、これ
は、グラファイト電極は、処理を簡略化し、金属トーチで用いられるよりもはる
かに高い電流能力を有するためである。さらに、グラファイト電極は、金属トー
チシステムが頻繁に先端部の取り換えを要するのに対して、メインテナンスの必
要性が低い。水−ガス反応、６００〜１０００℃で、
Ｃ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋Ｈ２
を促進する部分的酸化環境および条件の両方を伴う炉プレナムでの予期される条
件により、特別に処置されていないグラファイトの許容できない消費が起こり得
る。それゆえ、グラファイト電極２７は、好ましくは、グラファイトの消費を最
小化し、有効寿命を延ばす、炭化シリコン、窒化ボロン、または別の保護コーテ
ィング等の適切な材料で被覆される。例えば、炭素質材料を含有する都市固体廃
棄物が炉２１に供給された場合、高い吸熱反応が起こり、炭素質材料を燃料ガス
に、かつ非炭素質材料をスラグに変換するためのさらなるエネルギーを必要とし
得る。
本発明の廃棄物変換ユニット内の条件は、温度プロファイル、溶融バス内の電
流、電圧およびその他を得ることができるように、廃棄物処理中に、継続して（
手動により、または自動システムにより）監視され得る。これにより、溶融バス
、およびユニットを出るガスの所望の処理特性が確実に満たされる。例えば、廃
棄物変換ユニットを出るガスの組成は、共にＷｏｓｋｏｖらによる米国特許第５
，４７９，２５４号（１９９５年１２月２６日発行）、および米国特許第５，６
７１，０４５号（１９９７年９月２３日発行）で開示されるようなデバイスを用
いた処理中に監視され得る。米国特許第５，４７９，２５４号、および米国特許
第５，６７１，０４５号の内容の全てを、本明細書中において参考のために援用
する。さらに、熱電対、赤外線温度デバイス、Ｗｏｓｋｏｖらによる、「Ａｃｔ
ｉｖｅ Ｒａｄｉｏｍｅｔｅｒ ｆｏｒ Ｓｅｌｆ−Ｃａｌｉｂｒａｔｅｄ Ｆ
ｕｒｎａｃｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ」と題され
た、米国特許第５，５７３，３３９号（１９９６年１１月１２日発行）に開示さ
れる、放射計、またはＷＯ９７／１３１２８（１９９７年４月１０日に発行され
、「Ａｃｔｉｖｅ Ｐｙｒｏｍｅｔｅｒ ｆｏｒ Ｓｅｌｆ−Ｃａｌｉｂｒａｔ
ｅｄ Ｆｕｒｎａｃｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓと
題された、国際出願番号第ＰＣＴ／ＵＳ９６／１５９９７号）に開示された、高
音計がチャンバ内に挿入され得る。米国特許第５，５７３，３３９号、およびＷ
Ｏ９７／１３１２８の内容の全てを、本明細書中において参考のために援用する
。また、Ｗｏｓｋｏｖらの「Ｎｅｗ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ Ｍｅｔ
ａｌｓ Ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅ
ｓ ｆｏｒ Ｆｕｒｎａｃｅｓ」、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｉ
ｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｐｌａｓｍａ Ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ Ａｐｐ
ｌｉｃａｔｉｏｎｓ，Ａｔｌａｎｔａ，Ｇｅｏｒｇｉａ（１９９５年１０月８〜
１１日）も参照し、本明細書中において、この内容の全てを参考のために援用す
る。
次に、図１Ｅ〜１Ｇを参照して、本発明の別の代替的な実施形態を示す。本実
施形態では、ユニット２１が、２つのアーク電極２７ａおよび２７ｂ、ならびに
２つ以上のジュール加熱電極２４ａおよび２４ｂを備える。好ましくは、アーク
電極２７ａおよび２７ｂは、ＤＣ電源７０で作動する一方、部分的に浸漬された
非アーク電極２４ａおよび２４ｂは、ＡＣ電源７７で作動する。ユニット２１は
また、（熱損失を防ぐために絶縁され得る）排気ポートまたはベッセル２３を備
え、好ましくは、チャンバ内の適切な圧力を維持を確実にするために、緊急廃ガ
スベッセル（ｅｍｅｒｇｅｎｃｙ ＯＦＦｇａｓ ｖｅｓｓｅｌ ｖｅｓｓｅｌ
）８２を備える。廃棄物供給は、供給機構および充填ポート２２からユニット２
１へと供給され得る。供給機構は、重力式供給機構であり得、図１Ｋに示すよう
に構成され得る。このユニットはまた、所定の位置でユニットの周囲で間隔を置
いて配置され、チャンバの充填ポートと位置合わせされた複数の供給機構を備え
得る。非グラファイト耐火性炉床６９が、ユニット２１をライニングするために
用いられ得る。炉床２１は種々の耐火性材料から形成され得る。
アーク電極２７ａおよび２７ｂは、それぞれ、アーク６６ａおよび６６ｂを発
生し、ユニット２１に供給される廃棄物の少なくとも一部を分解するために用い
られる。廃棄物はガス状の層および溶融バスを形成する。比重が異なるため、溶
融バスは、スラグ層および金属層に分かれる。メルトライン３０ａのレベルは、
スラグおよび／または金属の少なくとも一部をユニットから除くことにより制御
され得る。例えば、スラグ等の溶融材料が、放出導管３５によりスラグコンテナ
３７へと取り除かれ得る一方、金属は、放出導管開口部６７によりバスから取り
除かれ、次いで、放出導管６８を介して、金属コンテナ２６へと達し得る。放出
導管６８は、上述したような加熱コイルを利用して加熱され得る（図１Ｌおよび
図１Ｍも参照）。
溶融材料（例えば、スラグ）が放出導管３５を介して補助加熱システム３１へ
と流れる速度は、流量弁等により制御され得る。１つの実施形態では、ユニット
２１から補助ヒーターシステム３１への溶融材料の流れは，ユニット２１および
補助ヒーターシステム３１内の圧力を制御することにより制御され得る。次いで
、差圧がヒーターシステム３１への溶融材料の流れを制御するために用いられ得
る。
複数の補助ヒーターおよび／またはプラズマトーチ３２が、先の実施形態に従
って述べたように、補助ヒーターシステム３１内で用いられ得る。溶融材料は、
補助加熱システム３１を出て、放出ポート３６を介してスラグコンテナ３７に達
する。
本実施形態のアーク電極は、７７等のＤＣ電源に接続される。電源７７は、同
時係属中の米国特許出願第０８／３８２，７３０号、および第０８／４９２，４
２９号の図３に示されるものと同様であり、一次巻線７１および二次巻線７２を
備える。サイリスタ７３ａ〜７３ｆは、それぞれ、位相７４ａ〜７４ｃを整流す
る。あるいは、同時係属中の米国特許出願第０８／３８２，７３０号、および第
０８／４９２，４２９号の図３に示す、過飽和リアクタコントロールを有する三
相ダイオードブリッジ整流器が、ＤＣ電源７０の代わりに用いられ得る。本実施
形態では、過飽和リアクタの機能は、変圧器と、ダイオード整流器へのＡＣ入力
との間のＡＣ電流路のインピーダンスを変更することであり、それにより、アー
ク電圧がかなり速く変動し得る場合であっても、アーク内の所望の量のＤＣ電流
を維持する手段が提供される。
インダクタ７５ａおよび７５ｂは、図１Ｇに示すように接続される。インダク
タ７５ａおよび７５ｂは、ユニットの動作中に安定したアーク２７ａおよび２７
ｂを維持するために頻繁に必要とされる過渡電圧を供給する。「クランピング」
ダイオード７６は、ブリッジ整流器の（−）および（＋）出力の間に接続される
。「クランピング」ダイオード７６の機能は、ＤＣアーク２７ａおよび２７ｂの
電圧が整流器の開回路電圧を越えるときに、インダクタ７５ａおよび７５ｂから
の電流が流れるパスを提供することである。代替的なアーク電力構成も本実施形
態で利用され得る（例えば、図８〜１０参照）。
部分的に浸漬された非アーク電極２４ａおよび２４ｂは、好ましくは、ＡＣ電
源７７により動力供給される。図１Ｇに示すように、電源７７は、（従来のＡＣ
電源に接続された）一次巻線７８、および二次巻線７９を備える。ＡＣ電源７７
はまた、過飽和リアクタ８０およびキャパシタ８１を備える。
例えば、図２に関連して本明細書中において議論するように、変圧器の巻線を
通るＤＣ電流の流れを遮るものがなく、変圧器の端子に直接接続された、部分的
に浸漬されたジュール加熱ＡＣ電極を有する、廃棄物材料およびスラグ／金属メ
ルトプールをＤＣ電流を通過する場合、変圧器のコアが飽和する。これにより、
ＡＣ変圧器の一次巻線の電流が増加し、変圧器が非常に短時間で破損する。ベッ
セル内でアークプラズマおよびジュール加熱されたメルターを同時に作動させる
ためには、それゆえ、ＡＣ電流にジュール加熱のためのメルトプールを通過させ
続ける必要がある一方、ＤＣ電流の流れを同時に遮らなければならない。キャパ
シタ８１は、ＤＣ電流を遮り、ＡＣ電流を通過させるために用いられる。キャパ
シタ８１は、好ましくは、広範な炉動作条件にわたる段階のそれぞれで電流のバ
ランスをとるために、各変圧器二次巻線７９と直列に接続される。
図１Ｈ〜１Ｊは、３つのアーク電極および３つの部分的に浸漬された非アーク
電極が用いられる、さらなる実施形態の平面図を示す。図１Ｈに示す炉２１は、
３つのアーク電極２７ａ〜２７ｃ、および３つの部分的に浸漬された非アーク電
極２４ａ〜２４ｃを備える。本実施形態では、アーク電極および非アーク電極は
ともに、ＡＣ電力で作動し得る。アーク電極への動力は、ＤＣ電力で作動させる
ために変更され得るが、部分的に浸漬された電極は、ＡＣ電力で動作される。
図１Ｈ〜１Ｊに示す実施形態では、３つの充填チャンバ２２ａ〜２２ｃが炉２
１の周りに配置される。限定を意図するものではないが、チャンバは、好ましく
は、炉の周りに実質的に等距離で配置される。
次に図１Ｋを参照して、本発明のアークプラズマ−ジュール加熱されたメルタ
ー内で処理される廃棄物材料の導入のための使用に適した供給機構１００を示す
。供給機構１００は、適切な方法で充填チャンバポート２２に接続される。
供給機構１００は、図１Ｋに示すようなコンベヤー１０１などを含む。コンベ
ヤー１０１は、廃棄物容器またはレセプタクル１０２を溶融装置まで移動させる
ために用いられる。好適な実施形態において、廃棄物容器１０２は、溶融室に送
られる速度に基づいて、制御される。例えば、赤外線検出器１０３または他の感
知デバイスは、コンベヤー１０１に沿って、廃棄物容器１０２の移動を制御する
ために採用され得る。
廃棄物容器１０２は、コンベヤー１０１から、ドア１０４およびチャンバ入口
１０５を通って、通路１０４ａまで通過する。ドア１０４は、ドアが上げられた
り、下げられたりできるように、垂直な動きに適合する。本明細書に記載されて
いるように、膨脹式シール１０６は、供給機構のドア１０４を介して、炉２１に
入る空気および／または酸素の量を制御するために、用いられ得る。
容器１０７およびプラグ１０７ａ構成は、ハウジングデバイス１０８内に設け
られる。プラグ１０７ａは、容器１０７内での垂直な動きに適合される。例えば
、プラグ１０７ａは、容器１０７内で、プラグ１０７ａの上部が図１Ｋに示す位
置ａまで下げられるように、つり下げられ得る（その間、容器１０７の上部は、
図１Ｋに示す位置ｂで維持される）。プラグは、その上部が容器１０７の上部（
図１Ｋにおいて、位置ｂとして示される）に接するまで上げられ得、その後、缶
（ｃａｎ）およびプラグが、装置として、ハウジング１０８内で位置ｃまで上げ
られる。
図１Ｋに示すように、ハウジング１０８は、炉２１および通路１０４ａに接続
される。ハウジング１０８は、好ましくは、例えば、処理されている廃棄物の量
およびタイプに依存して、他の供給機構が炉と共に用いられるように、炉２１に
取り外し可能に接続される。通路１０４ａは（チャンバ入口およびドア１０４と
共に）、ハウジング１０８と一体型の部品または装置として形成され得る。また
、ハウジング１０８は、開口部１０８ａを含み、容器１０７およびプラグ１０７
ａが、通路１０７ａと一直線に並んで位置ｃまで上げられるときに、廃棄物容器
１０２がそこを通り、廃棄物容器１０２は、開口部１０８ａを通って炉２１まで
流れ込む。
廃棄物容器１０２が、コンベヤー１０１からドア１０４にアプローチする場合
、廃棄物容器１０２は、ドア１０４に寄りかかり、ドアは、コンピュータ制御シ
ステムからの供給制御に基づいて、容器（単数または複数）１０２が通路１０４
ａに入り込むか、または送られるように、手動で上げられるか、または自動で上
げられる。供給機構および／または廃棄物のタイプに関連する廃棄物容器のサイ
ズに依存して、１つより多い廃棄物容器が同時に送られ得る。ドア１０４は、好
ましくは、プラグ１０７が下の位置（図１Ｋにおける位置ａ）にない場合には上
がらないように設計される。これは、所望されない空気が炉に入ることを防ぐ。
赤外線検出器などが用いられて、容器（単数または複数）が、完全に通路１０
４ａにあるか感知される。その後、ドア１０４が閉じられ、シール１０６が膨脹
される。このようにして、供給機構は、大気に対して密閉され、窒素でパージさ
れて、供給機構内の少なくとも酸素の大部分が除去され得る。好ましくは、窒素
パージは、供給機構内の酸素が約５％より低くなるまで継続される。
その後、下の位置（図１Ｋにおける位置ａ）にあるプラグまたはホイスト１０
７ａは、容器１０７に接する位置ｂまで上げられる。容器１０７およびプラグ１
０７ａは、位置ｃまで上げられる。容器（単数または複数）１０２は、重力によ
って、炉２１に供給され得る。いくつかの実施形態において、プラグ１０７ａな
らびに／または容器およびプラグを下げて、炉２１への供給プロセスの間、容器
がつかえないことを確実にすることが望ましい。
上述したように、複数の装填チャンバ、および供給機構は、本発明に従って、
溶融室として用いられ得る。装填チャンバおよび供給機構は、炉への供給のタイ
ミングが予め定められているように構成され得る。好ましくは、供給機構の数は
、装填チャンバの数に対応する。例えば、装填チャンバおよび供給機構は、それ
ぞれが、特定の時刻における過剰な供給に起因して、炉の中で圧力を上昇するこ
とを避けるように、他のものに対して開くタイミングを取るように配置され得る
。
図１Ｋに示す供給機構１００は、例示に過ぎない。中を通って入る空気および
／または酸素の量が制御され得る限り、本発明の溶融室への廃棄材の導入に適し
た他のデバイスが採用され得る。
図１Ｌは、炉２１の一部分の実施形態の断面図である。様々な実施形態に関し
て上述したように、金属排出入口６７は、概して、炉床の一部のＶ字形構成の底
部、またはその近傍に形成される。図１Ｌに示す実施形態は、誘導性熱によって
容易に加熱され得る材料で形成されたフリーズプラグ構成である。図１Ｌに示す
ように、入口６７を囲む部分６７は、グラファイト１１０から形成される。さら
に図１Ｌに示すように、炉床のＶ字型部分（ジュール加熱電極（単数または複数
）２４のほぼ下）近傍の炉２１の他の部分は、高温れんが１１１および断熱材料
１１２から形成され得る。
加熱コイル１１３は、金属が排出ポート１１４ａを所望の時間および速度で出
ていくことができるようにフリーズプラグ構成のオペレーション用に設けられる
。例えば、コイル１１３が、ある特定の温度の下まで冷却される（コイル１１３
は、金属を炉から除去することが所望されないときには水冷され得る）場合、ポ
ート１１４内のグラファイト１１６または金属は、プラグとして機能を果たして
、金属が炉から除去されることを防ぐ。金属を炉から除去することが所望される
場合、コイル１１３は、グラファイト１１６がポート１１４を介して炉を出るよ
うな金属の通過を可能にするように誘導的に加熱される。その後、窒素は、プラ
グをフリーズすることが所望される場合にグラファイトブロック１１６に吹き付
けられる。
本発明のアークプラズマジュール加熱された溶融装置の金属の排出は、処理の
間、溶融バスをサンプリングすることによって制御され得る。さらに、または、
代わりに、装置からの金属の排出は、装置内の電圧および電流をモニタすること
によって、制御され得る。例えば、ジュール加熱電極とバスとの間の電圧に変化
がない場合、装置の外に金属を排出する必要がなくなり得る。これは、特定の装
置内の各ジュール加熱電極について、推定され得る。一方、電圧の変化が検出さ
れる場合、装置から金属を排出することが所望されるか、または必要となり得る
。従って、計器が、バス内の熱、電圧および電流特性のような感知パラメータを
モニタリング、ならびに手動または自動で制御するために設けられ得る。このよ
うな計器からのフィードバックは、金属出口から出す時を決定するために用いら
れ得る。さらに、金属容器および／またはスラグ容器（補助加熱システムからの
排出に近接する）の下に位置するローンスケールが、口から出す条件、および炉
の中のモニタリング条件を決定するために用いられ得る。
また、装置からの金属の除去は、部分的には、炉のビューポートなどを通じる
、装置内の溶融バスのレベルの視覚的な観察に基づく。例えば、溶融バスのレベ
ルが上がり続け、上記の補助加熱システムを用いてスラグが除去される場合、装
置内の金属のレベルは、スラグが出る、補助加熱システムへのコンジットに近い
レベルまで上がる。これらの環境において、装置から金属を除去して、金属が補
助加熱システムに入ることを防ぐことが所望され得る。
上述したように、本発明によるアークプラズマジュール加熱溶融室は、好まし
くは、耐火ライニングを含む。処理され、かつ／または変換される材料に依存し
て、耐火物は、約１４００℃を超える温度で処理することができる任意の適切な
材料から形成され得る。耐火物は、セラミックまたはグラファイトから形成され
得る。また、耐火物は、高い信頼度で耐火性のある材料から形成され得る。本発
明において用いられる耐火材料として、処理されている材料のタイプに依存して
、様々な耐久性のある耐火材料が適切であることが理解されるべきである。また
、これらの材料は、熱的なショックに対して感度が高くてもよい。
図１Ｌに示す、誘導的に加熱されたフリーズプラグ構成は、利用可能な回路に
よって、炉から金属および／またはスラグを除去するために加熱され得る。例え
ば、Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｆｏｒ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅ
ｎｇｉｎｅｅｒｓ、第９版、Ｋｎｏｗｌｔｏｎ編、ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ Ｂ
ｏｏｋ Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｉｎｃ．（（Ｃ）１９５７）の７６２ページの図７〜
１２４に示す回路が、本発明によるフリーズプラグ構成を加熱するために用いら
れ得る。この文献は、本明細書中で参考として援用される。
本発明による、アークプラズマジュール加熱溶融室に供給される電力について
、いくつかの構成が利用され得る。例えば、図２に、キャパシタ１６２の使用お
よび電力の分配における特定の構成を含む集積されたシステムの構成の１つを示
す。図２に示すように、アーク６６について、単一の対の電極２７および２８を
有する単一相ジュール加熱されたアークプラズマ溶融室２１が図示されている。
一実施形態において、溶融室のジュール加熱された部分２１は、ＡＣ電源１５８
を利用し、溶融室のアーク部分は、ＤＣ電源１５０を利用する。
図２に示す実施形態は、それぞれ、廃棄物材料２９が、ガラス化を含む変換プ
ロセスによる処理を受ける単一容器または溶融室タンク２１内の電極に電力を供
給する、ＤＣ電力システム１５０とＡＣ電力システム１５８との組合せを利用す
る。ＤＣアーク電流２７および２８は、ジュール加熱ＡＣ電極２４ａおよび２４
ｂとインタラクトするので、このようなインタラクションを防ぐ特別な工程が取
られない限り、特別な回路が必要である。本明細書中に記載するように、このよ
うなインタラクションは、ジュール加熱電極に電力を提供する変圧器の故障（ｆ
ａｉｌｕｒｅ）の原因となり得る。この回路は、アークプラズマおよびシステム
のジュール加熱された溶融室部分の完全に独立した制御を可能にする。
ＤＣ電源１５０は、インダクター１５７、一次巻線１５３、二次巻線１５４ａ
、１５４ｂ、および１５４ｃ、ならびに過飽和リアクトル１５５ａ、１５５ｂお
よび１５５ｃを含む。一次巻線１５３は、好ましくは、デルタである。過飽和リ
アクトル１５４ａ、１５４ｂおよび１５４ｃは、二次巻線１５４ａ、１５４ｂ、
および１５４ｃに直列に接続されている。負（−）出力１５１および正（＋）出
力１５２は、ＤＣ電源１５０によって生成される。
ＤＣ電流１５０が、変圧器１５９の端子に直接接続され、変圧器１５９の巻線
を通じるＤＣ電流１５０の流れを妨げる手段を有さない、部分的に浸漬している
ジュール加熱ＡＣ電極２４ａおよび２４ｂを有する廃棄物材料２９およびスラグ
／金属溶融物プール３０を流れる場合、変圧器１５９のコアは、飽和する。従っ
て、変圧器１５９の一次巻線１６０の電流が増大し、変圧器１５９が、非常に短
い期間の間に故障する。アークプラズマと、容器２１内のジュール加熱された溶
融室とを同時に操作するために、ジュール加熱のため、溶融物プール３０を通じ
て、ＡＣ電流１５８を流し続け、同時に、ＤＣ電流フロー１５０を妨害すること
が必要である。キャパシタ１６２は、ＤＣ電流１５０を妨害し、ＡＣ電流１５８
を流すように利用される。キャパシタ１６２は、好ましくは、炉の動作条件の幅
広い範囲にわたって、相のそれぞれにおいて、電流のバランスを取るために、各
変圧器の二次巻線１６１と直列に接続される。図２にさらに示すように、キャパ
シタ１６２は、過飽和リアクトル１６３に接続された二次巻線１６１に接続され
る。
図３Ａおよび図３Ｂに、本発明において用いられるのに適した回路構成を示す
。特に、三相ＡＣ電源１５８を図３Ａに示し、ＤＣ電源１５０を図３Ｂに示す。
回路は、ＡＣ電源システム１５８全体を通して反射する、容器または溶融室内の
各ＡＣ電流経路のインダクタンス、溶解プールまたは溶融バスを流れる電流経路
の非線形抵抗、電極インターフェース、電力供給ケーブル、変圧器１５９の二次
巻線１６１ａ、１６１ｂ、および１６１ｃ、ならびにジュール加熱炉回路におい
て直列の要素として接続されているキャパシタ１６２ａ、１６２ｂ、および１６
２ｃのキャパシタンスの大きさを含む。また、ＡＣ電源１５８は、一次巻線１６
０、ならびに電極２４ａ〜ｆに接続された飽和リアクトル１６３ａ、１６３ｂ、
および１６３ｃを含む。飽和リアクトル１６３ａ〜１６３ｃは、それぞれ、二次
巻線１６１ａ〜１６１ｃに接続されている。
ＡＣ電流が、非線形抵抗器を直列に有する回路、例えば、ジュール加熱炉回路
内で、殆どの場合正弦曲線ではないので、公益企業によって供給される６０ヘル
ツ正弦波に重畳される、６０ヘルツ以外のいくつかの高調波振動数を励起するこ
とが可能である。この回路において、非線形抵抗を考慮に入れ、充分な減衰を達
成し、そのことにより安定した動作を達成する電気部品を特定することが重要で
ある。また、キャパシタの電圧、電流、およびキャパシタンス率の値は、炉をの
ぞきこむときに炉電極で見られる最も低い抵抗の値に有効な６０ヘルツを加えた
ものが、（Ｌ／Ｃ）１／２の１．５倍以上、好ましくは２倍になるような炉電極
におけるシステムインダクタンス全体の直列共振周波数になるような値である。
