JPH05506536A - プラズマガスとして水蒸気を用いるプラズマトロンおよびプラズマトロンの安定な操作方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 プラズマガスとして水蒸気を用いるプラズマトロンおよびプラズマトロンの安定 な操作方法 説明 本発明は、プラズマガスとして水蒸気をもって操作されるプラズマトロン、なら びにこの種プラズマトロンの安定な操作方法に関する。

化学的転化に関して用いられるプラズマトロンは、専らガスによって操作される が、このガスはプラズマガスとしてプラズマトロン材料に対し、化学的に不活性 なものである。プラズマ熱分解法は、たとえば水素をプラズマガスとして使用す る。

その上、様々な化学的転化および様々な動作レベル、たとえば石炭のガス化（東 独特許第２１５，３２５号、ドイツ国公開第３　３３０　７５０号、ドイツ国公 開第３　６０５　７１５号）に関して、水蒸気をプラズマガスとして使用するこ とは既に知られている。

更に、毒性廃棄生成物、特に、フッ素化炭化水素または塩素化炭化水素を含有す る廃棄生成物は、水蒸気プラズマジェットにおける化学反応によって無効にすべ きことが既に提案されて来た。

水素プラズマ雰囲気中の化学的転化の応用についての特定分野における化学プロ セスに関する試験に関連して、これらの化学プロセスは一方において水素イオン によって惹き起こされ、また他方において水蒸気プラズマの酸素イオンによって 惹き起こされるものであることか判明した。

水蒸気プラズマは、それらが比較的低温約３０００″Ｋにおいて化学的に反応性 であり、非常に励起された酸素および水素種の高い濃度を有している限り有利で あって、これはそれらが一連の転化プロセスに関して、特に適切であることを意 味している。あらゆるプラズマトロンの場合に、熱負荷が高いので熱および／ま たは化学的浸蝕に起因して、集中的な冷却を伴わない限り、有効寿命がプラズマ トロンの連続的な操作を妨げることになる。これは先ず電極に関連しているが、 それのみならずまた、ガスチャンバー、プラズマトロンのハウジング、連結片、 そして個々の構造的設計によってはまた、その他の構成部品も関係するものであ る。この種のプラズマトロンに使用される冷却液は、通常温度約２０°Ｃを有す る水である。

プラズマガスとして水蒸気を使用することによって操作されるプラズマトロンの 場合、部品における浸蝕であって、アークに対し暴露されるもの、あるいはむし ろアークと接触状態にあるものは、他のプラズマガス使用の場合に比較すると、 特に高い浸蝕を示す。従って、この高い浸蝕負荷は、特にカソードおよびアノー ドに影響を及ぼす。電極本体の比較的多量の減少は、プラズマガスとして水蒸気 によって操作されるプラズマトロンの電極の短い有効寿命を招来することになる 結果、電極の頻繁な交換を要することに起因して、連続的な操作は実用上不可能 となる。

水蒸気プラズマトロンの工業的利用に関して、他の欠点はこの種のプラズマトロ ンに特有の現象、すなわちそのプラズマトロンの操作態様における突然の操作ト ラブルが、めまぐるしく連続して発生するということである。これらのトラブル は、水蒸気流量の変動または停止、アーク長における変化、激しく変動するアー ク電圧およびアーク電流の強さ、ならびにそれからもたらされる激しく変動する プラズマエンタルピーをはっきり示している。これは、プラズマ反応装置におけ る化学的転化において、変動を生ずることになる。すなわち、それは、生成物の 品質ならびにプラズマトロンの効率を損なうことになる。これまでプラズマトロ ンの場合に通常取られている手段、すなわち冷却を強化することによって電極に おける浸蝕を減少させることは、一般に何らかの効果を示すことに失敗するか、 あるいはそれらはプラズマガスとして水蒸気により作動されるプラズマトロンの 場合に、充分な効果を示すことには少なくとも失敗して来た。

