CN1233478C - 采用等离子体电弧技术处理废物的方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用等离子体电弧技术处理危险废物的方法，包括：(1)将待处理的固体废物进行前处理工序，和通过输料***间歇或连续加入等离子体电弧炉内；(2)在等离子体电弧炉内进行裂解处理，其中裂解处理的工作气体为还原性气体或其它气体，工作气体内的氧含量与废物完全反应的需氧量之比小于0.3，裂解处理温度为1200K-3500K；(3)从等离子体电弧炉裂解后排出的气体进入尾气处理***，经过常规尾气急冷降温、净化、酸性气体处理、颗粒物分离处理工艺；(4)将步骤(3)分离的颗粒物和气体分别回收。本发明还包括相应的装置，是采用等离子体电弧炉。本发明投资省、成本低，消耗的工作气体少，产生的尾气少，可以处理不适合于焚烧法处理的各种废物。
Description
技术领域
本发明涉及废物处理领域，更具体地说，本发明涉及采用等离子体电弧技术处理废物的方法及其装置。
背景技术
危险废物的处理已成为一个重要的环保议题，社会各界十分关注无害化的处理方法。传统的堆埋和堆放办法不仅占用大量土地而且往往因处理不当造成隐患。对于那些不能生物降解的危险废物更是造成环境问题。采用焚烧方法会产生二噁英类等有害物质，成为新的污染源。
等离子体技术处理危险废物克服了传统填埋、焚烧法的缺点，具有高效、环保的优点。还可以销毁化学武器毒剂和其它污染材料，修复污染的土壤等。目前国内外已有一些等离子体处理废弃物的专利技术。
国外的专利技术有：美国星科(Startech)环境公司发展的直流等离子体专利技术，可以处理包括化学武器在内的多种废物，但技术复杂，设备成本昂贵。卡尔特(美国专利5280757)用电弧等离子体气化城市固体废物；巴顿(美国专利4644877)和贝尔(美国专利4431612)用电弧等离子体破坏多氯联苯(PCBs)等，但均存在电极更换成本较高的问题。
在中国申请的专利有：德国格里马(中国专利89105527.4)专利采用水蒸汽等离子体气氛和直流等离子体技术，澳大利亚联邦科学和工业研究组织(中国专利93103682.8)采用惰性气体等离子体气氛和直流等离子体技术，但反应仅在陶瓷管内进行，反应空间小，给工业化带来困难。浙江巨圣氟化学有限公司(中国专利00128708.7)采用直流等离子体处理有机卤化物，但不适合处理医疗废物：王忠义、黄少青(中国专利01206033.X)采用直流等离子体辅助焚烧处理医疗废物。
而且，在上述引用的专利中，所用的等离子体技术一般是指采用等离子体矩。等离子体矩(也称等离子体发生器、电弧气体加热器、等离子体枪、等离子体束等)是指采用大量工作气体通过电弧区，利用电弧的能量加热气体，形成高温等离子体射流。等离子体炬的工作气体可以是氧化性气体、惰性气体或还原性气体。如果采用氧化性气体，会与焚烧法产生同样的尾气问题。如果采用惰性或还原性气体，但在等离子体处理后还使用后续焚烧，也会存在与焚烧法同样的问题。如果采用惰性或还原性气体等离子体炬，不采用后续焚烧，但由于在形成离子体矩时，需要大量工作气体，尾气量依然比较大，对尾气处理的要求仍然比较高。因此希望提出一种投资节省、运行成本低、运行稳定操作简单、适于处置各种形态(固态、半固态、液态、气态)的废弃物，作到零排放的装置和技术方法。
本申请人在中国专利ZL96119824.9中公开了一种交流等离子体电弧炉，在此引入与前述专利一并作为参考。
在等离子体电弧炉的运行过程中，电极会有损耗，经常需要对电极进行重新定位并重新起弧。但是在进行废物处理时，特别是在处理危险废物时，等离子体电弧炉一般要封闭运行。因此就需要有一种能够对等离子体电弧炉的电极进行定位并辅助起弧的装置。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术处理废物时的缺点和不足，采用等离子体电弧技术在还原气氛下来实现废物的处理，从而提供一种采用等离子体电弧技术处理废物的方法及其装置
本发明的采用等离子体电弧技术处理危险废物的方法，包括按以下步骤顺序进行：
