JP4236039B2 - 廃棄物を変換するアーク炉および方法 - Google Patents

Description

本発明は、通常、廃棄物の処理の方法および装置に関し、より詳細には、アークプラズマジュール加熱融解システムを用いる廃棄物処理の方法および装置に関する。

市の固形廃棄物（ＭＳＷ）および他の廃棄物の処分は、埋め立て用の空間の制限および新しい焼却炉の設置の問題のために過去数十年に渡る主な問題になっている。さらに、増加した環境の認識は、結果的に多くの大きな大都市エリアの主な関心を生み、国に固形廃棄物は適切に処理されることを確実にすることとして結果的に生じた。例えば、ＵＳＡ ＥＰＡの「Ｔｈｅ Ｓｏｌｉｄ Ｗａｓｔｅ Ｄｉｌｅｍｍａ」ＥＰＡ／５３０−ＳＷ−８９−０１９のＡｇｅｎｄａ ｆｏｒ ＡＣｔｉｏｎ Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ（１９８９）で分かる。

ボリュームを削減、かつ焼却および廃熱発電を介してＭＳＷの含有エネルギを回収する試みがなされてきた。標準の廃棄物をエネルギにする焼却炉は、廃棄物ストリームの可燃性固形部分を処理し、蒸気タービンを駆動するために蒸気を生成し、かつ結果的に可燃性処理は、廃棄物の灰物質を生成する。通常、その灰は、地方自治の埋立地に埋められた。しかし、現在の傾向、および最近の統治では、危険な廃棄物を許可した埋立地に輸送するためのマテリアル等を必要とし得る。これは、実質的に灰の処分コストを増加させている。さらに、埋立地からのガスの排気および地下水の汚染の可能性についての公的に関心が増加している。焼却炉システムに関する他の不利な点は、大容量のガス排気を排出することである。結果として、監督官庁による要求に従う排気レベルに低減しようとすると、空気汚染制御システムのコストがかかる。

焼却システムの欠点を克服するために、従来技術において、有毒な廃棄物を壊すためにアークプラズマトーチを利用する試みがある。アークプラズマトーチを利用することは、従来の焼却炉あるいはある動作条件下の燃焼プロセスを以上の有利な点を提供する。なぜなら、プラズマアークトーチから形成される生成ガスの体積は、通常の焼却炉あるいは燃焼の間に生成されるボリュームより十分に少なく、ガス生成で、かつ廃棄物質がガラス固化され得る状況下で有毒物質はほとんど少ないからである。「プラズマトーチ」あるいは「プラズマアークトーチ」は、「プラズマアーク」；プラズマトーチあるいはプラズマアークトーチとの交換のようないくつかによって間違って用いられ、プラズマアークとして同じものではなく、各々が混同されるべきではないことを理解されるべきである。さらに、後で詳細に考察されるように、グラファイト電極は、多くの問題およびプラズマトーチまたはプラズマアークトーチの複雑さを避けるため本発明で用いらる。

例えば、Ｃａｒｔｅｒ等の米国特許第５，２８０，７５７号は、地方自治固形廃棄物をガス化するための反応器にプラズマアークトーチを利用することを開示している。中間の質のガスおよび浸出性の低有毒要素を伴うスラッグの生成は、それらによって生成される。Ｂａｒｔｏｎ等による米国特許第４，６４４，８７７号は、プラズマアークトーチを用いるＰＣＢ（ｐｙｒｏｌｙｔｉｃ ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｐｏｌｙｃｈｌｏｒｉｎａｔｅｄ ｂｉｐｈｅｎｙｌｓ）に関する。廃棄物質は、プラズマアークトーチによって微粒化され、かつイオン化される。ならびに廃棄物質は、冷却されて、ガス中で組み替えられて反応チャンバ内で微粒子物質になる。Ｂｅｌｌ等による米国特許第４，４３１，６１２号は、中空のグラファイト電極がＰＣＢ等の危険廃棄物の処分のためのアークプラズマ炉に転用されることを説明している。

鉛で汚染された土壌および廃棄されたバッテリの汚染を除去するプロセスは、Ｂｉｔｌｅｒ等による米国特許第５，２８４，５０３号で開示されている。ガラス化されたスラッグは土から形成される。廃棄バッテリィケースから形成された可燃性ガスおよびガラス化された鉛は、好ましくは、転用され、従来の溶解炉の燃料として用いられる。

Ｂａｒｔｏｎ等、Ｂｅｌｌ等、Ｃａｒｔｅｒ等、ならびにＢｉｔｌｅｒ等によって提案されたシステムは、重大な不利な点を有する。例えば、そのような不利な点は、高品質を保証するための不十分な加熱、ミキシング、滞留時間を含み、広い範囲の廃棄物の供給のための非侵出性ガラスの生成を含む。さらに、炉のサイズおよび供給機のデザインは、炉壁が唯一の熱源であるアークプラズマと相対的に密接しなければならないため、著しく制限される。炉の壁の高温圧力は、炉のサイズの制限の結果としてよく起こる。

金属電極を有する従来のアークプラズマ炉は、より高いＤＣ電流を用いる場合、寿命が短いことによってさらに制限される。それにより、より高い電力出力を達成するために、アーク電位は、アークを伸ばすことによって引き上げられなければならない。これによって、結果として炉の側壁の放射性温度損失が生じ、かつ金属電極（トーチ）効果的でなくなる。さらに、冷たく非電気的導電性物質が処理されている場合のアークプラズマシステムの開始および再開時のアークプラズマの従来の変換技術に関する困難がよくある。

従来技術のシステムに関する他の不利な点は、廃棄物質を変換している間に生成される可燃性ガスを非効果的に利用することである。例えば、ガスの可燃性は、高変換率の結果ではなく、このように非効果的である。さらに、ガス等の燃焼は、環境的非誘引性プロセスに与える量で頻繁に窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）のような汚染物質の排気を生ずる。

