2024-163792 プラズマ加熱装置およびプラズマ加熱方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024163792

(43)【公開日】2024-11-22

(54)【発明の名称】プラズマ加熱装置およびプラズマ加熱方法

(51)【国際特許分類】

   H05H 1/26 20060101AFI20241115BHJP

【ＦＩ】

H05H1/26

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023079673

(22)【出願日】2023-05-12

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）２０２１年度、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構、「グリーンイノベーション基金事業／製鉄プロセスにおける水素活用プロジェクト／高炉を用いた水素還元技術の開発／外部水素や高炉排ガスに含まれるＣＯ２を活用した低炭素化技術等の開発」委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(71)【出願人】

【識別番号】000006655

【氏名又は名称】日本製鉄株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100099759

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 篤

(74)【代理人】

【識別番号】100123582

【弁理士】

【氏名又は名称】三橋 真二

(74)【代理人】

【識別番号】100187702

【弁理士】

【氏名又は名称】福地 律生

(74)【代理人】

【識別番号】100162204

【弁理士】

【氏名又は名称】齋藤 学

(74)【代理人】

【識別番号】100195213

【弁理士】

【氏名又は名称】木村 健治

(72)【発明者】

【氏名】梅本 紘成

【テーマコード（参考）】

2G084

【Ｆターム（参考）】

2G084AA06

2G084AA16

2G084BB03

2G084BB31

2G084DD18

2G084FF16

2G084FF33

2G084GG02

2G084GG07

2G084GG18

2G084GG24

(57)【要約】

【課題】本発明は、レイアウトに制約があるような狭隘空間でもプラズマ加熱装置を設置できるようにすることを課題とし、そのようなプラズマ加熱装置や加熱方法を提供することを目的とする。
【解決手段】プラズマトーチ１の前部から被加熱物の存在する配管５までをダクト３で接続し、ダクト３内の外気を遮断した密閉空にプラズマジェット２を流すことで、外気に接触せず被加熱物を加熱できる。さらに、ダクト保護の観点から、内部に冷却ガスを吹き出し、ダクト３内面に冷却ガス層１４を形成し、ダクトの内面をジェット２の高熱から保護する。プラズマジェット噴射口１１周囲から吹き出す第１の冷却ガス１２と、ダクト３の軸方向途中から吹き出す第２の冷却ガス１６により、ダクト３の内面全体にわたり冷却ガス層１４を形成することができる。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

配管または容器の中の被加熱物を加熱するプラズマ加熱装置であって、
プラズマジェットを噴射するプラズマトーチと、
前記プラズマトーチと前記配管または前記容器との間に配置され、前記プラズマジェットが流れるダクトを有することを特徴とするプラズマ加熱装置。

【請求項2】

前記プラズマトーチの周囲には、前記ダクトの内面に沿うように第１の冷却ガスを吹き出す第１冷却ガス吹き出し口が設けられている、請求項１に記載のプラズマ加熱装置。

【請求項3】

前記ダクトの内面には、前記ダクトの内部に向けて第２の冷却ガスを吹き出す第２冷却ガス吹き出し口が設けられている、請求項２に記載のプラズマ加熱装置。

【請求項4】

前記第２冷却ガス吹き出し口が前記ダクトの軸方向に複数個設置されている、請求項３に記載のプラズマ加熱装置。

【請求項5】

前記第２冷却ガス吹き出し口は、前記プラズマトーチが設けられている側と反対側の前記ダクトの内面に設けられている、請求項４に記載のプラズマ加熱装置。

【請求項6】

配管または容器の中の被加熱物を加熱するプラズマ加熱方法であって、
プラズマジェットを噴射するプラズマトーチと前記配管または前記容器との間に配置されたダクト内に前記プラズマジェットを噴射させて、前記被加熱物を加熱することを特徴とするプラズマ加熱方法。

【請求項7】

前記プラズマトーチの周囲から、前記ダクトの内面に沿うように第１の冷却ガスを吹き出す、請求項６に記載のプラズマ加熱方法。

【請求項8】

前記ダクトの内面から、前記ダクトの内部に向けて第２の冷却ガスを吹き出す、請求項７に記載のプラズマ加熱方法。

【請求項9】

前記ダクトの軸方向の複数個所から前記第２の冷却ガスを吹き出す、請求項８に記載のプラズマ加熱方法。

【請求項10】

前記プラズマトーチが設けられている側と反対側の前記ダクトの内面から、前記ダクトの内部に向けて前記第２の冷却ガスを吹き出す、請求項８に記載のプラズマ加熱方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、プラズマトーチを利用した加熱装置（プラズマ加熱装置）およびプラズマ加熱装置を用いた加熱方法（プラズマ加熱方法）に関するものである。

