(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
同心に配置する内筒と外筒とを、内筒の底部をなす炉天井と外筒の底部との間に主燃焼室を形成して設け、外筒の底部にスラグポートを形成し、内筒と外筒の間に形成した環状の間隙を通して外筒内に投入する被溶融物をスラグポートの周囲に沿って堆積配置し、炉天井に作動ガスとして圧縮空気を使用するプラズマトーチを堆積層表面に向けてプラズマアークを噴射するように設けたことを特徴とするプラズマ溶融炉。
【請求項２】
複数のプラズマトーチをスラグポートの周囲に配置し、各プラズマトーチのノズル形状をなす本体を一方の電極となし、他方の電極を各ノズル口の前方に同心に配置したことを特徴とする請求項１記載のプラズマ溶融炉。
【請求項３】
複数のプラズマトーチをスラグポートの周囲に配置し、各プラズマトーチのノズル形状をなす本体を一方の電極となし、各プラズマトーチに対応する他方の電極を外筒の底部にスラグポートの周囲に位置して設置したことを特徴とする請求項１記載のプラズマ溶融炉。
【請求項４】
複数のプラズマトーチをスラグポートの周囲に配置し、各プラズマトーチのノズル形状をなす本体を一方の電極となし、各プラズマトーチに対応する他方の電極を一方の電極と並列にしてスラグポートの周囲に設置したことを特徴とする請求項１記載のプラズマ溶融炉。
【請求項５】
スラグポートの下方に二次燃焼室を設けたことを特徴とする請求項１から４の何れかの項に記載のプラズマ溶融炉。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、都市排水などを処理した後の下水汚泥や都市ゴミなどを焼却した後の焼却灰、破砕不燃物等を溶融してスラグに変えるプラズマ溶融炉に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の廃棄物を溶融する溶融炉としては表面式溶融炉がある。図５は従来の表面式溶融炉の断面図である。この表面式溶融炉は竪形円筒回転炉であって、炉体は同心に配置した内筒１と外筒２とからなり、内筒１の底部をなす炉天井１ａの下方には主燃焼室３が形成してある。天井部１ａの中央部にはバーナ等の燃焼装置４が設けてあり、その周囲に複数の空気供給孔５が分散して設けてある。燃焼装置４は天井部のセンターの周囲に適当間隔で複数基を配置することも可能である。
【０００３】
運転時には、燃焼装置４あるいは空気供給孔５から空気を供給する状態において、燃料タンク６から供給する灯油などの燃料が燃焼装置４において燃焼するとともに、主燃焼室３内に収容した下水汚泥、焼却灰、破砕不燃物等の被溶融物７に含まれた可燃物が自燃焼し、燃焼装置４における高温の燃焼熱、および被溶融物７の燃焼熱によって、被溶融物７が主燃焼室３に臨む表層において効率良く溶融する。
【０００４】
内筒１と外筒２の間に形成する環状間隙には被処理物が貯留してあり、外筒２の回転により被処理物を主燃焼室３内に供給する。また、被処理物の投入は上部一箇所の供給部８より行う。主燃焼室３の下部には二次燃焼室９が備えてあり、未燃ガスを完全燃焼するよう構成している。二次燃焼室９の側壁には二次燃焼用の燃焼装置１０（設けない場合もある）が設けてあり、二次燃焼室９には燃焼ガスを排煙するための煙道１１が連通し、二次燃焼室９の下部にはスラグコンベア１２ａを備えたスラグ排出装置１２が設置してある。被溶融物７の溶融スラグは高温の燃焼ガスと共に、炉底部のスラグポート１３から二次燃焼室９を通って連続的にスラグ排出装置１２に流下し、冷却固化してスラグとなり、スラグコンベア１２ａがスラグを炉外に搬送する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記した表面式溶融炉においては、燃焼装置４において灯油等の燃料が燃焼することによって生じる燃焼熱を溶融のための熱源としているので、主燃焼室内を１３００〜１５００℃の高温雰囲気に維持するためには、燃料が高効率で燃焼することが必要であり、燃料量と空気量の適宜な制御が必要である。また、主燃焼室における燃焼を効果的に行うためには、燃料分と酸素との接触ならびに反応に十分な滞留時間を確保できる燃焼空間の広がりが必要である。また、燃焼エネルギーを熱源として利用するために、燃料燃焼排ガスが必然的に多く発生する。
