JP3977164B2

JP3977164B2 - Plasma melting apparatus and plasma melting method

Info

Publication number: JP3977164B2
Application number: JP2002184855A
Authority: JP
Inventors: 和士田中; 義正赤塚; 尚貴棚橋; 拓史瀬尾
Original assignee: Chubu Electric Power Co Inc
Current assignee: Chubu Electric Power Co Inc
Priority date: 2002-06-25
Filing date: 2002-06-25
Publication date: 2007-09-19
Anticipated expiration: 2022-06-25
Also published as: JP2004031083A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、非溶融状態では非導電性を有する被溶融物をプラズマを用いて溶融するプラズマ溶融装置及びプラズマ溶融方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
焼却灰等の、非溶融状態では非導電性を有する被溶融物を溶融する溶融装置として、プラズマ溶融装置が用いられている。
このような、非溶融状態では非導電性を有する被溶融物をプラズマにより溶融するプラズマ溶融装置では、焼却灰が溶融状態にない時には、電極と焼却灰との間にプラズマを発生させるための起動処理が必要である。
焼却灰等の被溶融物をプラズマにより溶融するプラズマ溶融装置における起動方法としては、例えば、特開平８−２１０７７８号公報、特開平９−７２５１９号公報に記載されている起動方法が知られている。
特開平８−２１０７７８号公報に記載されているプラズマ溶融装置の起動方法は、主電極と起動電極を接触させて主電極と起動電極との間にプラズマアークを発生させ、プラズマアークによる加熱溶融によってスラグ層の表面に発生した溶融スラグ部分に起動電極を接触挿入することによって起動させるものである。
また、特開平９−７２５１９号公報に記載の起動方法は、プラズマの停止と同時に溶融炉の上部から導電体をスラグ浴中に打ち込み、導電体と炉体電極との導通を確認した後に起動させるものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
特開平８−２１０７７８号公報に記載のプラズマ溶融装置の起動方法では、主電極と起動電極との間のプラズマアークによってスラグ表面に発生した溶融スラグ部分に起動電極を接触挿入させる操作が必要である。
特開平９−７２５１９号公報に記載のプラズマ溶融装置の起動方法では、導電体をスラグ浴中に打ち込む操作が必要である。
すなわち、前記した従来のプラズマ溶融装置の起動方法は、起動電極あるいは導電体等を移動させる操作が必要である。このため、操作性がよくないと考えられる。
また、起動電極あるいは導電体等を移動可能とする機構を用いる必要があるため、構成が複雑となり、装置を小型化するのにも限度がある。
そこで、本発明は、非溶融状態では非導電性を有する被溶融物をプラズマにより溶融するプラズマ溶融装置及びプラズマ溶融方法であって、操作性がよく、装置の構成が簡単で、小型化が可能であるプラズマ溶融装置及びプラズマ溶融方法を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための本発明の第１発明は、請求項１に記載されたとおりのプラズマ溶融装置である。
請求項１に記載のプラズマ溶融装置では、第１の電極と、第１の電極を取り囲み、プラズマ発生用ガスを通す導電性のノズルとの間に第１の電源が接続され、第１の電極と、非溶融状態では非導電性を有する被溶融物が配置される第２の電極との間に第１及び第２の電源が直列に接続されている。そして、第１の電源によって第１の電極とノズルとの間にプラズマジェットを発生させて、ノズルからプラズマジェットを発生させ、ノズルから発生させたプラズマジェットによって、第２の電極に配置されている被溶融物を加熱溶融させる。また、直列接続された第１及び第２の電源によって、溶融して導電性を持った被溶融物と第１の電極との間にプラズマアークを発生させる。これにより、第１及び第２の電源を投入する操作だけで、第１の電極と被溶融物間にプラズマアークを発生させる（起動させる）ことができる。さらに、第１の電極と第２の電極との間に、第１の電極とノズルとの間に接続される第１の電極と第２の電極が直列に接続されているため、例えば、焼却灰等の非溶融状態では非導電性を有する被溶融物が大量に投入されてプラズマアークが消弧した場合でも、第１の電圧によって発生しているプラズマジェットにより被溶融物が加熱溶融され、加熱溶融されて導電性を有するようになった被溶融物と第１の電極との間にプラズマアークが自動的に再発生する（再起動する）。このように、第１発明では、起動時または再起動時に、従来のプラズマ溶融装置のように起動電極や導電体を移動させる操作が不要であるため、操作性がよい。さらに、起動電極や導電体を移動可能とする機構が不要であるため、装置の構成が簡単となり、また、装置の小型化が容易となる。
