JPH0771733A - 材料の溶融，燃焼あるいは焼却のための方法およびそのための装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 燃焼効率やプラズマジェットの安定性を高め
ることができるプラズマアーク溶融機及び溶融方法を提
供する。 【構成】 少なくとも２つの反対極性の転移型アークプ
ラズマトーチを備えたプラズマアーク溶融機が、ガラ
ス、セラミックス、耐火物、及び他のそのような材料を
製造するための、あるいは廃物材料のリサイクル、燃焼
および／またはガラス化焼却するための、通常のバッチ
材料の溶融のために使用される。プラズマジェットの安
定性を高めるため、陽極トーチは陰極トーチに比べて、
処理される材料の表面のより上方に位置し、これにより
処理される材料は最初に陰極トーチの下方を通過するよ
うに溶融機に導入される。燃焼処理を促進するために、
プラズマジェットの領域内のトーチの間のゾーンに酸化
性ガスを導入することができる。有機物含有量が高い廃
物材料の場合には、溶融機からの排ガスを更に処理する
ためにプラズマアーク再燃焼装置を用いることができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、材料の溶融、燃焼ある
いは焼却のための方法およびそのための装置に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】本発明は、プラズマアーク溶融機に関
し、より詳しくは、ガラスやセラミックスなどの材料を
溶融するための、並びに廃物材料のリサイクル、燃焼お
よび／または焼却ガラス状化のための、改良されたプラ
ズマアーク溶融機に関するものである。

【０００３】１９９１年７月２日に発行された米国特許
第５，０２８，２４８号は、ロックウール製造のための
種々のバッチ材料を含む、ガラスや耐火性の酸化物、珪
酸塩、並びにその他の実質的に金属を含まない材料を、
少なくとも２つの転移型−アーク プラズマトーチを備
えたプラズマアーク炉内で溶融するための方法と装置に
関するものである。この米国特許第５，０２８，２４８
号の開示を、ここで参考として組入れる。

【０００４】本発明は、上記で挙げたような材料を溶融
するために使用することができる少なくとも２つの転移
型−アークプラズマトーチを備えたプラズマアーク炉内
で材料を溶融するための改良された方法と装置である。
加えて、本発明の方法と装置は、廃物材料の処分あるい
はリサイクル、廃物材料の燃焼および／またはガラス状
化の焼却にも適用できるものである。

【０００５】ガラス、セラミックス、オイルシェール、
オイルサンド、炭素質の頁岩、並びに炭素質の金鉱石な
どの材料を効率的且つ有効に溶融および処理する需要は
継続して存在し、また上記の´２８４特許の方法と装
置、並びに本発明の改良された方法と装置は、これらの
需要に合致する効率的で有効な処理を提供するものであ
る。加えて、工業上の、商業上の、自治体の、およびそ
の他の廃物、リサイクル、焼却および／またはガラス状
化の焼却は、我々の社会におけるたえず増大する問題を
提起するものである。

【０００６】汚染土壌、ＰＣＢ、アスベスト廃物、医療
廃物、焼却炉灰ならびに自治体廃物などの、潜在的に危
険な廃物材料の効率的で有効な処分は、我々の工業化さ
れた社会生活の質を非常に高めてくれるものである。繊
維状ガラス廃物、捨てられた最終ユーザ製品、無定形混
合ガラスカレット、廃物アルコール飲料、有機−ベアリ
ング金属製スクラップ、並びに有機−ベアリング金属製
／セラミック混合物などの他の廃物材料は、他の問題を
提起する。これらの廃物を処分するための利用可能な埋
め立て用地は、次第に不足しがちで、また埋め立て用地
の使用に関連したコストが過大で急速に増大しつつあ
り、これら廃物をリサイクルさせるための実用的で、効
率良くまた有効である方法と装置の開発が急がれてい
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】転移型−アークおよび
非転移型−アークプラズマ発生機は、ガス加熱、材料溶
融、並びに廃物処理のために以前から提案されており、
また１９９２年３月発行のＩＮＤＵＳＴＲＩＡＬ ＨＥ
ＡＴＩＮＧの第６４−６９頁において「材料処理および
合成のための遠隔結合された転移型−アークプラズマ」
の題名で議論されている。

【０００８】非転移型−アークプラズマトーチは、陰極
電極と陽極トーチノズルとの間の電流によるプラズマジ
ェットを生成する。非転移型−アークプラズマトーチ処
理により処理される材料は、材料を加熱するための対流
および放射による熱移動を受ける。この材料は、プラズ
マジェット中に注入されるか、あるいはプラズマジェッ
トに伴う熱いガスに接触される。

【０００９】熱いプラズマガス内の実際の熱は廃物材料
を溶融するために十分に使用することはできないが、こ
の非転移型−アークトーチ処理は、処理される材料内の
有機レベルが５０％を越える場合にのみ熱的に効率が良
くなる。しかしながら、このような材料を完全且つ効率
良く燃焼させるためには、酸化性雰囲気が必要であり、
これが処理で使用されるタングステン電極の酸化の原因
となる。よって、この非転移型−アークプラズマトーチ
法は、高い有機レベルを持った材料の効率の良い処理の
ために必要な空気あるいは酸素の酸化性雰囲気内では運
転することができず、また廃物材料が有機物をほとんど
含まない場合には溶融効率が低い。

【００１０】本来の転移型−アークプラズマ法では、処
理される材料は、陽極電極あるいは陰極電極として働
く。溶解が陽極溶解か陰極溶解かに拘らず、同様な問題
が存在する。このため、本来の転移型−アーク−プラズ
マ法では、取扱う材料が導電性の材料に限定される。加
えて、従来の転移型−アークプラズマでセラミックや他
の材料を溶融する場合には、導電性の溶融相を生成する
ために材料の予備溶融が必要であった。この初期の処理
工程が、溶融機内を安定した動作状態に到達させるため
に必要な開始時間を付け加えることになる。典型的に
は、処理される材料が陽電極として働く場合帰還導電浴
を提供するために、溶融浴が、陽極るつぼ内に含められ
るか、または陽極が浴内に浸漬される。この方法におけ
るエネルギー効率は、非転移型−アーク法よりも良好で
あるものの、取扱う材料が導電性であるという必要性が
この方法で処理することができる材料を制限し、また浸
漬された電極の表面におけるＤＣ電気分解が陽極電極の
腐食やこの方法で製造される材料の汚染を招いてしま
う。

【００１１】グラファイト電極を備えた溶融機は、材料
を溶融したり処理するために同様に使用される。しかし
ながら、これらの溶融機では材料が還元性雰囲気内で処
理できるものに制限される。従って、有機物を燃焼させ
る場合には、有機物を燃焼させるために必要な酸素がま
たグラファイト電極を消耗するために、この方法は適し
ていない。

【００１２】サイクロンバーナーも同様に廃物材料を処
分またはリサイクルするために使用されている。しかし
ながら、サイクロンバーナーは、溶融したガラスを取扱
うように設計されてはおらず、固体の灰殻廃物処理のた
めに使用されるものである。このサイクロンバーナー法
を使用して効率の良い燃焼を行うためには、廃物材料が
有機成分を６０−７０％以上有してなければならない。
この方法はまた、処理される材料がリサイクル処理の一
部としての下流処理において利用されるものである場合
には、問題を提起する。サイクロンバーナー法では、出
口の溶融物流の温度は容易に制御することができず、こ
のため廃物材料を更なる処理が複雑化する。

【００１３】アーク溶融機は、廃物を処分したりリサイ
クルするために同様に使用されている。しかしながら、
アーク内の熱制御が悪いために、廃物材料中の有機物の
揮発および／または燃焼が悪く、また側壁や屋根の耐火
物の早期腐食を招いてしまう。アーク溶融機は、通常は
消耗が早いグラファイト電極を使用しており、この種の
溶融機は高い放射熱損失を呈する。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明の遠隔結合され
た、転移型−アークプラズマ炉あるいは焼却炉および方
法は、生の材料を溶融および／または処理するととも
に、廃物材料のリサイクル、燃焼および／またはガラス
状化焼却をする、有効で効率の良い装置と方法を提供す
るものである。この炉あるいは焼却炉は、高出力密度で
あるために、非常に用途の広いものである。この炉は小
さく、処理量は高く、供給原料を迅速に変更でき、かつ
必要に応じて下流の製造工程に処理した材料を提供する
ための処理した材料の運搬を容易に制御することができ
る。

【００１５】本発明では、溶融物プールに結合し、ある
いは結合しない空間プラズマを設けることで、小さな空
間容積内で大きなレベルの熱流量を発生することがで
き、処理される材料への効率的な熱移動を与えるもので
ある。この高い空間的熱集中によって、スクラップの廃
物材料中の炭化水素揮発成分は直ちに蒸気にされる。例
えばゴムのような廃物中に非常に高いレベルの炭化水素
が存在する場合には、これらの炭化水素は溶融機自体の
内部あるいは能率的な再燃焼装置内で燃焼させることが
できる。本発明によれば、処理される材料は最小ないし
最大の有機含有量、あるいは最小ないし最大のガラス相
要求を満足する必要がない。つまり、本発明の遠隔結合
された、転移型−アークプラズマ炉あるいは焼却炉は、
従来のサイクロンバーナー法、アーク溶融機法、非転移
型−アークプラズマ法、本来の転移型−アーク法、並び
にグラファイト電極法に関連した多くの問題を解決する
ものである。

