(57)【要約】【課題】プラズマアーク式溶融炉の電極を囲繞するスリーブの絶縁性を高めて迷走電流の発生を確実に防止することができるプラズマアーク式溶融炉の電極絶縁構造を提供する。【解決手段】炉本体に絶縁性スリーブ２５を介在させて主電極１１を嵌挿したプラズマアーク式溶融炉１０の電極絶縁構造において、前記スリーブ２５に該スリーブと同心円状でかつヘッダ２７を有する環状のスリット２６を設けるとともに、該スリット２６から炉内部に不活性ガスを噴射するコンプレッサ２０を含む不活性ガス導入手段を具備し、前記不活性ガス導入手段により前記ヘッダ２７を介して炉内に均一に不活性ガスを噴射することを特徴とする。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炉本体に絶縁性スリーブを介在させて電極を嵌挿したプラズマアーク式溶融炉の電極絶縁構造において、
前記スリーブに該スリーブと同心円状でかつヘッダを有する環状のスリットを設けるとともに、
該スリットから炉内部に不活性ガスを噴射する不活性ガス導入手段を具備し、
前記不活性ガス導入手段により前記ヘッダを介して炉内に均一に不活性ガスを噴射することを特徴とするプラズマアーク式溶融炉の電極絶縁構造。
【請求項２】
前記スリットの内周面側に位置するスリーブを炉内に突設させて段差を設けたことを特徴とする請求項１記載のプラズマアーク式溶融炉の電極絶縁構造。
【請求項３】
前記スリットの前記ヘッダより炉内側に冷却リングを嵌め込み、前記不活性ガスの供給量、温度のうち少なくともどちらか一方を制御して、該冷却リングの炉対面側に付着物が固化する温度以下に維持する構成としたことを特徴とする請求項１記載のプラズマアーク式溶融炉の電極絶縁構造。
【請求項４】
前記冷却リングが高熱伝導性部材で形成されるとともに、該冷却リングの上面から下面に貫通する不活性ガス通路を設けたことを特徴とする請求項３記載のプラズマアーク式溶融炉の電極絶縁構造。
【請求項５】
前記冷却リングの不活性ガス接触面側にフィンを備えたことを特徴とする請求項３記載のプラズマアーク式溶融炉の電極絶縁構造。
【請求項６】
前記冷却リングの不活性ガス接触面に位置するスリットから、前記プラズマアーク式溶融炉の電極とスリーブの間に形成される間隙に連通する通路を設けたことを特徴とする請求項３乃至５の何れか一に記載のプラズマアーク式溶融炉の電極絶縁構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマアーク式溶融炉に関り、特に、炉本体に挿入された電極から発生する高温のプラズマにより焼却灰等の被溶融物を溶融するプラズマアーク式溶融炉にて発生する迷走電流を防止する発明に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、廃棄物を焼却処理した後の焼却灰等を溶融処理するための炉としてプラズマアーク式溶融炉が広く用いられている。プラズマアーク式溶融炉は、廃棄物の減容化、無害化に有効で、さらに溶融後のスラグの再利用化が可能であることから最も有用な廃棄物処理の一つとして挙げられる。
従来のプラズマアーク式溶融炉の構成を図６に示す。図に示されるように、プラズマアーク式溶融炉内側は、絶縁性を有する耐火材で形成された側壁１５、炉底１６及び炉蓋１４で形成され、炉外側を鉄皮１７で被覆された炉本体１３と、前記炉蓋１４にスリーブ２５を介して挿入された主電極１１と、炉底１６に挿入された炉底電極１２と、を主要構成としている。
【０００３】
かかる構成のプラズマアーク式溶融炉１０は、一般的に環状黒鉛電極が用いられることが多く、炉内にプラズマ生成ガスを供給しながら電極間に電圧を印加してプラズマを生成し被溶融物を溶融処理する。炉内温度は１０００℃以上に維持され、炉底部には被溶融物が溶融したスラグ層２３と、その下部にメタル層２２とが層状に形成される。
かかる溶融炉では炉内が高温に維持されるため、被溶融物として焼却灰等のように被溶融物中に比較的融点が低い塩類が含有されている場合には、塩類がガス中に揮散して炉内壁に付着する。このように付着した塩化カリウムや塩化ナトリウム等の溶融塩は導電率が高く、炉壁が絶縁不良をおこして迷走電流が発生する惧れがある。
【０００４】