従って、本発明は、プラズマガスとして水蒸気によって操作されるプラズマトロ ンを、次のような方法で改良する課題に基づくものである。その方法は、高い温 度負荷を受けるプラズマトロン構成部品の有効寿命を長くすること、および殆ど 変動か無いか、あるいは全く変動の無いプラズマトロンの安定な操作を、運転費 用における如何なる本質的な増加をも伴わずに達成し得るというものである。

特に、遥かに高い電極浸蝕ならびに非常に不都合な操作変動に関して、他のガス プラズマとの比較における水蒸気プラズマによるプラズマトロンの場合に存在す る相違を、同一の温度プロセス条件および全ての部品、特に高い温度負荷を受け る電極についての強化された冷却に基づいて除去するものである。

本発明は付加的に、プラズマガスとして水蒸気をもって作動されるプラズマトロ ンの安定な操作を提供するという課題に基づくものであり、これは、高い温度負 荷を受けるあらゆる部品、特にプラズマトロンの電極についての強化された冷却 および別の慣用の温度プロセス条件に基づいて、高い温度負荷を受けるプラズマ トロン部品の有効寿命を増大させること、ならびにプラズマトロンの操作パラメ ータの変動を減少または回避することによって、連続的な操作を達成するために 利用し得るものである。本発明は、それによって、他のガスプラズマを使用する プラズマトロンとの比較におけるプラズマガスとして水蒸気を使用するプラズマ トロンの場合において、本質的に一層顕著な電極浸蝕および操作パラメータにお ける変動を生ずるであろう原因の排除を、他方で熱プロセス条件の如何なる不都 合な変更をも、また冷却領域における如何なる不利な変更をも伴うことなく、基 本的に目標とするものである。

本発明は、プラズマガスとして水蒸気を使用し、かつ部品、特に高い熱負荷を受 ける電極用の冷却液による冷却手段を包含するプラズマトロンの場合に、操作パ ラメータ、特に高い熱負荷を受ける部品の温度および／またはプラズマガスの凝 縮温度を制御することによって高い熱負荷を受け、その結果冷却されることにな る部品に対してはプラズマガスの凝縮を回避するという特徴に基づいて、上述の 課題を解決するものである。

本発明の好ましい実施態様によれば、プラズマトロンであって、プラズマガスと して水蒸気プラズマによって作動され、かつその場合部品、特に高い熱負荷を受 ける電極が、冷却液として少なくとも約８０″Ｃの温度の温水を使用することに よって冷却されるものを化学的転化のため、特に毒性廃棄生成物、ことに塩素化 またはフッ素化炭化水素を含有する廃棄生成物の完全な無効化のために使用する ものである。

本発明の別の実施態様によれば、プラズマトロンにおける汚染物質処理中の前記 毒性汚染物質の突破は、次のようにすることによって、更に一層有効に阻止する ことが出来る。それは本発明による温水または高温における水によって行われる 冷却を、水蒸気プラズマの凝縮温度を低下させることと組み合わせるというもの である。この目的のために、空気が好ましくは混合ガスとして用いられ、これは 水蒸気プラズマのプラズマ蒸気と混合される。

上記の課題、すなわちプラズマガスとして水蒸気を用いるプラズマトロン作業の 安定した操作のための方法であって、電極の有効寿命を増加させると共に非常に 有効な所望の化学転化との組合わせにおいて基本的に変動しない操作を許容する ものを提供するという課題を解決するために、本発明は、操作パラメータ、特に 冷却液の温度および／またはプラズマガスの組成が、少なくとも本質的に水蒸気 から成るプラズマガスの凝縮が、プラズマトロンの冷却部品上では回避されるよ うなやり方において制御されるという種類の方法を提供する。その高い熱容量お よび放熱容量に起因して、好ましくは温水が冷却液として使用されるが、前記温 水の冷却液温度は少なくとも８０°Ｃであるのが好ましい。