【００１６】上記した通り、本発明の方法と装置は、ガ
ラスやセラミックスなどの生の材料を効果的かつ効率的
に溶融および／または処理するために利用することがで
きる。これらの材料を溶融したり精製することに加え、
本発明の方法と装置を利用することができる廃物材料の
いくつかの例を以下に示す。

【００１７】製紙工業においては、製造工程の間に発生
した廃液から化学品を回収したり処分したりする必要が
ある。本発明の遠隔結合された、転移型−アークプラズ
マ炉および方法は、比較的低い酸素ポテンシャルでパル
プ廃液を蒸発させて化学品を処分する。加えて、この方
法は、紙製造工程で利用することができる、低い硫黄含
有量の高−ＢＴＵオフガスを生成する。

【００１８】オイル掘削した泥は、有機および重金属汚
染物質を含んでいる。これらの廃物材料を遠隔結合され
た、転移型−アーク炉内で処理することで、重金属汚染
物質を内部に効率的に密封することができる非浸出性の
ガラスが生成される。排ガスは次いで、有機物の完全な
燃焼および処分のために、プラズマあるいは従来の再燃
焼装置で処理することができる。

【００１９】重金属により汚染された土壌に対しては、
金属質汚染物質は遠隔結合された、転移型−アーク炉の
トーチの間の結合ゾーン内に酸素を注入することで酸化
し、ガラス化した土壌と合体させることができる。本発
明の方法と装置の他の用途は、土壌から重金属を蒸発さ
せ、酸化し、分離して（金属酸化物副産物として）別々
に収集し、これにより土壌を清浄化することである。

【００２０】塩類、酸化物並びに汚染されたセラミック
成分のように、コストをかけて埋設し、あるいは他の方
法で処分される、多くの非燃焼性の放射性廃物材料があ
る。現在は、多くの燃焼性の放射性廃物は、この種の材
料の有する容積を減じることなく埋められている。これ
ら両者の場合、本発明の遠隔結合された、転移型−アー
ク方法と炉は、廃物の容積を効率的に減じ、また埋設に
適したガラス相内に残留物を固定することができる。

【００２１】従来の焼却方法は、ＰＣＢや他のハロゲン
含有有機材料を分解するために十分な高い温度を提供す
るものではない。本発明のプラズマアーク方法と炉は、
これら化合物を効率良く分解し、無害な水、二酸化炭
素、並びに塩酸を生成する。

【００２２】繊維状ガラス、セラミック繊維、鉱物ウー
ルなどの、スクラップ繊維製品中の有機材料は、リサイ
クルできるガラスあるいはセラミック材料を残して蒸発
させることができる。この方法からの排ガスは、場合に
よっては、ユニット溶融機用の燃料として、あるいはビ
ルのための熱を提供するために使用することができる。
排ガスが大気に放出される場合は、更なる処理が不要で
あったり、不純物を除きおよび／または再燃焼装置を通
すだけでよいことがある。蒸発させることでスクラップ
繊維から取り除くことができる有機材料の例としては、
フェノールバインダー類、フランバインダー類、繊維強
化用サイズ材、ダクト裏材製品内の煙油、化粧仕上材
料、有機被覆材料、フォーム裏材並びに他の有機材料が
ある。

【００２３】本発明のプラズマ法を繊維ガラススクラッ
プ溶融機として利用することで、繊維ガラススクラップ
からガラスカレットを生成することができ、ガラスバッ
チのコストを減じる効果があり、またガラス溶融炉に優
れた再溶融材料を提供することができる。廃物繊維内の
有機バインダを同時に燃焼させることで、炭素含有量の
低いカレットを製造することができ、このカレットは従
来のガラス溶融機への供給材料として非常に適したもの
となる。このガラスカレットの酸化還元電位もまた、上
記した方法により所望通りに調節することができる。本
発明のプラズマ溶融機からの溶融物流は、マーブル成形
機、回転型繊維化機、一次ブッシュあるいはその他の製
品形成ステーションへ移送して、プラズマ溶融機の溶融
物から直接的にガラス製品を製造することができる。

【００２４】本発明では、プラズマアーク溶融機または
焼却機は、少なくとも２つの、逆極性の転移型−アーク
プラズマトーチを備えている。トーチの一方は、陰電極
と、陰極プラズマジェットを放出するためのノズルから
なる陰極トーチである。他方のトーチは、陽電極と、陽
極プラズマジェットを放出するためのノズルからなる陽
極トーチである。電流は、これらトーチの間を結合ゾー
ンを通って移動して溶融機内部の材料を溶融、燃焼ある
いは焼却する。

【００２５】電流は、トーチ間を、３つの異なるモード
で移動する。第１の結合モードは、ジェット結合モード
であり、逆の極性のプラズマジェットを備えたトーチ
は、互いに極めて接近しており、電流は一方のジェット
から他のジェットに直接移動する。第２の結合モード
は、溶融結合モードであり、トーチは離間しており、電
流は、溶融物プールあるいはその他の導電性材料などの
中間の導電体を通過することで、一方のジェットから他
方のジェットに移動する。第３の結合モードは、上記の
２つのモードの組み合わせである。この第３結合モード
は、幾分不安定ではあるが、各トーチは、結合経路が、
ジェット間の直接の電流移動と、溶融物プールあるいは
その他の導電性被処理材料を介する間接的な移動との間
で揺れるような位置で作動する。

【００２６】本発明の方法では、溶融機シェルは溶融中
のおよび／または処理中の材料を保持する。この溶融機
シェルは、ほぼ円筒形状であり、上部が開口しており、
また溶融機から処理済みの材料を取り出すために、その
底部の中央部に位置した出口が設けられている。出口の
穴はモリブデンで作ることが好ましいが、他の耐火性材
料で作ることもできる。トーチは、一般に溶融機シェル
の上部開口を塞ぐ、ほぼ円錐形状のフード内に据付けら
れている。フードの基部は、溶融機シェルより直径が大
きく、これにより溶融機シェルとフードとの間から溶融
機内部に酸化用空気の流入ができるようにしてある。本
法方法はバッチ法として作動するが、溶融機シェルとフ
ードは、溶融機の動作中は、混合度を増大するために、
通常は互いに相対回転をする。溶融機シェルとフードは
互いに、相対的に垂直に移動することができ、これによ
り溶融機内部へ導入される空気量および／または溶融物
プールに対するトーチの位置を、調整することができ
る。被処理材料および／または被溶融材料は、溶融機シ
ェルの長手方向の軸に対してオフセットしたフード内の
供給ポートを通って溶融機内に導入される。供給ポート
を通って溶融機内に供給された材料の軌道は、溶融機内
の材料の滞在時間を調整することで、変更することがで
きる。

【００２７】本発明の方法で使用される陰極トーチは、
陰極として機能するトリウムタングステン製の、水冷さ
れた、尖った電極を有している。水冷された銅製ノズル
が、陰極の周囲にプラズマガスの幕を提供し、陰極への
アーク付着を制限し、更に高周波プラズマ開始の電極と
して機能する。

【００２８】本発明の一実施例においては、陽極トーチ
も陰極トーチと同様な構成であるが、トリウムタングス
テン製の尖った電極に代えて、陽極トーチは、陽極表面
の電子「凝縮」により発生した熱を分散させるために、
高純度銅製の、水冷された、ボタン状電極を有してい
る。このボタン状電極陽極トーチは、１時間当たり５０
０ポンドあるいはこれ以下の質量流量での材料処理には
有効である。しかしながら、より高い材料処理速度で
は、ボタン状電極陽極トーチはかなりの銅電極腐食を受
ける。この腐食は、トーチ寿命を短くし、処理の経済性
よび作動効率に影響を与える。従って、陽極トーチの第
２の実施例では、高純度銅製の、水冷された、管状の電
極を備えた構成とし、これによれば、１時間当たり５０
０ポンドより大きい材料処理速度で作動させることがで
き、しかもボタン状電極陽極トーチのようなひどい腐食
の問題をなくすことができる。

【００２９】ボタン状電極陽極トーチを備えた本発明の
方法の操作においては、陽極トーチノズルの放電端は通
常は、陰極トーチノズルの放電端よりも、溶融機シェル
内の材料の表面のより上方に位置している。陽極トーチ
と陰極トーチのこの相対的な配置は、陰極プラズマジェ
ットと陽極プラズマジェットの相対的な強度によるもの
である。通常は、陰極トーチで作られた陰極プラズマジ
ェットは、ボタン電極陽極トーチで作られた陽極プラズ
マジェットより高い強度を有している。従って、これら
トーチのノズルが互いに比較的接近しており、またある
角度で互いにほぼ向き合っている場合には、強いあるい
は高いエネルギーの陰極プラズマジェットが陽極プラズ
マジェットを後方へ曲げてしまう。このため、陰極トー
チの放電端と陽極オーチの放電端が同じレベルである場
合には、陰極プラズマジェットは陽極プラズマジェット
を曲げてジェットが陽極トーチのノズルに接触するよう
になる。このことは、ノズルショートを招く結果とな
り、ノズルを損傷し、また処理の停止の原因となる。こ
れらトーチのノズルが互いに平行で被処理溶融物の表面
に向いている場合には、陽極ノズルを陰極ノズルの上部
にオフセットさせる必要性が軽減される。

