CN100379693C - 用于玻璃化的采用两种加热方式的熔炉及方法 - Google Patents

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Abstract

用于废物燃烧和玻璃化的方法，其中至少一股氧等离子体流联合通过高频直接感应连续熔炼的设备(4)。熔埚由连续的外壳(1)和底板(2)构成，二者都由在内部通道中循环的液体冷却。感应器置于底板之下。熔埚的底部或侧面上有重力排放阀。

Description

用于玻璃化的采用两种加热方式的熔炉及方法
此处所述发明涉及用于玻璃化的采用两种加热方式的熔炉和方法；并涉及在冷却金属单元中通过燃烧和玻璃化对多种废物的处理。该方法的功能是完全焚烧可燃物并将所处理产物的矿物成分限制在经高温熔炼所制的基质中。所得废物是玻璃(或玻璃-陶瓷体)，其包含限制在其原子结构中的有毒组分。
多年来对于玻璃质的、玻璃陶瓷的或结晶型的基质中各种可燃废物的有毒成分的固定已经进行了大量的研究工作，有毒成分的毒性或者是化学的(包括重金属)或者是放射性的。这些研究经常也有若干优点，例如废物的稳定化处理、经检验并持久的限制基质的制造及废物初始体积的减小等等。
显然，对于一种在单个简单单元中又能燃烧又能玻璃化且仅生成少量二级废物的工业方法的研究在经济上是有利的。
在实验室研究及工业规模上已经探索了若干方法。基本上考虑使用热等离子体法、其使用浸没或不浸没电极的变化形式以及经由直接感应的熔炼法。
对于等离子体处理已经开发了若干过程，但是它们有难以工业应用的缺点。熔埚由难熔材料制得，在与熔融玻璃接触时很快耗损(在复杂的侵蚀性介质中经腐蚀)以及在强的等离子体辐射下也是如此。还要限制这些等离子体熔炉中可燃废物的处理能力以保护由难熔材料制成的衬里。
最常用的等离子体发生气体是氮气和空气。在第一种情形下，产生的等离子体仅用作热源而不作为燃烧成分，这引向有机分子的简单裂化。这使得含大量未燃物、灰、尘以及常常还有氮氧化物的烟气的化学组成及处理非常复杂。用空气作为等离子体发生气体部分地克服了上述的缺点，但是80％的气体随后是无用的却仍要被加热，这意味着气体处理单元过大。
已经试验使用冷却熔埚的等离子体熔化制造来克服难熔物的问题。已提议将铜作为构建熔埚的材料，但是它同样有对腐蚀敏感的缺点，在含氮介质中尤其如此；惰性的不锈钢比铜优选。然而，从熔埚中熔融材料到壁的热传递如此；使熔炼总是很困难，这使得制造充分延伸的熔融液以及清空熔埚都更为困难。
也已知高频直接感应技术用于金属熔埚中的熔炼，金属熔埚的至少某些部分对电磁场是可透过的。用此技术控制熔炼、足够大的玻璃熔融液的生成以及铸造。其已知的应用包括高纯度玻璃和瓷漆的生产，以及高活性放射性废物的玻璃化在法国专利申请FR9102596和FR9609382中有相关的描述。如果将它用于熔炼其上掷有可燃组分的限制基质，这种方法也有缺点。详细地说，待处理废物与熔融材料之间有强的化学相互作用，引起其组成和均匀性的重大改变。例如，当废物含碳或氢或硫时，即使在熔融液中或其上采用空气或氧气鼓风手段，将氧化物基材料还原至金属相实际上也是不可避免的。这个结果改变了限灰基质及该方法的标准电磁操作所需要的特性。就依赖于所处理废物热值的表面燃烧而言，熔融材料的表层温度(由此熔炼)并不总是能够得到保证，并且伴着保持固态的物质的积聚可能发生冷却。注意当熔融材料在低温下不导电时，在冷熔埚中启动直接感应熔炼方法时总是需要特殊的步骤(感受器、金属热还原体等)，这种情形是对玻璃而言。
