JP4725865B2 - 廃棄物処理チャンバーにおいて用いられる改良されたプラズマトーチ - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

〔技術分野〕
本発明は、廃棄物処理装置に関するものであり、特に、廃棄物処理プラントなどでの用途に用いられる改良されたプラズマトーチに関する。

〔背景技術〕
廃棄物プラントに備えられたプラズマトーチを用いる手法によって、一般廃棄物、医療廃棄物、有害廃棄物および放射性廃棄物を含む廃棄物処理がなされることが広く知られている。

処理プラントでは、プラズマトーチによって高熱が生じるため、様々な冷却手段が必要となる。これは、プラントの一部分において、有害な影響を生じさせる過熱が生じないようにするためである。

通常プラントチャンバー壁における開口部は、冷却されることを必要とする。また、プラズマトーチの設置または除去を容易にするために、上記開口部は、上記壁の下方部分に設けられている。

プラズマトーチの外部表面を分断する間隙（gap） は、チャンバー壁の周囲から、開口部までの間に形成されている。チャンバーの内部から上記間隙を通して放射される熱による、チャンバー壁の外側の金属シェルへの熱損傷を防ぐために、通常、チャンバーの外部表面には水冷式の保護体が備えられている。上記保護体は、開口部に備えられたプラズマトーチに近接して備えられている。

処理プラントを数時間稼働させた後には、チャンバーの下方部分における内部表面の温度は、１８００Ｋ〜２１００Ｋにまで上昇する。チャンバー壁の周囲からプラズマトーチを分離する間隙があるにもかかわらず、プラズマトーチの筐体（body）は、チャンバー壁から放射される熱を吸収する。これにより、プラズマトーチの外壁の温度が上昇することとなる。その結果、処理の効率が低下する。

さらに、これにより、プラズマトーチの寿命が短くなる結果となる。プラズマトーチへの損傷を防ぐため、通常、プラズマトーチは水などの適切な冷却剤によって冷却される。この冷却剤は、通常のプラズマトーチの動作による熱だけでなく、チャンバー壁周囲から放射される熱を蓄積される熱を除去することが可能である必要がある。

上記間隙の大きさは、処理チャンバーからの熱量の損失を決定する１つの要素である。間隙を減少させると、チャンバーの外部に放射される熱量を小さくすることができる。その結果、チャンバーの外部への潜在的な損傷だけでなく、チャンバーからの熱損失を減少させることとなる。

さらに、間隙の幅に関して、温度損失はチャンバー内部と、チャンバーの冷却された外部との間の温度、および、チャンバーの冷却された外部と、プラズマトーチの外部表面との間における温度に非常に依存する。

プラズマトーチの操作に関し、プラズマを形成するガスとして空気を用いた場合、他の問題が生じる。高温のプラズマジェットを製造するために用いることができるガスとして、空気は最も低コストなガスであるが、空気を使用することによって、プラズマトーチの金属成分が高温で酸化されるため、プラズマトーチの寿命がより短くなってしまうこととなる。

プラズマトーチのプラズマ形成ガスとして、空気が用いられると大量の高温の酸化気体がチャンバーに流入する。しかしながら、空気は大部分が窒素から構成されており、窒素によって、製品ガスは希釈され、多量の発熱量を達成する能力が低下されることとなる。

それゆえ、蒸気は酸化気体に添加するガスとして頻繁に用いられる。しかしながら、プラズマトーチ内でプラズマ形成ガスとして蒸気を用いることは問題であるので、一般的に、蒸気は低温にてチャンバーに供給される。

処理後の廃棄物である酸化有機物において、酸化を補助するための酸化剤の温度が低い場合、酸化剤の注入口付近の部分が冷却される可能性があり、チャンバーを経由する廃棄物の挙動に異常が生じる可能性がある。

これらの異常は、チャンバーの下方において更に大きな問題を引き起こす可能性がある。例えば、チャンバー内で固形物が生じる結果、橋状の閉塞物が形成され、架橋物が形成されるなどのシャフトにおける問題ばかりでなく、装置の詰まり、溶融物質の粘度が増加するなどの問題が生じ得る。

米国特許第５，６９５，６６２号には、鋼鉄の厚いプレート、亜鉛メッキされた金属の薄いプレートなどのカットシート金属が用いられたプラズマアークトーチが開示されている。

金属が切断される前に、貫通（piercing）が行なわれると、溶融金属は、トーチの上方に飛び跳ねることとなる。これは望ましいことではない。理由としては、これにより、ノズルに詰まりが生じ、アークが不安定になるからである。アークが不安定になると、ノズルの寿命を減少させ、さらにはノズルが破壊される可能性がある。