【００３０】管状電極陽極トーチにより生成されるプラ
ズマジェットは、ボタン状電極陽極トーチにより生成さ
れるプラズマジェットよりも強力、あるいは大きなエネ
ルギーを有している。従って、ボタン状電極陽極トーチ
の代わりに管状の電極陽極トーチを用いる場合には、陽
極トーチの放電端は、陰極トーチの放電端と同じレベル
に位置させることができるようになる。

【００３１】装置の作動に当たっては、陽極トーチと陰
極トーチの双方における電極とノズル間の放電を高周波
で制御する必要がある。この操作は、各トーチにおいて
中間の非転移型のアークプラズマを発生させる。陰極ト
ーチについては、電流は陰電極からノズルに流れる。陽
極トーチについては、電流はノズルから陽電極に流れ
る。従来の転移型−アーク装置と同様に、バイアス用の
抵抗が、動作の非転移モードから転移モードへの第２の
開始を生起するために使用される。

【００３２】転移モードにおいては、陰極プラズマジェ
ットと陽極プラズマジェットは結合ゾーン内で一緒に結
合されて、電流はプラズマジェット間を直接移動し、ま
た溶融機シェル内の材料は、プラズマジェットからの熱
いプラズマガスの対流あるいはプラズマジェットからの
放射熱、または溶融機シェル内の材料を通って流れる電
流により、溶融される。

【００３３】溶融機シェル内でプラズマを生起するため
には、陽極トーチと陰極トーチとをまず非転移モードで
作動させ、次いで、転移モードに切換えられ、この状態
で電流はプラズマジェット間を直接流れ、対流と放射に
より溶融機シェル内の材料を加熱する。陰極トーチノズ
ルの放電端は、溶融機シェルのほぼ長手軸上に位置して
おり、またシェルの底部の溶融機出口に向いている。陽
極トーチノズルの放電端は、溶融機シェルの長手軸上に
対してオフセットしており、またシェルの底部の溶融機
出口に向いている。

【００３４】溶融機シェル内の材料の一部が溶融、溶融
材料のプールを形成した後は、陰極トーチから陽極トー
チへの電流は溶融機シェル内の溶融した材料を通って流
れる。陰極トーチノズルの放電端は、溶融機シェルの長
手軸に対してオフセットした位置に向かって外方に移動
し、また陽極トーチノズルの放電端は、溶融機シェルの
ほぼ長手軸上の位置に向かって内方に移動する。溶融さ
れるべき追加の材料は、フード内の供給ポートを通し
て、溶融機内の溶融機シェルの長手軸に対してオフセッ
トした位置に導入される。溶融機シェルとフードは、互
いに相対回転し、これにより供給ポートを通して供給さ
れた材料は、これら材料が陽極トーチノズルの放電端の
下を通過する前に、陰極トーチノズルの放電端の下を通
過する。

【００３５】上記の処理の間、電流は、結合ゾーン内に
存在する溶融された材料中を通過することで、陰極プラ
ズマジェットと陽極プラズマジェットの間を連続して移
動する。材料を通って電流が通過することで、材料は抵
抗熱発生により溶融される。

【００３６】燃焼効率を高め、あるいは溶融物の酸化還
元電位を変化させるために、空気、酸素あるは蒸気など
の酸化性ガスを、結合ゾーン内に導入することができ
る。この酸化性ガスは、トーチの上部の中央に位置する
注入チューブからトーチの間の空間内に注入すること
で、結合ゾーンに導入される。なお、注入チューブはト
ーチの下部に沿って、あるいは陰極と陽極のプラズマト
ーチ上の幕を通って延在する。本発明の装置と方法を、
有機物含有量が非常に高い廃物材料に使用する場合に
は、溶融機からの排出ガスを更に処理するために、プラ
ズマアークあるいは従来の再燃焼装置を使用することが
できる。。

【００３７】上記した通り、ボタン状電極陽極トーチは
処理速度が１時間当たり５００ポンド以下の場合に使用
され、また処理速度が１時間当たり５００ポンドを越え
る場合には管状電極陽極アノードが好ましい。陰極トー
チは変更せずにボタン状電極陽極トーチあるいは管状電
極陽極トーチのいずれとも一緒に使用することができ
る。管状の銅電極を備えた陽極トーチは、銅製ボタン状
電極よりも大きなアーク安定性を有し、従ってより長い
トーチ使用寿命を提供できる。このトーチ形状に起因す
る高いガス流速は、アーク、および管状の銅電極の円筒
状内表面へのアーク付着点を回転させる。アークを絶え
ず移動させることにより、銅製ボタン状電極の場合と比
べて、腐食速度を低下させることができる。加えて、銅
製ボタン状電極で使用されるアルゴンガスでなく空気を
使用できるので、管状銅電極を備えた陽極を使用するこ
とで有機スクラップの焼却のためのより大きな燃焼力を
得ることができる。

【００３８】

【実施例】図１は、本発明の改良されたプラズマアーク
炉２０を示したもので、溶融機シェル２２は溶融機フー
ド２４の内側で上昇した位置にあり、また破線は、炉の
保守作業のために溶融機シェル２２を溶融機フード２４
の下から移動させた下方の非作動位置である。

【００３９】図５−７に示したように、溶融機シェル２
２は、底壁２６、側壁２８並びに上部開口を備えた円筒
形状で低炭素鋼で作られている。底壁には、円筒形状で
底部が開口で、出口穴３２を除く上部が閉じている、モ
リブデン製の出口穴アッセンブリ３０が設けられてい
る。この出口穴アッセンブリ３０は、溶融機シェル２２
の長手軸上に位置しており、またこの溶融機シェルの長
手軸は出口穴３２を通過する。

【００４０】以上の構成により、出口穴アッセンブリ３
０の出口３２は、溶融機シェルの底壁２６の上方に位置
している。こうして、従来の円錐状形状の溶融機シェル
に比べて、非溶融頭部の厚い層３４をプラズマアーク炉
２０内で使用することができ、溶融物プール３６と溶融
機シェル壁２６と２８間の距離を増大し、これにより溶
融機シェル２２の壁を通る熱損失を減じることができ
る。プラズマアーク炉２０の溶融機シェル２２内の溶融
物プール３６からの溶融された材料は、処分あるいは更
に処理するために、出口穴３２を通って取り出される。
図１に示したように、溶融機シェル２２は、ラックとピ
ニオンギアのアッセンブリ４１のラックギアとして用い
られる４つの脚４０により支持されたフレーム３８上に
取り付けられており、ＤＣモータの手段により溶融機フ
ード２４に対して溶融機シェルを上げたり下げたりでき
る。この構成において、溶融機シェル２２の溶融機フー
ド２４に対する垂直位置は、プラズマアーク炉内部の異
なる材料の処理のために調整することができ、また溶融
機シェルを溶融機フードの下に下降させて炉の保守作業
のために取り外すことができる。

【００４１】溶融機シェル支持フレーム３８は、溶融機
シェルの底壁２６の下側に係合して、溶融機シェルを支
持し、溶融機シェルを支持フレーム３８と溶融機フード
２４に対して回転させるための、複数の支持ローラ４２
を有している。

【００４２】溶融機シェル２２は、溶融機シェルの底部
に隣接する側壁２８を取り囲む、環状の駆動レール４４
を有している。この駆動レール４４は、溶融機シェル２
２を溶融機フード２４に対して回転させるための、ガイ
ドロール４６と駆動ロール４８により係合されている。
この駆動ロール４８は、溶融機フード２４に対する溶融
機シェル２２の回転を調節するために、慣用的なＤＣモ
ータと制御システム５０により駆動される。シェルの底
部に大きなギアを付け、また慣用のチェーン駆動を介し
てＤＣモータにより駆動するなどの、シェル２２を回転
させる方法も使用することができる。

【００４３】溶融機フード２４は低炭素鋼あるいはステ
ンレス鋼で作られ、固定フレーム５２上に取り付けられ
ている。図１に詳細に示したように、溶融機フード２４
は、円筒状の基台部５４（長さが拡張可能である）、円
錐状の中間部５６、並びに円筒状の排気スタック５８か
ら構成される。陰極トーチ６０と陽極トーチ６２が、円
錐状の中間部５６内に取り付けられている。

