(57)【要約】  本発明は、廃棄物をガス化及びガラス化するための装置であって、２つの可動式グラファイト電極を具備するプラズマアーク炉を備えている装置に関する。炉は、スラグ溶融物を貫通して電流を伝送するよう構成されている空冷式底部電極を含んでいる。炉は完全に密封されており、炉の内部の還元状態を制御するように構成されている気密電極シールを備えている。電気回路は、過熱の伝達モードから加熱の非伝達モードに切り替わるように構成されており、これによりスラグが凍結した場合に炉を再稼働させることができる。
2020537009.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
廃棄物をガス化するための炉であって、前記炉が、ガス化環境を制御するために完全に閉じられており、且つ密閉されていることを特徴とする炉。
【請求項２】
水冷回路の故障の結果として水漏れ及び蒸気爆発が発生する危険を回避するように、全体が空冷されることを特徴とする炉。
【請求項３】
アーク非伝送運転モードとアーク伝送運転モードとの両方で炉を動作させることができる電気回路であって、前記アーク非伝送運転モードと前記アーク伝送運転モードとを切り替えることができることを特徴とする電気回路。
【請求項４】
プロセスが不調である場合にアークを再起動することを特徴とする操作方法。
【請求項５】
スプール及び坩堝と、例えばグラファイトから作られている一組の可動式電極と、スラグ溶融物を完全に貫通して電流を伝送するように構成されている空冷式底部電極とを備えているプラズマアーク炉であって、
前記プラズマアーク炉が、前記スプールと前記坩堝との接合部において密封されており、前記プラズマアーク炉の内部において還元状態を制御するように構成されている気密電極シールを備えていることを特徴とするプラズマアーク炉。
【請求項６】
電気回路が、加熱の伝達モードから非伝達モードに切り替わるように構成されており、これによりスラグが凍結した場合に炉を再稼働させることができることを特徴とする請求項５に記載のプラズマアーク炉。
【請求項７】
スプール及び坩堝と、例えばグラファイトから作られている一組の可動式電極と、スラグ溶融物を完全に貫通して電流を伝送するように構成されている空冷式底部電極と、を備えているＤＣアーク炉であって、
前記ＤＣアーク炉が、前記スプールと前記ＤＣアーク炉との接合部において密封されており、前記ＤＣアーク炉の内部において還元状態を制御するように構成されていることを特徴とするＤＣアーク炉。
【請求項８】
前記スプールと前記坩堝との両方が、高温であっても動作するように防火材で裏打ちされており。
前記坩堝の内部で利用される耐火体が、例えば溶融ケイ酸塩型材料と混合可能とされ、一般に高アルミナ質材料又はアルミナクロム質材料から作られており、
前記スプール１利用される耐火体が、潜在的に腐食性の高温ガスと混合可能とされ、高アルミナ質材料又はアルミナクロム質材料から作られていることを特徴とする請求項７に記載のＤＣアーク炉。
【請求項９】
ガス化及び溶融すべき材料が、前記スプールの頂部に配置されている少なくとも１つの供給ポートを通じて、前記ＤＣアーク炉に一般に連続的に導入されることを特徴とする請求項７又は８に記載のＤＣアーク炉。
【請求項１０】
処理すべき材料が、前記坩堝の内部に蓄積されるように構成されており、これにより部分的に処理された廃棄物の最上層が形成されることを特徴とする請求項７〜９のいずれか一項に記載のＤＣアーク炉。
【請求項１１】
前記ＤＣアーク炉の前記坩堝の内部の典型的には１４００°Ｃより高い高温とガス化された空気、酸素、及び／又は蒸気の注入とによって、廃棄物の無機画分から有機物が分離され、
前記無機画分が、溶融金属層の上に浮遊している液体スラグ層に溶け込み、
有機画分が、主に一酸化炭素と水素とから成る合成ガス、又は主に二酸化炭素と水蒸気から成る燃焼ガスに変換され、
前記合成ガスが、排気ポートを通じて前記ＤＣアーク炉から流出することを特徴とする請求項７〜１０のいずれか一項に記載のＤＣアーク炉。
【請求項１２】
前記坩堝の外側シェルが、フィンが備えており、強制的に空冷されるようになっており、
強制的な空冷が、スラグ凍結ラインを液体スラグ層の内側に且つ耐火ライニングから離隔するように良好に移動させるようになっていることを特徴とする請求項７〜１１のいずれか一項に記載のＤＣアーク炉。
【請求項１３】
一組の電気アークが、前記ＤＣアーク炉の内部に維持されており、部分的に処理された廃棄物４の質量に部分的に浸されており、液体スラグ層に伝送され、
電流が、溶融金属層と底部陽極とを通過することを特徴とする請求項７〜１２のいずれか一項に記載のＤＣアーク炉。
【請求項１４】
一組の電源が、電気アークを維持するための電流を供給するように構成されており、
前記電源が、例えば電流制御型の直流（ＤＣ）ユニットとされ、
