JP2006097917A

JP2006097917A - プラズマ式溶融炉の制御方法

Info

Publication number: JP2006097917A
Application number: JP2004281738A
Authority: JP
Inventors: Tatsuo Kato; 龍夫加藤; Shinichiro Yagi; 紳一郎八木; Toshiro Tagami; 敏郎田上
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2004-09-28
Filing date: 2004-09-28
Publication date: 2006-04-13

Abstract

【課題】電極の損耗を低減しかつ溶融能力の変動を抑制することができるプラズマ式溶融炉の制御方法を提供する。
【解決手段】軸方向に並置された後部電極６１ａ及び前部電極６１ｂと各電極を取り囲む電磁コイル６５ａ、６５ｂとを有する複数のプラズマトーチ６ａ、６ｂを備えたプラズマ式溶融炉１の制御方法において、後部電極６１ａと前部電極６１ｂとの間に作動流体を供給しながら、両電極間に供給する電流を変化させることにより、そのアーク根が軸方向に移動するプラズマアークを発生させるとともに、各プラズマトーチ６ａ、６ｂに供給する電力の和を一定に維持する。
【選択図】図２

Description

本発明は、プラズマトーチにより発生したプラズマを含む熱源で廃棄物を直接溶融するプラズマ式溶融炉を制御する方法に関する。

従来から、家庭や工場などから排出される一般廃棄物を処理するために、種々の廃棄物処理設備が使用されているが、安全でかつ低コストの運転が可能で、ダイオキシンなどの有害物質の発生が大幅に低減できるなどの利点を有するプラズマ式直接溶融炉（以下プラズマ式溶融炉という）が実用化されている。このプラズマ式溶融炉は、プラズマ及びコークスを熱源として、ごみの乾燥、熱分解、燃焼、溶融を一体の炉で行うために、例えばごみやコークスなどの投入口を有するシャフト炉の中間に複数の羽口を設けかつその底部に複数のプラズマトーチを備えた構造を有する。この溶融炉では、化石燃料に比べて熱効率の高いプラズマを使用するので、運転経費を削減することができる。

上記のプラズマ式溶融炉においては、一対の電極を内蔵する非移送式のプラズマトーチが使用されるとともに、電極の損耗を低減するために、それを取り囲む電磁コイルに供給する電流を制御することにより、プラズマアークを回転させ、その接地点をずらしながら運転が行われる。例えば、特許文献１には、冷却流体の通路をその内部に有する同軸上の管状電極を２個持ち、筒状電極内にプラズマ作動ガスを供給する構造を有し、その電極内面でアークを発生させるプラズマトーチにおいて電極の長寿命化を図るために、アーク電流を制御するか、又は前部電極の周囲に磁気コイルを設け、アーク電流を変化させかつコイルに流す電流を周期的に変化させることが記載されている。

特許文献２には、非移送式プラズマトーチの電極の損耗を抑制するために、下流側の筒状電極（前部電極）の表面が十分冷却された管状部分の下流側の開放外方端部に軸方向に段差を設け、アークの根が段差部分に着弧するように、プラズマ旋回流発生装置と電源装置を調和させる装置を設けることが記載されている。
特開７−２１１４８６号公報（第２−４頁、図２〜４）特開８−１２４６９７号公報（第２−３頁、図２）

しかしながら、特許文献１に記載されたプラズマトーチ単独でこのような制御を行う場合は、特別な不具合は生じないが、複数のプラズマトーチを備えた溶融炉で個々のプラズマトーチの出力をこのように制御すると、炉の溶融能力が変動して、安定した操炉ができないという問題がある。特許文献２に記載されたプラズマトーチによれば、前部電極に形成された段差（エッジ）は溶損するので、長時間の使用では着弧位置が変化してしまい、アークが不安定になるという問題がある。

本発明の目的は、電極の損耗を低減しかつ溶融能力の変動を抑制することができるプラズマ式溶融炉の制御方法を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明のプラズマ式溶融炉の制御方法は、軸方向に並置された一対の円筒状電極と前記各電極を取り囲む電磁コイルを有するプラズマトーチを複数備え、該プラズマトーチから供給する高温ガスにより廃棄物を溶融するプラズマ式溶融炉の制御方法において、前記電極間に作動ガスを供給しながら、前記円筒状電極と前記電磁コイルに供給する電流を変化させることにより、そのアーク根が軸方向に移動するプラズマアークを発生させるとともに、前記各プラズマトーチに供給する電力の和を一定に維持することを特徴とするものである。