なお、「第１の電源と第２の電源を直列に接続する」という構成は、別体の電源装置を直接に接続する構成だけでなく、１つの電源装置から第１の電源と第２の電源を出力する構成も含まれる。
また、本発明の第２発明は、請求項２に記載されたとおりのプラズマ溶融装置である。
請求項２に記載のプラズマ溶融装置では、第１の電極と、第１の電極を取り囲み、プラズマ発生用ガスを通す導電性のノズルとの間に第１の電源が接続され。第１の電極と、非溶融状態では非導電性を有する被溶融物が配置される第２の電極との間に第２の電源が接続されている。そして、第１の電源によって第１の電極とノズルとの間にプラズマアークを発生させて、ノズルからプラズマジェットを発生させ、ノズルから発生させたプラズマジェットによって、第２の電極に配置されている被溶融物を加熱溶融させる。また、第２の電源によって、溶融して導電性を持った被溶融物と第１の電極との間にプラズマアークを発生させる。これにより、第１及び第２の電源を投入する操作だけで、第１の電極と被溶融物間にプラズマアークを発生させる（起動させる）ことができる。また、例えば、プラズマアークが消弧した場合には、第１の電源を投入するだけで、第１の電極と被溶融物との間にプラズマアークが再発生する（再起動する）。さらに、第１の電源を常時投入しておけば、プラズマアークが消弧した場合に、プラズマアークが自動的に再発生する（再起動する）。このため、操作性がよく、構成が簡単であり、小型化が可能である。
また、本発明の第３発明は、請求項３に記載のプラズマ溶融方法である。
請求項３に記載のプラズマ溶融方法では、第１の電極とノズルとの間に第１の電圧を印加することによって第１の電極とノズルとの間にプラズマアークを発生させて、ノズルからプラズマジェットを発生させ、ノズルから発生させたプラズマジェットによって、第２の電極に配置されている被溶融物を加熱溶融させる。また、第１の電極と、非溶融状態では非導電性を有する被溶融物が配置されている第２の電極との間に第２の電圧を印加することによって、第１の電極と溶融した被溶融物との間にプラズマアークを発生させる。これにより、第１発明や第２発明と同様に、第１及び第２の電源を投入する操作だけで、第１の電極と被溶融物間にプラズマアークを発生させる（起動させる）ことができる。さらに、例えば、プラズマアークが消弧した場合でも、第１の電極と被溶融物との間にプラズマアークを容易に再発生させる（再起動させる）ことができる。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明に係るプラズマ溶融装置の一実施の形態の概略構成図である。
本実施の形態のプラズマ溶融装置１００は、プラズマトーチ１０、プラズマ溶融炉１２０、電源１３０により構成されている。
プラズマ溶融炉１２０には、被溶融物３０が収納される導電性を有するるつぼ２０が配置されている。るつぼ２０は、プラズマアーク発生のための電極（アノード）となる。るつぼ２０よりあふれた溶融物は、回収室１４０で冷却固化されて回収される。
本実施の形態では、プラズマの高温によって溶融する被溶融物３０として、非溶融状態では非導電性を有し、溶融時には導電性を有する物質を対象とし、基本的にはすべての固体成分がその対象となる。このような被溶融物３０としては、例えば、廃棄物、廃棄物やその他の物質を焼却あるいは炭化処理して発生する未燃固化物である焼却灰や炭化物、下水汚泥、金属精錬時に発生する高融点のスラッジ、ガラス等の不燃物がある。廃棄物としては、産業廃棄物、都市ゴミや医療廃棄物等様々なものがある。
特に、このような対象物の中で、現在、環境問題になっている様々の廃棄物や物質を溶融固化することは、これらの廃棄物や物質等の環境への溶出を防止することができ、また、大幅な減容化ができるので、環境負荷の低減にきわめて有効である。
【０００６】
図１に示すプラズマ溶融炉（プラズマ溶融装置）１２０の一実施の形態の構成を図２に示す。
本実施の形態のプラズマ溶融炉（プラズマ溶融装置）１２０は、カソード１１、ノズル１２、アノード２０、電源４１、電源４２により構成されている。電源４１には、プラズマジェットの発生を開始させるための高周波電源が重畳される。高周波電源は、最初にプラズマアークを着火させる時にのみ電源４１に重畳される。
カソード１１（第１の電極）は、例えば、タングステンにより形成され、電源４１の負端子に接続される。
ノズル１２は、例えば、銅により形成され、電源４１の正端子と電源４２の負端子に接続される。ノズル１２は、カソード１１の外面との間に空隙部が設けられ（離間して配設され）、カソード１１を取り囲むように配設されている。空隙部は、先端側（アノード２０側）が開口している。この空隙部には、プラズマ発生用のガス（例えば、アルゴンガス）が注入される。ノズル１２は、通常、冷却水等によって冷却されている。
アノード２０（第２の電極）は、例えば、カーボンにより形成され、電源４２の正端子に接続される。アノード２０は、るつぼ状に形成され、被溶融物３０が配置される。
カソード１１とノズル１２によって、プラズマトーチ１０が構成されている。
