JP2003083517A

JP2003083517A - 廃棄物プラズマ溶解処理方法並びに廃棄物プラズマ溶解処理装置

Info

Publication number: JP2003083517A
Application number: JP2001273864A
Authority: JP
Inventors: Noboru Hanai; 昇花井; Moriji Endo; 守二遠藤
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2001-09-10
Filing date: 2001-09-10
Publication date: 2003-03-19

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、メンテナンス工数を減らし、且つ
廃棄物の安定した加熱・プラズマ溶解処理操業が可能な
廃棄物プラズマ溶解処理方法ならびにそれに好適な廃棄
物プラズマ溶解処理装置を提供することを課題とする。【解決手段】本発明は、プラズマトーチで加熱する廃
棄物プラズマ溶解処理方法において、前記プラズマトー
チがプラズマトーチ内部を貫通する中空部を有し、該中
空部に廃棄物と共にプラズマ作動ガスを装入する廃棄物
プラズマ溶解処理方法、並びにその廃棄物プラズマ溶解
処理方法の実施に好適な廃棄物プラズマ溶解処理装置で
ある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、焼却炉における焼
却残渣、飛灰などや、製鋼還元粉体スラグ、集塵ダス
ト、煉瓦屑破砕物などの廃棄物の被溶融物をプラズマ火
炎により溶融処理するプラズマ溶解処理方法およびそれ
に好適なプラズマ溶解処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】都市ごみ焼却炉などから排出する焼却残
渣、例えば粒子、フレーク、塊状の廃棄物は、その減容
化（容積を小さくすること）のために、溶融炉において
プラズマ溶解処理処理している。廃棄物のプラズマ溶解
処理の目的で用いる加熱源としては種々の方式がある
が、特開平９−７２５１７号公報などに記載されるよう
なプラズマトーチを用いたプラズマ加熱もその一つであ
る。これはＡｒ等の不活性ガスプラズマを熱源とするも
のであり、その使用するプラズマトーチには、プラズマ
作動ガスとしての不活性ガス、電力、冷却水を供給しか
つ、これらが互いに電気的、機械的に絶縁された構造を
有する金属製プラズマトーチが用いられている。

【０００３】そして、廃棄物をプラズマトーチの外部か
ら供給して溶融している。プラズマは物質が電離した高
エネルギー状態にあり、プラズマトーチの形成する２０
００〜２５００℃のプラズマ火炎（電極間に発生したプ
ラズマの間に空気などのプラズマ作動ガスを通すことに
より発生する火炎）の中に廃棄物を投入するか、溶融炉
の底部に廃棄物を装入して、金属製のプラズマトーチを
用いたプラズマ火炎で溶融している。

【０００４】従来、プラズマトーチを用いた溶融炉に
は、電極の配置によって、トーチ内に陽極または陰極を
有し、トーチ外（例えば、溶融室の底部に設けられた電
極）に他方の電極を有するトランスファー（ｔｒａｎｓ
ｆｅｒ：転移）型と、一つのトーチ内に陽極および陰極
を有するノントランスファー（ｎｏｎ−ｔｒａｎｓｆｅ
ｒ：非転移）型と、直流電源で陽極・陰極を別トーチと
する２本の組合せ金属トーチ型とがある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来の金属製プラズマ
トーチを用いる廃棄物プラズマ溶解処理方法や、２本組
合せ金属トーチ型のプラズマトーチを用いた廃棄物プラ
ズマ溶解処理方法においては、下記課題の少なくとも１
つ以上が問題となる。金属製プラズマトーチの構造の複
雑さに起因する課題と、金属トーチの場合には運転の断
続不具合や電極消耗という課題がある。

【０００６】先ず金属製プラズマトーチの構造の複雑さ
に起因する課題について説明する。前記金属製プラズマ
トーチを用いた廃棄物の加熱・プラズマ溶解処理装置
は、その高温の達成の面で有効ではあるが、用いられる
金属製プラズマトーチには種々の理由により装置として
安定性に影響を及ぼす課題もあり、廃棄物処理装置とし
ては改善の余地がある。つまり、安定性に欠ける主な原
因は、その金属製プラズマトーチの構造の複雑さにあ
る。前述したように、金属製プラズマトーチには不活性
ガス、電力、冷却水を供給するための構造を有し、これ
らは互いに電気的、機械的に絶縁している必要があるこ
とから、複雑な構造となるのである。粉末材料の蒸発、
溶融、放射性廃棄物などの溶解に用いられる熱プラズマ
装置に関する発明である特開平１１−２８８７９７号公
報記載の図面を図５に転載して、前記の金属製プラズマ
トーチ構造の複雑さに起因する課題について説明する。