本発明による、プラズマトロンの温水冷却部品、特にアークによって熱的作用を 受けるアノードおよびカソードにおいて水蒸気プラズマに関する凝縮問題を減少 させる方法の別の改良は、高い温度負荷を受けるプラズマトロン部品、特に電極 を少なくとも８０°Ｃの温度を有する温水によって冷却するということを、一層 低い凝縮温度を有するガスを混合することによって、プラズマガスの凝縮温度を 低下させるということと組み合わせるという特徴に基づく、本発明による方法の 付加的な好ましい実施態様により達成するものである。好ましいのは、蒸発段階 の後、プラズマガス混合物の凝縮温度を低下させるようにプラズマ水蒸気がそれ と混合された空気を含んでいることであり、水蒸気プラズマガス粒子組成物の凝 縮温度は、たとえば８０°Ｃであるのに対し、本件の場合８０″Ｃを超える電極 温度が本発明による電極冷却により維持されるが、これは温水によって達成され るものである。

大変驚いたことには、水蒸気プラズマには典型的である非常１こ顕著な電極浸液 、そしてその結果である、これまで水蒸気プラズマトロンの連続的な操作と（ま 対立して来たプラズマ反応装置の操作態様における変動を、プラズマトロン部品 、特に高い熱負荷を受ける電極の冷却を強化するのではなく、正に逆の路を取る 、すなわち冷却を制限するという点において排除し得ると（１うこと（こなった 。電極の浸蝕ならびに操作態様における突然の操作トラブルであって、めまく゛ るしく連続して起こるもの、たとえば水蒸気流量の変動または遮断、アーク長さ １こお番する変化、顕著に変動するアーク電圧およびアーク電流強度ならび（こ その結果である変動するプラズマエンタルピーに関して、これまで存在してきた 問題（嘘、アークの影響下にある強化された冷却部品（電極）における水蒸気凝 縮物の爆発性蒸発（こよって惹き起こされるものであることとなった。発明者お よび出願人１こよって行われた試験は、凝縮によって生成された水滴のこの爆発 性蒸発力く、材料の機械的引き裂きを伴い、また液体水相ならびにアークの初期 の影響下１こお番する電極壁の化学的−物理的相互反応が電極表面にクレータ− 状の凹所をもたらし、前記凹所は将来の浸蝕にとって好ましい攻撃点を形成する ものであることを示した。更（こ、凝縮液の急激な蒸発に起因して連続的な水蒸 気の流量は、短時間１こ亘って顕著ζこ妨害または遮断され、それによってプラ ズマトロンの上記変動および操作トラブルが生ずることになる。

本発明の根拠をなす課題の解決は、少なくとも基本的１こプラズマガスとして７ に蒸気を使用するプラズマトロンおよび高い熱負荷を受けるプラズマトロン部品 の冷却を制限し、その結果それらの部品は、冷却液として少なくとも約８０°Ｃ の温度を有する温水の使用により冷却されるという手段を包含するプラズマトロ ンの安定な操作方法において、理解されるべきである。この場合、冷却の制限＋ １電極表面、好ましくはアノードの内壁と冷却水との間の熱的駆動ポテンシャル の減少のみによって達成される。

本発明の有利な実施態様によれば、特に有効な解決は、冷却液としての温水の使 用と関連する冷却の制限と、水蒸気の凝縮温度よりも低０凝縮温度を有するガス を混合することによる水蒸気プラズマの凝縮温度の同時低下との組合わせ（こ基 づいて達成されるが、冷却水入力温度は、プラズマトロンのカソードおよびアノ ードの表面温度が新しい水蒸気分圧に対応するプラズマガス混合物の凝縮温度に 少なくとも接近するように、制御されるものとする。水蒸気プラズマの凝縮温度 を低下させるガスとして水蒸気に混合される付加的なガスは、好ましくは空気で ある。

本発明によるプラズマトロンならびに前記プラズマトロンの操作方法の付加的な 好ましい実施態様は、残りのサブクレーム中に開示される。

以下に、本質的にプラズマガスとして水蒸気をもって操作されるプラズマトロン 中の処理による化学転化の助けにより、毒性廃棄生成物を無効にするために利用 される実施態様に基づいて、本発明の詳細な説明するものとする。