ただし、Ｌは、電力システムの総インダクタンスであり、Ｃは、キャパシタ１６
２ａ、１６２ｂ、および１６２ｃのキャパシタンスである。総実効抵抗Ｒは、（
Ｌ／Ｃ）１／２の２倍になるはずであるが、（Ｌ／Ｃ）１／２の１．５倍である
なら、電流における任意の共振の立ち上がりは無視できる。
図３Ｂに示すように、ＤＣ電気システム１５０は、Ｙ字状接続またはデルタ接
続された二次巻線１５４ａ〜１５４ｃを有する電力変圧器を有し得る。一次巻線
１５３は、好ましくは、デルタである。また、図３Ｂに示すように、電流整流器
は、好ましくは、三相全波整流器である。整流器は、第３の電極２印加された信
号によってアノード−カソード電流が制御される、電流制御サイリスタ整流器、
すなわち、シリコン制御整流器であってもよい。あるいは、整流器は、所望のＤ
Ｃ電流を維持するようにＤＣ電流制御を有する三相全波ダイオード整流器であっ
てもよい。サイリスタ整流器が利用される場合、完全定格電流浮動ダイオードが
、サイリスタ整流器にわたって、リアクトル１５７ａおよび１５７ｂの前方に配
置されることが重要である。この実施形態において、飽和リアクトル１５５ａ〜
１５５ｃは用いられない。三相ダイオード整流器を用いる場合に、整流器内のダ
イオードで十分なので、ＤＣ「浮動」または「クランピング」ダイオードを加え
る必要はない。
ＤＣアーク炉について、飽和リアクトル制御１５５ａ〜１５５ｃを有する三相
全波ダイオード整流器を用いることが好ましい。いずれのタイプの電源が用いら
れているかに関わらず、インダクタが、接地されていないＤＣ電源リードと直列
に接続されることが重要である。このリアクトルは、ＤＣアーク電圧が急激に増
大するような炉の状態である場合、素早くエネルギーを供給するために必要であ
る。アーク電極に電力を供給するさらなる実施形態は、本発明に従って利用され
得る（図６〜１０参照）。
図３Ｂに示すように、アーク電極２７ａは、（−）出力で、インダクタ１５７
ａに接続され、アーク電極２７ｂは、（＋）出力で、インダクタ１５７ｂに接続
されている。炉または溶融室の内部の底部がセラミックなどの適切な耐火物から
形成され、熱いときに導電性が低い場合、カウンタ電極２８は、炉の床のジュー
ル加熱電極２４ａ〜２４ｆの間の部分をへこませ、その後、金属が排出された後
でさえも、金属のプールが炉の床のこのへこみに維持されるように溶融金属排出
管をわずかに上昇させることによって形成され得る。この金属は、ＡＣジュール
加熱回路について、カウンタ電極２８として機能し得、同時に、ＤＣアーク回路
電極として用いられ得る。
金属炉底部電極２８は、図３Ｂの回路図に示すような各種の構成を用いて接続
され得る。いずれの場合においても、炉の底部または溶融室を通じて、１つ以上
の電極を有することが好ましい。電極は、グラファイトまたは金属であり得る。
図３Ｂおよび図５に示す回路は、電極２８への電気接続と直列のスイッチ１６４
を含むことに留意されたい。これらのスイッチの機能は、カウンタ電極を、整流
器の変圧器のニュートラルに接続または切断して、ＤＣアーク電流をカウンタに
転送したり、転送しないことを可能にすることである。例えば、スイッチが「開
いている」場合、（＋）電極からバスへのアークがあり、バスから（−）電極へ
のアークがある。スイッチが「閉じられている」場合、（＋）電極からバスへの
アークがあり、電流はカウンタ電極へと流れる。バスを流れるカウンタ電極から
の電流もあり、（＋）および（−）電極電流の均衡がとれていない場合、アーク
によって、（−）電極を流れる電流もある。
スイッチ１６４は、閉位置、開位置、接地位置を有する三状態スイッチである
。変圧器ニュートラル接地スイッチ１６４は、動作のいくつかのモードを可能に
する。炉または溶融室が、２つのＤＣアークが電気的に直列に接続されているモ
ードで動作する場合、スイッチ１６４は、「接地」位置にあり、単投スイッチ１
６５は、開いている。炉または溶融室が、２つのＤＣアーク電極が独立して動作
するモードで動作する場合、スイッチ１６４は、「閉」位置にあり、単一状態ス
イッチ１６５は、「接地」位置にある。スイッチ１６４の「開」は、システムメ
ンテナンスの間（またはジュール加熱がアークプラズマ加熱なしに用いられる場
合）、用いられ得る。
炉または溶融室の上記の物理的構成が、２つの独立して配置された制御可能電
極を用いることに適する場合、ＤＣアーク電極およびＡＣジュール加熱電極は、
有害な電気的インタラクションなしに、同時に操作され得る。さらに、様々なタ
イプの廃棄物のガラス化について、有用なインタラクションが達成され得る。
ユニット２１において用いられるのに適した様々な電極構成（および電流フロ
ーの相対的な方向）の例示的な平面図を、図４Ａ〜図４Ｄに示す。これらの構成
は、取り付けの遠隔制御に適する。図４Ａに、延長された炉の構成を示し、図４
Ｂ〜図４Ｄに、円形炉構成を示す。
これらのジュール熱電極（２４ａ、２４ｅもしくは２４ｃ）または（２４ｄ、
２４ｂもしくは２４ｆ）のうち任意のものまたはその全体を、ＤＣアークシステ
ムのためのカウンタ電極２８として接続することができる。
図４Ｂに示す電極構成では、三相のＡＣジュール熱電源と、ＤＣ整流器電源と
を１つずつ用いている。図４Ｃに示す別の実施形態において、６つのジュール熱
電極２４ａ〜２４ｆを６つのアーク電極２７ａ〜２７ｆと共に用いている。図４
Ｃに示すこの構成では、三相ＡＣジュール熱電源を１つそしてＤＣ整流器電源を
３つ用いている。
図４Ｄに示す別の実施形態において、４つのジュール熱電極２４ａ〜２４ｄを
４つのアーク電極２７ａ〜２７ｄと共に用いている。この構成において、２つの
二相スコットＴＡＣ電源および整流器供給源を用いている。
ここで図５を参照して、ＡＣ電源システム１５８は、一次巻線１６０、二次巻
線１６１ａ〜１６１ｃを備え、これらの巻線はそれぞれ、可飽和リアクトル１６
３ａ〜１６３ｃ（または図６および図７に示すようなサイリスタスイッチ）に接
続されている。これらの可飽和リアクトル１６３ａ〜１６３ｃはそれぞれ、ジュ
ール熱電極２４ｅ〜２４ｆに接続されている。
ＤＣ電源１５０は、一次巻線１５３と、インダクタ１５７ａ、１５７ｂと、可
飽和リアクトル１５５ａ〜１５５ｃにそれぞれ接続された二次巻線１５４ａ〜１
５４ｃとを備える。図５に示すように、ダイオード１５６ａ〜１５６ｆが設けら
れている。インダクタ１５７ａは、（−）出力１５１においてアーク電極２７ａ
に接続され、インダクタ１５７ｂは、（＋）出力１５２においてアーク電極２７
ｂに接続されている。
ＤＣ電源１５０システムニュートラル１６６と、ＡＣジュール熱電極２４ａ、
２４ｂおよび２４ｃ（これらは、ＡＣキャパシタ１６２ａ〜１６２ｃにそれぞれ
接続された電極であり、変圧器（これも図５中に図示）の二次巻線１６１ａ〜１
６１ｃを通るＤＣ電流流れをブロックする目的に用いられる）との間の接続は、
処理対象となる廃棄物材料の種類に応じて行うことが望ましい。図５中、ＤＣ電
源１５０とＡＣ電源１５８との接続をライン１６７として示す。この接続を用い
る理由としては、燃焼炉をウォームアップさせている間に３つのさらなるＤＣカ
ウンタ電極を溶解プール表面に近接させて、ニュートラルＤＣの移動（ｔｒａｎ
ｓｆｅｒ）電流１６６を流して、正（＋）のＤＣアークおよび負（−）のＤＣア
ークを安定させた後に、炉床上のカウンタ電極の直接上にある材料が十分に高温
になって十分なＤＣ電流が導電してＤＣアークが安定化するようにする工程を支
援することである。
上述したように、２つ以上のＤＣアークプラズマ電極を用いて、共通溶解（ｍ
ｏｌｔｅｎ）プールにまたはその内部に１つ以上のアークを提供すると好ましい
。１つの電極を１つのＤＣインダクタの（＋）端子と電気接触させ、別の電極を
別のＤＣインダクタの（−）端子と電気接触させる。整流変圧器の二次巻線の中
間（ｍｉｄ）端子またはニュートラル端子は、カウンタ電極に電気的に接続して
もしなくてもよく、カウンタ電極は、溶解プールの底部またはその近隣に設けれ
ばよい。
これらの２つのＤＣ電極のうち１つのＤＣ電極のみがアーキングし、もう一方
のＤＣ電極が溶解槽中に沈降してアーキングしなかった場合、その沈降した電極
を接地することができる。しかし、これは不要であり、そうしないほうが望まし
い。
あるシステムでは２つのグラファイト電極（すなわち、１つは（＋）およびも
う１つは（−））を用いるため、三相変圧器のＹ字接続された（ｗｙｅ ｃｏｎ
ｎｅｃｔｅｄ）３つの巻線のニュートラル接合部１６６は、接地接続してもよい
し、しなくてもよい。
このユニットのグラファイト出湯噴出口（ｔａｐｐｉｎｇ ｓｐｏｕｔ）２８
および金属製燃焼炉シェルは、安全上の理由のため、設置しなければならない。
このグラファイト出湯噴出口は燃焼炉底部にある溶解プールと電気的に接触して
いるため、Ｙ字接続された二次巻線のニュートラル端子１６６がグラファイト出
湯噴出口２８に接続されていない場合、これらの２つのアークは電気的に直列関
係にある。これらのアークのうち１つが消えた場合、それによってこれらのアー
クは両方とも消えるが、このようなことは望ましくない。中立点１６６をグラフ
ァイト出湯噴出口２８に接続することにより、各アークを実質的に独立させ、（
残りのアークが消えた場合にも）燃焼させ続けることが可能となる。燃焼し続け
ているアークから放熱が発生すると、消えた状態のアークも再ファイヤリングす
る場合がよくある。
図３Ａまたは図５に示すような絶縁された３つの二次巻線を接続し、相２４ｂ
〜２４ｅと相２４ａ〜２４ｄおよび相２４ｃ〜２４ｆとを極性が逆になった状態
で物理的かつ確実に接続することにより、溶解経路を通る電流経路を、槽の攪拌
および混合が行なわれ、これにより、所与の燃焼炉中で１時間あたりに処理する
ことの可能な廃棄物材料の量を多くするような電流経路にする。
図３Ｂおよび／または図５に示す種類の２つまたは３つの独立したＤＣ電源を
用いて４つまたは６つのグラファイトアーク電極に給電を行なう場合、大量また
は物理的に大きな廃棄物材料を処理する必要のある場合に新たな燃焼炉の設計構
成が得られる点にも留意されたい。図４Ｂ〜図４Ｄに示す丸型の燃焼炉設計は、
この用件を満たす。
本発明によるアーク電極のＤＣ電力を提供する別の実施形態を図６および７Ａ
〜図７Ｂに示す。図６では複数の相電力制御器を用い、図７Ａ〜図７Ｂでは、相
制御されたサイリスタ整流器と、ダイオード整流器とを組み合わせて用いる。可
飽和リアクトルはサイリスタよりも大型で高コストである場合が多いため、これ
らの回路の方が図５に示す回路よりも有利である場合がある。図６および図７Ａ
〜７Ｂに示す回路では、サイリスタスイッチと、ＡＣインダクタ（例えば、負荷
制限リアクタ（ＬＬＲ））とを組み合わせて用いて、本明細書中にて上述した可
飽和リアクトルと同じ所望の特性（例えば、ＤＣアーク燃焼炉中のアーク安定性
を向上させる特性）を得ている。
図６に示す回路１７０は、一次巻線１７１および二次巻線１７３ａ〜１７３ｃ
を備える。図６に示すように、これらの二次巻線は、自身に接続された変圧器ニ
ュートラル１７４とＹ字接続されている。三相の電力１７５ａ〜１７５ｃはそれ
ぞれ、図６に示す回路ブレーカ１７２ａ〜１７２ｃ（ただし、回路ブレーカ１７
２ａ〜１７２ｃは、二次巻線と相電力制御器１７６ａ〜１７６ｃとの間で交互に
配置することもできる）を備える。回路ブレーカ１７２ａ〜１７２ｅ（これらは
、空気（ａｉｒ）回路ブレーカであり得る）の設計を、異常条件下において回路
を自動的に開かせるような設計にする。
やはり図６に示すように、電流制限リアクタ（ＣＬＲ）１７７ａ〜１７７ｃを
、入来するＡＣ電力から相電力制御器１７６ａ〜１７６ｃへと直列接続する。あ
るいは、電流制限リアクタ１７７ａ〜１７７ｃをサイリスタ１７８ａ〜１７８ｆ
の後ろでかつダイオード整流器１８２の前の位置において直列接続させてもよい
。リアクタ１７７ａ〜１７７ｃ（これらは、電流制限リアクタであり得る）は、
整流器中のサイリスタおよびダイオードを保護して、ミスファイヤーが発生した
場合に異常電流がこれらのサイリスタおよびダイオードにかからないようにして
いる。
さらに図６に示すように、三相電力制御器１７６ａ、１７６ｂおよび１７６ｃ
を設ける。相電力制御器１７６ａ〜１７６ｃはそれぞれ、一対のサイリスタ１７
８ａ〜１７８ｂ、１７８ｃ〜１７８ｄおよび１７８ｅ〜１７８ｆを備える。相電
力制御器１７６ａ〜１７６ｃもまた、金属酸化物バリスター（ＭＯＶ）１７９ａ
１７９ｅと、負荷制限リアクタ（ＬＬＲ）１８０ａ〜１８０ｃと、電流変圧器（
ＣＴ）１８１ａ〜１８１ｃとをそれぞれ備える。リアクタ１８０ａ〜１８０ｃは
、空気ギャップリアクタであると好ましい。
ＡＣインダクタ１８０ａ〜１８０ｃを用いて、サイリスタ１７８ａ〜１７８ｆ
をそれぞれバイパスすることが可能である。ＡＣインダクタ１８０ａ〜１８０ｃ
の機能は、アーク（単数または複数）を安定させることである。この機能は、サ
イリスタスイッチが非導電モードであるときに電流を提供するインダクタを用い
ることにより、達成することができる。図６に示すように、金属酸化物バリスタ
ー（ＭＯＶ）１７９ａ〜１７９ｃは、インダクタおよびサイリスタと平行に接続
されている。バリスター１７９ａ〜１７９ｃを用いて、いずれかの極性を有する
任意の遷移電圧を、サイリスタに損傷を与えないレベルまで限定または範囲指定
（ｃｌａｍｐ）する。
電流変圧器（ＣＴ）１８１ａ〜１８１ｆは、標準的なＡＣ電流変圧器である。
電流変圧器１８１ａ〜１８１ｆを用いると、適切なレベルのＤＣ電流を（＋）ア
ーク電極と（−）ＤＣアーク電極との間に流した後にサイリスタ１７８ａ〜１７
８ｆを「オン」にすることを確実にすることができる。電流変圧器１８１ａ〜１
８１ｆを用いると、不注意によってサイリスタが「オン」になったときに、その
結果発生した電流を事前設定されたレベルの電流まで敏速に低下させることも確
実になる。これにより、ＤＣ電力アークが消滅した場合において、「全相オン（
ｆｕｌｌ ｐｈａｓｅ ｏｎ）」のサイリスタにより、このような「全相の」条
件下においてアークが（＋）電極および（−）電極を通じて発生した場合に、Ｄ
Ｃ電流に望ましくない高いレベルの異常遷移サージが発生し得る事態を防ぐこと
ができる。
サイリスタ１７８ａ〜１７８ｆをパルスまたはゲートによって制御する場合、
ＡＣインダクタ１８０ａ〜１８０ｃ（例えば、ＬＬＲ）は、ＡＣ電流を比較的低
レベルの電流に限定することができる。すなわち、三相全波ダイオード整流器に
よって供給されるＤＣ電流は、アーク（単数または複数）の消滅を防ぐのに十分
なレベルにある。（−）ＤＣアーク電極２７ａおよび（＋）ＤＣアーク電極２７
ｂが導電面と接触すると、アーク（単数または複数）は、十分な大きさの電流で
開始および持続して、サイリスタゲートがファイヤリングするまで、ＤＣアーク
（単数または複数）を維持する。サイリスタゲートがファイヤリングすると、ア
ーク電流が、電気アーク（単数または複数）を通じて、事前設定された大きさ（
これは、パルスゲートの相対的相角度および／または持続時間によって決定され
る）まで増加する。
さらに、サイリスタがファイヤリングすると、ファイヤリングの間にサイリス
タの各ＡＣインダクタ（ＬＬＲ）に短絡が発生するため、アーク電流が増加する
。サイリスタ１７８ａ〜１７８ｆによる電流の短絡が発生する前には、電流はイ
ンダクタ１８０ａ〜１８０ｃを通過しているため、インダクタ１８０ａ〜１８０
ｃ中にエネルギーを格納することができる。各インダクタ中に格納されるエネル
ギーの量はＥ＝１／２Ｌｉ ２であり、ここで、Ｅはエネルギー（単位：ワット秒
）であり、Ｌはインダクタンス（単位：ヘンリー）であり、ｉは電流（単位：ア
ンペア）である。
インダクタ中にエネルギーが格納されると、サイリスタ１７８ａ〜１７８ｆが
ファイヤリングしたときに電流をインダクタ１８０ａ〜１８０ｃからサイリスタ
１７８ａ〜１７８ｆを通じて流すことが可能となる。この電流の流れ方向は、通
常電流が電力変圧器からダイオード整流器に流れる方向（これを、図６中のブロ
ーカーライン１８２によって示す）と反対方向である。従って、サイリスタ１７
８ａ〜１７８ｆを通過する初期電流が、インダクタ１８０ａ〜１８０ｃから出て
行く電流の大きさよりもずっと大きくなるようなタイミングまたは相角度でサイ
リスタ１７８ａ〜１７８ｆをファイヤリングさせると望ましい。サイリスタゲー
トがパルスを受ける前に、インダクタからの初期電流が、サイリスタのゲートの
「オン」が完了する前にサイリスタを通過する順方向電流よりも大きい場合、そ
のサイリスタを瞬間的に「オフ」にすることができる。一方、ゲートパルスが十
分に長い場合、サイリスタはすぐに再度「オン」状態となり、サイリスタの「電
流ゼロ」（これは、サイリスタを「オフ」にしなければならずまた「オフ」にす
ると望ましい状態である）の状態が通常の電力周波数で得られるまで、「オン」
状態のままとなる。
ダイオード整流器１８２に入来したＡＣ電流を整流してＤＣ電流を提供する。
詳細には、相１７５ａをダイオード１８２ａおよび１８２ｂによって整流する。
同様に、相１７５ｃがダイオード１８２ｅおよび１８２ｆによって整流されてい
る間、相１７５ｂをダイオード１８２ｃおよび１８２ｄによって整流する。
やはり図６に示すように、キャパシタ１８３ａ〜１８３ｆおよび抵抗器１８４
ａ〜１８４ｆを、それぞれダイオード１８２ａ〜１８２ｆと並列接続する。従っ
て、キャパシタ１８３ａ〜１８３ｆおよび抵抗器１８４ａ〜１８４ｆは、ダイオ
ード１８２ａ〜１８２ｆの周囲に複数のスナッバー回路を形成する。スナッバー
回路は、電圧の急激変化による影響を限定するために用いられることが多い。図
６に示すように、これらのスナッバー回路は、損傷を受けたダイオード１８２ａ
〜１８２ｆから逆方向に余分な電圧が流れるのを防ぐように設計されている。そ
のため、キャパシタ１８３ａ〜１８３ｆにより、ダイオード１８２ａ〜１８２ｆ
にわたる遷移電圧が最小限になる。
Ｙ字接続された変圧器ニュートラル１７４は、接地１８５に接続され、燃焼炉
の炉床中のカウンタ電極２８にも接続されている。その結果、通常不安定なアー
クまたはアーク消滅の原因となり得るさまざま条件下におけるアーク安定性がさ
らに向上する。例えば、カウンタ電極２８は、独立した２つの電気アークを電極
２７ａおよび２７ｂと共に提供する。（例えば、燃焼炉中で処理される廃棄物に
起因する遷移エネルギーへの要求によって）アークのうち１つが消滅した場合、
もう一方のアークを保持し、消滅したアークを再ファイヤリングする。
インダクタ１８６ａおよび１８６ｂはそれぞれ、アーク電極２７ａおよび２７
ｂならびにダイオード整流器の出力に接続されており、燃焼炉２１が動作してい
る間にアークを安定して維持するためにしばしば必要となるエネルギーおよび必
要な遷移電圧を提供する。
電流変圧器（ＣＴ）１８１ａ〜１８１ｆは標準的なＡＣ電流変圧器であり、電
流変圧器（ＣＴ）１８７ａ〜１８７ｃはＤＣ型の電流変圧器である。
電流変圧器１８１ａ〜１８１ｆは、フィードバック情報を好ましくは自動電流
制御回路に提供して、変動するアーク電圧条件下において、実質的に一定の事前
設定量の電流を維持する。電流変圧器１８７ｃは、（−）アーク電極２７ａと（
＋）アーク電極２７ｂとの間の任意の不等な電流を感知し、修正信号を提供して
、（例えば、サイリスタのファイヤリング角度を調節しかつ／または１つの電極
のアーク長さを調節することにより）任意の望ましくない不均等な電流を修正す
る。
ダイオード整流器１８２の出力にわたって接続されたクランピングダイオード
１８８を用いて、整流器１８２からのＤＣ電力が供給されていない間の短い間隔
の間、インダクタ１８６ａおよび１８６ｂに格納されたエネルギーを送達する電
流経路を提供する。
ここで図７Ａを参照して、アーク電極と共に用いられる回路の別の実施形態が
図示されている。図７Ａに示す回路１９０は、図６に示す回路と同じ目的を達成
するように設計されており、２つの異なる電力整流器回路１９１、１９２を備え
る。
主要整流器回路１９２は、サイリスタ２１０ａ〜２１０ｆを有する主要電力サ
イリスタ整流器２１０を備える。図７Ａに示すように、電流制限リアクタ２１２
ａ〜２１２ｃは、サイリスタ整流器２１０の前にある相１９６ａ〜１９６ｃにそ
れぞれ接続されている。
電流変圧器２１３は、サイリスタ整流器２１０の（＋）出力に接続されている
一方、電流変圧器２１４は、サイリスタ整流器２１０の（−）出力に接続されて
いる。インダクタ２１５ａおよび２１５ｂは、サイリスタ整流器２１０の（−）
出力および（＋）出力にそれぞれ接続されている。インダクタ２１５ａおよび２
１５ｂは、ＤＣインダクタ（例えば、鉄芯空気ギャップインダクタ）であり得る
。
さらに図７Ａに示すように、ダイオード整流器２０５の出力は、サイリスタ整
流器２１０用のクランピングダイオードとして機能する。例えば、図示のように
、ダイオード整流器２０５の（＋）出力２０６を整流器２１０の（＋）出力に接
続し、ダイオード整流器２０５の（−）出力２０７を整流器２１０の（−）出力
に接続する。
回路１９０は、主要電力変圧器１９５を備える。変圧器２０５は、一次巻線１
９３および二次巻線１９４を備える。図７Ａに示すように、二次巻線１９４ａ〜
１９４ｃは、Ｙ字接続されており、ニュートラル返路１９７を備える。ニュート
ラル返路１９７は、図６に関連して説明したニュートラル返路１７４と同様に機
能する。回路ブレーカ１９８ａ〜１９８ｃは、各相１９６ａ〜１９６ｃ用の二次
巻線１９４ａ〜１９４ｃにそれぞれ接続されている。
さらに図７Ａに示すように、主要二次巻線１９４ａ〜１９４ｃからの電力の一
部をスタートアップ回路１９１において用い、一部を主要電力回路１９２におい
て（例えば、主要電力整流器またはサイリスタ整流器２１０において）用いる。
「スタートアップ」整流器回路１９１は、変圧器２０１を備え、この変圧器２
０１は、一次巻線１９９および二次巻線２００を備える。図７Ａに示すように、
二次巻線２００ａ〜２００ｃは、ニュートラル返路２０３（これは、接地１８５
およびカウンタ電極２４に接続されている）と共にＹ字接続されている。加えて
、回路ブレーカ２０２ａ〜２０２ｃは、一次巻線１９９の前の相１９６ａ〜１９
６ｃにそれぞれ接続されている。負荷制限リアクタ（ＬＬＲ）（例えば、空気ギ
ャップ鉄芯リアクタ）２０４ａ〜２０４ｃを、二次巻線２００ａ〜２００ｃと直
列接続する。スタートアップ回路１９１は、三相ダイオード整流器２０５も備え
る。上述したように、ダイオード整流器２０５の出力２０６および２０７を、サ
イリスタ整流器２１０の出力に接続する。ダイオード整流器２０５は、ダイオー
ド２０５ａ〜２０５ｆを備え、安定したアーク（単数または複数）を開始および
維持するのに十分な出力電流を有する。
（−）ＤＣ電極２７ａおよび（＋）ＤＣ電極２７ｂを、導電面（例えば、本明
細書中にて上述した溶解プール）と接触した状態では位置することが可能である
。回路ブレーカ１９８ａ〜１９８ｃおよび２０２ａ〜２０２ｃを、ダイオード整
流器２０５からのＤＣ電流流れによって電極２７ａおよび２７ｂ中のアークを開
始するように、閉鎖する。回路ブレーカ１９８ａ〜１９８ｃおよび２０２ａ〜２
０２ｃは、空気回路ブレーカ（例えば、低電圧用の空気回路ブレーカ）であり得
る。このＤＣ電流の大きさは、ＡＣ電力をダイオード整流器２０５のＡＣ入力に
送達するインダクタ２０４ａ〜２０４ｃによって限定される。
上記のスタートアップ工程の間に各サイリスタ２１０ａ〜２１０ｆにファイヤ
