JP2703181B2 - 材料の溶融,燃焼あるいは焼却のための方法およびそのための装置 - Google Patents
材料の溶融,燃焼あるいは焼却のための方法およびそのための装置Info
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Description
いは焼却のための方法およびそのための装置に関するも
のである。
し、より詳しくは、ガラスやセラミックスなどの材料を
溶融するための、並びに廃物材料のリサイクル、燃焼お
よび/または焼却ガラス状化のための、改良されたプラ
ズマアーク溶融機に関するものである。
第5,028,248号は、ロックウール製造のための
種々のバッチ材料を含む、ガラスや耐火性の酸化物、珪
酸塩、並びにその他の実質的に金属を含まない材料を、
少なくとも2つの転移型−アーク プラズマトーチを備
えたプラズマアーク炉内で溶融するための方法と装置に
関するものである。この米国特許第5,028,248
号の開示を、ここで参考として組入れる。
するために使用することができる少なくとも2つの転移
型−アークプラズマトーチを備えたプラズマアーク炉内
で材料を溶融するための改良された方法と装置である。
加えて、本発明の方法と装置は、廃物材料の処分あるい
はリサイクル、廃物材料の燃焼および/またはガラス状
化の焼却にも適用できるものである。
オイルサンド、炭素質の頁岩、並びに炭素質の金鉱石な
どの材料を効率的且つ有効に溶融および処理する需要は
継続して存在し、また上記の´284特許の方法と装
置、並びに本発明の改良された方法と装置は、これらの
需要に合致する効率的で有効な処理を提供するものであ
る。加えて、工業上の、商業上の、自治体の、およびそ
の他の廃物、リサイクル、焼却および/またはガラス状
化の焼却は、我々の社会におけるたえず増大する問題を
提起するものである。
廃物、焼却炉灰ならびに自治体廃物などの、潜在的に危
険な廃物材料の効率的で有効な処分は、我々の工業化さ
れた社会生活の質を非常に高めてくれるものである。繊
維状ガラス廃物、捨てられた最終ユーザ製品、無定形混
合ガラスカレット、廃物アルコール飲料、有機−ベアリ
ング金属製スクラップ、並びに有機−ベアリング金属製
/セラミック混合物などの他の廃物材料は、他の問題を
提起する。これらの廃物を処分するための利用可能な埋
め立て用地は、次第に不足しがちで、また埋め立て用地
の使用に関連したコストが過大で急速に増大しつつあ
り、これら廃物をリサイクルさせるための実用的で、効
率良くまた有効である方法と装置の開発が急がれてい
る。
非転移型−アークプラズマ発生機は、ガス加熱、材料溶
融、並びに廃物処理のために以前から提案されており、
また1992年3月発行のINDUSTRIAL HE
ATINGの第64−69頁において「材料処理および
合成のための遠隔結合された転移型−アークプラズマ」
の題名で議論されている。
電極と陽極トーチノズルとの間の電流によるプラズマジ
ェットを生成する。非転移型−アークプラズマトーチ処
理により処理される材料は、材料を加熱するための対流
および放射による熱移動を受ける。この材料は、プラズ
マジェット中に注入されるか、あるいはプラズマジェッ
トに伴う熱いガスに接触される。
を溶融するために十分に使用することはできないが、こ
の非転移型−アークトーチ処理は、処理される材料内の
有機レベルが50%を越える場合にのみ熱的に効率が良
くなる。しかしながら、このような材料を完全且つ効率
良く燃焼させるためには、酸化性雰囲気が必要であり、
これが処理で使用されるタングステン電極の酸化の原因
となる。よって、この非転移型−アークプラズマトーチ
法は、高い有機レベルを持った材料の効率の良い処理の
ために必要な空気あるいは酸素の酸化性雰囲気内では運
転することができず、また廃物材料が有機物をほとんど
含まない場合には溶融効率が低い。
理される材料は、陽極電極あるいは陰極電極として働
く。溶解が陽極溶解か陰極溶解かに拘らず、同様な問題
が存在する。このため、本来の転移型−アーク−プラズ
マ法では、取扱う材料が導電性の材料に限定される。加
えて、従来の転移型−アークプラズマでセラミックや他
の材料を溶融する場合には、導電性の溶融相を生成する
ために材料の予備溶融が必要であった。この初期の処理
工程が、溶融機内を安定した動作状態に到達させるため
に必要な開始時間を付け加えることになる。典型的に
は、処理される材料が陽電極として働く場合帰還導電浴
を提供するために、溶融浴が、陽極るつぼ内に含められ
るか、または陽極が浴内に浸漬される。この方法におけ
るエネルギー効率は、非転移型−アーク法よりも良好で
あるものの、取扱う材料が導電性であるという必要性が
この方法で処理することができる材料を制限し、また浸
漬された電極の表面におけるDC電気分解が陽極電極の
腐食やこの方法で製造される材料の汚染を招いてしま
う。
を溶融したり処理するために同様に使用される。しかし
ながら、これらの溶融機では材料が還元性雰囲気内で処
理できるものに制限される。従って、有機物を燃焼させ
る場合には、有機物を燃焼させるために必要な酸素がま
たグラファイト電極を消耗するために、この方法は適し
ていない。
分またはリサイクルするために使用されている。しかし
ながら、サイクロンバーナーは、溶融したガラスを取扱
うように設計されてはおらず、固体の灰殻廃物処理のた
めに使用されるものである。このサイクロンバーナー法
を使用して効率の良い燃焼を行うためには、廃物材料が
有機成分を60−70%以上有してなければならない。
この方法はまた、処理される材料がリサイクル処理の一
部としての下流処理において利用されるものである場合
には、問題を提起する。サイクロンバーナー法では、出
口の溶融物流の温度は容易に制御することができず、こ
のため廃物材料を更なる処理が複雑化する。
クルするために同様に使用されている。しかしながら、
アーク内の熱制御が悪いために、廃物材料中の有機物の
揮発および/または燃焼が悪く、また側壁や屋根の耐火
物の早期腐食を招いてしまう。アーク溶融機は、通常は
消耗が早いグラファイト電極を使用しており、この種の
溶融機は高い放射熱損失を呈する。
た、転移型−アークプラズマ炉あるいは焼却炉および方
法は、生の材料を溶融および/または処理するととも
に、廃物材料のリサイクル、燃焼および/またはガラス
状化焼却をする、有効で効率の良い装置と方法を提供す
るものである。この炉あるいは焼却炉は、高出力密度で
あるために、非常に用途の広いものである。この炉は小
さく、処理量は高く、供給原料を迅速に変更でき、かつ
必要に応じて下流の製造工程に処理した材料を提供する
ための処理した材料の運搬を容易に制御することができ
る。
いは結合しない空間プラズマを設けることで、小さな空
間容積内で大きなレベルの熱流量を発生することがで
き、処理される材料への効率的な熱移動を与えるもので
ある。この高い空間的熱集中によって、スクラップの廃
物材料中の炭化水素揮発成分は直ちに蒸気にされる。例
えばゴムのような廃物中に非常に高いレベルの炭化水素
が存在する場合には、これらの炭化水素は溶融機自体の
内部あるいは能率的な再燃焼装置内で燃焼させることが
できる。本発明によれば、処理される材料は最小ないし
最大の有機含有量、あるいは最小ないし最大のガラス相
要求を満足する必要がない。つまり、本発明の遠隔結合
された、転移型−アークプラズマ炉あるいは焼却炉は、
従来のサイクロンバーナー法、アーク溶融機法、非転移
型−アークプラズマ法、本来の転移型−アーク法、並び
にグラファイト電極法に関連した多くの問題を解決する
ものである。
ラスやセラミックスなどの生の材料を効果的かつ効率的