【背景技術】

【0002】

プラズマ加熱は、プラズマトーチ（以下、単にトーチと呼ぶ場合がある。）から発生するプラズマジェット（以下、単にジェットと呼ぶ場合がある。）により、被加熱物を加熱するものである。プラズマトーチは、トーチ内のカソードとアノードの間にプラズマ作動ガスを流し、カソードとアノード間に高電圧を印加することにより作動ガスをプラズマ化し、プラズマジェットを噴射する。プラズマ加熱は、このプラズマジェットの輻射熱で被加熱物を加熱するものである。プラズマ温度は２０００℃～５０００℃程度の超高温となるため、例えば１０００℃以下の高温気体の昇温方法として提案されている。

【0003】

例えば、特許文献１に鉄鋼業における高炉への適用が提案されている。高炉は鉄鉱石を高温還元して溶けた鉄（溶銑）を取り出す装置であり、高炉の羽口から１２００℃以上の高温空気（熱風とも呼ぶ。）を炉内に吹き込んでいる。その際に吹き込む高温空気は高炉外部の熱風炉で空気を所定の温度まで加熱し、得られた高温空気が、熱風炉と高炉を接続する熱風本管内を通り羽口まで輸送される。特許文献１では、バッチ切り替え式の熱風炉に代えて連続式であるレキュペレータを適用し、レキュペレータで７００℃程度まで予熱し、つぎに所定の温度まで加熱するためにプラズマ加熱を利用することが提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開昭６３－２１６９０５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１のように、配管内の高温ガスをプラズマ加熱する場合、プラズマジェットを配管内に噴射するように、その配管の外側にプラズマトーチを設置することになる。その際、プラズマトーチを設置する際に、既存の周辺配管や機器障害物などの既存設備との干渉が問題となり、設置スペースの制約を受ける。例えば、化学プラントや鉄鋼設備のように多くの配管や機器類が配置されている環境では、レイアウトの制約から被加熱ガスが流れる配管に直接プラズマトーチを配置することはできない場合が多い。

【0006】

本発明は、このような問題を解決し、レイアウトの制約があるような狭隘空間でもプラズマ加熱装置を設置できるようにすることを課題とし、そのようなプラズマ加熱装置や加熱方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明者らは課題を達成するため鋭意開発を進め以下の知見を得た。
（ア）
プラズマトーチの大きさや、付属する配管や配線のための必要スペースに比べプラズマジェットの径が小さいことに着目し、トーチ前部から被加熱物の存在する配管や容器までを外気から遮断されたダクトで接続し、ダクト内にプラズマジェットを流すことで、外気に接触せず被加熱物を加熱できることを想起した。例えば、プラズマジェットの径は１０～３０ｍｍ程度のものが多いが、プラズマトーチはその３～１０倍の大きさになる。さらに、プラズマトーチにはプラズマ作動ガスや冷却ガス（シュラウトガスとも呼ぶ。）などの配管や、高圧電流配線を配置しなければならない。そのため、プラズマトーチを設置するためには、プラズマジェット径の１０～２０倍の大きさのスペースが必要になる。そのためプラズマジェットを流すことが可能なダクトでプラズマトーチと配管や容器とを接続することにより、プラズマジェット径の１０～２０倍の大きさのスペースが確保できない場合であっても、プラズマ加熱装置を配置することができることを見出した。

【0008】

（イ）
プラズマトーチの前部にダクトを設置し、ダクト内にプラズマジェットを噴射した場合、ジェットの熱によりダクトの内面が高温に晒されダメージを受ける。ダクトの内面に耐火物ライニングなどによる保護層を形成したとしても、その保護層が熱によるダメージを受けることも避けられない。そこで、トーチの周囲（ダクトの一方の端）からダクトの内面に沿うように冷却ガスを吹き出し、ダクトの内面に沿うように冷却ガス層を形成させることを想起した。これにより、ダクトの内面に（耐火物の保護層がある場合はその保護層も含めて）ダメージを受けることなく、ダクトの内面をプラズマジェットの高熱から保護することが可能となる。

