JP2964228B2 - プラズマ炉 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、溶融炉，焼却炉，
金属炉，ガラス溶解炉，化学反応炉等として用いられる
プラズマ炉に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】プラズマバーナーからプラズマ化した高
温ガスを炉体内に噴出するプラズマ炉には、移行型プラ
ズマバーナーを用いるプラズマ炉と、非移行型プラズマ
バーナーを用いるプラズマ炉と、火炎プラズマバーナー
を用いるプラズマ炉とがある。

【０００３】移行型プラズマバーナーを用いるプラズマ
炉では、炉体内に入ってくる加熱目的物をプラズマバー
ナーの内部電極と反対の電極として、これらの電極間に
高電圧をかけてプラズマバーナーと加熱目的物との間に
プラズマを発生させて、該加熱目的物を加熱するように
なっている。

【０００４】非移行型プラズマバーナーを用いるプラズ
マ炉では、該プラズマバーナーの内部に一方の極性の電
極とそれに反対の極性の電極とを設け、これら電極間に
高電圧をかけてこれら電極間を通る作動ガスをプラズマ
化して炉体内に噴出させ、そのプラズマガスで加熱目的
物を加熱するようになっている。

【０００５】火炎プラズマバーナーを用いるプラズマ炉
では、燃料を燃焼させる空気をプラズマ化し、これを用
いて燃料を燃焼させて火炎プラズマを発生させ、これを
炉体内に噴出させ、その火炎プラズマで加熱目的物を加
熱するようになっている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来のプラズマ炉では、プラズマガスを炉体内で収
斂させることができず、熱効率を上げることができない
問題点があった。

【０００７】本発明の目的は、熱効率を上げることがで
きるプラズマ炉を提供することにある。

【０００８】本発明の他の目的は、プラズマガスを炉体
内で収斂させる磁束を効率よく炉体内に透過させること
ができるプラズマ炉を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、プラズマ化し
た高温ガスを炉体内に噴出するプラズマバーナーを取り
付けたプラズマ炉を改良するものである。

【００１０】請求項１に記載のプラズマ炉は、前記炉体
の外周に、同極が該炉体を構成する炉壁に対向するよう
にして複数の磁石が配置されていることを特徴とする。

【００１１】このようにすると、各磁石に対応した炉体
内の各箇所にローレンツ力によるイオン流の渦ができ、
炉心部ではこれらイオン流の渦の合成流としてプラズマ
の渦ができ、このプラズマの渦により、また非一様磁場
による磁気ミラーやドリフト効果等によりプラズマ炎を
炉心部で収斂させることができる。

【００１２】請求項２に記載のプラズマ炉は、請求項１
において、前記磁石の群は前記炉体の軸心方向に複数段
に配置されていることを特徴とする。

【００１３】このようにすると、各段の磁石の群により
プラズマ炎を炉心部でより一層効率よく収斂させること
ができる。

【００１４】請求項３に記載のプラズマ炉は、前記磁石
の炉壁側端部に、磁性金属により形成された前記磁石の
端面より面積の大きい磁気拡張板が取り付けられている
ことを特徴とする。

【００１５】このようにすると、磁気による作用面積が
大きくなるため、各磁石に対応した炉体内の各箇所にロ
ーレンツ力によって発生するイオン流の渦は大きくな
り、炉心部でこれら大きいイオン流の渦の合成流として
できるプラズマの渦がプラズマ炎を炉心部でより一層効
率よく収斂させることができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】図１乃至図４は、本発明を焼却
灰，飛灰の溶融炉に適用した本発明に係るプラズマ炉に
おける実施の形態の一例を示したものである。

【００１７】このプラズマ炉においては、筒状をしてい
て上部と下部が閉塞された炉体１を備え、この炉体１の
炉壁２は耐高温性耐火物で形成している。炉体１の上部
には、その中心に原料灰からなる加熱目的物を供給する
スクリューコンベア３が接続されている。このスクリュ
ーコンベア３の接続箇所の周囲の炉体１の上部の部分に
は、プラズマ化した高温ガスを炉体１内に噴出する３本
のプラズマバーナーとして火炎プラズマバーナー４が１
２０°間隔で取り付けられている。炉体１の側壁の下部
には、溶融スラグを排出する排滓口５が設けられてい
る。

【００１８】炉体１の外周には、同極（この例ではＮ
極）が該炉体１を構成する炉壁２に対向するようにして
複数（この例では４つ）の電磁石６よりなる群が上下２
段に配置されている。各電磁石６は、鉄の如き磁性体７
の外周にコイル８を巻装した構造にそれぞれなってい
る。各コイル８は、本例では図４に示すように炉壁２に
対向する磁性体７の端部がＮ極になるように該磁性体７
に巻装されていて、相互に直列接続されて直流電源９か
ら励磁されるようになっている。また、磁性体７内には
冷却通路１０が形成されていて、この冷却通路１０には
冷却水入口１０ａから冷却水が供給され、冷却水出口１
０ｂから排出されるようになっている。