このような不具合を解消するために、溶融炉の鉄皮１７の間、炉底電極１２−鉄皮１７間等に絶縁体１８を介在させたり、主電極１１とスリーブ２５との間に空隙を設けてコンプレッサ２０によりＮ２ガス等のパージ用不活性ガスを通流させたりして迷走電流を断絶していた。（例えば特許文献１参照）
通常、プラズマアーク式溶融炉の運転は、炉内圧力を数ｍｍＡｑ程度の負圧に維持して行われる。しかし、被溶融物投入量の変化など種々の要因を元に炉内に圧力変動が生じ、短時間であるが炉内圧力が正圧になることがある。このとき、炉内と大気をシールするグランドパッキン１９が主電極１１に配置されるが、電極は消耗に伴い下降させる必要があるため、パッキンによるシールを強化できない。このためＮ２ガス圧が５ａｔｇと大きいにも係わらず、炉内圧変動の度に炉内の低融点塩類含有ガスがＮ２ガス流速に打ち勝ち主電極とスリーブ隙間に侵入し、当該部の隙間に付着する問題があった。
【０００５】
そこで、炉蓋周りの絶縁を確実に実現できる構造として、特開平９−１２６６６４号（特許文献２）は、図７に示す炉蓋構造を提供している。これは、電極０４を中心とした同心円状の小天井０２ａと大天井０２ｂとの間に設けたスリット間隙０５内に炉内に向けてパージ用ガスを噴射するスリット形開口をもつ噴射ノズル０６を環状に配設した構造を有している。また、かかる発明では、必要に応じてパージ用ガスにＯ２などを加えて地金が付着しても溶解するようにしている。
これによれば、炉蓋周囲の絶縁を確実に実現でき、また小天井や大天井を鋼管、鋼製の水冷式冷却函構造とすることができコスト低減が可能となる。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１１−３５１５４１号公報
【特許文献２】
特開平９−１２６６６４号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
一般にプラズマアーク式溶融炉では、主電極とスリーブ間が塩類で接続されてもスリーブは絶縁体であるため電流が流れることはない。しかし、スリーブ表面に塩類が浸透し絶縁劣化したり、スリーブ表面、炉内壁表面に溶融塩類が付着すると、主電極からスリーブ表面溶融塩類、炉内壁表面溶融塩類を通って炉底電極へ迷走電流が通流し、スリーブ、鉄皮、耐火材等の溶損及び溶融効率の低下等の問題を引起してしまう。
【０００８】
かかる問題への対応策として従来技術のように炉蓋にスリット間隙を設けた場合、スリット位置の直径が大きくなりパージ用ガス流量が増大してしまうため、特開平９−１２６６６４号のごとくスリット幅を例えば０．５ｍｍ程度と小さくする必要があり、このスリットに円周方向に均一にパージ用ガスを供給することは非常に困難であった。そして、パージ用ガスが不均一に噴射されることにより部分的に炉の天井表面に溶融塩類が付着し、短絡が引起され迷走電流が発生する可能性が高くなってしまう。
そこで、本発明はかかる従来技術の問題に鑑み、プラズマアーク式溶融炉の電極を囲繞するスリーブの絶縁性を高めて迷走電流の発生を確実に防止することができるプラズマアーク式溶融炉の電極絶縁構造を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明はかかる課題を解決するために、
炉本体に絶縁性スリーブを介在させて電極を嵌挿したプラズマアーク式溶融炉の電極絶縁構造において、
前記スリーブに該スリーブと同心円状でかつヘッダを有する環状のスリットを設けるとともに、
該スリットから炉内部に不活性ガスを噴射する不活性ガス導入手段を具備し、
前記不活性ガス導入手段により前記ヘッダを介して炉内に均一に不活性ガスを噴射することを特徴とする。
【００１０】
このように、前記スリットにヘッダを形成することで該スリット円周に均一に不活性ガスを供給することができ、付着塩類を経由する迷走電流を防止できスリーブ周囲の絶縁を確実に保持することが可能となる。このとき、スリットから導入される不活性ガスは前記グランドパッキンで封止される電極−スリーブ間の隙間とは異なる経路で炉内へ供給されるため、炉内圧の変動に係わらず一定流速でかつ円周方向に均一に供給することができる。
尚、前記スリット位置は、前記スリーブをスリットにより内周側と外周側とに分割するごとく形成しても良いし、該スリーブの外周面に沿って形成しても良い。
