CN101648200A - 废弃物等离子体弧辅助加热熔融裂解处理方法与装置 - Google Patents

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丁恩振
丁家亮
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Abstract

本发明涉及一种处理废弃物包括危险废弃物的处理方法与装置，更具体地说就是涉及利用等离子体弧和或焦耳热提供的超高温温度场，气化剂与废弃物中有机物作用，产生高热值的富氢气体，经净化后可以用于发电或回收热能；废弃物中无机物熔融产生的玻璃态炉渣，可以水淬后直接用于建材领域；废弃物中金属熔融熔体直接浇注成锭进行回收利用的废弃物等离子体弧辅助加热熔融裂解处理方法与装置。

Description

废弃物等离子体弧辅助加热熔融裂解处理方法与装置
技术领域
本发明涉及一种处理废弃物包括危险废弃物的处理方法与装置，更具体地说就是涉及利用等离子体弧和或焦耳热提供的超高温温度场，气化剂与废弃物中有机物作用，产生高热值的富氢气体，经净化后可以用于发电或回收热能；废弃物中无机物熔融产生的玻璃态炉渣，可以水淬后直接用于建材领域；废弃物中金属熔融熔体直接浇注成锭进行回收利用的废弃物等离子体弧辅助加热熔融裂解处理方法与装置。
背景技术
等离子体弧能够产生一个3000℃至10000℃超高温温度场，在处理废弃物领域，得到了很好的应用。通过等离子体弧的超高温和热容量，有机物分解为可燃小分子气体和化学性质稳定化合物，例如C、CnHm、CO和H2；无机化合物熔融且分解为及极细微的物质，或玻璃化进入熔池，或漂浮于尾气中；金属熔融存入炉底。
巴顿等人的美国专利No.4644877，贝尔等人的美国专利No.4431612，卡尔特等人的美国专利No.5280757，别特勒等人的美国专利No.5284503，这4个***均具有很多缺陷。这些缺陷包括对范围很广的废物进给没有足够的加热、混合和停留时间，以确保产生高质量的、非渗滤性的玻璃体物质。此外炉膛尺寸和进给器的设计也受到很大限制，因为电弧等离子体是其唯一热源，因此炉壁必须相对靠近电弧等离子体。由于对炉膛尺寸的限制，因而在炉壁上常常产生很高的热应力。等离子体弧发生器是水冷金属电极，其寿命短、热效率低也限制了使用。
美国查尔斯等人的中国专利申请ZL96192788.7，中国科学院力学所盛宏至等人的中国专利ZL2003101213420，这2个废弃物等离子体弧处理***中，使用了固定位置的石墨电极作为等离子体弧发生器，而且炉内使用感应加热和电阻加热复合使用，为工程实用带来了光明。但设备复杂，电力消耗太大，启动引弧困难，产生的大量飞灰排出炉体，虽然工程已有使用，但发展仍有局限。
加拿大茨安格瑞斯等人的中国专利申请ZL200480004183.9中，设计了多个等离子体弧炬，其中设置了一个三个自由度的等离子体弧炬。实现了所有输入废弃物全部落入等离子体弧区域，实现废弃物的快速完全熔融裂解。产生的飞灰随同尾气一起在炉内经过倾斜向下的炉顶结构，在引入的添加剂水蒸气喷射下有助于部分飞灰落入熔池。其缺陷是全部采用水冷金属等离子体弧炬，能耗高，效率低，寿命短，飞灰落入熔池量不足。
韩国黄淳谟等人的中国专利申请ZL200480042882.2中，设计了一种倾斜式的水冷金属等离子体弧炬，利用高速喷出的离子化的载流体在反应器内形成旋转气流，从而使气流中携带的飞灰由离心力吸收到反应器内壁或熔池后被熔融。由于其结构决定只能使用非转移弧的水冷金属等离子体弧炬，且又不能直接加热废弃物，只是靠较远距离辐射热来熔融裂解废弃物，这就限制了其正式工业应用。
