CN100413564C - 有害废物的处理方法及装备 - Google Patents

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Abstract

一种使用等离子炬处理废物处理系统的废气副产物的装置和方法。石墨电极等离子体电弧炉的废气包括必须去除的碳黑或烟灰。等离子炬使用二氧化碳和氧气的混合物作为工作气体，以避免氮氧化物和其它有毒副产物的产生。所述等离子体炬电离工作气体，导致形成一氧化碳和反应性氧，这有助于去除废气中的碳黑/烟灰。所述氧气和蒸汽为雾状，并注入到组成等离子炬系统的室内。过程控制反馈系统监控输出气体的组成以及控制注射器和等离子炬的工作。

Description

有害废物的处理方法及装备
相关申请的交叉参考
本申请要求美国临时专利申请系列号为60/378,357的优先权，该临时申请的提出申请时间为2002年5月8号，在此将其公开内容并入本发明。
技术领域
本发明涉及工业废气处理或有害废物的处理系统。
背景技术
有害废物除作为严重的污染源外，还通过它的毒性、暴燃性、腐蚀性、反应性和传染性影响人类的健康。有害废物通常通过土地处理、焚化和回收进行处理。然而，随着一些不合适的废物处理事件，如垃圾焚化和掩埋中放出的有毒物质(例如来自焚化的二氧芑和来自掩埋的有毒沥出物)开始制造了严重的健康和生态问题，公众的关注已导致增加立法和更严格的环境保护政策。这些政策导致寻求其它有效率的、可靠的和成本有效的替代性处理办法。
基于等离子体电弧的许多方法被提出用于破坏各种形式的有机和无机有害废物，使有害废物转化成易燃的合成气体用于发电，使所有的不可燃材料转化成能进行安全处理的稳定玻璃状。然而，这些方法都被认为没有效率且需要很大的资本和工作成本。
总的来说，两种基本等离子体电弧技术，即等离子炬(转移和非转移模式)和石墨电极等离子体电弧(A.C.或D.C.)系统，被提议产生用于有害废物破坏或转化过程的等离子体电弧。
使用等离子炬的系统的能效通常不如使用石墨电极的系统，因为有更多的能量损失到等离子炬的冷却水中。尤其是当金属等离子炬放置在热的反应器/容器内部并在其中工作时，等离子炬的效率通常小于70％。因而，等离子炬对于气体加热和特殊材料加工或制造过程有效，而对于材料溶解没有实际应用价值和经济价值。此外，空气用作等离子体工作气体时，由于在空气等离子体工作气体中的氮气与在容器/反应器内的氧气和碳氢化合物在高温下反应而产生了氮氧化物(NOx)和氰化氢(HCN)。此外，在容器中产生的蒸汽会冷凝到等离子炬的金属覆盖物的表面。因此，碳黑/烟灰，连同非-游离的有毒材料将沉积和聚集在冷湿的金属覆盖物上，而导致没有彻底破坏有害废物。当等离子炬因维修要从容器中取出时，工人们会因此遭受有毒材料的毒害。
电极的寿命和由等离子炬产生的等离子体电弧的稳定性(性能)也取决于在容器/反应器内部的气氛。所以，等离子炬系统的工作比石墨电极等离子体电弧系统更加复杂。金属等离子炬需要高压冷水用于冷却内部的成分。冷却水的化学和电传导性必须监控和调节，以防止在炬内部的化学腐蚀和矿石沉积。这些都要求必须采用昂贵的辅助装置，因而增加了生产资本和工作成本。
其它系统使用石墨电极等离子体电弧技术。这些系统可以导致石墨电极的严重氧化或在副产物气流中形成过量的细小碳黑/烟灰。开发了A.C.和D.C.石墨电极的组合系统以在槽中同时提供电弧发生和焦耳电阻加热。其它技术使用同心电极系统和带有用于熔融和气化的导电底部的单一顶部D.C.石墨电极。然而，单一顶部D.C.石墨电极系统必须在所有时间保持底部电极的电传导性，特别是当冷的容器/反应器的底部电极为低温时没有电传导性的矿渣层所覆盖时。
已发现在轻微的还原条件下在碳氢化合物的高温裂解过程中，碳黑形成的动力学非常高。因此，碳黑/烟灰总是在还原等离子体电弧的气化过程产生，而且必须在下游的空气污染控制系统之前去除。增加在容器/反应器内部的副产物的停留时间或升高工作温度有助于去除碳黑。然而，如需增加停留时间就需要使用更大的装置或减少加入废物的生产量。因此，提出了一些包括后燃器或热氧化器的系统，以通过作为次级气体处理过程的湍流环境提高反应动力学，从而确保完全燃烧。然而，这些产生用于氧化过程的高热量的方法使用空气和燃料。因此，次级废物流如氮氧化物可以在这种氧化气氛下在这些体系中产生。
获得具有处理来自至少部分具有这些缺点的废物处理系统的废气的系统和方法是有益的。
发明内容
