(57)【要約】リアクターは、反応室（１）、目的物質を反応室から取出す手段（７）、金属（３）で満たされ電圧を印加したとき電極間空間に放電アークが発生するよう反応室内に配置された少なくとも一対の開放容器の形をした電極（２）、プラズマ生成ガスを反応室電極間に導入したとき、それが渦流を形成するような構造を持つ反応室にプラズマ生成ガスを供給する手段を含んでいる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応室、プラズマ生成ガスを反応室に供給する手段、反応室から目的物を排出する手段、電圧を印加したとき放電アークが電極間空間に発生するよう反応室に配置された少なくとも一対の電極を含み、それぞれの電極が金属で満たされた開放型容器になっており、反応室にプラズマ生成ガスを供給する手段が、プラズマ生成ガスが反応室電極間に達したときそれが渦流を形成するように造られていることを特徴としたプラズマ化学リアクター。
【請求項２】
電極容器を満たした金属がアーク放電の作用で溶解することを特徴とした請求の範囲第１項記載のプラズマ化学リアクター。
【請求項３】
反応室に電極が水平に配置されていることを特徴とする請求の範囲第１項、あるいは第２項記載のプラズマ化学リアクター。
【請求項４】
個別の反応剤や反応混合物のための補助入口が設けられていることを特徴とする請求の範囲第１項記載のプラズマ化学リアクター。
【請求項５】
電極容器並びプラズマ生成ガスをガス放電室に供給する手段が耐熱絶縁材料で造られていることを特徴とする請求の範囲第１項、あるいは第２項、あるいは第３項、あるいは第４項記載のプラズマ化学リアクター。
【請求項６】
それぞれの電極容器に金属を補充するための投入口が装備されていることを特徴とする請求の範囲第１項、あるいは第２項、あるいは第３項、あるいは第４項、あるいは第５項記載のプラズマ化学リアクター。
【請求項７】
それぞれの電極容器には、それを満した金属に電圧を印加するための手段として、一方の端が容器の金属に接し容器を満たした金属と共に溶解し、電圧を印加するための端子が結合された他方の端が固体として残る導電体を中に配置した通路が装備されていることを特徴とする請求の範囲第１項、あるいは第２項、あるいは第３項、あるいは第４項、あるいは第５項、あるいは第６項記載のプラズマ化学リアクター。
【請求項８】
反応室にプラズマ生成ガスを供給する手段が、反応室底部に垂　　直に設けられた放電路と内部にガス路を持つ壁の形状をなし、ガス路の一方の端は放電路に接続され、他の端は一つあるいはいくつかのプラズマ生成ガス発生源と接続し、ガス路は放電路の壁に対しプラズマ生成ガスが放電路で渦流を形成するような角度で配置されていることを特徴とする請求の範囲第１項、あるいは第２項、あるいは第３項、あるいは第４項、あるいは第５項、あるいは第６項記載のプラズマ化学リアクター。
【請求項９】
放電路が、反応室にプラズマ生成ガスを供給するための手段の壁に円筒形の貫通口として設けられていることを特徴とする請求の範囲第８項記載のプラズマ化学リアクター。
【請求項１０】
放電路が、反応室にプラズマ生成ガスを供給するための手段の壁に、両端が電極の表面に向くよう湾曲した管状の通路として造られていることを特徴とする請求の範囲第８項記載のプラズマ化学リアクター。
【請求項１１】
放電路が少なくとも一つの渦流室を装備していることを特徴とする請求の範囲第８項、あるいは第９項、あるいは第１０項記載のプラズマ化学リアクター。
【請求項１２】
渦流室が、軸が放電路の軸と一致し、放電路の径より大きな円筒形の切欠きの形状で造られ、その側壁にはそれらに対して角度をもってガス路が出ていることを特徴とする請求の範囲第１１項記載のプラズマ化学リアクタ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（技術分野）
本発明は、高温の発生源を電気放電プラズマとする化学反応リアクターに属している。このリアクターは化学、冶金、並び他の分野、例えば合成ガスや炭化水素等化学品を生産する工業利用されたり、さらにまた、環境保全、人々の健康の安全、生物圏保存等の問題解決のために、使用済み難分解性有害物質やそれらが付着した工業廃棄物等を分解する効果的な装置として利用され得る。
【０００２】
（背景技術）
多種多様な構造のプラズマ化学リアクターは広く知られている。プラズマ化学リアクターにとって必然的要素は放電室であり、そこには一対の電極が設置され、プラズマ生成ガスの入口と出口がある。窒素、アルゴン、あるいは水素といった不活性ガスをプラズマ生成ガスとするプラズマ化学リアクターは知られている。特別に設備された放電室における電気放電の作用でプラズマを生成するガスがプラズマになり、別の反応室で反応混合物と結合し、ここではプラズマの熱作用で化学反応が起こり目的物を生成する。