リングパルスが送達されないように、サイリスタ整流器２１０を制御する。すな
わち、スタートアップの間、サイリスタ整流器２１０は、（−）電極および（＋
）電極、２７ａおよび２７ｂそれぞれにいかなるＤＣ電圧または電流も供給しな
い。
サイリスタ整流器２１０中のサイリスタ２１０ａ〜２１０ｆにファイヤリング
パルスが送達されると、この電力整流器の電流は事前設定レベルまで増加し得、
（＋）電極と（−）電極との間の抵抗が比較的広い範囲にわたって変化しても、
この事前設定レベルは一定のままとなる。
間隔の間、これらのサイリスタのいずれも自身の各ゲートパルスによって「オ
ン」または「ファイヤリング」しない場合、始動ダイオード整流器２０５は、低
電流アークを維持し、これにより、安定したＤＣアーク（単数または複数）を生
成および維持する。
大きさの大きな遷移電流が（＋）電極から（−）電極へまたは（＋）電極から
Ｎ（カウンタ電極２８）電極あるいは（−）電極からＮ（カウンタ電極２８）電
極へ到達する事態が、これらの電極間に先行アークまたは他の電流経路が無く、
また制御回路がこの開回路状態を認識しないことによって発生するのを確実にす
るために、ＤＣ電流変圧器２０８、２０９、２１３および２１４はこの状態を感
知し、以下の事象を発生させる。
ＤＣ電流変圧器２０８および２０９が電流予測レベルがＤＣ電極２７ａと（＋
）ＤＣ電極２７ｂとの間を適切に一定の様態で（−）流れていることを感知する
まで、サイリスタのファイヤリングパルスを「オフ」にする。電流変圧器２０８
および２０９が（−）ＤＣ電極２７ａおよび（＋）ＤＣ電極２７ｂ中にＤＣ電流
が流れていることを示すと、整流器２１０上のサイリスタファイヤリングパルス
を「オン」にし、ＤＣ電流をそれぞれの事前設定電流レベルまで自動的に増加さ
せる。
Ｎ（カウンタ電極２８）電極に対する電圧（＋）と、Ｎ（カウンタ電極２８）
電極に対する電圧（−）とが異常に不等であり、かつ、電極からの電流流れが高
電圧を示す場合、電流および電圧がその通常の動作電流範囲に収まるまで、電流
を示していない電極を自動的に低下させることができる。
ＤＣインダクタ２１５ａおよび２１５ｂは、エネルギーを格納し、その格納エ
ネルギーを高速で（すなわち、サイリスタが接続された回路によって行なうこと
が可能な相角度制御よりもずっと高速で）送達することができ、これにより、ア
ーク（単数または複数）が消滅するのを防ぐ。電流変圧器２１１は、変圧器ニュ
ートラル回路内にある。（＋）電極および（−）電極に供給される電流が等しい
場合、電流変圧器２１１の電流はゼロとなる。これらの電流が不等である場合、
電流変圧器２１１は、これらの回路が等しくなるまで電極ギャップを調節する。
図７Ａの別の実施形態において、変圧器２０１を不要とすることができる。こ
の変圧器２０１を不要とする工程は、図７Ｂに示す回路を用いて達成することが
可能である。図７Ｂに示す実施形態を用いて、２つのアーク電極に給電すること
ができる。
この実施形態において、低いＡＣ電圧をダイオード整流器に供給する際に用い
られる変圧器は不要であるか、または、所望されない。その理由は、ダイオード
２０５ａ〜２０５ｆおよびサイリスタ２１０ａ〜２１０ｆにより、ダイオード整
流器からの最大開回路電圧がサイリスタ整流器２１０からの最大開回路電圧を超
えず、また、ダイオード整流器２０５によって供給されるＤＣアーク電圧が、サ
イリスタ整流器２１０によって送達が可能な開回路ＤＣ電圧以下であるためであ
る限り、電流を実質的に絶縁することが可能となるからである。
図７Ｂにおける変圧器１９５は、三角形プライマリ（図示せず）およびニュー
トラル付きＹ形接続セカンダリを有し得る。あるいは、プライマリ巻線はニュー
トラル付きＹ形であり得、かつセカンダリはニュートラル付きＹ形で得る。別の
実施形態において、プライマリはＹ形接続であり得（ニュートラルなし）、かつ
セカンダリはニュートラル付きかつ三角形のＹ形であり得る。
すべての場合に４つのＤＣインダクタ２１７ａ〜２１７ｄを提供する必要はな
いが、そうすることが望ましくあり得る。たとえインダクタがインダクタ２１５
ａ〜２１５ｂとして示されるアーク電極の各々に直接直列に接続される場合でさ
えもそうである（そうでなければ異常に大きいインダクタ２１５ａおよび２１５
ｂが必要となり得るから）。
電流変圧器２１３、２１４、２１８および２１９は、ゼロより大きな任意の電
流量を送電する。ここでＤＣ電流変圧器２０８および／またはＤＣ電流変圧器２
０９中のＤＣ電流がゼロ以上であるかどうかで差異はなく、かつ電流がＤＣ電流
変圧器２０８および／またはＤＣ電流変圧器２０９中をどの方向へ流れるかは問
題とならない。ＤＣ電流変圧器２０８、２０９、２１８および２１９は、サイリ
スタゲート回路がサイリスタ２１０ａ〜２１０ｆの発火角度をゼロよりも大きな
任意の量に増加し得る前に、電流がダイオード整流器２０５からそして正および
負アーク電極２７ａ、２７ｂの両方を通って流れていることを示さなければなら
ない。一旦サイリスタ整流器２１０がＤＣ電流を両方のアーク電極に通すと、こ
のときダイオード整流器の機能は、各サイリスタが発火または「オンとなる」前
に比較的低い大きさのＤＣ電流を提供する。これにより、ずっとより安定なＤＣ
アークが生成される。これは、廃棄物がアークからより大きなエネルギーを急速
に必要とする水分または他の構成要素をより多く含む場合に特に重要である。な
ぜなら、アークエネルギーを急速に必要とするとアークを消滅させ得るからであ
る。ＡＣ電流制限ダイオード整流器がサイリスタ整流器からのＤＣ出力と並列に
接続されなかったならば、このときアーク消滅が生じるおそれはもっと大きい。
アーク消滅が生じる場合、ＤＣアーク電流は直ちにゼロに落ちる。これにより
通常は発火回路をプリセット発火角度から「完全にオン」の１８０°位置に進め
、この位置は、アークが再起した場合に非常に望ましくない大きさの電流を生成
する。例えば、システムの最大負荷ＤＣアーク電流定格が１５００アンペアおよ
びアークが５００アンペアでの動作にプリセットされ、かつアークが突然消滅し
、そして電流がゼロに落ちた場合、このとき２つの作用が直ちに起きる：電極が
自動的に溶融槽へ向かって下へ移動するように方向付けられ、そして発火回路は
通常「完全にオン」の１８０導通角度へ進む。
次に起きることは、アークが再発火し、そしてＤＣサイリスタ電流が前のプリ
セット値の５００アンペアに制限される代わりに直ちに最大短絡回路電流となる
。
サイリスタ発火回路を直ちにその０発火角度に戻し、そして電流制限ダイオー
ド整流器が電極からのＤＣアークを溶融槽へ再生成させるまで０°を保つことに
より、このときおよびこのときに限り発火角度は、前の５００アンペアアーク電
流リミットに到達するまで制御された速度で増加する。これにより、電流の別の
異常な上昇の再発を防止する。
負荷制限リアクトル２０４ａ〜２０４ｃ（鉄芯空隙リアクトル）は、ダイオー
ド整流器ＤＣ電流を低いレベルに制限する。この低いレベルとは、安定なＤＣア
ークを維持すると同時に最後の廃棄物キャニスターが炉に投入された後にも破壊
されなかったいずれの残留廃棄物も溶融するのに必要なアークパワー量を提供し
、さらに同時に、ほとんど連続な廃棄物ストリームによって保護されない炉内張
り壁に当たり得るアークエネルギーを制限するのに十分なレベルである。制限さ
れた量のアークエネルギーは、サイリスタ発火回路をオフにし、かつ整流された
低い電流ダイオードのみを使用し、そして次いでアーク長を調節していずれの残
留廃棄物も破壊し同時に内張り損耗をなくすことによって得られる。
なお、クランピングダイオード２２１は、高い電圧上昇がサイリスタ２１０ａ
〜２１０ｆを損傷するのを防止する。ダイオード２０５ａ〜２０５ｆはそれらに
独自の上昇クランピング作用を提供するので、ダイオード整流器２０５のための
クランピングダイオードを含む必要はない。
電流変圧器２２０は、図７Ｂに含まれるが図７Ａに含まれない。なぜなら、図
７Ａに示す回路は絶縁変圧器２０１を有し、かつ図７Ｂに示す回路はこの変圧器
を含まないからである。電流変圧器２０９および２１１はＤＣ電流変圧器である
。
上記のアーク電極のための回路によって、ジュール加熱ＡＣパワー供給はガラ
スタンク全体にほぼ一定の溶融温度を提供し得る。これにより、アークについて
のサイズ拘束条件、すなわちアークパワー、電極直径などを最小限にする。ＤＣ
アークは、供給速度を上げるために炉−溶融室に主に存在する。これにより、こ
の新しく構成された溶融室技術が他の利用可能なガラス化システムより柔軟性を
有するようになる。アークは投入供給物の未溶融過装入においてエネルギーを供
給し、そして溶融室システムのジュール加熱部は熱いガラスプールを維持してガ
ラス混合物の完全な溶解および混合ならびに廃棄物分解のためのより長い滞留時
間を確保する。
図８〜１１に示す回路は、本発明にしたがってアークパワーおよびジュール加
熱パワーをアークプラズマ−ジュール溶融室へ供給するための別の実施形態を例
示する。
本明細書中で使用されるようなシリコン制御整流器（ＳＣＲ）またはサイリス
タは、短い持続時間の非常に低いエネルギーゲートパルスを用いて「オン」にさ
れ得る固体デバイスである。一旦ＳＣＲが発火または「オン」にされると、ゲー
ト発火パルスがオフにされた後でもＳＣＲは通電し続ける。この通電は、１００
マイクロ秒以上のオーダーのパワー回路の中断または電流ゼロとなるまで続く。
サイリスタは、発火パルスが再印加されるまで開または「オフ」位置のままであ
る。ＳＣＲまたはサイリスタは、たとえ発火パルスが印加されても電流フローの
向きが逆転されると通電しない。
また本明細書中で使用されるように、「ＳＣＲスイッチ」は複数（例えば、２
）のアンチパラレルに接続されたサイリスタを含む。直列に接続された抵抗器お
よびキャパシタを含むスナバ回路はまた、本発明のＳＣＲスイッチまたは静的ス
イッチに並列に接続され得る。スナバ回路は、固体デバイス（例えば、ＳＣＲ）
にかかる過渡システム電圧を制御する。別の実施形態において、いずれの回路上
のＳＣＲも可飽和リアクトルと置き換えられ得る。可飽和リアクトルが使用され
る場合、負荷制限リアクトルは可飽和リアクトルに並列に使用され得る。
本明細書中で使用されるような負荷制限リアクトル（ＬＬＲ）は、一定の誘導
性リアクタンスを提供して、特定のシステムにおける利用可能な短絡電流量にか
かわらずにその結果のインダクタンスが、回路がさらなるインピーダンスなしに
直列に完成される場合に所定の比較的低い電流がインダクタンスおよび回路を流
れるようなものとなるようにする。ここで流れるＡＣ電流の大きさはインダクタ
の連続な電流定格に等しい。アーク回路において、静的またはＳＣＲスイッチ（
または、サイリスタスイッチ）に並列に接続されたＬＬＲは、十分な電流量を提
供してどのサイリスタも発火していない場合にもアークが存在するようにする。
これは、発火角度が遅れるか、またはその位相が逆戻りされた場合に１／２サイ
クルごとに生じる。これにより、アーク安定性が向上する。
本明細書中で使用されるような電流制限リアクトル（ＣＬＲ）は、負荷制限リ
アクトルと設計が同様である。しかし、電流制限リアクトルのインピーダンスは
、負荷制限リアクトルのインピーダンスよりも著しく低い。電流制限リアクトル
はまた、負荷制限リアクトルよりも著しく大きな電流送電容量または定格を有す
る。これにより、電流制限リアクトルは、サイリスタが「完全にオン」の位置に
ある場合にすべての電流を送電する。その結果、静的スイッチおよび整流器（こ
こで使用されるもの）の固体デバイスは最も過酷な動作条件にもかかわらず保護
される。このように、ＣＬＲは、電流を適切なレベル（すなわち、ＳＣＲスイッ
チまたは整流器の定格）に維持することによって固体構成要素（例えば、ＳＣＲ
スイッチおよびダイオード）への損傷を防止する。ＣＬＲがなければ、システム
は、定格変圧器電流の２０倍のオーダーを被り得る。例えば（制限を意図しない
）、アーク電極を短絡してアーク電極とアーク電極またはアーク電極と対向電極
との間のインピーダンスが実質的にゼロとなる場合、このとき静的スイッチなど
の固体デバイスは過負荷されないし、損傷も受けない。
さらに本明細書中で使用されるように、ＤＣインダクタを使用して頻繁に必要
となる過渡電圧を供給し、炉の動作中に安定なアークを維持する。空隙鉄芯ＤＣ
インダクタの構築および設計は、サイズ拘束条件を除いてＡＣインダクタと同様
である。
ここで図８Ａ〜８Ｅを参照して、別のＤＣアーク回路構成を例示する。図８Ａ
〜８Ｅに示すＤＣアーク回路は、独立したアーク電圧および電流制御を考慮する
。なぜなら、アーク電圧はアーク長によって大きく制御され、かつアーク電流が
独立してＳＣＲ位相角発火によって制御されるからである。
図８Ａは、ＤＣ単一アーク電極システム２３０を記載する。ＤＣ単一アーク電
極システム２３０は、３つの単一位相変圧器または１つの三位相変圧器のいずれ
かを使用するＡＣパワー回路によってパワー供給される。変圧器２３５のプライ
マリ巻線２３１は、４つの配線入力パワー回路（３つの位相および１つのニュー
トラル配線）と三角形（図８Ａに示すような）またはＹ形に接続される。
ユーティリティ源（図示せず）からのパワーは、プライマリ巻線２３１ａ、２
３１ｂおよび２３１ｃにそれぞれ接続された３つの位相２３３ａ、２３３ｂおよ
び２３３ｃに供給される。位相２３３ａ、２３３ｂおよび２３３ｃの各々に対す
る回路遮断器２３２ａ、２３２ｂおよび２３２ｃがまた含まれ得る。回路遮断器
は、空気回路遮断器であり得る。
変圧器２３５のセカンダリ巻線２３４ａ、２３４ｂおよび２３４ｃは、図示さ
れるように「Ｕ」接続となるよう構成される。図８Ａに示す回路は、パワーを単
一位相負荷に供給し、同時にプライマリ２３１およびセカンダリ２３４変圧器巻
線両方の位相の各々において等しい電流量を流す。変圧器の３つすべてのプライ
マリ巻線上の負荷電流のバランスをとることが望ましい。例えば、ユーティリテ
ィ会社は、負荷電流が３つすべてのプライマリ巻線上で実質的にバランスがとら
れていない場合、または単一位相負荷が非常に小さい容量なのでバランスをとら
れていない位相電流のユーティリティパワーシステムに対する影響が小さい場合
、パワーの提供を断り得る。「Ｕ」変圧器が使用される場合は常に、三角形プラ
イマリを使用して３つすべての位相上の負荷のバランスをとり、バランスのとれ
た負荷電流を提供する。これにより、同じ電流がプライマリ巻線上の３つの位相
の各々上で流れるようになる。なぜなら、同じ相対電流が変圧器の各セカンダリ
巻線中を流れるからである。
また図８Ａに示すように、シリコン制御整流器（ＳＣＲ）スイッチ２３７は、
セカンダリ巻線のうちの１つに接続される。スイッチ２３７は、サイリスタ２３
９ａおよび２３９ｂを含む。ＳＣＲデバイスを使用していずれの方向のＡＣまた
はＤＣ電流のフローも防止する。短い持続時間、単一方向性パルスがゲートとカ
ソードとの間に印加されるまでおよびまたアノードがパワー源の正端子に接続さ
れ、かつカソードがパワーの負源に接続され、これらの接続は電流フローがＳＣ
Ｒデバイスの電流定格を超えないようなインピーダンスの介在負荷によってなさ
れる。
ＳＣＲまたはサイリスタの別の特徴は、一旦電流がアノードからカソードへＳ
ＣＲを通って流れ始めると、この電流は、ゲートパルス電流が停止し、かつ電圧
がゲートに全く印加されなくなった後も流れ続ける。
ＳＣＲを通る電流のフローは、ＳＣＲの外部の手段によって電流のフローを中
断することによって停止され得る。ＡＣ電流がＳＣＲを通って流れる場合、１サ
イクルあたり２度生じる自然の電流ゼロを待つか、または何か他の手段を使用し
て約０．００００５０秒の間この電流フローを停止することが必要なだけである
。
負荷制限リアクトル（ＬＬＲ）２３８（図８Ａにおいてサイリスタ２３９ａお
よび２３９ｂと並列に接続される）は、 ＳＣＲがオンにされるか、または「発
火」される前の各半サイクルにおいてＳＣＲスイッチが不活性化されるか、また
は「デッドインターバル」中にある場合に、低い電流を提供するように設計され
る。デッドインターバルの間アークを存在するように維持することによって、ア
ーク安定性、およびＳＣＲが「オン」されない場合に廃棄物破壊動作の最後で溶
融物の表面に残り得るいずれの残留廃棄物微粒子も溶融させることを大きく向上
させる。
上記のように、直列に接続された抵抗器２４６およびキャパシタ２４５を含む
スナバ回路はまた、ＳＣＲスイッチ２３７と並列に接続され得る。
電流制限リアクトル２３６は、図８Ａに示されるように別のセカンダリ巻線端
子に接続される（例えば、端子Ｃ２）。電流制限リアクトル（ＣＬＲ）２３６は
、ＤＣ短絡電流がシリコン制御整流器（ＳＣＲ）スイッチ２３７またはダイオー
ドブリッジ整流器２４０の定格最大負荷電流以下に制限されるように設計される
。これにより、これらのデバイスの寿命を増加させる。
ＳＣＲスイッチ２３７からの入力２４１ａおよびＣＬＲ２３６からの入力２４
１ｂは、交流を直流に整流するダイオード整流器２４０に導入される。整流器ブ
リッジ２４０からの出力２４２ａは、直流をアーク６６のためのアーク電極２７
に提供し、他方ダイオード整流器２４０からの出力２４２ｂは、炉２１中の対向
電極２８（接地２４４に接続される）。ＤＣインダクタ２４３は、ダイオードブ
リッジ整流器２４０の出力２４２ａとＤＣアーク電極２７との間に接続される。
上記のように、可飽和リアクトルは、本発明において実際的にすべてのＤＣま
たはＡＣアーク用途でＬＬＲリアクトルおよびＳＣＲスイッチの代わりに用いら
れ得る。なお、また、ＤＣアークまたはＡＣアーク電極の数が大きくなるほど、
およびＡＣジュール加熱電極の数が大きくなるほど、物理的な炉のサイズが大き
くなり、かつ１時間当たりに破壊される廃棄物の量が大きくなる。
図８Ｂは、独立したアーク電圧および電流制御を提供する別のＤＣアーク回路
を示す。図８Ｂに示す回路２４７は２つのアーク電極を用いて動作する。回路２
４７は、三位相パワーを二位相パワーに変換するスコット−Ｔ変圧器回路２５０
を使用する。
変圧器２５０は、位相２３３ａ、２３３ｂおよび２３３ｃにそれぞれ接続され
たプライマリ巻線２４８ａ、２４８ｂおよび２４８ｃを含む。空気回路遮断器な
どの回路遮断器２３２ａ、２３２ｂおよび２３２ｃがまた、図８Ｂに示すように
含まれる。
セカンダリ巻線２４９ａおよびセカンダリ巻線２４９ｂは、図８Ａおいて上記
された単一位相回路と同様に構成された２つの回路にパワーを供給する。１つよ
り多くアーク電極があり、かつ図８Ｂ〜１０Ｆに示す回路が使用される場合、好
ましくはアーク電極の極性を同じ（例えば、負）にされ得る。多相ＡＣパワーお
よびＡＣアーク電極が使用される場合（例えば、図９Ａ〜９Ｅ参照）、このとき
電極は反対極性を有し得る。ＤＣパワーが使用される場合、電極はすべてが（＋
）または（−）である。あるいは、ＤＣ電極のいくつかが（＋）であり、いくつ
かが（−）である。
例えば図８Ｂに示すように、電極２７ａおよび２７ｂの極性は、好ましくは両
方とも（−）極性である。これにより、両方のアークを炉の内張りの寿命が増加
するように互いに向かって引き合うようにできる。
好ましくは、アーク電極は（−）であり、かつ対向電極は（＋）である。対向
電極が（−）であり、かつアーク電極が（＋）である場合、より多くの電極が消
耗消費される可能性がある。しかし、いずれの場合も、ＤＣアークはなおも互い
に向かって引き合う。
また好適には、電極を炉において等距離に配置する。例えば、図８Ｃにおいて
３つのアーク電極が利用され、ここで電極は、好ましくは正三角形を形成しすべ
てのアークは中心へ引かれる。これにより、炉の内張りの侵食が最小限にされ、
電極の消耗が低減され、かつ炉壁への放射の制御が容易になる。
図８Ｂに示すように、シリコン制御整流器（ＳＣＲ）スイッチ２３７ａおよび
２３７ｂは、セカンダリ巻線２４９ａおよび２４９ｂのそれぞれの一端に接続さ
れる。スイッチ２３７ａおよび２３７ｂは、それぞれサイリスタ２３９ａ、２３
９ｂ、２３９ｃおよび２３９ｄを含む。
負荷制限リアクトル（ＬＬＲ）２３８ａおよび２３８ｂ（図８Ｂにおいて、そ
れぞれスイッチ２３７ａのサイリスタ２３９ａおよび２３９ｂならびにスイッチ
２３７ｂのサイリスタ２３９ｃおよび２３９ｄと並列に接続される）は、ＳＣＲ
がオンにされるか、または「発火」される前の各半サイクルにおいてＳＣＲスイ
ッチが不活性されるか、または「デッドインターバル」中である場合に低い電流
を提供するように設計される。上記のように、デッドインターバルの間アークを
存在するように維持することによって、アーク安定性、およびＳＣＲが「オン」
されない場合に廃棄物破壊動作の最後で溶融物の表面に残り得るいずれの残留廃
棄物微粒子も溶融させることを大きく向上させる。
上記のように、直列に接続された抵抗器２４６ａおよび２４６ｂならびにおよ
びキャパシタ２４５ａおよび２４５ｂを含むスナバ回路はまた、ＳＣＲスイッチ
２３７ａおよび２３７ｂと並列に接続され得る。図８Ｂに示されるように、電流
制限リアクトル２３６ａおよび２３６ｂは、それぞれセカンダリ巻線２４９ａお
よび２４９ｂの他端に接続される。
電流制限リアクトル（ＣＬＲ）２３６ａおよび２３６ｂは、それぞれシリコン
制御整流器（ＳＣＲ）スイッチ２３７ａ、２３７ｂまたはダイオードブリッジ整
流器２４０ａ、２４０ｂのＤＣ短絡電流が定格最大負荷電流以下に制限されるよ
うに設計される、これによりこれらのデバイスの寿命が増加する。
ＳＣＲスイッチ２３７ａからの入力２４１ａおよびＣＬＲ２３６ａからの入力
２４１ｂは、交流を直流へ整流するダイオード整流器２４０ａへ導入される。同
様に、ＳＣＲスイッチ２３７ｂからの入力２４１ｃおよびＣＬＲ２３６ｂからの
入力２４１ｄは、交流を直流へ整流するダイオード整流器２４０ｂに導入される
。整流器ブリッジ２４０ａからの出力２４２ａは、直流をアーク６６ａのための
アーク電極２７ａに提供し、他方ダイオード整流器２４０ａからの出力２４２ｂ
は炉２１中の対向電極２８（接地２４４に接続される）に接続される。
ＤＣインダクタ２４３ａは、ダイオードブリッジ整流器２４０ａの出力２４２
ａとＤＣアーク電極２７ａとの間に接続される。
整流器ブリッジ２４０ｂからの出力２４２ｃは、直流をアーク６６ｂのための
アーク電極２７ｂへ提供し、他方ダイオード整流器２４０ｂからの出力２４２ｄ
は、炉２１中の対向電極２８（接地２４４）に接続される。ＤＣインダクタ２４
３ｂは、ダイオードブリッジ整流器２４０ｂの出力２４２ｃとＤＣアーク電極２
７ｂとの間に接続される。
図８Ｃ〜８Ｅはそれぞれ、ＤＣアーク回路にパワー供給するための異なるタイ
プのセカンダリ変圧器接続を示す。図８Ｃ〜８Ｅはそれぞれ、３つのアーク電極
に独立したアーク電圧および電流制御を提供するＤＣアーク回路を示す。
図８Ｃに示す回路２５１は、一次配線がデルタ状に接続されている、３つの単
相変圧器を含む。一次配線２５２ａ、２５２ｂおよび２５２ｃは、それぞれ、相
２３３ａ、２３３ｂおよび２３３ｃに対して設けられている。各単相変圧器は、
単一の二次配線２５３ａ、２５３ｂおよび２５３ｃを有し、これらは、図８Ａお
よび図８Ｂに関連して上述したように電気回路に接続されている。
図８Ｃに示すように、シリコン制御整流器（ＳＣＲ）スイッチ２３７ａ、２３
７ｂ、および２３７ｃは、それぞれ、二次配線２５３ａ、２５３ｂおよび２５３
ｃの一端に接続される。スイッチ２３７ａ、２３７ｂおよび２３７ｃは、それぞ
れ、サイリスタ２３９ａ〜２３９ｆを含む。
