JPH0519277B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、例えば、都市ごみ、下水汚泥、或
いはその他の廃棄物を焼却炉で焼却することによ
つて発生する焼却灰を溶融処理する溶融炉のプラ
ズマ発生装置に関する。

〔従来の技術〕

一般に、都市ごみ、下水汚泥、或いはその他の
廃棄物を廃棄物焼却炉で焼却することによつて発
生する焼却灰は、多くの場合、埋立処理されてい
るのが現状である。しかし、埋立地の確保が年々
困難になつているため、埋立てられる焼却灰の容
積を小さくする方法、即ち、減容化処理が要望さ
れている。また、焼却灰を処理することなくその
ままの状態で埋立地に埋立てた場合には、焼却灰
自体には種々の重金属等の有害物質が含まれてい
るため、焼却灰から有害物質が雨水、地下水等に
溶出したり、或いは、焼却灰中の未燃有機物質が
腐敗し、これらの現象が二次公害を引き起こす原
因になつている。そこで、焼却炉から排出される
焼却灰の無公害処理化が要望されている。

このようなことから従来から種々の焼却灰の処
理装置が開発されている。例えば、焼却灰をセメ
ントと混合して焼却灰をセメントで固化する処理
方式、アスフアルトと混合して焼却灰を固化する
処理方式、或いは粘土等と混合して焼却灰を焼結
固化する処理方式等が開示されている。しかしな
がら、これらの処理方式は、処理コストが高価と
なり、また、焼却灰の処理状態に対して技術的信
頼性に欠ける問題がある。

また、焼却灰の別の処理方式として、バーナ
炉、或いは電気炉即ちオープンアーク炉に焼却灰
を投入して該焼却灰を溶融処理する方式がある。
バーナ炉方式は、油の燃焼熱を利用する方式で、
最高温度が1400℃程度であり、高融点の鉄分やセ
ラミツク類を前段階で除去する必要がある。或い
は、アーク炉方式は、製鋼用アーク炉を溶融用に
転用したもので、黒鉛電極間のアーク熱を利用す
るものである。

例えば、製鋼用のオープンアーク炉を用いた処
理方法として、特開昭52−86976号公報に開示さ
れたものがある。該スラツジの燃焼溶解方法は、
電極と溶融金属との間に常時アークを発生させた
密閉式アーク炉にスラツジを装入し、このスラツ
ジ中の有機物は上記アークのアーク熱により分解
してガスとして炉外に取り出し、上記スラツジ中
の無機物は上記アークのアーク熱により溶解して
上記溶融金属に溶け込ませるか溶融スラグとして
炉外に取出すことを特徴としている。

又は、特開昭55−114383号公報には、焼却灰の
溶融処理方法が開示されている。該焼却灰の溶融
処理方法は、サブマージドアーク炉内の溶融スラ
グ上に焼却灰を順次投入して焼却灰層を形成し、
該層の焼却灰を溶融スラグの電気抵抗熱により順
次溶融するものである。この場合に、焼却灰とし
て、焼却炉で焼却排出される灰と、集塵器で捕集
される集塵灰との混合灰を用いたものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上記バーナ炉方式は、高温が得
られないためにスラグの取り出し方法を水砕方式
とするものが殆どである。水砕方式とは、スラグ
排出口の下部に水槽を設置し、スラグを排出口か
ら連続的に水槽に落下させ、水槽内で冷却された
スラグをコンベア等で溶融炉外に取り出す方法
で、水で外気をシールすることによりスラグ排出
口に漏れ込んだ冷風が冷却することがないという
利点がある反面、水砕スラグはガラス質となつて
脆くなり、該水砕スラグを有効利用するという面
から問題がある。更に、水砕方式は高温且つ多量
のスラグが水槽内に落下する時に水蒸気爆発の危
険が伴う問題がある。