電流が、典型的にはグラファイトから作られている一組の電極に供給されることを特徴とする請求項７〜１３のいずれか一項に記載のＤＣアーク炉。
【請求項１５】
電流が、一組の電極クランプを利用することによって２つの電極１２ａ，１２ｂに供給されることを特徴とする請求項７〜１４のいずれか一項に記載のＤＣアーク炉。
【請求項１６】
電極が、２つの長さの電極を共に接続することができる接続ピン、典型的にはネジ付コネクタを含んでおり、これにより所定の長さの電極が浸食されると、新しい長さの電極が、前記接続ピンを利用することによって、前記ＤＣアーク炉の外側から捩じ込まれることを特徴とする請求項７〜１５のいずれか一項に記載のＤＣアーク炉。
【請求項１７】
電極が、移動機構それぞれに取り付けられており、
前記移動機構が、前記電極が浸食されるに従って、前記ＤＣアーク炉の内部において前記電極を低速で移動させることを特徴とする請求項７〜１６のいずれか一項に記載のＤＣアーク炉。
【請求項１８】
前記移動機構が、アーク電圧の調整を可能とする上下動機能を備えていることを特徴とする請求項１７に記載のＤＣアーク炉。
【請求項１９】
プラズマ出力を調整するために、電圧が、電極の高さを調整することによって一定に維持され、
電流の設定点は、電流制御可能な電源に付与され、
液体スラグ層の温度が、プラズマ出力を調整することによって制御され、
プラズマ出力が、例えば熱分解反応のような吸熱反応についてのエネルギ必要量を補償するために利用されることを特徴とする請求項７〜１８のいずれか一項に記載のＤＣアーク炉。
【請求項２０】
前記スプールと前記坩堝とが、２つの異なる部分から構成されており、
前記坩堝が、前記スプールから取り外し可能とされることを特徴とする請求項７〜１９のいずれか一項に記載のＤＣアーク炉。
【請求項２１】
前記坩堝が、ホイールを備えており、
前記ホイールが、例えば一連のタイロッドを利用することによって、トラック上に降下されるように、且つ、持ち上げて所定位置に戻されるように構成されており、
前記タイロッドそれぞれに付属する一連のナットが、前記坩堝を所定の位置に揚重し且つ所定位置に維持するために利用されることを特徴とする請求項２０に記載のＤＣアーク炉。
【請求項２２】
一組の上側タップ穴及び下側タップ穴が、前記ＤＣアーク炉の液体スラグ層及び溶融金属層それぞれから余分な酸化スラグ及び液体金属を抽出するために設けられていることを特徴とする請求項７〜２１のいずれか一項に記載のＤＣアーク炉。
【請求項２３】
前記ＤＣアーク炉が、前記ＤＣアーク炉の内部への空気の望ましくない侵入を防止するために、完全に包囲されており、
前記スプールと前記坩堝との間には、シールが設けられており、
前記シールが、例えばグラファイト又は高温に対して耐火性を有している紙から作られていることを特徴とする請求項７〜２２のいずれか一項に記載のＤＣアーク炉。
【請求項２４】
電極シールが、２つの電極それぞれの周囲に且つ前記スプールの外部に設けられていることを特徴とする請求項７〜２３のいずれか一項に記載のＤＣアーク炉。
【請求項２５】
前記電極それぞれが、前記スプールの耐火体に固定されている外側チューブを貫通して、例えば前記耐火体に鋳込まれているネジ付ロッドと前記外側チューブを所定位置に保持するために利用されるナットとを介して延在していることを特徴とする請求項２４に記載のＤＣアーク炉。
【請求項２６】
耐火性ロープの上に設けられているグラファイト製ロープの層が、前記外側チューブと前記電極との間の隙間を密封するために利用されることを特徴とする請求項２５に記載のＤＣアーク炉。
【請求項２７】
可動式ロープが、グラファイト製ロープの層の上に設けられており、例えば一連の前記ネジ付ロッド、前記ナット、及び座金を利用することによって、前記グラファイト製ロープの層の上に降下されるように構成されており、これにより前記電極の移動に起因してシールが浸食された場合に、前記可動式ロープを前記グラファイト製ロープの層に抗して降下させることによって、前記電極の周囲の前記シールを密着させることができることを特徴とする請求項２５又は２６に記載のＤＣアーク炉。
【請求項２８】
底部陽極が、電気アークに給電するために利用される電気についての電流帰還路を備えており、
前記底部陽極が、前記坩堝が故障した場合に液体スラグと水とが接触する危険を回避することによって蒸気爆発を防止するために空冷されることを特徴とする請求項７〜２７のいずれか一項に記載のＤＣアーク炉。
【請求項２９】
底部陽極が、前記坩堝の耐火ライニングに埋設されている金属又はグラファイトから成る導電性ロッドである、１つ以上の電極を備えており、
前記導電性ロッドが、例えば液体スラグ層と直接接触しているか、又は導電性プレートと接触しており、
前記導電性プレートが、例えばグラファイトから、又は鉄や鋼のような金属から作られていることを特徴とする請求項７〜２８のいずれか一項に記載のＤＣアーク炉。