そこで、米国特許５，６９５，６６２号には、低温のガス層を形成するために、ノズルの周囲に酸素濃度の高い第２のガスを高い流速で供給することが開示されている。この低温のガス層は、飛び跳ねた溶融金属から製品に近接するノズルおよびその他のトーチの構成部材を保護するための保護体として用いられる。

さらに、酸素が高濃度である第二のガスの混合気体を用いることによって、その他のガスの混合気体を用いたトーチよりも金属に、より異物を生じさせず、深い金属の貫通をなすことができる。上記第二のガスは、トーチの上端に誘導され、トーチの筐体（body）からノズルの方向へと移動する。さらに、第二のガスは、偏心スリットアレイを有する（an array of off-center slits）リングを通過し、流束に回転運動が加わる。そして、第二のガスは、プラズマアークに直接近接して、回転した状態でトーチから抜け出る。

しかしながら、プラズマカッターは、通常、閉鎖された熱放射環境には、配置されていない。そのため、プラズマトーチの外部表面における外部への熱放射が原因となる悪影響は生じない。すなわち、米国特許５，６９５，６６２号は、プラズマトーチの縦長の外部表面を冷却するための手法に関連するものではない。

米国特許第３，９４９，１８８号には、陰極棒と、同軸にある２つの環状筐体を有するアークトランスファートーチが開示されている。不活性なガスは、陰極棒と第一の環状筐体との間にある環状の空間に供給され、陰極棒と切断された金属片との間にアークが形成される。活性なガスは、第一および第二の筐体間にある環状の空間に供給される。そして、高温に加熱された活性なガスによって、プラズマが構成される。米国特許第３，９４９，１８８号によれば、不活性なガスの流速が、所定の臨界点を下回ると、第二の筐体が備えるノズルの開口部における熱損失が減少することとなる。

米国特許第３，９４９，１８８号は、全くプラズマトーチの縦長の外部表面を冷却するための手法に関連するものではなく、供給される冷却水によって、第二の環状筐体のノズルを冷却する手法に関連するだけのものである。

米国特許第５，５１４，８４８号には、円筒対称性を有するプラズマトーチが開示されている。

陰極および陽極の間の内部経路には、絞りが含まれるよう形成されている。上記絞りとは、陰極端にプラスマガスの流れが導入されるよう促進するものである。上記特許の発明者らによると、上記絞りによって、アークの長さを増加させることができる。一方、入力された電源の電圧比に対する低いアンペアを許容することとなる。

陰極アッセンブリと陽極との間のトーチ部分は、同軸円筒によって囲まれている。上記同軸円筒は、冷却液が通される冷却チャンバーを形成している。この冷却液は、トーチの底部（陽極）の端部にある注入口から冷却チャンバーに入り、チャンバーの頂部（陰極）にある排出口から排出される。また、上記トーチ部分は円運動している。

〔発明の開示〕
それゆえ、本発明の目的は、従来のプラズマトーチ装置の限界を克服するプラズマトーチ装置を提供することである。

また、本発明の他の目的は、プラズマ廃棄物の処理プラントの処理チャンバーに対し、予熱された酸化媒体を導入する装置を供給することである。さらに、本発明の他の目的としては、プラズマ廃棄物の処理プラントでの熱損失を最小限に抑える装置を供給することにある。本発明の他の目的および利点は、明細書の記載によって、さらに明らかとなるであろう。

本発明は、廃棄物処理チャンバーの壁における開口部へ挿入されるプラズマトーチにおいて、上記廃棄物処理チャンバーは、その下方部分に溶融金属を移動させるための少なくとも１箇所の液体排出口を有しており、上記プラズマトーチは、筐体を有し、上記筐体は、前部、後端、縦長の外部表面、高温プラズマジェットを排出させる排出口および耐熱リングを有し、上記排出口および耐熱リングの両方は、上記前部に配置されており、上記プラズマトーチは、上端および下端を有する同軸胴枠を備えており、上記同軸胴枠は、開口部に配置されているプラズマトーチの上記外部表面の少なくとも一部を囲われていることによって、プラズマトーチの縦長の外部表面および同軸胴枠の内部表面の間に、断熱室が形成されているプラズマトーチに係るものである。

また、上記プラズマトーチでは、上記プラズマトーチが上記開口部へ挿入されており、上記廃棄物処理チャンバーの壁および同軸胴枠の間において、間隙が形成されていることによって、上記同軸胴枠および断熱室は、廃棄物処理チャンバーの壁から、および、廃棄物処理チャンバーの内部から放射される多量の熱からプラズマトーチの外部表面が保護される構成とできる。上記開口部に配置された同軸胴枠の少なくとも一部は、熱交換流体に対し、少なくとも多孔性または浸透性を有し、プラズマトーチは断熱室へ熱交換流体を導入する注入口を備える。