【００４４】溶融機フード２４の円筒状の基台部５４の
内側の直径は、溶融機シェル２２の外側の直径よりも大
きい。これにより、溶融機フード２４と溶融機シェル２
２の間に、自然対流が通過する隙間が形成され、プラズ
マアーク炉２０内への空気の侵入が許容されて、廃物材
料の処理中に、廃物材料に伴う有機材料をより良くかつ
より完全に燃焼するための酸素を供給することができ
る。溶融機シェル２２を溶融機フード２４に対して上昇
あるいは下降させることで、プラズマアーク炉２０に流
入する空気量を制御することができ、また溶融物の上方
のトーチの高さを調節することができる。図示しない排
気ファンを使用することで、溶融機シェル２２と溶融機
フード２４の間の隙間を通って炉２０内に導入される燃
焼空気をより厳密に制御することができる。

【００４５】溶融機フードの円錐状の中間部５６は、あ
る角度でテーパ付けされており、プラズマアーク炉から
のオフガスの流れを促進し、またオフガスが集められて
滞留する領域をなくしている。溶融機シェル２４の全体
には、溶融機フードの温度を許容できる範囲内に保持
し、またフード上に揮発性の無機物を凝縮させてフード
を通しての熱損失を阻止する絶縁層を形成するための、
水冷却されたジャケット６４が設けられている。

【００４６】材料を導入してプラズマアーク炉２０内で
処理するための供給ポートチューブ６６が、溶融機フー
ド２４の円錐状の中間部５６内に設けられている。この
供給ポートチューブ６６は、溶融機シェル２２の長手軸
に対してオフセットしており、これにより、図８に示し
たように、炉内で処理されるべき材料は、溶融機シェル
２２の長手軸からオフセットした位置において、溶融機
シェル内に導入される。上記の供給ポートチューブ６６
は、球状のベアリング内に取り付けられており、これに
より、処理されるべき材料が溶融機シェル内に供給され
る角度を調節して溶融機シェル２２内の材料の滞留時間
を制御することができる。溶融機シェルの垂直な中央線
に近接して材料を配置することで、材料の滞留時間およ
び処理時間が減じられる。また溶融機シェル２２の側壁
に近接して材料を配置することで、材料の滞留時間およ
び処理時間を増大することができる。

【００４７】陰極トーチ６０と陽極トーチ６２はそれぞ
れ球状のベアリング６８および７０により取り付けられ
て、互いの角度および出口穴アッセンブリ３０に対する
トーチの角度を調節できるようになっている。トーチ６
０と６２はまた、それらの長手軸に平行な方向に挿入し
たり引き出したりでき、これにより溶融機シェル２２の
長手軸に対するトーチの位置を、後で詳しく説明するよ
うに、プラズマアーク炉の適切な運転のために調節する
ことができる。

【００４８】図５−７に示したように、処理されるべき
廃物材料がより大きな酸化ポテンシャルを有する場合に
備えて、水冷却されたチューブ７２が、空気、酸素ある
いは蒸気をプラズマアーク炉２０内に注入するために設
けられている。この水冷却されたチューブ７２は、排気
スタック５８を通って下方に延在し、また溶融機シェル
２２の長手軸に沿って位置している。水冷却されたチュ
ーブ７２により、空気、酸素あるいは蒸気をプラズマジ
ェットの間の低圧力の結合ゾーン内へ直接注入すること
ができる。この結果得られた空気が豊富なプラズマは、
大きな燃料効率を提供し、また炉内のガラス溶融の酸化
還元電位を制御するために使用することができる。

【００４９】図３と４は、本発明の遠隔結合されたプラ
ズマトーチ６０と６２を示したもので、プラズマ点火の
ための非転移アークモード、通常の作動のための転移ア
ークモードでそれぞれ作動するものである。セラミック
や他の材料の従来の転移型アークプラズマ溶融では、材
料を予備溶融して導電性の溶融相を生成する必要があっ
た。この初期の処理工程により、溶融機の安定動作に達
するまでの開始時間が付加された。典型的には、溶融浴
が陽極炉内に含まれているか、あるいは陽極が浴内に沈
められているかであり、これにより帰還電気導電路が提
供される。材料の処理の間、系を通って流れる直流電流
によって、好ましくない電気分解反応が陽極表面で起こ
り、これが陽極腐食並びに溶融された材料の汚染を招
く。

【００５０】従来の転移型−アークプラズマ溶融機にお
ける上記の欠点並びに他の欠点をなくすために開発され
た、本発明の転移型−アーク装置では、反対の極性であ
る２つのプラズマトーチ６０と６２とを含む。陰極トー
チ６０はトリウムタングステンからなる、水冷却され
た、陰電極として機能する、尖った電極７４を有してい
る。水冷却された銅ノズル７６は、陰電極７４の回りに
プラズマガスの幕を供給し、陰電極７４へのアークの付
着を閉じ込め、高周波プラズマ開始のための電極として
機能する。陰極プラズマジェットに廃物材料の処理のた
めに要求される溶融物浸透性を与えるために、通常の作
動中に陰極トーチ６０に供給されるプラズマガスは窒素
である。しかしながら、窒素酸化物放出が問題となる場
合には、ヘリウムが窒素と同じように陰極プラズマジェ
ットを強化する効果を有しているので、アルゴンガスと
ヘリウムガスの混合物を用いることができる。

【００５１】１時間当たり５００ポンドまでの質量流量
速度で処理するためには、陽極トーチは、高純度銅から
なる、水冷却されたボタン状電極７８から構成され、陽
極表面上の電子「凝縮」により発生される熱を分散させ
る。水冷却された銅ノズル８０は、陽電極７８の回りに
プラズマガス（通常はアルゴン）の幕を提供し、陽電極
７８へのアーク付着を閉じ込めて、高周波プラズマ点火
のための電極として機能する。この形式の陽極トーチ
は、図９に詳しく示した。１時間当たり５００ポンドを
越える質量流速で処理するためには、図１２に示した、
管状の銅電極を備えた陽極トーチが、電極腐食速度が低
く、またプラズマガスとして空気を使用し得るので好ま
しい。プラズマガスとしてアルゴンでなく空気を使用す
る点を除いて、この管状の銅電極を備えた陽極トーチの
操作は、次段で説明する、ボタン状銅電極を備えた陽極
トーチの操作と同様である。

【００５２】遠隔結合された転移型−アークプラズマ溶
融装置の作動には、陰極と陽極の双方上において、電極
７４、７８およびノズル７６、８０の間の高周波制御さ
れた放電が必要である。この操作は、図３に示したよう
に、各トーチにおいて、中間の非転移型ーアークプラズ
マを発生する。陰極トーチ６０の場合には、陰極電極７
４からノズル７６に電流が流れる。陽極トーチ６２の場
合には、ノズル８０から陽極電極７８に電流が流れる。
従来の転移型−アークプラズマ溶融装置と同様に、非転
移モードから転移モードへの２次開始を生成するため
に、バイアス抵抗８２が使用され、転移モードでは、電
流はノズル７６、８０、高周波開始変圧器８４、非転移
接点スイッチ８６並びにバイアス抵抗８２を通過するこ
となく、陰電極と陽電極との間を通過する。図４に示し
たように、非転移接点スイッチ８６が開いた状態では、
逆極性である２つの転移型アークプラズマジェットが発
生して、トーチ６０と６２との間に位置する領域内に侵
入する。結合ゾーン８８と名付けられた、この遠隔位置
においては、電流は、材料の処理あるいは溶融の開始時
のようにプラズマジェットが直接一緒に結合しているプ
ラズマ相を通るか、あるいは２つのプラズマジェットの
間に導入されて処理あるいは溶融された材料のような外
部の導電体を通って直接転移する。

【００５３】本発明の遠隔結合された、転移型のアーク
装置では、１１１ｋｗ／ｓｑ ｆｔの出力密度が得られ
た。しかしながら、通常の操作では、１０６ｋｗ／ｓｑ
ｆｔの出力密度が見込まれる。プラズマジェット内部
の反応温度は、５，０００゜Ｋと１５，０００゜Ｋとの
間である。

【００５４】図５、６、７及び８は、本発明のプラズマ
アーク炉（図９の陽極トーチ１００のようなボタン状電
極陽極トーチを使用した）の、プラズマ開始段階、溶解
開始段階および開口段階、並びに通常の処理動作段階を
示したものである。図５に示したように、陰極プラズマ
トーチ６０と（ボタン状銅電極を備えた）陽極プラズマ
トーチ６２の動作がプラズマ開始段階において、動作が
非転移モードから転移モードに切換えられた場合には、
アルゴンガスを使用した、プラズマジェット９４と９６
は、トーチの間の領域（結合ゾーン８８）に突き当た
り、電流はプラズマ相を直接通ってトーチの間を転移す
る。図示したように、溶融機シェル２２内の材料が溶融
しておらず、トーチノズル７６と８０の下端は約２イン
チ離れており、各ノズルは垂直に対して約４５°傾斜し
ており、かつ各ノズルは冷たい被溶融物の表面から約１
０インチ上方にある。溶融していない状態では、溶融機
内の材料は、プラズマジェットからの熱いプラズマガス
の対流、並びにプラズマジェットからの放射熱により、
加熱され始める。