このように、従来技術が利用されているが、技術において丈夫で、廃棄物変換システムの操作の容易性が必要であり、廃棄物変換システムは危険なガス排出を最小にし、かつ利用性のあるエネルギへの固形廃棄物の幅の広い変換を最大限にし、商業的利用において安全かつ安定し、あるいは処分を考慮する特別な危険廃棄物を必要としない生成ストリームを生成する。

そのため、丈夫、ユ−ザの使いやすい、ならびに高柔軟性のある方法および装置の提供が、利用性のあるエネルギおよび最小の危険なガスが排気されるが安定した生成物に廃棄物質を処理かつ変換するために望まれる。それによって従来技術に関する欠点は克服される。

米国特許第６，１２７，６４５号（Ｔｉｔｕｓ等）、６，１６０，２３８号（Ｔｉｔｕｓ等）および６，２１５，６７８号（Ｔｉｔｕｓ等）（全ては本明細書中に参照として組込まれる）は、ＡＣ電力ジュール加熱およびアークプラズマジュール加熱溶解システムでＤＣアーク電極溶解を利用してこれらの問題の克服に導く。しかし、少ないコンポーネントを用いるより効果的な方法でＡＣ電力ジュール加熱およびＤＣアーク電極溶解の操作を完了する必要が残る。

（発明の要旨）
廃棄物変換の装置（例えば、アーク炉）は、廃棄物を受け取るタンク、タンク内で廃棄物を溶解するためのＤＣアークをサポートする単一の電極を備え、かつ単一の電極はＤＣ電力源と接続され、ＡＣ電源に接続された複数のＡＣジュール加熱電極を備える。複数のＡＣジュール加熱電極は溶解された廃棄物中にサブマージされ、溶解した状態で溶解された廃棄物を維持するが、同時にＤＣカウンタ電極として作用し、かつ複数のＡＣジュール加熱電極は、ＤＣ電力源と接続されている。

廃棄物を変換する方法は、（ａ）処理するためにタンク内の廃棄物を処分するステップと、（ｂ）ＤＣアークを単一の電極を介して廃棄物を溶解するために用いるステップと、（ｃ）廃棄物内にサブマージされた複数のＡＣジュール加熱電極を介して溶解状態で廃棄物を維持するためにＡＣジュール加熱を適用するステップと、（ｄ）複数のＡＣジュール加熱電極をＤＣアークのＤＣカウンタ電極として利用するステップとを含む。

ここで、類似の参照符号が類似の部分を示す様々な図を詳細に参照すると、拡張可能なＤＣアーク／ＡＣジュール加熱炉が２０で示されている。ＤＣアークシステムは廃棄物（例えば、地方自治廃棄物、医療廃棄物等）を溶解状態の廃棄物または「ガラス」（用語は廃棄産業において溶解された廃棄物質に言及するように用いられ、かつ単語「ガラス」の一般的定義と混同されないように用いられる）に溶解する。それ故、ＡＣジュール加熱システム溶解状態の廃棄物を維持する。例示的手段としてのみ、ＤＣアークシステムによって生成される温度は、６５００℃で存在し、そのためＡＣジュール加熱システムによって生成される温度は、１０００℃から３０００℃で存在する。

後に詳細が述べられるように、本発明と従来のアーク炉システムの間の識別するキーの１つは、本発明は、ＡＣジュール加熱システムとＤＣアークシステムを統合することである。この総合的に統合されたアーク炉制御システムは、オペレータが動作状況を設定可能にすることによってアーク炉の効果的な動作を提供する。動作状況は、破壊されるべき実際の廃棄物を作成または再利用のために売りやすい材料として再利用される必要のある廃棄物の一部に依存するＡＣジュール加熱システムおよびＤＣアークシステムである。このように、これらの要因に基づいて、オペレータは、適切なＤＣアーク電圧、ＤＣアーク電流、ＡＣジュール加熱をセットし得るが、固定されたＡＣ／ＤＣシステムの制限が他の従来のアーク炉システムにおいて用いられる時のように、通常廃棄されるエネルギ量を同時に削減する、さらに、この統合されたデザインは、アーク炉システム電力および制御システムに含まれる電気的コンポーネントの数を削減する。

図１に示されるように、アーク炉は、廃棄物が溶解される第１のタンク２２および溶解された廃棄物から放出されるガスを処理するためのオフガス処理タンク２４を備える。ＤＣアーク電極２６は、タンク２２のルーフ２８を通ってタンク２２のの中央に配置されるべきである。複数のＡＣジュール加熱電極の対３０Ａ／３０Ｂ、３２Ａ／３２Ｂならびに３４Ａ／３４Ｂは、単一であり、かつルーフ２８のＤＣアーク電極２６の周りに円周状に分散される。後に詳細に述べられるように、任意の対のＡＣジュール加熱電極は、ＤＣアーク電極２６を挟んで、互いに直接反対側に配置される。ＡＣジュール加熱電極の対３０Ａ／３０Ｂ、３２Ａ／３２Ｂならびに３４Ａ／３４Ｂはまた、廃棄物チャージポート３６の間に配置される。廃棄物は、これらの廃棄物チャージポート３６を開け、かつポート３６を通って落とすことによって、タンク２２の中で処分される。結果として、誘導される廃棄物（図示せず）とＡＣジュール加熱電極３０Ａ／３０Ｂ、３２Ａ／３２Ｂならびに３４Ａ／３４Ｂとの両方は、「バリア」を形成する。「バリア」は、後に詳細に述べられるように、ＤＣアーク電極２６からの温度エネルギをタンク２２の温度ライニング３５に直接インパクトを与えることを避ける。金属サンプ／ドレイン３７は、溶解された廃棄物を取り除くためにタンク２２のベースに提供される。

図示されていないが、ＤＣアーク電極２６ならびにＡＣジュール加熱電極３０Ａ／３０Ｂ、３２Ａ／３２Ｂならびに３４Ａ／３４Ｂの全ては、ルーフ２８を介して鉛直方向に移動可能である。すなわち、溶解された廃棄物１０に対するこれらの位置を調製され得る。詳細には、ＤＣアーク電極２６は、駆動（図示せず）を介して自動的に調整され、それに対して、ＡＣジュール加熱電極３０Ａ／３０Ｂ、３２Ａ／３２Ｂならびに３４Ａ／３４Ｂは衝動で調整可能である。

