(57)【要約】【課題】操作が容易であり、構成が簡単で、装置を小型化することができるプラズマ溶融装置及びプラズマ溶融方法を提供する。【解決手段】カソード１１と、カソード１１を取り囲み、プラズマ発生用のガスを通すノズル１２との間に電源４１を接続する。カソード１１と、被溶融物３０を配置するアノード２０との間に、電源４１と電源４２の直列回路を接続する。被溶融物３０の溶融処理を行う場合には、電源４１及び電源４２を投入する。電源４１によってノズル１２から発生するプラズマジェットにより、被溶融物３０が加熱溶融される。そして、電源４１と４２によって、プラズマジェットにより加熱溶融された被溶融物の溶融部分とカソード１１との間にプラズマアークが発生する。ノズル１２からは常時プラズマジェットが発生されているため、カソード１１と被溶融物３０との間のプラズマアークが消弧しても、自動的にカソード１１と被溶融物３０との間にプラズマアークが発生する。【選択図】　　　　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
非溶融状態では導電性を有しない被溶融物をプラズマにより溶融するプラズマ溶融装置であって、
第１の電極と、第１の電極を取り囲み、プラズマ発生用ガスを通す導電性のノズルと、被溶融物が配置される第２の電極と、第１及び第２の電源とを備え、第１の電極とノズルとの間に第１の電源が接続され、第１の電極と第２の電極との間に第１及び第２の電源が直列に接続されており、
第１の電源によって、第１の電極とノズルとの間にプラズマジェットを発生させて第２の電極に配置されている被溶融物を加熱溶融させ、
直列接続された第１及び第２の電源によって、溶融して導電性を持った被溶融物と第１の電極との間にプラズマアークを発生させる、
ことを特徴とするプラズマ溶融装置。
【請求項２】
非溶融状態では導電性を有しない被溶融物をプラズマにより溶融するプラズマ溶融装置であって、
第１の電極と、第１の電極を取り囲み、プラズマ発生用ガスを通す導電性のノズルと、被溶融物が配置される第２の電極と、第１及び第２の電源とを備え、第１の電極とノズルとの間に第１の電源が接続され、第１の電極と第２の電極との間に第２の電源が接続されており、
第１の電源によって、第１の電極とノズルとの間にプラズマジェットを発生させて第２の電極に配置されている被溶融物を加熱溶融させ、
第２の電源によって、溶融して導電性を持った被溶融物と第１の電極との間にプラズマアークを発生させる、
ことを特徴とするプラズマ溶融装置。
【請求項３】
非溶融状態では導電性を有しない被溶融物をプラズマにより溶融するプラズマ溶融方法であって、
第１の電極と、第１の電極を取り囲み、プラズマ発生用ガスを通す導電性のノズルとの間に第１の電圧を印加し、第１の電極とノズルとの間にプラズマジェットを発生させて第２の電極に配置されている被溶融物を加熱溶融させ、
第１の電極と、被溶融物が配置された第２の電極との間に第２の電圧を印加し、第１の電極と溶融して導電性を持った被溶融物との間にプラズマアークを発生させる、
ことを特徴とするプラズマ溶融方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、非溶融状態では非導電性を有する被溶融物をプラズマを用いて溶融するプラズマ溶融装置及びプラズマ溶融方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
焼却灰等の、非溶融状態では非導電性を有する被溶融物を溶融する溶融装置として、プラズマ溶融装置が用いられている。
このような、非溶融状態では非導電性を有する被溶融物をプラズマにより溶融するプラズマ溶融装置では、焼却灰が溶融状態にない時には、電極と焼却灰との間にプラズマを発生させるための起動処理が必要である。
焼却灰等の被溶融物をプラズマにより溶融するプラズマ溶融装置における起動方法としては、例えば、特開平８−２１０７７８号公報、特開平９−７２５１９号公報に記載されている起動方法が知られている。
特開平８−２１０７７８号公報に記載されているプラズマ溶融装置の起動方法は、主電極と起動電極を接触させて主電極と起動電極との間にプラズマアークを発生させ、プラズマアークによる加熱溶融によってスラグ層の表面に発生した溶融スラグ部分に起動電極を接触挿入することによって起動させるものである。
また、特開平９−７２５１９号公報に記載の起動方法は、プラズマの停止と同時に溶融炉の上部から導電体をスラグ浴中に打ち込み、導電体と炉体電極との導通を確認した後に起動させるものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
