JPH07118385B2

JPH07118385B2 - ア−ク加熱プラズマ・ランス

Info

Publication number: JPH07118385B2
Application number: JP61259564A
Authority: JP
Inventors: モーリス・ジェラード・フェイ; チャールズ・バーナード・ウルフ; ステファン・ラース・グナー・サンバー
Original assignee: ウエスチングハウスエレクトリックコ−ポレ−ション
Priority date: 1985-10-31
Filing date: 1986-10-29
Publication date: 1995-12-18
Anticipated expiration: 2010-12-18
Also published as: US4668853A; JPS62216193A; CA1260075A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明はアーク加熱プラズマ・ランスに係る。

（従来の技術）今日電力会社が使用している石炭を燃料とするボイラー
の多くは発熱量が7,000乃至14,000BTU/ポンドで、多く
の場合含水量の大きい粉炭を利用する。石炭に点火する
には外部エネルギー源が必要であり、従来は石油または
天然ガスを燃料とする火花点火ライターを利用すること
で間に合わせている。ボイラーが暖機され、石炭の燃焼
が安定したら、石炭燃焼がさらに進行し、ボイラーが公
称出力に達するに従って点火用ライターの作用を停止さ
せればよい。揮発性、含水率及び発熱量に基づく石炭の
品質に応じて点火に多少の困難を伴う。従って、点火の
ほかに、例えば低温または常温から始動するための低負
荷運転及びその他の過渡的運転のような低安定条件下で
燃焼を維持し、安定化するのに必要な補足エネルギーを
提供することができる。

点火に利用される石油やガスのような補助燃料はこの10
年間コストが上昇し続けている。同様に、最近はサイク
ル運転を行う傾向があり、低品質または低安定石炭を使
用することが多く、低乱流／低NO_Xバーナーを採用する
傾向があるから、補助燃料消費量が増大しつつある。従
って、電力会社は補助燃料への依存度及びその消費量を
節減する努力を強いられている。低品質石炭を使用する
石炭燃料式ボイラーをガスや石油で始動するのが困難で
あり、そのコストも極めて高く、しかもターンダウン
（低出力）サイクルの間粉炭の燃焼を維持するのが困難
であるから、爆発の危険を伴う不完全燃料または完全な
ブラックアウトを極力回避するために点火システムが利
用されてる。

（発明が解決しようとする課題）そこで本発明は、細長い管状の筐体と、狭いギャップを
形成するように軸方向に互いに間隔を保って配置され、
ギャップから両方向に延びるアーク・チェンバを画定す
るアーク面を有し、ギャップにアークを発生させるため
電源に接続可能な１対のほぼ円筒形の電極と、アーク・
チェンバ内に加熱すべきガスをギャップを通して高速で
導入する手段と、アークを回転させる磁場を電磁のアー
ク面に発生させるために各電極に設けた磁気コイル手段
と、電極及び磁気コイル手段へ冷却流体を循環させる冷
却手段と、電極、ギャップ及び冷却手段へ必要な電力、
ガス及び冷却流体を供給する供給手段とより成るアーク
加熱プラズマ・ランスにおいて、電極が筐体の一方の端
部に隣接して配置され、アーク・プラズマ加熱ガスを噴
出させるためのアーク・チェンバの下流側出口が筺体の
前記一方の端部の端面に設けられており、供給手段の外
部供給源との接続用端部コネクタが筐体の他方の端部に
設けられており、筺体内をスリーブが同心的且つほぼそ
の長さ全体に亘って延びることにより筺体との間に冷却
流体を搬送するためのスペースが形成されていることを
特徴とするアーク加熱プラズマ・ランスを提案する。