本发明的目的是通过提供一种混合式方法克服所有这些缺点，该混合式方法能在同一单元中消除燃烧和玻璃化功能之间的相互影响。燃烧功能通过熔融材料表面上的氧等离子体随对氧化气氛的控制实现，而熔炼功能主要是通过熔融材料内的直接感应加热实现。在该方法中这两种功能变得互补。等离子体用于启动熔炼、表面上的完全燃烧、控制氧化气氛、提高生产能力以及使废物在表面上不积聚，而同时直接感应提供冷却设备中材料的均匀熔炼并使得能够铸造。如果必须将表面温度调节适中(为挥发组分的再循环)或者如果所提供的产品不需要燃烧，可将感应加热单独用于特定的操作阶段中。
本发明是一种用于可燃或矿物废物的燃烧-玻璃化的装置和方法，以下称之为熔炉。该熔炉的特征在于采用了两种或联合或独立的加热方式。第一种加热方式是氧热等离子体。产生等离子体的设备在熔融材料表面之上，该熔融材料位于经循环流体冷却的熔埚内。热等离子体可由高频喷枪、吹制电弧喷枪或传递电弧喷枪产生。在下述的优选实施方式中，等离子体为在两个可移动顶置喷枪之间产生的等离子体弧，喷枪覆盖全部或部分熔融材料的表面。
第二种加热方式使用感应器，该感应器用于通过直接感应加热熔埚中所含的物质。熔埚由外壳和底板构成，二者都由循环流体冷却。熔埚两部件的至少一个必须是电磁辐射可穿透的(换句话说如果它由导电材料制成则是具有感应扇区的)，从而能够在它所含的熔融材料中建立感应电流。感应器可以是环绕壳外侧的螺旋线圈或底板下的平板线圈。
将感应器定位于底板之下并且熔埚包含不具有感应扇区的壳。事实证明这样设置是正确的，所述事实是燃烧期间可能在表面上形成导电灰尘，在隔离的扇区之间建立短的回路(能损害扇区的现象)；或形成扰乱电磁场形状的不溶盐层。而且，侧壳上的感应便于加热玻璃熔融液的表面，而底板下的感应便于加热熔埚的底部。在本发明的情形中底部加热是理想的，因为等离子体加热玻璃表面。底板可以是具有感应扇区的金属，但是在优选实施方式中，它是不具有感应扇区的，因为它由绝缘但是是热的良导体的材料制成。在此情形下，由于熔融液下底板的表面不受到等离子体及腐蚀性气体和灰尘的侵蚀，这类难熔材料的耗损较小。与具有感应扇区相反，结构的连续性显然是有利的，因为它最终也形成具有玻璃性质的均匀熔融材料，即易于制造并有更好的耐磨性的性质，这在一定程度上是由于扇区之间没有任何密封。
熔炉内的氧化气氛大体上避免了熔融液中金属相的形成，并能得到均匀的玻璃质熔融材料，有机物充分燃烧，后续处理也更为简单。
现有技术包括文献US5750822，其也披露了借助环绕侧壳的感应线圈和等离子体喷枪的两种加热设备。与本发明不同，这两种加热方式用于促使熔融液中具有不同性质的两相(金属的和玻璃的)的出现和分离，其用两种独立的方法加热和熔融，等离子体指定用于玻璃相，感应指定用于金属相。
已提到的法国专利FR9609382描述了一种置于玻璃化熔炉底板下的感应器，仅用作加热设备。
因此，本发明所述的两种加热方式的结合以及氧等离子(已证实以不同的形式引进氧是不充足的)的使用可以得到单一的无金属相的熔融液以及适于该单一相的非常均匀的加热。
现在将参照图1描述本发明，图1为图解说明而非限制的目的所附，并代表本发明的优选实施方式。
本发明所述的熔炉包括六个主要部件，即壳1、底板2、顶冠3、感应器4、阴极等离子体喷枪5、阳极等离子体喷枪6和排水阀7。
冷熔埚由壳1、底板2和冠顶3构成。壳1包含接近底部的由排水阀7堵塞的排水口8，排水阀7是可调整的并且是经过冷却的。在一个变化形式中，将排水孔8置于底板2上。壳1和底板2都不是有感应区的，这意味着绕它们的整个周边都是连续的；并且底板2由绝缘材料制成，壳1是金属的。也可以使用金属的并具有感应扇区的底板2，由此可透过磁场。
熔埚的顶部由冠顶3、由其加入待熔化材料的孔口9以及加入待处理废物的孔口10构成，冠顶3上装有与阳极等离子体喷枪6配对的阴极等离子体喷枪5。设定燃烧气体经由接近冷却的熔埚1顶部的孔口11流向后续处理。在一个变化形式中，可使孔口11位于冠顶3上。