図３〜５で示されるように、廃棄物のタイプならびに処理の仕方に依存して、異なるサイズのアーク炉が用いられ、それによって廃棄物投入ポートの異なる数を有する。全てのケースにおいて、単一の中央に配置されたＤＣ電極２６は、奇数のＡＣジュール電極の対（１Ａ／１Ｂから７Ａ／７Ｂ）から形成されるＡＣジュール電極の数によって単一に周囲を取り囲まれて利用される。詳細には、図３は、１つのセットの電極対（１Ａ／１Ｂ）を開示し、図１１は３つのセットの電極対（３０Ａ／３０Ｂ、３２Ａ／３２Ｂならびに３４Ａ／３４Ｂ）を開示し、図４は、５つのセットの電極対（１Ａ／１Ｂ〜５Ａ／５Ｂ）を開示し、図５は、７つのセットの電極対（１Ａ／１Ｂ〜７Ａ／７Ｂ）を開示する。後に詳細に述べられるように、電極対（あるいは一ウェブサーバインターフェースのセカンダリ巻線を有する変圧器および直列接続されたプライマリ巻線）の奇数のセットの重要性は、図１１に明らかに示されるように反対に対して近接するＡＣジュール加熱電極の瞬時の極性を許可する。これは、全てのＡＣジュール加熱電極が交互の「Ａ」および「Ｂ」指名者を有することが図３〜５で観察される。交互の「Ａ」および「Ｂ」指定するものは、他の「Ａ」の次には「Ａ」はなく、また他の「Ｂ」に次には「Ｂ」はないような指定するものである。さらに、ＡＣジュール加熱電極の総数は、用いられる廃棄物チャージポートの数に対応する。

先に述べたように、アーク炉２０はまた、「オフガス」処理タンク２４を備える。アーク炉の基本的機能は、生の廃棄物を破壊することであるため、この目的に対してデザインされた隣接するタンク２４に「オフガス」炉を処理することが望まれる。オフガスは、対のガス処理ＤＣ電極３８および４０によって処理され、必要である場合、ＡＣジュール加熱電極（図７において４１および４３の２つが示される）は、タンク２４の底部で集積される微粒子４６の温度を維持するために提供される。ＤＣ電極３８および４０は、オフガスの品質を改善するためにＤＣアーク４５（図８）を生成する。これらの電極３８／４０は、ガス処理を強化するためにガスの流れの方向において下向きの角度のポインティングで示される。蒸気注入口４２（図６〜７）はポート４４を通って排出されるべき処理されたガスのこの処理を容易にするために用いられる。処理からガスを沈殿させる微粒子４６は、タンク２４で集められ、タンク２４は取外され得、掃除され、かつその後タンク２４に再格納される取り外し可能集積器（図示せず）を備える。掃除ポート４８はまたタンク２４を提供される。

次に参照するＤＣアークシステムおよびＤＣアーク電極は、第１のタンク２２のＤＣアークシステムおよびＤＣアーク電極２６に言及することに留意すべきである。同様に、全ての次に参照するＡＣジュール加熱システムおよびＡＣジュール加熱電極は、第１のタンク２２でＡＣジュール加熱システムおよびＡＣジュール加熱電極３０Ａ／３０Ｂ、３２Ａ／３２Ｂならびに３４Ａ／３４Ｂに言及する。以下の説明は、第１のタンク２２のＤＣアークシステムおよびＡＣジュール加熱システムに誘導される。

第１のタンク２２で用いられるＡＣジュール加熱システムは、複数の変圧器を利用し、複数の変圧器は、それぞれプライマリ巻線ＰＲＩおよび一組のセカンダリ巻線ＳＥＣ（図１２）を有し、各セカンダリ巻線は、溶解された廃棄物１０にサブマージしたジュール加熱電極に接続されている。このように、ＰＲＩ−１およびＳＥＣ−１のような表記は、プライマリ巻線一対のセカンダリ巻線を有する変圧器＃１を示す。さらに、以前に述べられたように、ＡＣジュール加熱電極は、３０Ａ／３０Ｂ、３２Ａ／３２Ｂならびに３４Ａ／３４Ｂの対を形成し、これは複数の変圧器の２次ワインディングに対応する（図１３を参照されたい）。先に述べられたようにＡＣジュール加熱電極の対３０Ａ／３０Ｂ、３２Ａ／３２Ｂならびに３４Ａ／３４Ｂは、物理的に互いに反対側に配置され、ＤＣアーク電極２６はそれらの間に置かれる（図１１および１３を参照されたい）。

先に述べられたように、アーク炉のサイズに依存することによって、ジュール加熱電極の数は決定される。本発明２０において、３つの変圧器（ＰＲＩ−１／ＳＥＣ１、ＰＲＩ−２／ＳＥＣ−２、およびＰＲＩ−３／ＳＥＣ−３）は利用され、それによって６個のジュール加熱電極が必要である。それ故、６個のジュール加熱電極３０Ａ／３０Ｂ、３２Ａ／３２Ｂならびに３４Ａ／３４Ｂは、一例であって、任意のジュール加熱電極の数が利用され得ることを理解されるべきである（図３および５を参照されたい）。さらに、全てののジュール加熱電極３０Ａ／３０Ｂ、３２Ａ／３２Ｂならびに３４Ａ／３４Ｂは、均等に、かつＤＣアーク電極２６の中心の周りに均一に分散される。さらに、ジュール加熱電極３０Ａ／３０Ｂ、３２Ａ／３２Ｂならびに３４Ａ／３４Ｂは、共通の変圧器から対のセカンダリ巻線に接続されるこれらの電極が互いに反対側に配置されるようにアレンジされる。各電極の物理的配置はまた、廃棄物投入ポート３６の間のギャップを「埋める」選択をされる。図１で最も明らかに見られるように、任意の方向におけるＤＣアーク電極２６から放出される温度エネルギは、廃棄物投入ポート３６を介して処分される廃棄物質（図示せず）またはジュール加熱電極３０Ａ／３０Ｂ、３２Ａ／３２Ｂならびに３４Ａ／３４Ｂのどちらかと合う。このようにＤＣアーク電極２６からタンク２２の温度ライニング３５へのダイレクトパスはなく、そのためタンク２２のライニング３５の寿命を保つ。