【0009】

（ウ）
一方、ダクトの全長が長くなると、トーチ周囲から吹き出した冷却ガスがプラズマジェットにより高温化したガスとが混合し、トーチからある程度の距離を過ぎると冷却ガス層が形成されず、ダクトの内面全体を保護できなくなる。トーチ周囲からの冷却ガスの流量や速度を上げ、冷却ガス層が形成される範囲を広くすることも可能であるが、それにも限界がある。さらに、冷却ガス速度を上げるための設備投資も大掛かりなる。
そこで、本発明者らは、プラズマトーチ周囲（ダクトの一端側）から吹き出された冷却ガスのみによって冷却ガス層を形成するのではなく、プラズマトーチ周囲から吹き出された冷却ガスとダクトの内面から吹き出された冷却ガスとによってダクトの内面全体に冷却ガス層を形成することができ、ダクトの内面全体をプラズマジェットの高熱から保護することが可能になることを見出した。

【0010】

ダクトの内面から吹き出される冷却ガスは、ダクトの内面に沿うように吹き出すことが望ましいが、ダクト内の中心軸に向かって吹き出してもよい。ダクト内の中心軸に向かって冷却ガスを吹き出すことによって、冷却ガスはプラズマガス流に乗ってダクトの内面に沿って流れるため、ダクトの内面全体に冷却ガス層を形成することができる。
本発明は上記知見に基づき成されたものであり、その要旨は以下のとおりである。

【0011】

［１］
配管または容器の中の被加熱物を加熱するプラズマ加熱装置であって、
プラズマジェットを噴射するプラズマトーチと、
前記プラズマトーチと前記配管または前記容器との間に配置され、前記プラズマジェットが流れるダクトを有することを特徴とするプラズマ加熱装置。
［２］
前記プラズマトーチの周囲に、前記ダクトの内面に沿うように第１の冷却ガスを吹き出す第１冷却ガス吹き出し口が設けられている、［１］に記載のプラズマ加熱装置。
［３］
前記ダクトの内面に、前記ダクトの内部に向けて第２の冷却ガスを吹き出す第２冷却ガス吹き出し口が設けられている、［２］に記載のプラズマ加熱装置。
［４］
前記第２冷却ガス吹き出し口が前記ダクトの軸方向に複数個設置されている、［３］に記載のプラズマ加熱装置。
［５］
前記第２冷却ガス吹き出し口は、前記プラズマトーチが設けられている側と反対側の前記ダクトの内面に設けられている、前記［４］に記載のプラズマ加熱装置。
［６］
配管または容器の中の被加熱物を加熱するプラズマ加熱方法であって、
プラズマジェットを噴射するプラズマトーチと前記配管または前記容器との間に配置されたダクト内に前記プラズマジェットを噴射させて、前記被加熱物を加熱することを特徴とするプラズマ加熱方法。
［７］
前記プラズマトーチの周囲から、前記ダクトの内面に沿うように第１の冷却ガスを吹き出す、［６］に記載のプラズマ加熱方法。
［８］
前記ダクトの内面から、前記ダクトの内部に向けて第２の冷却ガスを吹き出す、［７］に記載のプラズマ加熱方法。
［９］
前記ダクトの軸方向の複数個所から前記第２の冷却ガスを吹き出す、［８］に記載のプラズマ加熱方法。
［１０］
前記プラズマトーチが設けられている側と反対側の前記ダクトの内面から、前記ダクトの内部に向けて前記第２の冷却ガスを吹き出す、前記［８］に記載のプラズマ加熱方法。
［１１］
前記［１］～［５］のいずれか一項に記載のプラズマ加熱装置が、熱風炉から高炉まで接続する熱風管に設置されていることを特徴とする、高炉設備。

【発明の効果】

【0012】

配管または容器の中の被加熱物を加熱する場合に、本発明によれば、レイアウトの制約があるような狭隘空間でもプラズマ加熱装置を設置でき、被加熱物を加熱することができる。
特に、高温の被加熱物をさらに加熱する場合により効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】図１は、本発明に係るプラズマ加熱装置の第１の実施形態の一例を示す概念図である。図１（ａ）はダクトが配管に直接接続している例を示す概念図であり、図１（ｂ）はダクトが熱膨張緩衝用エキスパンションを介して配管に接続している例を示す概念図である。

