JPH03500257A - サイクロトロン共鳴プラズマ使用の危険廃棄物質焼却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 サイクロトロン共鳴プラズマ使用の 危険廃棄物質焼却装置 技術分野 この発明は、危険な廃棄物質のサイクロトロン共鳴による分解に関し、特にポリ 塩化ビフェニルのような危険な廃棄物質を基本的な形態に分解させる方法および 装置に関する。

背景技術 危険な廃棄物質を効果的かつ経済的に処分する問題はますます深刻になっている 。ポリ塩化ピフェニル（ＰＣＢ）のような化学物質は、我々の進歩した技術の副 産物であって、傾康に非常な危険を与える。

かかる化学物質は環境にさらされたときに極めて安定であって、動物に摂取され た場合には通常の代謝過程によって分解も排泄もされない。従って、それらは食 物連鎖において濃縮される傾向にあって、それらの毒性作用を次の世代に及ぼす ことになる。

ＰＣＢのようなｆＮＩ！化合物の安定性は普通の処理技術を不適当なものにさせ る。こみ処理地又は密封容器における処理は健康の危険を将来の世代に貯えて置 くのに過ぎない。かかる化合物の唯一の効果的な安全処理は化合物を無害のフラ グメント又はその基本的な形態に分解させる処理である。

かかる分解は一般に高温における灰化によって行われる０典型的に、２０００〜 ３０００℃の温度が用いられ、焼却炉における滞留時間は灰化される特定の廃棄 物質に必要な分解の度合と一致する。さらに、従来。焼却炉においては、分解に 必要な最低温度を得る又は維持するために被灰化材料と燃料油又は天然ガスとが 混合される・これは温度限定の問題が生じることを意味する。被灰化物質の最高 温度は炉の火炎温度に限定される、その結果分解を達成するには炉内での滞留時 間を長くする必要がある。これに関しては１例えば、゛米国特許第４，４８１， ８９１号を参照されたい。

従来の焼却炉に代わるものとしては、熱アーク・プラズマを利用するシステムで ある。これについては、夕すえは米国特許第４，５０９，４３４号：第４，５８ ２，００４号および第４，６４４，８７７号を参照されたい。プラズマでは１０ 、０００℃以上の温度が可能であるから、滞留時間をかなシ短くすることができ る。かかるシステムは、現在Ｗｅｓｔｉｎｇｈｏｕｓｅ　Ｐｌａｓｍａ　Ｓｙｓ ｔｅｍｓによってそれらの高温プラズマ廃棄物分解装置に商業的に使用されてい る。その高温プラズマ装置は大きな半トレーラ・トラックのスペースを占める。

それは７５０１（ｗの電力負荷で１分間にある種の液体危険廃棄物を３ガロア　 （１’１．４１　）まで処理することができる。

その装置の購入価格はかなシ高く、かつ運転経費も少なくないと思われる口 さらに別の形式のプラズマ焼却炉は米国特許第３．８１８，８４５号に開示され ている。この場合には１通常熱アーク、プラズマよシも低い圧力下のグロー放電 プラズマは反応容器の周囲に印加される低周波数の電位によって維持される。か かる装置の必要な電力は熱アーク・プラズマ装置よシ低いけれども、グロー放電 装置のスループットはそれ程大きくはない。

本発明もグロー放電プラズマを利用するか、この場合にはサイクロトロン共鳴プ ラズｉを生成する。かかるプラズマでは、粒子はイオン化されるのみならず加速 される。ＰＣＢのような危険廃棄物質の基本的な形への分解は、廃棄物質の分子 をイオン化および原子化するところの加速粒子によって高温のみならずボンバー ドによって達成される。従って１本発明の目的は、従来の方法よシも効率的かつ 経済的な方法で危険な廃棄物質を無毒な物質又は基本的な形態に分解することで ある。

サイクロトロン共鳴プラズマは、！磁放射線の周波数が磁界における電子又は他 の荷電粒子の旋回の周波数に等しく設足されるときに発生する共鳴によって生成 される。それは特定物質の電荷／質量の比に基いて特定物質を選択する能力を有 する。その主な用途が拳法による危険な廃棄物質の分解である。

危険な廃棄物質は固体、液体又はガスである・それが固体又は液体の場合には、 その物質を気化させるために加熱ヒータ、直接燃焼又は電磁加熱を用いることが できる。この気化された物質は「フィード（ｆｅｅｄ）Ｊガスと一緒に反応室内 に噴射される。−組の磁場コイルが反応室を囲み、サイクロトロン共鳴用の基本 磁界を提供するために加圧される。