図９は、ＤＣアークシステムとＡＣジュール加熱システムとの両方に送達される方法を示す。詳細には、利用する３相電力は３相変圧器５０のプライマリ巻線（ＰＲＩ３φ）と接続される。２つのセカンダリ巻線（すなわちＳＥＣ１ ３φおよびＳＥＣ２ ３φ）は、３相出力を、ＡＣジュール加熱システムおよびＤＣアークシステムに提供するが、後に詳細が述べられるように、それぞれのＡＣジュール加熱システムは単相電力のみを利用している。それぞれの回路ブレーカーＣＢ１およびＣＢ２は、遮断／起動をこれらのセカンダリ巻線ＳＥＣ１ ３φおよびＳＥＣ２ ３φのうち利用可能である全ての３相に同時に提供する。Δ−構成は、プライマリＰＲＩ ３φおよびセカンダリＳＥＣ１ ３φ／ＳＥＣ２ ３φ巻線のために示される。プライマリ３φ巻線はΔ−構成として示されるが、Ｙ−構成は、同様に機能することに留意されたい。しかし、セカンダリ３φの双方は、プライマリ３φ巻線がＹ−構成である場合、Δ−構成でなければならない。例示のみの手段として、ＳＥＣ１ ３φの出力は、２４０ＶＡＣ_Ｌ−Ｌを含み得、ＳＥＣ２ ３φは４８０ＶＡＣ_Ｌ−Ｌを含み得る。

ＤＣアークシステム（図１１）は、ＤＣアーク電極２６に電力を供給するための３位相を用いるが、ＡＣジュール加熱システムは、ＡＣジュール加熱システムのために単一の位相電力を得られるようにジグ−ザグ変圧器５２（図１３）を利用する。特に当業者には周知である図１０に示されるように、ジグ−ザグ変圧器５２は、ＳＥＣ２ ３φのΔ−構成の位相の各々の電流のバランスをとる。参照され得るように、各位相（例えば、第１の位相に対するｘ、第２の位相に対するｙおよび第３の位相に対するｚ）は対応する等しくかつ反対のベクトルによって打ち消される。それ故、中立を含む単一の位相の電力は、ＡＣジュール加熱システムに電力を供給するために得られる。

図１１は、組み合わされたＡＣジュール加熱システムおよびＤＣアークシステムを示す。特に、ジグ−ザグ変圧器５２からの単一の位相の電力は、直列に接続されている３つの変圧器プライマリ巻線（ＰＲＩ−１、ＰＲＩ−２、ＰＲＩ−３）の全てに提供される。この直列接続は、全てのプライマリおよびセカンダリ巻線は、ＡＣ電流の同じマグニチュードを全てのジュール加熱電極の３０Ａ／３０Ｂ、３２Ａ／３２Ｂ、３４Ａ／３４Ｂに伝え、かつ、伝送する。ＳＣＲ（ｓｉｌｉｃｏｎ−ｃｏｎｔｒｏｌｅｄ ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ）の静的（すなわち、動かない部分）スイッチ５４は、ジグ−ザグ変圧器５２とプライマリ巻き線との間で接続されていることに留意されたい。このＳＣＲ静的スイッチ５４は、オペレータにＡＣジュール加熱システムの現行レベルを制御を可能にし、それによって、オペレータがアーク炉の融解した廃棄物１０の温度を制御することを可能にする。

この模式的な図から理解され得るように、各セカンダリ巻線の端部５６は、（その重要性は、後述される）ＤＣリアクタ５８を通ってＤＣアークシステムに接続され、各セカンダリ巻線の他の端部は、融解した廃棄物１０にサブマージされているそれぞれのジュール加熱電極に接続されている。ＤＣリアクタ５８の他の側面は、ＤＣアークシステムのＤＣ電力供給６０の正の端末に接続されている。必要とはしないが、ＤＣアーク電極２６は、ＤＣアーク電力供給６０の負の端末に接続されている。ＤＣアーク電力供給６０は、基本的に、ＳＣＲ（ｓｉｌｉｃｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌｅｄ ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ）バンクを含み、そのバンクの入力は、ＳＥＣ２ ３φ巻線から３相電力に接続され、そのバンクの整流器ＤＣ出力は、図１１に示される正のおよび負の端末に供給される。オペレータは、ＤＣアーク電力供給６０を介して、ＤＣアーク電流（例えば、ＳＣＲの位相制御ファイヤリング）およびＤＣアーク電圧の双方を設定し得る。ＤＣアーク電圧を設定することに特に関連して、当業者には周知である、ＤＣアーク電極２６のフリー端部の物理的な配置は、ＤＣアーク電圧を決定する。それ故、例えば、オペレータが、ＤＣアーク電圧を、（廃棄物のタイプおよび密度、そこから生み出される廃棄物を再利用できるかどうか等に依存している）Ｖｏｌｔａｇｅ_{ＤＣ ＡＲＣ}のような、いくらか所定のアーク電圧で設定できる場合、制御システム（示されていないが、本明細書中で参照されて組み込まれている、Ｇａｙｄｏｎらによる、米国特許第４，３２０，２４５号に記載されているような１つを含み得る）を用いて、当初の位置（融解した廃棄物１０にちょうど接触させるフリー端部）から上に、融解した廃棄物１０表面から離れて、ＤＣアーク電圧の設定が達成されるまで、ＤＣアーク電極２６を、ゆっくりと動かす。ＤＣアーク電極２６は、好ましくは、円筒形で、グラファイトで構成されている。ＤＣアーク電極２６の直径は、タンクライニング３５の内部径を増やすが、必ずしもタンクのライニング３５の直径と直接比例して増加するわけではない。上述したように、ＤＣアーク電極２６は、タンク２２のルーフ２８の中心にサブマージされ、タンク２２の耐火性ライニング３５は、好ましくは、円筒形で、ＤＣアーク電極２６と同軸である。