【００５５】図６に示した本方法の溶融開始段階および
開口段階では、陰極トーチ６０のプラズマガスが窒素に
変更される。これにより、ジェットが強化されあるいは
安定化して陰極ジェット９４の強度が増大する。陰極ト
ーチのプラズマガスが窒素に切換えられてジェットが強
まると同時に、トーチが下げられて被溶融材料の表面に
より近づき、陽極トーチノズル８０の放電端９０が陰極
トーチノズル６０の放電端９２よりも溶融物プール３６
の上面のより上方に位置する。直径約３フィートで約１
５００ポンド／時間の能力を持つ溶融機シェルを備えた
炉では、陰極トーチプラズマが窒素に切換えられた後
は、陽極トーチノズル８０の放電端９０は、陰極トーチ
ノズルの放電端９２よりも約３−４インチ上方になけれ
ばならないことが判った。もしボタン状電極陽極トーチ
ノズルの放電端９０が陰極トーチノズルの放電端９２の
上方のレベルに保持されないと、陽極ジェットの陽極ト
ーチノズル８０の端部へのアーク付着により陽極トーチ
が次第に衰えてしまう。

【００５６】図６に示したように、溶融機シェル２２内
で材料の溶融あるいは処理を開始するためには、陰極ト
ーチノズル７６の放電端９２が溶融機シェルの長手軸上
にほぼ位置し、実際には垂直に近い角度で傾斜し、また
出口穴アッセンブリ３０の出口穴３２に向けられる。直
径約３フィートの炉内では、陽極トーチノズル８０の放
電端９０は、溶融機シェル２２の長手軸から２−３イン
チ外れて位置し、さらに垂直に対して約４５°の角度で
傾斜しており、また同様に出口穴アッセンブリ３０の出
口穴３２に向けられている。

【００５７】電流は、結合ゾーン８８となる溶融物プー
ル３６を通過して陰極プラズマジェット９４と陽極プラ
ズマジェットの間を転移する。溶融物プール３６内の材
料を介する電流の通過のため、材料は抵抗加熱発生によ
り加熱される。

【００５８】図７と８に示したように、本方法の通常の
動作段階においては、陰極トーチノズル７６の放電端９
２は水平方向の２−３インチ外方の溶融物シェル２２の
長手軸に対してオフセットした位置に移動し、また陽極
トーチノズル８０の放電端９０は水平方向の２−３イン
チ内方の、溶融物シェル２２のほぼ長手軸上の位置に移
動する。陽極トーチノズルの放電端は、陰極トーチノズ
ルの放電端の約３−４インチ上方にそのまま位置させら
れ、かつ出口穴アッセンブリ３０の出口穴３２に向け続
けられるので、ジェットは出口穴の上方の溶融物の中心
線上の溶融プール３６に接触する。

【００５９】垂直方向に対する陰極トーチ６０の傾斜角
度を変化させて溶融プールの直径を調節することで温度
制御が可能となる。入力が同じであれば、陰極プラズマ
ジェット９４が溶融物プールに接触する箇所が溶融機シ
ェル２２の中央線から外方へ離間するほど、溶融物プー
ル３６の容積が増大し、溶融物プールの温度は低下す
る。かくして、陰極ジェットが溶融機シェル２２内で処
理される材料に接触する位置を変化させることで、本方
法の操作温度を調整することができる。

【００６０】溶融あるいは処理される追加の材料は、供
給ポートチューブ６６を通ってプラズマアーク炉２０内
に導入される。このプラズマアーク炉２０内でスクラッ
プ材料を処理するためには、材料を事前処理して適切な
装入原料を形成しなければならない。例えば、繊維状ガ
ラススクラップは切断し、ロール粉砕し、粒状化し、ハ
ンマーミルで粉砕しあるいは切断して、小さな繊維の固
まりにする。このように予備処理した材料は、次いで、
供給チューブ（図示せず）によってプラズマアーク炉２
０にスクリュー供給され、また供給チューブ内で材料が
詰まるのを防止するために若干正圧の空気圧を加えら
れ、そして供給ポートチューブ６６を通ってプラズマア
ーク炉２０内に導入される。

【００６１】上記したように、供給ポートチューブ６６
は、溶融機シェル２２の長手軸に対してオフセットして
いるため、炉２０に加えられる材料は、溶融機シェル２
２の長手軸から水平方向にオフセットした位置で、かつ
結合ゾーン８８の外側の位置で、溶融プール内に導入さ
れる。炉内で処理される材料の滞留時間に影響を与える
ことに加え、溶融機シェルの長手軸から水平方向にオフ
セットした位置で、溶融機シェル２２内に装入原料を供
給することで、装入原料による固体の側壁層３４が確立
され、この層は溶融されることなく溶融機シェルの側壁
２８を絶縁する。溶融物プール３６の表面の直径は、溶
融機シェル内への装入材料の供給速度、供給ポートチュ
ーブ６６の水平方向位置、並びに陰極トーチの位置によ
って大きく支配される。溶融機シェルの長手軸から水平
方向にオフセットした位置において装入原料を導入する
ことにより、溶融物プール３６の表面上に溶融物の「泡
立った」層９８を存在させることができる。この溶融物
の泡立った層９８は、溶融物プール３６の表面からの放
射熱損失を効率的に減じることができる。

【００６２】図７に示したように、溶融物プールの垂直
方向の形は楕円形状である。最も高い温度の領域は陰極
トーチの放電端９２と同じ半径に位置している。通常の
運転中には、上記の図８から分かるように、溶融機シェ
ルは反時計方向に、１分間当たり３と３０の間の回転速
度で回転する（好ましくは１分当たり約６回転）。これ
により、新しく追加された材料は、それが陽極トーチ６
２の放電端９０の下を通過する前に、陰極トーチ６０の
放電端９２の下を通過する。

【００６３】陰極トーチ６０は、陽極トーチ６２により
生成されるプラズマジェットよりも大きな密度を持った
プラズマジェット９４を生成する。このため、陰極トー
チ６０のプラズマジェット９４は供給ポートチューブ６
６を通って炉２０内に導入された溶融していないバッチ
を貫通することができる。陰極トーチ６０のプラズマジ
ェット９４により加熱された後は、部分的に溶融したバ
ッチは陽極トーチ６２のプラズマジェット９６の下を通
る。バッチは陽極トーチのプラズマジェット９６に達す
る前に部分的に溶融されているので、より小さい密度の
陽極トーチプラズマジェット９６の不安定性が問題にな
ることはない。溶融機シェル２２の回転が逆になった場
合には、新たに追加されたバッチは、陰極トーチプラズ
マジェット９４の下を通過する前に、陽極トーチのプラ
ズマジェット９６の下を通過し、陽極トーチの不安定
化、ならびに陽極トーチの消耗の原因になる。

【００６４】１平方インチ当たり約４０ポンドの圧力の
空気、酸素あるいは水蒸気が、図５−７に示したよう
に、水冷却された注入チューブ７２を通って、プラズマ
ジェット間の低圧ゾーン内に直接注入される。この注入
は、図９に示された実施例では幕でカバーされたプラズ
マトーチ１００を通して、また図１０に示した実施例で
はプラズマトーチの下側に取り付けられた注入チューブ
１３７を通して、行われる。プラズマジェット間への空
気、酸素あるいは蒸気（酸化性ガス）の注入は、プラズ
マガス中の準安定性の酸素イオン（陽イオンと陰イオン
の双方）の流れを維持し、またエネルギーに富む酸素イ
オンの迅速な酸化効果により炭化水素の焼却は迅速且つ
効率的に行われる。このようにして、プラズマジェット
９４と９６の間の領域内に供給された追加の酸素は、処
理される材料中の有機物の完全な燃焼に対して大きな燃
焼効率を提供し、また炉をガラス材料に使用する場合に
はガラス溶融体の酸化還元電位を制御するために使用す
ることができる。

【００６５】図９は、本発明のプラズマトーチ１００の
長手方向の断面図を示したものである。図示したトーチ
は陽極トーチであり、図３及び４の陽極トーチと同様
に、円筒状の電極素子１０２、プラズマトーチノズル１
０４、並びにプラズマトーチ幕１０６から構成される。
この電極素子は銅から作られており、高純度の銅ボタン
チップ１０８を有している。陰極トーチは、図３及び４
の陰極トーチと同様であるが、銅ボタンチップ１０８が
トリウムタングステンの円錐状のチップで置き替わって
いる。この電極素子１０２およびそのチップ１０８は、
ノズルスリーブ１０４の内側に取り付けられている。ノ
ズルスリーブ１０４は、壁１１４と１１６により形成さ
れ、水がノズルを冷却するために通過する冷却チャンバ
１１２を備えた、２重壁構造の円筒状のチューブであ
る。このノズルはまた、圧力下においてプラズマガスが
これらを通ってプラズマトーチ１００内に導入される管
状の壁１１６と１１８により規定される管状の溝１２０
を有している。ノズルは電極素子チップ１０８の端を越
えて延在し、また管状の溝１２０が管状の放電開口１２
２に設けられており、これは、ガスを管状の溝１２０か
ら電極チップ１０８の領域内に導入してプラズマジェッ
トを形成する。