【００１９】このようなプラズマ炉では、火炎プラズマ
バーナー４からプラズマ化した火炎が炉体１の内部に噴
出されると、図５に示すようにそのイオンが各電磁石６
による磁場により炉壁２側がＮ極の場合には、プラズマ
炎が紙面の表から裏に向かって通過するとすると、各電
磁石６のＮ極が存在する付近ではローレンツ力により左
回りにイオンの渦Ａができる。プラズマの内部では、イ
オンが運動量の主体であるから、現象的にはプラズマの
渦と見える。炉心部では、これら４つのイオン流の渦Ａ
の合成流として右回りにプラズマの渦Ｂができる。この
プラズマの渦Ｂによりプラズマ炎を炉心部で収斂させる
ことができる。

【００２０】電磁石６の群を図示のように炉体１の軸心
方向に複数段に配置すると、各段の電磁石６の群により
プラズマ炎を炉心部でより一層効率よく収斂させること
ができる。

【００２１】なお、図６に示すように、電磁石６で炉壁
２に対向する磁性体７の端部をＳ極とした場合には、プ
ラズマ炎が紙面の表から裏に向かって通過するとする
と、各電磁石６のＳ極が存在する付近ではローレンツ力
により右回りにイオンの渦Ａができる。炉心部では、こ
れら４つのイオン流の渦Ａの合成流として左回りにプラ
ズマの渦Ｂができる。このプラズマの渦Ｂによりプラズ
マ炎を炉心部で収斂させることができる。

【００２２】上記説明した渦流は観察もされるが、その
他、電磁石６による非一様な磁場による磁気ミラー，ド
リフト効果等、観察できない作用も相俟ってプラズマイ
オンが収斂され、炉心では単に火炎プラズマバーナー４
から噴出される火炎温度以上の高温になり、溶融炉の場
合には電磁石６を取り付けない場合には溶融しなかった
原料でも、電磁石６を取り付けてプラズマ炎を収斂させ
ることにより溶融可能となる。一方、電磁石６によりプ
ラズマ炎を収斂させると、炉壁２では高温のプラズマ炎
が接触することがなくなって、電磁石６を設けてない場
合に比べて炉壁２の寿命を延ばすことができる。

【００２３】以上の説明は、プラズマ流の発生源が火炎
プラズマバーナー４である場合につてい説明したが、こ
の効果はプラズマ流の発生源が非移行型プラズマバーナ
ーから噴出される場合であっても同様に得ることができ
る。

【００２４】図７は、本発明に係るプラズマ炉における
実施の形態の他例を示したものであり、本例では、電磁
石６の磁性体７の炉壁２側端部に、磁性金属により形成
された前記磁性体７の端面より面積の大きい磁気拡張板
７ａが取り付けられている。また、電磁石６には前記磁
気拡張板７ａを冷却する冷却水を収容する冷却函１０ｃ
が設けられている。この冷却箱１０ｃ内に、前記磁性体
７内に形成された冷却通路１０の一方が開口しており、
この冷却通路１０の他方の開口部は冷却水入口１０ａと
なっている。冷却函１０ｃには排水管１０ｄが連設され
ており、排水管１０ｄの開口部が冷却水出口１０ｂとな
っている。

【００２５】このようなプラズマ炉では、磁気拡張板７
ａによって磁気の作用面積が大きくなるため、各電磁石
６に対応した炉体１内の各箇所にローレンツ力によって
発生するイオン流の渦Ａは大きくなり、炉心部でこれら
大きいイオン流の渦Ａの合成流としてできるプラズマの
渦Ｂがプラズマ炎を炉心部でより一層効率よく収斂させ
ることができる（図８）。

【００２６】図９は、前述した図１及び図２に示すプラ
ズマ炉で用いた火炎プラズマバーナー４の具体的構造の
一例を示したものである。

【００２７】この火炎プラズマバーナー４は、混合室１
１を形成する混合筒１２を有する。この混合筒１２は、
フランジ部１２ａを基端に有する筒部１２ｂと、該筒部
１２ｂの先端に連設されている拡径段部１２ｃと、該拡
径段部１２ｃの外周に連設されていて入口側から出口側
に向かうにつれて内径が徐々に小さくなるテーパ筒部１
２ｄと、該テーパ筒部１２ｄの先端外周に設けられたフ
ランジ部１２ｅとで形成されている。