に溶融および/または処理するために利用することがで
きる。これらの材料を溶融したり精製することに加え、
本発明の方法と装置を利用することができる廃物材料の
いくつかの例を以下に示す。
した廃液から化学品を回収したり処分したりする必要が
ある。本発明の遠隔結合された、転移型−アークプラズ
マ炉および方法は、比較的低い酸素ポテンシャルでパル
プ廃液を蒸発させて化学品を処分する。加えて、この方
法は、紙製造工程で利用することができる、低い硫黄含
有量の高−BTUオフガスを生成する。
染物質を含んでいる。これらの廃物材料を遠隔結合され
た、転移型−アーク炉内で処理することで、重金属汚染
物質を内部に効率的に密封することができる非浸出性の
ガラスが生成される。排ガスは次いで、有機物の完全な
燃焼および処分のために、プラズマあるいは従来の再燃
焼装置で処理することができる。
金属質汚染物質は遠隔結合された、転移型−アーク炉の
トーチの間の結合ゾーン内に酸素を注入することで酸化
し、ガラス化した土壌と合体させることができる。本発
明の方法と装置の他の用途は、土壌から重金属を蒸発さ
せ、酸化し、分離して(金属酸化物副産物として)別々
に収集し、これにより土壌を清浄化することである。
成分のように、コストをかけて埋設し、あるいは他の方
法で処分される、多くの非燃焼性の放射性廃物材料があ
る。現在は、多くの燃焼性の放射性廃物は、この種の材
料の有する容積を減じることなく埋められている。これ
ら両者の場合、本発明の遠隔結合された、転移型−アー
ク方法と炉は、廃物の容積を効率的に減じ、また埋設に
適したガラス相内に残留物を固定することができる。
含有有機材料を分解するために十分な高い温度を提供す
るものではない。本発明のプラズマアーク方法と炉は、
これら化合物を効率良く分解し、無害な水、二酸化炭
素、並びに塩酸を生成する。
ルなどの、スクラップ繊維製品中の有機材料は、リサイ
クルできるガラスあるいはセラミック材料を残して蒸発
させることができる。この方法からの排ガスは、場合に
よっては、ユニット溶融機用の燃料として、あるいはビ
ルのための熱を提供するために使用することができる。
排ガスが大気に放出される場合は、更なる処理が不要で
あったり、不純物を除きおよび/または再燃焼装置を通
すだけでよいことがある。蒸発させることでスクラップ
繊維から取り除くことができる有機材料の例としては、
フェノールバインダー類、フランバインダー類、繊維強
化用サイズ材、ダクト裏材製品内の煙油、化粧仕上材
料、有機被覆材料、フォーム裏材並びに他の有機材料が
ある。
プ溶融機として利用することで、繊維ガラススクラップ
からガラスカレットを生成することができ、ガラスバッ
チのコストを減じる効果があり、またガラス溶融炉に優
れた再溶融材料を提供することができる。廃物繊維内の
有機バインダを同時に燃焼させることで、炭素含有量の
低いカレットを製造することができ、このカレットは従
来のガラス溶融機への供給材料として非常に適したもの
となる。このガラスカレットの酸化還元電位もまた、上
記した方法により所望通りに調節することができる。本
発明のプラズマ溶融機からの溶融物流は、マーブル成形
機、回転型繊維化機、一次ブッシュあるいはその他の製
品形成ステーションへ移送して、プラズマ溶融機の溶融
物から直接的にガラス製品を製造することができる。
焼却機は、少なくとも2つの、逆極性の転移型−アーク
プラズマトーチを備えている。トーチの一方は、陰電極
と、陰極プラズマジェットを放出するためのノズルから
なる陰極トーチである。他方のトーチは、陽電極と、陽
極プラズマジェットを放出するためのノズルからなる陽
極トーチである。電流は、これらトーチの間を結合ゾー
ンを通って移動して溶融機内部の材料を溶融、燃焼ある
いは焼却する。
で移動する。第1の結合モードは、ジェット結合モード
であり、逆の極性のプラズマジェットを備えたトーチ
は、互いに極めて接近しており、電流は一方のジェット
から他のジェットに直接移動する。第2の結合モード
は、溶融結合モードであり、トーチは離間しており、電
流は、溶融物プールあるいはその他の導電性材料などの
中間の導電体を通過することで、一方のジェットから他
方のジェットに移動する。第3の結合モードは、上記の
2つのモードの組み合わせである。この第3結合モード
は、幾分不安定ではあるが、各トーチは、結合経路が、
ジェット間の直接の電流移動と、溶融物プールあるいは
その他の導電性被処理材料を介する間接的な移動との間
で揺れるような位置で作動する。
のおよび/または処理中の材料を保持する。この溶融機
シェルは、ほぼ円筒形状であり、上部が開口しており、
また溶融機から処理済みの材料を取り出すために、その
底部の中央部に位置した出口が設けられている。出口の
穴はモリブデンで作ることが好ましいが、他の耐火性材
料で作ることもできる。トーチは、一般に溶融機シェル
の上部開口を塞ぐ、ほぼ円錐形状のフード内に据付けら
れている。フードの基部は、溶融機シェルより直径が大
きく、これにより溶融機シェルとフードとの間から溶融
機内部に酸化用空気の流入ができるようにしてある。本
法方法はバッチ法として作動するが、溶融機シェルとフ
ードは、溶融機の動作中は、混合度を増大するために、
通常は互いに相対回転をする。溶融機シェルとフードは
互いに、相対的に垂直に移動することができ、これによ
り溶融機内部へ導入される空気量および/または溶融物
プールに対するトーチの位置を、調整することができ
る。被処理材料および/または被溶融材料は、溶融機シ
ェルの長手方向の軸に対してオフセットしたフード内の
供給ポートを通って溶融機内に導入される。供給ポート
を通って溶融機内に供給された材料の軌道は、溶融機内
の材料の滞在時間を調整することで、変更することがで
きる。
陰極として機能するトリウムタングステン製の、水冷さ
れた、尖った電極を有している。水冷された銅製ノズル
が、陰極の周囲にプラズマガスの囲い板を提供し、陰極
へのアーク付着を制限し、更に高周波プラズマ開始の電
極として機能する。
も陰極トーチと同様な構成であるが、トリウムタングス
テン製の尖った電極に代えて、陽極トーチは、陽極表面
の電子「凝縮」により発生した熱を分散させるために、
高純度銅製の、水冷された、ボタン状電極を有してい
る。このボタン状電極陽極トーチは、1時間当たり50
0ポンドあるいはこれ以下の質量流量での材料処理には
有効である。しかしながら、より高い材料処理速度で
は、ボタン状電極陽極トーチはかなりの銅電極腐食を受
ける。この腐食は、トーチ寿命を短くし、処理の経済性
よび作動効率に影響を与える。従って、陽極トーチの第
2の実施例では、高純度銅製の、水冷された、管状の電
極を備えた構成とし、これによれば、1時間当たり50
0ポンドより大きい材料処理速度で作動させることがで
き、しかもボタン状電極陽極トーチのようなひどい腐食
の問題をなくすことができる。
方法の操作においては、陽極トーチノズルの放電端は通
常は、陰極トーチノズルの放電端よりも、溶融機シェル
内の材料の表面のより上方に位置している。陽極トーチ
と陰極トーチのこの相対的な配置は、陰極プラズマジェ
ットと陽極プラズマジェットの相対的な強度によるもの
である。通常は、陰極トーチで作られた陰極プラズマジ
ェットは、ボタン電極陽極トーチで作られた陽極プラズ
マジェットより高い強度を有している。従って、これら
トーチのノズルが互いに比較的接近しており、またある
角度で互いにほぼ向き合っている場合には、強いあるい
は高いエネルギーの陰極プラズマジェットが陽極プラズ
マジェットを後方へ曲げてしまう。このため、陰極トー
チの放電端と陽極オーチの放電端が同じレベルである場
