JP3626961B2

JP3626961B2 - High frequency induction thermal plasma device

Info

Publication number: JP3626961B2
Application number: JP22751893A
Authority: JP
Inventors: 光一水野; 日出夫大内; 豊信吉田; 友美朝倉; 信行植松; 正和中村; 高伸天野; 久小牧; 祥治平川
Original assignee: Jeol Ltd; Nippon Steel Corp; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; University of Tokyo NUC
Current assignee: Jeol Ltd; Nippon Steel Corp; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; University of Tokyo NUC
Priority date: 1993-09-13
Filing date: 1993-09-13
Publication date: 2005-03-09
Anticipated expiration: 2020-03-09
Also published as: JPH07183096A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、管内に適宜な圧力のガスを供給し、管の外側に配置した誘導コイルに高周波を供給することにより管内にプラズマを発生させるようにした高周波誘導熱プラズマ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１は、例えば特開平３−９０１７２号に開示されている高周波誘導プラズマ装置を用いたフロンなどの有機ハロゲン化合物の分解処理装置を示しており、誘導プラズマトーチ１は、石英等の絶縁性物質で形成された円筒状の管２、ガスリング３および管２の周囲に巻回された誘導コイル４等によって構成されている。ガスリング３には、リング状の溝５が穿たれており、その溝５の外側にはリング状のプレート６が溶接される。リング状のプレート６には、多数の微小孔７が穿たれており、又、溝５は、ガスリング３内部に穿たれた孔８の一端が接続されている。孔８の他端は、ガスリング３の上部において、管９に接続されている。
【０００３】
管９は、途中で分岐しており、一方は第１の容器１１０内部に、他方は、第２の容器１１１内部に導入されている。第１の容器１１０内には、分解されるべきフロン１１３の如き液状の有機ハロゲン化合物１１２が入れられている。第１の容器１１０内の有機ハロゲン化合物の中には、キャリアガス供給管１１３の一端が挿入されている。キャリアガス供給管１１３の他端は、フローコントローラ１１４を介して、アルゴンガス源１１５に接続されている。第２の容器１１１内には、水１１６が入れられており、この水１１６の中には、キャリアガス供給管１１７の一端が挿入されている。キャリアガス供給管１１７の他端は、フローコントローラ１１８を介してアルゴンガス源１１５に接続されている。
【０００４】
管９の途中には、切換バブル１１９が設けられている。切換バルブ１１９は、第１の容器１１０と第２の容器１１１からのガスと、アルゴンガス源１４からのガスとを切換えてガスリング３に穿たれた孔８に導くようにしている。アルゴンガス源１４からのガス流量は、フローコントローラ１２１によって制御される。
【０００５】
プラズマトーチ１を構成する円筒状の管２の下部には開口１２２が設けられており、この開口１２２には排気管１２３が接続されている。排気管１２３は、排気されるガスの中に含まれている粉末物質をトラップするサイクロン１２４に接続されている。サイクロン１２４を通過した排気ガスは、管１２５に導かれるが、管１２５は、内部にアルカリ性水溶液、例えば、水酸化カリウム（ＫＯＨ）１６が入れられた容器１７内に導入されている。容器１７の上部には、内部気体の排出管１２８が設けられており、この排出管１２８は、内部にアルカリ性固体、例えば、酸化カルシウム（ＣａＯ）１２９が入れられた容器１３０の下部につながれている。容器１３０の上部には、内部の酸化カルシウム１２９の間を通過した気体の排出管１３１が設けられている。
【０００６】
このように構成された装置の動作を説明すれば以下の通りである。装置の初期状態においては、管９の途中に設けられた切換バルブ１１９を操作し、アルゴンガス源１４からのアルゴンガスがガスリング３の孔８を介して溝５内に供給されるようにする。溝５へのアルゴンガスの供給により、アルゴンガスは、プレート６に設けられた多数の微小孔７から円筒状の管２内部に噴出される。この状態で、誘導コイル４に高周波を供給し図示外の点火機構により、プラズマＰを着火する。