好ましい実施態様では、細長い管状筐体は本体部分及び
取り外し自在な部分から成り、取り外し自在な部分は電
極及び磁気コイル手段を囲む。供給手段は管状筐体の本
体と取り外し自在な部分を分解したり再び組立てる際に
分解したり再び組立てることのできる嵌合部分を含むこ
とができる。同心スリーブが筐体とほぼ同一空間に広が
り、筐体との間に冷却流体搬送スペースを形成するよう
に構成することが好ましい。また、ガス及び冷却流体の
供給手段がいずれも筐体の本体部分と取り外し自在な部
分の接合部付近の長手方向ゾーンに位置する入れ子式の
嵌合導管を含むことが好ましい。ガス及び冷却流体の供
給手段はいずれも筐体外部に位置する入口連結管を含む
ことができる。適当なガスとしては、酸化性ガス、窒素
または両者の混合物が考えられる。

本発明のアーク加熱プラズマ・ランスは特に高温ガス供
給源を炉壁を通して特定の点まで挿入する必要のある炉
へ使用に適しており、一端に水、電力及びガス供給用の
接続部を有する新規の棒状プラズマ・トーチを含む。本
発明はまた、従来使用されているガスまたはオイル・バ
ーナーの代わりに複数のプラズマ・トーチを利用するこ
とによってボイラーの始動時及びターンダウン（低出
力）時性能を高めることができる。本発明のランスは燃
焼させるべき粉炭と混合するまでに空気（または任意の
酸化性ガス）をプラズマ・ジェット中で3,000゜Ｆ乃至1
2,000゜Ｆの温度にまで過熱し、従来利用されている燃
焼プロセスに比較して燃焼及びボイラー制御を著しく改
善する。

以下、添付図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明
する。

（実施例）第1A及び1B図において11はアークヒータ・ランスであ
り、左側入口端15及び右側出口端17を有する管状筐体13
から成る。筐体13の出口端内部にアークヒータ・ユニッ
ト19を配置し、筐体の残余の部分に電力、冷却流体及び
アークヒータ・ガスの供給手段を設ける。筐体の内部に
は筐体とほぼ同軸にライナーを設け、筐体13と間に間隙
21を画定する。ライナーは２つの部分、即ち、例えばフ
ァイバーグラス充填エポキシ樹脂から成るライナー23及
びライナー25で構成されている。ライナー23は端部マニ
ホルド27からヘッダ29にまで達している。ライナー25は
ヘッダ29からランス11の入口端15にまで達している。ヘ
ッダ29を除き、ライナー23、25はアークヒータ・ユニッ
ト19及び供給手段を含むランスの作用部分を囲む。

第1A図及び２図から明らかなように、冷却流体、例えば
水、電力及びガス、例えば空気などを供給するための供
給管及び連結部はランス11の入口端15にだけ設置されて
いる。冷却流体は位置33において管状の端部コネクタ35
に接続された可撓ホース31を介してランス11に供給され
る。端部コネクタ35はヘッダ29の心部に一端を嵌着させ
てあるパワーチューブ37と互いに連結している。パワー
チューブ37の他端はろう接ジョイント39を介して継手41
に連結され、継手41はＯリング45によりアダプタ43に密
封固定されている。管状コネクタ47はそのねじ付きジョ
イント49を介してアダプタ43に固定され、積極的な電気
接続を確保すると共に連結されるアダプタ43及びコネク
タ47を冷却する冷却流体が通過する周縁スペース53が得
られるようにコネクタを継手内の中心に保持するための
ばね付勢フィンガー接点51を含む。アダプタ43はアーク
ヒータ・ユニット19にむかって冷却水を運ぶ、複数の円
周方向に間隔を保つ通路59を有するマニホルド57に、例
えばろう接ジョイント55などを介して密封連結される。

アークヒータ・ユニット19はアーク・ギャップ65によっ
て分離される上流及び下流管状電極61、63を含む。アー
クヒータ・ユニット19はまた、上流及び下流コイル67、
69を含むと共に、管状構造を有し、それぞれのコイル6
7、69及び対応の管状電極61、63の間に介在する上流及
び下流ライナー71、73をも含む。各ライナー71、73は対
応の電極61、63との間に冷却流体が通過する周縁スペー
ス75、77を形成する。上流及び下流ライナー71、73はフ
ァイバグラス充填エポキシ樹脂のような絶縁材から成
る。