特開平８−２１０７７８号公報に記載のプラズマ溶融装置の起動方法では、主電極と起動電極との間のプラズマアークによってスラグ表面に発生した溶融スラグ部分に起動電極を接触挿入させる操作が必要である。
特開平９−７２５１９号公報に記載のプラズマ溶融装置の起動方法では、導電体をスラグ浴中に打ち込む操作が必要である。
すなわち、前記した従来のプラズマ溶融装置の起動方法は、起動電極あるいは導電体等を移動させる操作が必要である。このため、操作性がよくないと考えられる。
また、起動電極あるいは導電体等を移動可能とする機構を用いる必要があるため、構成が複雑となり、装置を小型化するのにも限度がある。
そこで、本発明は、非溶融状態では非導電性を有する被溶融物をプラズマにより溶融するプラズマ溶融装置及びプラズマ溶融方法であって、操作性がよく、装置の構成が簡単で、小型化が可能であるプラズマ溶融装置及びプラズマ溶融方法を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための本発明の第１発明は、請求項１に記載されたとおりのプラズマ溶融装置である。
請求項１に記載のプラズマ溶融装置では、第１の電極と、第１の電極を取り囲み、プラズマ発生用ガスを通す導電性のノズルとの間に第１の電源が接続され、第１の電極と、非溶融状態では非導電性を有する被溶融物が配置される第２の電極との間に第１及び第２の電源が直列に接続されており、第１の電源によって、第１の電極とノズルとの間にプラズマジェットを発生させて第２の電極に配置されている被溶融物を加熱溶融させ、直列接続された第１及び第２の電源によって、溶融して導電性を持った被溶融物と第１の電極との間にプラズマアークを発生させる。これにより、第１及び第２の電源を投入する操作だけで、第１の電極と被溶融物間にプラズマアークを発生させる（起動させる）ことができる。さらに、第１の電極と第２の電極との間に、第１の電極とノズルとの間に接続される第１の電極と第２の電極が直列に接続されているため、例えば、焼却灰等の非溶融状態では非導電性を有する被溶融物が大量に投入されてプラズマアークが消弧した場合でも、第１の電圧によって発生しているプラズマジェットにより被溶融物が加熱溶融され、加熱溶融されて導電性を有するようになった被溶融物と第１の電極との間にプラズマアークが自動的に再発生する（再起動する）。このように、第１発明では、起動時または再起動時に、従来のプラズマ溶融装置のように起動電極や導電体を移動させる操作が不要であるため、操作性がよい。さらに、起動電極や導電体を移動可能とする機構が不要であるため、装置の構成が簡単となり、また、装置の小型化が容易となる。
なお、「第１の電源と第２の電源を直列に接続する」という構成は、別体の電源装置を直接に接続する構成だけでなく、１つの電源装置から第１の電源と第２の電源を出力する構成も含まれる。
また、本発明の第２発明は、請求項２に記載されたとおりのプラズマ溶融装置である。
請求項２に記載のプラズマ溶融装置では、第１の電極と、第１の電極を取り囲み、プラズマ発生用ガスを通す導電性のノズルとの間に第１の電源が接続され。第１の電極と、非溶融状態では非導電性を有する被溶融物が配置される第２の電極との間に第２の電源が接続されており、第１の電源によって、第１の電極とノズルとの間にプラズマジェットを発生させて第２の電極に配置されている被溶融物を加熱溶融させ、第２の電源によって、溶融して導電性を持った被溶融物と第１の電極との間にプラズマアークを発生させる。これにより、第１及び第２の電源を投入する操作だけで、第１の電極と被溶融物間にプラズマアークを発生させる（起動させる）ことができる。また、例えば、プラズマアークが消弧した場合には、第１の電源を投入するだけで、第１の電極と被溶融物との間にプラズマアークが再発生する（再起動する）。さらに、第１の電源を常時投入しておけば、プラズマアークが消弧した場合に、プラズマアークが自動的に再発生する（再起動する）。このため、操作性がよく、構成が簡単であり、小型化が可能である。
また、本発明の第３発明は、請求項３に記載のプラズマ溶融方法である。