【０００７】
その後、切換バルブ１１９を切換え、アルゴンガス源１４からのアルゴンガスに代え、第１の容器１１０と第２の容器１１１からのガスがガスリング３の孔８を介して溝５内に供給されるようにする。第１の容器１１０においては、内部の有機ハロゲン化合物溶液１１２中に、アルゴンガス源１１５に接続されているキャリアガス供給管１１３が挿入されており、有機ハロゲン化合物１１２内に開放された管１１３の端部から、フローコントローラ１１４によって適宜な流量にされたアルゴンガスが噴出される。この結果、有機ハロゲン化合物は、アルゴンガスのバブリングにより、蒸気となってガスの中に含まされ、第１の容器１１０内から管９の中に排出される。また、第２の容器１１１においては、内部の水１１６の中にアルゴンガス源１１５に接続されているキャリアガス供給管１１７が挿入されており、水１１６の中に開放された管１１７の端部から、フローコントローラ１１８によって適宜な流量にされたアルゴンガスが噴出される。この結果、水は、アルゴンガスのバブリングにより、蒸気となってガスの中に含まされ、第１の容器１１１内から管９の中に排出される。
【０００８】
管９の途中の分岐部Ｊで有機ハロゲン化合物の蒸気を含んだアルゴンガスと、水蒸気を含んだアルゴンガスは混合され、混合ガスは、ガスリング３の孔８を介して溝５中に導入される。混合ガスは、溝５から、プレート６に設けられた多数の微小孔７を通って管２内に噴き出され、プラズマフレームＰ中に導入される。このとき、プラズマの温度は１万度〜１万５千度になっており、プラズマフレームＰ中に導入された有機ハロゲン化合物及び水は、高温により高い効率で分解して下記に示す化学反応をする。
【０００９】
有機ハロゲン化合物としてトリクロロフルオロメタン（フロン−１１…ＣＣｌ_３Ｆ）をプラズマ中で分解させた場合、水との間で、次の反応が生じる。
ＣＣｌ_３Ｆ＋２Ｈ_２Ｏ＝ＣＯ_２＋３ＨＣｌ＋ＨＦ
分解された分子を含む排出ガスは、管２の底部の開口１２２から排出管１２３を通って、サイクロン１２４内に導かれる。このとき、フロン−１１に比べて水が少ないと過剰の炭素を生じるが、このサイクロン１２４内で、排出ガス中に含まれている炭素等の微粉末はトラップされる。サイクロン１２４を通ったガスは、管１２５から容器１７の内部の水酸化カリウム水溶液１６中に導入される。この溶液１６中に排出ガスを通すことによって、ＨＣｌ，ＨＦ等の酸を含む排出ガスは中和される。中和されたガスは、容器１２６の底部から排出管１２８を通って、容器１３０内部に導入され、容器１３０内部の酸化カルシウム１２９によって脱水される。脱水されたガスは、安定な、環境に影響をほとんど与えない化合物であり、適宜大気中に放出される。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
この様な高周波誘導熱プラズマ装置では、ガスリング３の先端が高温のプラズマに接していることから、先端部が溶融しないにように冷却するため、ガスリング内部に冷却媒体の循環路を設けることが特開平３−８９４９９号に提案されている。冷却媒体の循環路は、通常、ガスリング先端部において構成要素を溶接して形成される。しかしながら、この構造でプラズマを発生させ、フロンを供給して分解させると、高温の腐食性ガスが発生し、この腐食性ガスにより溶接部分が腐食し、この部分に穴が開いて冷却媒体がプラズマ中に流れ込みプラズマを消してしまう問題を発生させる。
【００１１】
本発明は、このような点に鑑みてなされたもので、その目的は、腐食性ガスによるガスリング先端部の腐食を防止することができる高周波誘導熱プラズマ装置を実現するにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明に基づく高周波誘導熱プラズマ装置は、絶縁性物質で形成された管と、管の一端に設けられプラズマガスを管内に供給するためのガスリングと、管の外側に配置された高周波誘導コイルとを備え、管内でガスリングの底面の下方に高周波誘導熱プラズマを発生させるようにした高周波誘導熱プラズマ装置において、ガスリングの先端部分に耐腐食性で熱良導体の物質で形成されたキャップを高周波誘導熱プラズマから見たガスリングの底面全体を覆うように捩子止めし、該キャップ内に冷却媒体を供給するように構成したことを特徴としている。
【００１３】
【作用】
本発明に基づく高周波誘導熱プラズマ装置は、ガスリングの先端部分に耐腐食性で熱良導体の物質で形成されたキャップを高周波誘導熱プラズマから見たガスリングの底面全体を覆うように捩子止めし、該キャップ内に冷却媒体を供給する。