【０００７】図５において、熱プラズマ発生用のプラズ
マトーチ１は、例えば、石英ガラスで形成された円筒部
材１６、該円筒部材１６の上部に取り付けられたガスリ
ング１７、前記円筒部材１６の外側に配置された高周波
コイル１８等から形成されている。前記円筒部材１６は
二重管構造に形成されており、上部フランジ１９と下部
フランジ２０との間に取り付けられている。前記ガスリ
ング１７の中央部分にはプローブ２１が設けられてい
る。該プローブ２１の中心部にはその長手方向に開口が
穿たれており、この開口を介して円筒部材１６内に、粉
末供給部（図示せず）から被処理用の粉末材料がプラズ
マ作動ガスと共に供給される。前記下部フランジ２０は
ベース蓋２２を介してチャンバー２３上に載置されてい
る。このチャンバー２３の上に載っている前記円筒部材
１６、ガスリング１７、高周波コイル１８、上部フラン
ジ１９、下部フランジ２０、プローブ２１及びベース蓋
２２等を総称してトーチと呼んでいる。

【０００８】チャンバー２３は排気装置（図示せず）に
より適宜圧力に排気出来るように構成されている。高周
波電源３３は、前記高周波コイル１８に高周波電力を供
給するものである。なお、チャンバー２３を高温から守
り、且つチャンバー２３内を高温に保つために、チャン
バー２３内壁の回りに耐火保温材２４が配設されてい
る。この様な構成の高周波誘導熱プラズマ装置におい
て、プラズマトーチ１のガスリング１７を介してプラズ
マ作動ガスを供給すると共に、高周波コイル１８に高周
波電力を供給することによりプラズマトーチ１内に熱プ
ラズマを形成する。その後、プローブ２１を介して被処
理用粉末材料をプラズマ作動ガスと共に熱プラズマ中に
供給し、粉末材料を蒸発及び溶融させる。この蒸発及び
溶融された材料はチャンバー２３内の基板（図示せず）
上に膜状に付着する。

【０００９】この様な高周波誘導熱プラズマ装置は、前
記粉末材料の蒸発，溶融による成膜だけではなく、放射
性廃棄物や鉄等の溶解、フロン分解等にも使用され、こ
の様な蒸発，溶融，溶解，分解は前記プラズマトーチ１
内に発生させた１万度前後の誘導熱プラズマによるもの
である。プラズマトーチ１内に約１万度の誘導熱プラズ
マを発生させるので、前記プローブ２１，ガスリング１
７，円筒部材１６及びベース蓋２２内部に冷却水を循環
させ、これらが前記誘導熱プラズマの輻射熱で破損しな
いように構成している。前記の通り、図５に示す金属製
プラズマトーチ１を用いた場合、冷却水を用いるための
構造の複雑化が予想される。以下に冷却水の循環につい
て説明する。

【００１０】図５において、符号２５は冷却水を収容し
た循環水用タンク、符号２６は冷却器、符号２７，２８
はポンプである。前記ポンプ２７は循環水用タンク２５
内の冷却水を吸引し、前記プローブ２１，ガスリング１
７，円筒部材１６及びベース蓋２２の内部に繋がった導
入管２９に冷却水を、例えば、３〜４ｋｇｆ／ｃｍ²程
度の吐出圧で吐出する。そして、プローブ２１，ガスリ
ング１７，円筒部材１６及びベース蓋２２の内部を通過
した冷却水はこれらの内部に繋がった排出管３０を通過
して前記循環水用タンク２５に戻される。ポンプ２８は
循環水用タンク２５の冷却水を吸引し、冷却器２６に繋
がった管３１に吐出する。冷却器２６により冷却された
冷却水は管３２を通過して前記循環水用タンク２５に戻
される。この様にして、前記循環水用タンク２５内に収
容された冷却水は常に所定の温度に冷却され、前記プロ
ーブ２１，ガスリング１７，円筒部材１６及びベース蓋
２２はこの冷却水の循環により常に冷やされることにな
る。なお、この冷却水は前記高周波電源３３にも循環さ
れている。

【００１１】以上、図５を用いて説明したように、従来
の金属製プラズマトーチを用いた廃棄物プラズマ溶解処
理方法においては、幾多の課題が生起することが予想さ
れる。以下に、より詳細に説明する。

【００１２】金属製プラズマトーチ内部には多量の冷却
水が存在するため、水漏れ、最悪の場合は水蒸気爆発と
いった危険性を常に考慮する必要がある。それに加え、
その非常に複雑な構造を構成する各部品、使用に伴い消
耗する部品のメンテナンスも頻繁に必要である。従来の
金属製プラズマトーチは、それぞれの機能を持った多数
の部品で構成しており、加えてトーチ内部には多量の冷
却水を必要としていた。よって、頻繁にメンテナンスを
行なう必要があり、そのメンテナンス自体も複雑で工数
が掛かる課題があった。

【００１３】また、廃棄物の加熱に伴う飛沫の影響を受
けやすい。つまり、金属製プラズマトーチの先端部には
種々の機能を持った部品が露出しているため、そのよう
な部分に廃棄物からの飛沫が付着すれば部品相互間の電
気的、機械的な絶縁が破壊され、異常放電、プラズマ作
動ガス流路の閉塞またはガスの流れが乱れる等の不具合
が生じることとなる。これによりプラズマ火炎の不安
定、失火、冷却水漏れ、最悪の場合プラズマトーチの破
損が生じ、それ以前にプラズマ火炎自体を発生させるこ
とが出来ない不着火となる可能性もある。また金属製プ
ラズマトーチの場合、プラズマを発生するトーチ先端部
の損耗が激しく、頻繁なプラズマトーチの交換が必須で
ある。