また、上記プラズマトーチにおいて、上記熱交換流体は、上記注入口から断熱室へ導入され、上記熱交換流体は、断熱室から、多孔性のまたは浸透性を有する部分を通過するものであることによって、廃棄物処理チャンバーの壁から、および、廃棄物処理チャンバーの内部から放射される熱が吸収され、プラズマトーチおよび上記間隙の外部へ吸収された熱が移動される構成とできる。

また、上記プラズマトーチは、上記同軸胴枠の上端を連結させるため、前部および後端の間に配置された溝状間隙部材を備える。

また、上記プラズマトーチでは、プラズマトーチの外部表面の少なくとも一部が、半径方向内側に凹部を有しており、上記同軸胴枠の下端は耐熱リングに接触しており、上記同軸胴枠の上端は上記外部表面の凹部でない部分を塞いでいることによって、上記断熱室が形成されている構成とできる。

また、同軸胴枠の上端によって、プラズマトーチの外部表面または溝状間隙部材が塞がれており、半田付け、溶接、および、グラスウールシールの使用からなる群から選ばれる手法によって、耐熱リングが同軸胴枠の下端によって塞がれている構成ともできる。

同軸胴枠の下端が、耐熱リングに近接しているが、耐熱リングを塞いでいないことによって、上記熱交換流体の少なくとも一部が同軸胴枠の下端および耐熱リングの間を通過する構成とすることができる。

また、本発明のプラズマトーチでは、上記耐熱リングとしては、水冷式であることが最適である。

また、本発明のプラズマトーチでは、上記同軸胴枠によって囲まれるプラズマトーチの断熱室の内径に対する同軸胴枠の外径の比率は、１．０１〜１．５の範囲内であることが好ましい。

また、上記廃棄物処理チャンバーの外側へ延びる同軸胴枠の一部分において、同軸胴枠に熱交換流体を導入する注入口が形成されていてもよい。それに代えて、上記注入口は、上記後端から上記プラズマトーチの筐体内に形成されている構成であってもよい。さらにはそれに代えて、上記注入口は、上記外部表面からプラズマトーチの筐体を通過するよう形成されていてもよい。

本発明のプラズマトーチでは、上記熱交換流体は、熱を吸収可能であり、プラズマトーチおよび間隙の外部へ上記熱を排出することができるものであってもよい。

また、本発明のプラズマトーチでは、上記熱交換流体は、酸素を豊富に含むガスであり、上記、空気、酸素、二酸化炭素、および、これらの混合物からなる群から選ばれるガスであってもよい。

また、本発明のプラズマトーチでは、プラズマトーチの排出口の断面積に対するプラズマトーチの前部における間隙の断面積の比率は、０．５〜２０の範囲内であることが好ましい。

また、本発明のプラズマトーチでは、プラズマ形成ガスとして窒素豊富なガスが用いられることが好ましい。

また、本発明のプラズマトーチでは、上記同軸胴枠は、ステンレス鋼、セラミック、合金、および、これらの混合物からなる群から選ばれる高耐熱材料を材料とすることが好ましい。

また、本発明のプラズマトーチでは、廃棄物処理チャンバーの下方部分において配置された、液体スラグが排出されるための液体排出口の中心軸を含む水平面へのプラズマトーチの前部における間隙から最小の垂直方向の距離に対するプラズマトーチが有する出力端の直径の比率が、０．０２〜０．３の範囲内であることが好ましい。

〔発明を実施するための最良の形態〕
文言‘廃棄物の変換装置／処理装置／プラント’は、一般廃棄物（ＭＳＷ）、家庭廃棄物、産業廃棄物、医療廃棄物、下水汚泥廃棄物（ＳＳＷ）、放射性廃棄物および他の廃棄物を、特にプラズマ処理による手法によって、取り扱う、処理するまたは廃棄するどのような装置をも含む。

文言‘多孔性の’または‘浸透性を有する’とは、流体が浸透または透過可能な、膜組織（membrane）または材料を含むことを意味する。上記材料は、微細孔、空孔または隙間を有するものである。本発明は、処理プラント内において、電熱材料として用いることのできるプラズマトーチ装置に係るものであり、例えば、金属処理または廃棄物処理に用いられる高炉を含む。

図１に図示するように、図番１００で示された、典型的なプラズマ廃棄物処理プラントは、処理チャンバー（１０）を備えている。通常、廃棄物は、処理チャンバー（１０）の立坑の上方に位置する装填室（３２）に装填され、処理チャンバー（１０）内部に空気が入ることを妨げるシャッター部材（２４）を通過する。