【００１４】
【実施例】
以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。図２は、本発明に基づく高周波誘導熱プラズマ装置を示しており、図１に示した従来の装置と同一ないしは類似要素には同一番号が付されている。この図２において、３０はガスリング３の先端部に設けられたキャップであり、キャップ３０は耐腐食性で誘電率が低い熱良導体材料、例えば金（Ａｕ）やジルコニウム（Ｚｒ）や窒化珪素などで形成されている。またキャップ３０は薄肉構造となっており、その内側の一部Ｓにはネジが切られており、ガスリングのベース部材３１に対してネジ止めされている。キャップ３０とベース部材３１との間は冷却媒体の通路３２となり、通路３２には入口通路３３から冷却媒体が供給され、出口通路３４から媒体が排出される構造となっている。なお、Ｏはオーリングシールである。このような構成の動作を次に説明する。
【００１５】
ガスリング３部分の組み立ては、ベース部材３１に対してキャップ３０を捩じ込むことによって行われる。その後、入口通路３３，通路３２，出口通路３４に冷却媒体を流すと共に、図２では図示していないが、ベース部材３１に設けられた孔を介してリング状の通路Ｂにプラズマガスを流し、誘導コイル４に高周波電力を供給すれば、管２内に高周波誘導プラズマを形成することができる。
【００１６】
さらに、通路Ｂを介して管２内に水蒸気と分解すべきフロンを供給すれば、フロンを分解することができる。この結果、キャップ３０部分は高温のプラズマに晒され、また、管２内に発生した腐食性ガスにも晒されることになる。しかしながら、キャップ３０は冷却媒体によって冷却され、さらに、腐食性ガスによって腐食される溶接部分もないため、長期間使用しても溶融されたり腐食により穴が開いたりすることはない。なお、入口通路３３から通路３２に供給される冷却媒体として、水蒸気やフロンが凝縮しない温度の熱媒体油が使用される。この熱媒体油はプラズマに対してはキャップ３０を冷却する効果があり、ベース部材３１中の孔を介して通路Ｂから管２内に供給される水蒸気に対しては凝縮を防ぐための加熱の役割を有している。
【００１７】
以上本発明の実施例を説明したが、本発明はこの実施例に限定されない。例えば、キャップの材料として金やジルコニウムを用いたが、銅などの熱良導体の表面にジルコニア，白金，金，窒化珪素，ハステロイなどの膜を蒸着した材料あるいは給水率が零の溶射した材料（セラミックスなど）を用いても良い。また、有機ハロゲン化合物の分解用のプラズマ装置について説明したが、他の用途のためのプラズマ装置にも本発明を適用することができる。
【００１８】
又、冷却媒体としては、熱媒体油に限らず、例えば、加熱した水なども使用できる。
【００１９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に基づく高周波誘導熱プラズマ装置は、ガスリングの先端部分に耐腐食性で熱良導体の物質で形成されたキャップを高周波誘導熱プラズマから見たガスリングの底面全体を覆うように捩子止めし、該キャップ内に冷却媒体を供給するように構成したので、ガスリング先端部を高温のプラズマから守ることができると共に、プラズマにより腐食性ガスが発生したとしても、溶接部分がないために腐食される部分がなくなり、長寿命の装置を提供することができる。さらに、先端部が仮に腐蝕された場合でも、容易に先端部のみを交換することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の高周波誘導熱プラズマ装置を用いた有機ハロゲン化合物の分解システムを示す図である。
【図２】本発明に基づく高周波誘導熱プラズマ装置の一実施例におけるガスリング部分の一部詳細を示す図である。
【符号の説明】
２セラミック管
３ガスリング
４誘導コイル
５チャンバー
１１水蒸気ボイラー
１３フロン容器
１５ガスボンベ
３０キャップ
３１ベース部材
３２冷却媒体通路
３３入口通路
３４出口通路[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a high-frequency induction thermal plasma apparatus in which a gas having an appropriate pressure is supplied into a pipe and a high frequency is supplied to an induction coil arranged outside the pipe to generate plasma in the pipe.
