JP4563687B2 - ２つの加熱手段を用いた溶融固化炉及び溶融固化方法 - Google Patents

Description

本発明は、２つの加熱手段を用いた溶融固化炉及び溶融固化方法、及び、燃焼及び溶融固化によって冷却された金属ユニットに収容された種々の廃棄物の処理に関する。当該処理の機能は、可燃物を完全に焼却し、処理産物に含まれる無機物を、高温で溶かして製造したマトリックス内に封じ込めることである。得られる廃棄物は、有毒物質を含有したガラス（又はガラス・セラミック体）であり、その有毒物質は該ガラスの原子構造に封じ込められる。

様々な可燃性廃棄物に含まれる有毒物質（毒性は、化学的（重金属を含む）或いは放射性である）を、ガラス、ガラス・セラミック又は結晶質タイプのマトリックス内に固化することについて、多くの研究が長年にわたって行われてきた。目的は、廃棄物の安定化、検査済みの耐久封じ込めマトリックスの製造、最初の廃棄物量の削減等さまざまである。
二次廃棄物をほとんど発生させない単一の単純なユニットで燃焼及び溶融固化の両方ができる産業規模の方法に関して研究することが、経済的な関心の対象となることは当然である。

いくつかの方法が、研究室及び産業規模で開発されてきた。基本的に、熱プラズマの使用（変形として浸漬した又は浸漬していない電極を用い、及び直接誘導により溶融する）が考えられてきた。
プラズマ処理についていくつかの方法が開発されたが、産業上の利用が困難であるという欠点があった。この場合、るつぼは耐火材料から作られ、融解ガラスと接触すると早く磨耗し（攻撃的な複合媒体での腐食による）、また強力なプラズマ放射を受けることによっても磨耗が進む。また、こういったプラズマ炉での可燃廃棄物の処理能力は、耐火材料でできた内面を保護するために、制限されている。

最も多く使用されるプラズマ発生用のガスは窒素と空気である。前者の場合、発生したプラズマは、燃焼材料としてではなく熱源として使用されるだけであり、単に有機分子を分解するにすぎない。これによって、多量の未燃焼物質、煤煙及び煤塵、及びしばしば窒素酸化物を含む煙の化学組成が非常に複雑になり、その処理も同様に複雑になる。プラズマ発生用ガスとして空気を使用する場合、上述の欠点は一部解消されるが、ガスの８０％は使い道がないにもかかわらず加熱されるために、結果的にガス処理ユニットが必要以上に大きくなる。

冷却されたるつぼを使用したプラズマ融合が、耐火材料に関する課題を解決するために試験されてきた。るつぼを構成する材料として銅が提案されたが、特に硝酸媒体による腐食に敏感であるという同じ欠点を有するので、銅よりも優れたステンレス鋼のほうが好ましい。しかし、るつぼ内の溶融材料から壁への熱伝導のために溶融が困難であり、十分な大きさの槽を得ることと、るつぼを空にすることの障害となる。

少なくとも一部が電磁場を通す金属製るつぼを用いて溶融を行わせる高周波直接誘導技術も知られている。この技術では、溶融と十分な大きさのガラス槽の実現とキャスティングが制御される。周知の応用例は、高純度のガラスとエナメルの製造、及び高放射性廃棄物の溶融固化を含む。これに関連した記載は、仏国特許出願ＦＲ９１０２５９６及びＦＲ９６０９３８２に見られる。しかし、この方法は、可燃物質が流し込まれる封じ込めマトリックスの溶融に適用される場合、欠点がある。特に、処理する廃棄物と溶融材料との間に強い化学的相互作用が起こり、その組成と均質性に重大な変化が起こる。例えば、廃棄物が炭素又は水素又はイオウを含有する場合、槽内又は槽上で空気又は吹錬手段に空気又は酸素が用いられたとしても、酸化物ベースの材料（ガラス）の金属相の還元は避けられない。この結果、灰封じ込めマトリックス及びプロセスの正確な電磁操作に必要な特性が変化する。表面燃焼は、処理する廃棄物の発熱量に依存し、溶融材料の表面層の温度（従ってその溶融）を常に保証することができず、固形のまま残った材料の堆積に関連して冷却が起こり得る。溶融材料が低温で導電しない場合（ガラスの場合そうである）、冷たいるつぼで直接誘導溶融プロセスを開始するには、特別なプロセス（サセプタ、メタロサーミ等）が常に必要である。