【００１１】
また本発明は、前記スリットの内周面側に位置するスリーブを炉内に突設させて段差を設けたことを特徴とする。
かかる発明は、前記スリットの内周面側、即ち電極側に位置するスリーブの少なくとも一部に炉内側に突出した凸部を設けており、これにより溶融塩類を通って流れる電流の経路が長くなり絶縁効果が高まる。また、スリーブに段差が形成されることにより、溶融塩類が該段差を流下して排除され溶融塩類の付着を最小限に抑えることができる。
【００１２】
また、前記スリットの前記ヘッダより炉内側に冷却リングを嵌め込み、前記不活性ガスの供給量、温度のうち少なくともどちらか一方を制御して、該冷却リングの炉対面側に付着物の固化する温度以下に維持する構成としたことを特徴とする。
このように、前記冷却リングを配設することにより炉内ガス中に含有される塩化物等の溶融物が付着した場合にも、好適には溶融物の固化温度以下に冷却リングを冷却することにより付着物が固化して導電性を失い絶縁が確保できる。尚、このとき固化温度以上の温度であっても絶縁性が保持できる程度の温度であれば良い。前記冷却リングは絶縁材で形成されていることが好ましく、また冷却リングが複数に分割された構成を有していても良い。
【００１３】
さらに、前記冷却リングが高熱伝導性部材で形成されるとともに、該冷却リングの上面から下面に貫通する不活性ガス通路を設けることが好ましい。
かかる発明は、前記ヘッダを経てスリット内に供給される前記不活性ガスが冷却リングを貫通する前記活性ガス通路を通って炉内へ噴射されるように構成され、また前記冷却リングが高熱伝導性であるため、該冷却リングが効率良く冷却されて付着物の固化が促進される。このとき、前記冷却リングは耐熱性の高い材料を使用する必要があるため、シリカ、アルミナ等を用いることが好適である。
【００１４】
さらにまた、前記冷却リングの不活性ガス接触面側にフィンを備えた構成としてもよい。
このとき、前記冷却リングの不活性ガス接触面に位置するスリットから、前記プラズマアーク式溶融炉の電極とスリーブの間に形成される間隙に連通する通路を設けることも可能である。
これによれば、冷却リングが前記フィンを具備した構成であるため該冷却リングの冷却機能が向上し、また電極側に連通させた前記通路を設けてスリットから供給される不活性ガスを電極側の間隙から供給されるパージガスに合流させることにより、該パージガス量を減少させることができランニングコストの低廉化が図れる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
図１は本発明の第１実施形態にかかる電極絶縁構造の断面図、図２乃至図４は図１の別の実施形態である第２乃至第４実施形態にかかる電極絶縁構造の断面図、図５は図３及び図４の実施形態に適用される冷却リングの構造で、孔状冷却通路を具備した冷却リング（ａ）、波板材を具備した冷却リング（ｂ）、フィンを具備した冷却リング（ｃ）を夫々示す斜視図である。
【００１６】
図１に示されるように本発明の第１実施形態は、耐火材で形成された炉蓋中心部に主電極１１を囲繞するごとく配設された環状の絶縁性スリーブ２５と、該スリーブ２５にこれと同心円状に設けられたスリット２６と、該スリット２６の炉外側に形成されたヘッダ２７と、Ｎ２ガス、Ａｒガス等の不活性ガスをヘッダ２７を介して炉内に供給するコンプレッサ２０と、を有するプラズマアーク式溶融炉１０の電極絶縁構造である。
【００１７】
かかるプラズマアーク式溶融炉１０は、前記炉蓋１４及び不図示の炉壁、炉底を鉄皮１７で包皮した炉本体と、前記炉蓋１４に絶縁性スリーブを介在させて電極を嵌挿した主電極１１と、前記炉底に配設された炉底電極（不図示）と、を主要構成とし、主電極１１と炉底電極との間に直流電圧を印加し、プラズマアークを発生させて溶融炉内に投入された焼却灰等の被溶融物を溶融、スラグ化する。
前記主電極１１にて生成されたプラズマ高温ガス流により溶融状態となった被溶融物には融点に低い塩類が多量に含まれており、これらは蒸気となって揮散し、付着物２１として炉蓋１４へ付着、固化する。
【００１８】