【請求項３０】
金属製プレートが、炉の運転中に通常、溶融し、
前記底部陽極の電極が、前記電極の溶融を回避するために、例えば冷却フィンによって外部冷却されることを特徴とする請求項２９に記載のＤＣアーク炉。
【請求項３１】
前記導電性ロッドが、銅製ロッドに位置合わせされた状態で典型的には螺合可能に接続されており、
肩部が、前記導電性ロッド同士の間に良好な電気的接触を確保するために、典型的には前記導電性ロッドに形成されていることを特徴とする請求項２９又は３０に記載のＤＣアーク炉。
【請求項３２】
前記銅製ロッドが、銅製プレートと共に接続されており、
前記銅製プレートが、前記ＤＣアーク炉の耐火体に埋設されているティー状の金属製サポートによって前記坩堝に保持されていることを特徴とする請求項３１に記載のＤＣアーク炉。
【請求項３３】
前記銅製ロッドが、並列に接続されており、
銅製プレートが、ラグを介してＤＣ直流ケーブルに接続されており、
冷却フィンが、前記銅製ロッドに対する熱伝達面を最小にするために銅又はアルミニウムから作られていることを特徴とする請求項３１又は３２に記載のＤＣアーク炉。
【請求項３４】
強制空冷が、冷却フィンを冷却するために利用され、
プレナムが、前記冷却フィンの周囲で空気を強制的に循環させるために設けられていることを特徴とする請求項３０〜３３のいずれか一項に記載のＤＣアーク炉。
【請求項３５】
低圧空気ブロアが、冷却空気を前記プレナムに供給するために設けられており、
前記プレナムが、坩堝シェルに螺合されている一連のボルトによって、典型的には前記坩堝の底部に保持されており、
前記プレナムが、例えば前記冷却フィンに対して良好に空気を分配するために、バッフルを備えていることを特徴とする請求項３４に記載のＤＣアーク炉。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願の相互参照］
本出願は、参照により本出願に組み込まれている米国仮出願第６２／５７２４１２号に基づく優先権を主張するものである。
【０００２】
本出願は、廃棄物をガラス化及びガス化するための直流電流（ＤＣ）アーク炉に関し、より具体的には金属酸化物から成る非導電性混合体に対してＤＣアークを発火及び再活性化させるための、及び、完全に溶融させるための方法並びに装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
プラズマアーク炉は、廃棄物をエネルギ及び建設資材に変換するために提案されている。具体的には、無機材料を溶融するために、及び、廃棄物中の有機化合物をガス化するために利用されている。プラズマ炉は、従来の焼却技術を超える幾つかの優位性、例えば材料固有の発熱量とは無関係に当該材料を処理する能力、廃棄物の無機成分を不活性スラグにガラス状にする能力、並びに、廃棄物の有機成分を主に水素及び一酸化炭素、いわゆる合成ガスから構成されている可燃性ガスに変換する能力を提供する。これにより、クリーンエネルギを廃棄物から生成することが可能となる。廃棄物を溶融スラグに変換するためのプラズマ炉の利用に関連する幾つかの装置及び方法が提案されている。
【０００４】
例えば特許文献１は、都市で扱う固形廃棄物、石炭、木材、及びピートを、中程度の品質のガスと、実質的に比較的低い有毒物質の浸出性を有する不活性な一体的スラグとにガス化させるための定置プラズマトーチを利用する装置を開示している。
【０００５】
同様に、特許文献２も、定置プラズマトーチを利用する装置であって、キューポラ炉の内部で危険廃棄物を処理することによって、例えばＰＣＢのような危険性物質が揮発され、再燃焼装置で消費される一方、重金属を含有する危険性物質がキューポラ炉の内部で溶融され、非浸出性の固形製品に変換される、装置を開示している。
【０００６】
しかしながら、定置プラズマトーチを利用することによって、廃棄物及び他の材料をガス化及びガラス状にすることは、幾つかの欠点を提供する。プラズマガスは極端な温度を有しているので、定置プラズマトーチを水冷する必要がある。トーチを水冷すると、トーチの熱変換効率が低下する。多くの場合、水冷によるエネルギ損失は、トーチに対する電気エネルギの入力の１５％〜３５％に到達する。さらに、トーチは、厚肉の耐火材で裏打ちされた壁を貫通して突出させる必要がある場合があるので、トーチの水冷された本体からこのような耐火性壁に至る、さらなる熱の損失が発生する。最後に、トーチを非伝送モードで動作させる状態では、プラズマガスの大部分が、炉の内部で固形物を処理する代わりに、炉排出ガスに逃げる。その結果として、熱の正味効率が５０％より低くなる場合がある。
【０００７】
水冷式定置トーチのもう一つの欠点は、水漏れの危険性を有していることである。幾つかの場合では、故障中のトーチから流出した高圧水が炉の内部において過熱された溶融スラグに達する場合に、トーチの水漏れによって蒸気爆発が発生する可能性がある。（非特許文献１）。