ギャップ65の周りに円周方向に間隔を保つ孔81（第８
図）及び内側管状溝83を有するマニホルド79を設ける。
溝83はアーク・ギャップ65にガスを供給するための手段
であり、ガスは後述する外側ゾーンから接線方向通路85
を通ってその溝に供給される。冷却流体は下流側電極の
周縁スペース77からランス11のマニホルドまたはエンド
ギャップ89の周縁に間隔を於いて形成された半径方向の
孔87へ流れる。冷却流体はマニホルドから、筐体13とラ
イナー23の間に画定される円周方向スペース21に流入す
る。ヘッダ29と、筐体13の上下両部分を組立てのため互
いに連結するジョイント93との間に円周方向スペース91
が介在する。従って、冷却流体は循環プレナム・チェン
バ95に達し、ここからホース99に至る出口97を通ってラ
ンス11から出る。

電極61、63を冷却し、かつその一部を囲む上記手段のほ
かに、冷却システムはコイル67、69を冷却する。このた
め、ヘッダ29を貫通して導管107に形成した孔105に達す
る通路103と連通する孔101（第1A、５、６図）を設け
る。孔105に管状導管109が連結され、下流側コイル69に
まで達する内側導管111（第1B、３図）を貫通してい
る。下流側コイルを循環したのち、冷却流体は導管113
を通って上流側コイル67へ流入し、上流側コイル67を循
環したのち、導管115へ流入する。導管115は管状導管11
7と連結しており、導体121に形成した孔119（第1A、1
B、３図）と連通する。孔119を起点として通路123がヘ
ッダ29を貫通し、ヘッダと筐体の間のスペースに至るヘ
ッダの孔125と連通し、冷却流体は前記スペースを通っ
てプレナム・チェンバ95、出口97、及びホース99へ流動
する。

電極61、63及び67、69への電力は３メガワットまたはそ
れ以下の電力レベルで供給される。コイル及び電極は別
々の電源を必要としないように直列に接続されており、
高電圧コイル69、67と低電圧下流側電極63の間に回路が
形成される。直流電流がランス入口端15を貫通する可撓
ケーブル127を通ってランス11に供給される（第1A、２
図）。ケーブルはケーブル集合体129を介して端部コネ
クタ107（第５図）と接続し、電流は端部コネクタ107か
ら導体109、111（第３図）を通って下流側コイル69に流
入する。電流はこの下流側コイルから導体113を通って
上流側コイル67に転流し、さらに導体115、117を流れ
る。

第1B図に示すように、導体117を起点としてパワーチュ
ーブ37に至る分路またはピグテール導体131により継手4
1、コネクタ47、アダプタ43、マニホルド57及び上流側
電極61へDC電流が導通される。上流側電極61から電流は
初期アーク133の形でギャップ65を飛んで下流側電極63
に達する。ランス11の出口端17において、電流は電極63
からエンドキャップ89を通って筐状筐体13へ流れ、この
筐体によって、ケーブル137（第２図）と接続している
端子135へ導通される。アーク133を流れる電流と、電極
内のアーク・チェンバに発生する磁場との相互作用下
に、アーク133が電極61、63の内面を中心に回転するか
ら、電極面に対するアーク端の侵蝕作用で発生する電極
面損傷が極力防止される。

ヘッダ29の通路143（第６図）と連通する連結管141（第
４図）とを連結している可撓ホース141（第４図）を含
む導管系により、ギャップ65からアーク・チェンバへ注
入するためのガスがランスへ導入される。第６図から明
らかなように、ホース139、連結管141及び通路143は冷
却流体ホース31及びDCケーブル127の平面に対してほぼ9
0度の平面内に配置されている。