【００１４】従来の金属製プラズマトーチの場合、まず
パイロットアークと呼ばれる種火をプラズマトーチ内部
で発生させ、これをトーチ先端から噴出する。この状態
でトーチ先端部を溶湯面に接近させパイロットアークで
電路を形成させた後、加熱電源電圧を印加してプラズマ
主アークを発生させている。しかしながら、以下に示す
ような理由で安定した着火が実現していなかったのが事
実である。

【００１５】まず、パイロットアークのフレーム形状が
プラズマトーチ先端の電極形状、相対位置関係の影響を
敏感に受けるということである。つまりこれはトーチ先
端部が使用に伴って消耗することによるのであって、特
に定期的なメンテナンスが重要となるに合わせて、これ
に不備があるとパイロットアークが短くなる、偏向する
などの不具合が発生し、溶湯面との電路の形成が完全に
行なえないことになる。

【００１６】また、前述のように金属製プラズマトーチ
はそれぞれの機能を持った多数の部品で構成しており、
先端部はそれらが露出している部分である。そのような
部分に溶湯からの飛沫が付着すれば部品相互の電気的、
機械的な絶縁不良などの不具合が発生し、プラズマトー
チとしての機能をはたさないことになる。これを回避す
るためにはトーチ先端を溶湯面に近づけ過ぎないよう調
節する必要があるが、それに伴ってパイロットアークで
の電路の確保が不確実なものともなり得る。

【００１７】そして、前述のように従来の金属トーチ内
部には多量の冷却水が供給するため、トーチ破損による
水漏れや水蒸気爆発の危険性を避けるべく、これもまた
トーチ先端を溶湯面に思い切って近づけることが出来な
い、つまり安定した着火やパイロットアークでの電路の
確保が難かった理由である。

【００１８】他方、廃棄物上面には種々の理由によりス
ラグが浮遊している場合が多々あり、プラズマ溶解処理
に際しスラグを配する必要性もある。このスラグは溶融
状態（溶融温度）や組成によっては電気導電性を有しな
いものもあり、この場合、パイロットアークによる溶湯
面との電路の確保を、スラグを介して行なう必要がある
ことから、特にその確保が難しいものとなる。

【００１９】次に、２本組合せ金属トーチ型の場合には
運転の断続不具合、電極消耗という課題について説明す
る。２本組合せ金属ツイントーチの陽極トーチ、陰極ト
ーチの両電極トーチにおけるプラズマ発生現象は、その
特性として、電子が突入する陽極側プラズマは、電子が
放出される陰極側プラズマより不安定となる。従って、
例えば溶融炉の起動時すなわちプラズマの起動時、昇温
時、被溶融物（例えば焼却灰）の投入初期等の溶融炉内
の条件変化が大きい時、陽極側のプラズマアークの発生
を維持することが困難となり、したがって運転が断続的
になるという課題を有していた。また、電子が突入する
陽極トーチの方が、電子が放出される陰極トーチよりも
電極先端が加熱される。したがって、陽極トーチ先端が
高温となり、電極消耗が激しくなるという課題があっ
た。

【００２０】そこで本発明は、メンテナンス工数を減ら
し、且つ廃棄物の安定した加熱・プラズマ溶解処理操業
が可能な廃棄物プラズマ溶解処理方法ならびにそれに好
適な廃棄物プラズマ溶解処理装置を提供することを目的
とする。

【００２１】

【課題を解決するための手段】本発明者はプラズマトー
チの見直しを行なった結果、使用するプラズマトーチは
中空部を有し、前記中空部にプラズマ作動ガスと共に非
処理物である焼却炉における焼却残渣、飛灰などや、製
鋼還元粉体スラグ、集塵ダスト、煉瓦屑破砕物などの廃
棄物を装入することよって、処理物が確実にプラズマ火
炎を通過し溶融が確実に行われ、炉内発生ダスト量が減
少出来ることを見出した。加えてプラズマ火炎発生部分
を黒鉛で成形することにトーチ電極消耗や故障の少ない
安定した操業にて廃棄物のプラズマ溶解処理が達成出来
ることを見出した。

【００２２】本発明は、下記の手段で構成する。括弧
（）内の符号は、添付した図面の符号を参考までに付
記した。〔手段１〕プラズマトーチ（１）で加熱する廃棄物
（６）のプラズマ溶解処理方法において、前記プラズマ
トーチ（１）がプラズマトーチ内部を貫通する中空部
（２）を有し、該中空部（２）に廃棄物（６）とプラズ
マ作動ガス（７）を装入することを特徴とする廃棄物プ
ラズマ溶解処理方法である。

【００２３】〔手段２〕プラズマトーチ（１）のプラズ
マ火炎（１２）発生部分を黒鉛で形成していることを特
徴とする〔手段１〕記載の廃棄物プラズマ溶解処理方法
である。