電源４１（第１の電源）は、カソード１１（例えば、カソード１１の先端部）とノズル１２（例えば、カソード１１の先端部と対向する、ノズル１２の先端部）との間にプラズマアークが発生する電流（カソード電流）Ｉａをカソード１１とノズル１２に供給する。ノズル１２内に注入されているプラズマ発生用のガスは、カソード１１とノズル１２との間に発生するプラズマアークによってイオン化され、ノズル１２の先端部の開口部からプラズマジェットが発生する。カソード電流Ｉａは、ノズル１２から発生されるプラズマジェットにより、アノード２０に配置されている被溶融物３０が加熱溶融される値に設定する。
直列に接続された電源４１（第１の電源）と電源４２（第２の電源）は、アノード２０に配置されている、ノズル１２から発生されたプラズマジェットにより加熱溶融された被溶融物３０とカソード１１との間にプラズマアークが発生する電流（アノード電流）Ｉｂをカソード１１とアノード２０に供給する。
電源４１（第１の電源）と電源４２（第２の電源）としては、定電流電源を用いるのが好ましい。
定電流電源の構成としては、電源４１は負荷電圧が小さいもの、電源４２は負荷電圧が大きいものが望ましい。電源４１は、トーチ内部の電極１１とノズル１２の間でアーク放電を発生するものであり、電極同士の間隔が小さいため必要とされる負荷電圧は小さいもので充分である。しかしながら、ノズル１２とるつぼ２０の間は距離も大きく被溶融物３０が介在するため、アーク放電を発生させるためには高電圧が必要となる。このため、電源４２は、負荷電圧の大きなものが必要である。電源４１と４２を直列に接続することにより、電極１１とるつぼ２０の間に印加される電圧はその和の高電圧となり、よりアーク放電を発生させ易くなるのである。
また、本実施の形態では、電源４１の電流値を電源４２の電流値より数アンペア程度大きく設定している。これにより、プラズマジェットからプラズマアーク、あるいはプラズマアークからプラズマジェットにスムーズに変化することが可能となった。
【０００７】
次に、本実施の形態のプラズマ溶融装置を用いて被溶融物を溶融する動作を図２〜図４により説明する。
まず、図２に示すように、電源４１（第１の電源）とカソード１１（第１の電極）とノズル１２に接続するとともに、電源４２（第２の電源）をノズル１２とアノード２０（第２の電極）に接続する。これにより、カソード１１とアノード２０との間には、電源４１と電源４２が直列に接続される。被溶融物３０は、るつぼ状のアノード２０に配置される。
電源４１からカソード１１とノズル１２に供給される電流によって、カソード１１とノズル１２の間にプラズマアークが発生し、ノズルからプラズマジェットが発生する。
この時、被溶融物が非溶融状態にあって非導電性を有しており、カソード１１と被溶融物３０との間にプラズマアークが発生しない場合には、被溶融物３０の表面がプラズマジェットによって加熱溶融される。
【０００８】
プラズマジェットによって被溶融物３０の表面が加熱溶融されると、図３に示すように、被溶融物３０の溶融した部分（溶融部分）３１が導電性となる。
溶融部分がアノード迄拡がると、カソード１１とアノード２０との間に直列に接続されている電源４１と電源４２からカソード１１とアノード２０に供給されている電流によって、カソード１１と被溶融物３０の溶融した部分３１との間にプラズマアークが発生し、被溶融物３０はプラズマアークによって加熱溶融される。この時、図４に示すように、比較的重い金属を含む導電性の溶融物３３がアノード２０の下方に、比重の小さい無機質層等３２がアノード２０の上方に分離される。
アノード２０の上部から溢れた溶融物は、冷却水等によって冷却されて固化する。
【０００９】
このような状態で、アノード２０に新たに大量の被溶融物３０が投入された場合、被溶融物３０の非導電性によってカソード１１と被溶融物３０との間のプラズマアークが消弧することがある。
ここで、電源４１がカソード１１とノズル１２に接続された状態にあるため、ノズル１２からプラズマジェットが発生している。
したがって、カソード１１と被溶融物３０との間のプラズマアークが消弧した場合には、ノズル１２から発生しているプラズマジェットによって、起動時と同様に、非溶融物３０が加熱溶融された後、カソード１１と被溶融物３０との間にプラズマアークが自動的に再発生する。
【００１０】
このように、本実施の形態では、第１の電源４１と第２の電源４２が直列に接続され、カソード１１とノズル１２との間に第１の電源４１が接続され、カソード１１とアノード２０との間に第１の電源４１と第２の電源４２の直列回路が接続されている。すなわち、被溶融物３０の溶融処理時、第１の電源４１が常時カソード１１とノズル１２との間に接続された状態にある。
これにより、起動時には、ノズル１２から発生するプラズマジェットによってカソードと被溶融物との間にプラズマアークが自動的に発生する。
また、カソード１１と被溶融物３０との間のプラズマアークが消弧した場合でも、ノズル１２から発生しているプラズマジェットによってカソード１１と被溶融物３０との間に自動的にプラズマアークが再発生する。
このため、非溶融状態では非導電性の被溶融物のプラズマ溶融装置として、操作性がよく、構成が簡単で、小型化が可能なプラズマ溶融装置を得ることができる。
【００１１】
なお、第１の電源４１と第２の電源４２を直列に接続する方法は、別体の電源と直接に接続してもよいし、１つの電源に複数の出力端子を設けてもよい。