本発明の目的は、同一ユニットにおいて燃焼機能と溶融固化機能を切り離すことができる複合プロセスを提供することによって上述した欠点をすべて克服することである。酸化性雰囲気が制御された燃焼機能が、溶融材料の表面上で酸素プラズマによって達成され、一方、溶融機能が、溶融材料中での直接誘導加熱によって達成される。２つの機能は、プロセスにおいて相補的である。プラズマを用いて、溶融を開始し、表面の燃焼を完了し、酸化性雰囲気を制御し、熱容量を増加し、表面に廃棄物を堆積しない一方で、同時に、直接誘導によって、冷却構造で材料の均一な溶融を行い、キャスティングを可能にする。表面温度を加減しなければならない場合（揮発性材料のリサイクル）、或いは生成された副産物が燃焼を必要としない場合、誘導加熱が単独で、特定の操作段階で用いられてもよい。

本発明は、焼却可能又は無機廃棄物を燃焼・溶融固化するための設備及び方法に関し、以下これを炉と呼ぶ。炉は、関連した又は分離した２つの加熱モードが用いられることを特徴とする。第一の加熱モードは、酸素の熱プラズマである。プラズマ発生手段は、循環流体で冷却されたるつぼに置かれた溶融材料の表面上にある。熱プラズマは、高周波トーチ、ブローンアークトーチ、又は移行型アークトーチによって発生されてよい。以下に記載する好適な実施形態では、プラズマは、溶融材料の表面のすべて又は一部を覆う２つの上部可動式トーチ間で発生したアークプラズマである。

第二の加熱モードは、直接誘導によってるつぼに含まれている材料を加熱するインダクタを使用する。るつぼは、外郭と炉床からなり、これらは循環流体によって冷却される。るつぼに含まれている溶融材料で誘導電流が発生できるように、るつぼを構成する２つの部分の少なくとも一方は電磁放射を通さなければならない（換言すると、るつぼが導電材料でできている場合、区切られていなければならない）。インダクタは、外郭の周りのらせん状の巻き線であってもよく、炉床の下の平らな巻き線であってもよい。

インダクタは、炉床の下に配置され、るつぼは区切りのない外郭を備える。このようにする理由は、表面の燃焼中に導電性の煤塵が形成され、分離されたセクタ間に短絡（該セクタを損傷する現象）が生じ得るため、又は非溶融塩の層が形成され、電磁場の形状が乱され得るためである。さらに、側壁での誘導は、ガラス槽表面の加熱を容易にする一方で、炉床の下での誘導は、るつぼ底部の加熱を容易にする。本発明の場合、プラズマがガラス表面を加熱するので、底部の加熱が望ましい。炉床は区切られた金属であってもよいが、好適な実施形態では、該炉床は、熱伝導率が良好な１つの導電材料からできているので、区切られていない。この場合、槽の下の炉床表面は、プラズマと有害なガス及び煤塵による攻撃に曝されないので、この種の耐火材料の磨耗はそれほど深刻ではない。構造を区切らずに連続的にすると、一つにはセクタ間のシールがないことによって、磨耗への耐性がより良好な、均一なガラス質の溶融材料が非常に作られやすくなるので、もちろん利点がある。
炉内の酸化性雰囲気は基本的には、溶融槽で金属相を形成せず、その結果、有機材料が完全に燃焼され、均一なガラス質の溶融材料が生じ、後続処理が簡素化する。