【０００６】
本発明は、上記した課題を解決するものであり、被溶融物の溶融に要する主な熱エネルギーを酸素消費を伴うことなく発生させることにより、主燃焼室で発生する排ガス量を低減するとともに、燃焼のための空間を不要となして主燃焼室を小さくすることができるプラズマ溶融炉を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記した課題を解決するために、本発明のプラズマ溶融炉は、同心に配置する内筒と外筒とを、内筒の底部をなす炉天井と外筒の底部との間に主燃焼室を形成して設け、外筒の底部にスラグポートを形成し、内筒と外筒の間に形成した環状の間隙を通して外筒内に投入する被溶融物をスラグポートの周囲に沿って堆積配置し、炉天井に作動ガスとして圧縮空気を使用するプラズマトーチを堆積層表面に向けてプラズマアークを噴射するように設けた構成としたものである。
【０００８】
また、複数のプラズマトーチをスラグポートの周囲に配置し、各プラズマトーチのノズル形状をなす本体を一方の電極となし、他方の電極を各ノズル口の前方に同心に配置した構成としたものである。
【０００９】
また、複数のプラズマトーチをスラグポートの周囲に配置し、各プラズマトーチのノズル形状をなす本体を一方の電極となし、各プラズマトーチに対応する他方の電極を外筒の底部にスラグポートの周囲に位置して設置した構成としたものである。
【００１０】
また、複数のプラズマトーチをスラグポートの周囲に配置し、各プラズマトーチのノズル形状をなす本体を一方の電極となし、各プラズマトーチに対応する他方の電極を一方の電極と並列にしてスラグポートの周囲に設置した構成としたものである。
【００１１】
また、スラグポートの下方に二次燃焼室を設けた構成としたものである。
【００１２】
【作用】
上記した構成により、運転時には、プラズマトーチの陽極と陰極の間にアークを発生させるとともに、アークの周囲に作動ガスとして圧縮空気を供給し、生起する高温プラズマを被溶融物の堆積層表面に向けて噴射し、プラズマアークの放射熱により被溶融物を表層から溶融する。作動ガスである圧縮空気は、被溶融物の燃焼用空気として作用し、被溶融物は自らの燃焼熱およびプラズマアークの放射熱により効率良く溶融し、溶融した溶融スラグはスラグポートから炉外に流れ出る。
【００１３】
したがって、被溶融物の溶融に要する主な熱量を高温のプラズマにより供給することによって、酸素消費を伴わない熱分解反応によって効率のよい溶融処理を行うことができる。このため、主燃焼室に燃焼用空気を供給することはほとんど不要であり、燃料の燃焼を伴う場合に比して排ガス量は少ないものとなり、燃焼のための空間を不要となして主燃焼室を小さくすることができる。
【００１４】
また、複数のプラズマトーチをスラグポートの周囲に配置し、各プラズマトーチのノズル形状をなす本体を一方の電極となし、他方の電極を適宜に配置することにより、プラズマアークの形状を任意の形態に保持することができ、被溶融物に対する熱量供給に好適なプラズマアークの形状を選定することができる。
【００１５】
また、主燃焼室で被溶融物を熱分解することにより発生した未燃ガスは二次燃焼室において完全燃焼させることができる。
【００１６】
【実施例】
以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。図１において、プラズマ溶融炉２１は同心に配置する内筒２２と外筒２３とを備えており、内筒２２と外筒２３は共に有底形状をなしている。内筒２２と外筒２３は、内筒２２の底部をなす炉天井２４と外筒２３の底部をなす炉底２５との間に主燃焼室２６を形成するように配置してあり、炉底２５にはスラグポート２７が形成してある。
【００１７】
内筒２２と外筒２３の間には環状に間隙２８が形成してあり、間隙２８の適当位置には被溶融物２９を投入するためのホッパ（図示せず）が設けてある。内筒２２の上部外周には間隙２８の開口を覆ってカバー３０が固定してある。カバー３０の外周縁は外筒２３の上部外周に設けた水封装置３１内に没しており、内筒２２は固定部材（図示せず）により固定支持している。
【００１８】