処理チャンバー（１０）は、装填室（３２）に近接している乾燥帯（１５）を備えている。乾燥帯（１５）は、廃棄物の水分を減少させ、廃棄物を部分的に軟化させるものである。乾燥帯（１５）の下流には、熱分解帯（２６）が位置している。熱分解帯（２６）では廃棄物が乾燥される、運転条件および時間量によって、生じる熱分解ガス、熱分解油および炭化物の量は変化する。気化帯（２８）は、炭化物と、酸素、蒸気または二酸化炭素とを相互作用させる部分である。融解帯（３８）は、廃棄物の無機成分が、少なくともプラズマトーチ（４０）によって融解される部分である。溶融金属は、処理チャンバー（１０）の下方部分に蓄積され、周期的にまたは継続的に少なくとも１箇所の液体排出口（２０）から排出される。液体排出口（２０）は、１または複数の収集容器（図示せず）に連結している。

酸化材料は、注入口（１６）から気化帯（２８）に直接供給されることができる。処理チャンバー（１０）は、その上方に製品ガスを排出するためのガス排出口（１８）を少なくとも１箇所備えている。

また、処理チャンバー（１０）の内部表面（１４）の特に融解帯（３８）に該当する部分には、例えば、アルミナ、アルミナ−シリカ、マグネサイト、マンガンクロム、シャモットまたは耐火煉瓦などの難燃性物質が裏打ちされていることが一般的である。一般的に、処理チャンバー（１０）およびプラズマ廃棄物処理プラント（１００）は、全体的に、金属シェル（１２）または鋳物によって覆われている。これにより、処理チャンバー（１０）およびプラズマ廃棄物処理プラント（１００）は、機械的完全性が改善され、処理チャンバー（１０）を外部環境に対し密封された状態とすることができる。

プラズマトーチ（４０）を融解帯（３８）に導入する開口部（１１）は、処理チャンバー（４０）の下方部分に位置している。開口部（１１）の直径は、プラズマトーチ（４０）の外周よりも大きい。プラズマトーチ（４０）および処理チャンバー（１０）の間が、間隙（３６）となる。

処理チャンバー（１０）の内側から間隙（３６）を通る熱放射が原因となる、処理チャンバー（１０）の金属シェル（１２）の外側への熱損失を回避するために、上部保護板（２２）が、処理チャンバー（１０）の外部に備えられている。上部保護板（２２）は通常水冷式であり、処理チャンバー（１０）の外側に備えられている。上部保護板（２２）は、プラズマトーチ（４０）を近接して覆っており、さらに、金属シェル（１２）を囲う部分を覆っている。

従来のプラズマトーチ（４０）は、一般的に円筒対称性を有しており、上述した構成を有するものである。基本的には、プラズマトーチ（４０）に本発明における記載に従って、必要な変更を加えて利用することが可能である。

従来技術に係る電気アークプラズマトーチ（４０）は、図２に示す長軸方向の断面図として、模式的に示される。プラズマトーチ（４０）は、廃棄物の無機成分を溶融およびガラス質にし、処理チャンバー（１０）内部の温度状態を制御するためのエネルギー源としての機能を果すシステムである。

プラズマトーチ（４０）は、排出口（７０）を有するトーチ筐体（４０）の内側に位置する中央経路（４２）を通常有している。排出口（７０）は、トーチ筐体（４０）の前部（４３）に配置されている。

陰極および陽極は、それぞれ中央経路（４２）における反対端（４６），（４８）に配置されている。陰極および陽極は、電気絶縁体（５１）によってそれそれ分離されている。電気アークは、これらの２つの電極間で形成される。通常、必須ではないが、陽極は中央経路（４２）の下端に、陰極は中央経路（４２）の上端（４８）に配置されている。

中央経路（４２）へプラズマ形成ガスを導入するためのガス注入パイプ（６０）は、中央経路（４２）の上端（４８）に近接して配置されている。中央経路（４２）における陰極および陽極間の電界によって、プラズマ形成ガスの原子がイオン化され、排出口（７０）の方向へ流れ、排出されるプラズマまたは高温、高速度のジェットが生じる。

陰極、陽極およびこれらに接続される配線の詳細な特性については、図示されていないが、先行技術に開示された具体例から上記詳細な特性を知ることが可能である。溝付通路（５０）は、プラズマトーチ（４０）の中央経路（４２）および外部表面（４１）の間に位置する。そして、稼働中の高温となったプラズマトーチ（４０）を冷却するために、冷却水が溝付通路（５０）を流れる構成となっている。