【００２８】混合室１１の入口側で混合筒１２には、外
筒１３と内筒１４とからなる二重構造の空気供給部１５
が設けられている。この空気供給部１５には、加圧され
た空気が外部から供給されるようになっている。外筒１
３は、両端にフランジ部１３ａ，１３ｂを有し、フラン
ジ部１３ｂが混合筒１２のフランジ部１２ａに重ねられ
て接続されている。

【００２９】内筒１４内には、この内筒１４内を流れる
空気流をプラズマ化させてプラズマ流を発生させるプラ
ズマ発生手段１６が設けられている。プラズマ発生手段
１６は、内筒１４の内周に沿って環状の絶縁支持体１７
が取り付けられ、該絶縁支持体１７には複数本の棒状の
電極１８が貫通支持され、これら電極１８を陽極とし、
内筒１４を陰極として、これら電極間に高電圧を印加す
ることにより、内筒１４内を流れる空気流をプラズマ化
するようになっている。

【００３０】外筒１３と内筒１４との間には、旋回羽根
１９が螺旋状に配置されて、これら外筒１３と内筒１４
の間に流れる空気流を旋回流としてプラズマ流を包んで
収斂させるようになっている。内筒１４は、この旋回羽
根１９によって外筒１３に支持されている。

【００３１】混合筒１２の拡径段部１２ｃには、混合室
１１内のプラズマ流の周囲に燃料を噴出させて旋回流に
混合させる複数の燃料噴射ノズル２０が貫通して設けら
れている。混合室１１の出口側で混合筒１２のフランジ
部１２ｅには、フランジ部２１ａを介して燃焼筒２１が
接続され、内部に筒状の燃焼室２２が形成されている。
燃焼筒２１の他端にはフランジ部２１ｂが設けられてい
る。このような燃焼筒２１には、これを貫通して複数本
の点火プラグ２３が接続されている。燃焼筒２１の外周
には、同極（本例では、Ｎ極）が燃焼室２２の周囲に存
在するように４個の電磁石２４が９０°間隔で配設され
ている。これら電磁石２４は、鉄心よりなる磁性体２５
にコイル２６が同一方向に巻装され、各コイル２６は直
列接続されて、図示しない直流電源から励磁電流が供給
されるようになっている。

【００３２】各電磁石２４の磁性体２５内には、冷却水
を流す冷却通路２７が形成されている。燃焼筒２１の外
周には、冷却ジャケット２８が同心配置で設けられてい
る。この冷却ジャケット２８の両端は燃焼筒２１のフラ
ンジ部２１ａ，２１ｂに接続され、燃焼筒２１と冷却ジ
ャケット外壁２８との間に冷却室２９が形成されてい
る。この冷却室２９には、磁性体２５の冷却通路２７の
開口部２７ａから冷却水が供給されるようになってい
る。冷却室２９内の冷却水は、冷却ジャケット外壁２８
の排水口２８ａから排水されるようになっている。点火
プラグ２３の箇所では、冷却水から隔離するように隔離
筒３０が設けられている。

【００３３】このような火炎プラズマバーナー４の先端
部は、炉体１の上部に設けられたバーナーポート３１の
箇所で該炉体１の上部に取り付けられている。

【００３４】このような構造の火炎プラズマバーナー４
によれば、燃焼筒２１の外周に電磁石２４をその同極が
存在するように配置しているので、前述したと同様の理
由によりプラズマ火炎を収斂させることができる。かか
る火炎プラズマバーナー４と本発明の炉体１をセットに
することによって、プラズマ炎の収斂をより一層顕著に
することができる。

【００３５】図１０は、前述した非移行型プラズマバー
ナーの具体的構造の一例を示したものである。

【００３６】この非移行型プラズマバーナー４´は、金
属製で筒状のバーナーボデイ３２ａ，３２ｂが絶縁板３
３で電気的に絶縁されて接続されている。上部のバーナ
ーボデイ３２ａの上部からは絶縁スリーブ３４を介して
タングステン製の陰電極３５が該バーナーボデイ３２ａ
内に挿入されている。該陰電極３５は、陰極高圧ケーブ
ル３６により図示しない直流電源の陰極に接続されてい
る。下部のバーナーボデイ３２ｂは直流電源の陽極に陽
極高圧ケーブル３７によって接続され、このバーナーボ
デイ３２ｂが陰電極３５に対し対極となる陽極として作
用するようになっている。上部のバーナーボデイ３２ａ
には作動ガス導入管３８が接続され、この作動ガス導入
管３８から作動ガスが該バーナーボデイ３２ａ内のボル
テックスチャンバー３９に供給されるようになってい
る。バーナーボデイ３２ａ，３２ｂ内には冷却通路４０
ａ，４０ｂが設けられ、冷却水供給口４１ａ，４１ｂか
ら供給される冷却水により各バーナーボデイ３２ａ，３
２ｂの冷却が行われるようになっている。