【０００８】
従って、廃棄物をガス化及びガラス化することを目的として、非水冷式グラファイトアーク炉を利用することが提案されている。グラファイトアーク炉は、プラズマトーチを利用するプラズマ炉と比較して、幾つかの利点を提供する。グラファイト電極は、水冷されないので、漏水する可能性があるトーチを利用する炉と比較して、本質的に安全である。グラファイト電極は、水冷されないので、水冷式トーチと比較して顕著に効率的であり、電気アークから大量の処理すべき廃材に至るエネルギの移動に関して約１００％の効率を達成することができる。グラファイトアーク炉は、交流（ＡＣ）タイプであっても直流（ＤＣ）タイプであっても良い。
【０００９】
従来技術に基づく３相ＡＣアーク炉は、通常、廃棄物を貸すか及びガラス化する廃ガス化及びガラス化することを目的として利用することができない。一般に、ＡＣ炉は無蓋構造とされるので、大量の空気の侵入に起因して、合成ガスの品質を制御する能力が制限される。３相ＡＣ炉は、低温の廃ガラスや燃焼灰残留物のような非導電性材料に電流を容易に伝達することができない。当該問題を軽減するために幾つかの方法が提案されており、特に幾つかのＤＣ炉は、特許文献３に開示されるように、アーク非伝送運転モードからアーク伝送運転モードに切り替えるための方法を提供する。他の炉は、特許文献４に開示されるように、ＡＣ動作モードとＤＣ動作モードとの両方で動作可能とされ、ＡＣアークはスラグをジュール加熱するために利用され、ＤＣアークは溶融物の上方に電気アークを生成するために利用される。
【００１０】
特許文献４は、多様な廃棄物流れを有用なガスと安定した非浸出性固形製品とに変換することを目的とする、廃棄物をエネルギに変換するシステム及び装置を開示している。一の実施例では、炉は、ガス層のＤＣプラズマアークで廃棄物の溶融された無機画分を複合ＡＣジュール加熱することを利用する。当該システムでは、プラズマアーク炉とジュール加熱された溶解炉とが、完全に一体化されたユニットとして形成されており、当該ユニットは、アークプラズマと当該ユニットのジュール加熱された部分との両方を相互干渉させることなく同時に動作させるための回路装置を有している。しかしながら、このような構成は複雑であり、複数の電源と複雑な回路装置とを必要とする。また、ＡＣ電極がスラグの内部で凍結され、これにより炉の再稼働が極めて困難になる恐れがある。
【００１１】
例えば特許文献３は、ホッグ燃料ボイラーで製造された灰をガス化及びガラス化するための装置を開示している。当該装置は、水平位置又は垂直位置で動作可能とされる２つ又は３つの傾斜可能な電極を利用する高炉である。電極の位置を水平位置から垂直位置に変更することによって、アークを非伝送モードから伝送モードに変更可能とされる。しかしながら、このような構成は、幾つかの欠点を有している。例えば電極パススルーが完全に密封されていないので、炉の内部において制御不能なガス化が生じる可能性がある。また、定地モードにおけるスラグの加熱は極めて非効率的であるので、スラグが凍結する可能性がある。凍結の度合いが高すぎる場合には、プラズマ熱を下層に効率的に伝達させることができない。さらに、アーク電圧は非常に不安定であり、炉の内部における合成ガスの様々な組成に依存する。また、電極が傾斜しているので、当該電極は耐火体に方向づけられたアークジェットを生成するので、過度の耐火体損耗を発生させる。
【００１２】
従って、廃棄物をガス化及びガラス化するための装置であって、スラグの実質的に完全な溶融を確実にし、スラグの凍結を実質的に回避すると共に、プラズマアークから処理すべき廃棄物に至るエネルギ伝達を改善する、装置を提供することが望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】米国特許第５２８０７５７号明細書
【特許文献２】米国特許第４９９８４８６号明細書
【特許文献３】米国特許第５９５８２６４号明細書
【特許文献４】米国特許第５６６６８９１号明細書
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】R. A. Beaudet et al., “Evaluation of Demonstration Test Results of Alternative Technologies for Demilitarization of Assembled Chemical Weapons - A Supplemental Review, Committee on Review and Evaluation of Alternative Technologies for Demilitarization of Assembled Chemical Weapons”, National Research Council, (2000)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