【００１２】
以上の実施の形態では、カソード１１とアノード２０との間に第１の電源４１と第２の電源４２を直列に接続し、第１の電源４１をカソード１１とノズル１２に接続したが、電源の接続方法はこれに限定されない。
図５に電源の接続方法を変更したプラズマ溶融装置の他の実施の形態を示す。
本実施の形態では、カソード１１とノズル１２との間に電源５１（第１の電源）を接続し、カソード１１とアノード２０との間に電源５２（第２の電源）を接続している。
本実施の形態では、電源５１からカソード１１とノズル１２に供給する電流（カソード電流）Ｉａは、ノズル１２から発生されるプラズマジェットにより、アノード２０に配置されている被溶融物３０が加熱溶融される値に設定する。
また、電源５２からカソード１１とアノード２０に供給する電流（アノード電流）Ｉｂは、アノード２０に配置されている、ノズル１２から発生されるプラズマジェットにより加熱溶融された被溶融物３０とカソード１１との間にプラズマアークが発生する値に設定する。
電源５１（第１の電源）と電源５２（第２の電源）としては、定電流電源を用いるのが好ましい。
本実施の形態では、被溶融物３０の溶融処理時には、電源５１（第１の電源）からカソード１１とノズル１２にカソード電流Ｉａを供給するとともに、電源５２（第２の電源）からカソード１１とアノード２０にアノード電流Ｉｂを供給する。
これにより、図２〜図４に示した実施の形態と同様に、起動時には、ノズル１２から発生するプラズマジェットによってカソード１１と被溶融物３０との間にプラズマアークが自動的に発生する。
また、電源５１を常時投入しておけば、カソード１１と被溶融物３０との間のプラズマアークが消弧した場合でも、ノズル１２から発生しているプラズマジェットによってカソード１１と被溶融物３０との間に自動的にプラズマアークが差異発生する。
さらに、電源５１が常時投入されていない場合には、プラズマアークが消弧した時に電源５１を投入するのみで、自動的にプラズマアークが再発生する。
【００１３】
本発明のプラズマ溶融装置を用いて被溶融物を溶融処理した場合の各部の電流及び電圧を図６に示す。
図６において、太い実線はアノード２０（第２の電極）の電圧（アノード電圧）を示し、細い実線はアノード２０（第２の電極）の電流（アノード電流Ｉｂ）を示し、太い鎖線はノズル１２の電圧（カソード電圧）を示し、細い鎖線はノズル１２の電流（カソード電流Ｉａ）を示している。
図６において、時点ｔ１で、カソード１１とノズル１２に電源（図２では電源４１、図５では電源５１）が接続され、カソード１１とアノード２０に電源（図２で葉、電源４１と電源４２の直列回路、図５では電源５２）が接続されるとともに、アノード２０に被溶融物３０が投入されている。
そして、ノズル１２から発生するプラズマジェットにより被溶融物３０が加熱溶融され、時点ｔ２で、カソード１１と被溶融物３０の溶融部３１との間にプラズマアークが発生している。
次に、時点ｔ３で、大量の被溶融物３０がアノード２０に投入されたため、カソード１１と被溶融物３０との間のプラズマアークが消弧している。
そして、ノズル１２から発生しているプラズマジェットによって被溶融物３０が加熱溶融され、時点ｔ４で、カソード１１と被溶融物３０の溶融部３１との間に再度プラズマアークが発生していることを示している。
【００１４】
本発明は、実施の形態で説明した構成に限定されず、種々の変更、追加、削除が可能である。
例えば、本発明は、焼却灰等の被溶融物以外の種々の被溶融物を溶融する場合に適用することができる。
また、プラズマトーチとしては、種々の構造のものを用いることができる。
また、第１の電極、ノズル、第２の電極の構造、材料としては種々の構造、材料を用いることができる。
【００１５】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１、請求項２に記載のプラズマ溶融装置及び請求項３に記載のプラズマ溶融方法を用いれば、操作が容易であり、構成が簡単で、装置を小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のプラズマ溶融装置の一実施の形態の概略構成図である。
【図２】本発明のプラズマ溶融装置の一実施の形態を示す図である。
【図３】本発明のプラズマ溶融装置の一実施の形態を示す図である。
【図４】本発明のプラズマ溶融装置の一実施の形態を示す図である。
【図５】本発明のプラズマ溶融装置の他の形態を示す図である。
【図６】本発明のプラズマ溶融装置の一実施の形態の動作時における各部の電流、電圧を示す図である。
【符号の説明】
１０プラズマトーチ
１１カソード（第１の電極）
１２ノズル
２０アノード（第２の電極）
３０被溶融物
４１、４２、５１、５２電源[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a plasma melting apparatus and a plasma melting method for melting a melted material having non-conductivity in a non-molten state using plasma.