【００３７】このような非移行型プラズマバーナー４´
では、作動ガス導入管３８から供給された作動ガスがボ
ルテックスチャンバー３９で旋回流となり、陰電極３５
とバーナーボデイ３２ｂからなる陽極との間の高電圧に
よりプラズマ化され、スロート４２を通り、炉体１の上
部のバーナーポート３１から炉体１内にプラズマ流が噴
出される。

【００３８】上記例では、本発明を溶融炉に適用した場
合について説明したが、本発明はこれに限定されるもの
ではなく、焼却炉，金属炉，ガラス溶解炉，化学反応炉
等のプラズマ炉にも同様に適用できるものである。

【００３９】

【発明の効果】本発明のプラズマ炉では、炉体の外周
に、同極が該炉体を構成する炉壁に対向するようにして
複数の磁石を配置したので、各磁石に対応した炉体内の
各箇所にローレンツ力によるイオン流の渦ができ、炉心
部ではこれらイオン流の渦の合成流としてプラズマの渦
ができ、このプラズマの渦により、また非一様磁場によ
る磁気ミラーやドリフト効果等によりプラズマ炎を炉心
部で収斂させることができる。このためプラズマ炎熱を
更に高温化することができ、従来のプラズマ炉よりも高
温で加熱目的物を加熱することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を溶融炉に適用した本発明に係るプラズ
マ炉における実施の形態の一例を示した縦断面図であ
る。

【図２】図１に示すプラズマ炉の平面図である。

【図３】図１に示すプラズマ炉に設けられている電磁石
の縦断面図である。

【図４】本例のプラズマ炉に設けられている各電磁石の
コイルの接続状態を示す説明図である。

【図５】各電磁石のＮ極を炉体に対向させた際の炉体内
のプラズマの渦の流れを示す説明図である。

【図６】各電磁石のＳ極を炉体に対向させた際の炉体内
のプラズマの渦の流れを示す説明図である。

【図７】本発明に係るプラズマ炉における実施の形態の
他例を示した一部切欠き要部拡大斜視図である。

【図８】図７のプラズマ炉における各電磁石のＮ極を炉
体に対向させた際の炉体内のプラズマの渦の流れを示す
説明図である。

【図９】本発明のプラズマ炉で用いる火炎プラズマバー
ナーの具体的構造の一例を示した縦断面図である。

【図１０】本発明のプラズマ炉で用いる非移行型プラズ
マバーナーの具体的構造の一例を示した縦断面図であ
る。

【符号の説明】

１ 炉体 ２ 炉壁 ３ スクリューコンベア ４ 火炎プラズマバーナー ４´ 非移行型プラズマバーナー ５ 排滓口 ６ 電磁石 ７ 磁性体 ７ａ 磁気拡張板 ８ コイル ９ 直流電源 １０ 冷却通路 １０ａ 冷却水入口 １０ｂ 冷却水出口 １０ｃ 冷却函 １０ｄ 排水管 １１ 混合室 １２ 混合筒 １３ 外筒 １４ 内筒 １５ 空気供給部 １６ プラズマ発生手段 １７ 絶縁支持体 １８ 電極 １９ 旋回羽根 ２０ 燃料噴射ノズル ２１ 燃焼筒 ２２ 燃焼室 ２３ 点火プラグ ２４ 電磁石 ２５ 磁性体 ２６ コイル ２７ 冷却通路 ２８ 冷却ジャケット ２９ 冷却室 ３０ 隔離筒 ３１ バーナーポート ３２ａ，３２ｂ バーナーボデイ ３３ 絶縁板 ３４ 絶縁スリーブ ３５ 陰電極 ３６ 陰極高圧ケーブル ３７ 陽極高圧ケーブル ３８ 作動ガス導入管 ３９ ボルテックスチャンバー ４０ａ，４０ｂ 冷却通路 ４１ａ，４１ｂ 冷却水供給口 ４２ スロート Ａ イオン流の渦 Ｂ プラズマの渦

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 プラズマ化した高温ガスを炉体内に噴出
   するプラズマバーナーを取り付けたプラズマ炉におい
   て、前記炉体の外周に、同極が該炉体を構成する炉壁に
   対向するようにして複数の磁石が配置されていることを
   特徴とするプラズマ炉。
2. 【請求項２】 前記磁石の群は前記炉体の軸心方向に複
   数段に配置されていることを特徴とする請求項１に記載
   のプラズマ炉。
3. 【請求項３】 前記磁石の炉壁側端部に、磁性金属によ
   り形成された前記磁石の端面より面積の大きい磁気拡張
   板が取り付けられていることを特徴とする請求項１また
   は２に記載のプラズマ炉。