JP2007212047A - プラズマ分解炉 - Google Patents

Abstract

【課題】 溶融した物質の落下を阻止して高温の立体的なプラズマ形成空間内に保持し、空間内に物質を長時間保持して分子解離を実現する。
【解決手段】 処理室６内に投入された廃棄物Ｍは、分解領域に集積された導電性を有する多孔性の粒子である抵抗素子１１の積層上に落下し、分解領域に集積した粒状の抵抗素子１１，１１・・・が対のプラズマアーク電極５，５間に連なり、抵抗素子の集積隙間の範囲内に高温の立体的なプラズマの作用空間ＰＳが形成され、抵抗素子の集積上に落下した廃棄物は、抵抗素子１１の集積の範囲内に止まる限りプラズマ環境に曝されながら、高温プラズマに衝突されて解離し、物質における核力以外のすべての結合が断ち切られてその構成成分レベルに解離・融化する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、廃棄物中に含まれる金属，非金属，有機物を資源として分別回収するプラズマ分解炉に関するものである。

物質を分解していくと、それを構成する分子に行き着き、さらに分解すると原子に辿り着く。その原子の原子核と電子とを解離させると、原子核と電子は独立に運動するようになる。この状態が固体，液体，気体とは異なった第四の相プラズマ状態と言う。プラズマを物質の処理、例えば廃棄物をプラズマで分解する試みは、今までも各所で行われてきた。特許文献１には、有害有機物質で汚染された有機汚染廃棄物を溶融・分解する分解処理炉から発生する排気をプラズマ内の高温度域を通過させることによって完全無害化処理する方法が紹介され、特許文献２には、特定フロンや代替フロンを発泡剤として含む発泡樹脂を構成材とする廃棄物の無害化にプラズマを利用する方法が紹介され、特許文献３には、電極板間にプラズマ放電を誘起させ、排気ガス中のＰＣＢ，ダイオキシンなどの有機物質を分解，解離させる電気抵抗式溶融炉が記載されている。

特許文献４には、さらに進んで電子部品を含む廃棄物をプラズマ加熱して廃棄物をその構成レベルに解離し、構成成分の融点の違いを利用して純粋な金属，非金属として回収する試みが提案されている。

プラズマを利用して物質を処理する方法を大別すると、「溶融」と「解離」との２つの方法に分類される。現在一般的に使われている方法は「溶融」である。ところが、「溶融」による処理方法では、物質を完全に変換し、再構成するには無理があり、物質が完全に解離してからでないと実現することはできない。ところで、従来のプラズマ分解炉は電極の構造の違いによって二つの方式に分類される。即ち、プラズマトーチ方式とダイレクトアーク方式である。もっとも、いずれの方式においても、プラズマ分解炉として、プラズマアークで高温を発生し、そのプラズマを直接利用するのでなく、二次的に発生する熱を利用して対象物を溶融し、炉底に溜め、さらにその溶融物の溶融温度を保ちながら、溶融物の中に落ちてくる物質を溶融することによって処理するという点では全てが同じである。

もっとも、プラズマアークによって二次的に発生する熱によって、金属，非金属鉱物（Ｓｉ，Ｃａ等）が溶融すれば、その溶融物は層をなして炉底にたまることになる。また有機物と特定の非金属元素及び金属元素は気体となって、ガススクラバーを通して回収することが可能である。

しかしながら、プラズマトーチ方式とダイレクトアーク方式のいずれの方式によるときであっても、従来の方法では、実質的には本来のプラズマを利用することにはなっておらず、単にプラズマアークによって二次的に発生した熱を利用して物質を溶融するのみの、いわば電気炉の延長に過ぎないことが判明した。その理由は、プラズマ化するに要する時間は物質によって異なるものの、物質をプラズマ化させるには、プラズマが強力に作用する空間内に物質を一定の時間滞留させなければならないからである。

ところが、従来のプラズマ分解炉では、その構造上、物質をプラズマが作用する環境条件を維持することができず、物質はそのまま、あるいは加熱によって単に溶融しただけで炉底に落ちてしまうからである。
特許公開２００５−２６２０９９ 特許公開平８−２２９５３９ 特許公開平２００１−３３０２１ 特許公開平２００１−３２７９４２