本発明の好ましい実施態様により、毒性廃棄生成物を無効にするための、好まし くは塩素化またはフッ素化炭化水素を含有する廃棄生成物の化学的転化のための プラズマプラントは、それぞれ３０ｋｗのパワーを有し、慣用の方法において適 切な反応装置および必要な付加的ユニットを備えた１０台のプラズマトロンを含 んで構成される。このプラントは、プラズマガスとして０．　１ｍＰａにおける 温度３００°Ｃで、２５　ｋｇ／ｈをもって供給される水蒸気により操作される 。

電極の強化された冷却にも拘らず、プラズマトロンにおける操作および特性パラ メータの実質的な変動が、この種のプラントの場合に、そして激しい浸蝕に起因 して通常発生し、プラズマトロンアノードは、比較的短時間の後に最早使用不能 となる。

本発明の第一実施態様によれば、プラズマトロンは冷却手段を備えており、これ は高い熱負荷を受けるプラズマトロン部品、特にアノードおよびカソードを冷却 するための冷却液として、冷却水を使用するものである。

冷却された電極、特にアノードに対する水蒸気プラズマの凝縮現象を回避するた めに、アノードおよびカソードにおける冷却水入力温度は、プラントの冷却液回 路における冷却効果を減少させることによって、好ましくは８０°Ｃに上昇され る結果、高い熱負荷を受けるプラズマトロン部品は、温水によって冷却される。

冷却水速度５０乃至７０Ｉｌｌ／Ｓの場合、冷却水出力温度８１乃至８２°Ｃが 得られることになる。一般に室温に維持された冷却水温度との比較において、こ の種の冷却水温度は、電極の表面温度と元の冷却水温度との温度差に基づいて、 単に意味の無い範囲で熱駆動ポテンシャルを減少させることになる。すなわち、 電極の充分な冷却もまた、温水によって成就し得るのである。しかしながら、同 時に本発明に従って、より制限された範囲に冷却される電極における水蒸気プラ ズマ雰囲気の水蒸気の凝縮は、小さな範囲に関して減少することになり、これは 数多くのプラズマ化学プロセスの場合に受け入れ可能である。この有利な効果は 、如何なる装置またはプロセステクノロジーについても、費用の増加を伴わずに 成就される。それとは反対に、プラズマトロンに関して必要とされる冷却手段の 量および冷却装置は、減少される。同時に、殆ど変動を生じない課程におけるそ の連続的な操作に起因すると共に必要とされる冷却能力の減少に起因して、各プ ラズマトロンの効率は増加することになる。同時に製品の品質は改良され、そし てそのプロセスの収率は、増加することになる。特別な効果は、電極浸液の猛烈 な減少、というよりはむしろ電極浸液の排除によって惹起された電極の有効寿命 の延長において理解さるべきであり、それによって電極材料は節約され、そして プラントの処理可能性の度合いは、実質的に増加する。

プラズマトロン使用の形態における本発明の第二の好ましい実施態様であって、 化学転化によって毒性廃棄生成物を無効とする目的のために、本発明に従い、好 ましくは少なくとも８０°Ｃの温度を有する温水によって冷却されるというもの によれば、温水冷却の利用に起因する電極冷却の減少にも拘らず、依然として起 こるかも知れないプラズマトロンの操作態様における変動は受け入れられない。

それはたとえ微少な範囲であっても、それらが毒性汚染物質の放出を依然として 生ずる可能性があるからである。

これらの場合の使用に関しては、特に本発明による冷却を用いることが好ましく 、それは水蒸気プラズマガスの凝縮温度の低下と組み合わせたプラズマトロン部 品、殊に、特別に高い熱負荷を受ける電極を冷却するために温水を使用させる結 果となる。凝縮温度は水蒸気に対し、水蒸気のそれよりも低い凝縮温度を有する 異質のガスを混合することによって低下させることが出来る。従って、本件にお いては蒸発段階の後たとえば、６２．５ｍ３／ｈの空気をプラズマ水蒸気と混合 するのが好ましい。水蒸気プラズマの部分的成分の凝縮温度は、今や８０°Ｃで ある。本発明による電極冷却によって得られる電極温度は、この場合において少 なくとも僅かに８０″Ｃよりも高いことか好ましいという事実に鑑みて、水蒸気 の凝縮はこの方法により完全に阻止することか出来、その結果プラズマトロンの 操作態様における変動の原因は完全に排除され、またその結果転化プロセスが連 続的に起こることか保証される。この方法において、毒性物質の突破は、水蒸気 プラズマトロンによって完全に回避することが出来る。