本発明固有の特徴の１つは、ＤＣアークを持続的に供給するＤＣリアクタ５８を使用することである。ＤＣアーク電圧を維持するために不可欠なエネルギを格納するＤＣリアクタ５８は、セットレベル、Ｖｏｌｔａｇｅ_{ＤＣ ＡＲＣ}より下に実際のＤＣアーク電圧を降下すべきである。ＤＣアーク電流の位相制御遅延は、アーク電圧がＤＣリアクタ５８出力電圧よりも大きくなる場合、時間長を増加し得る。ＤＣリアクタ５８が、格納されたエネルギをＤＣアークへ送達する時間間隔の間に、安定したＤＣアークを維持する。特に、Ｖｏｌｔａｇｅ_{ＤＣ ＲＥＣ}＞＝Ｖｏｌｔａｇｅ_{ＤＣ ＡＲＣ}の場合、ＤＣアーク電力供給６０は、アークに電力を供給しつつ、エネルギはＤＣリアクタ５８に格納されつつある。逆に、Ｖｏｌｔａｇｅ_{ＤＣ ＲＥＣ}＜Ｖｏｌｔａｇｅ_{ＤＣ ＡＲＣ}の場合、ＤＣリアクタ５８は放電しつつ、ＤＣアークを維持するためにＤＣアークにエネルギを供給する。ＤＣリアクタ５８がアークに電力を供給する場合、リターンパス６２（図１１）は、ＤＣリアクタ５８に供給される。しかし、リターンパス６２を通るＤＣアーク電力供給６０（すなわち、ＤＣアーク電力供給６０はアークに電力を供給する）の短絡を避けるために、ダイオード６４を置いて、ＤＣアーク電力供給６０に関してダイオード６４はバックバイアスである。（例えば、ダイオード６４のアノード６６はＤＣアーク電力供給の負の端末に接続されていて、ダイオード６４のカソード６８はＤＣアーク電力供給６０の正の端末に接続されている）
図１２に、本発明２０で用いられている３つの変圧器の１つの機能図を描く。上述したように、変圧器の数は、アーク炉のサイズおよび融解される廃棄物材料によって変動する。その上、図１２に、使用する「Ｕ」コア変圧器を描き、様々な巻線が、「Ｕ」の形をした磁気コアの周りに取り付けられて、第４の足７０までに巻き終わる。特に図１２に示されるように、単一のプライマリ巻線（ＰＲＩ−１）は、磁気コアの１足の周りに取り付けられて、２つのセカンダリ巻線（ＳＥＣ−１）は、磁気コアの向かい合った足の周りに取り付けられる。示されている各々のセカンダリ巻線は、同サイズの導線および同じ巻数の巻線を含むが、ＤＣの磁束がお互いに打ち消しあい、ＡＣ電圧が付加される向きに巻きつけられる。上述したように、各セカンダリ巻線に流れるＤＣ電流によって、向かい合った磁束を実現することは重要である。図１４に示すように、ＤＣアーク電流が、ＤＣアークシステムを通って流れる場合、各セカンダリコイルによって生み出される磁束は、矢印７２および７４によって示されるようにお互いに打ち消し合う。磁束の打ち消しあう効果は、磁気コアの飽和を回避する。ＤＣ電流は、ＤＣアーク電力供給６０から各セカンダリ巻線を通って、それぞれのジュール電極を通って下へ流れ、融解した廃棄物の表面を通って流れ、かつ、アークを形成するＤＣアーク電極を通って上へ流れ、ＤＣリアクタ５８を通って逆に流れ、かつ、ＤＣアーク電力供給６０に逆に流れる。それ故、ジュール加熱電極は、「ＤＣカウンタ電極」として振舞う。

図１３に、ＡＣジュール加熱システムの瞬間の「スナップショット」を描き、プライマリ巻線（ＰＲＩ）がＡＣ電流を伝える場合、様々なセカンダリ巻線（ＳＥＣ）の瞬間の極性を示す。プライマリ巻線から導入され、セカンダリ巻線を通って流れるＡＣ電流とともに、ＡＣ電流の流れは、対応するジュール加熱電極間で発生する。例えば、図１３に示される瞬間、１つの変圧器内のＡＣ電流の流れが、融解した廃棄物を通って、正の端末ＳＥＣ−１に接続されているジュール加熱電極から、負の端末ＳＥＣ−１に接続されているジュール加熱電極に流れる。さらに、正の端末ＳＥＣ−１に接続されているジュール加熱電極からのＡＣ電流の流れはまた、融解した廃棄物を通って、ＳＥＣ−２に接続されている負のジュール加熱電極に接続されているジュール加熱電極に流れ、さらに、ＳＥＣ−３に接続されている負のジュール加熱電極にも流れる。同様に、ＡＣ電流は、負のジュール加熱電極ＳＥＣ−１の方へ、ＳＥＣ−２およびＳＥＣ−３に接続されている正のジュール加熱電極から流れる。同時に、別の変圧器内で流れているＡＣ電流は、融解した廃棄物を通って、正の端末ＳＥＣ−２に接続されているジュール加熱電極から、負の端末ＳＥＣ−２に接続されているジュール加熱電極に流れる。しかし、さらに、その変圧器からのＡＣ電流はまた、ＳＥＣ−１およびＳＥＣ−３に接続されている隣接するジュール加熱電極へ向かう。それ故、対応するセカンダリ巻線のペア間でＡＣ電流が流れるだけでなく、融解した廃棄物の熱エネルギを「かき混ぜる」ことを支援する、他の変圧器セカンダリ巻線の間でも、ＡＣ電流は流れる。それ故、従来のＡＣジュール加熱システムを越えた本発明の別の重要な特色は、ＡＣ電流の流れが、変圧器セカンダリ巻線ペアに限定されることはなく、向かい合う極の隣接するジュール加熱電極へ向かう。

ジュール加熱電極はまた、グラファイトを含み、好ましくは、ＤＣアーク電極２６より小さい。上述したように、ジュール加熱電極の各々は、円周上に等間隔で、ＤＣ電極とアーク炉のライニングの内側との間に放射状に位置している。