先行技術は、同じく２つの加熱手段、側壁を囲む誘導コイルとプラズマトーチ、を記載した文書ＵＳ５７５０８２２を含む。本発明とは異なり、この２つの加熱手段は、溶融槽で異なる性質（金属質及びガラス質）を持つ二相を出現させ分離させるのに使用され、該二相は２つの別個の手段によって過熱及び溶融され、プラズマトーチはガラス質相に、そして誘導コイルは金属相にあてがわれる。
上述の仏国特許ＦＲ９６０９３８２には、溶融固化炉の炉床の下に配置されたインダクタが記載されており、これは加熱手段としてのみ使用される。

従って、本発明による２つの加熱手段を組み合わせ、及び酸素プラズマ（他の形態での導入は不十分であることがわかっている）を使用することによって、溶融槽の単一の非金属相が生じ、該単一相に適した極めて均一な加熱が可能となる。
以下に、例示として非限定的に添付した図１を参照しながら本発明を説明し、本発明の好適な実施形態を提示する。

本発明による炉は、外郭１、炉床２、天井３、インダクタ４、カソードプラズマトーチ５、アノードプラズマトーチ６、及び排水弁７、の７つの主要部分を含む。
冷却るつぼは、外郭１、炉床２、及び天井３からなる。外郭１は、垂直に並べられた冷却された金属でできており、水平に配置された冷却炉床２の上に配置されている。外郭１は、底部付近に排水弁７によって閉じられた排水口８を有し、該排水弁はスライドし、冷却される。一つの変形では、排水口８は炉床２上に配設されてもよい。外郭１と炉床２のいずれにも区切りがなく、つまり、それらは外周全体にわたって連続しており、炉床２は導電材料でできており、外郭１は金属製である。金属製であり区切られた、よって磁場を通す炉床２を使用することもできる。

るつぼの頂部は、対をなすカソードプラズマトーチ５とアノードプラズマトーチ６が取り付けられた天井３と、溶融材料が投入される開口９と、処理すべき廃棄物のための開口１０とによって形成されている。燃焼ガスは、冷却るつぼ１の頂部付近にある開口１１から、後続の処理のために排出される。一つの変形では、開口１１は天井３に配設されてもよい。
るつぼの内側の金属面は、薄いセラミックタイプの層で覆われていてもよい。

当該実施形態では、インダクタ４は炉床の下に配置され、少なくとも一の平らな巻き線を含む。
上述した実施形態で、るつぼ、特に外郭１と炉床２は、インダクタ４を中心とした円形であるが、他の形状、特に楕円形であってもよい。この特定の実施形態では、インダクタ４は必ずしもプラズマトーチ５及び６の直ぐ下にある必要はなく、炉内の２つの領域に優先度を与える、つまり一方をプラズマトーチによる酸化性雰囲気で熱くし、もう一方を例えば揮発性材料の連続的リサイクルに適した、低めの温度にするために、横方向にずれていてもよい。

ここに記載した好適な実施形態では、プラズマは、対をなす２つのプラズマトーチを備えたシステムを用いて発生されるが、単一の移行型アークタイプ又はブローンアークタイプのシステム等、単一のトーチシステムによって発生されてもよい。
プラズマトーチ５及び６は、適切な電気分極を受けると、一方がアノードとして、もう一方がカソードとして、対をなして作動するように設計されている。双方とも冷却された金属電極からなり、該電極は、該電極を酸化から保護するソースプラズマ発生ガスが供給される第一の内側スリーブと、プラズマ発生クラッディングガスが供給される第二の外側スリーブによって囲まれている。この場合、プラズマ発生クラッディングガスは酸素である。トーチは、天井３の壁を貫通して取り付けられたボールジョイント１２及び１３上に取り付けられているので、るつぼ内で自由に移動でき、トーチ同士の距離が調節できる。任意の機械装置、例えば調節スクリューも使用されてよく、これは、垂直方向に（又はほぼ垂直方向に）スライドして溶融材料の表面に近付けたり離したりすることによって、るつぼ内でのプラズマトーチ５及び６の深さを変更するためのものである。当然であるが、トーチ５及び６のこういった移動が可能であることによって、中間アークの形状及び位置を調節する手段が有利に提供される。