合には、陰極プラズマジェットは陽極プラズマジェット
を曲げてジェットが陽極トーチのノズルに接触するよう
になる。このことは、ノズルショートを招く結果とな
り、ノズルを損傷し、また処理の停止の原因となる。こ
れらトーチのノズルが互いに平行で被処理溶融物の表面
に向いている場合には、陽極ノズルを陰極ノズルの上部
にオフセットさせる必要性が軽減される。
ズマジェットは、ボタン状電極陽極トーチにより生成さ
れるプラズマジェットよりも強力、あるいは大きなエネ
ルギーを有している。従って、ボタン状電極陽極トーチ
の代わりに管状の電極陽極トーチを用いる場合には、陽
極トーチの放電端は、陰極トーチの放電端と同じレベル
に位置させることができるようになる。
極トーチの双方における電極とノズル間の放電を高周波
で制御する必要がある。この操作は、各トーチにおいて
中間の非転移型のアークプラズマを発生させる。陰極ト
ーチについては、電流は陰電極からノズルに流れる。陽
極トーチについては、電流はノズルから陽電極に流れ
る。従来の転移型−アーク装置と同様に、バイアス用の
抵抗が、動作の非転移モードから転移モードへの第2の
開始を生起するために使用される。
ットと陽極プラズマジェットは結合ゾーン内で一緒に結
合されて、電流はプラズマジェット間を直接移動し、ま
た溶融機シェル内の材料は、プラズマジェットからの熱
いプラズマガスの対流あるいはプラズマジェットからの
放射熱、または溶融機シェル内の材料を通って流れる電
流により、溶融される。
には、陽極トーチと陰極トーチとをまず非転移モードで
作動させ、次いで、転移モードに切換えられ、この状態
で電流はプラズマジェット間を直接流れ、対流と放射に
より溶融機シェル内の材料を加熱する。陰極トーチノズ
ルの放電端は、溶融機シェルのほぼ長手軸上に位置して
おり、またシェルの底部の溶融機出口に向いている。陽
極トーチノズルの放電端は、溶融機シェルの長手軸上に
対してオフセットしており、またシェルの底部の溶融機
出口に向いている。
材料のプールを形成した後は、陰極トーチから陽極トー
チへの電流は溶融機シェル内の溶融した材料を通って流
れる。陰極トーチノズルの放電端は、溶融機シェルの長
手軸に対してオフセットした位置に向かって外方に移動
し、また陽極トーチノズルの放電端は、溶融機シェルの
ほぼ長手軸上の位置に向かって内方に移動する。溶融さ
れるべき追加の材料は、フード内の供給ポートを通し
て、溶融機内の溶融機シェルの長手軸に対してオフセッ
トした位置に導入される。溶融機シェルとフードは、互
いに相対回転し、これにより供給ポートを通して供給さ
れた材料は、これら材料が陽極トーチノズルの放電端の
下を通過する前に、陰極トーチノズルの放電端の下を通
過する。
存在する溶融された材料中を通過することで、陰極プラ
ズマジェットと陽極プラズマジェットの間を連続して移
動する。材料を通って電流が通過することで、材料は抵
抗熱発生により溶融される。
元電位を変化させるために、空気、酸素あるは蒸気など
の酸化性ガスを、結合ゾーン内に導入することができ
る。この酸化性ガスは、トーチの上部の中央に位置する
注入チューブからトーチの間の空間内に注入すること
で、結合ゾーンに導入される。なお、注入チューブはト
ーチの下部に沿って、あるいは陰極と陽極のプラズマト
ーチ上の囲い板を通って延在する。本発明の装置と方法
を、有機物含有量が非常に高い廃物材料に使用する場合
には、溶融機からの排出ガスを更に処理するために、プ
ラズマアークあるいは従来の再燃焼装置を使用すること
ができる。
処理速度が1時間当たり500ポンド以下の場合に使用
され、また処理速度が1時間当たり500ポンドを越え
る場合には管状電極陽極アノードが好ましい。陰極トー
チは変更せずにボタン状電極陽極トーチあるいは管状電
極陽極トーチのいずれとも一緒に使用することができ
る。管状の銅電極を備えた陽極トーチは、銅製ボタン状
電極よりも大きなアーク安定性を有し、従ってより長い
トーチ使用寿命を提供できる。このトーチ形状に起因す
る高いガス流速は、アーク、および管状の銅電極の円筒
状内表面へのアーク付着点を回転させる。アークを絶え
ず移動させることにより、銅製ボタン状電極の場合と比
べて、腐食速度を低下させることができる。加えて、銅
製ボタン状電極で使用されるアルゴンガスでなく空気を
使用できるので、管状銅電極を備えた陽極を使用するこ
とで有機スクラップの焼却のためのより大きな燃焼力を
得ることができる。
炉20を示したもので、溶融機シェル22は溶融機フー
ド24の内側で上昇した位置にあり、また破線は、炉の
保守作業のために溶融機シェル22を溶融機フード24
の下から移動させた下方の非作動位置である。
2は、底壁26、側壁28並びに上部開口を備えた円筒
形状で低炭素鋼で作られている。底壁には、円筒形状で
底部が開口で、出口穴32を除く上部が閉じている、モ
リブデン製の出口穴アッセンブリ30が設けられてい
る。この出口穴アッセンブリ30は、溶融機シェル22
の長手軸上に位置しており、またこの溶融機シェルの長
手軸は出口穴32を通過する。
0の出口32は、溶融機シェルの底壁26の上方に位置
している。こうして、従来の円錐状形状の溶融機シェル
に比べて、非溶融頭部の厚い層34をプラズマアーク炉
20内で使用することができ、溶融物プール36と溶融
機シェル壁26と28間の距離を増大し、これにより溶
融機シェル22の壁を通る熱損失を減じることができ
る。プラズマアーク炉20の溶融機シェル22内の溶融
物プール36からの溶融された材料は、処分あるいは更
に処理するために、出口穴32を通って取り出される。
図1に示したように、溶融機シェル22は、ラックとピ
ニオンギアのアッセンブリ41のラックギアとして用い
られる4つの脚40により支持されたフレーム38上に
取り付けられており、DCモータの手段により溶融機フ
ード24に対して溶融機シェルを上げたり下げたりでき
る。この構成において、溶融機シェル22の溶融機フー
ド24に対する垂直位置は、プラズマアーク炉内部の異
なる材料の処理のために調整することができ、また溶融
機シェルを溶融機フードの下に下降させて炉の保守作業
のために取り外すことができる。
シェルの底壁26の下側に係合して、溶融機シェルを支
持し、溶融機シェルを支持フレーム38と溶融機フード
24に対して回転させるための、複数の支持ローラ42
を有している。
に隣接する側壁28を取り囲む、環状の駆動レール44
を有している。この駆動レール44は、溶融機シェル2
2を溶融機フード24に対して回転させるための、ガイ
ドロール46と駆動ロール48により係合されている。
この駆動ロール48は、溶融機フード24に対する溶融
機シェル22の回転を調節するために、慣用的なDCモ
ータと制御システム50により駆動される。シェルの底
部に大きなギアを付け、また慣用のチェーン駆動を介し
てDCモータにより駆動するなどの、シェル22を回転
させる方法も使用することができる。
ンレス鋼で作られ、固定フレーム52上に取り付けられ
ている。図1に詳細に示したように、溶融機フード24
は、円筒状の基台部54(長さが拡張可能である)、円
錐状の中間部56、並びに円筒状の排気スタック58か
ら構成される。陰極トーチ60と陽極トーチ62が、円
錐状の中間部56内に取り付けられている。
内側の直径は、溶融機シェル22の外側の直径よりも大
きい。これにより、溶融機フード24と溶融機シェル2
2の間に、自然対流が通過する隙間が形成され、プラズ
マアーク炉20内への空気の侵入が許容されて、廃物材
料の処理中に、廃物材料に伴う有機材料をより良くかつ
より完全に燃焼するための酸素を供給することができ
る。溶融機シェル22を溶融機フード24に対して上昇