さらに、図１５に示されるように、ＡＣ電流がセカンダリ巻線を通って流れている場合、ＡＣ電流の流れによって生成される磁束は、セカンダリ巻線内のＡＣ電圧であるように（矢印７６および７８によって示されるように）付加される。

図１６は「Ｅ」コアに基づく変圧器の代替的なタイプを示し、磁気コアの当初の形状は「Ｅ」の形状である。プライマリ巻線は、「Ｅ」コアの中心足の周りに最初に巻きつけられる。絶縁体が、プライマリコイルの周りを包んでいる。次に、第１のセカンダリ巻線は、中央足のより上の部分の周りに巻きつけられ、第２のセカンダリ巻線は中央足のより低い部分の周りに巻きつけられる。一旦巻きつけられると、「Ｅ」形状の開口側は、閉じたパス磁気コアを形成するように巻き終わる。中央足は特有の磁束の流れのため外部の平行足のどちらかの２倍の幅を含むことが、理解されるべきである。すべての他の局面において、図９で表される変圧器は、上述したように、ＤＣアーク電力供給およびＡＣジュール加熱システムに電気的に接続されている。さらに、「Ｕ」コア変圧器を用いるように、この代替的な変圧器のセカンダリ巻線はまた、同じ巻数の巻線および同じ導線を含み、ＤＣ電流が流れる場合、各セカンダリコイルによって生み出される磁束が、お互いに打ち消しあうように「Ｅ」コアの周りに巻きつけられる。対応するプライマリにＡＣ電流が流れる場合、誘導によって生み出される磁束が付加される。

上述したように、ＡＣジュール加熱電極に関して、ＡＣ電流は対応するＡＣジュール加熱電極の間に流れるだけでなく（すなわち、ＤＣアーク電極２６の下部の３０Ａ／３０Ｂ）、向かい合う極性の隣接するＡＣジュール加熱電極（図１３参照）にも流れる。しかし、それは本発明の最も広い範囲内にあり、対応するＡＣジュール加熱電極間にＡＣ電流を流す必要なく、隣接するＡＣジュール加熱電極間のＡＣ電流の流れを含む。例えば、図１３に示される瞬間の極性を用いて、本発明の最も広い範囲内にあり、ＡＣ電流を電極３０Ａ／３０Ｂの間に流すことがなく、電極３０Ａと３２Ｂと３４Ｂとの間にＡＣ電流を流す。

上述から理解されるように、本発明は、
−ジュール加熱電極を利用し、そのジュール加熱電極は、独立したＡＣジュール加熱電極およびＤＣカウンタ電極として同時に、電気干渉なく（すなわち、ＤＣおよびＡＣの相互作用はなし）作動し、
−アーク炉のサイズに無関係に、ただ１つＤＣアーク電極および電極制御デバイスを必要とし、
−ただ１つの従来のＤＣアーク電力供給を必要とし、
−ジュール加熱電極を利用し、２つの目的を、すなわち、従来のＡＣジュール加熱電極としておよびＤＣアークカウンタ電極として、同時に目的を果たし、
−アーク炉の小さいまたは大きい様態に関わらず動作し、本発明は、ＤＣ電力供給、（ＡＣジュール加熱電流を任意の数のＡＣジュール加熱電極に制御するために必要な）１つのＳＣＲタイプ静的スイッチおよび１つのＡＣ電力供給を必要とし、唯一変化するものは、これらの電力供給の各々が送達するべき、電力量であり、
−ジュール加熱電極を利用し、ＤＣアークカウンタ電極はまた、磁気の

の力に役立ち（ここで、

は電流密度、

は磁場である）、ＤＣアークカウンタ電極はＤＣアークをＤＣアークの下部に残存させる。アーク炉のライニングの損傷を軽減し、
−炉の中心のＤＣアーク電極および炉のライニングの内側にあるＡＣジュール加熱／ＤＣアークカウンタ電極の物理的構成を用いて、生の廃棄物用のより多くの空間を提供し、ジュール加熱電極は、アーク放射から炉のライニングをシールドする目的であり、
−生の廃棄物破棄用の理想的な構成をサポートし、その構成は、ＤＣアーク電極とジュール加熱電極の「ドーナツ状の」廃棄物であり、
−ジュール加熱／ＤＣカウンタ電極は、炉のライニングの上部のＤＣカウンタ電極よりも容易に再配置可能であり得、また、炉のライニングの下の集積部は、それによって、別の費用を抑え、カスタマに恩恵を提供する
発明である。

さらなる詳細な記述を省くが、上述の記載で、十分我々の発明を示しているので、現在または将来の知識を与えることによって他者は、様々なサービスの条件下で使用するために同様のものを容易に導入する。

図１は、本発明のアーク炉の上面図であり、アーク炉の排気物質およびガス処理セクションようのＡＣジュール加熱電極、ＤＣアーク電極ならびにチャージポートの空間的方向を示す。 図２は、図１のアーク炉の側断面図である。 図３は、２つのＡＣジュール加熱電極を用いるアーク炉の構成の上面図である。 図４は、１０個のＡＣジュール加熱電極を用いるアーク炉の構成の上面図である。 図５は、１４個のＡＣジュール加熱電極を用いるアーク炉の構成の上面図である。 図６は、溶解処理からガスエマナチオンを処理するためのオフガス処理タンクの特定の断面図である。 図７は、図６のライン７−７に沿って切り取られたオフガス処理タンクの断面図である。 図８は、電圧を加えられた対のガス処理ＤＣ電極を有する図６のライン８−８に沿って切り取られたオフガス処理タンクの断面図である。 図９は、有用な電力をＤＣアークシステムおよびＡＣジュール加熱システムによって利用可能な電力に変換するために用いられる３φ変圧器のベクトル図である。 図１０は、３φ変圧器からＡＣジュール加熱システムへ単一の位相ＡＣ電力を提供するジグ−ザグ変圧器のベクトル図である。 図１１は、ＤＣアークシステムおよびＡＣジュール加熱システムの接続図であり、様々なセカンダリ巻線の瞬間的な極性を示す。 ３つの例示的「Ｕ」コアタイプのうちの１つの機能図であり、「Ｕ」コアタイプは、ＤＣアーク電極システムおよびＡＣジュール加熱システムの両方で用いられる単一の位相変圧器である。 図１３は、ジグ−ザグ変圧器およびＡＣジュール加熱システムの接続図であり、様々なセカンダリ巻線の瞬間的な極性を示す。 図１４は、図１２の単一の位相変圧器の特定の断面図であり、セカンダリ巻線を介したＤＣ電流の流れによって発生する磁場が互いに打ち消し合う方法を示す。 図１５は、図１２の単一の位相変圧器の特定の断面図であり、プライマリ巻線のＡＣ電流の流れによって発生し、かつプライマリ巻線で誘導される磁場が互いに付加されることを示す。 図１６は、ＤＣアーク電極システムとＡＣジュール加熱システムとの両方において用いられる他の例示的な単一の位相変圧器の断面図である。