【０００３】
この様なリアクターに属するものとして、例えば、周期律表のＩＶｂ、Ｖｂ、ＶＩｂ族の元素（チタン、タングステン、モリブデン他）の高純度金属末の製造、あるいはそれらの合金の製造、また金属酸化物のハロゲン化、炭化水素（アセチレン、ガソリン他）の合成等、高温化学反応を行う装置がある。装置は、プラズマ生成ガス（アルゴンあるいは窒素）を流しながら陰極と陽極間に電気放電を行ってプラズマを発生するプラズマ発生器を持つ。また、装置には陽極より低い位置に反応ゾーンがあり、そこへはプラズマ発生器からのプラズマとガス状の原料混合物が達する。その反応ゾーンでは、目的物を生成する化学反応が起こる。さらに目的物を含む反応生成物の流れは冷却ゾーンで冷され、いくつかの別な流れに分けられ、それらは後にコレクターゾーンで結合し、そこからは純粋な目的物が取出される。［米国特許第３８４０７５０号］
【０００４】
また、主に炭化水素を熱分解するプラズマ化学リアクターが知られている。プラズマは、陽極と陰極が同軸上にあり、その間にアークが形成され、そこをプラズマ生成ガス（水素あるいは窒素）が通過する特別に設備された放電室で発生する。放電室と混合室とは接続しており、後者へは必要とされる全反応物質が供給され、予定された成分の原料炭化水素反応混合物を生成する。次に、数千度まで熱せられた原料反応混合物は直接反応室に達し、目的物の生成が起こる。目的物の遊離は、反応室上部の自由空間で、反応した混合物を急速冷却して行われる。その後、目的物はガス洗浄スクラバーへ進む［米国特許第３６２２４９３号］。これら上記のプラズマ化学リアクターは巨大で、構造が複雑かつ高価である。しかも、放電室の電極は、高電圧と大電流で起こるプラズマ粒子の表面衝突による急速な腐食を受け、電極交換のためしばしばリアクターの作動を停止しなければならない。
【０００５】
反応ガスを直接プラズマ生成ガスとするプラズマ化学リアクターは知られている。これらの構造は、上記のものと比べ、高電圧が印加され電気アークが発生する電極対が設置され、反応ガスはその間を通過する一つの反応室で構成されているため著しく簡素である。この様な構造のプラズマ化学リアクターとして、高電圧が印加される陽極と陰極を装備した反応室、原料を導入する手段、目的物を排出する手段を持つリアクターが例としてあげられる［米国特許第３６５８６７３号］。反応混合物にプラズマアークを安定させる渦流を形成する往復運動を与え、それを電極間に通す。このリアクターにおいては、電極は上に述べた要因以外に、腐食性化学媒体の作用を受けるため、電極は短時間で消耗し、数時間ごと定期に交換する必要がある。電極の腐食は放電電流の増加とともに増し、そのためこの方法では、最大電流値に制限が生じ、従ってプラズマ化学リアクターの最大能力が制限される。
【０００６】
また、化学工業廃棄物を熱分解するプラズマ化学リアクターが知られている。リアクターは、２箇の電極を備えた反応室を持ち、処理されるガスは酸素と混合され、１００から３０００Ｖが印加され５０〜１０００Ａの電流が流れる電極間を通過する［米国特許第５２０６８７９号］。このリアクターは上記の他のリアクター同様に、強い酸化剤である酸素の作用や高電圧と大電流の作用で電極の腐食が高速に進むため、電極の数時間毎の交換が必要となる。さらに、このリアクターは先に示した理由による能力的な制限を受ける。
【０００７】
（発明の開示）
本発明は、プラズマ化学リアクターの電極の寿命を延ばし、かつ、従ってリアクター運転に伴う稼動経費を削減すると言う課題を解決する。さらに、本リアクターの構造はその能力的制限を除去する。
【０００８】
提起されている課題は、反応室、そこへプラズマを生成するガスを供給する手段、そこから目的物質（目的物質群）を取出す手段、そして電圧を印加すると電極間空間に電気アークが発生するよう反応室に配置された最少限の電極対群から構成されたプラズマ化学リアクターを提供することで解決される。それぞれの電極は金属が満たされた開放容器になっており、反応室へのプラズマ生成ガス導入手段は、プラズマ生成ガスが電極間に渦流を形成して供給されるようになっている。
【０００９】