以上により、廃棄物をガス化及びガラス化するための新規の装置を提供することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本明細書に記載の実施例は、一態様として、廃棄物をガス化及びガラス化するための装置であって、２つの可動式グラファイト電極を具備するプラズマアーク炉であって、プラズマアーク炉が、スラグ溶融物を完全に貫通して電流を伝送するように構成されている空冷式底部電極を含んでおり、プラズマアーク炉が、スプールとプラズマアーク炉の坩堝との接合部において密封されている、プラズマアーク炉と、プラズマアーク炉の内部における還元状態を制御するように構成されている気密性電極と、を備えている装置を提供する。
【００１７】
また、本明細書に記載の実施例は、別態様として、スプール及び坩堝と、例えばグラファイトから作られている一組の可動式電極と、スラグ溶融物を完全に貫通して電流を伝送するように構成されている空冷式底部電極と、を備えているプラズマアーク炉であって、プラズマアーク炉が、スプールとプラズマアーク炉の坩堝との接合部において密封されており、プラズマアーク炉が、プラズマアーク炉の内部における還元状態を制御するように構成されている気密性電極をさらに備えている、プラズマアーク炉を提供する。
【００１８】
さらに、本明細書に記載の実施例は、別態様として、スプール及び坩堝と、例えばグラファイトから作られている一組の可動式電極と、スラグ溶融物を完全に貫通して電流を伝送するように構成されている空冷式底部電極と、を備えているＤＣアーク炉であって、が、スプールとＤＣアーク炉の坩堝との接合部において密封されており、ＤＣアーク炉が、ＤＣアーク炉の内部における還元状態を制御するように構成されている気密性電極をさらに備えている、ＤＣアーク炉を提供する。
【００１９】
具体的には、加熱伝達モードから加熱非伝達モードに切り替わるように構成されている電気回路がさらに設けられている。これにより、スラグが凍結されている場合であっても、炉の再稼働が可能となる。
【００２０】
本明細書に記載の実施例をより良好に理解すると共に当該実施例の実施態様をより明確に示すために、少なくとも１つの典型的な実施例を表わす添付図面を一例としてのみ参照する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】典型的な実施例の炉の動作原理を表わす概略図である。
【図２】図１に表わす炉に基づいて詳細な炉の垂直断面図である。
【図３】典型的な実施例における電極シールの詳細な垂直断面図である。
【図４】典型的な実施例における底部陽極を詳細に表わす垂直断面図である。
【図５ａ】典型的な実施例における、２つの運転モードのうち一方の運転モードについての電気回路の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１及び図２に表わす一の実施例では、ＤＣアーク炉Ｆは、２つの部分、すなわち共に高温で動作するように耐火材で裏打ちされたスプール１と坩堝２とを備えている。坩堝２で利用される耐火体は、溶融ケイ酸塩型材料と混合可能とされ、高アルミナ質材料又はアルミナクロム質材料から作られている。スプール１で利用される耐火材は、潜在的に腐食性の高温ガスと混合可能とされ、高アルミナ質材料又はアルミナクロム質材料から作られている。図２に表わす構成部材は、図１に表わすＤＣアーク炉Ｆの一部分である。
【００２３】
通常の動作では、ガス化及び溶融すべき材料が、スプール１の頂部に配置されている１つ以上の供給ポート３を介して連続的に導入される。処理すべき材料が坩堝２に蓄積されるので、部分的に処理された廃棄物４の最上層が形成される。炉の坩堝２内の高温（典型的には１４００°Ｃより高い）とガス化された空気、酸素、及び／又は蒸気の注入とによって、廃棄物の無機画分から有機物が分離される。無機画分は溶融金属層６の上に浮遊している液体スラグ層５に溶け込む。有機画分は、主に一酸化炭素と水素とから成る合成ガス、又は主に二酸化炭素と水蒸気から成る燃焼ガスに変換される。ガスは排気ポート８を通じて炉から流出する。
【００２４】
坩堝２の外側シェルは、耐火性の劣化を少々限度に抑えるために、フィンが備えており、強制的に空冷されるようになっている。強制的に空冷する目的は、スラグ凍結ラインを液体スラグ層５の内側に且つ耐火ライニングから離隔するように良好に移動させることである。
【００２５】
一組の電気アーク９ａ，９ｂが、ＤＣアーク炉Ｆの内部に維持されている。アーク９ａ及び９ｂは、部分的に処理された廃棄物４の質量に部分的に浸され、液体スラグ層５に伝送される。電流は、溶融金属層６と底部陽極１０とを通過する。
【００２６】