図３は、本発明に係るプラズマトーチ（１４０）の好ましい一実施形態を示す長軸方向の断面図である。プラズマトーチ（１４０）は、処理チャンバー（１０）の下方部分に挿入されている。

プラズマトーチ（１４０）は、前部（１４３）および後端（１４５）を含む。前部（１４３）は、処理チャンバー（１０）の内側に向かう形状となっており、開口部（１１）内に位置している。さらに、後端（１４５）は、処理チャンバー（１０）の外部に突き出る形状となっている。

上記の好ましい実施の形態によれば、プラズマトーチ（１４０）が、開口部（１１）と通して全体的に挿入されると、前部（１４３）は、処理チャンバー（１０）の下方部分の内部表面（１４）に対し、平行にならざるを得ない。その代わり、プラズマトーチ（１４０）が開口部に挿入されると、前部（１４３）が、融解帯（３８）に届くことが可能である。

上記好適な実施形態によれば、半径方向内側に凹部を有する開口部（１１）内に位置する、プラズマトーチ（１４０）の外部表面（１４１）の少なくとも一部において、少なくとも凹部（４１’）が備えられている。凹部（４１’）は、プラズマトーチ（１４０）の外部表面（１４１）に備えられており、プラズマトーチ（１４０）の他の部分よりも小さな直径を有している。

図３に示すように、処理チャンバー（１０）の外側に突出するプラズマトーチ（１４０）の一部である前部（１４３）の近接部から長軸方向へ延びるように凹部（４１’）が形成されている。耐熱リング部材（２１）は、プラズマトーチ（１４０）の前部（１４３）を囲っており、一体として構成されている。

凹部は、同軸胴枠（５２）によって囲まれることによって、断熱室（５４）が形成されている。プラズマトーチ（１４０）の一部を囲っている同軸胴枠（５２）の少なくとも一部分（５６）は、処理チャンバー（１０）の開口部（１１）に配置されており、多孔性のまたは浸透性を有する材料から構成される。

開口部（１１）に配置されている同軸胴枠（５２）の少なくとも一部は、高耐熱材料を材料としていることが好ましい。高耐熱材料としては、例えば、ニッケル合金、ステンレス鋼、セラミック材料およびこれらを併用したものが挙げられる。

図４に示される本発明に係る他の実施形態によると、耐熱リング部材（２１）は、プラズマトーチ（１４０）の外部表面（１４１）における前部（１４３）を完全に囲っている。そして、溝状間隙部材（１９）は、前部（１４３）および後端（１４５）の間に配置されている。耐熱リング部材（２１）および溝状間隙部材（１９）の間にあるプラズマトーチの外部表面（１４１）周囲には、同軸胴枠（５２）が実装されている。

上記の好適な実施形態によれば、開口部（１１）に配置される同軸胴枠（５２）の少なくとも一部は、グラスウールシールのような高耐熱材料（６２）によって塞がれる。

他の実施例によれば、開口部（１１）内に配置されている同軸胴枠（５２）の一部は、耐熱リング部材（２１）に接触している。しかし、塞がれていない部分には、同軸胴枠（５２）および耐熱リング部材（２１）の間を流れる熱交換流体が流れる可能性がある。同軸胴枠（５２）の少なくとも上部は、半田付けまたは溶接されることによって、少なくとも溝状間隙部材（１９）の方へ塞がれる（sealed）。任意で、溝状間隙部材（１９）は、水冷される構成であってもよい。

熱交換流体は、断熱室（５４）に導入される。その結果、熱交換流体の環状リング（annular ring）がプラズマトーチ（１４０）の少なくとも一部を囲うこととなる。

熱交換流体は、同軸胴枠（５２）の多孔性のまたは浸透性を有する一部分（５６）から、間隙（３６）へと通過する。間隙（３６）には、処理チャンバー（１０）の壁の周囲から放射される熱量の少なくとも一部を吸収する媒体がある。このため、熱交換流体によって、プラズマトーチから移動する熱量を移動させ、熱損失を減少させることができる。ある実施の形態によれば、熱交換流体は、耐熱リング部材（２１）から同軸胴枠（５２）を分けるさらに小さな領域を通る構成とできる。

熱吸収に従い、熱交換流体が、処理チャンバー（１０）の融解帯（３８）を流れ、熱交換流体に含まれる廃棄物と作用する。更に、熱交換流体は、立坑を進み、ガス排気口（１８）と通り排気される（図１を参照）。