炉蓋１４を含む炉本体の大部分は、例えば硅石レンガ、アルミナ系キャスタブル等の絶縁材で形成されているが、前記付着物２１により炉内壁に沿って、若しくは炉内から鉄皮１７へ導通して流れる迷走電流を防止するために、鉄皮１７に絶縁体１８を挟持させている。また、前記主電極１１とスリーブ２５との間に空隙を設けてグランドパッキン１９で炉外側を封止し、コンプレッサ２０により不活性ガスを炉内へ向けて噴射させている。これにより最も短絡し易い部位の絶縁を保っている。
【００１９】
さらに本実施形態では、前記スリーブ２５に前記主電極１１と同心円状の環状スリット２６を設けている。即ち前記スリーブ２５を電極側（内側）スリーブと炉蓋側（外側）スリーブとに分割し、その間に環状スリット２６を形成し、該スリット２６の炉外側を密封している。このとき、該スリット２６は前記スリーブ２５の外周囲、即ち該スリーブ２５の外周と前記炉蓋１４との間に位置するように形成しても良い。さらに、該スリットの上部にヘッダ２７を設けている。前記ヘッダ２７の形状は、周縁に角部を有する環状若しくは円環状等の何れでも良く、不活性ガスがスリットに均一の吐出圧で流出する形状とする。
【００２０】
そして、コンプレッサ２０により前記ヘッダ２７を介してＮ２ガス等の不活性ガスが炉内へ噴射される構成としている。ここで、不活性ガスはＮ２ガス、Ａｒガス等の反応性をもたずに炉内を還元性状態に保持可能なガスとする。
尚、前記スリット２６の間隙幅は１ｍｍ以上とすることが好適で、前記ヘッダ２７はスリット２６への不活性ガスの吐出圧がスリット円周に均一となるような容積を必要とする。これにより、不活性ガスが局部損失を起こして炉内へのガス供給が不均一となり部分的に炉蓋へ付着物が付く不具合を防止でき、前記スリット２６による圧力損失が均一となり、スリット円周方向に均一に不活性ガスを供給することができるため確実に絶縁を保持することができる。
【００２１】
本発明の第２実施形態は図２に示されるように、耐火材で形成される炉蓋１４と主電極１１との間に配設されるスリーブ２５にヘッダ２７を有するスリット２６を設けており、該スリット２６からヘッダを介して不活性ガスを炉内へ供給する構成としている。尚、以下第２実施形態乃至第４実施形態において前記第１実施形態と同様の構成については説明を省略する。
かかる第２実施形態では、前記スリット２６の内周面側に位置するスリーブ２５、即ち電極側のスリーブ２５を炉内側に向けて突設した形状としている。このように凸部を具備したスリーブとすることで段差が形成されて溶融付着物が流下し、溶融物の付着を最小限に抑えることができるとともに、沿面経路を長くすることで絶縁効果を高める効果を有する。
【００２２】
次に本発明の第３実施形態を説明する。図３に示されるようにかかる実施形態では、前記第１実施形態と同様に形成されたスリット２６の先端に、炉内に面するごとく冷却リング３１を配設している。該冷却リング３１は図５に示されるように冷却機能を有する環状部材である。
図５に本実施形態の冷却リングの実施例を挙げる。図５（ａ）に示す冷却リング３１は、環状部材３２の上面から下面に貫通する孔部である不活性ガス通路３３を複数設けた形状を有し、該不活性ガスの通過により冷却リングが冷却されるように構成されいる。
【００２３】
同様に、図５（ｂ）は不活性ガス通路３３を設けた構造としているが、かかる冷却リング３１は外側環状部材３２ａと内側環状部材３２ｂとの間に波板材３４を挟持させ、不活性ガスと冷却リング３１との接触面を大として冷却効果を高めている。さらに、図５（ｃ）は、環状部材３２の上部にフィン３５を設け、不活性ガスとの接触面を増大させている。このとき、冷却リング３１に不活性ガス通路３３を設けても良いことは勿論である。
これらのように、冷却機能を有する冷却リング３１は、熱伝導性が高くかつ絶縁性を有する材料で形成されることが好ましく、アルミナ、シリカ等の石英部材が好適である。
【００２４】
さらに図３に示される本第３実施形態では、前記冷却リング３１の温度を検出可能な温度センサ３０を配設するとともに、前記コンプレッサ２０からヘッダ２７の間の不活性ガス供給路にガス流量制御弁２９を設け、これらを制御するコントローラ２８を備えた構成としている。前記コントローラ２８により、前記冷却リングの付着物が絶縁化する温度域となるように、流量制御弁２９等で不活性ガス温度若しくは不活性ガス流量のうち少なくとも何れか一方を制御する。前記絶縁化する温度域は、炉内ガス中に含有される揮散塩類が固化する温度以下が好ましいが、スリーブに付着した溶融塩類等の付着物の導電性が低下して絶縁性が高まる温度域であれば良い。