電気アークは、２つのトーチ５及び６間で、高圧及び高周波放電によって発生される。その後、軌道１５に沿って溶融材料を通って、或いは軌道１４に沿って空中だけを通って維持されてよい。これらは、トーチ５及び６の互いに対する幾何学的位置であり、アークの電気的パラメータであり、それらの作動モードの一つを起こさせるために使用できるプラズマ発生ガス流である。アーク電流が溶融材料を循環する場合、溶融を強く助長するが、空中だけを通る場合、プラズマはその化学的機能のためにだけ使用される。

該機器を始動させ、るつぼ内の材料が溶融を開始するように、トーチ５及び６を該材料に十分近付ける。少量の材料が溶融し導電性になったらすぐに、溶融槽がより早く広がるように、アーク電流が該槽を通過するようにパラメータを適合させる。可能であれば、形成された槽の大きさに応じて、高周波電流がインダクタ４に印加され、直接誘導による材料の溶融が代わりに行われてもよい。

ひいては、両方の加熱モードが、応用例に応じて一緒に又は別個に用いられる。ガラス質マトリックスの精練段階の間、例えばキャスティングの前に、まさに槽上の雰囲気がそれほど酸化性ではない期間があるかのように、プラズマが必要でない場合もある。２つの加熱モードを連続的に使用することで、酸化還元電位を与える金属相の形成を抑える試みがなされる。この酸化還元電位は、封じ込めるべき何らかの物質の揮発度を増加し得るものである。

以下に、本発明の好適な実施形態によってもたらされる利点を説明する。
−溶融すべき材料の状態（導電性であるか否か）に関わらず、アークプラズマで始動する。
−溶融材料に浸漬される集電用対極が不要（汚染及び消耗材料の浸漬がない）。
−当該アークモードに様々な可能性がある（空中だけを通っても、材料を一部循環してもよい）ため操作に柔軟性がある。
−単一のプラズマ柱より燃焼に適したアークプラズマ（カソードジェット及びアノードジェット）が構成される；より大きなプラズマ量、より大きな放射。

−冷たい構造に含まれていてプラズマによってのみ加熱されるガラス槽の表面での有機材料の燃焼−溶融固化への適用は、熱が壁に損失されるため、直径の小さいるつぼに限定される。さらなる加熱手段を加えることによって、本発明は、全体が冷たい構造でできた、非常に大きな溶融材料の槽を形成する手段を提供する一方で、酸素プラズマの利点（良好な燃焼）を維持し、揮発による悪影響を制限する（始動後、プラズマは溶融のためには用いられず、燃焼のためだけに用いられる）。
−上記と同じ理由で、材料の非均一な溶融と冷却壁るつぼを空にする課題が解決される。

−溶融材料の表面で酸素プラズマを適用することによって、該材料と処理する廃棄物質との間の相互作用が抑制、さらには排除される（酸化還元、包接等）。
−プロセスの２つの機能の個別制御によって、今までになかった操作柔軟性が提供されるため、各加熱手段のパラメータを変更することによって、燃焼−溶融固化サイクルの混合と、溶融固化サイクルのみ、のいずれも想定できる（異なる性質の廃棄物への適用、揮発性物質のリサイクル等）。
−また、「プラズマによる燃焼−誘導による加熱」の組み合わせによって、関連手段（メタロサーミ、サセプタ等）を用いずに、ガラス溶融を冷却ガラスるつぼで開始することが可能になる。