[0002]
[Prior art]
FIG. 1 shows an apparatus for decomposing organic halogen compounds such as chlorofluorocarbon using a high frequency induction plasma apparatus disclosed in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 3-90172. An induction plasma torch 1 is an insulating material such as quartz. Are formed by a cylindrical tube 2, a gas ring 3, an induction coil 4 wound around the tube 2, and the like. The gas ring 3 is provided with a ring-shaped groove 5, and a ring-shaped plate 6 is welded to the outside of the groove 5. The ring-shaped plate 6 has a large number of minute holes 7 formed therein, and the groove 5 is connected to one end of a hole 8 formed in the gas ring 3. The other end of the hole 8 is connected to the pipe 9 at the upper part of the gas ring 3.
[0003]
The tube 9 is branched in the middle, and one is introduced into the first container 110 and the other is introduced into the second container 111. In the first container 110, a liquid organic halogen compound 112 such as Freon 113 to be decomposed is placed. One end of a carrier gas supply pipe 113 is inserted into the organic halogen compound in the first container 110. The other end of the carrier gas supply pipe 113 is connected to an argon gas source 115 via a flow controller 114. Water 116 is placed in the second container 111, and one end of a carrier gas supply pipe 117 is inserted into the water 116. The other end of the carrier gas supply pipe 117 is connected to the argon gas source 115 via the flow controller 118.
[0004]
A switching bubble 119 is provided in the middle of the tube 9. The switching valve 119 switches the gas from the first container 110 and the second container 111 and the gas from the argon gas source 14 and guides them to the hole 8 formed in the gas ring 3. The gas flow rate from the argon gas source 14 is controlled by the flow controller 121.
[0005]
An opening 122 is provided in the lower part of the cylindrical tube 2 constituting the plasma torch 1, and an exhaust pipe 123 is connected to the opening 122. The exhaust pipe 123 is connected to a cyclone 124 that traps the powder substance contained in the exhausted gas. The exhaust gas that has passed through the cyclone 124 is guided to a pipe 125, and the pipe 125 is introduced into a container 17 in which an alkaline aqueous solution, for example, potassium hydroxide (KOH) 16 is placed. An upper gas discharge pipe 128 is provided at the upper part of the container 17, and the discharge pipe 128 is connected to the lower part of the container 130 in which an alkaline solid, for example, calcium oxide (CaO) 129 is placed. . At the upper part of the container 130, a gas discharge pipe 131 that passes between the calcium oxides 129 inside is provided.
[0006]
The operation of the apparatus configured as described above will be described as follows. In the initial state of the apparatus, a switching valve 119 provided in the middle of the pipe 9 is operated so that argon gas from the argon gas source 14 is supplied into the groove 5 through the hole 8 of the gas ring 3. . By supplying the argon gas to the groove 5, the argon gas is jetted into the cylindrical tube 2 from the numerous micro holes 7 provided in the plate 6. In this state, a high frequency is supplied to the induction coil 4 and the plasma P is ignited by an ignition mechanism (not shown).
[0007]
Thereafter, the switching valve 119 is switched so that the gas from the first container 110 and the second container 111 is supplied into the groove 5 through the hole 8 of the gas ring 3 instead of the argon gas from the argon gas source 14. Like that. In the first container 110, a carrier gas supply pipe 113 connected to an argon gas source 115 is inserted into the organic halogen compound solution 112 inside, and the pipe 113 opened in the organic halogen compound 112 is inserted. Argon gas having an appropriate flow rate is ejected from the end by the flow controller 114. As a result, the organic halogen compound is vaporized and contained in the gas by bubbling argon gas, and is discharged from the first container 110 into the tube 9. In the second container 111, a carrier gas supply pipe 117 connected to the argon gas source 115 is inserted into the internal water 116, and an end portion of the pipe 117 opened into the water 116. Then, argon gas having an appropriate flow rate is flown out by the flow controller 118. As a result, the water is vaporized and contained in the gas by bubbling with the argon gas, and is discharged from the first container 111 into the tube 9.