[0002]
[Prior art]
A plasma melting apparatus is used as a melting apparatus for melting an object to be melted that is non-conductive in a non-molten state, such as incineration ash.
In such a plasma melting apparatus that melts non-conducting melted material with plasma in a non-molten state, when the incineration ash is not in a molten state, the start-up for generating plasma between the electrode and the incineration ash Processing is required.
As a starting method in a plasma melting apparatus for melting a material to be melted such as incineration ash by plasma, for example, a starting method described in JP-A-8-210778 and JP-A-9-72519 is known. .
In the starting method of the plasma melting apparatus described in JP-A-8-210778, the main electrode and the starting electrode are brought into contact with each other to generate a plasma arc between the main electrode and the starting electrode. The activation is performed by inserting an activation electrode into the molten slag portion generated on the surface of the slag layer.
In addition, the starting method described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-72519 is started after the plasma is stopped and the conductor is driven into the slag bath from the upper part of the melting furnace and the conduction between the conductor and the furnace body electrode is confirmed. Is.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
In the starting method of the plasma melting apparatus described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-210778, an operation is required in which the starting electrode is contacted and inserted into the molten slag portion generated on the slag surface by the plasma arc between the main electrode and the starting electrode. .
In the starting method of the plasma melting apparatus described in Japanese Patent Laid-Open No. 9-72519, an operation of driving a conductor into a slag bath is necessary.
That is, the above-described conventional method for starting the plasma melting apparatus requires an operation of moving the starting electrode or the conductor. For this reason, it is thought that operability is not good.
Further, since it is necessary to use a mechanism that can move the starting electrode or the conductor, the configuration becomes complicated, and there is a limit to downsizing the apparatus.
Therefore, the present invention is a plasma melting apparatus and a plasma melting method for melting a non-conducting material in a non-molten state with plasma, which has good operability, a simple apparatus configuration, and can be downsized. An object of the present invention is to provide a plasma melting apparatus and a plasma melting method.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
A first invention of the present invention for solving the above-described problems is a plasma melting apparatus as described in claim 1.
In the plasma melting apparatus according to claim 1, a first power source is connected between the first electrode and a conductive nozzle that surrounds the first electrode and passes the plasma generating gas, and the first electrode In the non-molten state, the first and second power sources are connected in series between the second electrode on which the non-conductive material to be melted is disposed. Then, a plasma jet is generated between the first electrode and the nozzle by the first power source, a plasma jet is generated from the nozzle, and the plasma jet generated from the nozzle is arranged on the second electrode. The material to be melted is heated and melted. Further, a plasma arc is generated between the first electrode and the melted and conductive material by the first and second power sources connected in series. Thereby, a plasma arc can be generated (started up) between the first electrode and the material to be melted only by turning on the first and second power supplies. Furthermore, since the first electrode and the second electrode connected between the first electrode and the nozzle are connected in series between the first electrode and the second electrode, for example, incineration In a non-molten state such as ash, even when a large amount of non-conductive melt is charged and the plasma arc is extinguished, the melt is heated and melted by the plasma jet generated by the first voltage, A plasma arc is automatically regenerated (restarted) between the melted material that has been heated and melted to have conductivity and the first electrode. As described above, in the first invention, at the time of start-up or restart, the operation of moving the start-up electrode and the conductor as in the conventional plasma melting apparatus is unnecessary, and thus the operability is good. Furthermore, since a mechanism that can move the starting electrode and the conductor is not necessary, the configuration of the apparatus is simplified, and the apparatus can be easily downsized.
In addition, the configuration of “connecting the first power source and the second power source in series” is not only a configuration in which separate power source devices are directly connected, but also the first power source and the second power source from one power source device. A configuration for outputting power is also included.
The second invention of the present invention is a plasma melting apparatus as described in claim 2.
In the plasma melting apparatus according to claim 2, a first power source is connected between the first electrode and a conductive nozzle that surrounds the first electrode and passes a plasma generating gas. A second power source is connected between the first electrode and a second electrode on which a material to be melted that is non-conductive in a non-molten state is disposed. Then, a plasma arc is generated between the first electrode and the nozzle by the first power source, a plasma jet is generated from the nozzle, and the plasma jet generated from the nozzle is arranged on the second electrode. The material to be melted is heated and melted. In addition, a plasma arc is generated between the first electrode and the melted and conductive material by the second power source. Thereby, a plasma arc can be generated (started up) between the first electrode and the material to be melted only by turning on the first and second power supplies. Further, for example, when the plasma arc is extinguished, the plasma arc is regenerated (restarted) between the first electrode and the material to be melted only by turning on the first power supply. Furthermore, if the first power supply is always turned on, the plasma arc is automatically regenerated (restarted) when the plasma arc is extinguished. Therefore, the operability is good, the configuration is simple, and the size can be reduced.
A third aspect of the present invention is the plasma melting method according to the third aspect.