【００６６】プラズマトーチノズル１０４が管状の幕１
０６の内側に設けられている。この幕は、ステンレス鋼
あるいは銅で作られ、水が通過して幕や他のトーチの構
成部分を冷却する管状の冷却チャンバ１２４を有してい
る。幕の内壁１２８とトーチノズル１０４の外壁１１４
との間には、管状の溝１２６が形成されている。幕１０
６は、ノズル１０４の端まで延在し、またトーチのため
の放電開口１３２を形成するために、直径が減じられた
環状部１３０を有している。管状の溝１２６を通って導
入された圧力ガスは、プラズマトーチノズル１０４の放
電開口１２２の下流に隣接した環状の開口１３４を通っ
て、トーチの放電開口１３２内に導入される。種々のガ
スがプラズマトーチノズルとプラズマトーチ幕とを介し
て導入され、特別な処理の要求に適合できるようにして
ある。

【００６７】図１０は、本発明の改良されたプラズマト
ーチ系を示したもので、陰極トーチ６０及び陽極トーチ
６２には、空気、酸素、または蒸気の注入チューブ１３
７が設けられている。チューブ１３７は、陰極および陽
極電極ノズル７６と８０の下側に沿って延在し、それぞ
れに溶接されている。注入チューブ１３７から空気、酸
素あるいは蒸気がプラズマジェット９４と９６内に注入
された場合には、プラズマジェットは、図１０で仮想線
で示した方向から図１０で実線で示した方向に直線化す
る。これにより、酸素を供給して燃焼が促進し、またプ
ラズマジェット９４と９６をトーチノズル７６と８０の
先端から離すことで、両トーチのトーチ性能を向上させ
ることができる。

【００６８】上記した通り、プラズマジェット９４、９
６とトーチノズルの端部との接触により、ノズルを介し
てのショートが生じ、ノズルが損傷し、また処理が停止
する可能性がある。通常の運転中は、陰極プラズマジェ
ット９４が陽極プラズマジェット９６よりも強力である
ので、陽極トーチのプラズマジェットを陽極トーチノズ
ルの端部に接触しないようにするためには、陽極プラズ
マトーチ６２の下側に存在する注入チューブの空気、酸
素あるいは蒸気の圧力は、陰極プラズマトーチ６０の下
側に存在する注入チューブの空気、酸素あるいは蒸気の
圧力よりも大きくなければならない場合がある。上記し
た通り、炉あるいは焼却炉の運転中は、陽極トーチノズ
ルの放電端９０が陰極トーチノズルの放電端９２の上方
に位置するので、陽極トーチ６２の下側に存在する注入
チューブの空気、酸素あるいは蒸気の圧力を高い圧力に
する必要は、減少しあるいは消滅する。しかしながら、
陰極と陽極のノズルの放電端が溶融物の上方でほぼ同じ
レベルに位置し、陽極トーチプラズマジェット９６と陽
極トーチノズルとの間の接触が防止されなければならな
い場合には、陽極トーチ６２の下側に存在する注入チュ
ーブ１３７の空気、酸素あるいは蒸気の圧力を、陰極ト
ーチ６０の下側に存在する注入チューブ１３７の空気、
酸素あるいは蒸気の圧力よりも高い圧力にする必要があ
る。

【００６９】図１２は、本発明の装置で使用される第２
の実施例の陽極トーチ２００の長手方向の断面図であ
る。材料の処理速度が１時間当たり５００ポンド以上の
場合は、管状電極陽極トーチ２００がボタン状電極陽極
トーチ１００よりも好ましい。この陽極トーチ２００
は、管状の水冷却された電極ハウジング２０２、電極ハ
ウジング２０２の内側に設けられた管状の電極２０４、
電極ハウジング２０２を収納する管状の水冷却された幕
・ノズルアッセンブリ２０６、並びに幕・ノズルアッセ
ンブリ２０６と電極ハウジング２０２の中間にある空気
供給溝付きカラー２０８から構成される。

【００７０】管状の電極２０４は、一端が閉じており、
また内側の円筒状の表面２１０と外側の円筒状の表面２
１２を有している。この電極は、好ましくは、高純度の
銅で作られる。上記の電極ハウジングは、ステンレス鋼
あるいは銅で作られ、内側の管状の壁２１４と外側の管
状の壁２１６を有している。冷却水は、入り口チューブ
２１８を通って電極ハウジング２０２内に導入され、ま
た出口スリーブ２２０を通って電極ハウジングから放出
される。入り口チューブ２１８を通って電極ハウジング
内に導入された後は、冷却水は、管状の電極２０４の外
側の円筒状の表面２１２と電極ハウジングの内側の壁２
１４の間を通過して、管状の電極２０４を冷却する。こ
の冷却水は、次いで、電極ハウジングの内側の管状の壁
２１４と外側の管状の壁２１６の間を通って戻り、出口
スリーブ２２０を通って出る。

【００７１】幕・ノズルアッセンブリ２０６は、ステン
レス鋼あるいは銅で作られる。この幕・ノズルアッセン
ブリは、内側の管状の壁２２２、外側の管状の壁２２
４、並びに中間の管状の壁２２６から構成される。冷却
水は、内側の管状の壁２２２と中間の管状の壁２２６と
で形成されるスリーブを通って冷却水が流入し、また中
間の管状の壁２２６と外側の管状の壁２２４とで形成さ
れるスリーブを通って出ることで、幕・ノズルアッセン
ブリ２０６を通って循環する。幕・ノズルアッセンブリ
２０６のノズル部分２２８は、ノズルの首部を規定する
内側の円筒状の表面２３０を有している。この円筒状の
内側表面により形成される首部の直径は、管状の電極２
０４の内側の円筒状の表面２１０の直径と、実質的に同
じである。

【００７２】トーチ２００により形成されるプラズマジ
ェットのための、加圧された酸化性ガス、好ましくは空
気は、ガスが電極ハウジングの外側の管状の壁２１６お
よび幕・ノズルアッセンブリの内側の管状の壁２２２と
の間に形成される管状の溝２３２を通過することで、ト
ーチ内に導入される。幕・ノズルアッセンブリ２０６の
ノズル部分２２８の内側の管状の表面２３４は、管状の
電極２０４の環状表面から離間されている。これら２つ
の面は、管状の溝２３２から電極２０４の内側および幕
・ノズルアッセンブリのノズル部分２２８の首部にプラ
ズマジェットの加圧用のガスを導入するための環状の入
り口を形成している。酸化性ガスが管状の溝２３２に入
ると、酸化性ガスは、電極ハウジング２０２の外側の管
状の壁２１６と幕・ノズルアッセンブリの内側の管状の
壁２２２の中間に位置する溝付きカラー２０８を通過す
る。図１３に詳細に示したように、上記の溝付きカラー
２０８は、その外面に複数の螺旋状溝２３８を有してお
り、これにより、酸化性ガスは環状入り口を通ってノズ
ル首部および電極２０４の内側を渦を巻いて通るように
なる。

【００７３】陽極トーチ２００の動作中は、酸化性ガス
（好ましくは空気）の流れは、管状の電極２０４の開口
端を通過し、管状の電極の内側に減圧されたゾーンが作
られて、管状電極２０４内部に酸化性ガスが引き込まれ
る。このため、トーチ２００のプラズマアークが管状の
電極の内側の円筒状の表面２１０に付着し、また酸化性
ガスの渦巻きあるいは回転により、アーク付着点が電極
の内側の円筒状の表面の回りを回転する。陽極トーチ２
００を通過する酸化性ガスの流量を変化させることで、
管状電極の内側で生成される部分的な真空の減圧状態を
変化させることができ、このため、管状の電極２０４の
内側のアーク付着点の軸方向の位置を変えることができ
る。このように、管状の電極の内側のアーク付着点を電
極２０４の内側の円筒状の表面２１０の回りに常に回転
できることに加え、電極の内側の円筒状の表面２１０に
沿って軸方向に移動でき、同時に電極腐食を減じること
ができる。アーク付着点を管状の電極の内側で軸方向に
移動させる一つの方法として、従来のガス流量調整器を
用いて陽極トーチ２００を通過する酸化性ガスの脈動を
生じさせる方法がある。

【００７４】ボタン状電極陽極トーチ１００でなく管状
電極陽極トーチ２００を用いた本発明のプラズマ溶融、
燃焼および焼却装置の起動および作動は、基本的には、
ボタン状電極陽極トーチ１０に関して上記で説明したも
のと同様である。しかしながら、アルゴンガスを用いた
管状電極陽極トーチ２００では、作動を開始した後は、
陰極トーチがアルゴンガスから窒素に切換えられる際
に、トーチのプラズマガスを酸化性ガス（蒸気や酸素も
使用できるが、好ましくは空気）に切換られる。