また、前掲特開昭52−86976号公報に開示され
たスラツジの燃焼溶解方法は、黒鉛電極を用いた
オープンアーク炉を用いたものであるため、十分
な高温が得られず、そのため、焼却灰、特に都市
ごみ焼却灰にあつては含有される土砂、陶器、金
属等の高融点物質を完全に溶融させることができ
ないという問題があり、そこで、該オープンアー
ク炉で溶融できる物質のみを該オープンアーク炉
に投入するため、焼却炉から高融点物質を事前に
選別した後、炉内に投入するか、或いは、石灰、
ホタル石等の融点降下剤を焼却灰に添加して溶融
処理する必要があつた。

また、オープンアーク炉では、電極と溶融金属
との間にアークを発生させるため、焼却灰のよう
に、スラグ成分として含まれている酸化物を主成
分とする廃棄物を処理するためには、事前に鉄等
の金属を炉内で溶解し、いわゆるベースメタルを
作成しておく必要が生じる。更に、ベースメタル
上に酸化物等の組成が不均一な焼却灰が投入され
ると、アーク電力の変動が大きく、また、アーク
が消滅する現象が発生した。しかも、アークが消
滅した場合は、ベースメタル上に電導性のない焼
却灰が覆つた状態となるため、再度焼却灰を処理
するため、焼却灰に再着火を行うことができなく
なるという問題がしばしば生じた。

水砕方式以外の方式には、風砕方式、徐冷方式
があるが、これらの方式によるスラグ結晶質で堅
いため、建設用骨材や道路路盤材等に有効利用で
きる性質のものである。この徐冷方式等の一般的
なスラグ排出方法は、高炉等製鉄関係で使われて
いるタツプ方式である。タツプ方式とは、スラグ
排出口に粘土を詰めてスラグが流出しないように
して溶融炉内にスラグを溜めておき、スラグ量が
所定量溜まつた時に、スラグ排出口の粘土を突き
崩してスラグを排出口より流出させ、スラグの流
出が終了した後に、排出口に再び粘土を詰めると
いう方法であり、炉内にスラグを滞留させるた
め、スラグ排出操作は間歇的となり、炉の容積が
大きくなり、作業の安全性に問題がある。

一般に、プラズマとは、原子から電子が飛び出
してイオン化した状態であり、原子から電子が飛
び出す時に発生する高エネルギーであり、プラズ
マの付近は高温度雰囲気となる。このプラズマを
発生させるため、プラズマアーク炉が提供されて
いる。このプラズマアーク炉にはプラズマトーチ
が設けられている。また、焼却炉から発生する焼
却灰、及び燃焼排ガスを電気集じん器等の集じん
器で清浄し且つ集じんされた焼却灰は、溶融炉で
溶融処理され、また、清浄された排ガスは誘引フ
アンを通つて煙突から排出される。

この発明の目的は、上記種々の問題点を解決す
ることであり、都市ごみ焼却炉の焼却灰を減容
化、無害化、有効利用を図るために溶融処理する
溶融炉に関し、鉄類やセラミツク類を分別しない
で焼却灰を溶融する場合1500℃以上の高温が必要
となるが、プラズマアークでは1500〜2000℃の高
温を容易に得ることができることに着眼し、焼却
灰の種類及び組成を問わず、例えば、焼却灰中に
金属陶器、土砂等の高融点物質が含まれていて
も、それらの高融点物資を焼却灰から予め選別除
去することなく、該焼却灰を溶融炉に直接投入
し、該溶融炉に設けたプラズマ発生装置であるプ
ラズマトーチを用いてプラズマアークを発生さ
せ、該プラズマアークの高エネルギーによつて上
記焼却灰を溶融して常に安定して焼却灰を溶融処
理する溶融炉のプラズマ発生装置を提供すること
である。

〔課題を解決するための手段〕

この発明は、上記の目的を達成するため、次の
ように構成されている。即ち、この発明は、溶融
炉内へ焼却灰を投入する焼却灰供給装置、前記溶
融炉に配置されたプラズマを発生させるプラズマ
トーチ、該プラズマトーチに直流を供給するため
に交流を直流に切換える手段を備えた電源供給装
置、前記プラズマトーチを冷却するために冷却水
を供給する冷却水供給装置、前記プラズマトーチ
にプラズマ形成ガスとして空気を供給するために
空気圧縮機を備えた空気供給装置、及び前記プラ
ズマトーチに電圧を印加してプラズマアークを発
生させる制御を行う制御装置から成る溶融炉のプ
ラズマ発生装置に関する。