外筒２３は軸心廻りに回転自在に配置してあり、固定部材３２には外筒２３の底部を支持する支持ローラ３３が設けてある。外筒２３の下部外周にはラック３４が設けてあり、このラック３４に噛合するピニオン３５を駆動する減速機３６および駆動装置３７が外筒２３の側方に位置して固定部材３８に設けてある。
【００１９】
被溶融物２９は下水汚泥、焼却灰、破砕不燃物等からなり、スラグポート２７の周囲に沿って堆積配置しており、その堆積層表面３９はスラグポート２７の開口周縁に向けて安息角をなす傾斜面を形成している。
【００２０】
炉天井２４にはノントランスファー型の複数のプラズマトーチ４０がスラグポート２７を囲んで設けてあり、プラズマトーチ４０は作動ガスとして圧縮空気を使用し、堆積層表面３９に向けてプラズマアーク４１を噴射するものである。プラズマトーチ４０はノズル形状をなす本体４０ａが金属円筒体をなして水冷ジャケットを有しており、本体４０ａの上端には冷却水供給手段４２および圧縮空気供給手段４３が接続してある。プラズマトーチ４０は本体自身が一方の電極を形成し、他方の電極なす電極部材４４がノズル口の前方に同心に配置してあり、本体４０ａが陽極をなし電極部材４４が陰極をなすように電源装置４５を接続している。
【００２１】
スラグポート２７の下方には二次燃焼室４６が備えてある。図示を省略するが、二次燃焼室４６の側壁には二次燃焼用の燃焼装置と燃焼した燃焼ガスを排煙するための煙道が設けてあり、二次燃焼室４６の下部には冷却装置およびスラグコンベアを設置し、冷却固化したスラグを炉外に搬送するように構成している。
【００２２】
以下、上記した構成における作用を説明する。運転時には、電源装置４５によって、プラズマトーチ４０の陽極をなす本体４０ａと陰極をなす電極部材４４の間に高圧電圧を印加し、電極間にアークを発生させるとともに、圧縮空気供給手段４３によってアークの周囲に作動ガスとして圧縮空気を供給する。本体４０ａ内において生起する高温プラズマは、圧縮空気の気流とともにノズル口から被溶融物２９の堆積層表面３９に向けて噴出し、陰極に導かれてプラズマアークを形成し、プラズマアークの放射熱により被溶融物２９を表層から溶融する。
【００２３】
このように、被溶融物２９の溶融に要する主な熱量を高温のプラズマにより供給することによって、集中して高密度に高エネルギーを供給することができ、酸素消費を伴わない熱分解反応によって、小さい空間領域において効率のよい溶融処理を行うことができる。このため、主燃焼室２６に燃焼用空気を供給することはほとんど不要であり、燃料の燃焼を伴う場合に比して排ガス量は少ないものとなり、主燃焼室２６を小さくすることができる。溶融した溶融スラグ４７はスラグポート２７から二次燃焼室４６を通って冷却装置（図示せず）に滴下する。また、主燃焼室２６において熱分解により発生した未燃ガス（ＣＯ2 ）は、二次燃焼室４６において完全燃焼させる。
【００２４】
一方で、減速機３６および駆動装置３７によりピニオン３５を駆動し、ピニオン３５とラック３４の噛合により外筒２３を回転駆動し、内筒２４の下端周縁において堆積層から切り出す被溶融物２９を堆積層表面３９に供給し、連続的に被溶融物２９の溶融を行う。
【００２５】
ところで、耐火壁等により主燃焼室を形成した場合には、壁体の熱による損壊を防止するために冷却を行う必要があり、冷却によって熱の損失が生じる。しかし、本実施例のように、堆積層をなす被溶融物２９が断熱層として機能することにより、断熱層の冷却が不要となり、加熱された断熱層が表面において溶融することによって主燃焼室２６における熱量を全て溶融に供することができ、主燃焼室２６における熱損失がなくなる。
【００２６】
また、従来の溶融炉の構成として、溶融スラグの一定量を主燃焼室内に貯留しつつ、オーバーフローによって溶融スラグ取り出す構成があるが、この構成においては貯留した溶融スラグの熱量によって被溶融物を溶融させるので、貯留した溶融スラグに新たな被溶融物を断続的に供給することになり、スラグの排出が断続的となるとともに、主燃焼室における温度が変動する。しかし、本実施例のように、主燃焼室２６を形成する堆積層の表面において溶融を行い、堆積層の表面に新たな被溶融物を供給することによって、溶融スラグを連続して排出するとともに、主燃焼室２６における温度を安定に維持することができる。これは、プラズマによりエネルギーを集中して供給する構成において特に有用である。