(1)将待处理的固体废物进行前处理工序，和通过输料***间歇或连续加入等离子体电弧炉内；
(2)在等离子体电弧炉内进行裂解处理，其中裂解处理的工作气体为还原性气体或其它气体，工作气体内的氧含量与废物完全反应的需氧量之比小于0.3，裂解处理温度为1200K-3500K；
(3)从等离子体电弧炉裂解后排出的气体进入尾气处理***，经过常规尾气急冷降温、净化、酸性气体处理、颗粒物分离处理工艺；
(4)将步骤(3)分离的颗粒物和气体分别回收。
所述前处理工序包括对待处理的固体废物进行常规破碎和/或气化工艺。
所述其它气体包括：惰性气体或水蒸气。
所述等离子体电弧炉采用交流或直流电源。
还包括在步骤(3)中气体进入尾气处理***时，加入用于中和尾气中酸性物质的碱性物质，该碱性物质包括：氧化钙、氢氧化钠或氢氧化钾。
还包括在步骤(2)中添加用于生成玻璃体的金属氧化物、硅化合物、钙化合物及铁到等离子体电弧炉内，其添加重量份为：硅化合物20～40份，钙钠化合物30～50份，铁和金属氧化物20～40份。
所述的硅化合物为二氧化硅。
所述的钙化合物为碳酸钙。
所述的钠化合物为碳酸钠。
所述的铁和金属氧化物包括：三氧化二铁、四氧化三铁、金属铁片、铝块或片。
本发明还提供一种专用等离子体电弧炉，包括一炉体，该炉体内侧设有耐火材料及隔热材料衬，炉体上设有入料口、气体排放口和废料排出口；炉体顶部设有工作气体进口；炉体底部设有坩埚；至少两个与电源连接的电极斜插在炉体顶部；还包括一个用于对所述至少两个的电极进行电极定位和辅助起弧的起弧定位装置。
所述起弧定位装置包括定位杆和用于驱动电极的步进电机，所述定位杆插设于炉体上的开孔内，并可沿该开孔径向移动，所述定位杆在电极定位和辅助起弧时与电极接触，并在起弧后远离电极。所述定位杆上设有传感器。
炉膛的底部设有坩埚，在坩埚和炉内壁之间设有隔热屏。
所述与电极连接的电源为交流电源或直流电源。
本发明采用等离子体电弧技术，其能量密度高，工作温度可在1200K-3500K下运行。有机物可分解为碳、氢等单质结构，金属矿或气态金属再凝聚后进行收集，硅酸盐变成无害玻璃状结构。本发明不仅可处理处置各种普通废物和危险废物，还可以生成可再利用的副产品，如：碳黑、金属、可燃气、玻璃状硅石等。产生尾气量仅为燃烧法的5-10％，有机物处理后容积可大幅度减少，最高可达99.7％。处理废物的电耗约0.6-1.3kW-h/kg，具有投资省、成本低等特点。对于焚烧法不适宜处理的废塑料、动物尸体、医院废物、石棉废料、废电池、废电子线路板、废显示屏等各类废弃物，均可采用本套设备处理处置。
通过本发明的起弧定位装置，可以提高等离子体电弧炉的定位准确性并辅助电极间的电弧产生，因此提高了等离子体弧的工作性能。
附图说明
图1是本发明的采用等离子体处理废物的方法的工艺流程图；
图2a是本发明的炉顶进料布置的等离子体电弧炉的结构示意图；
图2b是本发明的炉侧进料布置的等离子体电弧炉的结构示意图；
图3是图2所示的等离子体电弧炉进行电极定位和辅助起弧的示意图。
具体实施方式
实施例1：参照图1和具体实施例对本发明的方法作进一步详细描述
应用本发明的方法处理有毒有害的固体危险废物，其步骤按以下顺序进行：
当待处理的废物为有毒有害的危险废物时，前处理过程应该在一个密封体系进行，该密封体系内保持微负压，其内的气体抽到等离子体电弧炉或燃烧器内加热消毒。
(1)将待处理的有毒有害固体废物进行粉碎处理，将其粉碎成适合于等离子体电弧炉处理的形态，然后再通过输料***间歇或连续将不同形态的废物分别或同时输送到本发明的等离子体电弧炉内；采用本发明的等离子体电弧炉，它在运行时产生的是等离子体电弧，而现有技术中在处理废物时使用的等离子炉产生的一般是等离子体矩。其中还可包括将废物中可气化的固体与液体废物气化后通入炉内；该气化***采用电加热或利用***尾气加热即可；