請求項３に記載のプラズマ溶融方法では、第１の電極とノズルとの間に第１の電圧を印加し、第１の電極とノズルとの間にプラズマジェットを発生させて第２の電極に配置されている被溶融物を加熱溶融させ、第１の電極と、非溶融状態では非導電性を有する被溶融物が配置されている第２の電極との間に第２の電圧を印加し、第１の電極と溶融した被溶融物との間にプラズマアークを発生させる。これにより、第１発明や第２発明と同様に、第１及び第２の電源を投入する操作だけで、第１の電極と被溶融物間にプラズマアークを発生させる（起動させる）ことができる。さらに、例えば、プラズマアークが消弧した場合でも、第１の電極と被溶融物との間にプラズマアークを容易に再発生させる（再起動させる）ことができる。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明に係るプラズマ溶融装置の一実施の形態の概略構成図である。
本実施の形態のプラズマ溶融装置１００は、プラズマトーチ１０、プラズマ溶融炉１２０、電源１３０により構成されている。
プラズマ溶融炉１２０には、被溶融物３０が収納される導電性を有するるつぼ２０が配置されている。るつぼ２０は、プラズマアーク発生のための電極（アノード）となる。るつぼ２０よりあふれた溶融物は、回収室１４０で冷却固化されて回収される。
本実施の形態では、プラズマの高温によって溶融する被溶融物３０として、非溶融状態では非導電性を有し、溶融時には導電性を有する物質を対象とし、基本的にはすべての固体成分がその対象となる。このような被溶融物３０としては、例えば、廃棄物、廃棄物やその他の物質を焼却あるいは炭化処理して発生する未燃固化物である焼却灰や炭化物、下水汚泥、金属精錬時に発生する高融点のスラッジ、ガラス等の不燃物がある。廃棄物としては、産業廃棄物、都市ゴミや医療廃棄物等様々なものがある。
特に、このような対象物の中で、現在、環境問題になっている様々の廃棄物や物質を溶融固化することは、これらの廃棄物や物質等の環境への溶出を防止することができ、また、大幅な減容化ができるので、環境負荷の低減にきわめて有効である。
【０００６】
図１に示すプラズマ溶融炉（プラズマ溶融装置）１２０の一実施の形態の構成を図２に示す。
本実施の形態のプラズマ溶融炉（プラズマ溶融装置）１２０は、カソード１１、ノズル１２、アノード２０、電源４１、電源４２により構成されている。電源４１には、プラズマジェットの発生を開始させるための高周波電源が重畳される。高周波電源は、最初にプラズマアークを着火させる時にのみ電源４１に重畳される。
カソード１１（第１の電極）は、例えば、タングステンにより形成され、電源４１の負端子に接続される。
ノズル１２は、例えば、銅により形成され、電源４１の正端子と電源４２の負端子に接続される。ノズル１２は、カソード１１の外面との間に空隙部が設けられ（離間して配設され）、カソード１１を取り囲むように配設されている。空隙部は、先端側（アノード２０側）が開口している。この空隙部には、プラズマ発生用のガス（例えば、アルゴンガス）が注入される。ノズル１２は、通常、冷却水等によって冷却されている。
アノード２０（第２の電極）は、例えば、カーボンにより形成され、電源４２の正端子に接続される。アノード２０は、るつぼ状に形成され、被溶融物３０が配置される。
カソード１１とノズル１２によって、プラズマトーチ１０が構成されている。
電源４１（第１の電源）は、カソード１１（例えば、カソード１１の先端部）とノズル１２（例えば、カソード１１の先端部と対向する、ノズル１２の先端部）との間にプラズマアークが発生する電流（カソード電流）Ｉａをカソード１１とノズル１２に供給する。ノズル１２内に注入されているプラズマ発生用のガスは、カソード１１とノズル１２との間に発生するプラズマアークによってイオン化され、ノズル１２の先端部の開口部からプラズマジェットが発生する。カソード電流Ｉａは、ノズル１２から発生されるプラズマジェットにより、アノード２０に配置されている被溶融物３０が加熱溶融される値に設定する。
直列に接続された電源４１（第１の電源）と電源４２（第２の電源）は、アノード２０に配置されている、ノズル１２から発生されたプラズマジェットにより加熱溶融された被溶融物３０とカソード１１との間にプラズマアークが発生する電流（アノード電流）Ｉｂをカソード１１とアノード２０に供給する。
電源４１（第１の電源）と電源４２（第２の電源）としては、定電流電源を用いるのが好ましい。
定電流電源の構成としては、電源４１は負荷電圧が小さいもの、電源４２は負荷電圧が大きいものが望ましい。電源４１は、トーチ内部の電極１１とノズル１２の間でアーク放電を発生するものであり、電極同士の間隔が小さいため必要とされる負荷電圧は小さいもので充分である。しかしながら、ノズル１２とるつぼ２０の間は距離も大きく被溶融物３０が介在するため、アーク放電を発生させるためには高電圧が必要となる。このため、電源４２は、負荷電圧の大きなものが必要である。電源４１と４２を直列に接続することにより、電極１１とるつぼ２０の間に印加される電圧はその和の高電圧となり、よりアーク放電を発生させ易くなるのである。