負荷限定リアクタ（ＬＬＲ）２３８ａ、２３８ｂおよび２３８ｃ（それぞれ、
図８Ｃに示す、スイッチ２３７ａのサイリスタ２３９ａおよび２３９ｂ、スイッ
チ２３７ｂのサイリスタ２３９ｃおよび２３９ｄ、ならびにスイッチ２３９ｃの
サイリスタ２３９ｅおよび２３９ｆに並列に接続されている）は、ＳＣＲスイッ
チが非活性化されたとき、またはＳＣＲがオンされるか「活性化」される前の各
半サイクル中の「デッドインターバル」状態にあるときに、低電流を供給するよ
うに設計されている。上述したように、「デッドインターバル」中にアークを活
性状態に維持することは、アークの安定性を大幅に向上させると共に、廃物破壊
キャンペーンの終了時に溶融物の表面に残存し得る廃物微粒子を溶融する。
電流限定リアクタ２３６ａ、２３６ｂおよび２３６ｃはそれぞれ、図８Ｃに示
すように、二次配線２５３ａ、２５３ｂおよび２５３ｃの他端に接続されている
。電流限定リアクタ（ＣＬＲ）２３６ａ、２３６ｂおよび２３６ｃは、ＤＣ短絡
電流が、シリコン制御整流器（ＳＣＲ）スイッチ２３７ａ、２３７ｂおよび２３
７ｃ、またはダイオードブリッジ整流器２４０ａ、２４０ｂおよび２４０ｃの定
格最大負荷電流以下に限定され、それによってこれらのデバイスの寿命が延びる
ように設計されている。
ＳＣＲスイッチ２３７ａからの入力２４１ａおよびＣＬＲ２３６ａからの入力
２４１ｂは、ダイオード整流器２４０ａに導入される。ダイオード整流器２４０
ａは、交流電流を整流して直流電流にする。同様に、ＳＣＲスイッチ２３７ｂか
らの入力２４１ｃおよびＣＬＲ２３６ｂからの入力２４１ｄは、ダイオード整流
器２４０ｂに導入される。ダイオード整流器２４０ｂは、交流電流を整流して直
流電流にする。ＳＣＲスイッチ２３７ｃからの入力２４１ｅおよびＣＬＲ２３６
ｃからの入力２４１ｆは、ダイオード整流器２４０ｃに導入される。ダイオード
整流器２４０ｃは、交流電流を整流して直流電流にする。
整流器ブリッジ２４０ａからの出力２４２ａは、アーク６６ａ用のアーク電極
２７ａに直流電流を供給する。他方、ダイオード整流器２４２ａからの出力２４
２ｂは、炉２１内の対向電極２８（アース２４４に接続されている）に接続され
ている。ＤＣインダクタ２４３ａは、ダイオードブリッジ整流器２４０ａの出力
２４２ａとＤＣアーク電極２７ａとの間に接続されている。
整流器ブリッジ２４０ｂからの出力２４２ｃは、アーク６６ｂ用のアーク電極
２７ｂに直流電流を供給する。他方、ダイオード整流器２４０ｂからの出力２４
２ｄは、炉２１内の対向電極２８（アース２４４に接続されている）に接続され
ている。ＤＣインダクタ２４３ｂは、ダイオードブリッジ整流器２４０ｂの出力
２４２ｃとＤＣアーク電極２７ｂとの間に接続されている。同様に、整流器ブリ
ッジ２４０ｃからの出力２４２ｅは、アーク６６ｃ用のアーク電極２７ｃに直流
電流を供給する。他方、ダイオード整流器２４０ｃからの出力２４２ｆは、炉２
１内の対向電極２８（アース２４４に接続されている）に接続されている。ＤＣ
インダクタ２４３ｃは、ダイオードブリッジ整流器２４０ｃの出力２４２ｅとＤ
Ｃアーク電極２７ｃとの間に接続されている。図８Ｃに示すように、出力２４２
ｂ、２４２ｄおよび２４２ｆは共に、バス２４２に接続され得、バス２４２は対
向電極２８に接続されている。
図８Ｃに示す回路は、各ＤＣアークの完全に独立した制御を有することが望ま
しいときに用いられ得る。しかし、これらの単相変圧器は典型的には、より高価
な、上記に匹敵する定格を有する単一の３相変圧器である。
図８Ｄを参照すると、回路２５４は、一次配線２５５ａ、２５５ｂおよび２５
５ｃを有する１つの３相変圧器を用いている。一次配線２５５ａ、２５５ｂおよ
び２５５ｃはデルタ状に接続され、それにより、それぞれ相２３３ａ、２３３ｂ
および２３３ｃに接続されている。図８Ｄに示すように、空気回路ブレーカなど
の回路ブレーカ２３２ａ、２３２ｂおよび２３２ｃがさらに設けられ得る。
二次配線２５７ａ、２５７ｂおよび２５７ｃは、ニュートラル２５８と共にＹ
字状に接続されている。ニュートラル２５８は外に延び、サージキャパシタ２５
９および抵抗器２６０を介してアース２４４に接続されている。サージキャパシ
タ２５９は、電気的ノイズの散乱を最小限に抑えるか減少させるため、および入
力される高圧システムからの電気サージの大きさによって固体ＳＣＲスイッチお
よび／またはダイオード整流器がダメージを受けることを抑えるために設けられ
ている。
負荷限定リアクタ（ＬＬＲ）２３８ａ、２３８ｂおよび２３８ｃ（それぞれ、
図８Ｄに示すスイッチ２３７ａのサイリスタ２３９ａおよび２３９ｂ、スイッチ
２３７ｂのサイリスタ２３９ｃおよび２３９ｄ、ならびにスイッチ２３７ｃのサ
イリスタ２３９ｅおよび２３９ｆに並列に接続されている）は、ＳＣＲスイッチ
が非活性化されたとき、またはＳＣＲがオンされるか「活性化」される前の各半
サイクル中の「デッドインターバル」状態にあるときに、低電流を供給するよう
に設計されている。上述したように、「デッドインターバル」中にアークを活性
状態に維持することは、アークの安定性を大幅に向上させると共に、ＳＣＲが「
オフ」になる廃物破壊キャンペーンの終了時に溶融物の表面に残存し得る廃物微
粒子を溶融する。
電流限定リアクタ２３６ａ、２３６ｂおよび２３６ｃはそれぞれ、図８Ｄに示
すように、二次配線２５７ａ、２５７ｂおよび２５７ｃの一端に接続されている
。さらに図８Ｄに示すように、電流限定リアクタ２３６ａ、２３６ｂおよび２３
６ｃは、それぞれ、ＳＣＲスイッチ２３７ａ、２３７ｂおよび２３７ｃに直列に
接続されている。（電流限定リアクタは、ＡＣ回路の一部と直列に接続され、負
荷限定リアクタはＳＣＲスイッチと並列に接続されている。）
電流限定リアクタ（ＣＬＲ）２３６ａ、２３６ｂおよび２３６ｃは、ＤＣ短絡
電流が、シリコン制御整流器（ＳＣＲ）スイッチ２３７ａ、２３７ｂおよび２３
７ｃ、またはダイオードブリッジ整流器２４０ａ、２４０ｂおよび２４０ｃの定
格最大負荷電流以下に限定され、それによってこれらのデバイスの寿命が延びる
ように設計されている。
ＳＣＲスイッチ２３７ａからの入力２６１ａは、ダイオード整流器２４０ａに
導入される。ダイオード整流器２４０ａは、交流電流を整流して直流電流にする
。同様に、ＳＣＲスイッチ２３７ｂからの入力２６１ｂは、ダイオード整流器２
４０ｂに導入される。ＳＣＲスイッチ２３７ｃからの入力２６１ｃは、ダイオー
ド整流器２４０ｃに導入される。
整流器ブリッジ２４０ａからの出力２４２ａは、アーク６６ａ用のアーク電極
２７ａに直流電流を供給する。他方、ダイオード整流器２４０ａからの出力２４
２ｂは、炉２１内の対向電極２８（アース２４４に接続されている）に接続され
ている。ＤＣインダクタ２４３ａは、ダイオードブリッジ整流器２４０ａの出力
２４２ａとＤＣアーク電極２７ａとの間に接続されている。整流器ブリッジ２４
０ｂからの出力２４２ｃは、アーク６６ｂ用のアーク電極２７ｂに直流電流を供
給する。他方、ダイオード整流器２４０ｂからの出力２４２ｄは、炉２１内の対
向電極２８（アース２４４に接続されている）に接続されている。ＤＣインダク
タ２４３ｂは、ダイオードブリッジ整流器２４０ｂの出力２４２ｃとＤＣアーク
電極２７ｂとの間に接続されている。整流器ブリッジ２４０ｃからの出力２４２
ｅは、アーク６６ｃ用のアーク電極２７ｃに直流電流を供給する。他方、ダイオ
ード整流器２４０ｃからの出力２４２ｆは、炉２１内の対向電極２８（アース２
４４に接続されている）に接続されている。ＤＣインダクタ２４３ｃは、ダイオ
ードブリッジ整流器２４０ｃの出力２４２ｅとＤＣアーク電極２７ｃとの間に接
続されている。図８Ｄに示すように、出力２４２ｂ、２４２ｄおよび２４２ｆは
共に、バス２４２に接続され得、バス２４２は対向電極２８に接続されている。
図８Ｄに示す、ＳＣＲスイッチの負荷側の回路は、電極２７ａと２８との間、
２７ｂと２８との間、および２７ｃと２８との間よりも約７３％大きいＤＣ電圧
開回路電圧を、アーク電極２７ａと２７ｂとの間、２７ｂと２７ｃとの間、およ
び２７ｃと２７ａとの間に供給し得る。このことは、図８Ａおよび図８Ｂよりも
安定性を向上させ得る。
図８Ｅに示す回路２６２は、図８Ｄに示す回路２５４と同様である。しかし、
図８Ｅに示す回路２６２は、Ｙ字状ではなくデルタ状に接続された、変圧器２５
６の二次配線２５７ａ、２５７ｂおよび２５７ｃを含む。さらに、図８Ｅに示す
ように、３つのサージキャパシタ２５９ａ、２５９ｂおよび２５９ｃがＹ字状に
接続されており、これにより、静的スイッチおよび／またはダイオード用に、上
記に匹敵するサージ保護を提供している。図８Ｄと同様に、電気的ノイズを抑制
するために抵抗器２６０がさらに設けられている。
３つの電極が処理できるよりも大きい炉が必要である場合は、図８Ｂの回路が
必要に応じて組み合わされ、それにより、複数のアーク電極、たとえば４つのア
ーク電極用のＤＣアーク電力を供給する。場合によっては、６つのアーク電極を
利用する、より大きい炉を設計することが望まれ得る。６つの電極用の電力は、
図８Ｃのシステムに示すような２つのシステムを組み合わせること、図８Ｄに示
すような２つのシステムを組み合わせること、または場合によっては、図８Ｃに
示すようなシステムと図８Ｄに示すようなシステムとを１つずつ組み合わせるこ
とにより供給され得る。
４つまたは６つの電極が用いられる状態では、２つの別々のシステムからの電
極の間に、独立したアーク電流制御が点在するように設けられ得る。それでも各
ユーティリティ相に対してバランスのとれた負荷が供給され、それによって、１
つのシステムの電力が関連システムに対して減少することが可能になる。電極が
点在するような構成は、概して、炉内のすべての電極からの熱をより均一な様式
で分散させる。
図９Ａ〜図９Ｅは、本発明による、アーク電極にＡＣ電力を供給する別の実施
形態を示す。図９Ａ〜図９Ｅに示す実施形態は、上述したような直流電流（ＤＣ
）ではなく、交流電流（ＡＣ）を利用する。ＡＣ電力は、アーク電極およびジュ
ール加熱電極の両方に利用され得、互いに有害な相互作用を引き起こすことはな
い。なぜなら、アーク電極およびジュール加熱電極は、効率的にその相互依存を
減少し得、いずれの変圧器にもダメージを与えないからである。
図９Ａは、独立したアーク電圧およびアーク電流制御を提供するＡＣアーク回
路２６３を示す。回路２６３は、アーク６６用の１つのアーク電極２７を含む。
ＡＣアーク用の電力源は、図８ＡのＤＣアーク回路に関して上述したように、
変圧器２３５の「Ｕ字状」二次配線２３４ａ、２３４ｂおよび２３４ｃからの電
力を用いる。変圧器２３５の一次配線２３１ａ、２３１ｂおよび２３１ｃは、そ
れぞれ、相２３３ａ、２３３ｂおよび２３３ｃに対して設けられている。空気回
路ブレーカなどの回路ブレーカ２３２ａ、２３２ｂおよび２３２ｃがさらに設け
られ得る。
ＳＣＲスイッチ２３７は、二次配線のうちの１つに接続され、サイリスタ２３
９ａおよび２３９ｂを含む。負荷限定リアクタ（ＬＬＲ）２３８は、スイッチ２
３７のサイリスタ２３９ａおよび２３９ｂに並列に接続されている。図示し、上
述したように、スナッバー回路がさらに設けられ得る。電極２７はスイッチ２３
７に接続され、スイッチ２３７からの電力出力２６４は電極２７に交流電流を供
給する。
電流限定リアクタ（ＣＬＲ）２３６は二次配線の別の端子（たとえば、図９Ａ
のＣ２）に直列に接続されており、それにより、電流限定リアクタ２３６、およ
びＣＬＲ２３６からの電流２６５が、炉２１内の対向電極２８（アース２４４に
接続されている）に接続されている。スイッチ２３７、リアクタ２３８およびリ
アクタ２３６は、図８Ａに示すものと同様に設計されているが、スイッチ２３７
、リアクタ２３８およびリアクタ２３６の定格は異なり得る。図９Ａに示す実施
形態は、ダイオード整流器も直流電流インダクタ（ＤＣＩ）も利用しない。なぜ
なら、アークが交流電流によって電力供給されているからである。ＣＬＲ２３６
が端子Ｂ１とＳＣＲスイッチ２３７との間に接続されている場合、この回路は同
一の様式で作用する。この場合、端子Ｃ２は、対向電極およびアースに接続され
る。
図９Ｂは、独立したアーク電圧およびアーク電流制御を提供するＡＣアーク回
路２６６を示す。回路２６６は、２つのアーク電極２７ａおよび２７ｂを含む。
ＡＣアーク用の電力源は、変圧器２３５の「Ｕ字状」二次配線２３４ａ、２３
４ｂおよび２３４ｃからの電力を用いる。変圧器２３５の一次配線２３１ａ、２
３１ｂおよび２３１ｃは、それぞれ、相２３３ａ、２３３ｂおよび２３３ｃに対
して、設けられている。空気回路ブレーカなどの回路ブレーカ２３２ａ、２３２
ｂおおび２３２ｃがさらに設けられ得る。
図９Ｂに示すように、二次配線２３４ａは、ニュートラル２６８が対向電極２
８に接続されるように、センタータップされている。このことは、両方のアーク
内のＡＣ安定性を向上し得、同時に、各アークの独立した電流制御を可能にし得
る。
電流限定リアクタ（ＣＬＲ）２３６ａおよび２３６ｂは、図示するように二次
配線のうちの２つに接続されている。ＳＣＲスイッチ２３７ａおよび２３７ｂは
、それぞれ、電流限定リアクタ２３６ａおよび２３６ｂ、ならびに電極２７ａお
よび２７ｂに直列に接続されている。スイッチ２３７ａおよび２３７ｂはそれぞ
れ、サイリスタ２３９ａおよび２３９ｂ、ならびにサイリスタ２３９ｃおよび２
３９ｄを含む。上述したように、スナッバー回路がさらに含まれ得る。負荷限定
リアクタ（ＬＬＲ）２３８ａおよび２３８ｂはそれぞれ、スイッチ２３７ａのサ
イリスタ２３９ａおよび２３９ｂに並列に接続され、スイッチ２３７ｂのサイリ
スタ２３９ｃおよび２３９ｄに並列に接続されている。電極２７ａおよび２７ｂ
は、それぞれ、スイッチ２３７ａおよび２３７ｂに直列に接続されている。スイ
ッチ２３７ａからの電力出力２６７ａは、アーク６６ａ用の電極２７ａに交流電
流を供給し、スイッチ２３７ｂからの電力出力２６７ｂは、アーク６６ｂ用の電
極２７ｂに交流電流を供給する。
スイッチ２３７ａおよび２３７ｂ、リアクタ２３８ａおよび２３８ｂ、ならび
にリアクタ２３６ａおよび２３６ｂは、図８Ａに示すものと同様に設計されてい
るが、各々の定格は異なり得る。図９Ｂに示す実施形態は、ダイオード整流器も
直流電流インダクタ（ＤＣＩ）も利用しない。なぜなら、電極が交流電流（ＡＣ
）によって電力供給されているからである。
２つのアーク電極内の電流が同一である場合、対向電極２８およびライン２６
８には電流が流れない。対向電極２８およびライン２６８は、２つの電極間の電
流差のみを伝導する。このことは、独立した電流制御を可能にする。なぜなら、
サイリスタ２３９ａおよび２３９ｂは、電極２７ａにＡＣ電力を供給するのみで
あり、電極２７ｂには電流は流れないからである。この場合、電極２７ａからの
全電流は、対向電極を通過しなければならない。電極２７ａおよび２７ｂを流れ
る電流が同等であれば、電流は電極２７ａと２７ｂとの間のバスを流れ、対向電
極２８には流れない。
図９Ｃに示す回路もまた、２つのアーク電極にＡＣアーク電力を供給するよう
に設計されている。回路２６９は、独立したアーク電圧制御およびアーク電流制
御を可能にする。この場合、電力源は、スコット−Ｔ変圧器２５０（図８Ｂに示
す変圧器に類似）から得られる。変圧器２５０は、それぞれ相２３３ａ、２３３
ｂおよび２３３ｃに接続された一次配線２４８ａ、２４８ｂおよび２４８ｃを含
む。空気回路ブレーカなどの回路ブレーカ２３２ａ、２３２ｂおよび２３２ｃが
さらに設けられ得る。変圧器２５０はさらに、二次配線２４９ａおよび２４９ｂ
を含む。
図示するように、ＳＣＲスイッチ２３７ａは、二次配線２４９ａの一端に接続
され、電流限定リアクタ２３６ａは、二次配線２４９ａの他端に接続されている
。ＳＣＲスイッチ２３７ｂは、二次配線２４９ｂに接続され、電流限定リアクタ
２３６ｂは、二次配線２４９ｂの他端に接続されている。ＳＣＲスイッチ２３７
ａは、サイリスタ２３９ａおよび２３９ｂを含む。負荷限定リアクタ２３８ａは
、サイリスタ２３９ａおよび２３９ｂに並列に接続されている。同様に、ＳＣＲ
スイッチ２３７ｂは、サイリスタ２３９ｃおよび２３９ｄを含む。負荷限定リア
クタ２３８ｂは、サイリスタ２３９ｃおよび２３９ｄに並列に接続されている。
ＳＣＲスイッチ２３７ａはさらに、アーク電極２７ａに接続され、それにより、
ＡＣ電力２７４ａがアーク電極２７ａに供給される。ＳＣＲスイッチ２３７ｂは
、アーク電極２７ｂに接続され、それにより、ＡＣ電力２７４ｂがアーク電極２
７ｂに供給される。図示し、上述したように、スナッバー回路がさらに含まれ得
る。
図９Ｃにさらに示すように、炉対向電極Ｎ２８への共通接続は、２つの電流限
定リアクタ（ＣＬＲ）２３６ａおよび２３６ｂが接続される点２７０から始まる
。共通接続は、スイッチ２７１が閉状態になりＳＣＲスイッチ−ニュートラル２
７２が活性状態であるとき、炉２１内の対向電極Ｎ２８（アース２４４に接続さ
れている）にのみ接続され得る。ＳＣＲスイッチ−ニュートラル２７２は、サイ
リスタ２７３ａおよび２７３ｂを含む。抵抗器２４６ｃおよびキャパシタ２４５
ｃを含むスナッバー回路がさらに含まれ得る。
スイッチ２７１が正常に閉状態である間、破壊されつつある廃物流が比較的少
量のＡＣアーク不安定性または遷移摂動を提供した場合にスイッチ２７１を開状
態にすることが望ましい。スイッチ２７１が閉状態である状態で炉２１が動作す
ると、各アーク電極２７ａおよび２７ｂから対向電極Ｎ２８に流れる電流の量を
制御するために、ＳＣＲスイッチ−ニュートラル２７２が用いられ得る。このこ
とは、炉をタッピングする際に特に重要である。スイッチシステム２７２がなく
、スイッチ２７１が閉状態であると、電極２７ａと２７ｂとの間の電流差は、対
向電極に流れ、それにより対向電極近傍のバスを加熱する。このことは、タッピ
ングの際に溶融物の粘度を変更し得る。
本発明の別の実施形態は、３つのアーク電極と共に用いられる独立したアーク
電圧およびアーク電流を供給するＡＣアーク回路を含む。このような回路は図８
Ｄに示している。
図９Ｄに示す回路２７５は、３つのアーク電極２７ａ〜２７ｃにＡＣアーク電
力を供給するように設計されている。電力源は、一次配線２７７および二次配線
２７８を有する変圧器２７６を含む。一次配線２７７ａ、２７７ｂおよび２７７
ｃは、ユーティリティ源からＡＣ電力を受け取り、相２３３ａ、２３３ｂおよび
２３３ｃにそれぞれ接続されている。空気回路ブレーカなどの回路ブレーカ２３
２ａ、２３２ｂおよび２３２ｃがさらに含まれ得る。
Ｙ字状に接続されたセカンダリ２７８は、ニュートラルＮ２７９に加えて、二
次配線２７５ａ、２７５ｂおよび２７５ｃを含む。３つのＡＣアーク電極２７ａ
〜２７ｃから炉２１内の対向電極Ｎ２８（アース２４４に接続されている）に流
れるＡＣ電流の量を制御するために、スイッチ２７１およびＳＣＲスイッチ−ニ
ュートラル２７２（サイリスタ２７３ａおよび２７３ｂを含む）がさらに用いら
れ得る。抵抗器２４６ｄおよびキャパシタ２４５ｄを含むスナッバー回路がさら
に含まれ得る。３相に対する電流のバランスがとれている場合、対向電極に流れ
る電流はない。電流のバランスがとれておらずＳＣＲスイッチ２７２が「完全に
オン」となっている場合、バランスのとれていない電流（高調波電流となる可能
性のあるものに加えて）が対向電極に流れる。スイッチ２７２が相制御されてい
る場合、この対向電極電流は、図１２Ｃに関して上述したように減少し得る。
図９Ｄにさらに示すように、電流限定リアクタ２３６ａは、二次配線２７８ａ
に直列に接続されている。ＳＣＲスイッチ２３７ａはさらに、電流限定リアクタ
２３６ａに直列に接続されている。ＳＣＲスイッチ２３７ａは、サイリスタ２３
９ａおよび２３９ｂを含む。さらに、負荷限定リアクタ２３８ａは、サイリスタ
２３９ａおよび２３９ｂに並列に接続されている。電流限定リアクタ２３６ｂは
、二次配線２７８ｂに直列に接続されている。ＳＣＲスイッチ２３７ｂはさらに
、電流限定リアクタ２３６ｂに直列に接続されている。ＳＣＲスイッチ２３７ｂ
は、サイリスタ２３９ｃおよび２３９ｄを含む。さらに、負荷限定リアクタ２３
８ｂは、サイリスタ２３９ｃおよび２３９ｄに並列に接続されている。同様に、
電流限定リアクタ２３６ｃは、二次配線２７８ｃに直列に接続されている。ＳＣ
Ｒスイッチ２３９ｃはさらに、電流限定リアクタ２３６ｃに直列に接続されてい
る。ＳＣＲスイッチ２３９ｃは、サイリスタ２３９ｅおよび２３９ｆを含む。さ
らに、負荷限定リアクタ２３８ｃは、サイリスタ２３９ｅおよび２３９ｈに並列
に接続されている。スナッバー回路がさらに含まれ得る。
ＳＣＲスイッチ２３７ａもまたアーク電極２７ａに接続される。これにより、Ａ
Ｃ電力２７４ｂをアーク６６ｂに供給するようにＳＣＲスイッチ２３７ｂをアー
ク電極２７ｂに接続した状態で、ＡＣ電力２７４ａがアーク６６ａに供給される
。同様に、ＳＣＲスイッチ２３７ｃがアーク電極２７ｃに接続されて、ＡＣ電力
２７４ｃがアーク６６ｃに供給される。
アーク電極にＡＣ電力を供給する本発明のさらに別の実施形態を図９Ｅに示す
。図９Ｅに示される回路２８０は、アーク電圧およびアーク電流を独立に制御し
た状態で、ＡＣアーク電力を４つのアーク電極に供給するように設計されている
。
電源は、二次巻線２４９ａおよび２４９ｂを介して３相電力を２相電力に変換
するスコットＴ変圧器２５０を含む。変圧器２５０は、相２３３ａ、２３３ｂお
よび２３３ｃにそれぞれ接続された一次巻線２４８ａ、２４８ｂおよび２４８ｃ
を含む。また、空気遮断器等の回路ブレーカ２３２ａ、２３２ｂおよび２３２ｃ
を設けてもよい。
２つのＳＣＲスイッチ２３７ａおよび２３７ｂは、二次巻線２４９ａの端子に
並列に接続されている。スイッチ２３７ａおよび２３７ｂは、それぞれ、サイリ
スタ２３９ａ、２３９ｂおよび２３９ｃ、２３９ｄを含む。負荷限定リアクトル
２３８ａおよび２３８ｂは、それぞれ、サイリスタ２３９ａ〜２３９ｄに並列に
接続されている。スイッチ２３７ａおよび２３７ｂからの電力を用いて、アーク
電極２７ａおよび２７ｂそれぞれにＡＣ電力を供給する。さらに、２つのＳＣＲ
スイッチ２３７ｃおよび２３７ｄは、二次巻線２４９ｂの端子に並列に接続され
ている。スイッチ２３７ｃおよび２３７ｄは、それぞれ、サイリスタ２３９ｅ、
２３９ｆおよび２３９ｇ、２３９ｈを含む。負荷限定リアクトル２３８ｃおよび
２３８ｄは、それぞれ、サイリスタ２３９ｅ〜２３９ｈに並列に接続されている
。スイッチ２３７ｃおよび２３７ｄからの電力を用いて、アーク電極２７ｃおよ
び２７ｄそれぞれにＡＣ電力を供給する。
図９Ｅに示される回路は、図９Ｂに示される回路のうちの２つと同様であり、
スイッチ２７１、２８２およびＳＣＲスイッチニュートラル２７２を介して、二
次巻線２４９ａおよび２４９ｂの中点から対向電極ニュートラルＮ２８へのリタ
ーン電流経路を有していてもよいし、有していなくてもよい。特に、二次巻線２
４９ａの中点２８１ａおよび二次巻線２４９ｂの中点２８１ｂは、スイッチ２７
１、２８２および（サイリスタ２７３ａおよび２７３ｂを含む）ＳＣＲスイッチ
ニュートラル２７２を用いて、炉２１内の対向電極ニュートラルＮ２８に接続さ
れ得る。対向電極２８はまた接地２４４にも接続される。スイッチ２８２が開き
、スイッチ２７１が開いている場合、電極２７ａおよび２７ｂの電流は、電極２
７ｃおよび２７ｄの電流と等しくなる。スイッチ２８２が閉じ（ただし、スイッ
チ２７１は開いている）ている場合、電極２７ａおよび２７ｂの電流は、電極２