(2)在等离子体电弧炉内进行裂解处理，其中裂解处理的工作气体为氢气。在本发明中，等离子体电弧炉内的工作气体可以采用还原气体(如氢)形成还原气氛，也可以采用惰性气体(如氩、氮等)，或采用水蒸汽，在废物中碳氧化的情况下形成还原气氛，保证被处理物高温裂解；如果工作气体中含氧，则保证氧含量与废物完全化学反应的需氧量之比小于0.3。在还原气氛下，裂解处理温度为1200K-3500K范围内均可，物料在等离子体电弧炉中在1200K-3S00K下彻底裂解，其中有机物快速完全裂解为气体，无机物在石墨坩埚内熔炼成玻璃体和金属，作到无害化。对于自身难以生成玻璃体的含重金属等有害元素的废物，特别对于含砷的毒剂，通过在炉内添加二氧化硅20～40份，碳酸钙30～50份，碳酸钠化合物30～50份，三氧化二铁或铁块20～40份，均以重量份计算。含硅、钙、钠、金属铁及金属氧化物可以生成玻璃体，将砷等有害元素固定在玻璃体内，不会浸出，部分还原成单质，不会形成三氧化二砷(砒霜)以及三氢化砷。
裂解残渣及金属由熔渣及金属排放口排出用于再利用。裂解产生的尾气由气体排放口进入尾气冷却及净化***，得到可燃气。应当注意，在本发明中是采用的等离子体弧技术，电弧在炉内的电极端部之间形成。相比于现有技术中采用的等离子体矩技术，本发明所消耗的工作气体量大大的降低了，因此在实处理过程中产生的尾气量也比现有技术少。
(3)从等离子体电弧炉裂解产生的尾气由气体排放口进入尾气处理***，经过常规尾气急冷降温、净化、酸性气体处理、颗粒物分离处理工艺，得到可燃气。这里的尾气一般包含下列气体的一种或几种：氢、一氧化碳、甲烷、二氧化碳。气体中还包含裂解的碳黑(纳米级碳烟)。
如图1所示，从等离子体电弧炉排出的尾气首先经过水***进行换热降温和急冷，以保证其中所包含的砷单质可以结晶，而不会合成三氢化砷，含氯气体也不会合成多氯代二苯并二噁英与多氯代二苯并呋喃(简称二噁英类)。用碱性中和剂对尾气中的含氯、氟、硫等元素的酸性气体进行中和，然后，将其中的固体物分离回收。气体中的微小固态颗粒，如碳黑、砷微晶粒等由布袋集尘器收集。分离后剩余的气体一般为可燃气，可回收利用，或者进入内燃发动机内燃烧发电。
在采用本发明的一个应用实例中，将含有塑料、棉纱等医疗垃圾和模拟肢体的肉加入等离子体电弧炉内，采用氢等离子体作为工作气体，炉内高温气体携带的大量能量快速裂解废弃物，产生碳、富氢气体等。对排出的气体进行监测，排放的尾气经检测，二氧化硫3.0mg/Nm3，氮氧化物30-90mg/Nm3，粉尘0.38-0.69mg/Nm3，达到国家有关标准。试验后开炉观察，有机类物质全部气化，医疗废物体积大幅度减少至原体积的2％以下。
在本发明的另一个应用实例中，对含砷化学试剂进行裂解处理试验，处理能力达到每小时40kg，电耗约1.0～1.2kw-h/kg。试验表明，超过70％的砷被固化在玻璃体内。
本发明所述的方法及装置，对原料的成分没有严格要求，能够处理城市固体废物、医疗废物、电子工业废物、化学试剂、低放射性废物以及其它危险废物。
实现上述工艺过程的***可放置在密封装置内，在微负压(-10mm H2O)下运行，没有气体泄漏。本发明所述的方法及等离子体电弧炉，能连续24小时持续运行或间断运行，可根据要求自行选择。
实施例2
参照图2和3制备一等离子体电弧炉，如图2a所示的结构。上炉体1和下炉体3为钢制外壳，它们的内侧设有耐火材料及隔热材料衬2，下炉体3的底部设有坩埚4。在坩埚4与炉内壁之间加有隔热屏15。
炉的顶部相对插设有三个与电源(未示出)接通的电极6(剖面图仅表示二个电极)。在实际应用时，可根据电源类型对称安装多于两个的电极，电极与炉轴心线形成的夹角角度在0到90度之间，等离子体电弧炉可以根据需要采用直流电源运行(电压40-500V)，或者采用交流工频电源(频率50-60Hz，电压40-350V)，电源带有饱和电抗器。交流电源可以为单相或三相供电，也可以是三个单相供电。本实施例为三相工频供电。电极6可以是石墨或高温金属制成的热电极，也可以是无氧铜等金属制造的水冷电极，本实施例为石墨电极。等离子体通过炉内的电极端部间的放电形成，不依赖炉料的导电特性。