【００２４】〔手段３〕内部を貫通する中空部（２）を
有するプラズマトーチ（１）と、底部に前記プラズマト
ーチ（１）に対向配設した対向電極（４）を具備する溶
融炉（３）と、前記対向電極（４）と前記プラズマトー
チ（１）の相対的間隔を可変する移動手段（５）と、前
記中空部（２）に廃棄物（６）とプラズマ作動ガス
（７）を装入する供給手段（８）と、前記プラズマトー
チ（１）に一端を、他端を前記対向電極（４）に接続し
た電源（９）とを具備する廃棄物プラズマ溶解処理装置
である。

【００２５】〔手段４〕前記プラズマトーチ（１）のプ
ラズマ火炎（１２）発生部分が黒鉛製である〔手段３〕
に記載の廃棄物プラズマ溶解処理装置である。

【００２６】〔手段５〕ガス化燃焼室（３４）を付加し
た〔手段３〕または〔手段４〕に記載の廃棄物プラズマ
溶解処理装置である。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下にプラズマトーチにプラズマ
トーチ内部を貫通する中空部を設けて、この中空部に廃
棄物とプラズマ作動ガスを装入することの効果を説明す
る。まず、廃棄物を中空部に投入することにより、直接
処理物を、高温のプラズマ火炎の中に投入できる。この
為、従来のように火炎先端に外部から粉体などの処理物
を供給する場合のように、プラズマガス流や、炉内上昇
気流、炉集塵ガス流などによる、粉体処理物あるいは処
理物に付着している粉状物の舞い上がり、飛散が少な
く、集塵機へ吸引される補集粉塵量も少ない。又、処理
物が高温の火炎内を通過する為、確実に溶融される。

【００２８】また、本方式はプラズマ熱源の為、供給す
るガス量が、燃料燃焼方式に比べ、格段に少ない。した
がって、炉内装入ガスによる排ガス処理量が少なくてす
み、集塵機設備費、炉布交換等の維持費、補集集塵タ゛スト
後処理費も低減がはかれる。例えば、特開平7―331353
号公報に記載の溶解炉では重油―酸素バーナトーチに製
鋼廃棄物と重油、酸素と共に装入しているが、この方式
の溶解炉では熱源が燃料発熱および、酸化反応熱である
為、供給酸素量および排ガス量が多い。

【００２９】以下に、重油−酸素バーナ方式と本発明で
用いるプラズマ熱源方式との排ガス量を比較する。重油
−酸素バーナ方式では燃料完全燃焼に要する供給酸素量
は、燃焼用Ａ重油１ｋｇ当たり２．２５Ｎｍ^３／ｋｇで
あり、その時の燃焼生成ガスは２３．９Ｎｍ^３／ｋｇ発
生し、その発熱量は約10000kcal／ｋｇである。従って1
0000Kcal当たりの燃焼排ガス量は２３．９Nm³となる。
実際には、他に、処理物に含まれる、Ｃ，Ｓ、Ｎなどの
元素の燃焼酸化によるＣＯ_２、ＳＯｘ，Ｎｏｘガスなど
もこれに加わり発生するが、比較の為、A重油だけの完
全燃焼の燃焼排ガスのみで以下比較し論ずる。

【００３０】一方、本発明による、プラズマ熱源方式の
場合はプラズマガス供給量が空気プラズマ方式で６８Ｎ
ｍ^３／ｈｒである。トーチ出力範囲60〜300ＫＷで通常
１００ＫＷで運転するので、仮に水冷なしの改善を無視
して、電気―熱エネルギ有効変換率５０％としても、そ
の時の発熱量は100kw×3600×０．５×860Kcal／kwh＝1
54800000kcal／hrである。よって発熱量10000kcal当た
りの供給プラズマガス量は０．００5 Nm³となる。よっ
て、両方式による、発熱時に発生する排ガス量の比較で
は、格段に本発明のプラズマ加熱方式が少ない。この結
果、排ガス処理量が少なくてすみ、集塵機設備費、炉布
交換等の維持費、補集集塵タ゛スト後処理費の低減がはかれ
る。

【００３１】加えて、本発明では廃棄物を中空部に投入
することにより、廃物を直接、高温のプラズマ火炎の中
に投入するが、その際、同時に供給するガス量が格段に
少ないプラズマ熱源方式を組み合わせることで、廃棄物
の落下速度を低減することができる。これにより、廃棄
物が高温の火炎中を通過する時間を長く確保することが
出来るようになり、燃料燃焼方式を適用する場合と比
べ、廃棄物を一層確実に溶融することが出来る。

【００３２】つぎに、中空を有するプラズマトーチの材
質を黒鉛にすることの効果を説明する。真空中、または
不活性雰囲気での黒鉛の融点3700℃であり、最も融点が
高い。従って黒鉛は、それ自体はプラズマ温度2000〜25
00℃の高温でも溶融しない性質を有している。この黒鉛
を用いることにより、理論上、プラズマトーチの溶融消
耗を防止できる。実際にはプラズマ動作ガスを不活性ア
ルゴンガスや窒素ガス、還元性ガスを用いても消耗が皆
無でない。