〔作用〕

この発明による溶融炉のプラズマ発生装置は、
上記ように構成されており、次のような作用を有
する。即ち、この溶融炉のプラズマ発生装置は、
溶融炉に配置されたプラズマを発生させるプラズ
マトーチに電源供給装置を通じて直流を供給し、
冷却水供給装置から供給される冷却水によつて前
記プラズマトーチを冷却し、空気圧縮機を備えた
空気供給装置によつてプラズマ形成ガスとしての
空気を前記プラズマトーチに供給し、更に前記プ
ラズマトーチに印加する電圧を制御装置によつて
制御したので、前記溶融炉に設けた前記プラズマ
トーチに高温のプラズマアークを持続的に安定し
て発生させる。従つて、焼却炉から排出される高
融点物質を含む焼却灰をそのまま溶融炉に順次直
接投入しても、高温のプラズマアークの熱エネル
ギーを焼却灰に輻射或いは伝導で与えることによ
つて、該焼却灰を迅速に溶融することができる。

〔実施例〕

以下、図面を参照して、この発明による溶融炉
のプラズマ発生装置の一実施例について説明す
る。この発明による溶融炉のプラズマ発生装置
は、焼却炉から廃棄物等を焼却することによつて
発生する焼却灰、場合によつては、上記焼却炉シ
ステムにおける上記集じん器で捕集されたダスト
を混合してプラズマアーク炉内に投入し、このプ
ラズマアーク炉において該焼却灰を溶融処理する
ためのプラズマアークを発生させるためのもので
あり、第１図において、この溶融炉のプラズマ発
生装置の一例が示されている。

第１図において、この溶融炉のプラズマ発生装
置は、主として、プラズマアーク炉５、該プラズ
マアーク炉５に設けたプラズマトーチ８、及び該
プラズマトーチ８にプラズマを発生させるプラズ
マシステム１から構成されている。

このプラズマ発生装置における溶融炉におい
て、溶融炉即ちプラズマアーク炉５は、炉体の上
部に水冷式の固定型の炉蓋が設けられている。こ
の炉体は、カーボン、マグネシア、アルミナ等の
耐火材で構築され且つスラグ排出口２５を備えて
いる。また、炉蓋には、トーチ昇降装置、焼却灰
の投入シユート９及び排ガスの排ガスダクト２３
が取付けられている。プラズマトーチ８は、トー
チ昇降装置によつて炉蓋に設置可能に設けられて
いる。

プラズマシステム１は、主として、溶融炉に配
置されたプラズマを発生させる移送式又は非移送
式のプラズマトーチ８、プラズマトーチ８に直流
を供給するために交流を直流に切換える手段を備
えた電源供給装置４、プラズマトーチ８を冷却す
るために冷却水を供給する冷却水供給装置２７、
プラズマトーチ８にプラズマ形成ガスとして空気
を供給するために空気圧縮機を備えた空気供給装
置２８、及び移送式の場合はプラズマトーチ８に
内蔵された電極と溶融炉の炉底部に埋め込まれた
対極１０との極間に、或いは非移送式の場合はプ
ラズマトーチ８に内蔵された電極間に電圧を印加
してプラズマアークを発生させる制御を行う制御
装置２６を有している。

この溶融炉のプラズマ発生装置において、プラ
ズマアーク炉５に、例えば、出力150KWの発生
させる場合には、電源供給装置４にAC400Vを投
入して該交流を直流に変換する。

更に、冷却水供給装置２７については、冷却水
ポンプ２９を稼動し、冷却水を水タンク３０から
熱交換器３３へ送り込み、該熱交換器３３におい
て熱交換した後に、該熱交換器３３からマニホー
ルド３４、次いで冷却水パイプ１９，２０を通じ
てプラズマトーチ８へ供給すると共に、マニホー
ルド３４から冷却水をプラズマトーチ８を設けた
炉蓋に供給し、プラズマトーチ８及び炉蓋を冷却
する。この時、例えば、トーチ冷却水流量を20〜
40GPMに、且つトーチ冷却水圧を180〜250PSIG
に設定する。