在图2中，工作气体出炉顶的中心口8内的通道进入，由电极端部间的电弧电离为等离子气体。经前处理的废物(固体和气体)从位于上炉体1或下炉体3的入料口7进入炉内，经与等离子体气体接触，在高温下裂解。裂解后产生的气体从气体排放口9排出，其中的无机物在石墨坩埚内形成金属层和熔渣层5沉积在坩埚4内，再从坩埚4底部的熔渣及金属排放口10排出。排放口10内设有堵塞装置11。等离子体电弧炉可在运行中从排放口10定期排出金属和熔渣，可从中收集金属和玻璃体。图2a中，入料口7和气体排放口9布置在炉顶，在实际应用时，它们也可以布置在炉侧，如图2b所示。等离子体电弧炉的工作温度保持在1200K-3500K。
等离子体电弧炉采用水冷却，如图2所示，冷却水由进口13进入炉体，由出口14排出，通过该降温措施，使炉体表面温度不高于环境温度50℃。
为使电极6能够在起弧之前在炉体内准确定位，并保证炉体内的电极6端部顺利起弧，本发明提供了一种起弧定位装置。如图2和图3所示，该起弧定位装置包括定位杆16和传感器(未示出)。定位杆16可以由电机(未示出)控制沿中心口8上下移动。在等离子电弧炉启动前，定位杆16下降，步进电机12将电极6向炉体内输送，直至电极6与定位杆16接触(如图3所示)，完成电极的定位，并由传感器给出完成定位的信号。等离子电弧炉启动后，最初的电弧在电极6与定位杆16之间形成，然后，将定位杆16在电机的控制下提升，随着定位杆16的上升，电弧逐渐转移到电极6之间。
Claims (12)
1、一种采用等离子体电弧技术处理危险废物的方法，其特征在于，包括按以下步骤顺序进行：
(1)将待处理的固体废物进行前处理工序，和通过输料***间歇或连续加入等离子体电弧炉内；
(2)在等离子体电弧炉内进行裂解处理，其中裂解处理的工作气体为还原性气体或其它气体，工作气体内的氧含量与废物完全反应的需氧量之比小于0.3，裂解处理温度为1200K-3500K；
(3)从等离子体电弧炉裂解后排出的气体进入尾气处理***，经过常规尾气急冷降温、净化、酸性气体处理、颗粒物分离处理工艺；
(4)将步骤(3)分离的颗粒物和气体分别回收。
2、根据权利要求1所述的采用等离子体电弧技术处理危险废物的方法，其特征在于，所述前处理工序包括对待处理的固体废物进行常规破碎和/或气化工艺。
3、根据权利要求1所述的采用等离子体电弧技术处理危险废物的方法，其特征在于，所述其它气体包括：惰性气体或水蒸气。
4、根据权利要求1所述的采用等离子体电弧技术处理危险废物的方法，其特征在于，还包括在步骤(3)中气体进入尾气处理***时，加入用于中和尾气中酸性物质的碱性物质，该碱性物质包括：氧化钙、氢氧化钠或氢氧化钾。
5、根据权利要求1所述的采用等离子体电弧技术处理危险废物的方法，其特征在于，还包括在步骤(2)中添加用于生成玻璃体的硅化合物、钙化合物、钠化合物、铁和金属氧化物到等离子体电弧炉内，其重量份为：硅化合物20～40份，钙钠化合物30～50份，铁和金属氧化物20～40份。
6、根据权利要求5所述的采用等离子体电弧技术处理危险废物的方法，其特征在于，所述的硅化合物为二氧化硅；所述的钙化合物为碳酸钙；所述的钠化合物为碳酸钠；所述的铁和金属氧化物包括：三氧化二铁、四氧化三铁、金属铁块、铝块或铝片。
7、一种权利要求1所述方法的专用等离子体电弧炉，包括一炉体，该炉体内侧设有耐火材料、隔热材料衬及冷却水套，炉体上设有入料口、气体排放口和废料排出口；炉体顶部设有工作气体进口；炉体底部设有坩埚；至少两个与电源连接的电极斜插在炉体顶部；其特征在于，还包括一个用于对所述至少两个的电极进行电极定位和辅助起弧的起弧定位装置。
8、根据权利要求7所述的等离子体电弧炉，其特征在于，所述起弧定位装置包括定位杆和用于驱动电极的步进电机，所述定位杆插设于炉体上的开孔内，并可沿该开孔径向移动，所述定位杆在电极定位和辅助起弧时与电极接触，并在起弧后远离电极。
9、根据权利要求8所述的等离子体电弧炉，其特征在于，所述定位杆上设有传感器。
10、根据权利要求7所述的等离子体电弧炉，其特征在于，炉膛的底部设有坩埚，在坩埚和炉内壁之间设有隔热屏。
11、根据权利要求7所述的等离子体电弧炉，其特征在于，所述与电极连接的电源为交流电源或直流电源。
12、根据权利要求1所述的采用等离子体电弧技术处理危险废物的方法，其特征在于，所述等离子体电弧炉采用交流或直流电源。
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