丁恩振、丁家亮的中国专利申请ZL200710023338.9，通过设置辅助电极解决了石墨电极等离子体弧启弧难的问题，但没有很好地解决飞灰减量排出问题。上述发明普遍存在以下不足之处，第一是全部依靠电力，能耗高，不利于产生的富氢气体发电，因为有时发出的电力不能满足自身使用，即经济性问题常常受到质疑。第二是由于废弃物通常不能直接引入等离子体弧超高温度区域产生的，因为这样的引入引起电弧电极污染和随后电弧的不稳定工作，废料被引入远离电弧的周边下游并间接被炬气体加热，相对缩短了废料的超高温停留时间，导致不完全分解；有的***解决了此问题，却又解决不了炉壁过热等问题。第三是飞灰排出问题，极大地影响了后续尾气净化和发电***的磨损，即使飞灰二次熔融，也会二次消耗浪费能源。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足之处，提供一种废弃物等离子体弧辅助加热熔融裂解处理方法与装置。所述方法与装置包括外部水冷和或气冷并衬有耐火材料的反应器，由等离子体弧和或焦耳加热提供给废弃物辅助熔融裂解温度场，在此足够高的超高温温度场内，在少量氧气或空气、水蒸气等气化剂作用下，有机物裂解为一氧化碳、氢气等小分子气体，无机物熔融形成玻璃化炉渣，金属熔融熔体，并从各自不同的通道排出反应器。利用等离子体弧和或焦耳热提供的超高温温度场，气化剂与废弃物中有机物作用，产生高热值的富氢气体，经净化后可以用于发电或回收热能；废弃物中无机物熔融产生的玻璃态炉渣，可以水淬后直接用于建材领域；废弃物中金属熔融熔体直接浇注成锭进行回收利用。
本发明是以如下技术方案实现的：一种废弃物等离子体弧辅助加热熔融裂解处理方法与装置，其特征是：在外部水冷和或气冷并衬有耐火材料的反应器内，在等离子体弧和或焦耳热存在的基本均匀的超高温区域，将固体和或液体危险废弃物供应至并通过这一高温处理区，选择适量的添加剂和或气化剂与有机废弃物作用，裂解并重整成小分子气体一氧化碳、氢气等尾气；无机物及金属熔融；熔融物质排放反应器体外成为玻璃态炉渣和金属，分别作为资源进行回收；尾气经净化后，可用于能量回收如发电等。
所述方法至少使用一个固定位置辅助加热的阴极等离子体弧电极和至少一个可以移动的阳极电极，为熔融裂解快速或闪速进行提供一个超高温温度场，阳极电极不仅可以变换位置进行成功引弧，还可以进行等离子体弧加热或焦耳加热协助次级处理或炉渣终处理，方便玻璃化炉渣及金属熔体从反应器排出，所有阴极分置反应器的两侧，并且它们互成角度地相对布置可使等离子体弧包围废料落入位置，阳极在启动引弧后，可以移动至恰当位置，将阳极用作等离子体弧加热或将电极***熔池渣层用作焦耳加热。
所述方法包括在反应器内，携带飞灰的尾气，快速旋转，进而使得飞灰借助废气快速循环离心力吸收至反应器内壁或底部的熔融玻璃体中后被再次熔融裂解。
所述的气化剂是氧气或空气、水蒸气等物质一种或多种混合物，同时气化剂可以通过多种形式进行余热至100℃-1100℃。
所述的气化剂包括将蒸汽作为添加剂在反应器尾气出口处进行注射，调节气体出口的速率，方便仍携带有少量的固体飞灰回落到可移动阳极形成的熔池。
所述的等离子体弧载气可以选择氧气、空气、氢气、氩气、氮气和或反应室产出的合成气的一种或多种混合气。
所述的反应室整体倾转，玻璃态炉渣及金属熔体可以从同一或不同通道流出，玻璃态炉渣可以进行水淬处理。
所述的阴阳极电极材料是石墨和或水冷金属。