[0008]
The argon gas containing the organic halogen compound vapor and the argon gas containing water vapor are mixed in the branch portion J in the middle of the tube 9, and the mixed gas is introduced into the groove 5 through the hole 8 of the gas ring 3. The The mixed gas is ejected from the groove 5 through the numerous micro holes 7 provided in the plate 6 into the tube 2 and introduced into the plasma flame P. At this time, the temperature of the plasma is 10,000 degrees to 15,000 degrees, and the organic halogen compound and water introduced into the plasma flame P are decomposed with high efficiency at a high temperature and undergo the chemical reaction shown below. To do.
[0009]
When trichlorofluoromethane (CFC-11 ... CCl ₃ F) is decomposed as an organic halogen compound in plasma, the following reaction occurs with water.
_{_{_{CCl 3 F + 2H 2 O =}}} CO 2 + 3HCl + HF
The exhaust gas containing the decomposed molecules is guided into the cyclone 124 through the exhaust pipe 123 from the opening 122 at the bottom of the pipe 2. At this time, if there is less water than chlorofluorocarbon-11, excess carbon is generated, but in this cyclone 124, fine powder such as carbon contained in the exhaust gas is trapped. The gas passing through the cyclone 124 is introduced from the pipe 125 into the aqueous potassium hydroxide solution 16 inside the container 17. By passing the exhaust gas through the solution 16, the exhaust gas containing acids such as HCl and HF is neutralized. The neutralized gas is introduced from the bottom of the container 126 through the discharge pipe 128 into the container 130 and dehydrated by the calcium oxide 129 inside the container 130. The dehydrated gas is a stable compound that hardly affects the environment and is appropriately released into the atmosphere.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
In such a high-frequency induction thermal plasma apparatus, since the tip of the gas ring 3 is in contact with the high-temperature plasma, a cooling medium circulation path is provided inside the gas ring in order to cool the tip so as not to melt. Is proposed in Japanese Patent Laid-Open No. 3-89499. The circulation path of the cooling medium is usually formed by welding components at the gas ring tip. However, if plasma is generated with this structure and decomposed by supplying chlorofluorocarbon, high temperature corrosive gas is generated, and this corrosive gas corrodes the welded part, and a hole is formed in this part, and the cooling medium is plasma. The problem of flowing into the plasma and extinguishing the plasma occurs.
[0011]
The present invention has been made in view of these points, and an object of the present invention is to realize a high-frequency induction thermal plasma apparatus that can prevent corrosion of the gas ring front end portion due to corrosive gas.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
A high frequency induction thermal plasma apparatus according to the present invention includes a tube formed of an insulating material, a gas ring provided at one end of the tube for supplying plasma gas into the tube, and a high frequency induction coil disposed outside the tube. A high-frequency induction thermal plasma apparatus that generates high-frequency induction thermal plasma below the bottom surface of the gas ring in the tube, and a cap formed of a corrosion-resistant and heat-conductive material at the tip of the gas ring. It is characterized in that it is screwed so as to cover the entire bottom surface of the gas ring viewed from the high frequency induction thermal plasma , and a cooling medium is supplied into the cap.
[0013]
[Action]
The high frequency induction thermal plasma apparatus according to the present invention is screwed at the tip of the gas ring so as to cover the entire bottom surface of the gas ring as viewed from the high frequency induction thermal plasma with a cap formed of a corrosion-resistant and good thermal conductor material. Then, a cooling medium is supplied into the cap.