反応室に電極を水平に設置するのが合目的的である。それは、起動時は固体電極間に発生する電気アークは、運転に伴い次第にそれらを溶解し、継続運転すると電極は完全に液体になるからである。例えば、それぞれの容器は、電気絶縁性を持つ耐熱材（耐火レンガ）を張った反応室の底部を成すバスタブ型に作ることができる。容器には金属の小片や粒、あるいは一般的な屑金属を入れる。電極に電圧を印加した時、電気アーク放電が持続するためには、電圧値、電極間距離、反応室に供給されるプラズマ生成ガスの流量、その成分等の工学的パラメータの相関関係が重要で、それらはそれぞれ具体的な装置ごとに決定される。
【００１０】
電気アークの作用で容器中の金属は溶解し、電極の作動表面（電気アークが発生している表面）は、リアクターの作動過程で液体となり、従って電極は一般に理解されているような腐食を受けず、しかし金属は緩慢に蒸発しその重量は減少する。一方、電極容器の容積と金属蒸発速度との関係において、電極の量は十分に大きいためリアクターは長期間無停止で運転することができる。
【００１１】
リアクターをさらに長期にわたって無停止運転するためには、それぞれの容器に金属を補充する手段を講じる必要がある。例えば、これは容器に通じる特殊なシュートで、これを通して金属小片を容器に供給する方法が可能である。
【００１２】
電極への電圧の印加は、容器に満たされた金属に直接電圧を印加して行う。この目的のために、電極容器には充填された金属へ電圧印加するための特殊な手段が講じられている。それは内部に金属導体を持つ通路となっており、その一方は容器に達し、容器に充填されている金属とともに溶解し、他の一方は固体の状態で残り、電圧を伝える接触端子が結合されている。また、同様な目的の電極で、水冷を伴うことも可能である。
【００１３】
電極間にプラズマ生成ガスを供給する手段として、さまざまな構造があり得る。重要なのは、それが電気アークを安定にする渦流を形成すること、また電気アークと反応室の部分が接触しないようにすることである。これを実行する簡単で根拠のある方法の一つは次の通りである。電極間に絶縁耐火材でできた壁を設置する。そのサイズは様々であり得るが、高さと幅は、電極に電圧を印加したとき放電アークがこの壁を回り込むような望ましくない方向に形成されないような条件に合致しなければならない。壁は、工学的な根拠があるならば、反応室の底から天井までのそれを二分する隔壁として作ることができる。壁にはアーク放電を望ましい方向に向ける放電路が設けられている。これは、例えば、中央の円筒形貫通口を設ける方法、あるいは、両端が電極の表面に方向づけられるよう湾曲した管の形をとることができる。その放電路にはプラズマ生成ガスの供給源に接続しているガス路が達し、それを通してプラズマ生成ガスが直接電極間空間に供給される。放電路の中で形成された電気アークは、放電路のある壁の両側の反応室の電極間空間に出る。放電アークを安定にするため、プラズマ生成ガスに回転を与え渦流を作る。渦流は、電気アークと放電路壁との間により低い温度のプラズマ生成ガス層を形成し、従って放電路壁や反応室壁の他の部分を隔絶するより密度の高い層を形成するものでなければならない。このためには、ガス路はガスが放出する放電路の表面に対して角度をもって配置され、即ちガスは接線方向に導入される。プラズマ生成ガスは放電路の壁に対して角度をもって放電路に入り、そこで渦流をつくる。
【００１４】
放電路の渦流形成が不十分な場合は、リアクター室へプラズマ生成ガスを供給する手段として、周知された構造の渦流室を付加することができる。その一例として、反応ガスを供給する手段のある壁内に、放電炉と接続し、その径に対し十分に大きな口径を持った円筒形の切欠きを設け、その壁にガス通路が角度をもって出ているような構造として実行できる。いくつかの渦流室を放電路に直列に連ね、そのそれぞれからプラズマ生成ガスが入るようにしても良い。この場合、プラズマ生成ガスは単成分で一つのガス源から全通路に供給されても良く、あるいはいくつかの異なる成分が複数のプラズマ生成ガス源から供給されても良い。
【００１５】
放電路の壁は、高温度による破壊を防ぐため水で冷却することがある。
【００１６】
リアクターの反応室の容積は、以上説明した部分　−　プラズマ化学反応のためのプラズマ発生源に対して比較できないほど大きくなり得る。プラズマ生成ガスは放電路で高温に熱せられ、反応室に入り、そこで別な反応剤あるいは反応混合物と混じり合い、化学反応が開始される。
【００１７】