２つの電源１１ａ，１１ｂが、電気アーク９ａ，９ｂを維持するための電流を供給するために利用される。図１に表わすすべての部品が、電源１１ａ，１１ｂを除いて、ＤＣアーク炉Ｆの一部を構成している。電源１１ａ，１１ｂは、直流（ＤＣ）ユニット、例えば電流制御型の直流（ＤＣ）ユニットである。電流は、典型的にはグラファイトから作られている一組の電極１２ａ，１２ｂに供給される。グラファイトは、その通電容量が適切な大きさ（１６Ａ／ｃｍ２〜３２Ａ／ｃｍ２）である場合に過熱されないので、水冷される必要が無い。従って、グラファイト電極１２ａ，１２ｂを利用することによって、プラズマ炉の内部における水冷の問題が解決されると共に、蒸気爆発の危険が回避される。また、グラファイト電極１２ａ，１２ｂとＤＣアーク炉Ｆの内部で自由燃焼する電気アーク９ａ，９ｂを利用することによって、水冷に関するエネルギ損失が解消される。利用されるグラファイト電極１２ａ，１２ｂは、直径が数インチのサイズから遥かに大きいサイズ（例えば３２インチ）に至るまで市販されている。電極１２ａ，１２ｂは、一般に市販されており、例えばＳＧＬカーボングラフテック／ＵＣＡＲ等の企業から供給されている。
【００２７】
グラファイト電極１２ａ，１２ｂを利用することによって、スケールアッププロセスが単純化される。電極のサイズを容易に大きくすることができるからである。電極１２ａ，１２ｂの通電容量は電極の断面に正比例するか、又は電極の直径の２乗に比例する。最大の電極は１４０ｋＡ以上の通電容量を有しているので、大規模な廃棄物処理の用途に適している。例えば２つの６インチ電極を利用している炉は、１日当たり１０トンの都市で扱う廃棄物を処理するために利用可能とされるが、４００ｋＷの電力を必要とし、２０００アンペアで動作する。このことに基づくと、２つの３２インチ電極を利用することによって、単一の炉で１日当たり７００トンの廃棄物を処理可能とされる。対照的に、定置アークプラズマトーチを利用すると、同一のエネルギを得るためには多数のトーチを利用する必要がある。たとえば、効率が７５％である総電力１ＭＷのトーチを利用することによって同一量のエネルギ伝送量を実現するためには、３７個の個別のプラズマトーチが必要とされる。
【００２８】
図２を参照すると、電流は、一組の電極クランプ１３ａ，１３ｂそれぞれを利用することによって２つの電極１２ａ，１２ｂに供給される。市販の電極は、接続ピンを利用することによって当該電極を共に捩じ込むための機構を含んでいる。接続ピンは、２つの長さを有する電極を接続することができるネジ付コネクタとされる。ＤＣアーク炉Ｆの正常動作時には、グラファイトはアーク９ａ／９ｂによって徐々に侵食される。電極１２ａ，１２ｂは、移動機構１５ａ，１５ｂに取り付けられており、移動機構１５ａ，１５ｂは、電極１２ａ，１２ｂが浸食されるに従って、ＤＣアーク炉Ｆの内部において電極１２ａ，１２ｂを低速で移動させる。移動機構１５ａ，１５ｂは、アーク電圧の調整を可能とする上下動機能を提供する。アーク電圧は、アークの長さに正比例し、アークの長さは、電極１２ａ，１２ｂそれぞれの先端と液体スラグ層５の頂面との距離に比例する。所定長さの電極１２ａ／１２ｂが完全に侵食されると、新規の長さの電極が、上述の接続ピンを利用することによってＤＣアーク炉Ｆの外側から捩じ込まれる。
【００２９】
プラズマ出力を調整するために、電圧が、電極１２ａ，１２ｂの高さを調整することによって一定に維持される。電流の設定点は、自身の電流を制御することができる電源１１ａ，１１ｂに付与される。電力は、電圧と電流との乗算の関数とされる。液体スラグ層５の温度は、プラズマ出力を調整することによって制御可能とされる。また、プラズマ出力は、例えば熱分解反応のような吸熱反応についてのエネルギ必要量を補償するために利用可能とされる。
【００３０】
スプール１と坩堝２とは、２つの異なる部分から構成されている。坩堝２は、スプール１から取り外し可能であり、ホイール１９を備えており、且つ、トラック上に降下させることができるので、耐火性に関する点検のために転動させ離隔させることができる。点検が完了すると、坩堝２は所定の位置に戻された後に、一連のタイロッド１８を利用することによって上方に移動され、所定の位置に維持される。タイロッド１８それぞれに付属する一連のナット２０は、坩堝２を所定の位置に揚重し且つ所定位置に維持するために利用される。
【００３１】
２つのタップ穴１６，１７は、ＤＣアーク炉Ｆの液体スラグ層５及び溶融金属層６それぞれから余分な液体スラグ及び液体金属を抽出するために設けられている。より多くの廃棄物がＤＣアーク炉Ｆに供給されるに従って、溶融した無機材料が既存の液体スラグ層５に融合する。廃棄物がＤＣアーク炉Ｆに連続的に供給されている状態のまま時間が経過すると、液体スラグ層５の高さが増大する。酸化された画分より高密度の非酸化金属は、スラグ層５の下方の液体溶融金属層６に蓄積する。従って、上側タップ穴１６は、液体スラグ層５から酸化スラグを抽出するために利用される一方、下側タップ穴１７は、溶融金属６から金属を抽出するために利用される。