【図2】図２は、本発明に係るプラズマ加熱装置の第２の実施形態の一例を示す概念図である。

【図3】図３は、本発明に係るプラズマ加熱装置の第２の実施形態においてダクト長が長い場合の一例を示す概念図である。

【図4】図４は、本発明に係るプラズマ加熱装置の第３の実施形態の一例を示す概念図である。

【図5】図５（ａ）、（ｂ）は、第３の実施形態における第２の冷却ガス吹き出し口の例を示す概念図である。

【図6】図６は、実施例における反応炉の熱風経路を示す概念図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

本発明に係るプラズマ加熱装置やプラズマ加熱方法において、被加熱物は気体、液体、または固体のいずれであってもよく、また被加熱物の組成や形態は特に限定されない。さらに、被加熱物は容器内にあってもよく、また配管内を流動していてもよい。図１～４に本発明に係るプラズマ加熱装置の実施形態の例として、配管内に流れる高温ガスを加熱する場合の概要図を示す。特に断りのない限り、本発明をこれらの図に基づき、配管内を流れる高温ガスを加熱する実施形態を例として説明する。本発明に係る実施形態はこの実施形態に限定されるものではない。

【0015】

［プラズマトーチ］
プラズマトーチ１には、非移行型と移行型（非移送型と移送型とも呼ぶ。）トーチがある。非移行型プラズマトーチは、トーチ内にアノードとカソードの両電極を配置し、両電極間にプラズマ作動ガスを流し、両電極間に高電圧を印加することにより作動ガスをプラズマ化して高温ガスであるプラズマジェットを噴射する。移行型プラズマトーチは、トーチ内にはカソード電極のみ配置し、トーチの外部にある被処理材をアノード電極とし、両電極間に高電圧を印加してプラズマアークを発生させるものである。移行型は両電極間でアーク電流が維持され、熱効率が高く高温が得られるため、被処理材の溶接や切断に用いられる。一方、非移行型は、高温のプラズマジェットを噴射するが、移行型に比べて熱効率が低いものの、被処理材が導電性である必要がなく加熱することができるため、溶射や高温加熱に用いられる。本発明では配管や容器中のガスなどの被加熱物の昇温に利用するため、本発明で採用するプラズマトーチは非移行型プラズマトーチである。本明細書において、特に断りのない限りプラズマトーチとは非移行型プラズマトーチを指す。

【0016】

プラズマトーチ１の内部構造は特に限定されない（トーチ内部構造については図示していない）。例えば、プラズマ溶射に用いられるプラズマトーチや、電縫鋼管などの電気溶接時にプラズマシールドのために用いられるプラズマトーチなどを適用することができる。

【0017】

プラズマ作動ガスの種類も特に限定しない。空気はもちろんのこと、用途に応じて酸素、Ａｒ、水素、窒素、その他の不活性ガスなどが適用できるが、被加熱ガスの種類や環境条件に応じて適宜決定するとよい。

【0018】

［プラズマジェット］
プラズマトーチ１により、プラズマ作動ガスがプラズマ化し高温ガスとして炎状に噴射されるものがプラズマジェット２である。プラズマジェット２の性状（温度、トーチ出口での径やジェット長さなど）は特に限定されない。プラズマトーチ形状や作動ガス流量などによって適宜決定するとよい。プラズマ溶射などで使用するプラズマトーチであれば、トーチ出口でのプラズマジェット径は１０～５０ｍｍ程度であり、ジェットの長さは３００～１０００ｍｍ程度まで得られる。プラズマジェット２の温度も、作動ガスや印加電圧などにより適宜決定すればよい。例えば、空気を作動ガスとした場合でも１０００～１００００℃程度のプラズマジェットが得られ、プラズマが消滅後は高温ガスとして流れる。本発明に係るプラズマ加熱は、このプラズマジェットやプラズマジェットから派生した高温ガスが有する顕熱を利用するものである。

【0019】

［ダクト］
図１（ａ）に本発明の実施形態の例（第１実施形態）の概念図を示す。図１（ａ）に示すように、被加熱物であるガスが流れる配管５とプラズマトーチ１の間には外気と遮断された閉空間になるようにダクト３が配置される。ダクト３の内部は、プラズマトーチ１から噴射したプラズマジェット２が流れる構造になっている。ダクト３を介することにより、配管５から離れた所にプラズマトーチ１を配置しつつ、プラズマジェット２やそれから派生した高温ガスを、外気が混入することなく配管５に導くことができる。そのため配管５内に外気が混入することがない。さらに、プラズマジェット２から派生した高温ガスを確実に配管５内に導くことができるため、プラズマジェット２の持つ顕熱を有効に被加熱物の加熱に利用することができる。