【００３３】実際に溶融炉で使用すると、黒鉛が高融点
にもかかわらず、トーチが消耗するのは、黒鉛が溶融消
耗するのではなくて、雰囲気ガスや処理物と高温下で化
学反応して、黒鉛トーチが消耗するのである。実用処理
炉では炉内の酸素は皆無にできないためである。また処
理物に含まれる酸素も存在する。従って空気のような酸
化雰囲気の炉内では、黒鉛Ｃが酸素と反応し炭酸ガスＣ
Ｏ_２となって、電極が消耗する。

【００３４】黒鉛の消耗を押さえるのなら、還元雰囲気
が良いが、酸化性雰囲気でも低酸素雰囲気であれば、消
耗量は実用上問題ない。消耗度は炉内雰囲気ガスだけで
なく、処理物元素によっても異なる。つまり処理物が黒
鉛と化学反応する速度や、生成化合物の物性や融点によ
って、プラズマトーチ消耗度合いに差が出るが、金属ト
ーチよりはるかに消耗度が少なく、経済的である。また
トーチ先端の冷却が不要でトーチ構造を簡素にすること
が可能であり、メンテナンス性を格段に向上させること
ができる。メンテナンスフリー化も可能である。

【００３５】本発明に使用するプラズマトーチの場合、
その電極（トーチ）把持部のみを冷却すればよく、その
プラズマトーチ、特にプラズマ火炎発生部分であるトー
チ先端部について冷却水を通す構造が不要である。アー
ク発生による高温域においても溶融することのない黒鉛
を用いたプラズマトーチだからである。そして、その冷
却水を供給する構造省略によるトーチ自体の構造簡素化
によって、基本的にそのプラズマトーチのメンテナンス
は不要となり、例えば黒鉛トーチの酸化等による消耗分
のみを継ぎ足す程度でよい。

【００３６】加えて、プラズマトーチへの冷却水供給が
不要となったことで、熱効率を向上させることができ
る。従来の金属トーチの場合、トーチへの冷却水供給に
よって投入電力の数十％が無駄に消費されることもあっ
たが、本発明のプラズマ溶解処理方法であればこの熱量
を有効に加熱に投入することができる。より具体的に
は、一般的に投入電気エネルギのプラズマ熱エネルギ収
支は、電気ケーブル損失６％、トーチ先端冷却損失４０
％、火炎周辺雰囲気昇温４９％、プラズマ火炎内処理物
溶解熱５％と言われている（例えば、文献Proceeding
ofATTAC ’88,Osaka, (May,1988、日本高温学会主催
国際シンポジウム講演概要集ｐ113−ｐ118)）。本方式
は冷却不要で、この冷却水による熱損失40％相当が、有
効に熱に変換でき熱効率が改善できることになる。

【００３７】次に、黒鉛製プラズマトーチを用いた場
合、例えば電極先端を溶湯面または溶湯上部に浮遊する
スラグに浸漬させることが可能であり、安定した着火が
可能かつ、パイロットアークによる電路の確保が不要と
なる。つまり、本発明に使用するプラズマトーチの基本
構造としては、所定のトーチ外観形状を有する黒鉛素材
にプラズマ形成用の例えばＡｒといった不活性ガス流路
を設けるのみであり、冷却水の流路を設ける必要もない
ことから、その先端部に種々の機能を持った部品が露出
する従来の金属製プラズマトーチにて懸念する飛沫付着
による異常放電や冷却水漏れを心配しなくていいからで
ある。

【００３８】具体的には、黒鉛製プラズマトーチに加熱
電源電圧を印加した後に先端部を溶湯面または溶湯上部
に浮遊するスラグに浸漬させ、直後に引抜きをして溶湯
面または溶湯上部に浮遊するスラグ面とに適当な距離を
保てば、プラズマ火炎を発生させることができる。これ
によれば電路の確保が確実に行われ、安定したプラズマ
主アークの着火が可能である。

【００３９】また、プラズマ溶解処理設備に伴う電源装
置側から見れば、従来の金属製プラズマトーチの場合、
前記のような理由によるプラズマ主アークの不着火を回
避するために加熱トランス最高タップの電圧を高く設定
する必要があり、このため金属製のプラズマトーチ本体
およびプラズマ装置全体での電気絶縁を強化する必要が
ある。一方、本発明に使用する黒鉛製のプラズマトーチ
の場合は、トーチの浸漬も可能であり、電路の確保が確
実なため、トランス電圧を低く設定できる。

【００４０】以上、本発明に係る廃棄物プラズマ溶解処
理方法並びに装置において、黒鉛製のプラズマトーチを
用いることの意義を説明した。なお、プラズマトーチは
全体が黒鉛である必要は必ずしも無く、少なくともプラ
ズマ火炎発生部分が黒鉛であれば良い。次に、本発明に
係る廃棄物プラズマ溶解処理方法、装置の動作について
図面を用いて説明する。