【００７５】管状電極２００においてプラズマガスとし
てアルゴンでなく空気を使用することで、ボタン状電極
陽極トーチ１００を使用して形成されるアルゴンガスプ
ラズマジェットより高いエネルギーの、あるいは強力な
プラズマジェットが形成される。加えて、管状電極陽極
トーチ２００を通る空気の流量は、陽極トーチ１００を
通るアルゴンの流量よりも大きくする。このため、管状
電極陽極トーチ２００により形成されるプラズマジェッ
トは、ボタン状電極陽極トーチ１００により形成される
プラズマジェットよりも強力である。よって、管状電極
陽極トーチ２００は、その高いエネルギーの、あるいは
強力なプラズマジェットにより、トーチ２００のノズル
部分２２８への陽極プラズマジェットのアーク付着なし
に、そのノズルの放電端を陰極トーチノズルの放電端と
同じレベルにして運転することができる。加えて、管状
電極陽極トーチ２００のプラズマジェット中の酸素によ
り、ボタン状電極アノードトーチのプラズマジェットよ
りも、有機物スクラップのような有機材料をより良く燃
焼させることができる。

【００７６】図１１は、プラズマアーク炉２０からの廃
棄ガス１３８を処理するための、本発明の実施例を示し
たものである。プラズマアーク炉２０は、ある種の材料
をその廃棄ガス１３８内に揮発姓の有機成分が存在しな
いように処理するために使用されていた。このため、こ
のプラズマアーク炉２０は、これらの材料中の有機物を
効率的に分解し、よってその他の汚染軽減装置あるいは
特定の発煙を収集するためのバッグハウスなどは不要で
あった。しかしながら、スクラップ材料の中には非常に
高い有機物含有量のものがあり、全部の有機物を分解す
るために更に処理が必要なことがある。

【００７７】図１１に示した本発明の実施例は、処理さ
れた材料中の有機物を完全に燃焼するためのプラズマア
ーク再燃焼装置１４０を含む。従来の再燃焼装置も使用
することができる。

【００７８】再燃焼装置１４０は、フード１４２、一対
のプラズマトーチ１４４と１４６、並びに空気、酸素あ
るいは蒸気注入チューブ１４８を備えている。フードは
円筒状の基部１５０、円錐状の中間部１５２、並びに排
気スタック１５４を有している。プラズマトーチ１４４
と１４６は、トーチ６０と６２がプラズマアーク炉２０
内に取り付けられるのと同様に、フードの円錐状の中間
部１５２内に取り付けられおり、またトーチ６０と６２
と同じように機能する。空気、酸素または蒸気注入チュ
ーブ１４８は、炉２０の空気、酸素あるいは蒸気注入チ
ューブ７２と同様に、排気ガス中の有機物の燃焼を高め
るものである。

【００７９】操作に際しては、プラズマアーク炉２０か
らの排気ガス１３８は、フードの基部に導入され、ここ
で排気ガスはトーチ１４４と１４６を通過して上昇す
る。トーチは次いで、排気ガス中の残存する有機物を燃
焼する。排気ガスは次いで排気スタック１５４を通って
外部に放出される。

【００８０】以上の本発明の説明では、本発明を例示す
るために特定の実施例を使用した。しかしながら、本発
明はこれら実施例に限定されるものではなく、当業者は
本発明の説明に基づいては他の実施例や変形例を容易に
想定できるものである。従って、本発明は、上記実施例
に限定されるものではなく、添付した請求の範囲により
のみ制限されるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のプラズマアーク炉の断面図であり、溶
融機シェルがその上昇した作動位置にあり、また破線で
その下降した非作動位置を示したものである。

【図２】図１のプラズマアーク炉の一部の詳細な説明図
であり、陰極トーチの据付けと、陰極トーチ（陽極トー
チの据付けも同様である）の移動範囲を示したものであ
る。

【図３】本発明のプラズマ点火のための非転移アークモ
ードでの作動中における遠隔結合されたプラズマトーチ
を示した模式図である。

【図４】本発明の通常の作動のための転移アークモード
での作動中における遠隔結合されたプラズマトーチを示
した模式図である。

【図５】プラズマ点火中におけるプラズマアークトーチ
の位置を示した模式的正面断面図である。

【図６】材料の溶融処理が開始されて穴が開口した状態
のプラズマアークトーチの位置を示した模式的正面断面
図である。

【図７】通常作動中プラズマアークトーチの位置を示し
た模式的正面断面図である。

【図８】通常作動中のプラズマアークトーチの位置を示
した図７中の８−８線における模式的平面断面図であ
る。

【図９】銅製ボタン状電極と、加圧空気、酸素あるいは
蒸気を結合ゾーンに導入するための水冷却されたトーチ
幕とを備えた本発明の陽極プラズマトーチの長手方向に
おける断面図である。

【図１０】加圧空気、酸素あるいは蒸気を結合ゾーン内
に導入するための、空気、酸素あるいは蒸気チューブを
備えた本発明の陽極トーチと陰極トーチの詳細な説明図
である。

【図１１】プラズマアーク再燃焼装置を備えた本発明の
プラズマアーク炉の模式的正面断面図である。

【図１２】銅製管状電極と水冷却されたトーチ幕、並び
にノズルアッセンブリを備えた本発明の第２の陽極プラ
ズマトーチの長手方向の断面図である。

【図１３】図１２の陽極トーチに使用されるプラズマガ
ス用溝付きカラーの斜視図である。

【図１４】図１２の陽極トーチに使用される電極ハウジ
ングの一部切欠断面図である。

【符号の説明】

２０ プラズマアーク炉 ２２ 溶融機シェル ２４ 溶融機フード ２６ 底壁 ２８ 側壁 ３６ 溶融物プール

フロントページの続き (72)発明者 レオナルド エルモ オールス アメリカ合衆国，80104 コロラド，キャ ッスル ロック，サウス レイク ガルチ ロード 977