あるいは下降させることで、プラズマアーク炉20に流
入する空気量を制御することができ、また溶融物の上方
のトーチの高さを調節することができる。図示しない排
気ファンを使用することで、溶融機シェル22と溶融機
フード24の間の隙間を通って炉20内に導入される燃
焼空気をより厳密に制御することができる。
る角度でテーパ付けされており、プラズマアーク炉から
のオフガスの流れを促進し、またオフガスが集められて
滞留する領域をなくしている。溶融機シェル24の全体
には、溶融機フードの温度を許容できる範囲内に保持
し、またフード上に揮発性の無機物を凝縮させてフード
を通しての熱損失を阻止する絶縁層を形成するための、
水冷却されたジャケット64が設けられている。
処理するための供給ポートチューブ66が、溶融機フー
ド24の円錐状の中間部56内に設けられている。この
供給ポートチューブ66は、溶融機シェル22の長手軸
に対してオフセットしており、これにより、図8に示し
たように、炉内で処理されるべき材料は、溶融機シェル
22の長手軸からオフセットした位置において、溶融機
シェル内に導入される。上記の供給ポートチューブ66
は、球状のベアリング内に取り付けられており、これに
より、処理されるべき材料が溶融機シェル内に供給され
る角度を調節して溶融機シェル22内の材料の滞留時間
を制御することができる。溶融機シェルの垂直な中央線
に近接して材料を配置することで、材料の滞留時間およ
び処理時間が減じられる。また溶融機シェル22の側壁
に近接して材料を配置することで、材料の滞留時間およ
び処理時間を増大することができる。
れ球状のベアリング68および70により取り付けられ
て、互いの角度および出口穴アッセンブリ30に対する
トーチの角度を調節できるようになっている。トーチ6
0と62はまた、それらの長手軸に平行な方向に挿入し
たり引き出したりでき、これにより溶融機シェル22の
長手軸に対するトーチの位置を、後で詳しく説明するよ
うに、プラズマアーク炉の適切な運転のために調節する
ことができる。
廃物材料がより大きな酸化ポテンシャルを有する場合に
備えて、水冷却されたチューブ72が、空気、酸素ある
いは蒸気をプラズマアーク炉20内に注入するために設
けられている。この水冷却されたチューブ72は、排気
スタック58を通って下方に延在し、また溶融機シェル
22の長手軸に沿って位置している。水冷却されたチュ
ーブ72により、空気、酸素あるいは蒸気をプラズマジ
ェットの間の低圧力の結合ゾーン内へ直接注入すること
ができる。この結果得られた空気が豊富なプラズマは、
大きな燃料効率を提供し、また炉内のガラス溶融の酸化
還元電位を制御するために使用することができる。
ズマトーチ60と62を示したもので、プラズマ点火の
ための非転移アークモード、通常の作動のための転移ア
ークモードでそれぞれ作動するものである。セラミック
や他の材料の従来の転移型アークプラズマ溶融では、材
料を予備溶融して導電性の溶融相を生成する必要があっ
た。この初期の処理工程により、溶融機の安定動作に達
するまでの開始時間が付加された。典型的には、溶融浴
が陽極炉内に含まれているか、あるいは陽極が浴内に沈
められているかであり、これにより帰還電気導電路が提
供される。材料の処理の間、系を通って流れる直流電流
によって、好ましくない電気分解反応が陽極表面で起こ
り、これが陽極腐食並びに溶融された材料の汚染を招
く。
ける上記の欠点並びに他の欠点をなくすために開発され
た、本発明の転移型−アーク装置では、反対の極性であ
る2つのプラズマトーチ60と62とを含む。陰極トー
チ60はトリウムタングステンからなる、水冷却され
た、陰電極として機能する、尖った電極74を有してい
る。水冷却された銅ノズル76は、陰電極74の回りに
プラズマガスの囲い板を供給し、陰電極74へのアーク
の付着を閉じ込め、高周波プラズマ開始のための電極と
して機能する。陰極プラズマジェットに廃物材料の処理
のために要求される溶融物浸透性を与えるために、通常
の作動中に陰極トーチ60に供給されるプラズマガスは
窒素である。しかしながら、窒素酸化物放出が問題とな
る場合には、ヘリウムが窒素と同じように陰極プラズマ
ジェットを強化する効果を有しているので、アルゴンガ
スとヘリウムガスの混合物を用いることができる。
速度で処理するためには、陽極トーチは、高純度銅から
なる、水冷却されたボタン状電極78から構成され、陽
極表面上の電子「凝縮」により発生される熱を分散させ
る。水冷却された銅ノズル80は、陽電極78の回りに
プラズマガス(通常はアルゴン)の囲い板を提供し、陽
電極78へのアーク付着を閉じ込めて、高周波プラズマ
点火のための電極として機能する。この形式の陽極トー
チは、図9に詳しく示した。1時間当たり500ポンド
を越える質量流速で処理するためには、図12に示し
た、管状の銅電極を備えた陽極トーチが、電極腐食速度
が低く、またプラズマガスとして空気を使用し得るので
好ましい。プラズマガスとしてアルゴンでなく空気を使
用する点を除いて、この管状の銅電極を備えた陽極トー
チの操作は、次段で説明する、ボタン状銅電極を備えた
陽極トーチの操作と同様である。
融装置の作動には、陰極と陽極の双方上において、電極
74、78およびノズル76、80の間の高周波制御さ
れた放電が必要である。この操作は、図3に示したよう
に、各トーチにおいて、中間の非転移型ーアークプラズ
マを発生する。陰極トーチ60の場合には、陰極電極7
4からノズル76に電流が流れる。陽極トーチ62の場
合には、ノズル80から陽極電極78に電流が流れる。
従来の転移型−アークプラズマ溶融装置と同様に、非転
移モードから転移モードへの2次開始を生成するため
に、バイアス抵抗82が使用され、転移モードでは、電
流はノズル76、80、高周波開始変圧器84、非転移
接点スイッチ86並びにバイアス抵抗82を通過するこ
となく、陰電極と陽電極との間を通過する。図4に示し
たように、非転移接点スイッチ86が開いた状態では、
逆極性である2つの転移型アークプラズマジェットが発
生して、トーチ60と62との間に位置する領域内に侵
入する。結合ゾーン88と名付けられた、この遠隔位置
においては、電流は、材料の処理あるいは溶融の開始時
のようにプラズマジェットが直接一緒に結合しているプ
ラズマ相を通るか、あるいは2つのプラズマジェットの
間に導入されて処理あるいは溶融された材料のような外
部の導電体を通って直接転移する。
装置では、111kw/sq ftの出力密度が得られ
た。しかしながら、通常の操作では、106kw/sq
ftの出力密度が見込まれる。プラズマジェット内部
の反応温度は、5,000゜Kと15,000゜Kとの
間である。
アーク炉(図9の陽極トーチ100のようなボタン状電
極陽極トーチを使用した)の、プラズマ開始段階、溶解
開始段階および開口段階、並びに通常の処理動作段階を
示したものである。図5に示したように、陰極プラズマ
トーチ60と(ボタン状銅電極を備えた)陽極プラズマ
トーチ62の動作がプラズマ開始段階において、動作が
非転移モードから転移モードに切換えられた場合には、
アルゴンガスを使用した、プラズマジェット94と96
は、トーチの間の領域(結合ゾーン88)に突き当た
り、電流はプラズマ相を直接通ってトーチの間を転移す
る。図示したように、溶融機シェル22内の材料が溶融
しておらず、トーチノズル76と80の下端は約2イン
チ離れており、各ノズルは垂直に対して約45°傾斜し
ており、かつ各ノズルは冷たい被溶融物の表面から約1
0インチ上方にある。溶融していない状態では、溶融機
内の材料は、プラズマジェットからの熱いプラズマガス
の対流、並びにプラズマジェットからの放射熱により、
加熱され始める。