The plasma melting method according to claim 3, wherein a plasma arc is generated between the first electrode and the nozzle by applying a first voltage between the first electrode and the nozzle, and plasma is generated from the nozzle. A jet is generated, and the material to be melted disposed on the second electrode is heated and melted by the plasma jet generated from the nozzle. Moreover, it melted with the first electrode by applying a second voltage between the first electrode and the second electrode in which the melted material having non-conductivity is arranged in the non-molten state. A plasma arc is generated between the material to be melted. As a result, as in the first and second inventions, a plasma arc can be generated (started up) between the first electrode and the melt by simply turning on the first and second power supplies. . Furthermore, for example, even when the plasma arc is extinguished, the plasma arc can be easily regenerated (restarted) between the first electrode and the melt.
[0005]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an embodiment of a plasma melting apparatus according to the present invention.
The plasma melting apparatus 100 according to the present embodiment includes a plasma torch 10, a plasma melting furnace 120, and a power source 130.
The plasma melting furnace 120 is provided with a conductive crucible 20 in which the material 30 is accommodated. The crucible 20 serves as an electrode (anode) for generating a plasma arc. The molten material overflowing from the crucible 20 is cooled and solidified in the recovery chamber 140 and recovered.
In the present embodiment, the material 30 to be melted by the high temperature of plasma is a non-conductive material in a non-molten state and a conductive material at the time of melting. It becomes a target. Examples of the material 30 to be melted include, for example, incineration ash and carbide, which are unburned solidified products generated by incineration or carbonization of waste, waste and other substances, sewage sludge, There are non-combustible materials such as sludge and glass of melting point. There are various types of waste such as industrial waste, municipal waste and medical waste.
In particular, melting and solidifying various wastes and substances that are currently an environmental problem among such objects can prevent the elution of these wastes and substances into the environment. Moreover, since the volume can be significantly reduced, it is extremely effective in reducing the environmental load.
[0006]
The configuration of an embodiment of the plasma melting furnace (plasma melting apparatus) 120 shown in FIG. 1 is shown in FIG.
A plasma melting furnace (plasma melting apparatus) 120 according to the present embodiment includes a cathode 11, a nozzle 12, an anode 20, a power source 41, and a power source 42. A high frequency power source for starting the generation of the plasma jet is superimposed on the power source 41. The high frequency power supply is superimposed on the power supply 41 only when the plasma arc is first ignited.
The cathode 11 (first electrode) is made of tungsten, for example, and is connected to the negative terminal of the power supply 41.
The nozzle 12 is made of, for example, copper, and is connected to the positive terminal of the power source 41 and the negative terminal of the power source 42. The nozzle 12 is provided so as to surround the cathode 11 with a gap provided between the nozzle 12 and the outer surface of the cathode 11. The gap portion is open on the tip side (anode 20 side). A gas for generating plasma (for example, argon gas) is injected into the gap. The nozzle 12 is normally cooled by cooling water or the like.
The anode 20 (second electrode) is made of, for example, carbon and is connected to the positive terminal of the power source 42. The anode 20 is formed in a crucible shape, and the melt 30 is disposed thereon.
The cathode 11 and the nozzle 12 constitute a plasma torch 10.
The power source 41 (first power source) generates a plasma arc between the cathode 11 (for example, the tip of the cathode 11) and the nozzle 12 (for example, the tip of the nozzle 12 facing the tip of the cathode 11). Current (cathode current) Ia is supplied to the cathode 11 and the nozzle 12. The plasma generating gas injected into the nozzle 12 is ionized by a plasma arc generated between the cathode 11 and the nozzle 12, and a plasma jet is generated from the opening at the tip of the nozzle 12. The cathode current Ia is set to a value at which the melt 30 disposed on the anode 20 is heated and melted by the plasma jet generated from the nozzle 12.
A power supply 41 (first power supply) and a power supply 42 (second power supply) connected in series are disposed on the anode 20 and are to be melted and heated by a plasma jet generated from the nozzle 12. A current (anode current) Ib that generates a plasma arc between the cathode 11 and the cathode 11 is supplied to the cathode 11 and the anode 20.
A constant current power source is preferably used as the power source 41 (first power source) and the power source 42 (second power source).
As the configuration of the constant current power source, it is desirable that the power source 41 has a small load voltage and the power source 42 has a large load voltage. The power source 41 generates an arc discharge between the electrode 11 and the nozzle 12 in the torch, and a small load voltage is sufficient because the distance between the electrodes is small. However, since the melted material 30 is interposed between the nozzle 12 and the crucible 20 and a high voltage is required to generate arc discharge. For this reason, the power supply 42 requires a large load voltage. By connecting the power supplies 41 and 42 in series, the voltage applied between the electrode 11 and the crucible 20 becomes a high voltage of the sum, and it becomes easier to generate arc discharge.
In the present embodiment, the current value of the power supply 41 is set to be several amperes larger than the current value of the power supply 42. This makes it possible to smoothly change from a plasma jet to a plasma arc or from a plasma arc to a plasma jet.