また、空気供給装置２８については、エアコン
プレツサを稼動し、矢印Ａに示すように、圧縮空
気をマニホールド３４からプラズマ形成空気パイ
プ２１を通じてプラズマトーチ８に供給する。第
４図は、この溶融炉のプラズマ発生装置におい
て、空気供給装置２８の圧力変化パターンの一例
を示している。

また、この溶融炉のプラズマ発生装置に使用さ
れるプラズマトーチ８の電極には、アーク放電の
形式として、第２図に示すような移送式、又は第
３図に示すような非移送式のものを使用すること
ができる。移送式は溶融炉の炉底部に負の対極１
０を必要とし、非移送式はプラズマトーチ８の先
端を対極とするのでプラズマトーチ以外に炉底部
に負の対極を必要としない。また、プラズマトー
チ８本体の熱効率は、移送式が92〜94％、非移送
式は85％であり、熱効率的には移送式が優れてお
り、取り扱い易さでは炉底部に負の対極を必要と
しない非移送式が優れている。溶融スラグは、導
電性があるので、炉内に溶融スラグが有る時は、
スラグ浴の全表面が対極となる。

まず、プラズマトーチ８が第２図に示すような
移送式タイプの場合には、炉体の炉底部にプラズ
マトーチ８の黒鉛電極から成る対極１０を埋め込
む構造に構成する。プラズマシステム１におい
て、プラズマトーチ８にプラズマを発生させるた
めには、電源供給装置４から＋極はケーブル１７
を通じてプラズマトーチ８へ接続し、−極はケー
ブル２２を通じて黒鉛電極である対極１０へ接続
し、プラズマトーチ８と対極１０との極間に制御
装置２６によつてコントロールされた電圧を印加
する。非移送式の場合には、黒鉛電極の対極が不
要となり、−極はケーブル１８を通してプラズマ
トーチ８に内蔵された電極に接続され、プラズマ
トーチ８に内蔵された両電極間に制御装置２６に
よつてコントロールされた電圧を印加する。ま
た、供給空気の圧力変化パターンとして移送式の
場合は、パイロツトアークを発生させる起動時
に、例えば、アークガス圧力を18PSIG、及びア
ークガス流量を7SCFMに設定する。また、メイ
ンアークを発生させる運転時に、例えば、低圧ア
ークガス圧力を20PSIG、高圧アークガス圧力を
40PSIG、起動時から低圧アークガス圧力への移
動勾配を3PSIG／sec、低圧設定時間を10sec、低
圧アークガス圧力から高圧アークガス圧力への移
動勾配を1PSIG／sec、高圧設定時間を10sec、高
圧アークガス圧力から低圧アークガス圧力への移
動勾配を1PSIG／secに設定する。プラズマトー
チ８の先端と対極１０との距離がプラズマトーチ
８の電圧に比例し、距離が大きくなるにつれて約
10.5V／cmの割合で電圧が高くなる。プラズマト
ーチ８の電流は制御装置２６によつて一定に制御
されているので、電力量が距離に比例し、距離が
大きい程消費電力が増え、被溶融物に与える熱量
が増加する。この時、電流は制御装置２６でPID
制御とし、電圧は、プラズマトーチ８と対極１０
の極間の距離とアークガス圧の変動サイクルによ
つて決定される。

或いは、プラズマトーチ８が第３図に示すよう
な非移送式タイプの場合には、黒鉛電極が不要と
なるのみで、その他の構成は変わらない。非移送
式のプラズマトーチ８の場合、アークガス圧の変
動サイクルのみによつて決定されるものである。
更に、非移送式のプラズマトーチ８に内蔵された
＋極と−極の電極との極間でプラズマアークを発
生させ、そのアーク熱即ちプラズマエネルギーに
より焼却灰を溶融させる。プラズマトーチ８が非
移送式タイプの場合には、パイロツトアークを発
生させる起動時に、例えば、アークガス圧力を
18PSIG、及びアークガス流量を7SCFMに設定す
る。また、メインアークを発生させる運転時に、
例えば、低圧アークガス圧力を20PSIG、高圧ア
ークガス圧力を35PSIG、起動時から低圧アーク
ガス圧力への移動勾配を1PSIG／sec、低圧設定
時間を10sec、低圧アークガス圧力から高圧アー
クガス圧力への移動勾配を1PSIG／sec、高圧設
定時間を10sec、高圧アークガス圧力から低圧ア
ークガス圧力への移動勾配を1PSIG／secに設定
する。