熔埚的内金属表面可涂以薄的陶瓷型涂层。
在这个实施方式中，感应器4位于底板下并包含至少一个平板线圈。
在所述的实施方式中，熔埚以及特别是壳1和底板2是圆形的，伴有中央感应器4，但它们可以有其它的形状，特别是椭圆形。在此具体实施方式中，感应器4并非必须在等离子体喷枪5和6的正下方，但它随后可能向侧边偏移而对熔炉中的两个区域优先：一个较热，有等离子体喷枪并在氧化气氛中；而另一个具有更为温和的例如更适于挥发组分连续循环的温度。
在此处所述的优选实施方式中，采用具有两个成对的等离子体喷枪的系统生成等离子体；也可以通过单喷枪系统例如单个传递电弧型和氧化电弧型系统生成等离子体。
构造等离子体喷枪5和6以成对操作，在接受适当的电极化后，一个作为阴极，另一个作为阳极。两个喷枪都由冷却的金属电极构成，该冷却的金属电极被第一内套和第二外套包围，第一内套由源等离子体发生气体提供，保护电极不被氧化；第二外套由覆层等离子体发生气体提供。在此情形下，覆层等离子体发生气体是氧气。喷枪安装在球窝接头12和13上，球窝接头穿过冠顶3的壁安装，这使喷枪能够在熔埚内自由移动，这样就能调整它们之间的距离。也可使用任何机械设备例如调节螺钉来改变等离子体喷枪5和6在熔埚中的深度，通过使它们垂直滑动(或接近垂直)从而让它们离熔融材料的表面更近或更远。显然，喷枪5和6这些可能的移动能提供有利的方法调节中间电弧的形状和位置。
电弧由喷枪5和6之间的高压和高频放电引发。之后的维持可以或者通过沿路径15穿过熔融材料循环，或者沿路径14仅在空气中循环。正是喷枪5和6之间的相对几何位置、电弧的电参数以及等离子体发生气流量，能被用于施加这些操作模式之一的影响。如果电弧流穿过熔融材料循环，则对熔炼有强大的贡献；但是当在空气中循环时，等离子体仅用于熔融材料的化学功能。
开动设备时，使喷枪5和6与熔埚中所含的材料足够接近从而能够启动熔炼。一有少量金属熔融并变得可导电，就调节参数迫使电弧流穿过熔融液，这样熔融液就更快地扩展。当可能性取决于所形成的熔融液的尺寸时，将高频电流施于感应器4并可代之以采用直接感应熔炼金属。
然后可以或者共同或者独立地使用两种加热模式，这取决于应用。在玻璃质基质的精炼阶段期间，例如在锻造前，可能不需要等离子体，准确地说似乎有一个时期，其间熔融液上的气氛必须是弱氧化的。通过连续使用两种加热方式，试图防止形成施加氧化还原电位的金属相，该电位会增加待限制组分的挥发。
现在描述本发明优选实施方式所提供的优点：
-用等离子体弧启动，不管待熔化材料的状态(导电或不导电)；
-浸入熔融材料的无电流收集的反电极(无污染和浸没可消耗的材料)；
-操作灵活性，缘于该电弧模式的各种可能性(完全在空气中或部分在材料中循环)；
-等离子体弧的构造比简单的等离子体柱更适于燃烧、更大的等离子体体积、更多的辐射；
-由于到壁的热损失，有机物在冷设备所装玻璃熔融液表面的燃烧-玻璃化的应用被限于很小的熔埚直径。通过加入另一种加热方式，本发明提供了一种形成很大熔融材料液的方法，完全由冷设备制造，同时保持氧等离子体的优点(好的燃烧)及限制挥发的负面影响(等离子体在启动后不再用于熔融，而仅用于燃烧)；
-基于以上同样的原因，也解决了材料的不均匀熔炼及清空熔埚冷壁的问题；
-氧等离子体在熔融材料表面的应用限制甚至消除了该材料与已处理废物的组分之间的相互作用(氧化-还原、夹杂等)；
-该方法的两种功能的独立控制提供了前所未见的操作灵活性，从而通过调整每种加热方式的参数，可以构想混合的燃烧-玻璃化循环或单独的玻璃化循环(对不同性质废物的应用、挥发物的再循环等)；
-“经等离子体燃烧-经感应加热”组合也提供了获得玻璃熔炼的方法，在冷玻璃熔埚中启动而无需使用相关手段(金属热还原体、感受器等)。