７ｃおよび２７ｄの電流と同様に、独立に制御される。このような状況下におい
て、４つの電極のそれぞれの間には何らかの相互作用が存在し得る。スイッチ２
８２および２７１が閉じ、ＳＣＲスイッチ２７２が「全開」である場合、４つの
電極のそれぞれが、対向電極２８２に対して、かつ、４つの電極間で独立に制御
され得る。電流が４つの電極すべての間で平衡になると、対向電極を流れる電流
はゼロになる。
６ＡＣアーク電極システムは、本発明において使用するために、図９Ｄに示さ
れる同一の３電極回路を２つ用いることによって生成され得る。これによって、
３電極ＡＣアークシステムを２つ用い、かつ、２つの３電極システムの電極を挿
入することによって、各電極の独立した制御が可能になる。
本発明のシステムはまた、ＡＣ電源またはＤＣ電源とともに用いる際にはアー
ク電極電源が、変更され得るか、または、交換され得るように構成され得る。図
１０Ａ〜１０Ｆは、スイッチの配置を含む回路を示す。このような配置によって
、本明細書中で説明されているように、種々のスイッチを開閉することによって
、アーク炉がＡＣ電力またはＤＣ電力のいずれかによって動作し得るように、回
路のそれぞれを変換することができる。
次に、図１０Ａを参照して、回路２８３は、ＡＣ電力またはＤＣ電力を１つの
アーク電極に供給する。この回路はまた、アーク電圧およびアーク電流を独立に
制御する。図１０Ａに示される回路は、図８Ａに示されるＤＣアーク回路と同様
であるが、ＡＣ電力とＤＣ電力との間の切り換え用に５つのスイッチをさらに有
する点が異なる。
表１に提供されているように、スイッチを閉位置または開位置のいずれかの状
態にすることによって、炉アーク回路は、ＡＣ電力またはＤＣ電力のいずれかに
よって、または、このような電力間の所望の切り換えによって動作され得るよう
に構成され得る。
Figure 2006019259
例えば、ＤＣ電力によって炉のアーク部を動作させるためには、スイッチ２８
４および２８８を開き、スイッチ２８５、２８６および２８７を閉じる必要があ
る。ＡＣ電力によって炉を動作させるためには、スイッチ２８５、２８６および
２８７を開き、スイッチ２８４および２８８を閉じる必要がある。従って、上述
のようにスイッチを開くおよび／または閉じることによって、ＡＣ電力またはＤ
Ｃ電力のいずれかをアーク電極に供給することができる。
図１０Ｂは、図８ＢのＤＣアーク回路と同様であるが、ＡＣ電力またはＤＣ電
力を２つのアーク電極に供給するためにスイッチをさらに設けている点が異なる
。本実施形態では、１０個のスイッチを用いて、２つのＡＣアークまたは２つの
ＤＣアークを用いて炉を動作させる。図１０Ｂに示される回路２８９はまた、Ａ
ＣアークまたはＤＣアークの場合に、アーク電圧およびアーク電流を独立に制御
する。
表２に提供されているように、スイッチを閉位置または開位置のいずれかの状
態にすることによって、炉アーク回路は、ＡＣ電力またはＤＣ電力のいずれかに
よって、または、このような電力間の所望の切り換えによって動作され得るよう
に構成され得る。
Figure 2006019259
例えば、ＤＣ電力によって炉のアーク部を動作させるためには、スイッチ２９
０、２９２、２９３および２９５を開き、スイッチ２９１、２９４、２９６、２
９７、２９８および２９９を閉じる必要がある。ＡＣ電力によって炉を動作させ
るためには、スイッチ２９１、２９４、２９６、２９７、２９８および２９９を
開き、スイッチ２９０、２９２、２９３および２９５を閉じる必要がある。従っ
て、上述のようにスイッチを開くおよび／または閉じることによって、ＡＣ電力
またはＤＣ電力のいずれかをアーク電極に供給することができる。
図１０Ｃに示される回路３００は、図９Ｂに示される２アーク電極ＡＣアーク
回路２６６と同様であるが、図１０Ｃは、２つのダイオードブリッジ整流器２４
０ａおよび２４０ｂと、２つのＤＣインダクタ２４３ａおよび２４３ｂとを含む
。回路３００はまた、炉のアーク部が２つのＤＣアークまたは２つのＡＣアーク
を用いて動作され得るように、１０個のスイッチを含む。図１０Ｃに示される回
路３００はまた、アーク電圧およびアーク電流を独立に制御する。
また、図１０Ｃに示されるように、二次巻線２３４ａは中心でタップされてい
る（３１１）。スイッチ３０１が閉じ（スイッチ３０３および３０４が開い）て
いる場合、中心タップ３１１ａは対向電極ニュートラル２８に接続される。さら
に、スイッチ３０３および３０４が閉じ、スイッチ３０１が開いている場合、中
心タップ３１１ｂは、その入力としてダイオード整流器２４０ａおよび２４０ｂ
に接続される。
さらに図１０Ｃに示されるように、スイッチ３０２が閉じ、スイッチ３０８が
開いている場合、スイッチ２３７ａからの電力は、（ＤＣ動作時には）入力３１
２ａからダイオード整流器２４０ａへと供給される。スイッチ３０５が閉じ、ス
イッチ３０９が開いている場合、スイッチ２３７ｂからの電力は、（ＤＣ動作時
には）入力３１２ｂからダイオード整流器２４０ｂへと供給される。
ＤＣ動作時において、スイッチ３０６が閉じている場合、出力３１３ａは、Ｄ
Ｃインダクタ２４３ａおよびアーク電極２７ａに接続される。スイッチ３０７が
閉じている場合には、出力３１３ｃは、ＤＣインダクタ２４３ｂおよびアーク電
極２７ｂに接続される。スイッチ３１０が閉じている場合には、ダイオード整流
器２４０ａおよび２４０ｂそれぞれからの出力３１３ｂおよび出力３１３ｄは、
（接地２４４に接続されている）対向電極２８に接続される。
表３に提供されているように、スイッチを閉位置または開位置のいずれかの状
態にすることによって、炉アーク回路は、ＡＣ電力またはＤＣ電力のいずれかに
よって、または、このような電力間の所望の切り換えによって動作され得るよう
に構成され得る。
Figure 2006019259
例えば、ＤＣ電力によって炉のアーク部を動作させるためには、スイッチ３０
１、３０８および３０９を開き、スイッチ３０２、３０３、３０４、３０５、３
０６、３０７および３１０を閉じる必要がある。ＡＣ電力によって炉を動作させ
るためには、スイッチ３０２、３０３、３０４、３０５、３０６、３０７および
３１０を開き、スイッチ３０１、３０８および３０９を閉じる必要がある。従っ
て、上述のようにスイッチを開くおよび／または閉じることによって、ＡＣ電力
またはＤＣ電力のいずれかをアーク電極に供給することができる。
図１０Ｄに示される回路３１４は、図８Ｃに示される３電極ＤＣアーク回路と
同様であるが、図１０Ｄは、３つのＤＣアークまたは３つのＡＣアークを用いて
、炉のアーク部が動作され得るように１２個のスイッチを含む。図１０Ｄに示さ
れる回路３１４はまた、アーク電圧およびアーク電流を独立に制御する。
図１０Ｄに示されるように、炉をＤＣによって動作させる場合、スイッチ３２
４、３２５および３２６を開いて、ＳＣＲスイッチ２３７ａ、２３７ｂおよび２
３７ｃからの各出力が、各入力２４１ａ、２４１ｃおよび２４１ｅからダイオー
ド整流器２４０ａ、２４０ｂおよび２４０ｃへと供給される。ダイオード整流器
２４０ａ、２４０ｂおよび２４０ｃの出力２４２ａ、２４２ｃおよび２４２ｅは
、ＤＣインダクタ２４３ａ、２４３ｂおよび２４３ｃに接続される。これらＤＣ
インダクタ２４３ａ、２４３ｂおよび２４３ｃは、それぞれ、アーク電極２７ａ
、２７ｂおよび２７ｃに接続される（このような動作中、スイッチ３１６、３１
８および３２０は閉じている）。さらに、ダイオード整流器２４０ａ、２４０ｂ
および２４０ｃの出力２４２ｂ、２４２ｄおよび２４２ｆは、バス２４２によっ
て対向電極２８に接続される。
炉がＡＣによって動作される場合、スイッチ３２４、３２５および３２６は閉
じ、ＳＣＲスイッチ２３７ａ、２３７ｂおよび２３７ｃからの各出力は、バス３
２８によって対向電極２８に接続される。
炉がＤＣ電力によって動作される場合、電流限定リアクトル２３６ａ、２３６
ｂおよび２３６ｃからの出力は、各入力２４１ｂ、２４１ｄおよび２４１ｆから
ダイオード整流器２４０ａ、２４０ｂおよび２４０ｃへと供給されるように、ス
イッチ３２１、３２２よび３２３は閉じ、スイッチ３１５、３１７および３１９
は開く。炉がＡＣ電力によって動作される場合、電流限定リアクトル２３６ａ、
２３６ｂおよび２３６ｃからの出力は、それぞれ、３２７ａ、３２７ｂおよび３
２７ｃを介して、アーク電極２７ａ、２７ｂおよび２７ｃに接続されるように、
スイッチ３２１、３２２および３２３が開き、スイッチ３１５、３１７および３
１９は閉じられる。
表４に提供されているように、スイッチを閉位置または開位置のいずれかの状
態にすることによって、炉アーク回路は、ＡＣ電力またはＤＣ電力のいずれかに
よって、または、このような電力間の所望の切り換えによって動作され得るよう
に構成され得る。
Figure 2006019259
例えば、ＤＣ電力によって炉のアーク部を動作させるためには、スイッチ３１
５、３１７、３１９、３２４、３２５および３２６を開き、スイッチ３１６、３
１８、３２０、３２１、３２２および３２３を閉じる必要がある。ＡＣ電力によ
って炉を動作させるためには、スイッチ３１６、３１８、３２０、３２１、３２
２および３２３を開き、スイッチ３１５、３１７、３１９、３２４、３２５およ
び３２６を閉じる必要がある。従って、上述のようにスイッチを開くおよび／ま
たは閉じることによって、ＡＣ電力またはＤＣ電力のいずれかをアーク電極に供
給することができる。
図１０Ｅは、ＡＣからＤＣへ、または、ＤＣからＡＣへ切り換えられ得る別の
３電極回路３２９を示す。この回路は、図８Ｄに示されるＤＣアーク回路と同様
であるが、図１０Ｅに示される回路は、ＡＣ−ＤＣアーク変換するための１３個
のスイッチを含む。図１０Ｅに示される回路３２９もまた、アーク電圧およびア
ーク電流を独立に制御する。
表５に提供されているように、スイッチを閉位置または開位置のいずれかの状
態にすることによって、炉アーク回路は、ＡＣ電力またはＤＣ電力のいずれかに
よって、または、このような電力間の所望の切り換えによって動作され得るよう
に構成され得る。
Figure 2006019259
例えば、ＤＣ電源で炉のアーク部分を作動させるために、スイッチ３３０、３
３２、３３４および３４２を開にする必要があり、スイッチ３３１、３３３、３
３５、３３６、３３７、３３８、３３９、３４０、３４１および３４２を閉にす
る必要がある。ＡＣ電源で炉を作動させるために、スイッチ３３１、３３３、３
３５、３３６、３３７、３３８、３３９、３４０および３４１を開にする必要が
あり、スイッチ３３０、３３２、３３４および３４２を閉にする必要がある。こ
のように、示したように、スイッチを開および／または閉にすることで、アーク
電極にＡＣ電源またはＤＣ電源のいずれかを提供することができる。
図１０Ｆは、３つのアーク電極に電力を提供する別の代替の実施形態を示す。
図１０Ｆに示される回路がＤＣ電源で作動されると、各電極の３相整流器が用い
られ、回路がＡＣ電源で作動されると、整流器は単相スタティックスイッチに変
換される。図１０Ｆに示される回路３４３は、先に記載した回路よりも作製によ
りコストが掛かり得る。
回路３４３は、各電極に３相ＳＣＲ整流器を含む。ＡＣ電源を使用することが
望ましい場合、各３相整流器は単相スタティックスイッチに変換される。
回路３４３は、Ｙ字に接続された２次巻線３４４ａ、３４４ｂ、３４４ｃ（そ
れぞれ、相２３２ａ、２３２ｂ、２３２ｃに接続される）と、２次巻線の中点か
ら炉２１中の（接地２４４に接続された）対電極２８へ接続されたニュートラル
３４５とを含む。
ＤＣで作動中、２次巻線の出力は、図１０Ｆに示されるように、限流リアクト
ル（ＣＬＲ）３４６ａ〜３４６ｉに接続される。限流リアクトル３４６ａ〜３４
６ｃはサイリスタ相制御化整流器３４７ａに接続される。サイリスタ相制御化整
流器３４７ａはサイリスタ３４８ａ〜３４８ｆを含む。限流リアクトル３４６ｄ
〜３４６ｆはサイリスタ相制御化整流器３４７ｂに接続される。サイリスタ相制
御化整流器３４７ｂはサイリスタ３４８ｇ〜３４８ｌを含む。限流リアクトル３
４６ｇ〜３４６ｉはサイリスタ相制御化整流器３４７ｃに接続される。サイリス
タ相制御化整流器３４７ｃはサイリスタ３４８ｍ〜３４８ｒを含む。炉がＡＣ電
源で作動される場合、コンポーネント３４７ａ〜３４７ｃは相制御化ＡＣスタテ
ィックスイッチである。
図１０Ｆにも示されるように、コンポーネント３４７ａ〜３４７ｃの各出力の
一方のサイドがＤＣで作動中に（この場合、スイッチ３６８、３６９および３６
２は閉であり、スイッチ３６３は開である）、３４５を介して対電極２８に接続
される。コンポーネント３４７ａ〜３４７ｃの各出力の他方のサイドは、図示さ
れるように、ＤＣインダクタ３７１ａ、３７１ｂおよび３７１ｃに接続される。
ＤＣインダクタ３７１ａ、３７１ｂおよび３７１ｃはアーク電極２７ａ、２７ｂ
および２７ｃに接続される。ＡＣで作動中、スイッチ３６４、３６５および３６
６は閉であり、その結果ＤＣインダクタ３７１ａ〜３７１ｃは短絡回路になる。
表６に提供されるように、スイッチを開の位置または閉の位置のいずれかにす
ることにより、炉アーク回路はＡＣ電源またはＤＣ電源のいずれかで作動し、所
望の電源間で切り換わるように構築され得る。
Figure 2006019259
例えば、ＤＣ電源で炉のアーク部分を作動させるために、スイッチ３４９、３
５１、３５４、３５５、３５７、３５９、３６１、３６３、３６４、３６５、３
６６、３６７および３７０を開にする必要があり、スイッチ３５０、３５２、３
５３、３５６、３５８、３６０、３６２、３６８および３６９を閉にする必要が
ある。ＡＣ電源で炉を作動させるために、スイッチ３５０、３５２、３５３、３
５６、３５８、３６０、３６２、３６８および３６９を開にする必要があり、ス
イッチ３４９、３５１、３５４、３５５、３５７、３５９、３６１、３６３、３
６４、３６５、３６６、３６７および３７０を閉にする必要がある。このように
、示したように、スイッチを開および／または閉にすることで、アーク電極にＡ
Ｃ電源またはＤＣ電源のいずれかを提供することができる。
ジュール熱電極の動作に関するいくつかの代替の実施形態が図１１Ａ〜１１Ｉ
に示される。ジュール熱電極は、ＤＣ電源よりもむしろＡＣ電源で電力を与えら
れる。ＤＣは所望でない分極を引き起こすので、ジュール熱電極はＤＣで電力が
与えられない。負荷制限リアクトルは図１１Ａ〜１１Ｈにおいて必須ではない。
なぜなら、波形とは無関係に、ジュール熱電極で消滅するアークは存在しないか
らである。
ここで、図１１Ａを参照すると、ジュール熱を２つの電極に提供するＡＣ回路
３７２が示される。図１１Ａに示されるように、電極２４ａおよび２４ｂは、炉
２１のスラグレベル３０ａの下に部分的に浸される。対電極２８は接地３８４に
接続され、上記のアーク電極回路とともに使用され得る。
回路３７２は、相３７５ａ、３７５ｂおよび３７５ｃにそれぞれ接続された１
次巻線３７３ａ、３７３ｂおよび３７３ｃを含む。回路ブレーカ３７４ａ、３７
４ｂおよび３７４ｃ（例えば、空気遮断機）が、図示されるようにさらに提供さ
れ得る。図１１Ａに示されるように、１次巻線３７３は三角形状に接続される。
回路３７２はまた、２次巻線３７６ａ、３７６ｂおよび３７６ｃを有する「Ｕ
」型２次回路３７６を含む。この構成は小さな炉での動作に望ましくあり得る。
なぜなら、小さな炉は２つのジュール熱電極を使用するだけだからである。一方
の端子３７７が電極２４ｂに直接接続される。端子（Ｃ２）３７７が電極２４ｂ
に直接接続されるので、この電極は「Ｕ」型２次巻線３７６を適切に接地し得る
。
図１１Ａにも示されるように、２次巻線３７６ｂの一方の端子は限流リアクト
ル３７８に接続される。限流リアクトル（ＣＬＲ）は、キャパシタ３７９および
ＳＣＲスイッチ３８０（これは、サイリスタ３８１ａおよび３８１ｂを含む）と
直列に接続される。スイッチ３８０は電極２４ａに接続され、電極２４ｂは図示
されるように端子（Ｃ２）３７７に接続される。上記のように、サイリスタ３８
１ａおよび３８１ｂと並列で接続された（キャパシタ３８３と直列で接続された
レジスタ３８２を含む）スナッバー回路もまた含まれ得る。
図１１Ａに示される回路と図９Ａに示される回路との違いの一つは、ＤＣ遮断
キャパシタ（Ｃ）３７９が電極２４ａと直列で接続されることである。キャパシ
タ３７９は、ジュール熱回路との干渉から（このような回路がＡＣまたはＤＣで
作動される場合はアーク電極回路から）ＤＣを遮断する。ジュール熱回路に供給
する変圧器のコアの飽和を引き起こすには微小なＤＣ電流がかかり、それゆえ、
ジュール熱電力システムに入る少量のＤＣ電流は顕著な損傷を引き起こし得るこ
とに留意のこと。ＡＣと相互作用するＡＣ（すなわち、ＡＣアーク電極およびＡ
Ｃジュール熱電極）を用いると、（ＤＣ−ＡＣ構成と比較した場合）アーク電極
からのＡＣ電流とのより大きな相互作用が必要とされ、その後、相互作用はさら
に顕著になり、さらに多くのＡＣ電流が変圧器を（損傷するポイントまで）かな
り加熱することが必要である。変圧器を加熱または損傷する電流の相対的な大き
さは、多くの変圧器の設計パラメータに依存する。
図１１Ｂは、２つのジュール熱電極にジュール熱を提供する別の回路を示す。
図１１Ｂに示される回路３８５は、両方の電極２４ａおよび２４ｂが電極２４ａ
および電極２４ｂの電流を独立して制御するためのＳＣＲスタティックスイッチ
３８０ａおよび３８０ｂを有するように設計される。加えて、ＳＣＲスイッチ−
ニュートラル３８７（これはサイリスタ３８８ａおよび３８８ｂを含む）は電極
２４ａと対電極Ｎ２８との間、ならびに対電極Ｎ２８と電極２４ｂとの間で流れ
得るＡＣ電流の量を制御するために使用され得る。加えて、２次変圧器巻線３７
６ａはニュートラル３８６に対して中心にタップ（ｔａｐ）されるので、ジュー
ル熱回路との干渉からＡＣまたはＤＣアーク電流の相互作用を防止するために、
それぞれ電極２４ａおよび電極２４ｂと直列にあるキャパシタ３７９ａおよび３
７９ｂを有する必要がある。スナッバ回路はまた、ＳＣＲスイッチと並列状態で
含まれてもよい。
図１１Ｃは、３個のキャパシタ（１つは各ジュール熱電極回路と直列である）
を追加した図９Ｄに示されるＡＣアーク回路に類似している。さらに、キャパシ
タ３９４（ＣＮ）およびレジスタ３９５は、電気的ノイズを最小化するために、
Ｙ字型２次変圧器巻線３９３ａ〜３９３ｃのニュートラルポイントＮ３９２と対
電極２８との間に、（図９Ｄのスイッチ２７２の代わりに）接続される。
図１１Ｃに示されるように、回路３９１は１次巻線３７３ａ、３７３ｂおよび
３７３ｃ、ならびに２次巻線３９３ａ、３９３ｂおよび３９３ｃを含む。２次巻
線３９３ａ、３９３ｂおよび３９３ｃは、キャパシタ３９４、レジスタ３９５お
よび対電極ニュートラル２８に接続されたニュートラルポイント３９２でＹ字に
接続される。これは、ニュートラルを接地するためになされるが、対電極はまた
ニュートラルに接続されるので、ニュートラルおよび対電極は両方とも接地され
る。
図１１Ｄに示される回路３９６は、図１１Ｃのサージ接地キャパシタ３９４が
ＳＣＲスイッチ−ニュートラル３８７（これはサイリスタ３８８ａおよび３８８
ｂを含む）で置換されることを除いて、図１１Ｃに示される回路３９１と類似し
ている。ＳＣＲスイッチ−ニュートラル３８７は、３個の電極２４ａ、２４ｂお
よび２４ｃから対電極Ｎ２８までのＳＣＲの相制御によるＡＣ電流の制御を可能
にする。ＳＣＲスイッチは、３個の電極の電流が平衡でない場合、ニュートラル
へ流れ得る電流の量を制御する。
ここで、図１１Ｅを参照すると、４個の電極構成にジュール熱を提供する別の
回路３９７が示される。この実施形態では、スコットＴ変圧器３９８は（それぞ
れ相３７５ａ、３７５ｂおよび３７５ｃに接続された）１次巻線３９９ａ、３９
９ｂおよび３９９ｃと、２個の別個の変圧器２次巻線４００ａおよび４００ｂと
を含み、これにより、図１１Ａに示される回路に類似した２次巻線４００ａおよ
び２次巻線４００ｂに接続された各回路をなす。これは、ジュール熱が４個のジ
ュール熱電極２４ａ、２４ｂ、２４ｃおよび２４ｄに提供されることを可能にす
る。回路ブレーカ３７４ａ、３７４ｂおよび３７４ｃ（例えば、空気遮断機）が
また提供されてもよい。
図１１Ｆは、本発明に従うジュール熱を提供する別の４個の電極スコットＴ変
圧器回路を示す。図１１Ｆに示される回路４０１は、それぞれ４０２ａおよび４
０２ｂに中央にタップされた２次巻線４００ａおよび２次巻線４００ｂを示す。
中央タップ４０２ａおよび４０２ｂは、ＳＣＲスイッチ−ニュートラル３８７（
これは示されるように、サイリスタ３８８ａおよび３８８ｂを含み、並列に接続
されたスナッバー回路もまた含み得る）によって、対電極Ｎ２８に電気的に接続
される。キャパシタ３７９ａ〜３７９ｄによってＤＣから分離された４個のジュ
ール熱電極２４ａ、２４ｂ、２４ｃおよび２４ｄを用いると、この回路はまた、
スイッチ３８０ａ〜３８０ｄからの４つの電流が均等でない場合に５個のＳＣＲ
スイッチ３８０ａ、３８０ｂ、３８０ｃ、３８０ｄおよび３８７によって提供さ
れる相制御のために、対電極電流の優れた制御を提供する。電流は、いくつかの
電極またはすべての電極を流れる電流が均等でない場合の２次ニュートラルと対
電極との間で流れ得るに過ぎない。ニュートラルにおけるスタティックスイッチ
は、このスタティックスイッチを流れ得る平衡でないＡＣ電流の大きさを制御す
るために使用され得る。６個のジュール熱電極にジュール熱を提供する別の実施
形態が図１１Ｇに示される。回路４０３は、図１１Ｅの４個の電極回路と類似し
た６個の電極ＡＣジュール熱回路であるが、異なる変圧器構成を有している。
変圧器は、（相３７５ａ、３７５ｂおよび３７５ｃ用の）１次巻線４０４ａ、
４０４ｂおよび４０４ｃを含む。回路ブレーカ３７４ａ〜３７４ｃ（例えば、空
気遮断機）がまた含まれてもよい。２次巻線４０５ａ、４０５ｂおよび４０５ｃ
は、それぞれ限流リアクトル３７８ａ、３７８ｂおよび３７８ｃに接続され、こ
れらの限流リアクトルはそれぞれジュール熱電極２４ｂ、２４ｄおよび２４ｆに
接続される。２次巻線４０５ａ、４０５ｂおよび４０５ｃはまた、それぞれキャ
パシタ３７９ａ、３７９ｂおよび３７９ｃに接続され、これらのキャパシタはそ
れぞれＳＣＲスイッチ３８０ａ、３８０ｂおよび３８０ｃに直列に接続される。
スイッチ３８０ａ、３８０ｂ、３８０ｃは、それぞれ、ジュール熱電極２４ａ
、２４ｃ、２４ｅに接続される。図１１Ｇに示された実施形態における二次巻線
は図１１Ｅと同様に中央タップされたものではない。回路毎に１つのＣＬＲのみ
が必要とされ、図１１Ｇに示された回路では巻線中央タップまたはニュートラル
がないので、位相毎に１つのＡＣ静的スイッチのみを使用するか、または、二次
変圧器巻線あたりに必要とされる。
図１１Ｇに示されるように、限流リアクトル３７８ａ−３７８ｃは電極２４ｂ
、２４ｄ、２４ｆに接続される。あるいは、限流リアクトルは、（電極２４ａ、
２４ｂ、２４ｅに接続される）ＳＣＲスイッチ３８０ａ、３８０ｂ、３８０ｃと
直列に接続され得る。キャパシタ３７９ａ−３７９ｃは、ＳＣＲスイッチおよび
／または限流リアクトルの位置にかかわらず、いずれの電極にも接続され得る。
これらの代替物は、上記の他のジュール熱電極回路に適用する。
回路がニュートラルまたは中央タップを有している場合（または２または３の
二次巻線がお互いに接続されている場合、または、２つの電極が同じ巻線から供