本発明は、プラズマトロンならびにプラズマガスとして水蒸気を用いるプラズマ トロンの安定な操作方法を提供するものであり、その場合には水蒸気プラズマに とっては典型的である、すなわち操作条件の急激な変動ならびに増大する電極の 浸蝕は回避される。これは、温水を冷却液として使用することに基づいて高い熱 負荷を受けるプラズマトロン部品、特に電極の冷却を制限することによって達成 され、前記温水は好ましくは少なくとも８０°Ｃの温度において使用される。

これは、プラズマトロンの強化された冷却点における水蒸気の凝縮−であってア ークの影響下で、そして凝縮物の爆発性蒸発に起因してプラズマガス・ットの主 要な妨害または遮断を生ずることになり、またこれが電極表面の物質の引き裂き によって電極浸液をもたらすことになるもの−を回避するという効果を有するこ とになる。本発明は、単に安定な操作および長い電極の有効寿命を提供するだけ ではなく、またプラズマトロンの効率ならびにプラズマ−化学プロセスの収率を 改良するものである。特定のプラズマ−化学プロセス、特に毒性廃棄生成物の処 理に関してプラズマトロン電極の温水冷却の効果は、水蒸気の凝縮温度より低い 凝縮温度を有するガスを水蒸気と混合させることにより、水蒸気プラズマ雰囲気 の凝縮点を降下させることによって付加的に増大させることが出来、その結果そ のとき存在する水蒸気分圧に相当するプラズマガス混合物の凝縮温度は、プラズ マトロン、すなわち電極の最も強化された冷却点においてすら表面温度として維 持される温度よりも低くなり、かくてそれによって起こる凝縮現象および凝縮蒸 発現象は、そのプラズマトロンのアーク領域内で実際に回避される。

本発明の根拠をなす問題の特に有利な解決は、冷却の目的に関して少なくとも８ ０°Ｃの温度において用いられる冷却液としての冷却水の助けによって得られた けれども、そしてまた凝縮問題の特に完全な解決は、水蒸気プラズマガスの凝線 温度を降下させるように、水蒸気に対して付加的に空気を混合させてブラズガス 雰囲気を生成することによって達成し得るけれども、本発明はこれらの解ｌに限 定されるものではない。それとは反対に、逸脱および変更は冷却媒質の放メ容量 、プラズマ反応装置における圧力条件ならびにそれぞれの相転移点に正にｒ達し て行うことが可能であり、前記逸脱および変更はプラズマガスとして基本０に水 蒸気を含有するプラズマトロンの場合に発生し、そしてそれはプラズマト【ンの 冷却部品における水蒸気の凝縮をもたらす問題を回避する目的をもってな２れる ものであり、前記問題はプラズマトロンの冷却領域、特に電極においてブ；ズマ ガスまたは混合物あるいはその部分の凝縮が信頼性をもって阻止されるよ１に、 冷却および／または凝縮条件を選択することによって回避されるものであ２′マ 　プラズマガスとして水蒸気を用いるプラズマトロンおよび□決　プラズマトロ ンの安定な操作方法熱 関　要約書 的 口　本発明は、プラズマトロンならびにプラズマガスとして水蒸気を用いるブラ ズさ　マドロンの安定な操作方法に関し、この場合に水蒸気プラズマにとって典 型的でう う る。

より、一方において温水冷却を用いること、また他方において、水蒸気の凝縮温 度を降下させるガスを混合することによって、電極に対する水蒸気の凝縮を排除 することも可能である。