本発明においては、一部のプラズマトーチに供給される電流は段階的に増加するように制御し、別の一部のプラズマトーチに供給される電流は段階的に減少するように制御することが好ましい。

本発明によれば、プラズマアークを回転させ、その接地点をずらしながら運転が行われるので、電極の局部的な損耗を低減することができる。しかもプラズマトーチに供給する電力の和を一定に維持するので、溶融能力の変動を抑制することができる。

以下本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。図１は本発明が適用されるプラズマ式溶融炉の一例を示す概略断面図、図２はプラズマトーチの一例を示す概略断面図、図３は作動ガスの流量と電力との関係を示す図である。

図１に示すように、プラズマ式溶融炉１は、上部にごみなどの投入口３を有しかつ底部に出滓口４を有する円筒状の炉体２と、その内部に燃焼空気を供給するために投入口３の下方に設けられた、炉体２の周方向に等分配置される複数の羽口からなる羽口５ａ、５ｂ、５ｃと、炉体２の底部付近に設けられた羽口５ａに装着された複数（図１では２本の例を示す）のプラズマトーチ６ａ、６ｂを備えている。この構成により、炉体２の内部には、上から下に向って燃焼ガスの通路となるフリーボード部２１、ごみの乾燥・熱分解・部分燃焼が行われる熱分解帯２２、熱分解残さ・不燃物の溶融・過熱が行われる溶融帯２４が形成される。

図２に示すように、プラズマトーチ６ａ（６ｂ）は、プラズマアークの上流側に位置する後部電極６１ａとそれと同軸に設置された、プラズマアークの下流側に位置する前部電極６１ｂからなる一対の円筒状電極と、両電極間に設置された、作動ガスの流路６３を有する円環状のスペーサ６２と、各電極の周囲に装着されたコイルホルダー６４ａ、６４ｂを有する。コイルホルダー６４ａ、６４ｂの内部には、電磁コイル６５ａ、６５ｂが収容されるとともに、その周囲に冷媒の通路６６ａ、６６ｂが形成されている。後部電極６１ａと前部電極６１ｂ及び電磁コイル６５ａ、６５ｂは直列に接続されるとともに、後部電極６１ａと前部電極６１ｂとの間に、直流電圧源７と制御回路８が直列に接続されている。制御回路８は、タイマーや各種スィッチなどを組合わせて、所定のガス流量毎に所定の電流（一段又は多段）が流れるような自動制御又は手動制御が行えるような回路構成とすることができる。

図１に示すプラズマ溶融炉１によれば、次のようにして、ごみ（例えば家庭から排出される可燃ごみ）の溶融が行われる。まず、図中矢印で示すように投入口３からごみとコークスと石灰石が投入されて、炉体２の底部にコークスベッド２３が形成される。次いでプラズマトーチ６の内部に作動ガス（例えば空気）が供給されかつ通電が開始さると、プラズマトーチ６で加熱された空気は、最下段の羽口５ａから供給された空気と混合されて、例えば２０００〜２５００℃のプラズマ空気（高温ガス）となり、炉体２の底部に向って供給される。炉体２の底部に形成されたコークスベッド２３は、高温の蓄熱体として作用するので温度変化が抑制されるとともに、空隙を確保するので、溶融物の円滑な流れとプラズマ空気の均一な分散を保証する。熱分解帯２２では、ごみが空気比を適正な値（例えば０．２〜０．４）に調整することにより、ごみの熱分解・ガス化が行われ、部分燃焼ガス、熱分解残さ及び不燃物に分離され（例えば６００〜１０００℃の温度になる）、このうち部分燃焼ガスは、フリーボード部２１（例えば６００〜１０００℃の温度になる）から二次燃焼炉（不図示）に流入する。溶融帯２４では、熱分解帯２２から降下した熱分解残さ中の可燃物とコークス中の炭素が、プラズマ空気により、１５５０〜１７００℃の高温で完全燃焼されるとともに、灰分と不燃物が溶融・過熱される。ここで、灰分などの無機物は溶融スラグとなり、ごみ中の金属類が溶融されて得られた溶融メタルとともに、湯溜まり部２５に一時的に貯留された後、出滓口４から炉外に連続的に排出することが可能である。ごみとともに投入された石灰石は、溶融帯２４で酸化カルシウムと二酸化炭素に分解し、酸化カルシウムは流動調節剤として作用して溶融スラグの内部に溶け込む。