給される場合）、各電極への電流を制御する手段を提供することが好ましいこと
に留意すべきである。これは、限流リアクトル、ＳＣＲスイッチ（または過飽和
リアクトルが静的スイッチと同じ機能を実行するのでＳＣＲスイッチの代わりに
使用される場合の過飽和リアクトル）およびキャパシタによって図１１Ｆおよび
図１１Ｈにおいて為される。
図１１Ｈは、ジュール熱を６つの電極に提供するための別の実施形態を図示す
る。図１１Ｈに示されるこの６つの電極回路４０６は、図１１Ｆに示される４つ
の電極回路に類似しているが、図１１Ｈの回路では、スコット−Ｔ変圧器を含ま
ない。図１１Ｈにおいて、６つの電極のすべては、自身の電流を独立して制御し
得る。図１１Ｈにおいて、電極２４ａおよび電極２４ｂは同じ電流を有し、電極
２４ｃおよび電極２４ｄは同じ電流を有し、電極２４ｅおよび電極２４ｆは同じ
電流を有する（但し、電極２４ａおよび電極２４ｂにおける電流は、電極２４ｃ
および電極２４ｄにおける電流とは異なり得、電極２４ｅおよび電極２４ｆにお
ける電流とは異なり得る）。
二次巻線４０５ａ、４０５ｂおよび４０５ｃはそれぞれ、４０７ａ、４０７ｂ
および４０７ｃに中央タップされ、（サイリスタ３８８ａおよび３８８ｂを含む
）ＳＣＲスイッチニュートラル３８７によって対向電極ニュートラル２８と接続
される。
図１１Ｉは、本発明にしたがって、ジュール熱を提供するための別の実施形態
を図示する。図１１Ｉに示されるように、ジュール熱回路５００は、一次巻線５
０１と二次巻線５０４ａ−５０４ｃとを含む。回路５００は、また、限流リアク
トル５０３ａ−５０３ｆと、キャパシタ５０５ａ−５０５ｃと、静的スイッチ５
０６ａ−５０６ｃと、静的スイッチ５０７ａ−５０７ｃと、対向電極５０８とを
含む。二次巻線における位相の各々は、直列（示されるような）または並列に接
続され得る。例えば、Ｂ位相二次巻線はそれぞれ１２０ボルトであり得、全体で
２４０ボルトの場合には図示されるように直列で、または、１２０ボルトの場合
には並列に接続される。（リアクトル５０３ｃは常にＢ−１(５０４ｃ)に直列に
接続され、リアクトル５０３ｄは常にＢ−２(５０４ｄ)に直列に接続されている
。位相Ａおよび位相Ｃは同様に接続され得る。
回路５００は、外部電気回路接続を対向電極に提供することなく、独立して制
御されたデルタ回路電流（すなわち、静的スイッチ５０６ａ−５０６ｃが電流を
伝導する場合に３つのジュール熱電極５０２ａ−５０２ｃを通過する電流）を電
極のそれぞれに提供することが予期される。これは、電極電流の一部をジュール
熱電極が浸漬された溶融されたスラグの他の部分よりも低い抵抗を有する導電経
路に分流するのに利用可能な他の経路がない場合、制御されたデルタ電流がジュ
ール熱電極のそれぞれの間を流れることを意味する。
このデルタ電流は、静的スイッチ５０６ａ、５０６ｂ、５０６ｃによって制御
される。このデルタ静的スイッチは、開回路または非導電状態である場合、静的
スイッチ５０７ａ、５０７ｂ、５０７ｃが導電状態である場合、これらのソリッ
ドステートスイッチ（スイッチ５０７ａ、５０７ｂおよび５０７ｃ）により、同
じ二次巻線がＹ字構成であると仮定することを可能にする。さらに、デルタ静的
スイッチおよびＹ字静的スイッチの両方が、両方とも電流を同じ全時間フレーム
においてバスに配送している場合、スラグ熱の全体の容量がより効率的に制御さ
れるだけでなく、Ｊ×Ｂ電磁場は、手動または自動制御回路のいずれかによって
制御され得る攪拌動作を提供する。結果として、改良された利益のあるバス混合
が得られ得る。
上述した実施形態では、お互いに有害な相互作用も無く、アーク電極およびジ
ュール熱電極の同時の動作が可能である。ジュール熱回路内のキャパシタは、Ｄ
Ｃ動作が使用中である場合、アーク電極回路からの直流の流れを妨げる。さらに
、炉がＡＣアーク電極およびＡＣジュール熱電極で動作する場合、有害な相互作
用はない。上述したように、ジュール熱回路に供給する変圧器のコアの飽和を生
じさせるのに必要なのは、極めてわずかなＤＣ電流であり、したがって、ジュー
ル熱電源システムに入るわずかな量のＤＣは有意なダメージを生じさせ得る。Ａ
ＣとＡＣとの相互作用（すなわち、ＡＣアーク電極およびＡＣジュール熱電極）
では、相互作用が目立つ前に、（ＤＣ−ＡＣ構成と比較して）アーク電極からの
ＡＣ電流とさらなる相互作用が必要とされ、変圧器をかなり加熱するために、さ
らに多くのＡＣ電流が必要とされる。
アーク技術を単独で使用する場合、電極ハース直径比は、ハースの中身がハー
スの中心だけでなく、ハースの壁においても充分に溶融することを確実にするよ
うに大きい必要がある。したがって、ハースのサイズは、電極直径の実用的な限
界に起因して制限される。しかし、ハースまたはガラスタンクをジュール加熱す
る場合、この限界はもはや存在せず、そのタンクは、滞在時間がすべてのガラス
構成要素の完全な混合および溶解に対して充分であることを確実にするような大
きさにされ得る。
アークなしに溶融室技術を使用した場合、この供給量は、溶融プールから溶融
されたガラスの上に溶融されない供給までの熱伝達の制限に起因してかなり低い
。大きなスループット要件に適応させるために、標準的なアプローチは、溶融表
面領域を増加させることである。したがって、ジュール熱溶融室は、本発明の組
み合わされたアーク−溶融室システムより所与の処理速度に対してかなり大きい
ことが必要である。本発明は、アークとＡＣジュール熱溶融室技術との両方の利
点を使用し、単一の最適化されたシステムにおいて使用される。
ジュール熱は、単独で、長いアイドリング期間の間、溶融されたバスを保持す
るために使用され得、それにより、電力要件を減らす。さらに、溶融されたバス
は電気的に伝導しているので、アークプラズマは、伝達アークモードにおいて容
易に再始動され得る。
本発明によるアークプラズマ炉とジュール熱溶融室との組み合わせにより、所
与の大きさの炉システムに対してより早い処理速度で、供給廃棄材料をすばやく
加熱する方法を提供する。制御された加熱速度によって、より高品質な熱分解ガ
スを生成することもできる。さらなるエネルギーが回収され、ガス放射の汚染が
減る。さらに、本発明のジュール熱溶融室は、極めて高い安定性で均一なガラス
生成物を生成するために、実証された混合を行うより大きなリザーバを提供する
。ガラス化されたガラス生成物は地質年代フレームに対して安定であるので、こ
れは利点がある。例えば、Ｂｕｅｌｔ ｅｔ ａｌ．， Ｉｎ Ｓｉｔｕ Ｖｉ
ｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｔｒａｎｓｕｒａｎｉｃ Ｗａｓｔｅｓ：Ｓｙ
ｓｔｅｍｓ Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ Ａｓ
ｓｅｓｓｍｅｎｔ， ＰＮＬ−４８００ Ｓｕｐｐｌｅｍｅｎｔ １、Ｐａｃｉ
ｆｉｃ Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ， Ｒｉｃｈｌａｎｄ、Ｗ
Ａ（１９８７）を参照されたい。さらに、本発明は、灰化のみから生成される灰
と比較して灰のガラス化を介してさらなる体積減少を提供する。Ｃｈａｐｍａｎ
， Ｃ．， Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ Ｖｉｔｒｉｆｙｉｎｇ Ｍｕｎｉｃ
ｉｐａｌ Ｉｎｃｉｎｅｒａｔｏｒ Ａｓｈ， Ｃｅｒａｍｉｃ Ｎｕｃｌｅａ
ｒ Ｗａｓｔｅ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ＩＶ， Ｃｅｒａｍｉｃ Ｔｒａｎｓ
ａｃｔｉｏｎｓ， Ｇ．Ｇ． Ｗｉｃｋｓ， Ｅｄ．， Ｖｏｌ．２３， ｐｐ
２２３−２３１， Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｃｅｒａｍｉｃ Ｓｏｃｉｅｔｙ(１９
９１)を参照されたい。
本発明によって生成された生成物は、ガラス質、ガラス状の材料であり得る。
あるいは、その材料の構造は、本質的に失透性および結晶性であり得る。さらに
、その生成物は、純粋な結晶性材料からアモルファスのガラス質生成物またはそ
れらの任意の組み合わせの範囲の特性を有するセラミック材料であり得る。生成
物の結晶性または非結晶性は、供給材料（ユニットにおける処理の間の添加物の
添加を含むがそれに限定されない）の成分および／またはスラグが廃棄物変換ユ
ニットから注がれるか、または、取り除かれた後、スラグの変質によって変わり
得る。結晶性は形成される最終生成物の安定性および／または非浸出に好影響ま
たは悪影響を及ぼし得るので、廃棄物変換ユニットから除去された後のスラグの
処理は、最終生成物の所望な特性にしたがって、改変され得る。
上述したように、本発明は、高速熱分解を容易にする方法および装置を提供す
る。高速熱分解は、熱分解の他の手段よりも高い純度を有する熱分解ガスを生じ
る。この高い純度のガスは、高効率小ガスタービン技術での使用を容易にし、そ
れにより、従来の蒸気タービンと比較して効率を上げ、必要とされるタービンの
ユニットサイズを減少させる。ＤＣまたはＡＣアーク（単数または複数）は、速
い熱分解を高効率で得るために高温熱源を提供する。Ｇｒｅａｆ， ｅｔ ａｌ
．、 Ｐｒｏｄｕｃｔ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ Ｒａｐｉｄ
Ｐｙｒｏｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｂｉｏｍａｓｓ／Ｌｉｇｎｉｎ ｆｏｒ Ｐｒｏ
ｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ Ａｃｅｔｙｌｅｎｅ， Ｂｉｏｍｓａｓｓ ａｓ ａ
Ｎｏｎｆｏｓｓｉｌ Ｆｕｅｌ Ｓｏｕｒｃｅ， Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｃｈｅｍ
ｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ(１９８１)は、プラズマ炉内で見出されるような条件
下で、地方自治体の固体廃棄物が表７に示されるようなガス状の生成物に熱分解
されることを示している。
Figure 2006019259
通常の熱分解と高速熱分解とを比較すると、入来の廃棄物のより大きな割合が
ガスに変換されることに留意することは重要である。熱または通常の熱分解は、
４５−５０％のみの変換で熱分解ガスを生じる液化を促進するが、高速熱分解は
６５％よりも高いガス収率を有する。地方自治体の廃棄物の高速熱分解は、冷却
された水、金属プラズマトーチを用いて実証されている。Ｃａｒｔｅｒ， ｅｔ
ａｌ., Ｍｕｎｉｃｉｐａｌ Ｓｏｌｉｄ Ｗａｓｔｅ Ｆｅａｓｉｂｉｌｉ
ｔｙ ｏｆ Ｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ Ｐｌａｓｍａ Ａｒｃ，
Ｉｎｄｕｓｔｒｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ａｐｐｌｉｃ
ａｔｉｏｎｓ ｏｆ Ｐｌａｓｍａ, Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ
Ｆｉｒｓｔ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ＥＰＲＩ Ｐｌａｓｍａ Ｓｙｍ
ｐｏｓｉｕｍ（１９９０年５月）を参照されたい。動作の部分酸化モードにおい
て、両方の技術からの残さは、熱分解エネルギー要件を相殺するように酸化され
る。
本発明によって生成される熱分解ガスは、技術水準、すなわち、高効率ガスタ
ービン生成器における燃焼によく適していると予期されている。５０％に達する
新たなガスタービン混合サイクルシステムの効率性を備えて、廃棄物−エネルギ
ー変換の本発明の方法は、標準的な廃棄物灰化に対する効果的な代替物を提供す
る。都合のよい条件下で、灰化蒸気生成器システムは、廃棄物に含まれる潜在的
なエネルギーの使用可能な電気エネルギーへの変換において、１５−２０％の効
率を達成する。
本発明によって生成される高品質なガラス生成物は様々なアプリケーションに
おいて用いられ得る。例えば、ガラス生成物は粉砕され、道路に用いられるアス
ファルトなどに混ぜられ得る。あるいは、ガラス生成物は、軽量コンクリートブ
ロックまたは建築用ブロック内の灰の代わりに利用され得、ブロック内への水の
吸収を最小限にする。さらに、従来のガラス生成物を超えるかなりの体積低減を
示すガラス生成物は、最終生成物に凝固され得る。凝固物は、健康へのリスクま
たは環境へのリスクなしに処分するのに適切である。
本発明の他の実施形態によれば、溶融酸化物池を用いるチューナブルアークプ
ラズマ−溶解装置システムが用いられる。溶融酸化物池の組成は、中間ＢＴＵガ
スが少ないように生成することが可能な態様で、金属、無ガラス生成廃棄物およ
び低灰生成廃棄物を処理可能な電気的、熱的および物理的な特性を有するように
調整され得る。溶融池の伝導性は、融解調整材料を付加することにより制御され
、システムのジュール加熱部分は、１００パーセントのジュール加熱動作の条件
下であっても融解の温度を効果的に保つことができる。溶融池の電気抵抗は特定
の範囲内に保たれることが望ましい。例えば、チューナブルアークプラズマ溶解
装置のいくつかの構成において、溶融池組成は、溶融酸化物池の効果的なジュー
ル加熱のために１オーム−ｃｍ以上の電気抵抗を保つ組成であることが望ましい
。廃棄物の処理および浴温度に依存して、電気抵抗は、好適には１−２００オー
ム−ｃｍの範囲、さらに好適には５−１５オーム−ｃｍの範囲である。
この本発明の実施の形態は、これまでは処理が特に困難であった多種多様の廃
棄物ストリームに対して高度の制御性および効率性を示すチューナブルアークプ
ラズマ溶解装置システムを提供する。例示的な無ガラス生成廃棄物は、タイヤお
よび鉄等の金属を含む。具体例としての低灰生成有機物は、プラスチック、オイ
ル、溶剤等を含む。有害な有機液体、低灰生成有機物および金属の混合物、また
は限られた量の灰分およびかなりの量の金属を含む有機物のような廃棄物ストリ
ームの全ては、チューナブルアークプラズマ溶解装置システムの制御された種々
の組成の溶融酸化物池を用いて処理され得る。一次還元金属を含む汚泥のような
廃棄物は、結果として生じる溶融物の高い電気伝導性のために、ジュール加熱ガ
ラスタンクの処理にあまりむいていない。しかしながら、制御された組成の酸化
物プールの動作モードを用いることにより、チューナブルアークプラズマプロセ
スは、溶融金属浴中でスラグから重量的（ｇｒａｖｉｍｅｔｒｉｃａｌｌｙ）に
分離されて得られる溶融物でさえ処理することが出来る。
金属、無ガラス生成廃棄物および低灰生成無機物の処理に適切な本発明のシス
テムを図１２に示す。システム４０８は、炉４０９と、清浄ユニット４１０と、
ガスタービンまたは内燃機関４１１と、ジェネレータ４１２とを含む。システム
４０８はまた、熱交換器４１７およびコンプレッサー４２０を含み得る。
本明細書中ですでに非常に詳しく述べたように、金属、無ガラス生成廃棄物お
よび低灰生成無機物を含む汚泥のような廃棄物ストリームは、炉４０９へ導入さ
れる。廃棄物ストリームは、所望の電気的、熱的および物理的特性を有する組成
を有する溶融酸化物池４１３と組み合わされる。炉の状態に依存して、溶融池ま
たは廃棄物供給は、ＤＣまたはＡＣアーク（単数または複数）４１５と接触し、
溶融池４１３を生成する。ＤＣまたはＡＣアーク（単数または複数）４１５は、
上述したジュール加熱電極４１６ａおよび４１６ｂと組み合わされたＤＣまたは
ＡＣアーク電極（単数または複数）４１４を用いて実施され得る。様々な炉の構
成が図１２に示すシステムの使用に適切であり得ることが当業者には明らかであ
る。例えば、上述したように、ジュール加熱電極の数は２つより多くの電極を含
んでもよいし、さらなるＤＣまたはＡＣアーク電極を用いてもよい。
いくつかの廃棄物ストリームの処理の間、溶融酸化物池４１３の表面４１３ａ
は所定量の蒸気４１８と接触することが望ましい。例えば蒸気４１８は、以下の
水性ガス反応の使用を円滑にするために用いられ得る。
Ｃ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋Ｈ２ （１）
ストリーム４１８は、炉４０９の溶融池４１３の表面４１３ａの直上または表
面４１３ａに導入される。この態様では、炭素廃棄物材料は、水素リッチガス４
２１を形成するように処理され変換される。システムにより生成された水素リッ
チガス４２１は、ポート４１２ａを通って出て行き、清浄ユニット４１０内で清
浄される。例えば、清浄ユニット４１０内で硫化水素（Ｈ２Ｓ）、硫黄酸化物（
ＳＯＸ）および塩化水素（ＨＣｌ）が水素リッチガス４２１から除去され得る。
清浄ユニット４１０は、洗浄機（単数または複数）等を含み得る。水素リッチガ
スは、次に、内燃機関４１１内で燃焼される。内燃機関４１１は、ジェネレータ
４１２と接続され、電気４２２を生成する。別の実施形態において、内燃機関４
１１は、高効率ガスタービンまたは（ガスが十分にきれいで燃料電池にダメージ
を与えない場合）燃料電池に置き換えられ得る。
電気４２９は、結果的に電力会社等の外部ソースから供給され得、炉４０９の
アークおよびジュール加熱機能に電力が供給される。そのような電気は監視４３
０等を受ける。さらに、電気４２２の一部４２２ａは、ジュール加熱電極（この
場合、変圧器４２６を設けてもよい）の電力をアシストするために用いられ得、
かつ、アーク電極（単数または複数）４１４の電力をアシストするために用いら
れ得る。電気４２２ｃの一部はまた、第２プラズマ反応チャンバー（図１４Ａお
よび１４Ｂに示す）に利用され得る。さらなる電気４２２は、商業形態で売却ま
たは利用され得る。そのような電気はジェネレータ４１２を出て、回路ブレーカ
（単数または複数）４２３、変圧器４２５および回路ブレーカ４２４により制御
され得る。
ガスタービンまたは内燃機関４１１からの排出ガス４２７内の排気熱は、図１
２に示す熱交換器４１７を用いることにより、水性ガスおよび水シフト反応のた
めの蒸気４１８を生成するために用いられ得る。熱交換器４１７は水源４２８ま
たは他の熱交換媒体に接続される。
（特定の状態における）制御された量のエアー４１９は、コンプレッサ４２０
を用いてシステム４０８内に導入され得る。そのような状態は、エネルギーの回
収が所望でないまたは実用的でない場合（例えば、廃棄物生成酸化還元状態が安
定した廃棄物生成を高く保障する必要があるか否かを判定する場合）に生じ得る
。このような状態下では、炉システムは、酸化条件下で動作する能力を有する。
炉４０９は、システム内に入るエアーおよびガスの量が制御可能なように構成さ
れる。例えば、図１３〜１４に関連して本明細書中で説明される４３１ａ、４３
２ａおよび４３３ａのようなポートは、炉４０９への様々なストリームの導入お
よび／または除去の制御を可能にするように設計される。溶解池の組成は、それ
を通るエアーの望ましくない出入りを可能にすることなく所与の廃棄物ストリー
ムに最適となるように選択される。
本発明は、処理されている第１廃棄物材料とはまた別の材料の溶融酸化物池を
使用することによって、システムのチューナブルアークプラズマ溶解部分を効果
的に用いるための所望の媒体を提供することができる。図１３Ａを参照して、金
属、無ガラス生成廃棄物および低灰生成無機物の処理に適した炉を説明する。
図１２に関して上記で説明したように、炉４０９は、ＤＣまたはＡＣアーク（
単数または複数）４１５を生成可能な１つ以上のＤＣまたはＡＣアーク電極４１
４を含む。炉４０９はまた、ジュール加熱電極４１６ａおよび４１６ｂを含むジ
ュール加熱機能を含む。
処理される第１廃棄物ストリーム４３１は、ポート４３１ａを通って炉４０９
へ導入される。（１種類以上の）融解調整剤４３２がポート４３２ａを通って炉
４０９へ導入される。あるいは、または、融解調整剤４３２に追加して、所望の
ガラス生成特性を有する第２廃棄物ストリーム４３３がポート４３３ａを通って
炉４０９へ導入される。
溶解池の組成は、所与の廃棄物ストリームに最適なように選択される。これに
限定されないが、融解調整剤４３２は、例えば、ドロマイト（ＣａＣｏ３・Ｍｇ
ＣＯ３）、ライムストーン（例えば、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３））、砂（例
えばガラスでつくられた砂（ｇｌａｓｓ ｍａｋｅｒ’ｓ ｓａｎｄ））、ガラ
スフリット、無水炭酸ナトリウム（ソーダ灰）、他のガラス生成組成物および／
または金属を混合した砂を含む。他のガラス融解調整剤が本発明において用いら
れることは当業者には明らかである。溶解酸化物池はまた、第２廃棄物と処理さ
れる第１廃棄物以外の材料（単数または複数）とを混合した融解調整剤を用いて
形成され得る。例えば、特定のガラス形成組成の第２廃棄物は、第１廃棄物およ
び／または他の融解調整剤（単数または複数）と共に同時に炉に送り込まれ、特
定の組成範囲内に溶解酸化物池を保ち得る。溶解池の組成は、所与の廃棄物スト
リームに基づいて選択される。この動作モードは、チューナブルアークプラズマ
ジュール加熱溶解装置システムの動作に高度の柔軟性を提供し、それにより、シ
ステムが処理できる廃棄物の種類が広がる。
溶解酸化物池が、融解調整剤の追加に対してジュール加熱溶解装置または標準
的なプラズマアーク処理の柔軟性を超える柔軟性を与えることは当業者には明ら
かである。高伝導酸化物混合物の場合、ジュール加熱システムは、アークにより
提供される追加のエネルギー無しに溶融浴温度を保つことは非効率的であるかま
たは不可能であり得る。逆に、高抵抗酸化物混合物の場合、ジュール加熱電極に
わたる電位は受け入れられないほど高くなることが可能であり、適合する電流を
ジュール熱を提供するように保つことが出来ない。追加のエネルギーはアークに
より提供することが可能である。しかしながら、アークエネルギーは、上記条件
のいずれの場合でも、入ってくる廃棄物を処理するのに十分なエネルギーおよび
溶融浴温度を保つための追加のジュール熱エネルギーのみを提供するように制御
され得る。本発明の実施形態の溶解酸化物池は、ジュール加熱溶解装置システム
または標準的なアークプラズマ処理の柔軟性よりも、融解調整剤を用いた融解調
整の非常に高度の柔軟性を提供する。
融解調整剤４３２および／または第２廃棄物ストリーム４３３は、所望の電気
的、熱的および物理的特性を有する溶解池が提供されるように選択される。融解
調整剤のタイプおよび量は、特定のガラス化ユニット構成および廃棄物ストリー
ムに応じて決定される。例えば、廃棄物ストリーム４３１内のタイヤを処理する
場合の溶解池は、動作のより最適なモードでのジュール加熱溶解装置サブシステ
ムを使用するための十分な伝導性を提供する。上述したように、所望の量のスト
リームが、溶解池直上または溶解池に追加され、水性ガス反応の使用を促進しま
たは余分な炭素材料を除去する。
図１３Ｂは、本発明により溶融酸化物池を利用するいくつかの金属を再生する
最適な炉を示す。金属が処理される場合、溶融池の制御された構成は、溶融金属
酸化層が炉底の高密度層の上方に配置されるように、変化される。好適には、ジ
ュール熱（ｊｏｕｌｅ ｈｅａｔｉｎｇ）電極の位置および数が、処理される廃