開口段階では、陰極トーチ60のプラズマガスが窒素に
変更される。これにより、ジェットが強化されあるいは
安定化して陰極ジェット94の強度が増大する。陰極ト
ーチのプラズマガスが窒素に切換えられてジェットが強
まると同時に、トーチが下げられて被溶融材料の表面に
より近づき、陽極トーチノズル80の放電端90が陰極
トーチノズル60の放電端92よりも溶融物プール36
の上面のより上方に位置する。直径約3フィートで約1
500ポンド/時間の能力を持つ溶融機シェルを備えた
炉では、陰極トーチプラズマが窒素に切換えられた後
は、陽極トーチノズル80の放電端90は、陰極トーチ
ノズルの放電端92よりも約3−4インチ上方になけれ
ばならないことが判った。もしボタン状電極陽極トーチ
ノズルの放電端90が陰極トーチノズルの放電端92の
上方のレベルに保持されないと、陽極ジェットの陽極ト
ーチノズル80の端部へのアーク付着により陽極トーチ
が次第に衰えてしまう。
で材料の溶融あるいは処理を開始するためには、陰極ト
ーチノズル76の放電端92が溶融機シェルの長手軸上
にほぼ位置し、実際には垂直に近い角度で傾斜し、また
出口穴アッセンブリ30の出口穴32に向けられる。直
径約3フィートの炉内では、陽極トーチノズル80の放
電端90は、溶融機シェル22の長手軸から2−3イン
チ外れて位置し、さらに垂直に対して約45°の角度で
傾斜しており、また同様に出口穴アッセンブリ30の出
口穴32に向けられている。
ル36を通過して陰極プラズマジェット94と陽極プラ
ズマジェットの間を転移する。溶融物プール36内の材
料を介する電流の通過のため、材料は抵抗加熱発生によ
り加熱される。
動作段階においては、陰極トーチノズル76の放電端9
2は水平方向の2−3インチ外方の溶融物シェル22の
長手軸に対してオフセットした位置に移動し、また陽極
トーチノズル80の放電端90は水平方向の2−3イン
チ内方の、溶融物シェル22のほぼ長手軸上の位置に移
動する。陽極トーチノズルの放電端は、陰極トーチノズ
ルの放電端の約3−4インチ上方にそのまま位置させら
れ、かつ出口穴アッセンブリ30の出口穴32に向け続
けられるので、ジェットは出口穴の上方の溶融物の中心
線上の溶融プール36に接触する。
度を変化させて溶融プールの直径を調節することで温度
制御が可能となる。入力が同じであれば、陰極プラズマ
ジェット94が溶融物プールに接触する箇所が溶融機シ
ェル22の中央線から外方へ離間するほど、溶融物プー
ル36の容積が増大し、溶融物プールの温度は低下す
る。かくして、陰極ジェットが溶融機シェル22内で処
理される材料に接触する位置を変化させることで、本方
法の操作温度を調整することができる。
給ポートチューブ66を通ってプラズマアーク炉20内
に導入される。このプラズマアーク炉20内でスクラッ
プ材料を処理するためには、材料を事前処理して適切な
装入原料を形成しなければならない。例えば、繊維状ガ
ラススクラップは切断し、ロール粉砕し、粒状化し、ハ
ンマーミルで粉砕しあるいは切断して、小さな繊維の固
まりにする。このように予備処理した材料は、次いで、
供給チューブ(図示せず)によってプラズマアーク炉2
0にスクリュー供給され、また供給チューブ内で材料が
詰まるのを防止するために若干正圧の空気圧を加えら
れ、そして供給ポートチューブ66を通ってプラズマア
ーク炉20内に導入される。
は、溶融機シェル22の長手軸に対してオフセットして
いるため、炉20に加えられる材料は、溶融機シェル2
2の長手軸から水平方向にオフセットした位置で、かつ
結合ゾーン88の外側の位置で、溶融プール内に導入さ
れる。炉内で処理される材料の滞留時間に影響を与える
ことに加え、溶融機シェルの長手軸から水平方向にオフ
セットした位置で、溶融機シェル22内に装入原料を供
給することで、装入原料による固体の側壁層34が確立
され、この層は溶融されることなく溶融機シェルの側壁
28を絶縁する。溶融物プール36の表面の直径は、溶
融機シェル内への装入材料の供給速度、供給ポートチュ
ーブ66の水平方向位置、並びに陰極トーチの位置によ
って大きく支配される。溶融機シェルの長手軸から水平
方向にオフセットした位置において装入原料を導入する
ことにより、溶融物プール36の表面上に溶融物の「泡
立った」層98を存在させることができる。この溶融物
の泡立った層98は、溶融物プール36の表面からの放
射熱損失を効率的に減じることができる。
方向の形は楕円形状である。最も高い温度の領域は陰極
トーチの放電端92と同じ半径に位置している。通常の
運転中には、上記の図8から分かるように、溶融機シェ
ルは反時計方向に、1分間当たり3と30の間の回転速
度で回転する(好ましくは1分当たり約6回転)。これ
により、新しく追加された材料は、それが陽極トーチ6
2の放電端90の下を通過する前に、陰極トーチ60の
放電端92の下を通過する。
生成されるプラズマジェットよりも大きな密度を持った
プラズマジェット94を生成する。このため、陰極トー
チ60のプラズマジェット94は供給ポートチューブ6
6を通って炉20内に導入された溶融していないバッチ
を貫通することができる。陰極トーチ60のプラズマジ
ェット94により加熱された後は、部分的に溶融したバ
ッチは陽極トーチ62のプラズマジェット96の下を通
る。バッチは陽極トーチのプラズマジェット96に達す
る前に部分的に溶融されているので、より小さい密度の
陽極トーチプラズマジェット96の不安定性が問題にな
ることはない。溶融機シェル22の回転が逆になった場
合には、新たに追加されたバッチは、陰極トーチプラズ
マジェット94の下を通過する前に、陽極トーチのプラ
ズマジェット96の下を通過し、陽極トーチの不安定
化、ならびに陽極トーチの消耗の原因になる。
空気、酸素あるいは水蒸気が、図5−7に示したよう
に、水冷却された注入チューブ72を通って、プラズマ
ジェット間の低圧ゾーン内に直接注入される。この注入
は、図9に示された実施例では囲い板でカバーされたプ
ラズマトーチ100を通して、また図10に示した実施
例ではプラズマトーチの下側に取り付けられた注入チュ
ーブ137を通して、行われる。プラズマジェット間へ
の空気、酸素あるいは蒸気(酸化性ガス)の注入は、プ
ラズマガス中の準安定性の酸素イオン(陽イオンと陰イ
オンの双方)の流れを維持し、またエネルギーに富む酸
素イオンの迅速な酸化効果により炭化水素の焼却は迅速
且つ効率的に行われる。このようにして、プラズマジェ
ット94と96の間の領域内に供給された追加の酸素
は、処理される材料中の有機物の完全な燃焼に対して大
きな燃焼効率を提供し、また炉をガラス材料に使用する
場合にはガラス溶融体の酸化還元電位を制御するために
使用することができる。
長手方向の断面図を示したものである。図示したトーチ
は陽極トーチであり、図3及び4の陽極トーチと同様
に、円筒状の電極素子102、プラズマトーチノズル1
04、並びにプラズマトーチ囲い板106から構成され
る。この電極素子は銅から作られており、高純度の銅ボ
タンチップ108を有している。陰極トーチは、図3及
び4の陰極トーチと同様であるが、銅ボタンチップ10
8がトリウムタングステンの円錐状のチップで置き替わ
っている。この電極素子102およびそのチップ108
は、ノズルスリーブ104の内側に取り付けられてい
る。ノズルスリーブ104は、壁114と116により
形成され、水がノズルを冷却するために通過する冷却チ
ャンバ112を備えた、2重壁構造の円筒状のチューブ
である。このノズルはまた、圧力下においてプラズマガ
スがこれらを通ってプラズマトーチ100内に導入され
る管状の壁116と118により規定される管状の溝1