[0007]
Next, the operation of melting the material to be melted using the plasma melting apparatus of the present embodiment will be described with reference to FIGS.
First, as shown in FIG. 2, the power supply 41 (first power supply), the cathode 11 (first electrode), and the nozzle 12 are connected, and the power supply 42 (second power supply) is connected to the nozzle 12 and the anode 20 (first power supply). 2 electrode). As a result, the power supply 41 and the power supply 42 are connected in series between the cathode 11 and the anode 20. The melt 30 is disposed on the crucible-shaped anode 20.
Due to the current supplied from the power source 41 to the cathode 11 and the nozzle 12, a plasma arc is generated between the cathode 11 and the nozzle 12, and a plasma jet is generated from the nozzle.
At this time, when the material to be melted is in a non-molten state and non-conductive and no plasma arc is generated between the cathode 11 and the material to be melted 30, the surface of the material to be melted 30 is plasma. It is heated and melted by a jet.
[0008]
When the surface of the material to be melted 30 is heated and melted by the plasma jet, as shown in FIG. 3, a melted portion (melted portion) 31 of the material to be melted 30 becomes conductive.
When the melted portion extends to the anode, the current of the cathode 11 and the material 30 to be melted is supplied by the current supplied from the power source 41 and the power source 42 connected in series between the cathode 11 and the anode 20 to the cathode 11 and the anode 20. A plasma arc is generated between the melted portion 31 and the material to be melted 30 is heated and melted by the plasma arc. At this time, as shown in FIG. 4, the conductive melt 33 containing a relatively heavy metal is separated below the anode 20, and the inorganic layer 32 having a small specific gravity is separated above the anode 20.
The melt overflowing from the upper part of the anode 20 is cooled and solidified by cooling water or the like.
[0009]
In this state, when a large amount of the melt 30 is introduced into the anode 20, the plasma arc between the cathode 11 and the melt 30 is extinguished due to the non-conductivity of the melt 30. There is.
Here, since the power supply 41 is connected to the cathode 11 and the nozzle 12, a plasma jet is generated from the nozzle 12.
Therefore, when the plasma arc between the cathode 11 and the melt 30 is extinguished, the plasma jet generated from the nozzle 12 causes the non-melt 30 to be heated and melted as in the start-up. A plasma arc is automatically regenerated between the cathode 11 and the material 30 to be melted.
[0010]
Thus, in this embodiment, the first power supply 41 and the second power supply 42 are connected in series, the first power supply 41 is connected between the cathode 11 and the nozzle 12, and the cathode 11 and the anode 20. The series circuit of the 1st power supply 41 and the 2nd power supply 42 is connected between these. That is, the first power source 41 is always connected between the cathode 11 and the nozzle 12 during the melting process of the melt 30.
Thereby, at the time of start-up, a plasma arc is automatically generated between the cathode and the material to be melted by the plasma jet generated from the nozzle 12.
Even when the plasma arc between the cathode 11 and the melt 30 is extinguished, the plasma arc is automatically regenerated between the cathode 11 and the melt 30 by the plasma jet generated from the nozzle 12. appear.
For this reason, in a non-molten state, as a plasma melting apparatus for a non-conductive material to be melted, a plasma melting apparatus having good operability, a simple configuration, and capable of being miniaturized can be obtained.
[0011]
In addition, the method of connecting the 1st power supply 41 and the 2nd power supply 42 in series may connect directly with a separate power supply, and may provide several output terminal in one power supply.
[0012]
In the above embodiment, the first power source 41 and the second power source 42 are connected in series between the cathode 11 and the anode 20, and the first power source 41 is connected to the cathode 11 and the nozzle 12. The connection method is not limited to this.
FIG. 5 shows another embodiment of the plasma melting apparatus in which the connection method of the power source is changed.
In the present embodiment, a power source 51 (first power source) is connected between the cathode 11 and the nozzle 12, and a power source 52 (second power source) is connected between the cathode 11 and the anode 20.
In the present embodiment, the current (cathode current) Ia supplied from the power source 51 to the cathode 11 and the nozzle 12 is heated and melted by the plasma jet generated from the nozzle 12 by the molten material 30 disposed in the anode 20. Set the value to
Further, the current (anode current) Ib supplied from the power source 52 to the cathode 11 and the anode 20 is the material to be melted 30 heated by the plasma jet generated from the nozzle 12 and the cathode 11. Is set to a value at which a plasma arc is generated during
A constant current power source is preferably used as the power source 51 (first power source) and the power source 52 (second power source).
In the present embodiment, during the melting process of the melt 30, the cathode current Ia is supplied from the power source 51 (first power source) to the cathode 11 and the nozzle 12, and the cathode 11 from the power source 52 (second power source). An anode current Ib is supplied to the anode 20.
As a result, as in the embodiment shown in FIGS. 2 to 4, a plasma arc is automatically generated between the cathode 11 and the melt 30 by the plasma jet generated from the nozzle 12 at the time of startup.