棄物のタイプおよび容積により変更され得る。廃棄物が、例えば高密度の金属含
有物（ｈｉｇｈ ｍｅｔａｌｓ ｃｏｎｔｅｎｔ）を有する場合、ジュール熱電
極は、電極間の効率のいい抵抗パスを調整するかまたは「チューニングする（ｔ
ｕｎｅ）」ように、高温化されるか、または低温化され得る。金属層は、ジュー
ル熱電極間の電気的パスを、高い導電性の溶融室層と接触することにより、また
は、ほぼ接触することにより、効率よく「ショートする」点まで増やすことが可
能になる場合、これは必要とされ得る。さらに、炉の中のジュール熱電極の数は
、処理される廃棄物材料のタイプおよび量に依存して、設計され得る。
図１３Ｂにさらに示されるように、溶融金属酸化層４３４は、炉４０９の高密
度金属層４３５の上方に配置される。ジュール加熱（ｊｏｕｌｅ ｈｅａｔｅｄ
）溶融池４３４／４３５は、融解された条件剤材料４３２および／または第２の
廃棄物ストリーム材料４３３を加えることにより制御され、その結果、システム
のジュール加熱された部分は、１００％のジュール加熱動作等の条件下の場合で
さえ、効率よく融解物の温度を維持し得る。
一定の範囲の溶融池の電気抵抗性を維持することが望まれる。例えば、チュー
ナブルアークプラズマ溶融室のいくつかの構造の場合、溶融池の構成は、溶融酸
化池の効率のよいジュール加熱に対する１オームを超える電気的抵抗性により維
持されることが望まれる。いくつかの実施形態において、電気的抵抗性は、好適
には、１〜２００オーム−ｃｍ内であり、さらに好適には、５〜１５オーム−ｃ
ｍである。しかし、廃棄物ストリーム、融解物、炉のサイズおよび構成は、これ
らの範囲において重要な効果を有する。
図１４Ａおよび１４Ｂは、本発明により例示的な第１および第２の炉の構成を
示す。自動者およびトラックのタイヤまたは他の非ガラス形成廃棄物ストリーム
の場合、チューナブル溶融酸化池プラズマアーク溶融室処理は、タイヤ全体を低
濃度の媒体ＢＴＵガスに効率よく変換させる。この様態において、タイヤは、解
体することなく自動者から取り外され得、チューナブルアークプラズマ溶融室シ
ステムの処理に従順である。スチールベルトおよびリム材料は、溶融金属段階か
ら再生する。
タイヤラバーから主に合成ゴム（例えば、水素および一酸化炭素を含む）への
変換を達成するために、蒸気および可能であれば制御された空気量は、制御され
た態様にて融解チャンバに加えられ、以下に示すように一連の反応を容易にし得
る。蒸気および空気混合物は、蒸気／空気混合物が融解表面での炉に導入される
ように、羽口（ｔｕｙｅｒ）または同様に配置された部材（ｔｈｅ ｌｉｋｅ
ｐｏｓｉｔｉｏｎｅｄ）を用いて、ポートを介して加えられ得る。これにより、
炭素質材料がガス生成物に変換され、ガラス／スラグマトリクスにトラップされ
ないことが確認される。
化学反応式（１）〜（５）は、酸素および／または蒸気を炉４０９の融解チャ
ンバへの導入に基づいて生じる反応を生成する。
Ｃ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋Ｈ２ （１）
Ｃ＋ＣＯ２→２ＣＯ （２）
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２ （３）
Ｃ＋Ｏ２→ＣＯ２ （４）
Ｃ＋２Ｈ２→ＣＨ４ （５）
反応（１）および（２）は、高い吸熱反応であり、それぞれ１３１．４ｋＪ／
ｍｏｌｅおよび１７２．６ｋＪ／ｍｏｌｅを必要とする。大気圧近傍で蒸気を主
に導入すると、反応（１）、すなわち、水−ガス反応が優勢となり、水素が豊富
なガスを生成するには、（すなわち、１３１．４ｋＪ／ｍｏｌｅ）を必要とする
。上述したように、このガスは、微粒子除去技術およびスクライブ溶液を用いて
消去され、これにより、ガスタービンまたは内燃エンジンの電気的ジェネレータ
システムのどちらかで燃焼する前に、あるいは本明細書中で議論されるように燃
料電池での使用のために、大部分の微粒子、ならびに、硫黄、および、Ｈ２Ｓ、
ＳＯｘおよびＨＣｌの形態をとる塩素等の他の含有物を除去する。不要な熱は、
炉チャンバの蒸気を生成して、蒸気を供給するように利用され得る。高温の空気
は、さらなる熱エネルギーが必要とされる場合、ガスタービンの中間ステージか
ら抽出され得る。
水素に対して高比率の炭素を含む材料の処理は、主な熱排気（ｆｕｒｎａｃｅ
ｅｘｈａｕｓｔ）に剰余の炭素（すなわち、未反応の炭（ｃｈａｒ））を生成
することになる。例えば、タイヤは、通常、水素に対して高比率の炭素を含む。
この剰余の炭素または未反応の炭は、図１４Ａおよび図１４Ｂに示されるように
、有用なガス燃料４３６に変換され得るか、または、第２のプラズマ反応チャン
バ４３７にて加熱するように変換され得る。このチャンバは、移動されたプラズ
マアークおよび／またはプラズマトーチ４３８からの熱エネルギーを提供し、所
望の反応を駆動する、すなわち、上述の反応（１）を開始させる。電気（ｅｌｅ
ｃｔｒｉｃｉｔｙ）４２２ｃおよび／または４２９は、図１４Ａおよび図１４Ｂ
に示されるように第２の反応チャンバ４３７に供給される。第１の炉チャンバ内
にあるように、蒸気および可能であるならば空気または酸素（図１４Ａおよび図
１４Ｂに図示せず）がスラグ４３９の上方または直接に加えられ、炭素および炭
素を含む化合物を一酸化炭素および水素ガスに完全または実質的に完全に変換す
る。
高炭素を含む廃棄物（例えばタイヤ）から生成された炭はまた、融解された酸
素の表面に蓄積する。さらなる完全な炭素変換を確実にするために、蒸気および
制御された空気量の両方は、上述したように融解線（ｍｅｌｔ ｌｉｎｅ）に、
または融解線の上方に導入され得る。上述されたような反応（４）は、空気が存
在する場合、優勢であり、これにより、反応された炭素の約３９３．８ｋＪ／ｍ
ｏｌｅの正味の熱エネルギー生成を生じる。この熱エネルギーは、蒸気および空
気の同時の導入によるこの表面ゾーン（ｓｕｒｆａｃｅ ｚｏｎｅ）にて反応（
１）を駆動させる。空気−蒸気混合物は、炉システムからの所望のガス生成物を
提供するように、正確に制御され得る。例えば、水性ガス反応は、炉床内の炉コ
ーク堆積物（ｃｏｋｅ ｄｅｐｏｓｉｔ）または蓄積物を一酸化炭素および水素
が豊富なガスに変換するように用いられ得る。いくつかの状況において、コーク
の一部を炉床に残しておき、電極の侵食を減らし得ることが望まれる。
システムにより生成された水素が豊富なガスが消去され得、次いで、ガスター
ビンまたは内燃エンジンにて燃焼され、次にジェネレータ内にて電気を生成する
ように用いられる（または燃料電池内で利用される）。好適な実施形態において
、ガスタービンまたは内燃エンジンからの排気熱は、融解装置（ｍｅｌｔｅｒ
ｕｎｉｔ）内の水ガス反応に対する蒸気を生成するように用いられ得る。内燃エ
ンジンまたはガスタービンが使用されない環境において、蒸気はまた、炉オフガ
ス（ｏｆｆ−ｇａｓ）４２１を部分的に冷却し、排気シフト反応のこの蒸気を用
いることによって、取得され得る。
タイヤ等の炭素材料が蒸気および制御された量の空気による熱分解モードで処
理される場合、処理された材料は、高い効率のよい（例えば、３５〜５０％）ガ
スタービンまたは内燃エンジン内の燃焼に（または燃料電池に）適した低濃度の
媒体ＢＴＵガスを生成し得る。チューナブルプラズマアーク溶融室はまた、上述
した熱分解モードで炭素材料を処理する場合に、剰余の電気的パワーを生成し得
る。ガスタービンまたは内燃エンジンジェネレータからの電気的パワーは、炉電
源を助けるように供給され得る。このシステムはまた、溶融室のジュール加熱部
および／またはユーティリティカンパニーにさらなるＡＣパワーを提供し得、こ
れにより、動作費用の減少および／またはさらなる収益の増加の機会を提供し得
る。
上述したように、本発明はまた、廃棄物変換装置で生成されたガスが燃焼され
る場合に、酸化窒素（ＮＯｘ）の放出を減らす環境的に魅力のある方法および装
置を提供する。これは、水素が豊富なガスを燃焼し、内燃エンジンまたはタービ
ンを非常に希薄なモードにて動作させることにより達成され得、その結果、電気
が水素が豊富なガスから生成され得る。ここで、非常な希薄なモードとは、すな
わち、燃料としての廃棄物変換装置からの水素−一酸化炭素ガスを含む燃料に対
して空気が高比率であることをいう。
本明細書中で用いられる「超希薄（Ｕｌｔｒａ ｌｅａｎ）」は、化学量論操
作に対する０．４〜０．７の等価比率（ｅｑｕｉｖａｌｅｎｃｅ ｒａｔｉｏ）
、Φを示す。Φは、空気量が完全に燃料ガスを燃焼する必要とされる量に正確に
等しい化学量論的な条件の空気に対する燃料の比率に関する空気に対する燃料の
比率である。通常のスパーク点火エンジンは、Φ＝１である化学量論的な条件で
動作する。参照すべきであるＭａｃＤｏｎａｌｄ，Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ
Ｈｙｄｒｏｇｅｎ−Ｓｕｐｐｌｅｍｅｎｔａｌ Ｆｕｅｌ Ｃｏｎｃｅｐｔ
Ｗｉｔｈ Ａｎ Ｅｘｐｅｒｉｍａｎｔａｌ ＭｕｌｔｉＣｙｌｉｎｄｅｒ Ｅ
ｎｇｉｎｅ，Ｓｏｃ．ｏｆ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ，Ｐａ
ｐｅｒ ９３０７３７，ｐ．５７４（１９７６）は、本明細書中では参考として
援用される。スパーク点火エンジン内での水素が豊富なガスの使用は、空気に対
して超希薄な比率の燃料での動作を可能にする。空気に対する燃料の比率がΦが
０．４以下である場合に動作することが可能である。Φのこれらの値が他の燃料
に可能である値より実質的に低い。Φがより低い場合には、水素がより早く燃焼
することになる。水素が豊富なガスおよび超希薄である場合の動作の使用はまた
、非常に高い圧縮率の使用を可能にする。超希薄な場合の動作の組み合せおよび
高い圧縮率の使用は、汚染および内燃エンジン効率を非常に減少させ得る。非常
に希薄なモード、すなわち、約０．４〜０．７の範囲内の低い等価比率の動作に
より、ＮＯｘの生成物が非常に、すなわち、化学量論的な動作に対する１０より
大きいファクターだけ減少され得る。炭化水素および一酸化炭素の放出がまた非
常に低い。
廃棄物変換装置により生成された燃焼ガスから電気を生成する間にＮＯｘ放出
量を減少させるシステムは、図１５および１６に示される。システム４４０は、
廃棄物変換装置４４１、ガスクリーンアップ装置４４３、スパーク点火エンジン
４４９またはガスタービン（図１５または１６に図示せず）およびジェネレータ
４５９（または本明細書に議論される燃料電池）を含む。プラズマ燃料変換器４
５７（図１６参照）および／またはエンジン誘導システム／ターボチャージャ４
４５（図１５参照）はまた、システム４４０に利用され得る。燃料源（図１６に
示される燃料源４５８）からの補助燃料４４８および酸化触媒４５１はまた、本
発明により用いられ得る。
上述したように、燃料ガスは廃棄物変換装置４４１から生成され得る。本発明
にて使用される廃棄物変換装置はこれまでに示され、説明されたものを含む。本
発明により使用されるさらなる廃棄物変換装置は、共に１９９６年３月２５日に
出願され、本明細書中で援用される同時係属米国出願第０８／６２１，４２４号
および０８／６２２，７６２号で示されるものを含む。これらの廃棄物処理装置
は、主に水素を含む水素が豊富なガスおよび一酸化炭素を生成し得、これらは、
電気を生成するように燃焼され得る。電気は、排気処理システムに幾分または全
て必要な電気量を満たすように利用され得る。燃料ガスを生成し得る他の排気変
換装置がシステム４４０との関連で用いられ得ることを当業者により理解される
。例えば、Ｃａｒｔｅｒらに付与された米国特許第５，２８０，７５７号；Ｃｈ
ａｐｍａｎ，Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ Ｖｉｔｒｉｆｙｉｎｇ Ｍｕｎｉｃ
ｉｐａｌ Ｉｎｃｉｎｅｒａｔｏｒ Ａｓｈ，Ｃｅｒａｍｉｃ Ｎｕｃｌｅａｒ
Ｗａｓｔｅ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ＩＶ，Ｃｅｒａｍｉｃ Ｔｒａｎｓａｃ
ｔｉｏｎｓ，Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ．Ｖｏｌ．
２３，ｐｐ．２２３−２３１（１９９１）；共にＮａｇｅｌに付与された米国特
許第５，１７７，３０４号および第５，２９８，２３３号を参照すべきである。
これらは、本明細書中で援用される。
ガス４４２は、廃棄物変換装置４４１から出て、ガスクリーンアップ装置４４
３に導入され、気体−液体分離する（例えば、ガス４４２に入り込み得る水素が
豊富な燃料ガス４４４ａから灰または他の粒子４４４ｂを除去し、分離する）。
いくつかの状況において、ガス排出クリーンアップ装置４４３または内燃エンジ
ン４４９（またはガス点火タービン）にオフガススクライブ（ｏｆｆ ｇａｓ
ｓｃｒｕｂｂｉｎｇ）処理を組み入れ、任意の酸性ガスをそこから除去すること
が望まれる。
次に、水素リッチガス４０４ａは、エンジン吸気系統／ターボチャージャ４４
５中に導入され、空気４４６ａの所定量と混合され、超希薄混合気ができる。タ
ーボチャージャ４４５は、シリンダーの燃料の量を増加するために使用して、超
希薄操作において減少した出力密度を補い得る。ターボチャージャ４４５は、ガ
ラス固化ユニットまたは蒸気からの排気ガスで駆動され得る。このガラス固化ユ
ニットまたは蒸気は、このシステムにおいて多様な点で熱交換器によって生成さ
れる。エンジン吸気系統／ターボチャージャ４４５により、水素リッチガス４０
４ａは、内燃機関４４９中に導入される以前に冷やされることができる。冷却は
、爆発ごとに使用され得る燃料４４７の量を増加し得る。エンジン吸気系統／タ
ーボチャージャ４４５の動作がつねに必要または望まれ得ないことには注意され
るべきである。これらの状況下で、超希薄混合気中の水素リッチガス４４４ａお
よび空気４４６ｂは、図１５または１６に示されるようにスパーク点火エンジン
４４９中に直接導入され得る。
水素リッチガス４４７は、エンジン４４９で消費され、これにより排気４５０
および機械出力４５３を生成する。機械出力４５３は、ジェネレータ４５４を駆
動するために使用され、電気４５６および／または電気４５５を生成する。図１
５にさらに示されるように、電気４５６は、廃棄変換ユニット４４１に対してい
くつかまたは全ての電気所要量を供給するために使用され得る。電気４５６は、
このシステムにおける他の電気所要量のために使用され得る（例えば、図１６に
示されるようにプラズマ燃料変換器４５７に電気４５６ｂを供給する）。電気４
５５は、売り物として使用される。
スパーク点火エンジン４４９の操作は、好適には、空気に対する燃料の希薄比
Φであり、高混合比である。例えば、Φの例示的な値は、０．４〜０．７であり
、好適には、約０．５である。混合比ｒの例示的な値は、１２〜１５である。対
比において、ガソリンで操作される典型的なスパーク点火エンジンは、Φ＝１お
よびｒ＝１０である。さらに、ガスタービンは、Φが０．４以下の比率で操作さ
れ得る。
スパーク点火エンジンの効率は、超希薄操作を使用することによっておよそ２
０％の相対量によって増加され得ることが期待される（すなわち、効率は、例え
ばおよそ３０％から３６％まで増加され得る）が、これに限定するように構成さ
れるべきではない。さらに、約１５の混合比を利用することは、約１５％の効率
でさらに相対的に増加させることを期待する。従って、混合比を標準スパーク点
火値１０から約１５の値まで増加することによって、温度効率は、さらに３６％
から４２％まで増加され得る。Ｇａｎｅｓａｎ，Ｉｎｔｅｒｎａｌ Ｃｏｍｂｕ
ｓｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｓ，ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ，Ｉｎｃ．（１９９５）
を参照し、これを本明細書中で参考のために援用する。４２％の温度効率は、１
ＭＷ未満の出力の現在のガスタービン技術の効率よりも実質的に高い（例えば、
１００ｋＷレベルのガスタービンは約３０％の効率を有する）。さらに、このス
パーク点火エンジンは、一般的に高価ではなく、一般的にストップおよびスター
トがより簡単である。しかし、希薄操作を使用するガスタービンは本発明におい
て適用され得ることには注意されるべきである（例えば、図１Ａのタービン５２
を参照）。
超希薄操作は、ＮＯＸ放出を劇的に減少し得る。ＮＯＸレベルは、標準化学量
論的操作を使用して生成されるＮＯＸの１０倍以上少なくなり得ることが期待さ
れる。等価比が超希薄モード操作における上端（Φ＝０．７）未満に減少される
ように、ＮＯＸ放出は減少する等価比と共に減少する。さらに、水素リッチガス
は、典型的に、炭化水素の小さい比のみを含み得、小さいレベルの炭化水素のま
さに完全燃焼になることが期待されるので、炭化水素の放出は、とても小さくな
り得る。さらに、一酸化炭素（ＣＯ）の放出は、ＣＯの高い燃焼量のために低く
なることが期待される。さらなるＣＯの減少は、単純な酸化触媒の使用によって
得られ得る。例えば、再び図１５を参照すると、排気４５０は、酸化触媒４５１
と組み合わされ、低汚染排気４５２を生成し得る。本発明の使用に適する酸化触
媒は、プラチナおよびイリジウムを含むが、これに限定されない。エンジン４４
９からの排熱の使用は、排熱発電において加熱および／または他のアプリケーシ
ョンのための蒸気を提供し得る。
本発明によって生成されるＮＯＸ、ＣＯ炭化水素、炭化水素および微粒子のレ
ベルは、小さいディーゼルジェネレータ出力ステーションからの放出レベルより
も著しく低くなることが期待される。本発明による放出レベルはまた、比較的大
出力容量を有するプラントを生成する天然ガス燃焼タービンの電気よりも大きく
ならないことが期待される。この天然ガス燃焼タービンは、大規模な汚染制御装
置を有する。
廃棄処理ユニット４４１からの水素リッチガス４４２の生成が内部燃焼エンジ
ン４４９のパワーとして十分でない場合、図１５および図１６に示されるように
超希薄のスパーク点火エンジン操作を続けるためにエンジン４４９へ正確な量の
補給燃料４４８（例えば、天然ガス）を直接加えることが望まれる。図１６は、
本発明の使用に適したスパーク点火エンジンと追加の燃料システムの統合を示す
。
図１６に示されるシステム４４０は、図１５に示されるシステム４４０に類似
するが、プラズマ燃料変換器４５７（これの使用は図１７の例に示されるように
自動的に制御され得る）を含む。図１６に示されないが、システム４４０がエン
ジン吸気系統／ターボチャージャ４４５（図１５に示されるように）およびプラ
ズマ燃料変換器４５７を使用することを用い得ることは明らかである。
図１６にさらに示されるように、プラズマ燃料変換器４５７は、追加の水素リ
ッチガス４６０をスパーク点火エンジン４４９に供給され得る。このことは、水
素リッチガス４４４（および／または補給燃料４４８）の量が所望の希薄操作モ
ードおよび高混合比の使用においてエンジン４４９のパワーとして不十分である
場合に、望ましいまたは必要である。
プラズマ燃料変換器４５７は、補給燃料源４５８からの補給燃料４５９を受け
取り、この燃料４５９を水素リッチガス４６０中に再編成する。本発明の使用に
適するプラズマ燃料変換器は、Ｒａｂｉｎｏｖｉｃｈらによる米国特許第５，４
２５，３３２号および５，４３７，２５０号に開示されるプラズマ燃料変換器を
含むがこれに限定されず、米国特許第５，４２５，３３２号および第５，４３７
，２５０号の両方は、参考のために本明細書中で援用する。従って、水素リッチ
ガス４４４および４４６は、希薄モードのエンジン４４９の操作を保証するため
に使用され得る。
従って、本発明によりエンジン４４９に燃料を供給する多様な組み合わせは、
希薄モードおよび／または高混合比の使用の操作を保証することを可能にし、こ
れにより、コスト効果および環境的に魅力的なシステムを高効率に提供する。例
えば、廃棄変換ユニット４４１からの水素リッチガス４４４は、単体で使用され
得、燃料をエンジン４４９に供給する。あるいは、水素リッチガス４４４は、比
例してエンジン４４９の補給燃料４４８（例えば、天然ガス）と組み合わされ得
、エンジン４４９の希薄操作は保持される。プラズマ燃料変換器４５７はまた、
補給の水素リッチガス４６０を水素リッチガス４４４と共に、または、水素リッ
チガス４４４および補給燃料４４８と共にエンジン４４９に供給するために利用
され得る。
プラズマ燃料変換器の補給燃料および／または操作が所望または必要であると
きを判別するための例示の自動制御システムが図１７に示される。補給燃料が工
程４６１において必要であると決定されると、次に、補給燃料は直接エンジン４
４９中に加えられるべきかどうか、または、補給燃料は、水素リッチガス７６０
の生成のためにプラズマ燃料変換器４５７に加えられるかどうかを工程４６２で
決定される。
補給燃料がエンジン４４９に直接加えられる（工程４６３）と、補給燃料は、
混合された燃料操作の希薄限界状態が満たす前まで加えられる。次に、追加の水
素リッチガス４４４および／または水素リッチガス４６０は、適切になるように
加えられ得る。
エンジン４４９中への水素リッチガスの追加は、工程４９３によって制御され
得る。例えば、補給燃料は自動的に制御され、所定の状況に基づいたエンジン４
４９および／またはプラズマ燃料変換器４５７に直接導入され得る。
上述されたように、ジェネレータ４５４で生成される電気は、廃棄変換ユニッ
ト４４１のいくつかまたは全ての電気要求４５６ａを供給するために使用され得
る。電気はまた、このシステムにおける他の電気要求のために使用され得る（例
えば、図１６に示されるようなプラズマ燃料変換器４５７への電気４５６ｂの供
給を参照）。電気４５８は、売り物として使用される。
本発明の代わりの実施形態において、廃棄変換ユニットからの発生気体は、不
燃焼プロセスで使用され得る。このことは、不燃焼システム（図１８および図１
９を参照）において統合型の制御されたプラズマガラス化燃料電池（ＣＰＧ−Ｆ
Ｃ）によって成し遂げられる。制御されたプラズマガラス化（ＣＰＧ）システム
は、制御されたプラズマガラス化システムにおいて処理される廃棄物からの電気
エネルギーの効率的および環境的に有利な生成である燃料電池システムと統合さ
れ得る。
本明細書中に使用されるように、「制御されたプラズマガラス化ユニット」は
、本発明の廃棄変換ユニットを含む。さらに、「制御されたプラズマガラス化」
および／または「プラズマ増幅溶解装置」（ＰＥＭ）は、本発明の廃棄変換ユニ
ットの廃棄物を処理するプロセスを援用する。
例えば、モルテンカーボネート燃料電池（ＭＣＦＣ）は、本発明の廃棄変換ユ
ニットと共に使用され、不燃焼プロセスにおいて廃棄物燃焼ユニットの発生気体
から電気を生成し得る。制御されたプラズマガラス化は、炭質を処理するときに
炭化水素、一酸化炭素、メタン、二酸化炭素および微量の他のガスの最初に構成
される生成ガスまたはオフガスを生成する。制御されたプラズマガラス化システ
ムから生成されるガスは、モルテンカーボネート燃料電池の燃料（除去される廃
棄した蒸気からの不純物と共に）に理想的に適し得る。
制御されたプラズマガラス化燃料電池（ＣＰＧ−ＦＣ）システムは、役立つ電
気エネルギー中に廃棄物の変換に対して不完全燃焼プロセスを提供する。燃焼シ