通路143（第４図）から出たガスはライナー23内のチャ
ンバの未だ占有されていない部分を完全に占有する。ガ
スのごく一部はマニホルド57の通路145を通ってアーク
ヒータ・チェンバに流入し、上流側電極61の上流端にガ
スを導入する互いに間隔を保つ複数の孔149を有する旋
回リング147の周りのプレナム・チェンバと連通する。
ガスの一部をアークヒータ・チェンバの上流側空洞へ導
入するのは上流側電極に対流冷却現象を発生させること
により旋回リング147の付近でマニホルド57に好ましく
ないアーク付着が起こるのを防ぐためである。

ただし、ガスの大部分をマニホルド79のエア・ギャップ
65に導入する（第８、９図）。このため、アークヒータ
・ユニット19の周りのガスは複数の通路85（第９図）か
ら溝83に流入し、ここから環状アーク・ギャップ65を通
って高圧でアーク・チェンバに流入するから、アーク13
3はアーク・チェンバの出口端にむかって下流側へ文字
通りブローされる。

アークヒータ・プラズマ・ランス11は種々の用途に有用
である。用途例としては、粉炭、廃棄物の燃焼、金属屑
などの融解、微粒子形成のための非金属材料の融解及び
蒸発、点火及び炎の安定化などが挙げられる。これらの
用途のいくつかを目的するプロセスはすでに種々の構成
で特許を得ている。その１つは米国特許第4,089,628号
明細書に、他のプロセスは米国特許第4,214,736号明細
書にそれぞれ開示されている。アークヒータをランスと
して使用する別の例は米国特許第4,247,732号明細書に
開示されている。

加熱すべき特定ゾーンに炎を向けるためランスを手動操
作することもできるが、このランス11を固定位置に取り
付けてもよい。この場合には取り付けリング151（第２
図）を適当な態様でエンドキャップ89の端部に取り付け
る。取り付けリング151は炉壁157の孔155と整列させれ
ばよく、その場合、ランス11の出口端17を孔と整列させ
る。例えば複数のボルト159のような適当な取り付け手
段が壁157から孔153を貫通し、ランス11を固定する。

酸化性ガス（空気または酸素）を必要とするボイラー点
火のような燃焼プロセスに利用できるほか、その他の目
的にもトーチまたはランス11を利用することができる。
即ち、窒素、蒸気、合成ガス、天然ガスのような適当な
ガスを導入することによって、不活性または還元性雰囲
気をその他のプロセスに熱を提供する目的に使用するこ
とも可能である。例えば、窒素を加熱してから、これを
利用して金属を蒸発させれば、金属微粒子を形成でき
る。あるいは高モル分のCO₂及び／またはH₂Oを含有する
合成ガスを過熱してから、適当な炭化水素を混合すれば
再びCO及びH₂を形成することができる。

ランスが高温、汚染雰囲気などのような劣悪な条件下で
使用される場合、環状筐体13やエンドキャップ89などを
含むランス11の外側部分を時々交換しなければならない
こともあり得る。その場合、ステンレススチールのよう
な適当な材料から成る外筐と交換すればよい。筐体は２
つの部13a及び13bで構成するのが好ましい。その場合に
は、連結用のねじ付きジョイイント161（第５図）など
を介して下流側部分13aを、上流側筐体部分13bの右端に
固定されている取り付けリング163に取り外し自在に取
り付ける。また、ねじ付きジョイント165などを介して
筐体部分13aの下流端にエンドキャップ（第1B図）に取
り外し自在に取り付ける。このように構成すれば、筐体
部分13a、13bの双方または一方とエンドキャップを必要
に応じて取り外し、交換することができる。

従って、本発明のアークヒータ・プラズマ・ランスの利
点は、冷却水、電力、ガス、例えば空気などの供給手段
をすべて一方の端部に連結したことを、端部を取り外し
自在にしたこと、電力レベルが最高でも300KWであるこ
と、アーク・チェンバ上流端を冷却するため上流側に旋
回リングを設けたこと、外筐体の全長にわたって水冷系
を設けたこと、アークヒータ電極と直列接続した界磁コ
イルを設けることによって界磁コイルに別の電源を設け
る必要がないことである。