【００３２】
図１を再度参照すると、ＤＣアーク炉Ｆは、ＤＣアーク炉Ｆの内部への空気の望ましくない侵入を防止するために、完全に包囲されている。空気中の酸素によって、炉内の廃棄物が過剰に燃焼されるので、生成される合成ガスの品質が低下する。スプール１と坩堝２との間には、シール１４が設けられている。シール１４は、グラファイト又は高温に対して耐火性を有している紙から作られている。電極１２ａ，１２ｂの周囲からの空気の侵入を防止する２つの電極シール１４ａ，１４ｂが設けられている。
【００３３】
図３は、電極シール１４ａ，１４ｂの詳細図である。電極１２ａ／１２ｂそれぞれが金属チューブ２１を貫通している。金属チューブ２１に溶接されている底部プレート２２が設けられているので、耐火体７に鋳込まれているネジ付ロッド２３と金属チューブ２１をプレート２２と共に所定位置に保持するために利用されるナット２４とを介して、金属チューブ２１をスプール１の耐火体７の頂部に取り付けることができる。電極シールチューブ２１を、スプール１の鋼板シェルではなく、耐火体７に取り付けることによって、電極１２ａ，１２ｂが互いから絶縁されると共に、鋼板シェルからも絶縁される。
【００３４】
以下に詳述するように、頂部フランジ２５は、金属チューブ２１に溶接されており、一連のネジ付ロッド、ナット、及び座金によって第２の自由に移動するチューブ２１ａを取り付けるために利用される。耐火性ロープ２９の上に設けられているグラファイト製ロープ２６の幾つかの層が、外側チューブ２１と電極１２ａ／１２ｂとの間の隙間を密封するために利用される。電極１２ａ／１２ｂの移動に起因してシールが浸食された場合に、電極１２ａ／１２ｂを中心とする４つのナット２７（２つのナット２７が図示されている）を締め付けることによって、電極１２ａ／１２ｂの周囲のシールを密着させることができる。一連の斜座金２８は、運転中にナット２７が緩むことを防止するために利用される。耐火性ロープ２９を利用することによって、シールの周囲における水冷の利用が回避される。
【００３５】
図４に表わすように、底部陽極１０は、電気アーク９ａ，９ｂに給電するために利用される電気についての電流帰還路を提供する。底部陽極１０は、坩堝が故障した場合に液体スラグと水とが接触する危険を回避するために、ひいては蒸気爆発を防止するために空冷される。このような構成によって、冷却水を利用する必要が無くなる。
【００３６】
底部陽極１０は、坩堝２の耐火ライニング３０に埋設されている金属又はグラファイトから成る導電性ロッド３１である、１つ以上の電極を備えている。電極の数量及び断面は、当該電極の通電容量の必要量の関数として設定される。導電性ロッド３１は、液体スラグ層５と直接接触しているか、又は導電性プレート３７と接触している。導電性プレート３７は、グラファイトから、又は例えば鉄や鋼のような金属から作られている。導電性プレート３７が金属製である場合には、炉の運転中に通常、導電性プレート３７は溶融する。確実に電極自体が溶融しないように、当該電極は冷却フィン３３によって外部冷却される。
【００３７】
導電性ロッド３１は、銅製ロッド３２に接続されている。銅製ロッド３２は導電性ロッド３１に取り付けられており、当該実施例では位置合わせされている。導電性ロッド３１と銅製ロッド３２とを螺合可能に組み付けるために、銅製ロッド３２が、機械加工されている雄ネジ部を有している一方、導電性ロッド３１が、機械加工されている雌ネジ部を有している。導電性ロッド３１及び銅製ロッド３２の肩部によって、導電性ロッド３１と銅製ロッド３２との良好な電気的接触が確保される。銅が、高い電気伝導性及び熱伝導性を提供するためにロッド３２に利用される一方、高融点金属又はグラファイトが、液体スラグ層５の近傍における電極溶融の影響を最小限度に抑えるために導電性ロッド３１に利用される。
【００３８】
銅製ロッド３２は、銅製プレート３４と共に接続されている。銅製プレート３４は、耐火体に埋設されているティー状の金属製サポート３５によって坩堝２に保持されている。銅製プレート３４は、ティー状のサポート３５に締結されている。サポート３５が金属製シェルに接触しないで耐火体に埋設されているので、底部陽極１０全体が電気的に浮遊した状態を維持しており、接地された坩堝シェルと同一の電位ではない。
【００３９】
銅製ロッド３２は並列に接続されている。銅製プレート３４は、ラグ３８を介してＤＣ直流ケーブルに接続されている。銅又はアルミニウムから作られている冷却フィン３３が、銅製ロッド３２に対する熱伝達面を最小にするために利用される。
【００４０】