20を有している。ノズルは電極素子チップ108の端
を越えて延在し、また管状の溝120が管状の放電開口
122に設けられており、これは、ガスを管状の溝12
0から電極チップ108の領域内に導入してプラズマジ
ェットを形成する。
板106の内側に設けられている。この囲い板は、ステ
ンレス鋼あるいは銅で作られ、水が通過して囲い板や他
のトーチの構成部分を冷却する管状の冷却チャンバ12
4を有している。囲い板の内壁128とトーチノズル1
04の外壁114との間には、管状の溝126が形成さ
れている。囲い板106は、ノズル104の端まで延在
し、またトーチのための放電開口132を形成するため
に、直径が減じられた環状部130を有している。管状
の溝126を通って導入された圧力ガスは、プラズマト
ーチノズル104の放電開口122の下流に隣接した環
状の開口134を通って、トーチの放電開口132内に
導入される。種々のガスがプラズマトーチノズルとプラ
ズマトーチ囲い板とを介して導入され、特別な処理の要
求に適合できるようにしてある。
ーチ系を示したもので、陰極トーチ60及び陽極トーチ
62には、空気、酸素、または蒸気の注入チューブ13
7が設けられている。チューブ137は、陰極および陽
極電極ノズル76と80の下側に沿って延在し、それぞ
れに溶接されている。注入チューブ137から空気、酸
素あるいは蒸気がプラズマジェット94と96内に注入
された場合には、プラズマジェットは、図10で仮想線
で示した方向から図10で実線で示した方向に直線化す
る。これにより、酸素を供給して燃焼が促進し、またプ
ラズマジェット94と96をトーチノズル76と80の
先端から離すことで、両トーチのトーチ性能を向上させ
ることができる。
6とトーチノズルの端部との接触により、ノズルを介し
てのショートが生じ、ノズルが損傷し、また処理が停止
する可能性がある。通常の運転中は、陰極プラズマジェ
ット94が陽極プラズマジェット96よりも強力である
ので、陽極トーチのプラズマジェットを陽極トーチノズ
ルの端部に接触しないようにするためには、陽極プラズ
マトーチ62の下側に存在する注入チューブの空気、酸
素あるいは蒸気の圧力は、陰極プラズマトーチ60の下
側に存在する注入チューブの空気、酸素あるいは蒸気の
圧力よりも大きくなければならない場合がある。上記し
た通り、炉あるいは焼却炉の運転中は、陽極トーチノズ
ルの放電端90が陰極トーチノズルの放電端92の上方
に位置するので、陽極トーチ62の下側に存在する注入
チューブの空気、酸素あるいは蒸気の圧力を高い圧力に
する必要は、減少しあるいは消滅する。しかしながら、
陰極と陽極のノズルの放電端が溶融物の上方でほぼ同じ
レベルに位置し、陽極トーチプラズマジェット96と陽
極トーチノズルとの間の接触が防止されなければならな
い場合には、陽極トーチ62の下側に存在する注入チュ
ーブ137の空気、酸素あるいは蒸気の圧力を、陰極ト
ーチ60の下側に存在する注入チューブ137の空気、
酸素あるいは蒸気の圧力よりも高い圧力にする必要があ
る。
の実施例の陽極トーチ200の長手方向の断面図であ
る。材料の処理速度が1時間当たり500ポンド以上の
場合は、管状電極陽極トーチ200がボタン状電極陽極
トーチ100よりも好ましい。この陽極トーチ200
は、管状の水冷却された電極ハウジング202、電極ハ
ウジング202の内側に設けられた管状の電極204、
電極ハウジング202を収納する管状の水冷却された囲
い板・ノズルアッセンブリ206、並びに囲い板・ノズ
ルアッセンブリ206と電極ハウジング202の中間に
ある空気供給溝付きカラー208から構成される。
また内側の円筒状の表面210と外側の円筒状の表面2
12を有している。この電極は、好ましくは、高純度の
銅で作られる。上記の電極ハウジングは、ステンレス鋼
あるいは銅で作られ、内側の管状の壁214と外側の管
状の壁216を有している。冷却水は、入り口チューブ
218を通って電極ハウジング202内に導入され、ま
た出口スリーブ220を通って電極ハウジングから放出
される。入り口チューブ218を通って電極ハウジング
内に導入された後は、冷却水は、管状の電極204の外
側の円筒状の表面212と電極ハウジングの内側の壁2
14の間を通過して、管状の電極204を冷却する。こ
の冷却水は、次いで、電極ハウジングの内側の管状の壁
214と外側の管状の壁216の間を通って戻り、出口
スリーブ220を通って出る。
テンレス鋼あるいは銅で作られる。この囲い板・ノズル
アッセンブリは、内側の管状の壁222、外側の管状の
壁224、並びに中間の管状の壁226から構成され
る。冷却水は、内側の管状の壁222と中間の管状の壁
226とで形成されるスリーブを通って冷却水が流入
し、また中間の管状の壁226と外側の管状の壁224
とで形成されるスリーブを通って出ることで、囲い板・
ノズルアッセンブリ206を通って循環する。囲い板・
ノズルアッセンブリ206のノズル部分228は、ノズ
ルの首部を規定する内側の円筒状の表面230を有して
いる。この円筒状の内側表面により形成される首部の直
径は、管状の電極204の内側の円筒状の表面210の
直径と、実質的に同じである。
ェットのための、加圧された酸化性ガス、好ましくは空
気は、ガスが電極ハウジングの外側の管状の壁216お
よび囲い板・ノズルアッセンブリの内側の管状の壁22
2との間に形成される管状の溝232を通過すること
で、トーチ内に導入される。囲い板・ノズルアッセンブ
リ206のノズル部分228の内側の管状の表面234
は、管状の電極204の環状表面から離間されている。
これら2つの面は、管状の溝232から電極204の内
側および囲い板・ノズルアッセンブリのノズル部分22
8の首部にプラズマジェットの加圧用のガスを導入する
ための環状の入り口を形成している。酸化性ガスが管状
の溝232に入ると、酸化性ガスは、電極ハウジング2
02の外側の管状の壁216と囲い板・ノズルアッセン
ブリの内側の管状の壁222の中間に位置する溝付きカ
ラー208を通過する。図13に詳細に示したように、
上記の溝付きカラー208は、その外面に複数の螺旋状
溝238を有しており、これにより、酸化性ガスは環状
入り口を通ってノズル首部および電極204の内側を渦
を巻いて通るようになる。
(好ましくは空気)の流れは、管状の電極204の開口
端を通過し、管状の電極の内側に減圧されたゾーンが作
られて、管状電極204内部に酸化性ガスが引き込まれ
る。このため、トーチ200のプラズマアークが管状の
電極の内側の円筒状の表面210に付着し、また酸化性
ガスの渦巻きあるいは回転により、アーク付着点が電極
の内側の円筒状の表面の回りを回転する。陽極トーチ2
00を通過する酸化性ガスの流量を変化させることで、
管状電極の内側で生成される部分的な真空の減圧状態を
変化させることができ、このため、管状の電極204の
内側のアーク付着点の軸方向の位置を変えることができ
る。このように、管状の電極の内側のアーク付着点を電
極204の内側の円筒状の表面210の回りに常に回転
できることに加え、電極の内側の円筒状の表面210に
沿って軸方向に移動でき、同時に電極腐食を減じること
ができる。アーク付着点を管状の電極の内側で軸方向に
移動させる一つの方法として、従来のガス流量調整器を
用いて陽極トーチ200を通過する酸化性ガスの脈動を
生じさせる方法がある。
電極陽極トーチ200を用いた本発明のプラズマ溶融、
燃焼および焼却装置の起動および作動は、基本的には、
ボタン状電極陽極トーチ10に関して上記で説明したも
のと同様である。しかしながら、アルゴンガスを用いた
管状電極陽極トーチ200では、作動を開始した後は、
陰極トーチがアルゴンガスから窒素に切換えられる際