補正書の翻訳文提出書（特許法第１８４条の８）平成３年　８月２２日

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. １．プラズマガスとして少なくとも本質的に水蒸気を使用し、かつ冷却液の助け によって熱負荷を受ける部品、たとえば電極を冷却するための冷却手段を包含す るプラズマトロンにおいて、操作パラメータおよび／またはプラズマガスの組成 を、冷却された部品においてプラズマガスの凝縮が回避されるような特性に制御 することを特徴とするプラズマトロン。
2. ２．冷却手段中で使用される冷却液が、温水であることを特徴とする請求項１に よるプラズマトロン。
3. ３．冷却液、特に温水の温度が、少なくとも８０°Ｃであることを特徴とする請 求項１または２によるプラズマトロン。
4. ４．提供されるプラズマガスが、本質的に純水蒸気であることを特徴とする前記 請求項１乃至３の少なくともいずれかによるプラズマトロン。
5. ５．使用されるプラズマガスが、少なくとも１種類のガスであって、水蒸気のそ れよりも低い凝縮温度を有するものの混合物に関連する本質的に水蒸気から構成 されるガス混合物であることを特徴とする請求項１乃至３の少なくともいずれか によるプラズマトロン。
6. ６．使用されるプラズマガスが、水蒸気／空気混合物であることを特徴とする請 求項５によるプラズマトロン。
7. ７．化学的転化のために、特に毒性廃棄生成物、殊に塩素化またはフッ素化炭化 水素を含有するものを完全に無効とするために使用される、特に請求項１による プラズマトロンにおいて、使用されるプラズマガスが少なくとも本質的に水蒸気 であること、およびプラズマトロンの冷却部について使用される冷却液が少なく とも約８０°Ｃの温度を有する温水であることを特徴とするプラズマトロン。
8. ８．化学転化が、水蒸気プラズマジェットにおける水蒸気プラズマの化学的に反 応性であり、非常に励起された酸素および水素種、特に酸素および水素イオンに よって行われる請求項７によるプラズマトロン。
9. ９．使用されるプラズマガスは本質的に水蒸気であって、これに対し凝縮温度を 降下させるガス、特に空気を混合したことを特徴とする請求項７または８による プラズマトロン。
10. １０．プラズマガスとして少なくとも本質的に水蒸気を使用し、冷却液の助けに よって特に熱負荷を受ける部品、たとえば電極等を冷却する工程を含むプラズマ トロンの安定な操作方法において、操作パラメータ、特に冷却液の温度および／ またはプラズマガスの組成を、冷却された部品に対してプラズマガスの凝縮が回 避されるような方法で制御することを特徴とする方法。
11. １１．プラズマトロンの冷却部品の冷却が制限されること、および／またはプラ ズマガスの凝縮温度が降下されることを特徴とする請求項１０による方法。
12. １２．使用される冷却液が、少なくとも約８０°Ｃの温度を有する温水であるこ とを特徴とする請求項１０または１１による方法。
13. １３．より低い凝縮温度を有する少なくとも１種類のガスを混合することによっ て、水蒸気プラズマの凝縮温度を低下させることを特徴とする前記請求項１１乃 至１３の少なくともいずれかによる方法。
14. １４．水蒸気蒸発段階の後、空気をプラズマ水蒸気に対して混合することを特徴 とする請求項１３による方法。
15. １５．化学的転化を行うために、特に毒性廃棄生成物、殊に塩素化またはフッ素 化炭化水素を含有するものを完全に無効とするために使用される、特に請求項１ ０によるプラズマトロンの安定な操作方法において、使用されるプラズマガスが 少なくとも本質的に水蒸気であること、および使用される冷却液が、少なくとも 約８０°Ｃの温度を有する温水であることを特徴とする方法。
16. １６．使用されるプラズマガスは本質的に水蒸気であって、これに対し凝縮温度 を降下させるガス、特に空気を混合したこと、および使用される冷却液は、少な くとも８０°Ｃの温度を有する温水であることを特徴とする請求項１５による方 法。