一种权利要求所述的废弃物等离子体弧辅助加热熔融裂解处理装置，该装置包括：承重在基础座上并可以倾转的主体长方柱形且具有弧形并倾斜炉顶的水冷和或气冷并衬有耐火材料的主体反应器，其上设置有至少两个石墨等离子体弧电极，该反应器包括有弧形且倾斜炉顶、长方体形炉身、有倒角的长方体形炉底和炉体基础座，各个石墨等离子体弧电极与反应器的地底面夹角呈20至70度之间的角度倾斜。
所述的炉顶壳体上，设置有可与气密式给料器相连接的基座、水蒸气加入孔、测量负压的连接法兰和测量炉温的地热电偶***孔、连接监控炉况的水风冷摄像器的基座，以及适于安装红外测温器或摄像监视器的法兰孔，整个炉顶为双层水冷或气冷结构，内衬浇注耐火材料。
所述的炉身壳体上，设置有石墨电极支持升降进给支架，并可靠夹持有电极阴极和阳极，阳极移动台以及配套的传动机构，左旋转中空耳轴，右旋转耳轴，一级气化剂加入孔和二级气化剂加入孔，以及玻璃态炉渣和金属熔体合二为一的水口，炉身为双层水冷或气冷钢壳和耐火材料衬里、挡火墙构成，冷却进出水或气孔。
所述的炉底壳体上，设置有炉底导电且接地中性点电压信号源引出孔，气化剂进出孔和冷却水进出孔，炉底壳体由双层水气冷却钢壳和耐火材料构成。
所述的熔池底部并通过熔池设置一个电压信号获取源，可以得出多个阴极电极包括阳极电极与此处的电压差值，进而依据这个电压差值进行各个电极的进出升降移动调节，以适应反应器内工况变化。
本发明的优点是：该技术利用等离子体弧和或焦耳热提供的超高温温度场，气化剂与废弃物中有机物作用，产生高热值的富氢气体，经净化后可以用于发电或回收热能；废弃物中无机物熔融产生的玻璃态炉渣，可以水淬后直接用于建材领域；废弃物中金属熔融熔体直接浇注成锭进行回收利用。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明：
图1是本发明结构示意图；
图2是图1的后视图；
图3是图1的炉膛俯视图；
图4是图1的炉体中心纵向剖视图；
图5是图1的炉体中心横向剖视图。
具体实施方式
如图1、2、3、4、5所示：该装置包括：承重在基础座上并可以倾转的主体长方柱形且具有弧形并倾斜炉顶的水冷和或气冷并衬有耐火材料的主体反应器，其上设置有至少两个石墨等离子体弧电极，该反应器包括有弧形且倾斜炉顶1、长方体形炉身2、有倒角的长方体形炉底3和炉体基础座4，各个石墨等离子体弧电极与反应器的地底面夹角呈20至70度之间的角度倾斜。
在炉顶1壳体上，设置有可与气密式给料器相连接的基座5，水蒸气加入孔10，测量负压的连接法兰11，测量炉温的地热电偶***孔16，连接监控炉况的水风冷摄像器的基座6，以及适于安装红外测温器或摄像监视器的法兰孔22。整个炉顶为双层水冷或气冷结构，内衬浇注耐火材料。
在炉身2壳体上，设置有三个石墨电极支持升降进给支架8并可靠夹持有电极阴极〔7(-)〕和阳极〔7(+)〕，阳极移动台9以及配套的传动机构18，左旋转中空耳轴19，右旋转耳轴19A，一级气化剂加入孔13和二级气化剂加入孔21，以及玻璃态炉渣和金属熔体合二为一的水口20，炉身为双层水冷或气冷钢壳和耐火材料衬里26、28、挡火墙25构成，冷却进出水或气孔15。
在炉底3壳体上，设置有炉底导电且接地中性点电压信号源〔7(E)〕引出孔，预热或称之为气冷的气化剂进出孔14，和炉底熔池位置强化降温确保延长炉衬侵蚀寿命的冷却水进出孔17，炉底3壳体，也有双层水气冷却钢壳和耐火材料26构成。
图4、5中，尾气出口31中心设置一个水蒸气喷射器27。