【００４１】本発明に係る廃棄物プラズマ溶解処理装置
を起動する場合を、図１を用いて説明する。図１（ａ）
に、本発明に係る廃棄物プラズマ溶解処理装置を示す。
溶融炉３の中に、中空部２を有する黒鉛製プラズマトー
チ１が配設され、対向電極４との間で電源９が接続され
る。図１（ｂ）に示すように、溶融炉３内にプラズマ作
動ガス７、たとえば窒素ガスを供給して酸素濃度を２％
以下とし、プラズマトーチ１を下降して対向電極４に接
触する。そして電源９からプラズマトーチ１に溶融電力
を供給する。図１（ｃ）に示すように、プラズマトーチ
１を再び、対向電極４から約５〜１０ｍｍ上方の準備ア
ーク位置まで上昇して、対向電極４とプラズマトーチ１
との間にプラズマ火炎１２を発生する。なお、プラズマ
火炎１２が途切れた場合には、再度プラズマトーチ１を
下降して対向電極４に接触した後、再度プラズマトーチ
１を上昇してプラズマ火炎１２を発生させる。

【００４２】このプラズマ火炎１２によりプラズマトー
チ１下方の対向電極４が溶融され始めたのが確認された
後、プラズマトーチ１が対向電極４から約５０ｍｍ上方
の加熱アーク位置まで上昇してプラズマ火炎が継続さ
れ、対向電極４および溶融炉３内のガス雰囲気が加熱し
て昇温する。

【００４３】本発明に係る廃棄物プラズマ溶解処理方法
においては、プラズマトーチ１に黒鉛を用いたので、プ
ラズマ火炎１２の発生に際してプラズマ作動ガス７の種
類、組成に限定されず、その結果、プラズマ雰囲気も還
元雰囲気のみならず酸化雰囲気での作動も可能であり、
廃棄物処理の可能性を拡大できる。酸化雰囲気にすると
高い有機物含有量の廃棄物等の処理にも支障が無い。

【００４４】プラズマ溶解処理装置を昇温する場合を、
図１（ｃ）を用いて説明する。プラズマトーチ１が対向
電極４に接触するとともに、加熱アーク位置のプラズマ
トーチ１と対向電極４との間にプラズマ火炎１２が発生
した状態で、対向電極４の溶融が拡大する。たとえばこ
の時のプラズマトーチの電圧は１００〜数１００Ｖ、電
流は１０００Ａである。

【００４５】温度計（図示しない）により測定された炉
内雰囲気温度が９００℃〜１０００℃（９００℃は粒
子、フレーク、塊状の廃棄物６が溶融する温度、１００
０℃以上は炉壁耐火物が焼損し易くなる温度である）と
なると、プラズマトーチ１直下の対向電極４が溶融し始
めるため、プラズマトーチ１と対向電極４とのクリアラ
ンスが生じはじめてプラズマ火炎１２が発生するか、し
ないかの不安定な状態にある。そのためプラズマトーチ
１が数ｍｍ上昇して、対向電極４とプラズマトーチ１と
の間にプラズマ火炎１２が発生する。このときプラズマ
火炎１２が継続された場合には、さらにプラズマトーチ
１が対向電極４の約５〜１０ｍｍ上方の準備アーク位置
まで上昇する。

【００４６】このプラズマ火炎１２によりプラズマトー
チ１下方の、対向電極４の溶融の広がりが確認された
後、プラズマトーチ１を対向電極４から約５０ｍｍ上方
の加熱アーク位置まで上昇させてプラズマ火炎１２を継
続させ、対向電極４および溶融炉（３）内ガス雰囲気が
加熱昇温する。たとえばこの時のプラズマトーチの電圧
は１００〜数１００Ｖ、電流は１０００〜１３００Ａ
で、炉内雰囲気温度は約１０００℃に保持する。

【００４７】プラズマ溶解処理装置に粒子、フレーク、
塊状の廃棄物６を投入する場合を図１（ｄ），（ｅ）を
用いて説明する。プラズマトーチ１の電圧は１００〜数
１００Ｖ、電流は１０００〜１３００Ａで、溶融炉３内
の雰囲気温度は約１０００℃の状態で、対向電極４が全
域にわたって溶融すると、供給手段８により中空の黒鉛
製プラズマトーチ１の中空部２に粒子、フレーク、塊状
の廃棄物６をプラズマ作動ガス７と共に装入して、対向
電極４上に供給する。図１（ｅ）に示すように、対向電
極４の溶融金属や廃棄物６中の溶融金属により溶融金属
１１が溶融炉３の底部に溜まり、その上を溶融スラグ１
０が覆う。溶融スラグ１０は、供給手段（図示しない）
により供給するが、一部は廃棄物６が溶融して加わる。

【００４８】なお比較的低温の粒子、フレーク、塊状の
廃棄物６を溶融された対向電極４上に投入すると、一時
的に対向電極４の温度が低下し、かつ溶融スラグ１０も
局部的にしか生成されないため、プラズマ火炎電圧が低
下して不安定になる。炉内雰囲気温度が約１０００℃に
保持され、次いで加熱アーク位置にあるプラズマトーチ
が対向電極から約１００ｍｍ上方の溶融プラズマ位置に
上昇する。プラズマ火炎１２が継続された場合、炉内雰
囲気温度を約１０００℃に保持し、粒子、フレーク、塊
状の廃棄物６の投入を継続する。