中空導波管、リッジ導波管又は他の適当なカップリング装置によって反応室に電 磁放射線が供給される。その放射線の周波数は次式で示される必要な共鳴条件に マツチするように調節される：Ｆ　＝（％π）（ｑＢ／ｍ）ヘルツ ｅＳ 上式におけるｑは電子又はイオンの電荷、Ｂは磁界の強さ、セしてｍは電子又は イオンの質量である。

電磁放射線の強さは反応室を流れるガスがイオン化してプラズマを生成するよう に調節する。反応中に荷電粒子は中性粒子と衝突して、イオン化とフラグメンテ ーション（高質量分子の低質量フラグメントへの分解）を提供する。特定の電荷 ／質量比に対してイオン・サイクロトロン共鳴周波数で電磁放射線が付加される とき、この比のイオンは外側へ加速されてプラズマ内の他の粒子と衝突される。

これは。

さらにこれらイオン又は他の粒子の７ラグメンテーシヨンをもたらす、或いはイ オンは選択的に排出されたシ又は反応器の外の境界において集取される。

監視装置を使用して、流動ガスの必要な処理の度合を測定する。かかる監視装置 は１例えば質量分析計、光学分析計又はレーザー誘導けい光分析計である。自動 遮断弁のシステムを出力ラインに接続して、未処理ガスを大気から遮断する。

発明の開示 本発明はサイクロトロン共鳴プラズマ装置を使用して廃棄物質をイオン化および 原子化する。イオン化された物質は選択的に収集するか或いは収集前に無毒の物 質にフラグメンテーションされる。イオン化されないで原子化されたガス状廃棄 物質はさらに処理して環境的に確実に安全なものにすることかで質を、廃棄物の 蒸気と無毒のフィード・ガスと共に電子の固有共鳴軌道周波数（サイクロトロン 周波数）が電磁放射線の周波数と同一でおる値の磁界において電磁放射線の相互 作用によって形成されるプラズマ放電にかけることによって廃棄物質を分解する 方法が提供される。この相互作用は廃棄物質の蒸気とフィード・ガスをイオン化 およびフラグメンテーションさせてサイクロトロン共鳴プラズマを発生させる口 その蒸気は液体の蒸発および／または固体の加熱ニヨって生成される。プラズマ で処理された蒸気は質量分析計、光学分析計又は他の適当な測定装置によって監 視して蒸気中に存在する有毒および無毒物質の組成を測定する。反応室から排出 佐、蒸気は冷却されて、さらに蒸気の大気中への最終放出が環境的に安全である ことを保証するための処理をされる。フィード・ガスは、最初廃棄物質の蒸気と 共に連続的に蒸気に対するターゲット・プラズマを発生させてプロセス制御をす るため、又はプロセスの停止中に系をフラッシングするために使用される。

本発明の別の面によシ、プラズマ中の特定イオン化物質の固有共鳴軌道周波数（ サイクロトロン周波数）に調節された電磁放射線の第２の源によって、反応の特 定生成物をさらに加熱および／または選択的に励起するために前記プロセスによ って発生されたプラズマ中において廃棄物質をさらに分解する方法が提供される 。イオン・サイクロトロン周波数は特定イオンの電荷および質量に依存するから 、この方法はさらに追加のフラグメンテーション又は収集のような特殊な処理に 対するイオンを選択する手段を提供する。

さらに本発明の別の面により、特定の電荷／質量比のプラズマおよび／または励 起イオンを生成するために使用される電磁放射線は反応室とは別の領域にプラズ マを生成することができる。プラズマはその源から反応室に流れて、そこで危険 な廃棄物質の蒸気との相互作用が生じる。

本発明のさらに別の面により、気化方法が液体又は固体物質に適用される。

本発明の構成お工び操作方法に関する本発明の新規の嵜徴は、本発明のさらに別 の目的および利点と共に本発明の好適な実施態様を例として示した次の図面から さらに良く理解できるでろろう。しかしながらその図面（・ま説明と記載のため のみのものであって１本発明の限定を意図するものではない。

図面の簡単な説明 第１図は１本発明に従ってサイクロトロン共鳴プラズマで危険な廃棄物を処理す るために使用する装置の現在望ましい実施態様の概略図である。

発明を実施するだめの最良の形態 第１図に示した図面を参照すると、米国特許第３７６７９２９号に記載されてい る形式のプラズマ反応室は次の主構成要素を含む二室内においてサイクロトロン 共鳴の発生に必要なベース磁界を発生させる磁界コイル２に囲まれた真空室１゜ 真空室の電磁放射線中に向けられたホーン・アンテナ３．電磁放射線は主にスペ クトルのマイクロ波部にある。ホーン・アンテナは導波管系４を介してマイクロ 波発生器へ接続されている。