Claims (30)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 プラズマアーク炉内で材料を加熱する方
   法であって、該プラズマアーク炉が少なくとも２つの逆
   極性の転移型アークプラズマトーチを備えており、該ト
   ーチの一つが陰電極と陰極プラズマジェットを放出する
   ためのノズルを含む陰極トーチであり、該トーチの一つ
   が陽電極と陽極プラズマジェットを放出するためのノズ
   ルを含む陽極トーチであり、かつ前記材料を保持するた
   めの溶融機シェル、並びに該トーチを前記材料に対して
   回転させる手段を含んでなる方法において：前記材料を
   加熱するための結合ゾーンを介しての前記トーチ間にお
   ける電流移動の間、前記陽極トーチノズルのプラズマジ
   ェット放電端を、前記陰極トーチノズルのプラズマジェ
   ット放電端よりも、前記溶融機シェル内の前記材料の上
   部表面のより上方に位置させることを特徴とする方法。
2. 【請求項２】 燃焼効率を高めるために結合ゾーン内に
   酸化性ガスを導入する請求項１記載の方法。
3. 【請求項３】 酸化ガスが空気である請求項２記載の方
   法。
4. 【請求項４】 酸化ガスが酸素である請求項２記載の方
   法。
5. 【請求項５】 酸化ガスが蒸気である請求項２記載の方
   法。
6. 【請求項６】 溶融機シェルがほぼ円筒形状で、上部が
   開口しており、かつ溶融機シェルの上部開口を閉じるた
   めのフードを備えており；陰極トーチノズルの放電端が
   溶融機シェルの長手軸からオフセットしており；加熱さ
   れる材料が溶融機シェルの長手軸からオフセットした位
   置において溶融機シェル内に導入され；かつ溶融機シェ
   ルがプラズマトーチに対して回転しており、材料が陽極
   トーチノズルの放電端の下を通過する前に陰極トーチノ
   ズルの放電端の下を通過する請求項１記載の方法。
7. 【請求項７】 溶融機シェル内で処理される材料の温度
   が、陰極トーチノズルが溶融機シェルの長手軸からオフ
   セットしている距離を調節することで制御され、この距
   離を増大することで材料が処理される温度が低下し、ま
   たこの距離を減少させることで材料が処理される温度が
   上昇する請求項６記載の方法。
8. 【請求項８】 陽極トーチノズルの放電端が、溶融機シ
   ェルの垂直軸のほぼ長手方向上に位置する請求項６記載
   の方法。
9. 【請求項９】 溶融機シェルがほぼ円筒形状で、上部が
   開口しており、かつ溶融機シェルの上部の開口を閉じる
   ためのフードを備えており；溶融機シェル内での材料の
   加熱の開始の間は、陰極トーチノズルの放電端が溶融機
   シェルのほぼ長手軸上に位置し、かつ陽極トーチノズル
   の放電端が溶融機シェルの長手軸に対してオフセットし
   ており、電流は材料を加熱する結合ゾーンを介してトー
   チ間を移動し；溶融機シェル内における材料の溶融が開
   始された後は、陰極トーチノズルの放電端が溶融機シェ
   ルの長手軸に対してオフセットして位置するように移動
   し、また陽極トーチノズルの放電端は溶融機シェルのほ
   ぼ長手軸上に位置するように移動する請求項１記載の方
   法。
10. 【請求項１０】 溶融機シェル内における材料の溶融が
    開始された後は、溶融されるべき追加の材料が、溶融機
    シェルの長手軸に対してオフセットした位置において溶
    融機シェル内に導入され；かつ溶融機シェルがプラズマ
    トーチに対して回転し、材料が陽極トーチノズルの放電
    端の下を通過する前に材料が陰極トーチノズルの放電端
    の下を通過する請求項９記載の方法。
11. 【請求項１１】 溶解された材料が溶融機シェルの垂直
    の長手軸に沿って位置する溶融機シェルの底部内の放出
    口を通って放出され、かつ溶融機シェル内で材料が処理
    される残りの時間が材料を溶融機内に溶融機の長手の垂
    直軸から離して導入することで増大する請求項１０記載
    の方法。
12. 【請求項１２】 溶融機シェル内での材料の加熱の開始
    の間、陰極プラズマジェットと陽極プラズマジェットが
    結合ゾーン内で一緒に結合され、電流がプラズマジェッ
    ト間を直接移動し、プラズマジェットからの熱いプラズ
    マガスの対流とプラズマジェットからの放射熱によって
    材料が加熱される請求項１０記載の方法。
13. 【請求項１３】 溶融機シェル内で材料が溶融した後
    は、材料が結合ゾーンに位置し、陰極プラズマジェット
    と陽極プラズマジェットが結合ゾーン内の材料によって
    一緒に結合し、電流は結合ゾーン内の材料を通過するこ
    とによりプラズマジェットの間を移動し、それにより材
    料が材料内で発生する抵抗熱により溶融される請求項１
    ０記載の方法。
14. 【請求項１４】 陰極プラズマジェットと陽極プラズマ
    ジェットが結合ゾーン内で一緒に結合し、電流はプラズ
    マジェット間を直接移動し、かつプラズマジェットから
    の熱いプラズマガスとプラズマジェットからの放射熱に
    より材料が加熱される請求項１記載の方法。
15. 【請求項１５】 材料が結合ゾーン内に位置し、かつ陰
    極プラズマジェットと陽極プラズマジェットが結合ゾー
    ン内で材料により結合され、電流は結合ゾーン内の材料
    を通過することによりプラズマジェット間を移動し、そ
    れにより材料が材料内で発生する抵抗熱により溶融され
    る請求項１記載の方法。
16. 【請求項１６】材料を溶融するためのプラズマアーク溶
    融機であって、少なくとも２つの逆極性の転移型アーク
    プラズマトーチを備え、該トーチの一つが陰電極と陰極
    プラズマジェットを放出するためのノズルを含む陰極ト
    ーチであり、該トーチの一つが陽電極と陽極プラズマジ
    ェットを放出するためのノズルを含む陽極トーチであ
    り、さらに陰極ノズルの放電端と陽極ノズルの放電端と
    の位置関係を、トーチの間の材料を加熱するための結合
    ゾーンを介する電流の移動のために決定する手段と、ト
    ーチに電流を供給するための手段と、材料を保持するた
    めのほぼ円筒状の溶融機シェルとを有し、前記シェルが
    底壁を有し、前記シェルが上部が開口しており、さらに
    溶融機シェルの上部の開口を覆って位置する溶融機フー
    ドであってプラズマトーチがその中に取付けられている
    溶融機フードを有しているプラズマアーク溶融機におい
    て、 燃焼効率を高めるために結合ゾーン内に酸化性ガスを導
    入する手段を有するプラズマアーク溶融機。
17. 【請求項１７】 陰極トーチノズルの放電端が溶融機シ
    ェルの長手軸に対してオフセットしており：溶融機フー
    ドが溶融機シェルの長手軸に対してオフセットした材料
    供給ポートを有しており；かつ溶融機シェルと溶融機フ
    ードを互いに相対的に回転する手段が設けられ、供給ポ
    ートを通ってプラズマアーク溶融機内に導入された材料
    が、陽極トーチノズルの放電端の下を通過する前に、陰
    極トーチノズルの放電端の下を通過する請求項１６記載
    のプラズマアーク溶融機。
18. 【請求項１８】 溶融機シェルの上部と溶融機フードと
    の間に、プラズマアーク溶融機内への燃焼用空気の流入
    を許容するための隙間が位置しており、溶融機シェルと
    溶融機フードとは垂直に相対的に移動可能で隙間の寸法
    が調節でき、かつ溶融機シェルと溶融機フードとを相対
    的に移動させてプラズマアーク溶融機内に導入される燃
    料用空気の量を調節する手段が設けられている請求項１
    ７記載のプラズマアーク溶融機。
19. 【請求項１９】 結合ゾーンに酸化性ガスを導入するた
    めの手段がトーチの少なくとも１つに取付けられ、プラ
    ズマジェットがトーチノズルの放電端から出るときに酸
    化性ガスがプラズマジェット内に導入される注入チュー
    ブを含む請求項１６記載のプラズマアーク溶融機。
20. 【請求項２０】 結合ゾーン内に酸化性ガスを導入する
    ための手段がトーチの少なくとも１つに取付けられ、プ
    ラズマジェットがトーチノズルの放電端から出るときに
    酸化性ガスがプラズマジェット内に導入される幕を含む
    請求項１６記載のプラズマアーク溶融機。
21. 【請求項２１】 プラズマアーク炉内で材料を加熱する
    方法であって、該プラズマアーク炉が少なくとも２つの
    逆極性の転移型アークプラズマトーチを備えており、該
    トーチの一つが陰電極と陰極プラズマジェットを放出す
    るためのノズルを含む陰極トーチであり、該トーチの一
    つが陽電極と陽極プラズマジェットを放出するためのノ
    ズルを含む陽極トーチであり、かつ前記材料を保持する
    ための溶融機シェル、並びに該トーチを前記材料に対し
    て回転させる手段を含んでなる方法において、 前記陽極トーチノズルのプラズマジェット放電端と前記
    陰極トーチのプラズマジェット放電端とを溶融機シェル
    内の前記材料の上部表面の上方に位置させ、トーチ間に
    結合ゾーンを介して電流を移動させて材料を加熱し、材
    料内の有機物を焼却し、かつ結合ゾーンに酸化性ガスを
    導入して燃焼効率を高めるとともにプラズマジェットを
    偏向させてトーチの放電端にプラズマジェットが接触し
    ないように維持することを特徴とする方法。
22. 【請求項２２】 陽極トーチがプラズマガスとして酸化
    性ガスを用いる請求項１記載の方法。
23. 【請求項２３】 陽極トーチがプラズマガスとして酸化
    性ガスを用いる請求項６記載の方法。
24. 【請求項２４】 陽極トーチがプラズマガスとして空気
    を用いる請求項１４記載の方法。
25. 【請求項２５】 陽極トーチがプラズマガスとして空気
    を用いる請求項１５記載の方法。
26. 【請求項２６】 プラズマアーク炉内で材料を加熱する
    方法であって、該プラズマアーク炉が少なくとも２つの
    逆極性の転移型アークプラズマトーチを備えており、該
    トーチの一つが陰電極と陰極プラズマジェットを放出す
    るためのノズルを含む陰極トーチであり、該トーチの他
    の一つが陽電極と陽極プラズマジェットを放出するため
    のノズルを含む陽極トーチであり、さらに材料を保持す
    るための溶融機シェル、並びに該トーチを材料に対して
    回転させる手段を含んでなる方法において：前記材料を
    加熱するための結合ゾーンを介しての前記トーチ間にお
    ける電流移動の間、前記陽極トーチノズルのプラズマジ
    ェット放電端を、前記溶融機シェル内の材料の上部表面
    から少くとも前記陰極トーチノズルのプラズマジェット
    放電端と同様に離して位置させ、かつ陽極プラズマジェ
    ットのためのプラズマガスとして酸化性ガスを用いるこ
    とを特徴とする方法。
27. 【請求項２７】 溶融機シェルがほぼ円筒形状で、上部
    が開口しており、かつ溶融機シェルの上部開口を閉じる
    ためのフードを備えており；陰極トーチノズルの放電端
    が溶融機シェルの長手軸からオフセットしており；加熱
    される材料が溶融機シェルの長手軸からオフセットした
    位置において溶融機シェル内に導入され；かつ溶融機シ
    ェルがプラズマトーチに対して回転し、材料が陽極トー
    チノズルの放電端の下を通過する前に陰極トーチノズル
    の放電端の下を通過する請求項２６記載の方法。
28. 【請求項２８】 燃焼効率を高めるために結合ゾーン内
    に酸化性ガスを導入する手段が、管状電極を有し、陽極
    プラズマジェットのためのプラズマガスとして酸化性ガ
    スを使用する陽極トーチである請求項１６記載のプラズ
    マアーク溶融機。
29. 【請求項２９】 陽極トーチ内に設けられ、陽極プラズ
    マジェットのアーク付着点を管状電極の内側の円筒状表
    面の回りに回転させるための手段を含む請求項２８記載
    のプラズマアーク溶融機。
30. 【請求項３０】 アーク付着点を回転させる手段がプラ
    ズマガスを案内し、プラズマガスに回転動作を与える溝
    を有するカラーである請求項２９記載のプラズマアーク
    溶融機。