Claims (41)

1. 廃棄物を変換する装置であって、該装置は、
   該廃棄物を受け取るタンクと、
   該タンク内で該廃棄物が融解するようにＤＣアークをサポートするための単一の電極であって、ＤＣ電力のソースに接続された単一の電極と、
   ＡＣ電力のソースに接続され、該融解した廃棄物内にサブマージされた複数のＡＣジュール加熱電極であって、該融解した廃棄物を融解した状態に維持すると同時にＤＣのカウンタ電極として作用する複数のＡＣジュール加熱電極と
   を備え、
   該複数のＡＣジュール加熱電極は、ＤＣアーク安定性を提供するように、ＤＣリアクタへのリターンパスによって、該ＤＣリアクタを介して該ＤＣ電力のソースに接続されている、装置。
2. 前記複数のＡＣジュール加熱電極は、複数の変圧器を介して前記ＡＣ電力のソースに接続され、
   該複数の変圧器の各々は、
   磁気コアの周りに巻きつけられたプライマリ巻線および一対のセカンダリ巻線を含み、
   該一対のセカンダリ巻線の各々がそれぞれのＡＣジュール加熱電極に接続されている第１の端部を含み、該一対のセカンダリ巻線の各々が前記ＤＣ電力のソースに接続されている第２の端部を含み、
   該一対のセカンダリ巻線の各々が同じ回転数および同じサイズの導線を含むが、該一対のセカンダリ巻線の各々は、ＤＣ電流が該一対のセカンダリ巻線を流れる場合において該磁気コア内のＤＣ磁束を打ち消す方向に巻かれている、請求項１に記載の装置。
3. 前記複数の変圧器の前記プライマリ巻線は直列に接続されている、請求項２に記載の装置。
4. 前記装置は、奇数個の変圧器を含む、請求項３に記載の装置。
5. 前記励起されたプライマリ巻線から前記一対のセカンダリ巻線に誘導されるＡＣ電圧が付加的である、請求項２に記載の装置。
6. 前記セカンダリ巻線の第２の端部の各々は、ＤＣリアクタを介して前記ＤＣ電力のソースに接続されている、請求項３に記載の装置。
7. 前記ＤＣ電力のソースは、正の出力および負の出力を有するＳＣＲタイプの整流器を含み、前記ＤＣリアクタは、該正の出力に接続されている、請求項６に記載の装置。
8. 前記整流器の正の出力および負の出力に接続されているアノードおよびカソードを有するダイオードをさらに含み、該アノードは、該負の出力に接続され、該カソードは、該正の出力に接続されている、請求項７に記載の装置。
9. 前記直列に接続されたプライマリ巻線は、ＳＣＲ静的スイッチを介して前記ＡＣ電力のソースに接続されており、該スイッチは、オペレータが前記融解した廃棄物の温度を制御することを可能にする、請求項３に記載の装置。
10. 前記単一の電極は、前記タンクに導入された前記廃棄物に対して移動可能である、請求項１に記載の装置。
11. 前記単一の電極は、前記タンクに導入された前記廃棄物に対して垂直に移動可能である、請求項１に記載の装置。
12. 前記複数のＡＣジュール加熱電極は、ＤＣ電力のソースに接続されている前記単一の電極の周りの円周上において等間隔に配置されている、請求項１に記載の装置。
13. 前記複数のＡＣジュール加熱電極は、奇数個のＡＣジュール加熱電極対に分類されている、請求項１２に記載の装置。
14. 前記複数のＡＣジュール加熱電極は、ＤＣ電力のソースに接続されている前記単一の電極の周りの円周上において等間隔に配置されている、請求項２に記載の装置。
15. 前記複数のＡＣジュール加熱電極は、奇数個のＡＣジュール加熱電極対に分類されている、請求項１４に記載の装置。
16. ＡＣ電流は、反対の極性の複数のＡＣジュール加熱電極の間を流れる、請求項１１に記載の装置。
17. ＡＣ電流は、一対のセカンダリ巻線に接続されているそれぞれのＡＣジュール加熱電極の間を流れ、該ＡＣ電流は、反対の極性の複数のＡＣジュール加熱電極の間を流れる、請求項１３に記載の装置。
18. 前記ＡＣ電力のソースは、単一の位相のＡＣ電力を含む、請求項１に記載の装置。
19. 前記ＳＣＲタイプの整流器は、３相のＡＣ電力に接続されている入力を含む、請求項６に記載の装置。
20. 前記磁気コアは、「Ｕ」コアである、請求項２に記載の装置。
21. 前記磁気コアは、「Ｅ」コアであって、該「Ｅ」コアは、上部部材の幅および下部部材の幅の２倍の幅を有する中間部材を有する、請求項２に記載の装置。
22. 前記タンクは、廃棄物を該タンクの中に導入するための廃棄物投入ポートを有するルーフを備え、該廃棄物投入ポートおよび前記複数のＡＣジュール加熱電極は、該複数のＡＣジュール加熱電極、または、該廃棄物投入ポートを介して導入されている廃棄物のいずれかによって、前記単一の電極から放射する熱放射が温度ライニングにアクセスすることからブロックされるように、配置されている、請求項１４に記載の装置。
23. 前記廃棄物投入ポートの数は、前記複数のＡＣジュール加熱電極に対応し、該複数のＡＣジュール加熱電極は、奇数個のＡＣジュール加熱電極対に分類されている、請求項２２に記載の装置。
24. 廃棄物を変換する方法であって、該方法は、
    （ａ）処理用タンク内の該廃棄物を処理するステップと、
    （ｂ）単一の電極を介して該廃棄物を融解するようにＤＣアークを用いるステップであって、該単一の電極は、ＤＣ電力のソースに接続されている、ステップと、