解決しようとする問題点は、物質をプラズマが作用する環境に一定の時間滞留させることができず、単にプラズマアークによって二次的に発生した熱によって物質が溶融するだけでそのまま炉底に落ちてしまうという点である。

本発明は、立体的にプラズマが作用する環境（プラズマ作用空間という）を維持する空間を炉内に形成することを最も主要な特徴とするものである。

本発明によるプラズマ分解炉によれば、熱溶融した物質の落下を阻止して立体的なプラズマ形成空間内に保持するため、処理すべき物質をそのプラズマが作用する空間内に長時間保持して分子解離を実現できる。

炉内に立体的なプラズマの作用空間を形成するという目的を、対のプラズマアーク電極間に、多数の粒状の抵抗素子を介在させることで実現した。

図１は、本発明の方法を適用するプラズマ分解炉の１例を示す図である。図１において、プラズマ分解炉は、処理室６内に、弯曲板状のプラズマアーク電極５，５の対が向き合わせに差し込まれている。処理室６内は、窒素タンク（ボンベ）１５から供給された窒素ガスに満たされて不活性ガス雰囲気に保たれている。処理室６は、耐火物質で縁取られ、図２（ａ）に示すウォータジャケット１２に供給される冷却水によって、冷却制御される金属槽である。電源Ｅの投入により、プラズマアーク電極５，５間に直流電圧が印加され、プラズマアーク電極５，５間には、プラズマが衝突してそのエネルギーレベルを高めて物質を分解させる「分解領域」が形成される。

処理室６の上部には、被処理物を投入する供給口を有し、処理室６の炉底には、ドレインとして金属融化物収納用容器７に通じる第１の流路８が開口され、炉壁には、オーバーフロー堰からガラス等非金属融化物収納用容器９に通ずる第２の流路１０が開口されている。金属融化物収納用容器７は、プラズマ領域外から落下した融化金属単体を受入れる容器であり、ガラス等非金属融化物収納用容器９は、分解領域からオーバーフローした非金属融化物である融化ガラス等非金属融化物を受入れる容器である。本発明においては、分解領域に立体的なプラズマ空間ＰＳを形成するものである。

図２において、対のプラズマアーク電極５，５間には、多数の粒状の抵抗素子１１が集積されている。粒状の抵抗素子１１は、導電性を有する多孔性の粒子である。本発明においては、炭素粒子を用いている。対のプラズマアーク電極５，５にも炭素の板を用いており、実施例においては、耐熱性を確保するため、プラズマアーク電極５，５の表面及び抵抗素子１１である個々の炭素粒子の表面には、ＺｒＢ２あるいはＴｉＢ２のような耐熱材料によって耐熱処理を施こしている。

実施例において、たとえば、廃棄された電子部品などの廃棄物Ｍは、被処理物として破砕機１に投下され、分解処理に適した大きさに破砕されてホッパー２内に受入れられる。ホッパー２内で細かく破砕された廃棄物Ｍは、つぎに処理物として螺旋投入装置３を通り、プラズマ分解炉４の処理室６内に定量づつ投入される。

プラズマ分解炉４内へ被処理物を投入するに際しては、被処理物中に水分が含まれていると、水蒸気爆発の危険があるため、水分は他の高分子と結合させておく必要がある。このためには、適宜吸水材を添加しつつ廃棄物Ｍを破砕機１に投入する。

プラズマ分解炉４の処理室６内に投入された廃棄物Ｍは、分解領域に集積された抵抗素子１１の積層上に落下し、分解領域の高温プラズマに触れて溶融するが、本発明においては、分解領域に集積した粒状の抵抗素子１１，１１・・・が対のプラズマアーク電極５，５間に連なり、抵抗素子の集積隙間の範囲内に高温の立体的なプラズマ作用空間ＰＳが形成されるため、抵抗素子の集積上に落下した廃棄物は、抵抗素子１１の集積の範囲内に止まる限りプラズマ環境に曝され、高温プラズマに衝突されて解離し、物質における核力以外のすべての結合が断ち切られてその構成成分レベルに解離する。