【００４９】またプラズマ火炎１２が途切れた場合、粒
子、フレーク、塊状の廃棄物６の投入を停止する。そし
てプラズマトーチ１が下降して対向電極４に接触した
後、プラズマトーチ１のみが準備アーク位置から加熱ア
ーク位置に上昇してプラズマ火炎１２を発生し、炉内雰
囲気温度を約１０００℃に保持する。例えばこの時のプ
ラズマトーチ１の電圧はアークがプラズマに変わる電圧
で通常１００Ｖ以上、電流は３００〜１０００Ａであ
る。

【００５０】次いで前述と同様にプラズマトーチ１が準
備アーク位置から加熱アーク位置に上昇してプラズマ火
炎１２が発生する。そして、正常運転に移行する。な
お、この運転中におけるプラズマトーチ１側のプラズマ
火炎１２の長さは、プラズマトーチ１に取り付けた電位
差計（図示しない）により、対向電極４との間で検出す
る電位差に基づき制御する。なお、この時の電位差は、
溶融スラグ１０中の電位とプラズマ火炎１２電位（ほぼ
プラズマ火炎長に等しい）との合計値となる。

【００５１】最後に運転を休止する場合を説明する。溶
融スラグ（溶融灰）と対向電極の溶融した一部を、溶融
炉の傾動などにより排出した上で、電源を切るととも
に、各プラズマトーチについては、対向電極との固着を
防止するために、溶融池の液面より、１００mm程度以上
上昇させておけばよい。

【００５２】本発明に係る廃棄物プラズマ溶解処理装置
において、溶融炉（３）の底部に電気的中性点方式の対
向電極（４）を具備する、ツイントーチ（単相トランス
ファー）方式、トリプルトーチ（３相トランスファー）
方式、及びこのトーチ本数をＮ倍化（Ｎは２以上の整
数）した方式、のうちのいずれかが必要に応じて選択採
用できる。

【００５３】本発明に係る廃棄物プラズマ溶融処理装置
において、プラズマ作動ガス（７）はＡｒ、窒素などの
不活性ガスの他、空気等の酸化性ガスや還元性ガスを、
溶融処理物に応じて選択使用できる。例えば、処理物を
酸化させて溶融する方が、より無害化溶融処理できるな
らば、酸化性プラズマ作動ガスを利用する。又、処理物
の粒度が大きく発熱量を増やす必要が有れば、空気など
の酸化性プラズマガスを用いて、酸化発熱量を増やし、
溶融し易くする事も可能である。より具体的には、例え
ば有毒六価クロムを含む処理物の場合、還元性ガスを用
いた方が、無害化溶融できるので、この場合は還元性ガ
スをプラズマ作動ガスにする事も可能である。

【００５４】一般的には、プラズマ作動ガスの流量は炉
内処理物から生成されるガス量に比べ少なく、プラズマ
トーチ通過後の溶融処理物は、その後の炉内雰囲気で反
応が促進されるので、炉内雰囲気を酸化、又は還元雰囲
気に調節する。酸化雰囲気は空気流入で容易にできる
が、還元雰囲気は、還元処理材を一緒に投入するか、あ
るいは還元ガスであえるＣＯの炉内導入や、低酸素雰囲
気での蒸焼きガス化でＣＯ濃度を増やす事で可能であ
る。プラズマトーチを垂直に設置して、処理物をほぼ自
由落下速度でプラズマ作動ガスと共にトーチ先端のプラ
ズマ火炎に導入することも可能であるが、この場合、火
炎通過時間が短時間となる。火炎通過時間を長くして、
火炎内での酸化、あるいは還元反応をより促進する場合
は、トーチを傾けて設置すれば、落下速度が遅くなり、
火炎内反応時間を長くできる。

【００５５】（実施例１）図２は、本発明に係る廃棄物
プラズマ溶解処理装置の１実施例を示す。溶融炉３には
黒鉛製のプラズマトーチ１が上下動可能に配設され、プ
ラズマトーチ１は対向電極４と電源９とでギャップを有
する電気回路を形成する。プラズマトーチ１の上下動
は、移動手段５で行われる。図２ではプラズマトーチ１
を上下動する場合を図示したが、相対的に変位すれば足
りるので、プラズマトーチ１を固定して溶融炉３を上下
動してもよい。なお、溶融炉３の底部にある溶融金属１
１は、対向電極４のプラズマ放電による熱で溶融されて
形成されるが、最初から適量を溶融炉３の底部に配設し
ておくことも出来る。

【００５６】（実施例２）図３は、本発明に係る廃棄物
プラズマ溶解処理装置の別実施例を示す。溶融炉３がほ
ぼ閉容器として形成し、溶融炉３の上部開口に集塵装置
１３を設けている。また、溶融金属排出口１４から溶融
金属１１を、溶融スラグ排出口１５から溶融スラグ１０
を、溶融炉３を傾動しないで排出できるようにしてい
る。

【００５７】図４は、以上説明した本発明に係る廃棄物
プラズマ溶解処理装置に、更にガス化燃焼室３４を付加
してダイオキシンの処理も容易になるように工夫した別
実施例である。排ガスのダイオキシン対策として、ガス
化燃焼室３４でダイオキシン類を高温分解し、その後の
排ガス処理装置で排ガスを急冷し、ダイオキシン類の再
合成を防止して集塵機で飛灰、煤塵を捕集する。