さらに１本発明の最良の形態の装置は反応を監視すると共に蒸気中に存在する有 毒および無毒物質の組成を測定するプロセス・センサ５を含む。かかるセンナは 質量分析計、光放出検出計、および／甘たけ他の適当な診断装置並びに以下に記 載する他の構成要素から成りうる。

気化された物質は液体の危険廃棄物質を蒸発器６に流入させ、そこで加熱コイル ７によって加熱することに二って生成される。系が正常な限度内で作動しないこ とがわかったとき、又は停電の場合には何時でも蒸発を止めることができる。気 化された物質は次に導管１７を通って混合および計量弁８に移動され、そこでそ の蒸気は酸素、アルゴン、ヘリウム、窒素等のフィード・ガスと混合される。フ ィード・ガスの選択は特定の危険廃棄物質の分解要件に依存する。フィード・ガ スは気化された危険物質と相互作用をするためのプラズマの発生のみならず、危 険物質を化学的に無毒にさせる化学反応物を提供するために使用される。混合弁 も系が正常の限度内で作動しないことがわかった場合、又は停電の場合に蒸発器 ６からの流れを遮断する。混合弁８から気化された物質とフィード・ガスの混合 体は室１１に送られる。該室において、その混合体は、該混合体でサイクロトロ ン共鳴プラズマを発生させるのに十分な強さの磁場および十分な周波数および強 さの電磁放射線とにさらされる。４つ以上の一連のアンテナ板９を介してイオン の選択的励起も行われる。これらのアンテナは数個の無線周波発生源又は単−又 は多重周波数成分の単−源によって付勢される。無線周波数源は固定周波数でち るか、又は前もってプログラムを作った掃引および振幅率によって周波数が掃引 されるので、必要な電荷／質量比のイオンのみが励起される。励起イオンは室１ の壁に集められる、又は室ｌを通ってイオン・コレクタ１０内（（送られる。前 述のように、フィード・ガスを使用して蒸気用ターゲット・プラズマを発生させ るとき、蒸気は。

導管１７を通って混合および計量弁８へ向けられるよシむしろ導管１８を通って 直接プラズマ反応室へ向けられる。

残留する蒸気は室１から絞り弁１１を通して排出される、そして分析室１２にお いて監視される。絞シ弁１１は故障検出器としても使用される、そしてプロセス 検出装置がプロセスが適切に作動していないことを示すとき、或いは停電の場合 に自動的に閉鎖する。分子ふるいおよび主真空ポンプ１３が系の主駆動力を提供 する。塩酸スフラッパ−１４はこのガス（ポリ塩化ポリフェニル（ＰＣＢ）の分 解時にしばしば生成される）のこん跡を除去するために使用される。最終の補助 ポンプ１５は最終生成物を大気中へ移動させ、そこでそれらは必要ならば煙突１ ６内で燃焼される。

図面に示した装置は完全な装置の模式図であることは明らかである。実際の設備 においては、さらに別の弁、別種の弁、種々の他のセンサ、電磁界発射装置およ び他の適当なプロセス制御要素が使用され国際調査報告 国際調査報告 υＳ　８９０１６６３