かかる温度域までスリーブを冷却することにより、スリーブ付着物からなる絶縁リング２１’が形成されて迷走電流を防止することができる。
【００２５】
また図４に示される本第４実施形態では、前記第３実施形態と同様にスリーブ２５に形成したヘッダ２７を有するスリット２６の先端に冷却リング３１を配設し、コンプレッサ２０により不活性ガスを導入する構成とし、該冷却リング３１は不活性ガス通路を具備しない構造としている。さらに、前記スリット２６のうち冷却リング３１の接触面付近から主電極１１とスリーブ２５との間隙に連通する通路３６を設け、前記ヘッダ２７を介して供給された不活性ガスが主電極１１周囲の間隙に供給される不活性ガスに合流するようにしている。このとき、前記冷却リング３１は、図５（ｃ）に示されるように前記通路３６に誘導する向きに設けられたフィン３５を有する構造とすることが好適である。
【００２６】
これによれば、前記第３実施形態と同様に前記冷却リング３１の冷却効果により炉内面側に絶縁リング２１’を形成させて主電極１１−スリーブ２５間の絶縁を確保することができる。
さらに、かかる実施形態のように、スリット２６から主電極１１の間隙に連通する通路３６を設けることにより、前記冷却リング３１の冷却機能を保持した状態で不活性ガス供給量を減少することができ、ランニングコストの低減化が図れる。
尚、本実施形態では、前記第３実施形態と同様に温度センサ３０を設け、該温度センサ３０により検知した冷却リング３１の温度に基づきコントローラ２８によりガス流量制御弁２９等の手段にて不活性ガス温度、不活性ガス供給量のうち少なくともどちらか一方を制御して絶縁リング２１’が生成する温度域に維持する構成とすることが好ましい。
【００２７】
【発明の効果】
以上記載のごとく本発明によれば、前記スリットにヘッダを形成することで該スリット円周に均一に不活性ガスを供給することができ、付着塩類を経由する電流を防止できスリーブ周囲の絶縁を確実に保持することが可能となる。
また、絶縁性スリーブを炉内側に突設することにより垂直壁が形成されて溶融付着物が流下して付着厚さが薄くなるとともに、沿面経路が長くなるため絶縁効果が向上する。
さらに、前記スリット先端に冷却リングを配設することにより該冷却リングの炉内面に溶融付着物が固化した絶縁リングが形成され、炉内天井面を流れる迷走電流を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態にかかる電極絶縁構造の断面図である。
【図２】本発明の第２実施形態にかかる電極絶縁構造の断面図である。
【図３】本発明の第３実施形態にかかる電極絶縁構造の断面図である。
【図４】本発明の第４実施形態にかかる電極絶縁構造の断面図である。
【図５】図３及び図４の実施形態に適用される冷却リングの構造で、孔状冷却通路を具備した冷却リング（ａ）、波板材を具備した冷却リング（ｂ）、フィンを具備した冷却リング（ｃ）を夫々示す斜視図である。
【図６】従来のプラズマアーク式溶融炉の全体構成図である。
【図７】従来技術にかかるアーク炉の炉蓋を示す断面図である。
【符号の説明】
１０　　プラズマアーク式溶融炉
１１　　主電極
１７　　鉄皮
１８　　絶縁体
２０　　コンプレッサ
２１　　付着物
２５　　スリーブ
２６　　スリット
２７　　ヘッダ
２８　　コントローラ
２９　　流量制御弁
３０　　温度センサ
３１　　冷却リング
３２　　環状部材
３３　　不活性ガス通路
３４　　波板材
３５　　フィン
【図１】
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【図２】
2004139763.tif 000004
【図３】
2004139763.tif 000005
【図４】
2004139763.tif 000006
【図５】
2004139763.tif 000007
【図６】
2004139763.tif 000008
【図７】
2004139763.tif 000009