【００５８】本発明に係る廃棄物プラズマ溶解処理装置
は、前述のとおり、更にガス化燃焼室３４を付加してガ
ス化溶融炉とすることもできる。ガス化する為には、処
理物がＣＯなどの燃焼性ガスとして生成するような燃や
し方（例えば、300〜450℃、低酸素雰囲気で蒸焼き）が
必要で、且つ、燃える元素（例えば炭素を含んだ有機
物）を含む、廃棄物である必要が有る。自治体ゴミは有
機物を含み、初期蒸焼状態でガス化したＣＯガスがガス
化燃焼室３４でブロア空気（酸素）と反応、高温燃焼す
る。

【００５９】無機物を多く含む焼却灰などは、灰だけで
はガス化しにくいので、他のごみと一緒に混合装入して
ガス化させる必要がある。灰だけでも、プラズマで溶融
するが、必ずガス化しなくても、溶融はできる。ガス化
は、燃焼排ガスの完全燃焼、ダイオキシン分解が2次バ
ーナ無しでやれて、炉内熱量が増やせる利点がある。排
ガス処理も含んだ、実用省エネルギーシステムとしての
プラズマ溶解処理装置が出来る。溶融してスラグ固化だ
けに目的に限定すれば、ガス化でなくても、実施でき
る。

【００６０】以上、本発明に係る黒鉛製プラズマトーチ
を用いた廃棄物プラズマ溶解処理方法、装置について説
明した。しかし、本発明の技術的思想は、黒鉛に限定さ
れるものではなく、黒鉛に近い物性（電気伝導性、耐熱
性）を持った金属製プラズマトーチ以外のもの、例えば
導電性サイアロン（ｓｉａｌｏｎ）などにも展開でき
る。

【００６１】

【発明の効果】本発明によると、メンテナンス工数を減
らし、且つ廃棄物の安定した加熱・プラズマ溶解処理操
業が可能な廃棄物プラズマ溶解処理方法ならびにそれに
好適な廃棄物プラズマ溶解処理装置の提供ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る廃棄物プラズマ溶解処理方法の原
理図である。

【図２】本発明に係る廃棄物プラズマ溶解処理装置の１
実施例を示す図である。

【図３】本発明に係る廃棄物プラズマ溶解処理装置の別
の実施例を示す図である。

【図４】本発明に係る廃棄物プラズマ溶解処理装置にガ
ス化燃焼室を付加した別実施例を示す図である。

【図５】従来の廃棄物プラズマ溶解処理装置を示す図で
ある。

【符号の説明】

１プラズマトーチ、２中空部、３溶融炉、４対
向電極、５移動手段、６廃棄物、７プラズマ作動
ガス、８供給手段、９電源、１０溶融スラグ、１
１溶融金属、１２プラズマ火炎、１３集塵装置、
１４溶融金属排出口、１５溶融スラグ排出口、１６
円筒部材、１７ガスリング、１８高周波コイル、１
９上部フランジ、２０下部フランジ、２１プロー
ブ、２２ベース蓋、２３チャンバー、２４耐火保
温材、２５循環水タンク、２６冷却器、２７，２８
ポンプ、２９導入管、３０排出管、３１,３２
管、３３高周波電源、３４ガス化燃焼室、

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０５Ｂ 7/18 Ｂ０９Ｂ 3/00 ３０３Ｌ // Ｃ２２Ｂ 7/00 ＺＡＢＦターム(参考） 3K061 AA16 AB03 AC01 AC03 BA05 CA14 DA12 DA18 DA19 DB11 NB02 NB23 3K084 AA04 AA08 AA12 BA07 4D004 AA36 AA37 AA43 AB07 AC08 CA28 CA29 CA43 CB31 4K001 BA12 BA14 DA01 GA16 GB12

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】プラズマトーチで加熱する廃棄物プラズ
マ溶解処理方法において、前記プラズマトーチがプラズ
マトーチ内部を貫通する中空部を有し、該中空部に廃棄
物と共にプラズマ作動ガスを装入することを特徴とする
廃棄物プラズマ溶解処理方法。
【請求項２】前記プラズマトーチのプラズマ火炎発生
部分を黒鉛で成形していることを特徴とする請求項１に
記載の廃棄物プラズマ溶解処理方法。
【請求項３】内部を貫通する中空部を有するプラズマ
トーチと、底部に前記プラズマトーチに対向配設した対
向電極を具備する溶融炉と、前記対向電極と前記プラズ
マトーチの相対的間隔を可変する移動手段と、前記中空
部に廃棄物とプラズマ作動ガスを装入する供給手段と、
前記プラズマトーチに一端を、他端を前記対向電極に接
続した電源とを具備する廃棄物プラズマ溶解処理装置。
【請求項４】前記プラズマトーチのプラズマ火炎発生
部分が黒鉛製であることを特徴とする請求項３に記載の
廃棄物プラズマ溶解処理装置。
【請求項５】ガス化燃焼室を付加した請求項３または
４に記載の廃棄物プラズマ溶解処理装置。