この発明による溶融炉のプラズマ発生装置にお
けるプラズマアーク炉５は、上記のように構成さ
れており、次のように作用する。このプラズマア
ーク炉５において、駆動装置を作動してプラズマ
トーチ８をプラズマアーク炉５内へ降下させ、該
プラズマトーチ８を対極１０に対して所定の距離
に設定する。次いで、焼却炉から発生した金属、
陶器等の高融点物質を含む焼却灰或いは集じん器
から捕集されたダストを、灰ホツパ１２に投入す
る。灰ホツパ１２に投入された焼却灰は、シユー
ト９を通じて連続的或いは間欠的にプラズマアー
ク炉５に投入される。プラズマトーチ８を放電さ
せてプラズマアークを発生させる諸条件は、上記
のように設定されており、この設定条件の下で、
冷却水供給装置２７を作動し、プラズマトーチ８
に冷却水を上記条件で供給し、次いで、空気供給
装置２８を作動してプラズマトーチ８に空気を上
記条件で供給する。この時、アークガス圧力は、
例えば、前述の設定条件である18PSIG、アーク
ガス流量として7SCFMとなる。メインアークを
発生させるための直流の初期電圧を約700Vに設
定し、該電圧をプラズマトーチ８と対極１０との
極間に印加して高エネルギーのパルスを与え、パ
イロツトアークを発生させる。次いで、メインア
ークが発生した後、所定の電流（例えば、200〜
300A）及び所定の電圧（例えば、400〜500V）
を設定することにより、プラズマアークの熱エネ
ルギーが輻射或いは伝導によつて被加熱物である
焼却灰に与えられる。移送式プラズマトーチ８の
場合、最初にプラズマを点火する時には、プラズ
マトーチ８の先端と黒鉛電極である対極１０の距
離は25〜75mmの範囲に設定しておく。点火後は、
プラズマトーチ８の先端と黒鉛電極の対極１０の
間がプラズマ流によつて電気的に接続されるの
で、駆動装置を作動して極間の距離を75mm以上に
してもプラズマが途切れることはない。スラグ浴
は、プラズマトーチ８の対極１０の役目もしてい
るので、ある程度の深さが必要である。スラグ浴
が浅すぎると焼却灰が山になつて導電性がなくな
り、プラズマが途切れる原因となる。また、反対
に深すぎると、スラグ浴の下部のスラグが固化す
ることになる。従つて、スラグ浴の深さは、100
〜400mmの範囲にあるのが望ましい。そこで、プ
ラズマトーチ８の放電によつてプラズマアークが
発生し、該プラズマアークの熱エネルギーにより
酸化物、高溶融物質等を含んだ焼却灰は溶融状態
の溶融スラグとなる。焼却灰に含んでいる金属は
溶融金属として、炉体のスラグ排出口２５より連
続的或いは間欠的に流出し、スラグとしてスラグ
受け１５へと外部へ取り出される。また、焼却灰
が溶融するとことによつて発生する燃焼ガスは、
スラグ排出口２５より下方に形成した排ガス出口
１６から排ガスダクト２３を通つて、例えば、排
ガス処理装置に送り込まれ、燃焼ガスは処理され
て煙突等から大気へ排気される。