また、本実施の形態では、電源４１の電流値を電源４２の電流値より数アンペア程度大きく設定している。これにより、プラズマジェットからプラズマアーク、あるいはプラズマアークからプラズマジェットにスムーズに変化することが可能となった。
【０００７】
次に、本実施の形態のプラズマ溶融装置を用いて被溶融物を溶融する動作を図２〜図４により説明する。
まず、図２に示すように、電源４１（第１の電源）とカソード１１（第１の電極）とノズル１２に接続するとともに、電源４２（第２の電源）をノズル１２とアノード２０（第２の電極）に接続する。これにより、カソード１１とアノード２０との間には、電源４１と電源４２が直列に接続される。被溶融物３０は、るつぼ状のアノード２０に配置される。
電源４１からカソード１１とノズル１２に供給される電流によって、カソード１１とノズル１２の間にプラズマアークが発生し、ノズルからプラズマジェットが発生する。
この時、被溶融物が非溶融状態にあって非導電性を有しており、カソード１１と被溶融物３０との間にプラズマアークが発生しない場合には、被溶融物３０の表面がプラズマジェットによって加熱溶融される。
【０００８】
プラズマジェットによって被溶融物３０の表面が加熱溶融されると、図３に示すように、被溶融物３０の溶融した部分（溶融部分）３１が導電性となる。
溶融部分がアノード迄拡がると、カソード１１とアノード２０との間に直列に接続されている電源４１と電源４２からカソード１１とアノード２０に供給されている電流によって、カソード１１と被溶融物３０の溶融した部分３１との間にプラズマアークが発生し、被溶融物３０はプラズマアークによって加熱溶融される。この時、図４に示すように、比較的重い金属を含む導電性の溶融物３３がアノード２０の下方に、比重の小さい無機質層等３２がアノード２０の上方に分離される。
アノード２０の上部から溢れた溶融物は、冷却水等によって冷却されて固化する。
【０００９】
このような状態で、アノード２０に新たに大量の被溶融物３０が投入された場合、被溶融物３０の非導電性によってカソード１１と被溶融物３０との間のプラズマアークが消弧することがある。
ここで、電源４１がカソード１１とノズル１２に接続された状態にあるため、ノズル１２からプラズマジェットが発生している。
したがって、カソード１１と被溶融物３０との間のプラズマアークが消弧した場合には、ノズル１２から発生しているプラズマジェットによって、起動時と同様に、非溶融物３０が加熱溶融された後、カソード１１と被溶融物３０との間にプラズマアークが自動的に再発生する。
【００１０】
このように、本実施の形態では、第１の電源４１と第２の電源４２が直列に接続され、カソード１１とノズル１２との間に第１の電源４１が接続され、カソード１１とアノード２０との間に第１の電源４１と第２の電源４２の直列回路が接続されている。すなわち、被溶融物３０の溶融処理時、第１の電源４１が常時カソード１１とノズル１２との間に接続された状態にある。
これにより、起動時には、ノズル１２から発生するプラズマジェットによってカソードと被溶融物との間にプラズマアークが自動的に発生する。
また、カソード１１と被溶融物３０との間のプラズマアークが消弧した場合でも、ノズル１２から発生しているプラズマジェットによってカソード１１と被溶融物３０との間に自動的にプラズマアークが再発生する。
このため、非溶融状態では非導電性の被溶融物のプラズマ溶融装置として、操作性がよく、構成が簡単で、小型化が可能なプラズマ溶融装置を得ることができる。
【００１１】
なお、第１の電源４１と第２の電源４２を直列に接続する方法は、別体の電源と直接に接続してもよいし、１つの電源に複数の出力端子を設けてもよい。
【００１２】
以上の実施の形態では、カソード１１とアノード２０との間に第１の電源４１と第２の電源４２を直列に接続し、第１の電源４１をカソード１１とノズル１２に接続したが、電源の接続方法はこれに限定されない。
図５に電源の接続方法を変更したプラズマ溶融装置の他の実施の形態を示す。本実施の形態では、カソード１１とノズル１２との間に電源５１（第１の電源）を接続し、カソード１１とアノード２０との間に電源５２（第２の電源）を接続している。
本実施の形態では、電源５１からカソード１１とノズル１２に供給する電流（カソード電流）Ｉａは、ノズル１２から発生されるプラズマジェットにより、アノード２０に配置されている被溶融物３０が加熱溶融される値に設定する。