本発明に係る第一の実施の形態によれば、断熱室（５４）へ熱交換流体を導入する注入口（５８）は、炉（１００）から突き出した同軸胴枠（５２）の一部分に配置されている。他の実施の形態（図示していない）では、断熱室（５４）に導入された熱交換流体は、中央経路（１４２）へ処理ガスが供給されるために用いられる注入口（１６０）と同様に、上端（５４）からプラズマトーチ（１４０）の筐体内部を通る注入口を通過する。その代わりに、注入口は、同軸胴枠の上部にある外部表面（１４１）からプラズマトーチ（１４０）の筐体を通じている。熱交換流体は、断熱室（５４）に導入され、断熱室（５４）の何れの箇所になされてもよい。

発明者らは、熱交換流体、その流速および処理プラント（１００）の熱条件が本発明に依存することを見出した。また、同軸胴枠（５２）によって囲まれるプラズマトーチ（１４０）の断熱室（５４）の内径に対する同軸胴枠（５２）の外径の最適な比率は、１．０１〜１．５の範囲内であることが好ましい。

ここで、留意すべき重要な点は、断熱室（５４）へ熱交換流体を導入することなく、同軸胴枠（５２）によって、処理チャンバー（１０）からプラズマトーチ（１４０）の外部表面（１４１）を分離させることによって、プラズマトーチ（１４０）は、処理チャンバー（１０）から放射された熱の約５０％を吸収することである。

本発明において用いられる熱交換流体は、熱を吸収することができ、プラズマトーチ（１４０）および間隙（３６）の外部へ熱を排出することができればどのような流体であっても好ましく用いられる。

以下に述べる理由から、流体としては、例えば、蒸気、空気、酸素、二酸化炭素またはこれらの混合物、好ましくは酸素を豊富に含むガスが用いられる。

まず、処理プラント（１００）に基づくプラズマトーチの操作に関連して議論された問題であり、処理プラント（１００）において有機物質を酸化させる酸化剤が、装置の詰まりおよびチャンバーの下方部分において、溶融金属の粘度が増加することを実際に引き起こす可能性がある。その理由としては、シャフトにおける架橋物と同様に、処理チャンバー（１０）の内側よりも通常温度が低い酸化作用のある流体が、流体に近接する廃棄物の領域を冷却することが挙げられる。この問題は、処理チャンバー（１０）において、廃棄物と接触する前の酸化剤を予熱することによって、軽減される。

そのため、本発明では、熱交換流体は、処理チャンバー（１０）において、廃棄物の有機物の酸化を補助できる流体であることが好ましい。熱交換流体が、同軸胴枠（５２）を通過し、間隙（３６）に移動後、同軸胴枠（５２）に入ってきたときよりも高温な処理チャンバー（１０）の融解帯（３８）に入った媒体は、放射熱を吸収する。そして、熱交換流体は、シャフトに注ぎ、排出口（１８）を通り排出される。気化帯では、熱交換流体および廃棄物が炭素組成物（炭化物）と反応する。本発明は、処理チャンバーに予熱された酸化物を供給する方法および装置を提供する。

たとえ、処理チャンバー（１０）の気化帯（２８）において、酸化剤注入口（１６）を増加させることが必要だとしても（図１参照）、酸化剤としての役割も果す熱交換流体を排除することはできない。

上記熱交換流体は、プラズマトーチ（１４０）に近接する処理チャンバー（１０）へ導入される酸化剤注入口（１６）を通して、大量の冷却された酸化剤が導入される必要量を減少させる。そして、酸化剤注入口（１６）を通して、より緩やかな比率で、酸化剤を流入させる。その結果、シャフトにおける詰まりおよび架橋物の発生を妨げるまたは少なくとも大幅に減少させることができる。

プラズマトーチ（１４０）の寿命に影響を与える一つの要素として、稼動中に用いられるプラズマ形成ガスの種類が挙げられる。プラズマ形成ガスとしては、ハロゲン、メタン、アルゴンおよびその他のガスを用いることができるが、空気は、最も低コストなプラズマ形成ガスとして用いることができる。

ここで、プラズマトーチ（１４０）を構成する金属部材が高温で酸化されるため、不都合なことに、酸素の含有量が多量の場合には、プラズマトーチ（１４０）の耐用年数が短くなってしまう。例えば、酸素濃度が低いガスとして窒素豊富なガスを用いた場合、酸素の比率を減少させることができ、その結果、プラズマトーチ（１４０）の耐用年数を増加させることができる。

一実施の形態によれば、窒素豊富なガスと、酸素豊富なガスとは別途供給され、窒素豊富なガスは、注入口（１６０）を通りプラズマトーチ（１４０）へと供給される。そして、プラズマ形成ガスとして用いられる。酸素豊富なガスは、注入口（５８）を通り断熱室（５４）へ供給され、上述した熱交換流体としての役割を果す。