プラズマ溶融炉１の運転中においては、プラズマトーチ６ａ（６ｂ）は次のように制御される。まず、スペーサ６２に設けられた流路６３からトーチの内部に作動ガス（例えば空気）が導入されるとともに、後部電極６１ａと前部電極６１ｂ間に通電することにより、アーク（例えば２０００〜２５００℃）が発生し、その結果プラズマトーチ６の先端（図面右側）から熱風が噴出されるので、上述したごみの溶融が行われる。プラズマトーチ６ａ、６ｂに通電が開始されると、電極の損耗を防止するために通路６６ａ、６６ｂに冷媒が供給される。

電極間に直流電流（例えば１００〜３００Ａ）が供給されることにより、プラズマアークは図中一点鎖線で示すように螺旋状に形成されるが、後部電極６１ａと前部電極６１ｂ間に供給する電流の値を段階的に変化させることにより、アークが回転してアーク根が軸方向に移動する。これは、電磁コイル６５ａ（６５ｂ）に通電することにより、電極の一端から他端に向う磁束が発生する。この磁束の軸方向成分とアーク根近傍の半径方向のアーク電流成分との相互作用により、アークに円周方向の力が作用するので、アーク根が円周方向に回転する。また、円周方向のアーク電流成分と前記磁界の半径方向の成分との相互作用により、アーク根は軸方向に移動する。したがって、アーク根と電極との接触位置が変化するので、アーク根との接触により電極が局部的に損耗するのを防止することが可能となる。

上記の電流の制御は、プラズマトーチ６ａ（６ｂ）においては、例えば図３に示すように、電極間に供給する電流を段階的に増加させ（Ｐ１〜Ｐ９：動作点）、一方、プラズマトーチ６ｂ（６ａ）においては、電極間に供給する電流を段階的に減少させるとともに、プラズマトーチ６ａに供給される電流とプラズマトーチ６ｂに供給される電流の和が略一定の範囲に収まるように制御される。すなわち、プラズマトーチ６ａ（６ｂ）の出力を大きくする場合は、他方のプラズマトーチ６ｂ（６ａ）の出力を下げるように制御される。作動ガス流量はプラズマトーチの出力に対して概略比例させる。供給する高温ガスの温度をほぼ一定に維持するためである。

上記のように各プラズマトーチの電流（電力）の制御を行うことにより、プラズマトーチ６ａ、６ｂに供給される電力の和は常に一定に維持されるので、溶融炉の溶融能力が一定に保たれて、低コストで安全な運転を行うことができる。一定に維持すべきプラズマトーチに供給される電力の和は処理する廃棄物の処理量や性状（低位発熱量等）により過不足のないようにその目標値を適宜変えて制御することが好ましい。

本発明の対象とするプラズマ溶融炉の概略断面図である。プラズマ溶融炉に設けられるプラズマトーチの概略断面図である。作動ガスの供給量と電力との関係を示す図である。

符号の説明

１：プラズマ溶融炉、２：炉体、２１：フリーボード部、２２：熱分解帯、２３：コークスベッド、２４：溶融帯、２５：湯溜まり部、３：投入口、４：出滓口、５ａ、５ｂ、５ｃ：羽口、６ａ、６ｂ：プラズマトーチ、６１ａ：後部電極、６１ｂ：前部電極、６２：スペーサ、６３：流路、６４ａ、６４ｂ：コイルホルダー、６５ａ、６５ｂ：電磁コイル、６６ａ、６６ｂ：通路、７：直流電源、８:制御回路

Claims

軸方向に並置された一対の円筒状電極と前記各電極を取り囲む電磁コイルを有するプラズマトーチを複数備え、該プラズマトーチから供給する高温ガスにより廃棄物を溶融するプラズマ式溶融炉の制御方法において、前記電極間に作動ガスを供給しながら、前記円筒状電極と前記電磁コイルに供給する電流を変化させることにより、そのアーク根が軸方向に移動するプラズマアークを発生させるとともに、前記各プラズマトーチに供給する電力の和を一定に維持することを特徴とするプラズマ式溶融炉の制御方法。
一部のプラズマトーチに供給される電流は段階的に増加するように制御し、別の一部のプラズマトーチに供給される電流は段階的に減少するように制御することを特徴とする請求項１記載のプラズマ式溶融炉の制御方法。