本発明のその他の利点として、コイルが内部流路の電極
冷却手段と並列関係で冷却されるからコイル水冷系を別
設する必要がなく、水、電流及びガスの導入部をランス
内の先端付近に配置し、還水路及びアーク・ケーブルを
ランスの先端の外部に接続し、内部の高電圧部分を、冷
却水の戻り流路を兼ねる絶縁性管状ライナーによって外
筐から絶縁し、高電圧の界磁コイルを下流側電極及びエ
ンドキャップのような低電圧部分から絶縁し、絶縁材か
ら成る旋回リングによって上流側及び下流側電極を絶縁
することなども挙げられる。

【図面の簡単な説明】

第1A図は細長いアークヒータ・プラズマ・ランスの左部
分を示す断面図。第1B図は第1A図のアークヒータ・プラズマ・ランスの右
部分を示す断面図。第２図は左端の供給口を示すと共に炉壁口にアークヒー
タ・ランスの出口端を取り付ける態様の一例を示す第１
図に示したランスの立面図。第３図はコイル集合体、及び電流及び冷却流体の導体を
一部断面で示す立面図。第４図はヘッダに対する空気流路の部分断面図。第５図はヘッダの拡大断面図。第６図は第５図VI−VI線における垂直断面図。第７図は第６図VII−VII線における断面図。第８図は第９図VIII−VIII線における垂直断面図。第９図は電極間のガス・マニホルドを示す拡大断面図で
ある。 11……アークヒータ・ランス 13……筐体 15……左側入口端 17……右側出口端 19……アークヒータ・ユニット 37……パワーチューブ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ステファン・ラース・グナー・サンバーアメリカ合衆国、ペンシルベニア州、エクスポートサウス・スクール・ロード 126 (56)参考文献特公昭48−23578（ＪＰ，Ｂ１)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】細長い管状の筐体と、狭いギャップを形成するように軸方向に互いに間隔を保
って配置され、ギャップから両方向に延びるアーク・チ
ェンバを画定するアーク面を有し、ギャップにアークを
発生させるため電源に接続可能な１対のほぼ円筒形の電
極と、アーク・チェンバ内に加熱すべきガスをギャップを通し
て高速で導入する手段と、アークを回転させる磁場を電磁のアーク面に発生させる
ために各電極に設けた磁気コイル手段と、電極及び磁気コイル手段へ冷却流体を循環させる冷却手
段と、電極、ギャップ及び冷却手段へ必要な電力、ガス及び冷
却流体を供給する供給手段とより成るアーク加熱プラズ
マ・ランスにおいて、電極が筐体の一方の端部に隣接して配置され、アーク・プラズマ加熱ガスを噴出させるためのアーク・
チェンバの下流側出口が筺体の前記一方の端部の端面に
設けられており、供給手段の外部供給源との接続用端部コネクタが筐体の
他方の端部に設けられており、筺体内をスリーブが同心的且つほぼその長さ全体に亘っ
て延びることにより筺体との間に冷却流体を搬送するた
めのスペースが形成されていることを特徴とするアーク
加熱プラズマ・ランス。
【請求項２】細長い管状の筐体が本体部分と、電極及び
磁気コイル手段を囲む取り外し自在な部分とから成るこ
とを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載のアーク加
熱プラズマ・ランス。
【請求項３】スリーブが絶縁材から成ることを特徴とす
る特許請求の範囲第１項に記載のアーク加熱プラズマ・
ランス。
【請求項４】電極と磁気コイル手段とが直列に接続され
ていることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の
アーク加熱プラズマ・ランス。
【請求項５】上流側の電極の上流端に加熱すべきガスの
一部を導入するための旋回リングを設けてアーク・チェ
ンバの上流端を冷却することを特徴とする特許請求の範
囲第１項に記載のアーク加熱プラズマ・ランス。