本発明において、抵抗素子の集積内に形成される高温の立体的なプラズマ作用空間ＰＳ内でのプラズマ形成メカニズムは、およそ次のように考えられる。すなわち、図３において、プラズマアーク電極５，５間に高圧電圧を印加したときに、分解領域に集積された任意の抵抗素子１１，１１間の接点を電流が流れたときに、両抵抗素子１１，１１間の抵抗Ｒで発熱して抵抗素子１１，１１間が高温になり、その周囲にプラズマＰが形成される。

ところが、プラズマＰは導電性が高いため、電流は抵抗素子１１の接点を通らずに瞬間的にプラズマＰ中を通るようになる。一方、電流には磁力が働いて磁界を作るため、この磁界によってプラズマＰは細り、プラズマＰを通る電流が減少する。すると、電流は再び抵抗素子１１，１１間の接点を通るようになり、抵抗素子１１，１１間の抵抗Ｒによって発熱し、プラズマＰは振動しながら広範囲に広がって電流を流しやすくなる。

このように、任意の抵抗素子１１，１１間の接点間とプラズマＰとを交互に繰り返して電流が流れる振動現象によって、抵抗素子１１を集積した分解領域に高温の立体的なプラズマ作用空間ＰＳが形成され、分解領域に送りこまれた被処理物にプラズマＰを有効に作用させることができる。この現象は、抵抗素子１１の表面間に止まらず、抵抗素子１１に多孔性の粒子を用いることによって、各粒子間の間隙内でも同様の現象が生じて抵抗素子の積層全体が高温プラズマ作用空間ＰＳの形成に寄与する。

なお、プラズマアーク電極５，５及び抵抗素子１１に炭素の板及び粒子を用いたときに、その表面には、ＺｒＢ２やＴｉＢ２といった耐熱材料をコーティングすることによって、プラズマの衝突によるプラズマアーク電極５および抵抗素子１１の蒸発、滅摩耗を阻止して長期間の使用に耐えることができる。

さらに、処理室６の炉壁間には、耐熱コーティングと共に鏡面仕上げを施し、ミラー効果を出させると、分解領域に発するプラズマの光線が、図２（ｂ）のように処理室６の対面する炉壁間及び炉壁と電極との間で互いに反射して、分解領域内にその焦点が合うようにすると、誘導放出現象までも期待でき、炉壁温度の上昇を防ぐとともに、高温・高密度プラズマを効率よく形成することができる。

分解領域において、解離融化した物質中に含まれる金属融化物は、炉底の第１の流路８を通って金属融化物収納用容器７に入り、非金属融化物は、オーバーフローし、炉壁に開口された第２の流路１０を通ってガラス等非金属融化物収納用容器９に受入れられる。また、破砕物中に含まれる有機物はガス化し、湿式ガスクリーニング装置１４に送り込まれる。

金属収納用容器７内の雰囲気の温度は、温度制御装置１３ａによって温度制御され、ガラス等非金属融化物収納用容器９内の雰囲気は温度制御装置１３ｂによって温度制御され、融化物質は、それぞれ予め定められた一定温度に保たれる。

金属融化物収納用容器７及びガラス等非金属融化物収納用容器９内の雰囲気温度を解離融化物質の単結晶として抽出したい物質の温度としてその物質の結晶化温度に設定することによって、融化物質を分別回収する。

すなわち、ガラス等非金属融化物収納用容器９および金属融化物収納用容器７内の雰囲気温度を抽出したい物質の結晶化温度に保持すれば、非金属，金属の何れであっても選択した特定の物質を単結晶として成長させることが可能である。

さらに設定温度で結晶化しなかった次の物質に対しては、次の物質に固有の結晶化温度に下げることによって結晶化し、次々と物質に固有の結晶化温度に設定するゾーンリファイニング法によって、多種類の物質を高純度で分別回収できる。

ガラス等非金属融化物収納用容器９内の雰囲気温度を例えば、シリコンの結晶化温度である１４２０℃に制御することによって、ガラス収納用容器９に受入れられたシリコンは単結晶化し、その単結晶を、液相成長法，例えばチョコラルスキー法，浮遊帯溶解法などを用いてガラス等非金属融化物収納用容器９内から抽出する。