【００２７】
また、溶融炉と焼却炉を併設する場合には、焼却炉等の排熱を利用して行う発電の電力をプラズマトーチの作動電源として利用することが可能である。
図２は本発明の他の実施例を示すものであり、先の実施例と同様の作用を行う部材については同一番号を付して説明を省略する。図２において、プラズマトーチ４００はトランスファー型をなすもので、プラズマトーチ４００の本体４００ａは、炭素材からなる直胴状の円筒体をなし、一方の電極をなしている。各プラズマトーチ４０に対応して他方の電極をなす電極部材５１がスラグポート２７の周囲に位置して外筒２１の炉底２５に埋設してある。
【００２８】
この構成においては、各本体４０ａのノズル口と電極部材５１の間に形成するプラズマアーク４１がスラグポート２７の周囲に放射状に存在することになるので、プラズマアーク４１の放射熱をより広範な領域の堆積層表面３９に対して直接的に照射することが可能である。
【００２９】
また、プラズマトーチ４００の本体４００ａの全体が炭素材によって電極を構成するので、電極の先端が摩耗し、他方の電極との間の距離が拡がった場合には、電極の交換等を伴うことなく、プラズマトーチ４００の本体４００ａを下方に繰り出すだけで、調整を行うことができ、メンテナンスが容易である。プラズマトーチ４００は先の実施例のように金属材で構成することも可能である。
【００３０】
図３〜図４は、本発明の他の実施例を示すものであり、先の実施例と同様の作用を行う部材については同一番号を付して説明を省略する。図３〜図４において、プラズマトーチ４０はトランスファー型をなすもので、プラズマトーチ４０の本体４０ａが一方の電極をなすとともに、各プラズマトーチ４０に対応して他方の電極をなす電極部材５２が、スラグポート２７の周囲に位置し、かつ一方の電極をなす本体４０ａと並列にして炉天井２４に設けてある。
【００３１】
この構成においては、各本体４０ａと電極部材５２の間に形成するプラズマアーク４１がスラグポート２７の周囲を囲むように存在するので、プラズマアーク４１の放射熱をより広範な領域の堆積層表面３９に対して直接的に照射することが可能である。また、プラズマトーチ４０の本体４０ａは先の実施例のように炭素材で構成することも可能である。
【００３２】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、圧縮空気を作動ガスとするプラズマトーチを主熱源とし、被溶融物の溶融に要する主な熱量を高温のプラズマにより供給することによって、酸素消費を伴わない熱分解反応によって効率のよい溶融処理を行うことができ、主燃焼室における燃焼用空気をほとんど不要となし、排ガス量を低減するとともに、燃焼のための空間を不要となして主燃焼室を小さくすることができる。また、本体を一方の電極となし、他方の電極を適宜の位置に配置することにより、プラズマアークの形状を任意の形態に保持し、被溶融物に対する熱量供給に好適なプラズマアークの形状を選定することができる。また、主燃焼室で被溶融物を熱分解することにより発生した未燃ガスは二次燃焼室において完全燃焼させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示すプラズマ溶融炉の断面図である。
【図２】本発明の他の実施例を示すプラズマ溶融炉の断面図である。
【図３】本発明のさらに他の実施例を示すプラズマ溶融炉の断面図である。
【図４】同実施例におけるプラズマトーチと電極部材の配置を示す模式図である。
【図５】従来の表面式溶融炉の断面図である。
【符号の説明】
２１  プラズマ溶融炉
２２  内筒
２３  外筒
２４  炉天井
２５  炉底
２６  主燃焼室
２７  スラグポート
２９  被溶融物
３９  堆積層表面
４０  プラズマトーチ
４１  プラズマアーク
４４  電極部材
【図１】
0003547213.tif 000002
【図２】
0003547213.tif 000003
【図３】
0003547213.tif 000004
【図４】
0003547213.tif 000005
【図５】
0003547213.tif 000006