リアクターにおける化学反応の進行は様々な方法で調整することができる。導入手段によって反応室に導入されるプラズマ生成ガスは、不活性ガス（アルゴン、窒素他）、反応室外で準備された反応ガス混合物、あるいは目的とする反応に関与する個々の反応剤とすることができる。プラズマ生成ガスが不活性ガスあるいは個々の反応剤のときは、反応室外で調整された反応混合物、あるいは予め算定した必要量の全反応剤（液体、固体、気体）を反応室の空洞に供給する手段を装備せねばならない。反応混合物がプラズマ生成ガスである場合、必要なら反応室の構造に混合ガスあるいは個々の反応剤を供給する手段を付加することができる。
【００１８】
反応室から目的物を取出すためには、それの排出手段を装備する。
【００１９】
電気アークを発生させ、リアクターを起動させるには既知の方法を利用する。例えば、
１．放電路を通して金属の連結線で電極を結ぶ。ガス路から反応室にプラズマ生成ガスを導入し、電極に電圧を印加する。連結線は大電流で瞬時に白熱爆発し、電気放電アーク生成の引き金となるプラズマ路をつくる。
２．放電路の壁の中にはめ込み電極板を取り付ける。ガス路からプラズマ生成ガスを送り、同時に電極に電圧を印加する。次に、はめ込み電極板に高電圧パルスを印加し、プラズマ生成ガスの絶縁破壊をし、放電アークを誘発する。
【００２０】
放電アークの高温作用により反応室では予定した反応が起こり、電極容器に満たされた金属は電気アークの作用で溶け始め、最終的に電極容器は溶融金属で満たされる。リアクターが稼動し続けると、電極容器には不要な物質が蓄積され得る。これらを除去する手段を、例えば、それぞれの電極容器にサイホンをつけるなどを考慮するのが合目的的である。
【００２１】
（発明を実施するための最良の形態）
プラズマ化学リアクターの作動は、例えば合成ガス製造の事例で見ることが出来る。リアクターは大容量の反応室１を持ち、その底部は、耐火レンガ張りの屑鉄が満たされた二つの槽２になっている。それぞれの槽には、その中の屑鉄に直接電圧を印加する導体を配置した特殊な通路１１が設けられている。槽間には、反応室底部に固定された（反応室の天井には接してない）耐火レンガ製の垂直壁５が設けられている。この壁は、電極に電圧を印加したとき放電アークがこれを回り込めないような幅と高さを持っている。壁には管状のその両端（それぞれの出口）が電極表面に向くよう湾曲した放電路６が設けられている。渦流室９は、放電路の径に対して大きな径の切欠きとして放電路に設けられている。壁にはさらに、プラズマ生成ガス用のガス路８があり、一方の先端はガスの発生源に接続しており、他方の先端は渦流室９に接線方向から貫通している。放電路の長さは、ガス路を通って入ってくるプラズマ生成ガスが電気アークを安定にする渦流を作る条件から選ぶ。リアクターは高電圧パルスで誘発する電気絶縁破壊で起動する。次に、反応室内に反応剤（炭化水素並び水蒸気）が反応室天井部の供給手段１０によって供給される。プラズマは、化学反応を起すのに必要とする高温源である。溶解電極表面から発生する少量の鉄蒸気は、合成ガス生成反応の速度を速める触媒となる。目的物（合成ガス）は反応室の相対する壁に設けられた二つの出口７から取出される。反応室には石炭、天然ガス、あるいは他の炭化水素を水蒸気の代わりに、あるいは水蒸気と酸素を同時に導入してもよい。プラズマ生成ガスとして、不活性ガス、水蒸気、天然ガスあるいは任意の適合する物質を利用することができる。プラズマ化学反応の生産力をさらに向上させるために、反応室の容積を増やすことができる。電極槽に金属を補充するために、投入口４が用意されている。スラグ除去のために、サイフォン１２が設けられている。
【００２２】
リアクターを他の化学工程のために利用するには、技術仕様に基づいて改造する。
【００２３】
提案されているプラズマ化学リアクターの稼動において、電極は十分な質量を持っているので長時間作動し、一方その表面は作動工程において徐々に溶融する。電極の液体表面は腐食を受けず、そのため電極に寿命が来ることは無く、電極交換のための運転停止が不要となる。
【００２４】
（産業上の利用可能性）
プラズマ化学リアクターは、化学、冶金並び他の工業分野で化学製品を生産するため、また、有害化学物質−産業廃棄物を分解し環境問題を解決するために適用され得る。
【図面の簡単な説明】
図１にプラズマ化学反応室の図を示す。
１−反応室、２−電極容器、３−電極容器を満たす金属、４−電極容器への金属投入口、５−電極隔壁、６−放電路、７−目的物の出口、８−プラズマ生成ガス路、９−渦流室、１０−反応ガス並び反応剤の補助入口、１１−電極容器に電圧を印加する手段、１２−スラグ除去手段
【図１】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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