【0020】

プラズマジェット２は、ダクト３の中心軸４に沿って噴射することが好ましい。プラズマジェット２をダクト３の中心軸４に沿って噴射すると、プラズマジェット２が直接ダクト３に接触することがなく、ダクト３の局所的な温度上昇を抑止することができる。

【0021】

ダクト３の内面３－１の形状（ダクトの中心軸に垂直な断面でのダクト内面の形状）は特に限定されない。ダクト３の内面３－１の形状はプラズマジェット２による高温ガスの流量などにより適宜設計すればよい。好ましくはダクト３の内面３－１の形状を円形にするとよい。ダクト３の内面３－１の形状を円形にすることでダクト３の内面３－１とプラズマジェット２との間の距離を一定にすることができ、ダクト３の局所的な温度上昇を抑止することができるからである。

【0022】

またダクト３の材質も特に限定しない。ダクト３自体もプラズマジェット２の輻射熱で加熱されるので一定の耐熱性を要求される。そのため、ダクト３の材質は、例えば、ステンレスなどの耐熱鋼、高炭素鋼や鋳鋼などであるとよい。ダクト３の内面３－１に耐火材を配置するなど耐火物ライニング（図示はしていない。）してもよい。ダクト３の外面を水冷や空冷による冷却構造にしてもよい（図示はしていない）。

【0023】

ダクト３と配管５との間に、熱膨張緩衝用のエキスパンションなどを配置してもよく、プラズマトーチ１から配管５までの間が外気と遮断された密閉構造になっていればよい。図１（ｂ）に、ダクト３と配管５との間に熱膨張緩衝用のエキスパンション６を取り付けた例を示す。

【0024】

［第１の冷却ガス］
プラズマトーチ１からダクト３内にプラズマジェット２を噴射する際、プラズマジェット２自体はダクト３の中心軸４の方向（以下、ダクト３の軸方向という。）に噴射しているものの、プラズマジェット２の輻射熱やプラズマジェット２から派生した高温ガスにより、ダクト３の内面３－１が高温に晒されダメージを受ける。ダクト３の内面３－１に耐火物ライニング（図示せず。）などを施していたとしても、耐火物が熱によるダメージを受けることは避けられない。
そこで、ダクト３の内面３－１をプラズマジェット２や高温ガスによる熱から保護するため、ダクト３の内面３－１に沿うように冷却ガス層１４を形成するとよい。

【0025】

図２に本発明の実施形態の例（第２実施形態）として、ダクト３の内面３－１に冷却ガス層１４を形成した場合の概念図を示す。図２に示すように、プラズマトーチ１の周囲、詳細にはプラズマトーチ１のプラズマジェット噴射口１１の周囲には、冷却ガス（第１の冷却ガス）１３の吹き出し口（第１冷却ガス吹き出し口）１２が配置されており、第１冷却ガス吹き出し口１２からダクト３の中心軸４の軸方向に向けて第１の冷却ガス１３が吹き出される。第１冷却ガス吹き出し口１２から吹き出された第１の冷却ガス１３は、ダクト３の内面３－１全体にわたって冷却ガス層を形成する。なお、第１の冷却ガス１３がダクト３の内面３－１に沿って流れるように、プラズマトーチ１の周囲全体、つまりプラズマジェット噴射口１１を囲うように複数個の第１冷却ガス吹き出し口１２を配置するとよい。

【0026】

第１の冷却ガス１３の種類は特に限定しないが、プラズマ作動ガス、または被加熱物となるガスと同じであるとよく、もしくは被加熱物に対し影響がなければ空気でもよい。第１の冷却ガス１３の流量や流速も特に限定しない。しかし、流速が遅いとダクト３の内面３－１全体にわたって冷却ガス層１４を形成できないことがある。また、冷却ガス流量が少ないと、冷却ガス層１４の厚さが不足し、十分にダクト３の内面３－１を保護できない可能性もある。一方、流速が速かったり、流量が多くなったりすると、冷却ガスの供給装置が大きくなり投資がかさむことが懸念されるだけでなく、プラズマジェットによる被加熱物の加熱効率が低下することが考えられる。これらのことを考慮しつつ、第１の冷却ガスの流量、流速を適宜決定するとよい。