一方、金属融化物収納用容器７内に受入れられた融化金属に対しても同様に、金属融化物収納用容器７内の温度を、抽出しようとする特定の金属の結晶化温度に設定することにより、その金属を抽出することができる。たとえば１５４０℃で鉄、１４５０℃でニッケル、１０６４．４３℃で金がそれぞれ単結晶化する。融化金属は、液相成長法、例えばブリッジマン法を用い、これを単結晶として金属収納用容器７内から抽出することができる。

有機ガスは、ポンプ１６で炉内から引き出し、湿式ガスクリーニング装置１４を経由させて水蒸気と反応させ、水素に富んだ合成ガスに加工し、これを燃料ガスとして利用する。

本発明において、プラズマアーク電極間の分解領域に形成される高温の立体的なプラズマ作用空間ＰＳ内で、解離された原子は電気的に中和され、分解領域外に出ると、純粋な単体として融化し、炉底に蓄積する。この時金属単体と、非金属鉱物単体は融化し、炉底に質量毎層をなして溜まり、有機物と一部の特定金属原子（例えば水銀等），非金属原子（例えばリン等）はガスとなってスクラバーで回収される。炉底から取り出した金属単体，非金属単体はそれぞれの持つ融点の近傍で十分な時間をかけて固化させると結晶として取り出すことが可能である。

また、ガスはＮ，Ｈ，Ｃｌ・・・（ＣＯ_２，Ｈ_２Ｏなどの温暖化ガスでないため熱を持たない）などの原子であるため、急冷して回収し、利用することができる。以上実施例においては、本発明のプラズマ分解炉を用いて廃棄物から資源を分別回収する例を説明したが、本発明によるプラズマ分解炉の用途はこれに限られるものではなく、通常のプラズマ溶融炉としても広く利用できる。

本発明によるときには、廃棄物を物質の構成レベルにまで解離させるものであるため、有害物質が含まれている廃棄物，汚染の種類が特定できないような廃棄物であっても、何ら問題なく処理してこれらを無害化するに止まらず、汚染廃棄物であっても、積極的に資源として再生でき、したがって、廃棄物処理，廃棄物保管の問題，地球環境の保護，資源・エネルギー問題を一挙に解決できる技術として大いに期待される。

本発明によるプラズマ分解炉の一例を示す図である。 （ａ）は、処理室の断面図、（ｂ）は同平面図である。 抵抗素子の集積によって、高温の立体的なプラズマ作用空間を形成する要領を示す図である。

符号の説明

１ 破砕機
２ ホッパー
３ 螺旋投入装置
４ プラズマ分解炉
５ プラズマアーク電極
６ 処理室
７ 金属融化物収納用容器
８ 第１の流路
９ ガラス等非金属融化物収納用容器
１０ 第２の流路
１１ 抵抗素子
１２ ウォータジャケット
１３ａ，１３ｂ 温度制御装置
１４ 湿式ガスクリーニング装置
１５ 窒素タンク
１６ 排気ポンプ
ＰＳ 高温の立体的なプラズマ作用空間

Claims (4)

1. 対をなすプラズマアーク電極間に高温の立体的なプラズマ作用空間を有するプラズマ分解炉であって、
   対をなすプラズマアーク電極は、被処理物の投下を受ける処理室内に設置され、両電極間に被処理物の分解領域を形成し、プラズマアーク電極間に多数の抵抗素子が積層され、
   高温の立体的なプラズマ作用空間は、プラズマアーク電極に印加される電圧によって発熱する抵抗素子の層間に形成され、分解領域の被処理物に発生したプラズマを作用させる空間であることを特徴とするプラズマ分解炉。
2. 前記抵抗素子は、多孔質の粒子であり、対のプラズマアーク電極に連なり、プラズマアーク電極に印加される電圧に対して高抵抗となって発熱し、抵抗素子内空隙および抵抗素子間にプラズマを発生させるものであることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ分解炉。
3. 抵抗素子は、表面が耐熱材料でコートされた炭素の粒子であることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ分解炉。
4. 対をなすプラズマアーク電極は、弯曲した板状であり、プラズマアーク電極と、処理室の内壁とは鏡面仕上げされ、処理室の内壁は、対面する電極及び炉壁が互いにプラズマの反射面となるものであることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ分解炉。

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