从图3、4、5中可以看出，将阳极〔7(+)〕移动靠近阴极〔7(-)〕，引弧成功并形成熔池后，加入废弃物，视熔池的大小调节移动阴阳电极的位置，在保持等离子体弧不断弧的条件下，尽可能的加大阴阳电极之间的距离，目的是扩展等离子体弧区域，方便所有废料按照箭头32指示的方向落入这个超高温温度区域，进行熔融裂解；继续加大给料量，并启动调节一级气化剂加入孔13处的进气阀门，适量加入可预热的气化剂如氧气、富氧空气、空气等一种或多种，接着调节二级气化剂加入孔21处的进气阀门，适量加入可预热的气化剂如可预热的水蒸汽等；气化剂的加入量，要加以控制，使之裂解产生的尾气的C尽可能多的转化为CO，减少残余C的产生，保证产生的富氢气体热值尽可能的高，方便下一步回收尾气中携带的能量，同时尾气在反应器内快速按照箭头29指示的方向旋转，以便将尾气中携带的大量飞灰在离心力作用下留在反应器的内壁上及熔池里，反应器内壁上多余的飞灰聚集后，又可以被气流冲刷落入熔池，进而通过尾气快速旋转，尽可能多的将飞灰留在反应器内。在上述尾气蜗旋中心即挡火墙25的尾气出口31处，又设置了可调节的水蒸汽喷头27，实施对尾气中的残余飞灰实施二次拦截，同时降低尾气的出口流速，延长尾气在反应器的停留时间；通过在炉顶的气化剂加入孔10处喷入的气化剂一方面参与反应，同时又有将尾气中飞灰打压如熔池的辅助作用。箭头30指示的方向是气化剂加入的方向和位置。
废物中的无机物熔融形成熔池，随着电极〔7(+)〕逐渐远离〔7(-)〕，熔池也在不断加大，由于炉底设置中性接地点〔7(E)〕存在，可以分别取得〔7(+)〕/〔7(-)〕与〔7(E)〕电位差U+/U-，根据U+/U-数值与设定的电压值比对，很方便地分别控制阴阳电极的升降进给，进而可以将阳极〔7(+)〕很方便的恰当的转入等离子体弧或焦耳热加热方式，以根据需要完成对炉况的控制。
熔池中的玻璃态炉渣以及金属熔体可以方便的从各自独立地通道或合二为一的水口20，通过反应器倾转而完成浇注过程，而浇注前后均很方便的将水口20堵住，以保证反应器的气密性，浇注时间可以选择恰当时机，保证炉内维持负压操作，使尾气不外泄。简化操作，增加了工程的实用性。
反应器内产生的尾气从出口31处引出，经过气室24，经过气密式中空水冷轴19，与尾气净化***对接。中空水冷轴19的设置，为完成反应器的整体倾转，又同时保证尾气不间断而且***漏，。
上述发明特征可以适应多种用途和条件，比如外观形状，气化剂加入的增减与位置变换，电极的性质与设置数量位置，废弃物加入口在炉壳的位置变化等。

Claims (13)

1、一种废弃物等离子体弧辅助加热熔融裂解处理方法与装置，其特征是：在外部水冷和或气冷并衬有耐火材料的反应器内，在等离子体弧和或焦耳热存在的基本均匀的超高温区域，将固体和或液体危险废弃物供应至并通过这一高温处理区，选择适量的添加剂和或气化剂与有机废弃物作用，裂解并重整成小分子气体一氧化碳、氢气等尾气；无机物及金属熔融；熔融物质排放反应器体外成为玻璃态炉渣和金属，分别作为资源进行回收；尾气经净化后，可用于能量回收如发电等。
2、根据权利要求1所述的一种废弃物等离子体弧辅助加热熔融裂解处理方法与装置，其特征是：所述方法至少使用一个固定位置辅助加热的阴极等离子体弧电极和至少一个可以移动的阳极电极，为熔融裂解快速或闪速进行提供一个超高温温度场，阳极电极不仅可以变换位置进行成功引弧，还可以进行等离子体弧加热或焦耳加热协助次级处理或炉渣终处理，方便玻璃化炉渣及金属熔体从反应器排出，所有阴极分置反应器的两侧，并且它们互成角度地相对布置可使等离子体弧包围废料落入位置，阳极在启动引弧后，可以移动至恰当位置，将阳极用作等离子体弧加热或将电极***熔池渣层用作焦耳加热。