【0027】

［第２の冷却ガス］
図３に示すように、ダクト３が長くなると、第１の冷却ガス１３がダクト３の軸方向全体にわたって十分に到達せず、ダクト３の内面３－１全体にわたって、特に配管５側に有効な厚さの冷却ガス層１４が形成できない場合がある。そのような部分はプラズマジェット２からの高熱に対し、さらなる耐熱対策が求められる。

【0028】

図４に本発明の実施形態の例（第３実施形態）として、さらなる耐熱対策を施した場合の概念図を示す。図４に示すように、第１冷却ガス吹き出し口１２からダクト３の中心軸４の軸方向に向けて第１の冷却ガス１３が吹き出されるとともに、ダクト３の内面３－１に設けられた第２の冷却ガス１５の吹き出し口（第２冷却ガス吹き出し口）１６からダクト３の内部に向けて冷却ガス（第２の冷却ガス）１５が吹き出される。

【0029】

ダクト３が長くなると、第１の冷却ガス１３は配管５側（プラズマトーチ１が設けられている側と反対側であって、先端側とも呼ぶ。）のダクト３の内面３－１に到達し難いため、第２冷却ガス吹き出し口１６は、ダクト３の内面３－１（好ましくは配管５側のダクト３の内面３－１）に設置するとよい。このように第２冷却ガス吹き出し口１６をダクト３の内面３－１に設置することによって、配管５側（先端側）のダクト３の内面３－１であっても冷却ガス層１４を形成することができる。

【0030】

これによって、プラズマトーチ１側のダクト３の内面３－１は、第１の冷却ガス１３によって形成された冷却ガス層１４によって保護され、配管５側（先端側）のダクト３の内面３－１は、第２の冷却ガス１５によって形成された冷却ガス層１４によって保護されることになる。すなわち、冷却ガス層１４は第１の冷却ガス１３と第２の冷却ガス１５とによって形成される。これによって、ダクト３の内面３－１全体に冷却ガス層１４が形成され、ダクト３の内面３－１全体が冷却ガス層１４によって保護されることになる。

【0031】

ダクト３の断面周方向（ダクト３の中心軸４に垂直な面でダクトを切断したときのダクトの断面の周方向）においても、第２冷却ガス吹き出し口１６は、ダクト３の内面３－１全体に冷却ガス層１４が形成されるようにダクト３の内面３－１に複数個設置するとよい。例えば、第２冷却ガス吹き出し口１６が、ダクト３の中心軸４に垂直な同一断面内であって、ダクト３の周方向に複数個設置するとよい。

【0032】

また、ダクト３の軸方向の1か所に第２冷却ガス吹き出し口１６を設置したとしても、ダクト３が長い場合は、それだけでは不足する場合がある。その場合は、さらにダクト３の軸方向の複数個所に第２冷却ガス吹き出し口１６を設置するとよい。図４は、ダクト３の軸方向に３か所の第２冷却ガス吹き出し口１６を設置した場合を模式的に示している。この場合も、第１冷却ガス吹き出し口１２と同様、ダクト３の断面周方向に複数の吹き出し口が並ぶように複数個設置するとよい。即ち、ダクト３の軸方向の複数の位置であって、それぞれの位置においてダクト３の断面周方向の複数の位置に第２冷却ガス吹き出し口１６を設置するとよい。

【0033】

例えば、第２冷却ガス吹き出し口１６は、ダクト３の先端側（第１の冷却ガス吹き出し口１２が設けられている側と反対側、即ちプラズマトーチ１が設けられている側と反対側であって、配管５側であり、プラズマジェット２の下流側）の領域（例えば、ダクトの中央よりも先端側（プラズマジェットの下流側）の領域）のダクト３の内面３－１に設けられているとよい。そうすることにより、第１の冷却ガス１３によっては冷却ガス層１４を形成できない領域（ダクト３の先端側（配管５側））に冷却ガス層１４を形成することができる。これによって、第２実施形態よりも広範囲（全体的に）にわたってダクト３の内面３－１全体に冷却ガス層１４を形成することができ、プラズマジェット２の高熱からダクト３の内面３－１を保護することができる。

【0034】

第２の冷却ガス１５は、ダクト３の内部に向かって吹き出せばよく、その吹き出す方向は特に限定しない。例えば、ダクト３の中心軸４に向かって吹き出してもよい。ダクト３の内部は、プラズマジェット２により、プラズマジェットの軸方向（ダクト３の軸方向と同じ方向）に向かってガスの流れが形成されるため、第２の冷却ガス１５もこのプラズマジェットによるガスの流れに乗って、ダクト３の軸方向に流されるためである。