処理チャンバー（１０）の内部表面（１４）の難燃性物質は、プラズマトーチ（１４０）から排出される高温プラズマジェット（３９）（通常、２５００〜７０００Ｋの範囲内）によって、高温に到達するため、損傷を受ける可能性がある。そのため、上記難燃性物質は、処理チャンバーの壁における温度を低下させることができるものであることが好ましい。

本発明によれば、熱交換流体の速度が調整されることによって、上記壁面での温度低下を達成する。すなわち、後述するように、処理チャンバー（１０）内に熱交換流体が入る結果、高温プラズマジェット（３９）未満の速度となる。

これらの条件では、高温プラズマジェット（３９）は、溶融金属の表面に到達することとなる。そして、廃棄物の無機成分を溶融する。また、熱交換流体のほとんどは、耐熱物質の上表面（１４）を流れることとなる。そのため、内部表面（１４）の少なくとも一部を、溶融金属によって放射された熱から内部表面を断熱することができる。

間隙（３６）の断面積を増加させると、処理チャンバー（１０）に入る熱交換流体の速度を減少させることができるが、間隙（３６）の断面積の増加は、熱損失を大きくすることとなる。そのため、所望の冷却効果と熱損失を防ぐ必要性とのバランスを調整する必要がある。用いられる熱交換流体と、処理プラント（１００）の耐熱性が関連することが本発明者らによって見出され、プラズマトーチ（１４０）の中央経路（１４２）の排出口（１７０）の断面積に対する、プラズマトーチ（１４０）の前部（１４３）における間隙（３６）の断面積の比率は、好ましくは、０．５〜２０である。

図５を参照すると、用いられた熱交換流体および処理プラント（１００）が、本発明にさらに影響を及ぼすことが本発明者らによって明らかとなった。

処理チャンバー（１０）の下方部分において配置される液体排出口（２０）の中心軸（２５）を含む水平面（２３）の方向へのプラズマトーチ（１４０）の前部（１４３）における間隙（３６）から最小の垂直方向の距離（Ｌ）に対する中央経路（１４２）の排出口（１７０）の直径の最適な比率は、好ましくは、０．０２〜０．３の範囲内である。この比率を用いることによって、処理チャンバー（１０）の下方部分へ流れる熱交換流体による融解物が冷却されることを防止することができる。

本発明に係るプラズマトーチは、処理プラントの特有の設計において、廃棄物の処理の関するものである。本発明に係るプラズマトーチの特徴は、高温環境下において、その他の応用例および加熱されざるを得ない材料で設計された処理チャンバーに、必要な変更を加えて適用することが容易に可能である。

上記のように本発明に係るいくつかの実施の形態を説明したが、本発明は、本発明の技術常識に基づき、上記の実施の形態に限定して解釈されるべきではない。また、本発明の観点および精神を離れることなく、形式上および詳細について、様々に変更して実施することができるものである。

従来の典型的な廃棄物プラズマ処理装置に係る主要部材の一般的な配置を示す概略図である。 従来の典型的なプラズマトーチに係る長軸方向の概略的断面図である。 本発明の一実施形態に係るプラズマトーチの長軸方向の概略的断面図であり、処理チャンバーの下方部分には開口部が形成されている。 本発明の一実施形態に係るプラズマトーチの長軸方向の概略的断面図であり、処理チャンバーの下方部分には開口部が形成されている。 本発明に係るプラズマトーチ装置の大きさの一例を示す概略図である。

Claims (17)