[0014]
【Example】
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 2 shows a high-frequency induction thermal plasma apparatus according to the present invention. The same or similar elements as those of the conventional apparatus shown in FIG. In FIG. 2, reference numeral 30 denotes a cap provided at the tip of the gas ring 3, and the cap 30 is a good thermal conductor material having corrosion resistance and low dielectric constant, such as gold (Au), zirconium (Zr), silicon nitride, etc. It is formed with. The cap 30 has a thin-walled structure, and a part S inside thereof is threaded and is screwed to the base member 31 of the gas ring. A cooling medium passage 32 is formed between the cap 30 and the base member 31. The cooling medium is supplied to the passage 32 from the inlet passage 33 and discharged from the outlet passage 34. O is an O-ring seal. The operation of such a configuration will be described next.
[0015]
The assembly of the gas ring 3 part is performed by screwing the cap 30 into the base member 31. Thereafter, a cooling medium is caused to flow through the inlet passage 33, the passage 32, and the outlet passage 34, and although not shown in FIG. 2, a plasma gas is caused to flow into the ring-shaped passage B through a hole provided in the base member 31, If high frequency power is supplied to the induction coil 4, high frequency induction plasma can be formed in the tube 2.
[0016]
Further, if water vapor and chlorofluorocarbon to be decomposed are supplied into the pipe 2 through the passage B, the chlorofluorocarbon can be decomposed. As a result, the cap 30 portion is exposed to high-temperature plasma and is also exposed to corrosive gas generated in the tube 2. However, since the cap 30 is cooled by the cooling medium and there is no welded portion that is corroded by the corrosive gas, the cap 30 is not melted or pierced by corrosion even after long-term use. Note that, as the cooling medium supplied from the inlet passage 33 to the passage 32, heat medium oil having a temperature at which water vapor and chlorofluorocarbon do not condense is used. This heat medium oil has an effect of cooling the cap 30 against the plasma, and is heated to prevent condensation of the water vapor supplied from the passage B into the pipe 2 through the hole in the base member 31. Have a role.
[0017]
Although the embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to this embodiment. For example, gold or zirconium is used as the material of the cap, but a material obtained by vapor-depositing a film of zirconia, platinum, gold, silicon nitride, hastelloy, etc. on the surface of a good thermal conductor such as copper, or a thermally sprayed material with a zero water supply rate (ceramics) Etc.) may be used. Moreover, although the plasma apparatus for decomposition | disassembly of an organic halogen compound was demonstrated, this invention is applicable also to the plasma apparatus for another use.
[0018]
The cooling medium is not limited to heat medium oil, and for example, heated water can be used.
[0019]
【The invention's effect】
As described above, the high-frequency induction thermal plasma apparatus according to the present invention has the entire bottom surface of the gas ring as viewed from the high-frequency induction thermal plasma with a cap formed of a corrosion-resistant material having good thermal conductivity at the tip of the gas ring. Since it is configured to be screwed to cover and supply a cooling medium into the cap, the gas ring tip can be protected from high-temperature plasma, and even if corrosive gas is generated by the plasma, welding is performed. Since there is no part, there is no part to be corroded, and a long-life apparatus can be provided. Furthermore, even if the tip portion is corroded, only the tip portion can be easily replaced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing an organic halogen compound decomposition system using a conventional high-frequency induction thermal plasma apparatus.
FIG. 2 is a diagram showing a part of the details of a gas ring portion in an embodiment of the high-frequency induction thermal plasma apparatus according to the present invention.
[Explanation of symbols]
2 Ceramic tube 3 Gas ring 4 Inductive coil 5 Chamber 11 Steam boiler 13 Freon container 15 Gas cylinder 30 Cap 31 Base member 32 Cooling medium passage 33 Inlet passage 34 Outlet passage

Claims

A tube made of an insulating material, a gas ring for supplying a plasma gas is provided at one end of the tube into the tube, and a high-frequency induction coil arranged on the outside of the tube, the bottom surface of the gas ring in the tube In the high-frequency induction thermal plasma apparatus that generates high-frequency induction thermal plasma below, the bottom of the gas ring as seen from the high-frequency induction thermal plasma on the tip of the gas ring that is made of a corrosion-resistant and heat-conductive material A high frequency induction thermal plasma apparatus characterized in that a screw is screwed so as to cover the whole and a cooling medium is supplied into the cap.