Further, if the power source 51 is always turned on, even when the plasma arc between the cathode 11 and the material 30 is extinguished, the plasma jet generated from the nozzle 12 causes the cathode 11 and the material 30 to be melted. During this period, a plasma arc is automatically generated.
Further, when the power source 51 is not constantly turned on, the plasma arc is automatically regenerated only by turning on the power source 51 when the plasma arc is extinguished.
[0013]
FIG. 6 shows the current and voltage of each part when the material to be melted is melted using the plasma melting apparatus of the present invention.
In FIG. 6, the thick solid line indicates the voltage (anode voltage) of the anode 20 (second electrode), the thin solid line indicates the current (anode current Ib) of the anode 20 (second electrode), and the thick chain line indicates the nozzle 12. The thin chain line indicates the current of the nozzle 12 (cathode current Ia).
In FIG. 6, a power source (power source 41 in FIG. 2 and power source 51 in FIG. 5) is connected to the cathode 11 and the nozzle 12 at time t1, and a power source (leaf, power source 41 and power source 42 in FIG. 2) is connected to the cathode 11 and anode 20. The series circuit of FIG. 5, the power supply 52) in FIG. 5 is connected, and the melt 30 is put into the anode 20.
The melt 30 is heated and melted by the plasma jet generated from the nozzle 12, and a plasma arc is generated between the cathode 11 and the melted portion 31 of the melt 30 at time t <b> 2.
Next, since a large amount of the melt 30 is charged into the anode 20 at time t3, the plasma arc between the cathode 11 and the melt 30 is extinguished.
Then, the melt 30 is heated and melted by the plasma jet generated from the nozzle 12, and a plasma arc is generated again between the cathode 11 and the melted portion 31 of the melt 30 at time t4. Show.
[0014]
The present invention is not limited to the configuration described in the embodiment, and various changes, additions, and deletions are possible.
For example, the present invention can be applied to the case of melting various melts other than the melt such as incineration ash.
In addition, plasma torches having various structures can be used.
Moreover, various structures and materials can be used as the structure and material of the first electrode, the nozzle, and the second electrode.
[0015]
【The invention's effect】
As described above, if the plasma melting apparatus according to claims 1 and 2 and the plasma melting method according to claim 3 are used, the operation is easy, the configuration is simple, and the apparatus is downsized. Can do.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an embodiment of a plasma melting apparatus of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing an embodiment of a plasma melting apparatus of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing an embodiment of a plasma melting apparatus of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing an embodiment of a plasma melting apparatus of the present invention.
FIG. 5 is a view showing another embodiment of the plasma melting apparatus of the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing current and voltage of each part during operation of the embodiment of the plasma melting apparatus of the present invention.
[Explanation of symbols]
10 Plasma torch 11 Cathode (first electrode)
12 Nozzle 20 Anode (second electrode)
30 Melted material 41, 42, 51, 52 Power supply

Claims

A plasma melting apparatus for melting a material to be melted that does not have conductivity in a non-molten state by plasma,
A first electrode; a conductive nozzle that surrounds the first electrode and allows a plasma generating gas to pass through; a second electrode on which a material to be melted is disposed; and first and second power supplies; A first power source is connected between the first electrode and the nozzle, and a first power source and a second power source are connected in series between the first electrode and the second electrode;
A plasma arc is generated between the first electrode and the nozzle by the first power source to generate a plasma jet from the nozzle, and the melt target disposed in the second electrode by the plasma jet generated from the nozzle The material is heated and melted,
A plasma arc is generated between the melted and conductive material to be melted and the first electrode by the first and second power sources connected in series.
A plasma melting apparatus characterized by that.

A plasma melting apparatus for melting a material to be melted that does not have conductivity in a non-molten state by plasma,
A first electrode; a conductive nozzle that surrounds the first electrode and allows a plasma generating gas to pass through; a second electrode on which a material to be melted is disposed; and first and second power supplies; A first power source is connected between the first electrode and the nozzle, and a second power source is connected between the first electrode and the second electrode;
A plasma arc is generated between the first electrode and the nozzle by the first power source to generate a plasma jet from the nozzle, and the melt target disposed in the second electrode by the plasma jet generated from the nozzle The material is heated and melted,
A plasma arc is generated between the first electrode and the melted and conductive material by the second power source;
A plasma melting apparatus characterized by that.

A plasma melting method in which a material to be melted that is not conductive in a non-molten state is melted by plasma,
A plasma arc is generated between the first electrode and the nozzle by applying a first voltage between the first electrode and the conductive nozzle that surrounds the first electrode and passes the plasma generating gas. The plasma jet is generated from the nozzle, and the melt to be melted disposed on the second electrode is heated and melted by the plasma jet generated from the nozzle,
By applying a second voltage between the first electrode and the second electrode on which the material to be melted is disposed, the first electrode and the material to be melted having conductivity are melted. To generate a plasma arc,
A plasma melting method characterized by the above.