【0035】

また例えば、第２の冷却ガス１５を、ダクト３の軸方向（中心軸４と平行な方向）に沿って吹き出してもよい。これによりプラズマジェット２によるガス流れを乱すことが抑制されつつ、第２の冷却ガス１５をダクト３の内面３－１に沿って吹き出すことができるからである。例えば図５（ａ）には、第２冷却ガス吹き出し口１６をダクト３の軸方向に傾斜させ、第２の冷却ガス１５を第１の冷却ガスの流れにより形成された冷却ガス層１４に混合し易いようにした場合を示す。

【0036】

ここで、第２冷却ガス吹き出し口１６をダクト３の軸方向に傾斜させるとは、第２冷却ガス吹き出し口から第２の冷却ガスが吹き出す方向を、ダクト３の内面３－１に垂直な方向からダクト３の軸方向へ傾斜させることを意味する。ダクト３の内面３－１に垂直な方向からダクト３の軸方向への傾斜角度は特に限定されないが、好ましくは３０°以上、さらに好ましくは４５°以上、またさらに好ましくは６０°以上傾斜することが好ましい。

【0037】

図５（ｂ）には別の例として、第２冷却ガス吹き出し口１６をノズルのようにし、冷却ガス層１４の流れ方向であるダクト３の軸方向に向けて第２の冷却ガス１５を吹き出す場合を示す。（この場合、ダクト３の軸方向への傾斜角度は９０°になる。）これらの例のように、第２の冷却ガス１５を、第１の冷却ガスの流れにより形成された冷却ガス層１４の流れ方向に吹き出すことにより、冷却ガス層１４と混合し易くなる。さらに好ましくは、図５（ａ）（ｂ）にも示すように、第１の冷却ガスにより形成された冷却ガス層１４内で第２の冷却ガス１５を吹き出すことが好ましい。

【0038】

第２の冷却ガス１５の性状も第１の冷却ガス１２同様、特に限定しないが、第２の冷却ガス１５は第１の冷却ガス１２と同じであることが好ましい。第２の冷却ガス１５の流量や流速も特に限定しない。

【0039】

これにより第１の冷却ガス１２によって形成された冷却ガス層１４では保護できないダクト３の内面３－１（ダクト３の配管５側の内面３－１）を、第２の冷却ガス１５によって形成された冷却ガス層１４によって保護することができる。そのため、ダクト３の内面３－１の全体をプラズマジェット２の熱から保護することができる。

【実施例0040】

本発明の実施例として、小型高温反応炉への高温空気送風設備への適用について説明する。
図６に本実施例に係る高温反応炉３１における高温空気送風経路図（模式図）を示す。高温反応炉３１は、熱源として加熱空気を炉内に吹き込み、炉内を高温にして反応を進める装置である。高温反応炉３１の周辺や高温空気配管３６の周囲は、他設備が干渉してレイアウトの制約があるため、本発明の加熱装置を適用する。

【0041】

図６において、高温反応炉３１の高温空気送風設備は、ブロワー３２で空気を吸込み昇圧し、昇圧した空気を一旦圧空チャンバー３３に溜める。圧空チャンバー３３から一部をプラズマ加熱装置の冷却ガス系統に、残りを高温空気送風系統に分割する。高温空気送風系統では、圧空チャンバー３３内の空気が送気管３５を通って一次加熱装置３４に供給され、一次加熱装置３４で所用温度まで加熱される（一次加熱装置の内部については図示していない。）。一次加熱装置３４で加熱された高温空気は高温空気配管３６を通って高温反応炉３１に供給される。高温空気配管３６には調整弁３７が設置され、高温空気の流量が制御される。なお、高温空気配管３６の高温空気中に、温度調整用に外部から常温の空気を添加できるように、外部配管３８が設置され、外部空気調整弁３９で添加流量が制御される。

【0042】

圧空チャンバー３３から分岐されたプラズマ加熱装置１００の冷却ガス系統は、冷却ガス配管４０を通り、第１冷却ガス管４１を通って第１の冷却ガスとしてプラズマトーチ１に、第２冷却ガス管４２を通って第２の冷却ガスとしてダクト３に供給される。
冷却ガス系統には、図示はしていないが流量制御のための各種弁が設置されている。