一例として、本発明の実験的応用例：霞石群（ＳｉＯ_２、Ｎａ_２Ｏ、Ａｌ_２０_３）のガラスによる放射性元素で汚染されたイオン交換樹脂（ＩＥＲ）の燃焼−溶融固化、を簡潔に説明する。処理されるＩＥＲは、等量の酸性アンバーライトＩＲＮ７７と塩基性アンバーライトＩＲＮ７８の混合（Ｃ＝６９％、Ｇ＝７％、Ｏ＝１４％、Ｎ＝３％の質量組成を有する）であり、５０質量％の水分を含むものである。この実験的設備はバッチ運転し；５０ｋｇの焼結ガラスが入った直径６０ｃｍのるつぼを備え、約２５ｋＷのプラズマ出力と５０ｋＷの誘導電気出力という公称条件で運転する。上述した条件下で処理される平均的な廃棄物流は、投入段階で約１０ｋｇ／ｈであり、表面に廃棄物が堆積することはなく、該廃棄物は迅速に混入される。運転時間と容量に関するこれらの値は、該実験的設備の最大限度を表すものではない。２０％を超える酸素で、樹脂は完全に燃焼される。

極少量の一酸化炭素しか発生せず、煤煙がないので、炉内には濁った煙がないことに留意されたい。得られたガラスは還元されておらず、廃棄物に含有されていた無機成分を実質的にすべて含む。

この種のプロセスはコンパクトで、廃棄物処理の段階を単純化し、装備機器の数と大きさを抑え、多くの応用例が可燃放射性廃棄物処理の分野にあるであろう。使用される加熱モードが相補的であることと二次廃棄物が少量しか発生しないことによって提供される柔軟性のおかげで、本発明は、様々なＢタイプの廃棄物（セルロース、プラスチック、ＩＥＲ、汚泥、ビチューメン、黒鉛等）の処理に確かな利点を有する。
ひいては、特別な産業廃棄物への応用も想定できる。

本発明による好適な実施形態を示す。

Claims (9)

1. るつぼ（１、２、３）と、るつぼの上部、溶融材料の表面上の少なくとも一のプラズマトーチ（５）と、るつぼの外側に、少なくとも一のインダクタ巻き線（４）を有する加熱手段とを備えた溶融固化炉であって、前記プラズマが、酸素プラズマであり、炉内に酸化性雰囲気を作り出し、前記インダクタ巻き線が、るつぼの下に設けられていることを特徴とする溶融固化炉。
2. るつぼが、耐火材料でできた炉床（２）と、炉床（２）上に垂直に配置された外郭（１）とを備え、外郭（１）が外周に沿って連続した構造であり、金属材料でできていることを特徴とする請求項１に記載の溶融固化炉。
3. 加熱手段が第二のプラズマトーチを備え、第一及び第二のプラズマトーチは互いの間にアークを生成するために電気的に分極されており、るつぼは側面に冷却外郭（１）を備えていることを特徴とする請求項１に記載の溶融固化炉。
4. トーチが、るつぼ内で移動可能であることを特徴とする請求項３に記載の溶融固化炉。
5. トーチが、垂直方向に自由にスライド可能であることを特徴とする請求項４に記載の溶融固化炉。
6. トーチが、インダクタ巻き線から横方向にずれていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の溶融固化炉。
7. 請求項１に記載の溶融固化炉を用い、酸化性雰囲気を作り出すことによって、炉の内容物に金属相が形成されることを抑制することを特徴とする溶融固化方法。
8. トーチによってのみ加熱する始動段階と、続いてトーチとインダクタ巻き線によって同時に加熱する連続作業とを含むことを特徴とする請求項７に記載の溶融固化方法。
9. 請求項８に記載の溶融固化方法において、請求項５に記載の炉を用い、前記連続作業段階のために２つのトーチが炉の内容物に近付けられることを特徴とする溶融固化方法。

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