また、電源５２からカソード１１とアノード２０に供給する電流（アノード電流）Ｉｂは、アノード２０に配置されている、ノズル１２から発生されるプラズマジェットにより加熱溶融された被溶融物３０とカソード１１との間にプラズマアークが発生する値に設定する。
電源５１（第１の電源）と電源５２（第２の電源）としては、定電流電源を用いるのが好ましい。
本実施の形態では、被溶融物３０の溶融処理時には、電源５１（第１の電源）からカソード１１とノズル１２にカソード電流Ｉａを供給するとともに、電源５２（第２の電源）からカソード１１とアノード２０にアノード電流Ｉｂを供給する。
これにより、図２〜図４に示した実施の形態と同様に、起動時には、ノズル１２から発生するプラズマジェットによってカソード１１と被溶融物３０との間にプラズマアークが自動的に発生する。
また、電源５１を常時投入しておけば、カソード１１と被溶融物３０との間のプラズマアークが消弧した場合でも、ノズル１２から発生しているプラズマジェットによってカソード１１と被溶融物３０との間に自動的にプラズマアークが差異発生する。
さらに、電源５１が常時投入されていない場合には、プラズマアークが消弧した時に電源５１を投入するのみで、自動的にプラズマアークが再発生する。
【００１３】
本発明のプラズマ溶融装置を用いて被溶融物を溶融処理した場合の各部の電流及び電圧を図６に示す。
図６において、太い実線はアノード２０（第２の電極）の電圧（アノード電圧）を示し、細い実線はアノード２０（第２の電極）の電流（アノード電流Ｉｂ）を示し、太い鎖線はノズル１２の電圧（カソード電圧）を示し、細い鎖線はノズル１２の電流（カソード電流Ｉａ）を示している。
図６において、時点ｔ１で、カソード１１とノズル１２に電源（図２では電源４１、図５では電源５１）が接続され、カソード１１とアノード２０に電源（図２で葉、電源４１と電源４２の直列回路、図５では電源５２）が接続されるとともに、アノード２０に被溶融物３０が投入されている。
そして、ノズル１２から発生するプラズマジェットにより被溶融物３０が加熱溶融され、時点ｔ２で、カソード１１と被溶融物３０の溶融部３１との間にプラズマアークが発生している。
次に、時点ｔ３で、大量の被溶融物３０がアノード２０に投入されたため、カソード１１と被溶融物３０との間のプラズマアークが消弧している。
そして、ノズル１２から発生しているプラズマジェットによって被溶融物３０が加熱溶融され、時点ｔ４で、カソード１１と被溶融物３０の溶融部３１との間に再度プラズマアークが発生していることを示している。
【００１４】
本発明は、実施の形態で説明した構成に限定されず、種々の変更、追加、削除が可能である。
例えば、本発明は、焼却灰等の被溶融物以外の種々の被溶融物を溶融する場合に適用することができる。
また、プラズマトーチとしては、種々の構造のものを用いることができる。
また、第１の電極、ノズル、第２の電極の構造、材料としては種々の構造、材料を用いることができる。
【００１５】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１、請求項２に記載のプラズマ溶融装置及び請求項３に記載のプラズマ溶融方法を用いれば、操作が容易であり、構成が簡単で、装置を小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のプラズマ溶融装置の一実施の形態の概略構成図である。
【図２】本発明のプラズマ溶融装置の一実施の形態を示す図である。
【図３】本発明のプラズマ溶融装置の一実施の形態を示す図である。
【図４】本発明のプラズマ溶融装置の一実施の形態を示す図である。
【図５】本発明のプラズマ溶融装置の他の形態を示す図である。
【図６】本発明のプラズマ溶融装置の一実施の形態の動作時における各部の電流、電圧を示す図である。
【符号の説明】
１０　プラズマトーチ
１１　カソード（第１の電極）
１２　ノズル
２０　アノード（第２の電極）
３０　被溶融物
４１、４２、５１、５２　電源
【図１】
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【図２】
2004031083.tif 000004
【図３】
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【図４】
2004031083.tif 000006
【図５】
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【図６】
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