に、トーチのプラズマガスを酸化性ガス(蒸気や酸素も
使用できるが、好ましくは空気)に切換られる。
てアルゴンでなく空気を使用することで、ボタン状電極
陽極トーチ100を使用して形成されるアルゴンガスプ
ラズマジェットより高いエネルギーの、あるいは強力な
プラズマジェットが形成される。加えて、管状電極陽極
トーチ200を通る空気の流量は、陽極トーチ100を
通るアルゴンの流量よりも大きくする。このため、管状
電極陽極トーチ200により形成されるプラズマジェッ
トは、ボタン状電極陽極トーチ100により形成される
プラズマジェットよりも強力である。よって、管状電極
陽極トーチ200は、その高いエネルギーの、あるいは
強力なプラズマジェットにより、トーチ200のノズル
部分228への陽極プラズマジェットのアーク付着なし
に、そのノズルの放電端を陰極トーチノズルの放電端と
同じレベルにして運転することができる。加えて、管状
電極陽極トーチ200のプラズマジェット中の酸素によ
り、ボタン状電極アノードトーチのプラズマジェットよ
りも、有機物スクラップのような有機材料をより良く燃
焼させることができる。
棄ガス138を処理するための、本発明の実施例を示し
たものである。プラズマアーク炉20は、ある種の材料
をその廃棄ガス138内に揮発姓の有機成分が存在しな
いように処理するために使用されていた。このため、こ
のプラズマアーク炉20は、これらの材料中の有機物を
効率的に分解し、よってその他の汚染軽減装置あるいは
特定の発煙を収集するためのバッグハウスなどは不要で
あった。しかしながら、スクラップ材料の中には非常に
高い有機物含有量のものがあり、全部の有機物を分解す
るために更に処理が必要なことがある。
れた材料中の有機物を完全に燃焼するためのプラズマア
ーク再燃焼装置140を含む。従来の再燃焼装置も使用
することができる。
のプラズマトーチ144と146、並びに空気、酸素あ
るいは蒸気注入チューブ148を備えている。フードは
円筒状の基部150、円錐状の中間部152、並びに排
気スタック154を有している。プラズマトーチ144
と146は、トーチ60と62がプラズマアーク炉20
内に取り付けられるのと同様に、フードの円錐状の中間
部152内に取り付けられおり、またトーチ60と62
と同じように機能する。空気、酸素または蒸気注入チュ
ーブ148は、炉20の空気、酸素あるいは蒸気注入チ
ューブ72と同様に、排気ガス中の有機物の燃焼を高め
るものである。
らの排気ガス138は、フードの基部に導入され、ここ
で排気ガスはトーチ144と146を通過して上昇す
る。トーチは次いで、排気ガス中の残存する有機物を燃
焼する。排気ガスは次いで排気スタック154を通って
外部に放出される。
るために特定の実施例を使用した。しかしながら、本発
明はこれら実施例に限定されるものではなく、当業者は
本発明の説明に基づいては他の実施例や変形例を容易に
想定できるものである。従って、本発明は、上記実施例
に限定されるものではなく、添付した請求の範囲により
のみ制限されるものである。
融機シェルがその上昇した作動位置にあり、また破線で
その下降した非作動位置を示したものである。
であり、陰極トーチの据付けと、陰極トーチ(陽極トー
チの据付けも同様である)の移動範囲を示したものであ
る。
ードでの作動中における遠隔結合されたプラズマトーチ
を示した模式図である。
での作動中における遠隔結合されたプラズマトーチを示
した模式図である。
の位置を示した模式的正面断面図である。
のプラズマアークトーチの位置を示した模式的正面断面
図である。
た模式的正面断面図である。
した図7中の8−8線における模式的平面断面図であ
る。
蒸気を結合ゾーンに導入するための水冷却されたトーチ
囲い板とを備えた本発明の陽極プラズマトーチの長手方
向における断面図である。
に導入するための、空気、酸素あるいは蒸気チューブを
備えた本発明の陽極トーチと陰極トーチの詳細な説明図
である。
プラズマアーク炉の模式的正面断面図である。
並びにノズルアッセンブリを備えた本発明の第2の陽極
プラズマトーチの長手方向の断面図である。
ス用溝付きカラーの斜視図である。
ングの一部切欠断面図である。
Claims (30)
- 【請求項1】 プラズマアーク炉内で材料を加熱する方
法であって、該プラズマアーク炉が少なくとも2つの逆
極性の転移型アークプラズマトーチを備えており、該ト
ーチの一つが陰電極と陰極プラズマジェットを放出する
ためのノズルを含む陰極トーチであり、該トーチの一つ
が陽電極と陽極プラズマジェットを放出するためのノズ
ルを含む陽極トーチであり、かつ前記材料を保持するた
めの溶融機シェル、並びに該トーチを前記材料に対して
回転させる手段を含んでなる方法において:前記材料を
加熱するための結合ゾーンを介しての前記トーチ間にお
ける電流移動の間、前記陽極トーチノズルのプラズマジ
ェット放電端を、前記陰極トーチノズルのプラズマジェ
ット放電端よりも、前記溶融機シェル内の前記材料の上
部表面のより上方に位置させることを特徴とする方法。 - 【請求項2】 燃焼効率を高めるために結合ゾーン内に
酸化性ガスを導入する請求項1記載の方法。 - 【請求項3】 酸化ガスが空気である請求項2記載の方
法。 - 【請求項4】 酸化ガスが酸素である請求項2記載の方
法。 - 【請求項5】 酸化ガスが蒸気である請求項2記載の方
法。 - 【請求項6】 溶融機シェルがほぼ円筒形状で、上部が
開口しており、かつ溶融機シェルの上部開口を閉じるた
めのフードを備えており;陰極トーチノズルの放電端が
溶融機シェルの長手軸からオフセットしており;加熱さ
れる材料が溶融機シェルの長手軸からオフセットした位
置において溶融機シェル内に導入され;かつ溶融機シェ
ルがプラズマトーチに対して回転しており、材料が陽極
トーチノズルの放電端の下を通過する前に陰極トーチノ
ズルの放電端の下を通過する請求項1記載の方法。 - 【請求項7】 溶融機シェル内で処理される材料の温度
が、陰極トーチノズルが溶融機シェルの長手軸からオフ
セットしている距離を調節することで制御され、この距
離を増大することで材料が処理される温度が低下し、ま
たこの距離を減少させることで材料が処理される温度が
上昇する請求項6記載の方法。 - 【請求項8】 陽極トーチノズルの放電端が、溶融機シ
ェルの垂直軸のほぼ長手方向上に位置する請求項6記載
の方法。 - 【請求項9】 溶融機シェルがほぼ円筒形状で、上部が
開口しており、かつ溶融機シェルの上部の開口を閉じる
ためのフードを備えており;溶融機シェル内での材料の
加熱の開始の間は、陰極トーチノズルの放電端が溶融機
シェルのほぼ長手軸上に位置し、かつ陽極トーチノズル
の放電端が溶融機シェルの長手軸に対してオフセットし
ており、電流は材料を加熱する結合ゾーンを介してトー
チ間を移動し;溶融機シェル内における材料の溶融が開
始された後は、陰極トーチノズルの放電端が溶融機シェ
ルの長手軸に対してオフセットして位置するように移動
し、また陽極トーチノズルの放電端は溶融機シェルのほ
ぼ長手軸上に位置するように移動する請求項1記載の方
法。 - 【請求項10】 溶融機シェル内における材料の溶融が
開始された後は、溶融されるべき追加の材料が、溶融機
シェルの長手軸に対してオフセットした位置において溶
融機シェル内に導入され;かつ溶融機シェルがプラズマ
トーチに対して回転し、材料が陽極トーチノズルの放電
端の下を通過する前に材料が陰極トーチノズルの放電端
の下を通過する請求項9記載の方法。 - 【請求項11】 溶解された材料が溶融機シェルの垂直
の長手軸に沿って位置する溶融機シェルの底部内の放出
口を通って放出され、かつ溶融機シェル内で材料が処理