〔発明の効果〕

この発明による溶融炉のプラズマ発生装置は、
上記のように構成されており、次のような効果を
有する。即ち、この溶融炉のプラズマ発生装置
は、溶融炉内へ焼却灰を投入する焼却灰供給装
置、前記溶融炉に配置されたプラズマを発生させ
るプラズマトーチ、該プラズマトーチに直流を供
給するために交流を直流に切換える手段を備えた
電源供給装置、前記プラズマトーチを冷却するた
めに冷却水を供給する冷却水供給装置、前記プラ
ズマトーチにプラズマ形成ガスとして空気を供給
するために空気圧縮機を備えた空気供給装置、及
び前記プラズルトーチに電圧を印加してプラズマ
アークを発生させる制御を行う制御装置から構成
したので、焼却炉から排出される高融点物質を含
む焼却灰を溶融炉に順次直接投入し、該溶融炉に
設けたプラズマトーチにプラズマ形成ガスとして
空気を用いてプラズマアークを発生させ、持続的
に安定した高温のプラズマを得ることができ、該
高温度のプラズマの熱エネルギーを前記焼却灰に
与えて前記焼却灰を迅速に溶融することができ、
しかも加熱部分を狭い範囲に集中でき、炉全体の
温度上昇は少なく、炉体表面からの熱損失が少な
くて済み、電力の変動がほとんどないので電源に
及ぼす影響も少ない。しかも、溶融スラグをプラ
ズマアーク炉から連続的に排出できることによ
り、タツプ方式の溶融炉のようにスラグを長時間
炉内に滞留させる必要がなくなるので、前記炉体
の容積を小さく構成でき、経済的にも安価にプラ
ズマアーク炉を提供できる。また、プラズマトー
チの点火及び消化を瞬時に操作でき、運転及び保
守管理が容易である。

更に、プラズマ形成ガスとして空気を用いるこ
とにより、必要空気量は少なく、排ガス量が少な
いため、溶融炉を小型化でき、しかも、焼却灰中
に残留している未燃物（通常５％〜10％の有機物
が残留している）も完全に分解でき、オープンア
ーク炉のように、排ガス中にCO、炭化水素、ダ
イオキシン等の有害な未燃ガスが含まれて排気さ
れることはなく、安全性に富んだ焼却灰の処理方
法を提供できる。

特に、この発明による溶融炉のプラズマ発生装
置は、プラズマトーチを使用しているので、高熱
エネルギーを得ることができ、土砂、陶器、金属
等の高融点物質を含む焼却灰を直接溶融炉に投入
してそのままの状態で迅速に溶融することがで
き、従来のバーナ方式、電気炉方式等のように、
磁選機、振動コンベヤ等を用いて焼却灰から該高
融点物質を選別除去する必要がなく、作業工程が
少なくなるだけでなく設備そのものが簡素化し且
つコンパクトに構成することができる。従つて、
焼却灰の溶融処理時に、焼却灰中に含まれている
重金属は通常揮発性の高い塩化物の形態である
が、プラズマ形成ガスである空気の強い酸化作用
により揮発性の低い酸化物に変化し、そのため重
金属の大部分は溶融スラグ中に溶融固定され、排
ガス中に揮発することはなく、また、生成したス
ラグからそれら重金属が溶出するような現象は発
生しない。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明による溶融炉のプラズマ発生
装置の一実施例を示す説明図、第２図は第１図の
プラズマアーク炉に利用される移送式のプラズマ
トーチを説明する説明図、第３図は第１図のプラ
ズマアーク炉に利用される非移送式のプラズマト
ーチを説明する説明図、及び第４図はこの発明に
よる溶融炉のプラズマ発生装置におけるガスコン
トロールの一例を示す説明図である。 １……プラズマシステム、４……電源供給装
置、５……プラズマアーク炉、８……プラズマト
ーチ、１０……対極、１２……灰ホツパ、２６…
…制御装置、２７……冷却水供給装置、２８……
空気供給装置。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 溶融炉内へ焼却灰を投入する焼却灰供給装
   置、前記溶融炉に配置されたプラズマを発生させ
   るプラズマトーチ、該プラズマトーチに直流を供
   給するために交流を直流に切換える手段を備えた
   電源供給装置、前記プラズマトーチを冷却するた
   めに冷却水を供給する冷却水供給装置、前記プラ
   ズマトーチにプラズマ形成ガスとして空気を供給
   するために空気圧縮機を備えた空気供給装置、及
   び前記プラズマトーチを電圧に印加してプラズマ
   アークを発生させる制御を行う制御装置から成る
   溶融炉のプラズマ発生装置。