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. １．蒸気になつていない場合には、危険な廃棄物質を蒸発させて蒸気を生成する 工程、 該蒸気をフィード・ガスと混合して混合体を生成する工程； 前記混合体をプラズマ反応室に導入する工程；前記反応室内の混合体を、十分な 第１の周波数および強さの電磁放射線と十分な強さの磁界にかけて、該混合体か らサイクロトロン共鳴プラズマを発生させ、該サイクロトロン共鳴プラズマと前 記蒸気とを相互に作用させて該蒸気の分子のイオン化およびフラグメンテーシヨ ンによつて生じるフラグメントおよび／またはイオンを含む生成物を生成させる 工程； 前記生成物を監視し、かつ必要なフラグメントおよび／またはイオンが生成され るまで前記サイクロトロン共鳴プラズマを維持する工程：および前記生成物をさ らに処理するおよび／または環境に安全に放出させるために該生成物を集める工 程、からなることを特徴とする危険な廃棄物質を基本的形態に分解する方法。
2. ２．前記混合体を特定の電荷／重量比のイオンを選択的に励起させるところの前 記第１の周波数と異なる少なくとも１つの周波数の電磁放射線にさらす請求の範 囲第１項記載の方法。
3. ３．蒸気になつていたい場合には、危険な廃棄物質を蒸発させて蒸気を生成する 工程； フィード・ガスをプラズマ発生室に導入する工程； 前記プラズマ発生室内のフィード・ガスを十分な第１の周波数および強さの電磁 放射線および十分な強さの磁界にかけて、サイクロトロン共鳴プラズマを発生さ せる工程； 前記プラズマおよび蒸気を反応室に導入して、該プラズマと該蒸気とを相互に作 用させ該蒸気分子のイオン化およびフラグメンテーションから生じるブラウメン トおよび／またはイオンを含む生成物を生成する工程； 前記相互作用の生成物を監視し、かつイオンの必要なフラグメントが生成される まで前記サイクロトロン共鳴プラズマを維持する工程；および前記生成物を集め て、さらに処理および環境に安全に放出させる工程、からなることを特徴とする 危険な廃棄物質を基本的な形態に分解させる方法。
4. ４．前記プラズマおよび前記蒸気を、特定の電荷／質量比のイオンを選択的に励 起させるところの前記第１の周波数とは異なる少なくとも１つの周波数の電磁放 射線にさらす請求の範囲第３項記載の方法。
5. ５．蒸気になつていない場合に、危険な廃棄物質を蒸発させて蒸気を生成する手 段； 前記蒸気とフィード・ガスとを混合して混合体を生成する手段； 内部に磁界を発生させる手段を備えたプラズマ反応室； 前記プラズマ反応室に電磁放射線を導入する電磁放射線源； 前記混合体を前記プラズマ反応室に導入する手段、十分な第１の周波数および強 さを有する前記電磁放射線と十分な強さを有する前記磁界と組み合せて前記混合 体に十分な強さのサイクロトロン共鳴を生じさせて、サイクロトロン共鳴プラズ マを発生させ、該プラズマと前記蒸気とを相互に反応させて反応生成物を生成さ せる構成；および必要な生成物が生成されるときに、反応を終らせ、かつ反応生 成物を前記プラズマ反応室から排出させるように反応生成物を監視する手段を有 する構成の前記プラズマ反応室からなることを特徴とする危険な廃棄物質を基本 的な形態に分解する装置。
6. ６．前記プラズマ反応室が、特定の電荷／質量比のイオンを選択的に励起させる ところの前記第１の周波数と異なる第２の周波数の電磁放射線を前記プラズマ反 応室に導入する少なくとも第２の電磁放射線源を含む請求の範囲第５項記載の装 置。
7. ７．さらに、励起されたイオンを選択的に集める手段を含む請求の範囲第６項記 載の装置。
8. ８．さらに、塩酸スクラッバーからなる請求の範囲第５項記載の装置。
9. ９．蒸気になつていない場合に、危険な廃棄物質を蒸発させて蒸気を生成させる 手段； フィード・ガスからプラズマを発生させるのに十分な周波数および強さの電磁源 を有するプラズマ発生装置； 内部に磁界を発生させる手段を有するプラズマ反応室； 前記プラズマおよび前記蒸気を前記プラズマ反応室に導入する手段； 前記混合体を前記プラズマ反応室に導入する手段、十分な第１の周波数および強 さを有する前記電磁放射線と十分な強さを有する前記磁界と組み合せて前記混合 体に十分な強さのサイクロトロン共鳴を生じさせて、サイクロトロン共鳴プラズ マを発生させ、該プラズマと前記蒸気とを相互に反応させて反応生成物を生成さ せる構成；および必要な生成物が生成されるときに、反応を終らせ、かつ反応生 成物を前記プラズマ反応室から排出させるように反応生成物を監視する手段を有 する構成の前記プラズマ反応室からなることを特徴とする危険な廃棄物質を基本 的な形態に分解する装置。
10. １０．前記プラズマ反応室が、特定の電荷／質量比のイオンを選択的に励起させ るところの前記第１の周波数と異なる第２の周波数の電極放射線を前記プラズマ 反応室に導入する少なくとも第２の電磁放射線源を含む請求の範囲第９項記載の 装置。
11. １１．さらに、励起されたイオンを選択的に集める手段を含む請求の範囲第１０ 項記載の装置。
12. １２．さらに、塩酸スクラツバーからなる請求の範囲第９項記載の装置。
13. １３．前記プラズマ反応室内に磁界を発生させる手段が磁界コイルである請求の 範囲第５項記載の装置。
14. １４．前記プラズマ反応室内に磁界を発生させる手段が磁界コイルである請求の 範囲第９項記載の装置。