仅作为实施例，将简要地描述本发明的一个试验应用：为放射性元素所污染的离子交换树脂(IER)在霞石族(SiO2、Na2O、Al2O3)玻璃上的燃烧-玻璃化。所处理的(IER)是等量的酸性离子交换树脂(amberlite)IRN77与含50质量％水的碱性IRN78(质量组成C＝69％、G＝7％、O＝14％、N＝3％)的混合物。试验装置分批操作：用直径60cm内装50kg烧结玻璃的熔埚供料；并在约25kW等离子体功率和50kW感应电功率的额定条件下运转。在上述条件下所处理的废物平均流量在进料期间大约为10kg/h，表面无废物积聚，废物立即被结合。操作参数和处理能力的这些值不代表本试验装置的最高限。树脂的完全燃烧由氧过量20％获得。
注意到熔炉内没有乳白色的烟，仅生成极少量的一氧化碳并且没有烟灰。所得的玻璃是未还原的并包含几乎所有废物所含的矿物组分。
这种方法是密集型的并简化了处理废物中的步骤，它减少了设备的数目并减小了设备的尺寸，它的许多应用都将是在可燃辐射性废物的处理中。由于灵活性以及少量二级废物的生成，该灵活性由如此使用的加热方式的互补性所提供，本发明对各种B型废物(纤维素、塑料、IER、污泥、沥青、石墨等)的处理无疑是有利的。
通过引伸，可以构想本发明对特殊工业废料的应用。
综上所述，本发明涉及以下技术方案：
1.玻璃化熔炉，包括熔埚(1，2，3)和加热设备，加热设备包括熔埚的上部的至少一个在熔炉内造成氧化气氛的氧等离子体喷枪(5)和熔埚外部的至少一个感应线圈(4)，特征在于感应线圈布置在熔埚之下。
2.方案1所述的玻璃化熔炉，特征在于熔埚包括由难熔材料制成的底板(2)和竖立置于底板(2)上的壳(1)，壳(1)绕其周边具有连续的结构并由金属材料制成。
3.方案1所述的玻璃化熔炉，特征在于加热设备包括第二等离子体喷枪，等离子体喷枪经电极化在相互之间产生电弧，熔埚包括冷却的侧壳。
4.方案3所述的玻璃化熔炉，特征在于喷枪在熔埚中是可移动的。
5.方案4所述的玻璃化熔炉，特征在于喷枪可自由地垂直滑动。
6.方案1至5任一项所述的玻璃化熔炉，特征在于喷枪侧向偏移于感应线圈。
7.采用前述方案任一项所述熔炉的玻璃化方法，特征在于氧化气氛防止在熔炉所装物中形成金属相。
8.方案7所述的玻璃化方法，特征在于它包括专由喷枪加热的启动步骤；并在喷枪和感应线圈的同时加热下连续操作。
9.方案7所述的玻璃化方法，采用方案5所述的熔炉，特征在于使喷枪接近熔炉所容之物以进行连续操作步骤。

Claims (9)

1.玻璃化熔炉，包括熔埚(1，2，3)和加热设备，加热设备包括熔埚的上部的至少一个在熔炉内造成氧化气氛的氧等离子体喷枪(5)和熔埚外部的至少一个感应线圈(4)，特征在于感应线圈布置在熔埚之下。
2.权利要求1所述的玻璃化熔炉，特征在于熔埚包括由难熔材料制成的底板(2)和竖立置于底板(2)上的壳(1)，壳(1)绕其周边具有连续的结构并由金属材料制成。
3.权利要求1所述的玻璃化熔炉，特征在于加热设备包括第二等离子体喷枪，等离子体喷枪经电极化在相互之间产生电弧，熔埚包括冷却的侧壳。
4.权利要求3所述的玻璃化熔炉，特征在于喷枪在熔埚中是可移动的。
5.权利要求4所述的玻璃化熔炉，特征在于喷枪可自由地垂直滑动。
6.权利要求1至5任一项所述的玻璃化熔炉，特征在于喷枪侧向偏移于感应线圈。
7.采用前述权利要求任一项所述熔炉的玻璃化方法，特征在于氧化气氛防止在熔炉所装物中形成金属相。
8.权利要求7所述的玻璃化方法，特征在于它包括专由喷枪加热的启动步骤；并在喷枪和感应线圈的同时加热下连续操作。
9.权利要求7所述的玻璃化方法，采用权利要求5所述的熔炉，特征在于使喷枪接近熔炉所容之物以进行连续操作步骤。
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