される残りの時間が材料を溶融機内に溶融機の長手の垂
直軸から離して導入することで増大する請求項10記載
の方法。 - 【請求項12】 溶融機シェル内での材料の加熱の開始
の間、陰極プラズマジェットと陽極プラズマジェットが
結合ゾーン内で一緒に結合され、電流がプラズマジェッ
ト間を直接移動し、プラズマジェットからの熱いプラズ
マガスの対流とプラズマジェットからの放射熱によって
材料が加熱される請求項10記載の方法。 - 【請求項13】 溶融機シェル内で材料が溶融した後
は、材料が結合ゾーンに位置し、陰極プラズマジェット
と陽極プラズマジェットが結合ゾーン内の材料によって
一緒に結合し、電流は結合ゾーン内の材料を通過するこ
とによりプラズマジェットの間を移動し、それにより材
料が材料内で発生する抵抗熱により溶融される請求項1
0記載の方法。 - 【請求項14】 陰極プラズマジェットと陽極プラズマ
ジェットが結合ゾーン内で一緒に結合し、電流はプラズ
マジェット間を直接移動し、かつプラズマジェットから
の熱いプラズマガスとプラズマジェットからの放射熱に
より材料が加熱される請求項1記載の方法。 - 【請求項15】 材料が結合ゾーン内に位置し、かつ陰
極プラズマジェットと陽極プラズマジェットが結合ゾー
ン内で材料により結合され、電流は結合ゾーン内の材料
を通過することによりプラズマジェット間を移動し、そ
れにより材料が材料内で発生する抵抗熱により溶融され
る請求項1記載の方法。 - 【請求項16】材料を溶融するためのプラズマアーク溶
融機であって、少なくとも2つの逆極性の転移型アーク
プラズマトーチを備え、該トーチの一つが陰電極と陰極
プラズマジェットを放出するためのノズルを含む陰極ト
ーチであり、該トーチの一つが陽電極と陽極プラズマジ
ェットを放出するためのノズルを含む陽極トーチであ
り、さらに陰極ノズルの放電端と陽極ノズルの放電端と
の位置関係を、トーチの間の材料を加熱するための結合
ゾーンを介する電流の移動のために決定する手段と、ト
ーチに電流を供給するための手段と、材料を保持するた
めのほぼ円筒状の溶融機シェルとを有し、前記シェルが
底壁を有し、前記シェルが上部が開口しており、さらに
溶融機シェルの上部の開口を覆って位置する溶融機フー
ドであってプラズマトーチがその中に取付けられている
溶融機フードを有しているプラズマアーク溶融機におい
て、 燃焼効率を高めるために結合ゾーン内に酸化性ガスを導
入する手段を有するプラズマアーク溶融機。 - 【請求項17】 陰極トーチノズルの放電端が溶融機シ
ェルの長手軸に対してオフセットしており:溶融機フー
ドが溶融機シェルの長手軸に対してオフセットした材料
供給ポートを有しており;かつ溶融機シェルと溶融機フ
ードを互いに相対的に回転する手段が設けられ、供給ポ
ートを通ってプラズマアーク溶融機内に導入された材料
が、陽極トーチノズルの放電端の下を通過する前に、陰
極トーチノズルの放電端の下を通過する請求項16記載
のプラズマアーク溶融機。 - 【請求項18】 溶融機シェルの上部と溶融機フードと
の間に、プラズマアーク溶融機内への燃焼用空気の流入
を許容するための隙間が位置しており、溶融機シェルと
溶融機フードとは垂直に相対的に移動可能で隙間の寸法
が調節でき、かつ溶融機シェルと溶融機フードとを相対
的に移動させてプラズマアーク溶融機内に導入される燃
料用空気の量を調節する手段が設けられている請求項1
7記載のプラズマアーク溶融機。 - 【請求項19】 結合ゾーンに酸化性ガスを導入するた
めの手段がトーチの少なくとも1つに取付けられ、プラ
ズマジェットがトーチノズルの放電端から出るときに酸
化性ガスがプラズマジェット内に導入される注入チュー
ブを含む請求項16記載のプラズマアーク溶融機。 - 【請求項20】 結合ゾーン内に酸化性ガスを導入する
ための手段がトーチの少なくとも1つに取付けられ、プ
ラズマジェットがトーチノズルの放電端から出るときに
酸化性ガスがプラズマジェット内に導入される囲い板を
含む請求項16記載のプラズマアーク溶融機。 - 【請求項21】 プラズマアーク炉内で材料を加熱する
方法であって、該プラズマアーク炉が少なくとも2つの
逆極性の転移型アークプラズマトーチを備えており、該
トーチの一つが陰電極と陰極プラズマジェットを放出す
るためのノズルを含む陰極トーチであり、該トーチの一
つが陽電極と陽極プラズマジェットを放出するためのノ
ズルを含む陽極トーチであり、かつ前記材料を保持する
ための溶融機シェル、並びに該トーチを前記材料に対し
て回転させる手段を含んでなる方法において、 前記陽極トーチノズルのプラズマジェット放電端と前記
陰極トーチのプラズマジェット放電端とを溶融機シェル
内の前記材料の上部表面の上方に位置させ、トーチ間に
結合ゾーンを介して電流を移動させて材料を加熱し、材
料内の有機物を焼却し、かつ結合ゾーンに酸化性ガスを
導入して燃焼効率を高めるとともにプラズマジェットを
偏向させてトーチの放電端にプラズマジェットが接触し
ないように維持することを特徴とする方法。 - 【請求項22】 陽極トーチがプラズマガスとして酸化
性ガスを用いる請求項1記載の方法。 - 【請求項23】 陽極トーチがプラズマガスとして酸化
性ガスを用いる請求項6記載の方法。 - 【請求項24】 陽極トーチがプラズマガスとして空気
を用いる請求項14記載の方法。 - 【請求項25】 陽極トーチがプラズマガスとして空気
を用いる請求項15記載の方法。 - 【請求項26】 プラズマアーク炉内で材料を加熱する
方法であって、該プラズマアーク炉が少なくとも2つの
逆極性の転移型アークプラズマトーチを備えており、該
トーチの一つが陰電極と陰極プラズマジェットを放出す
るためのノズルを含む陰極トーチであり、該トーチの他
の一つが陽電極と陽極プラズマジェットを放出するため
のノズルを含む陽極トーチであり、さらに材料を保持す
るための溶融機シェル、並びに該トーチを材料に対して
回転させる手段を含んでなる方法において: 前記材料を加熱するための結合ゾーンを介しての前記ト
ーチ間における電流移動の間、前記陽極トーチノズルの
プラズマジェット放電端を、前記溶融機シェル内の材料
の上部表面から少くとも前記陰極トーチノズルのプラズ
マジェット放電端と同じだけ離して位置させ、かつ陽極
プラズマジェットのためのプラズマガスとして酸化性ガ
スを用いることを特徴とする方法。 - 【請求項27】 溶融機シェルがほぼ円筒形状で、上部
が開口しており、かつ溶融機シェルの上部開口を閉じる
ためのフードを備えており;陰極トーチノズルの放電端
が溶融機シェルの長手軸からオフセットしており;加熱
される材料が溶融機シェルの長手軸からオフセットした
位置において溶融機シェル内に導入され;かつ溶融機シ
ェルがプラズマトーチに対して回転し、材料が陽極トー
チノズルの放電端の下を通過する前に陰極トーチノズル
の放電端の下を通過する請求項26記載の方法。 - 【請求項28】 燃焼効率を高めるために結合ゾーン内
に酸化性ガスを導入する手段が、管状電極を有し、陽極
プラズマジェットのためのプラズマガスとして酸化性ガ
スを使用する陽極トーチである請求項16記載のプラズ
マアーク溶融機。 - 【請求項29】 陽極トーチ内に設けられ、陽極プラズ
マジェットのアーク付着点を管状電極の内側の円筒状表
面の回りに回転させるための手段を含む請求項28記載
のプラズマアーク溶融機。 - 【請求項30】 アーク付着点を回転させる手段がプラ
ズマガスを案内し、プラズマガスに回転動作を与える溝
を有するカラーである請求項29記載のプラズマアーク
溶融機。
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