    （ｃ）該廃棄物内にサブマージされた複数のＡＣジュール加熱電極を介して該廃棄物を融解した状態に維持するようにＡＣジュール加熱を用いるステップと、
    （ｄ）該複数のＡＣジュール加熱電極を該ＤＣアークのＤＣのカウンタ電極として利用するステップであって、該複数のＡＣジュール加熱電極は、ＤＣリアクタへのリターンパスによって、該ＤＣリアクタを介して該ＤＣ電力のソースに接続されている、ステップと
    を包含する、方法。
25. 前記廃棄物を融解するようにＤＣアークを用いるステップは、
    （ａ）前記単一の電極をＤＣ電力ソースに接続することと、
    （ｂ）該ＤＣアークをサポートするために、該廃棄物に対する該単一の電極の１つの端部の位置を調整することと
    を包含する、請求項２４に記載の方法。
26. ＤＣカウンタ電極として前記複数のＡＣジュール加熱電極を利用するステップは、
    （ａ）複数の変圧器を提供することであって、該各変圧器は、プライマリ巻線と、一対のセカンダリ巻線と、磁気コアとを有し、該プライマリ巻線は、ＡＣ電力ソースに直列に接続されており、各対のセカンダリ巻線は、それぞれのプライマリ巻線に接続されている、ことと、
    （ｂ）前記同じ回転数および同じサイズの導線で該磁気コアの周りに該各対のセカンダリ巻線を巻きつけるが、ＤＣ電流が各対のセカンダリ巻線を流れる場合において該磁気コアのＤＣ磁束を打ち消す方向に該一対のセカンダリ巻線の各々を巻きつけることと、
    （ｃ）該一対のセカンダリ巻線の各々の第１の端部を前記ＤＣ電力ソースに接続し、該一対のセカンダリ巻線の各々の第２の端部をそれぞれのＡＣジュール加熱電極に接続することと
    を包含する、請求項２５に記載の方法。
27. 前記複数の変圧器を提供することは、奇数個の変圧器を提供することを包含する、請求項２６に記載の方法。
28. 前記一対のセカンダリ巻線の各々の第１の端部を前記ＤＣ電力のソースに接続することは、ＤＣリアクタを介して該第１の端部を該ＤＣ電力のソースに接続することを包含する、請求項２６に記載の方法。
29. 前記ＤＣ電力のソースは、正の出力および負の出力を含み、前記第１の端部をＤＣリアクタを介して該ＤＣ電力のソースに接続することは、該ＤＣリアクタを該正の出力に接続することを包含する、請求項２８に記載の方法。
30. 前記プライマリ巻線をＡＣ電力ソースに接続することは、該プライマリ巻線をＳＣＲ静的スイッチを介して該ＡＣ電力ソースに接続することを包含し、該スイッチは、オペレータが前記融解した廃棄物の前記温度を制御することを可能にする、請求項２６に記載の方法。
31. 前記単一の電極をＤＣ電力ソースに接続することは、該単一の電極をＳＣＲタイプの整流器に接続することを包含する、請求項２５に記載の方法。
32. 前記ＡＣジュール加熱を用いるステップは、前記単一の電極の周りの円周上において等間隔に該複数のＡＣジュール加熱電極を配置することを包含する、請求項２４に記載の方法。
33. 前記複数のＡＣジュール加熱電極は、奇数個のＡＣジュール加熱電極対に分類されている、請求項３２に記載の方法。
34. 前記ＡＣジュール加熱を用いるステップは、反対の極性の該複数のＡＣジュール加熱電極の間にＡＣ電流を流すことを包含する、請求項２６に記載の方法。
35. 前記ＡＣジュール加熱を用いるステップは、一対のセカンダリ巻線に接続されているそれぞれのＡＣジュール加熱電極の間にＡＣ電流を流すことと、反対の極性の該複数のＡＣジュール加熱電極の間にＡＣ電流を流すこととを包含する、請求項３３に記載の方法。
36. 前記ＡＣ電力ソースに接続することは、前記プライマリ巻線を単一の位相のＡＣ電力に接続することを包含する、請求項２６に記載の方法。
37. 前記ＳＣＲタイプの整流器は、３相のＡＣ電力に接続されている入力を含む、請求項３１に記載の方法。
38. 前記各対のセカンダリ巻線を巻きつけることは、前記磁気コアのそれぞれの足の周りに該各対のセカンダリ巻線を巻きつけることを包含する、請求項２６に記載の方法。
39. 前記各対のセカンダリ巻線を巻きつけることは、前記磁気コアの共通の足の周りに該各対のセカンダリ巻線を巻きつけることを包含する、請求項２６に記載の方法。
40. 前記処理用タンク内の廃棄物を処理するステップは、該廃棄物を該タンクに導入することを可能にするために該タンクのルーフに複数の廃棄物投入ポートを設けることを包含し、該廃棄物投入ポートおよび前記複数のＡＣジュール加熱電極は、該複数のＡＣジュール加熱電極によって、または、該複数の廃棄物投入ポートを介して導入されている廃棄物によって、前記単一の電極から放射する熱放射が該タンク内の温度ライニングにアクセスすることからブロックされるように、配置されている、請求項２４に記載の方法。
41. 前記複数の廃棄物投入ポートは、前記複数のＡＣジュール加熱電極に対応し、該複数のＡＣジュール加熱電極は、奇数個のＡＣジュール加熱電極対に分類されている、請求項４０に記載の方法。

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