1. 廃棄物処理チャンバーの壁における開口部へ挿入されるプラズマトーチにおいて、
   上記廃棄物処理チャンバーは、その下方部分に溶融金属を移動させるための少なくとも１箇所の液体排出口を有しており、
   上記プラズマトーチは、筐体を有し、
   上記筐体は、前部、後端、縦長の外部表面、高温プラズマジェットを排出させる排出口および耐熱リングを有し、
   上記排出口および耐熱リングの両方は、上記前部に配置されており、
   上記プラズマトーチは、上端および下端を有する同軸胴枠を備えており、
   上記同軸胴枠は、廃棄物処理チャンバーの壁における開口部に配置されているプラズマトーチの上記外部表面の少なくとも一部を囲っていることによって、プラズマトーチの縦長の外部表面および同軸胴枠の内部表面の間に、断熱室が形成されており、
   当該プラズマトーチは、断熱室へ熱交換流体を導入するための注入口をさらに有し、
   廃棄物処理チャンバーの壁における上記開口部に配置されたプラズマトーチの縦長の外部表面の少なくとも一部を囲う同軸胴枠の外部表面の少なくとも一部は、熱交換流体に対して多孔性または浸透性を有し、
   廃棄物処理チャンバーの壁における開口部へ当該プラズマトーチが挿入されているとき、開口部における上記廃棄物処理チャンバーの壁と、上記開口部に配置された、同軸胴枠の外部表面の一部との間に間隙が存在し、
   多孔性または浸透性を有する上記外部表面の一部が上記断熱室と上記間隙との間に配置されていることにより、上記断熱室から上記間隙へ上記熱交換流体が移動することが可能であることを特徴とするプラズマトーチ。
2. 稼動中の当該プラズマトーチにおいて、
   上記熱交換流体は、上記注入口から断熱室へ導入され、
   上記熱交換流体は、断熱室から上記間隙へ多孔性のまたは浸透性を有する部分を通過するものであることによって、廃棄物処理チャンバーの壁から、および、廃棄物処理チャンバーの内部から放射される熱が吸収され、プラズマトーチおよび上記間隙の外部へ吸収された熱が移動されることを特徴とする請求項１に記載のプラズマトーチ。
3. 上記同軸胴枠の上端を当該プラズマトーチの筐体に連結させるため、前部および後端の間に配置された溝状間隙部材を備えることを特徴とする請求項１に記載のプラズマトーチ。
4. プラズマトーチの外部表面の少なくとも一部が、半径方向内側に凹部を有しており、
   上記同軸胴枠の下端は耐熱リングに接触しており、
   上記同軸胴枠の上端は上記外部表面の凹部でない部分を塞いでいることによって、上記断熱室が形成されていることを特徴とする請求項３に記載のプラズマトーチ。
5. 同軸胴枠の上端によって、プラズマトーチの外部表面または溝状間隙部材が塞がれており、
   ａ．半田付け、ｂ．溶接、および、ｃ．グラスウールシールの使用からなる群から選ばれる手法によって、耐熱リングが同軸胴枠の下端によって塞がれていることを特徴とする請求項４に記載のプラズマトーチ。
6. 同軸胴枠の上端によって、プラズマトーチの外部表面または溝状間隙部材が塞がれており、
   同軸胴枠の下端が、耐熱リングに近接しているが、耐熱リングを塞いでいないことによって、同軸胴枠の下端および耐熱リングの間に空間が形成され、上記熱交換流体の少なくとも一部が上記空間を通過することを特徴とする請求項４に記載のプラズマトーチ。
7. 上記耐熱リングが水冷式であることを特徴とする請求項１に記載のプラズマトーチ。
8. 上記同軸胴枠によって囲まれるプラズマトーチの断熱室の内径に対する同軸胴枠の外径の比率が、１．０１〜１．５の範囲内であることを特徴とする請求項１に記載のプラズマトーチ。
9. 上記廃棄物処理チャンバーの外側へ延びる同軸胴枠の一部分において、上記注入口が配置されていることを特徴とする請求項１に記載のプラズマトーチ。
10. 上記注入口は、上記筐体の後端から上記プラズマトーチの筐体内に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のプラズマトーチ。
11. 上記注入口は、当該プラズマトーチの上記縦長の外部表面から上記断熱室へプラズマトーチの筐体を通過するよう形成されていることを特徴とする請求項１に記載のプラズマトーチ。
12. 上記熱交換流体は、熱を吸収可能であり、プラズマトーチおよび間隙の外部へ上記熱を排出することができることを特徴とする請求項１に記載のプラズマトーチ。
13. 上記熱交換流体は、酸素を豊富に含むガスであり、
    ａ．蒸気、ｂ．空気、ｃ．酸素、ｄ．二酸化炭素、および、ｅ．これらの混合物からなる群から選ばれるガスであることを特徴とする請求項１２に記載のプラズマトーチ。
14. 当該プラズマトーチの前部における排出口の断面積に対するプラズマトーチの前部における間隙の断面積の比率が、０．５〜２０の範囲内であることを特徴とする請求項１に記載のプラズマトーチ。
15. プラズマ形成ガスとして窒素豊富なガスが用いられることを特徴とする請求項１に記載のプラズマトーチ。
16. 上記同軸胴枠は、ａ．ステンレス鋼、ｂ．セラミック、および、ｃ．合金、からなる群から選ばれる高耐熱材料を材料とすることを特徴とする請求項１に記載のプラズマトーチ。
17. 廃棄物処理チャンバーの下方部分において配置された液体排出口の中心軸を含む水平面へのプラズマトーチの前部における間隙から最小の垂直方向の距離に対するプラズマトーチが有する前部における排出口の直径の比率が、０．０２〜０．３の範囲内であることを特徴とする請求項１に記載のプラズマトーチ。

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