3、根据权利要求1所述的一种废弃物等离子体弧辅助加热熔融裂解处理方法与装置，其特征是：所述方法包括在反应器内，携带飞灰的尾气，快速旋转，进而使得飞灰借助废气快速循环离心力吸收至反应器内壁或底部的熔融玻璃体中后被再次熔融裂解。
4、根据权利要求1所述的一种废弃物等离子体弧辅助加热熔融裂解处理方法与装置，其特征是：所述的气化剂是氧气或空气、水蒸气等物质一种或多种混合物，同时气化剂可以通过多种形式进行预热至100℃-1100℃。
5、根据权利要求3所述的一种废弃物等离子体弧辅助加热熔融裂解处理方法与装置，其特征是：所述的气化剂包括将蒸汽作为添加剂在反应器尾气出口处进行注射，调节气体出口的速率，方便仍携带有少量的固体飞灰回落到可移动阳极形成的熔池。
6、根据权利要求1所述的一种废弃物等离子体弧辅助加热熔融裂解处理方法与装置，其特征是：所述的等离子体弧载气可以选择氧气、空气、氢气、氩气、氮气和或反应室产出的合成气的一种或多种混合气。
7、根据权利要求1所述的一种废弃物等离子体弧辅助加热熔融裂解处理方法与装置，其特征是：所述的反应室整体倾转，玻璃态炉渣及金属熔体可以从同一或不同通道流出，玻璃态炉渣可以进行水淬处理。
8、根据权利要求1所述的一种废弃物等离子体弧辅助加热熔融裂解处理方法与装置，其特征是：所述的阴阳极电极材料是石墨和或水冷金属。
9、一种权利要求所述的废弃物等离子体弧辅助加热熔融裂解处理装置，其特征是：该装置包括，承重在基础座上并可以倾转的主体长方柱形且具有弧形并倾斜炉顶的水冷和或气冷并衬有耐火材料的主体反应器，其上设置有至少两个石墨等离子体弧电极，该反应器包括有弧形且倾斜炉顶(1)、长方体形炉身(2)、有倒角的长方体形炉底(3)和炉体基础座(4)，各个石墨等离子体弧电极与反应器的地底面夹角呈20至70度之间的角度倾斜。
10、根据权利要求9所述的废弃物等离子体弧辅助加热熔融裂解处理装置，其特征是：所述的炉顶(1)壳体上，设置有可与气密式给料器相连接的基座(5)、水蒸气加入孔(10)、测量负压的连接法兰(11)和测量炉温的地热电偶***孔(16)、连接监控炉况的水风冷摄像器的基座(6)，以及适于安装红外测温器或摄像监视器的法兰孔(22)，整个炉顶为双层水冷或气冷结构，内衬浇注耐火材料。
11、根据权利要求9所述的废弃物等离子体弧辅助加热熔融裂解处理装置，其特征是：所述的炉身(2)壳体上，设置有石墨电极支持升降进给支架(8)并可靠夹持有电极阴极〔7(-)〕和阳极〔7(+)〕，阳极移动台(9)以及配套的传动机构(18)，左旋转中空耳轴(19)，右旋转耳轴(19A)，一级气化剂加入孔(13)和二级气化剂加入孔(21)，以及玻璃态炉渣和金属熔体合二为一的水口(20)，炉身为双层水冷或气冷钢壳和耐火材料衬里(26)、(28)、挡火墙(25)构成，冷却进出水或气孔(15)。
12、根据权利要求9所述的废弃物等离子体弧辅助加热熔融裂解处理装置，其特征是：所述的炉底(3)壳体上，设置有炉底导电且接地中性点电压信号源〔7(E)〕引出孔，气化剂进出孔(14)和冷却水进出孔(17)，炉底(3)壳体由双层水气冷却钢壳和耐火材料(26)构成。
13、根据权利要求9所述的废弃物等离子体弧辅助加热熔融裂解处理装置，其特征是：所述的熔池底部并通过熔池设置一个电压信号获取源，可以得出多个阴极电极包括阳极电极与此处的电压差值，进而依据这个电压差值进行各个电极的进出升降移动调节，以适应反应器内工况变化。
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