ステム（例えば、蒸気タービンジェネレータシステムに組み合わされた焼却炉）
または他の燃焼技術（例えば、ガスタービンまたは内部燃焼ジェネレータセット
）に反して、本発明による制御されたプラズマガラス化システム−燃料電池シス
テムは、燃料ガスの化学エネルギーを、電気化学反応を介して電気エネルギーに
変換する。
モルテンカーボネート燃料電池は、電気化学電池の電解質として作用する基質
でサポートされるアルカリカーボネートの混合物の使用を含む。限定するように
構成されるべきでないので、リチウムアルミネート（ｌｉｔｈｉａｔｅｄ ａｌ
ｕｍｉｎａｔｅ）基質は、本発明において利用され得る。電池のカソードにおい
て、酸素は次に示すように、カーボネートイオンを形成するようにリチウムニッ
ケル酸化物電極表面上の二酸化酸素および電子と反応する。
１／２Ｏ２＋ＣＯ２＋２ｅ−→ＣＯ３ ２− （６）
電池のアノードにおいて、次に示すように水素がカーボネートと反応し、蒸気お
よび二酸化炭素を形成するとき、初めに水素の酸化が生じる。
Ｈ２＋ＣＯ３ ２−→Ｈ２Ｏ＋ＣＯ２＋２ｅ− （７）
電池のアノードのコンパートメントにおいて生成されるＣＯ２は、単一ガス（
ｓｉｍｐｌｅ ｇａｓ）の分離技術（例えば、圧力旋回吸着（ＰＳＡ））を使用
するカソードに実際に再循環される。反応（６）および（７）から理解できるよ
うに、電子は電池のカソードにおける回路から得られ、そして電子はアノードに
おける回路中に到達される。これらの初期反応を使用すると、水素燃料の電気エ
ネルギーへの不燃焼変換が成し遂げられる。
図１８を参照すると、本発明による制御されたプラズマガラス化燃料電池シス
テムを利用するためのフロー図が示される。システム４６４は、廃棄変換ユニッ
トから除去するガス４６８のオフガス清浄ユニット４６５を含む。燃料電池４６
６（例えばＭＣＦＣ）は、清浄ユニット４６５に接続され、清浄ユニット４６５
からのガス４６９は、燃料電池４６６で使用され得る。ガス４６９は、主に水素
、一酸化炭素およびメタンを含むことが期待される。しかし、追加のガスがまた
含まれ得る。
モルテンカーボネート燃料電池は、電気化学電池４６６の電解質４７７として
作用する基質（例えば、リチウムアルミネート基質）にサポートされるアルカリ
カーボネートの混合物の使用を含む。空気４７６からの酸素は、上記の反応（６
）に示されるように燃料電池４６６のカソード４７１で酸化リチウムニッケル電
極表面の二酸化炭素および電子と反応する。従って、カーボネートイオンが形成
され、電子はカソード４０７で消費される。最初の水素の酸化は、酸素がカソー
ド４７１で形成されたカーボネートと反応するときに燃料電池４６６のアノード
４７０で生じる。従って、水蒸気および二酸化炭素が形成され、電子は、前述の
反応（７）によって回路中に到達される
燃料電池４６６のアノード４７０の区画に生成されるＣＯ２は、実際にカソー
ド４７１に再循環される。このことは、単一ガスの分別技術（例えば、圧力旋回
吸着（ＰＳＡ））を使用して成し遂げられ得る。従って、二酸化炭素および他の
ガス４７２は、圧力旋回吸着によってユニット４６７で分別され得る。次に、二
酸化炭素４７５は、カソード４７１に再循環され得る。二酸化炭素４７５はまた
、カソード４７１への導入前および／または導入中に空気４７６の所定量と混合
され得る。
燃料電池４６６のカソード４７１から除去されたガス４７４は、主にＯ２およ
びＣＯ２を含み得る。Ｏ２およびＣＯ２を含む、ユニット４６７からのガスは、
プロセス排気としてガス４７４と組み合わされ得る。これらのガスは適切に処理
され得る。
本発明による制御されたプラズマガラス化燃料電池システムから周囲へのガス
放出が極端に低いと予測される。制御されたプラズマガラス化は、重金属、有害
有機化学種（例えば、ダイオキシン、フラン、および微粒子）の非常に低い放出
を有すると予測される。例えば、水素および一酸化炭素で動作する溶融炭酸塩型
燃料電池（ＭＣＦＣ）のような燃料電池からの有害な放出はない。制御されたプ
ラズマガラス化プロセスからの排気ガスは極端に低い有害な放出を有し、このガ
スが燃料電池を通過する場合、実際にこのガスはさらに清浄化され、それにより
極端に低い放出システムを生じることが期待される。
溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）は、蒸気改質反応によってアノード領域内
の有機化合物をさらに処理する能力を有することが示されてきた。従って、制御
されたプラズマガラス化からの任意の軽量炭化水素放出が溶融炭酸塩型燃料電池
内の燃料として利用されることが期待される。いくつかの状況では、制御された
プラズマガラス化からの一酸化炭素の放出が約１０〜５０％の範囲にあり得るこ
とが理解される。
一酸化炭素の制御されていない放出は望ましくない。しかし、本発明は、溶融
炭酸塩型燃料電池を使用し、以下の反応（８）または（９）に示されるように、
直接または間接的に、燃料としてＣＯの大部分を利用する。
ＣＯ＋ＣＯ３ ２−→２ＣＯ２＋２ｅ− （８）または
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→Ｈ２＋ＣＯ２ （９）
反応（８）は、ＣＯの直接的な電気化学的酸化を含むが、反応（９）は、Ｈ２を
生成する水−ガスシフト反応を含む。従って、反応（９）は、上述の反応（７）
で説明したように溶融炭酸塩型燃料電池内の燃料として効率的に使用される。
本発明の制御されたプラズマガラス化システム（すなわち、本発明の廃棄物変
換ユニット）は、アークプラズマの制御された動作により、揮発性金属の非常に
低い放出を有することが予測される。制御されたプラズマガラス化プロセスのア
ークプラズマは、入来供給材料を有用なガス（すなわち、Ｈ２、ＣＯ、ＣＨ４）
に変換し、ガラス溶融物に溶解させるための無機物質を予熱するために必要な電
力レベルでのみ動作される。他のプラズマシステムおよび部分酸化熱分解プロセ
スは、揮発性金属の高い微粒子放出を与える。揮発性重金属は、溶融炭酸塩型燃
料電池の動作に大いに関係する。鉛、水銀、ヒ素、セレン等の金属は、溶融炭酸
塩型燃料電池の性能を著しく劣化させる原因として全て公知である。他の重金属
もまた性能劣化を引き起こすが、これらの金属よりも劣化の程度が低い。従って
、本発明による制御されたプラズマガラス化等の熱分解プロセス（すなわち、本
発明の廃棄物変換ユニット）と、溶融炭酸塩型燃料電池との結合は、他の廃棄物
処理技術との結合に対して大きな利点を有する。
溶融炭酸塩型燃料電池および固体酸化物型燃料電池は、燃料および酸化剤ガス
ストリーム内の低レベルの汚染物質を許容し得る最適の燃料電池である。従って
、制御されたプラズマガラス化は、非常に低レベルの放出を有するように期待さ
れていても、アルカリ燃料電池（ＡＦＣ）、リン酸塩型燃料電池（ＰＡＦＣ）、
またはプロトン移動膜（ＰＥＭ）型燃料電池等の燃料電池を動作不能にし得る現
存する汚染物質のレベルがなお存在し得る（しかし、このような汚染物質は、こ
のような燃料電池を使用するために、燃料電池に導入される前に除去され得る）
。水−ガスシフト反応（すなわち、ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→Ｈ２＋ＣＯ２）および圧力変
動の吸収を用いて、水素および一酸化炭素の混合物を精製された水素のストリー
ムに変換し、精製された水素ストリームを精製することが可能である。これによ
り、ＡＦＣ、ＰＡＦＣ、およびＰＥＭシステム等の他のタイプの燃料電池を制御
されたプラズマガラス化技術と統合することを可能にする。
高温ガス清浄システムは、制御されたプラズマガラス化プロセスとともに使用
されて比較的清浄な燃料ガスを燃料電池に供給する。例えば、工業的に利用可能
な乾燥Ｃａ（ＯＨ）２洗浄技術が本発明によって使用され得る。本発明の実施形
態における主要な利点は、大部分のウエット洗浄装置システムの場合におけるよ
うな予熱を必要としないかもしれないことである。制御されたプラズマガラス化
プロセスが低い揮発性金属放出を有するように期待されたため、熱乾燥洗浄技術
が可能になる。他のプラズマシステムは、他の不揮発性金属が燃料電池に到達せ
ず、かつ、燃料電池を汚染しないことを確実にするように追加のガス洗浄を要す
る。
溶融炭酸塩型燃料電池の効率は、５０〜６０％（すなわち、化学エネルギー対
ＡＣ出力）の範囲で示されてきた。これにより、効率４５％に近づく現在の技術
のガスタービン発生器の効率とボトミングサイクルの効率とを有利に比較する。
例示の予言的な例では、制御されたプラズマガラス化システムは、効率４０％の
ガスタービン発生器システムを用いる場合と比較した場合、正味の電気エネルギ
ーの少なくとも２倍のエネルギーを生成し得る。表８は、予測された効率改善の
要約を提供し、本発明の実施形態による制御されたプラズマガラス化燃料電池シ
ステムを使用することが理解され得る。
Figure 2006019259
制御されたプラズマガラス化燃料電池（ＣＰＧ−ＦＣ）システムは、電解質の
管理に関して相乗的に作用する。溶融炭酸塩型燃料電池は、他のタイプの燃料電
池よりも汚染物質排出の影響を受けにくいが、硫黄および塩素で汚染された場合
に性能の劣化を示し得る。溶融炭酸塩型燃料電池の標準動作の代替的なアプロー
チは、電解質の連続的な補充を可能にし、消費した電解質の制御されたプラズマ
ガラス化チャンバ内への取り込みを可能にする。
制御されたプラズマガラス化燃料電池（ＣＰＧ−ＦＣ）システムの他の独特の
局面は、制御されたプラズマガラス化チャンバからの廃熱の可能な利用を含み、
溶融炭酸塩型燃料電池を休止状態にして、その型燃料電池の熱サイクルを除去ま
たは最小化することを含む。熱サイクルは、漏れおよびセラミック構成要素のク
ラックの形態で溶融炭酸塩型燃料電池内に欠陥が導入されることが知られている
。たいていの場合、制御されたプラズマガラス化は休止状態にされ、制御された
プラズマガラス化チャンバからの廃熱は、制御されたプラズマガラス化冷却ガス
（空気）ストリームの形態で、そしてアノードガスディストリビュータおよびカ
ソードガスディストリビュータを通る燃料電池への経路決定を容易にし得る。熱
いガスは、熱サイクルを回避するのに十分なエネルギーを燃料電池に伝達する。
制御されたプラズマガラス化と溶融炭酸塩型燃料電池との統合を図１９に示す
。制御されたプラズマガラス化システムが、全システムが互いに独立して動作す
ることに対する主要な利点を有するような相乗効果的な方式で溶融炭酸塩型燃料
電池にどのようにして統合され得るかを図１９から理解し得る。
システム４７８は、本発明による、廃棄物変換ユニット４８０、排気ガス洗浄
ユニット４６５、燃料電池４６６、および分離ユニット４６７（例えば、圧力変
動吸収ユニット）を含む。
冷却空気４８１は、水とともにまたは水なしで使用され、炉または廃棄物変換
ユニット４８０（本明細書では、制御されたプラズマガラス化ユニットとも呼ば
れる）を冷却し得る。またいくつかの例では、ユニット４８０は水のみを用いて
冷却され得る。上述したように、ユニット４８０内で形成されるガラス化または
ガラス化可能な生成物４８３が、ユニットから除去され得る。ガス４８２は、ユ
ニット４８０から燃料電池４６６に直接導入され得る。ガス４８２は主に空気を
含み、冷却ジャケット内で予熱され、カソードへの熱衝撃を除去して燃料電池の
休止状態温度を維持する。好ましくは、ガス４８２は、燃料電池４６６のカソー
ド４７１に導入される。またガス４８２は、燃料電池のカソードへの導入の前ま
たは燃料電池のカソードへの導入の間、二酸化炭素リサイクル４７５と混合され
得る。
主に水素、一酸化炭素、およびメタンを含むガス４６８は、ユニット４８０を
出て、ユニット４６５内で洗浄される。洗浄装置またはユニット４６５からの固
体および／または微粒子がさらに処理され得る。例えば、ユニット内で処理する
ために、固体４８６（燃料電池４６６からの消費された電解質４８９を含み得る
）が、ユニット４８０によってリサイクルされ得るが、洗浄固体４８５がリサイ
クルされて洗浄ユニット４６５内で再処理され得る。
ガス４６９は、アノードで燃料電池４６６に導入される。本明細書中で説明さ
れるように、アイドル加熱空気４７９は、ユニット４８０からの加熱によって加
熱され得る。空気４８７は、熱交換器４７９から燃料電池４６６に直接導入され
得る。
上述のように、ガスが燃料電池４６６内で処理される。必要な場合または所望
される場合に、新しい電解質４８８が燃料電池４６６に与えられる。ガス４７４
は、スタックに伝達されるかまたはユニット４６７によってリサイクルされる。
ガス４７２はユニット４６７（例えば、圧力変動吸収ユニット）に伝達される。
二酸化炭素４７５は、カソード４７１にリサイクルされ、ガス４７３はスタック
に伝達されるかまたはこれらのガスはユニット４８０によってリサイクルされる
。
ユニット４８０への供給速度に応じて、ガス４７４の一部はパージガス４８４
としてユニット４８０でリサイクルされ得る。
燃料を溶融炭酸塩型燃料電池に供給する通常のアプローチは、リフォーミング
供給およびリフォーマに熱エネルギーを供給する炎両方において、燃料としてメ
タンを用いる部分酸化リフォーミングの使用またはスチームリフォーミングによ
るものである。制御されたプラズマガラス化燃料電池システムは、エネルギー変
換に対して改良された非燃焼廃棄物を供給することが期待される。制御されたプ
ラズマガラス化燃料電池システムからの超低放出は、燃料燃焼電気エネルギー発
生システムである焼却システムまたは熱分解システム等の燃料プロセスのシステ
ム放置に対してこれらのシステムの設置を可能にすることが期待される。廃棄材
料の有用な化学エネルギーを電気エネルギーに変換するための溶融炭酸塩型燃料
電池の高い効率は、廃棄物からの資源の回収を最大化する際に制御されたプラズ
マガラス化燃料電池システムを改良されたプロセスにする。これにより多くの観
点から社会に利益を与える。ほとんどの廃棄物におけるほとんどの有用なリサイ
クル可能な回収はエネルギーである。エネルギーの回収を最大化することは主要
な利益となり得る。エネルギー回収を最大化することに加えて、制御されたプラ
ズマガラス化は、廃棄物の一部を安定した浸出不可能なガラスに変換し得、有害
な流出物の放出を最小化する。溶融炭酸塩型燃料電池と本発明の廃棄物変換ユニ
ットとの結合は、廃棄物のエネルギーへの清浄な変換のための最適化プロセスお
よびリサイクル可能な生成物を供給することによって、流出物を超低レベルまで
さらに最小化するように作用する。
上記で開示された特定の実施形態が本発明の同じ目的を実行するために他の構
造を改変または設計するための基礎として容易に利用されることが当業者によっ
て理解される。またこのような等価な構成は、添付の請求の範囲に記載されたよ
うに本発明の精神および範囲から逸脱しないことが当業者によって理解されるべ
きである。
図１Ａは、本発明によるアークプラズマ炉およびジュール加熱の溶融装置の実施形態を示し、ここで、炉および溶融装置は、共通の溶融浴を有する完全に一体化されたシステムとして形成される。 図１Ｂは、完全に一体化されたアークプラズマ炉および溶融装置を示し、ここで、溶融装置部分の電極は、アークプラズマ−溶融装置ユニットの垂直部分に対して一定の角度をなして配置される。 図１Ｃは、本発明による誘導性の加熱および混合のための磁気コイルと共に、図１Ｂの完全に一体化されたシステムを示す。 図１Ｄは、本発明の別の実施形態による二次熱ブーストを有する図１Ｃの完全に一体化されたシステムを示す。 図１Ｅは、完全に一体化されたアークプラズマ−ジュール加熱の溶融装置に関する別の構成を示す。 図１Ｆは、完全に一体化されたアークプラズマ−ジュール加熱の溶融装置に関する別の構成を示す。 図１Ｇは、完全に一体化されたアークプラズマ−ジュール加熱の溶融装置に関する別の構成を示す。 図１Ｈは、完全に一体化されたアークプラズマ−ジュール加熱の溶融装置に関するさらに別の構成の平面図を示す。 図１Ｉは、完全に一体化されたアークプラズマ−ジュール加熱の溶融装置に関するさらに別の構成の平面図を示す。 図１Ｊは、完全に一体化されたアークプラズマ−ジュール加熱の溶融装置に関するさらに別の構成の平面図を示す。 図１Ｋは、本発明に使用される例示的な供給システムを示す。 図１Ｌは、本発明のユニットに使用されることに適している例示的な出口の導管を示す。 図２は、単独で制御可能な電力送出システムを有する完全に一体化されたアークプラズマ炉およびジュール加熱の溶融装置のシステムを示す。 図３Ａは、本発明の完全に一体化されたシステムに使用されるＡＣ電力システムおよびＤＣ電力システムを示す。 図３Ｂは、本発明の完全に一体化されたシステムに使用されるＡＣ電力システムおよびＤＣ電力システムを示す。 図４Ａは、本発明によって使用される電極の構成およびジオメトリの平面図を示す。 図４Ｂは、本発明によって使用される電極の構成およびジオメトリの平面図を示す。 図４Ｃは、本発明によって使用される電極の構成およびジオメトリの平面図を示す。 図４Ｄは、本発明によって使用される電極の構成およびジオメトリの平面図を示す。 図５は、共通の溶融浴に望ましくない電気相互作用を引き起こすことなく、ジュール加熱電極にＡＣ電力を供給し、アーク電極にＤＣ電力を供給するために共通の変圧器の二次巻線を使用する能力を有する回路図を示す。 図６は、本発明に使用されることに適している別のＤＣアーク回路図を示す。 図７Ａは、本発明に使用されることに適しているさらに別のＤＣアーク回路図を示す。 図７Ｂは、本発明に使用されることに適しているさらに別のＤＣアーク回路図を示す。 図８Ａは、１つのアーク電極を有する本発明のシステムに使用される単独のアーク電圧およびアーク電流制御を有するＤＣアーク回路を示す。 図８Ｂは、２つのアーク電極を有する本発明のシステムに使用される単独のアーク電圧およびアーク電流制御を有するＤＣアーク回路を示す。 図８Ｃは、３つのアーク電極を有する本発明のシステムに使用される単独のアーク電圧およびアーク電流制御を有するＤＣアーク回路を示す。 図８Ｄは、３つのアーク電極を有する本発明のシステムに使用される単独のアーク電圧およびアーク電流制御を有するＤＣアーク回路を示す。 図８Ｅは、３つのアーク電極を有する本発明のシステムに使用される単独のアーク電圧およびアーク電流制御を有するＤＣアーク回路を示す。 図９Ａは、１つのアーク電極を有する本発明のシステムに使用される単独のアーク電圧およびアーク電流制御を有するＡＣアーク回路を示す。 図９Ｂは、２つのアーク電極を有する本発明のシステムに使用される単独のアーク電圧およびアーク電流制御を有するＡＣアーク回路を示す。 図９Ｃは、２つのアーク電極を有する本発明のシステムに使用される単独のアーク電圧およびアーク電流制御を有するＡＣアーク回路を示す。 図９Ｄは、３つのアーク電極を有する本発明のシステムに使用される単独のアーク電圧およびアーク電流制御を有するＡＣアーク回路を示す。 図９Ｅは、４つのアーク電極を有する本発明のシステムに使用される単独のアーク電圧およびアーク電流制御を有するＡＣアーク回路を示す。 図１０Ａは、１つのアーク電極を有する本発明のシステムに使用される単独のアーク電圧およびアーク電流制御を有するＡＣまたはＤＣアーク回路を示す。 図１０Ｂは、２つのアーク電極を有する本発明のシステムに使用される単独のアーク電圧およびアーク電流制御を有するＡＣまたはＤＣアーク回路を示す。 図１０Ｃは、２つのアーク電極を有する本発明のシステムに使用される単独のアーク電圧およびアーク電流制御を有するＡＣまたはＤＣアーク回路を示す。 図１０Ｄは、３つのアーク電極を有する本発明のシステムに使用される単独のアーク電圧およびアーク電流制御を有するＡＣまたはＤＣアーク回路を示す。 図１０Ｅは、３つのアーク電極を有する本発明のシステムに使用される単独のアーク電圧およびアーク電流制御を有するＡＣまたはＤＣアーク回路を示す。 図１０Ｆは、３つのアーク電極を有する本発明のシステムに使用されるＡＣまたはＤＣアーク回路を示す。 図１１Ａは、２つのジュール加熱電極を有する本発明のシステムに使用されるＡＣジュール加熱電気システムを示す。 図１１Ｂは、２つのジュール加熱電極を有する本発明のシステムに使用されるＡＣジュール加熱電気システムを示す。 図１１Ｃは、３つのジュール加熱電極を有する本発明のシステムに使用されるＡＣジュール加熱電気システムを示す。 図１１Ｄは、３つのジュール加熱電極を有する本発明のシステムに使用されるＡＣジュール加熱電気システムを示す。 図１１Ｅは、４つのジュール加熱電極を有する本発明のシステムに使用されるＡＣジュール加熱電気システムを示す。 図１１Ｆは、４つのジュール加熱電極を有する本発明のシステムに使用されるＡＣジュール加熱電気システムを示す。 図１１Ｇは、６つのジュール加熱電極を有する本発明のシステムに使用されるＡＣジュール加熱電気システムを示す。 図１１Ｈは、６つのジュール加熱電極を有する本発明のシステムに使用されるＡＣジュール加熱電気システムを示す。 図１１Ｉは、本発明によってジュール加熱を提供する別の実施形態を示す。 図１２は、金属、非ガラス形成廃棄物、および、低灰生成有機体を処理することに適している本発明の別の実施形態を示す。 図１３Ａは、本発明によって、金属、非ガラス形成廃棄物、および、低灰生成有機体を処理するための炉および溶融された酸化物プールを示す。 図１３Ｂは、本発明によって金属を処理するための炉および溶融された酸化物プールを示す。 図１４Ａは、本発明によって、非ガラス形成廃棄物、および、低灰生成有機体を処理するための炉および溶融された酸化物プールを示す。 図１４Ｂは、本発明によって、非ガラス形成廃棄物、および、低灰生成有機体を処理するための炉および溶融された酸化物プールを示す。 図１５は、本発明によって、廃棄物変換ユニットから電気を生成する間のＮＯｘの放出を低減させるエネルギー変換システムを示す。 図１６は、本発明の別の実施形態によって、廃棄物変換ユニットから電気を生成する間のＮＯＸの放出を低減させるエネルギー変換システムを示す。 図１７は、本発明によって、廃棄物変換ユニットから電気を生成する間の低ＮＯＸ放出の生成と共に使用される自動制御ロジックを示す。 図１８は、本発明の廃棄物変換ユニットと共に、燃料電池を使用するシステムを示す。 図１９は、本発明の廃棄物変換ユニットと共に、燃料電池を使用するシステムを示す。

Claims (1)

  1. 廃棄物変換ユニットであって、
    第１、第２、および第３のアークプラズマ電極と、
    該第１、第２、および第３のアークプラズマ電極に接続された第１の電源であ
    って、該アークプラズマ電極の各々と該ユニット内の溶融池との間に生成される
    アークプラズマが、溶融池の先端または溶融池内に生成されることを特徴とする
    、第１の電源と、
    第１、第２、および第３のジュール加熱電極と、
    該第１、第２、および第３のジュール加熱電極に接続された第２の電源であっ
    て、該溶融池内に容量ジュール加熱を提供するように構成された、第２の電源と
    、
    を含み、
    該第１および第２の電源は、検知された処理パラメータに応答して、互いに有
    害な電気的相互作用が起こらないように、各々が別個に独立して制御されるよう
    に構成される、
    廃棄物変換ユニット。
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