【0043】

その他、プラズマ加熱装置１００のプラズマ作動ガス系統が必要になる。
本実施例ではプラズマ作動ガスとして空気を用いているので、プラズマ作動ガス用ブロワー４３で空気を吸込み昇圧し、調圧した空気を一旦作動ガスチャンバー４４に溜める。プラズマ作動ガスとして空気以外のガスを使用する場合は、そのガスボンベ等から作動ガスを吸い込み、ブロワー４３で昇圧してプラズマ作動ガスチャンバー４４に溜める。プラズマ作動ガスチャンバー４４から供給されるプラズマ作動ガスは、プラズマ作動ガス配管４５を通りプラズマトーチ１に供給される。プラズマ作動ガス系統においても、図示はしていないが流量制御のための各種弁が設置されている。プラズマトーチ１には、図示はしていないが、プラズマ発生用に高圧電源を供給する設備および供給配線も設置されている。

【0044】

本実施例においては、一次加熱装置３４で常温の空気を約１０００℃まで加熱し、その後、高温空気配管の高温反応炉の手前でプラズマ加熱装置１００を設置して、約１１００℃まで昇温して、高温反応炉３１に高温空気を供給した。その際、プラズマ加熱装置１００には長さ５００ｍｍで内径１００ｍｍのステンレス鋼製のダクト３を取り付けた。ダクト３の内面３－１には耐火物ライニングを施した。

【0045】

プラズマ加熱装置１００には、第１冷却ガス吹き出し口１２を、プラズマトーチ１の周囲に６か所設置した。また、第２冷却ガス吹き出し口１６として、ダクト３の内面３－１に、プラズマトーチ１側のダクト３の端面（プラズマトーチとの接続箇所）からから２００ｍｍ、３００ｍｍ、４００ｍｍの位置で、ダクト３の周方向に６か所設置した。また、試験中のダクト３の内面３－１の温度を測定するため、ダクト３に温度センサー（熱電対）をプラズマトーチ１側から１５０ｍｍ、２５０ｍｍ、３５０ｍｍ、４５０ｍｍの位置に取り付け、ダクト３の内面３－１の温度（想定ダクト内面温度）を伝熱計算により求めた。

【0046】

プラズマ加熱装置１００にて、高温空気配管３６の空気を加熱し、その際のプラズマ加熱装置１００のダクト３の内面３－１の温度を測定した。試験結果を表１に示す。なお、いずれの試験においても、一次加熱装置３４の出口で約１０００℃であり、高温反応炉入口で約１１００℃まで加熱された高温空気が得られた。

【0047】

【表1】

【0048】

レイアウトの制約があるような場所でも、本発明に係るプラズマ加熱装置１００を適用することで、高温空気を加熱することが可能であり、さらに、プラズマ加熱装置１００に第１の冷却ガス１３および第２の冷却ガス１５を吹き出すことにより、ダクト内耐火物表面温度を低下させることができ、ダクト３の内面３－１を保護できることが確認された。

【産業上の利用可能性】

【0049】

本発明は製鉄業や化学産業のみならず、高温気体加熱を伴う全産業において利用することができる。例えば、製鉄設備の高炉では、熱風炉で空気を加熱した高温ガス（高温空気）を製造して、高炉羽口から高炉内に吹き込むことで高炉内の高温還元反応を進めている。この熱風炉から高炉までを接続する熱風管において、高温ガスの温度低下が発生する場合などに、本発明に係るプラズマ加熱装置を適用することができる。また、例えば水素による鉄鉱石の還元反応炉における高温ガス配管や、化学プラントでの高温ガス配管などに適用することができる。

【符号の説明】

【0050】

１００ プラズマ加熱装置
１ プラズマトーチ
２ プラズマジェット
３ ダクト
３－１ ダクトの内面
４ ダクトの中心軸
５ 配管
６ エキスパンション
１１ プラズマジェット噴射口
１２ 第１冷却ガス吹き出し口
１３ 第１の冷却ガス
１４ 冷却ガス層
１５ 第２の冷却ガス
１６ 第２冷却ガス吹き出し口
３１ 高温反応炉
３２ 高温空気用ブロワー
３３ 圧空チャンバー
３４ 一次加熱装置
３５ 送気管
３６ 高温空気配管
３７ 高温空気調整弁
３８ 外部配管
３９ 外部空気調整弁
４０ 冷却ガス配管
４１ 第１冷却ガス配管
４２ 第２冷却ガス配管
４３ プラズマ作動用ガスブロワー
４４ プラズマ作動ガスチャンバー
４５ プラズマ作動ガス供給配管

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】