強制空冷が、冷却フィン３３を冷却するために利用される。プレナム３６が、冷却フィン３３の周囲で空気を強制的に循環させるために設けられている。低圧空気ブロア（図示しない）が、冷却空気をプレナム３６に供給するために利用される。プレナム３６は、坩堝シェルに螺合されている一連のボルトによって、坩堝２の底部に保持されている。プレナム３６は、冷却フィン３３に対して最適な空気の分配を確保するために、バッフル（図示しない）を備えている。
【００４１】
図５ａ及び図５ｂは、炉の内部においてアーク伝送運転モードとアーク非伝送運転モードとの間で切り替えるための回路及び方法を表わす。
【００４２】
図５ａは伝送運転モードを表わす。伝送運転モードでは、陰極１２ａ，１２ｂそれぞれと底部陽極１０との間において電流が伝送される。左側の回路のための電流は、電源ＰＳ１（１１ａ）によって供給される。接触器ＣＯＮ３は閉じられているが、接触器ＣＯＮ１は開いた状態を維持している。右側の回路のための電流は、電源ＰＳ２（１１ｂ）によって供給される。接触器ＣＯＮ２，ＣＯＮ４は閉じられている。
【００４３】
図５ｂは非伝送運転モードを表わす。非伝送運転モードでは、陰極１２ａと陰極として機能する電極１２ｂとの間において電流が伝送される。単一の電源ＰＳ１（１１ａ）が、アークを駆動するために利用される。この場合には、接触器ＣＯＮ２，ＣＯＮ３，ＣＯＮ４は開いているが、接触器ＣＯＮ１は閉じている。
【００４４】
また、プロセスが不調である場合にＤＣアーク炉Ｆを再稼働させるための、及び、非伝送運転モードと伝送運転モードとの間で切り替えるための方法が提供されている。プロセスが不調である場合、及び、液体スラグ層５が凍結した場合には、凍結されたスラグは電気を通さないので、底部陽極１０に対する伝送運転モードが実施不能となる。その場合には、例えばグラファイト粉末や金屑のような導電性材料を電極１２ａと電極１２ｂとの間に供給することができる。電極１２ａ，１２ｂは、当該導電性材料に接触するまで降下される。回路が起動すると、電極１２ａ，１２ｂを低速で上方に移動させ、電極１２ａ，１２ｂの間にアークを生成させることによって、非伝送運転モードが利用可能となる。伝送運転モードは、処理すべき廃棄物の質量に対するエネルギ伝送の観点において一層効率的であるので、伝送運転モードに急速に切り替えることが望ましい。その場合には、図５ｂを参照すると、接触器ＣＯＮ３は閉じられており、接触器ＣＯＮ３に隣接する電線を通過する電流が電流計によって監視されている。電流が当該電線を通過し始めると、接触器ＣＯＮ１が開かれ、底部陽極１０を通過するすべての電気の伝送及び通過を強制する。アーク伝送運転モードが安定していると、電源ＰＳ２（１１ｂ）の電源が入り、接触器ＣＯＮ２，ＣＯＮ４が閉じられるので、通常の伝送運転モードに復帰する。
【００４５】
アーク伝送運転モードにおいてアークを安定化させるために、中空の電極を利用し、ガスを形成するプラズマを電極に注入することができる。当該ガスは、好ましくは例えばアルゴンやヘリウムのような単原子気体とされるか、又は当該単原子気体の混合体とされる。
【００４６】
上述の説明は例示的な実施例を提供しているが、記載された実施例の幾つかの特徴及び／又は機能は、上述の実施例の技術的思想及び動作原理から逸脱しないことを条件として、変更を許容することに留意すべきである。従って、上述の記載事項は、非限定的な実施例を図解することを意図するものであり、当業者であれば、特許請求の範囲に規定される実施例の技術的範囲から逸脱しないで他の変形及び変更が可能であることを理解することができるだろう。
【符号の説明】
【００４７】
１    スプール
２    坩堝
３    供給ポート
４    廃棄物
５    液体スラグ層
６    溶融金属層
７    耐火体
８    排気ポート
９ａ  電気アーク
９ｂ  電気アーク
１０    底部電極
１１ａ  電源
１１ｂ  電源
１２ａ  電極
１２ｂ  電極
１３ａ  電極クランプ
１３ｂ  電極クランプ
１４    シール
１４ａ  電極シール
１４ｂ  電極シール
１５ａ  移動機構
１５ｂ  移動機構
１６    タップ穴
１７    タップ穴
１８    タイロッド
２０    ナット
２１    金属チューブ（外側チューブ）
２１ａ  チューブ
２２    底部プレート
２３    ネジ付ロッド
２４    ナット
２５    頂部フランジ
２６    グラファイト製ロープ
２９    耐火性ロープ
３０    耐火性ライニング
３１    導電性ロッド
３２    銅製ロッド
３３    冷却フィン
３４    銅製プレート
３５    金属製サポート
３７    導電性プレート
３８    ラグ
Ｆ    ＤＣアーク炉
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【国際調査報告】
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