本发明提供了一种用于处理来自废物处理系统的废气的系统，如石墨电极电弧气化系统，该系统在避免氮氧化物和其它污染物的产生的同时，减少了废气中的碳黑。该系统包括使用具有不含氮的工作气体的等离子炬的后燃器，在一个具体实施方案中，不含氮的工作气体为二氧化碳和氧气的混合物。等离子体电弧电离工作气体，因而形成原子化氧，这有助于去除废气中的碳黑。
一方面，本发明提供了用于处理来自废物处理系统的废气的装置。该装置包括具有用于接受废气的输入口和输出口的带有耐火衬里的圆柱室，和位于室内并最接近输入口的供有DC电的等离子炬，炬接受工作气体，而工作气体包括二氧化碳和氧气的混合物。等离子炬加热该室，废气在室内转变成经由输出口喷出的输出气体。
另一方面，本发明提供了一种用于处理来自废物处理系统的废气的方法。该方法包括的步骤有：在带有耐火衬里的圆柱室的输出口接收废气，通过使用位于室内并最接近输入口的供有DC电的等离子炬电离工作气体以加热带有耐火衬里的圆柱室，该工作气体包括二氧化碳和氧气的混合物，从而使废气转变成输出气体，并从圆柱室输出该输出气体。
还有一个方面，本发明提供了一种用于处理有害废物的废物处理系统。该废物处理系统包括初级废物处理阶段(该阶段接收有害废物和产生副产物废气)和连接该初级废物处理阶段和接收废气的次级废物处理阶段。次级废物处理阶段包括具有用于接收废气的输入口和输出口的带有耐火衬里的圆柱室，和位于室内并最接近输入口的供有DC电的等离子炬，炬接受工作气体，该工作气体包括二氧化碳和氧气的混合物。等离子炬加热带有耐火衬里的圆柱室，废气转变成输出气体，从输出口喷射出去。
对本领域技术人员来说，通过阅读本发明具体实施方案的下列描述以及附图，本发明的其它方面和特征会变得更为显然。
附图简述
下面通过举例方式，参考示出了本发明的一个具体实施方案的附图，其中：
图1示出本发明的废物处理系统图；
图2示出废物处理系统的俯视方块图；和
图3示出本发明的气旋氧化室的横截面视图。
在不同图中的相同数字表示类似的部件。
具体实施例
首先参考图1和图2，图1示出了本发明的废物处理系统100的图，而图2示出了废物处理系统100的俯视方块图。系统100包括石墨电极D.C.等离子体电弧气化器/熔化器4和等离子炬旋风氧化器3。废物材料引入融化不可燃材料和分解有机材料的气化器/熔化器4。该气化器/熔化器4产生的废气被引入到旋风氧化器3中。然后，该旋风氧化器3根据本发明处理废气。气化器/熔化器4也可以认为是气化/玻璃化室。
在将有害废物填入石墨电极D.C.电弧的气化器/熔化器4中进行破坏之前，气化器/熔化器4通过气化器/熔化器4中的熔融废料钢预先加热到1500℃以上的温度。气化器/熔化器4具有耐火材料衬里，而且D.C.电弧气化器/熔化器4的侧壁和顶部用水冷却使由于熔融引起的机械腐蚀和化学腐蚀最小化，以延长耐火材料的寿命。耐火系统用于容纳熔体和使气化器/熔化器4的热损失最小。该耐火材料也可以与产生的炉渣和副产物气体化学相容。
如图2所示，两个石墨电极穿过气化器/熔化器4的顶部。电极夹16和17夹住石墨电极，并与D.C.电源2相连。电极夹16连接电源2的负极，而电极17连接正极。电极夹16和17连接电极臂15，作为使电极臂15移动的自动响应电极引导系统的一部分。该自动响应电极引导系统使电极臂15移动以便调节两个石墨电极的相互位置以及相对于在气化器/熔化器4炉膛中的熔化材料的位置。调节石墨电极的相对位置影响电弧的长度。一个密封在顶部的电极用于调节电极，同时防止周围气体进入和副产物气体逃逸出D.C.电弧气化器/熔化器4。
气化器/熔化器4的视见区25允许废料钢均匀进入。由电极夹17夹住的正极掩埋在废料钢中，而由电极夹16夹住的阴极电极位于固体废料钢的上面。然后阴极电极慢慢降低，直到电弧在正极电极和废料钢之间产生。废料钢在超过1500℃的温度下开始熔融形成熔浴。当废料钢在炉膛中完全熔化时，阴极电极然后升高以获得长的电弧长度，而正极电极仍然淹没在熔浴中。
系统100包括用于引入有害固体废料到气化器/熔化器4的加料机械装置。在另外的具体实施方案中，不是直接接收固体有害废物，而是由气化器/熔化器4接收来自主要化学或焚化过程的有毒副产物。主要化学或焚化过程产生有毒副产物，该有毒副产物在气化器/熔化器4中还原成无毒稳定的炉渣。
在本实施具体方案中，加料机械装置包括传送装置20和连接到气化器/熔化器4的气体密闭室22。气体密闭门21隔开传送装置20和气体密闭室22，而水冷气体密闭门24隔开气体密闭室22和气化器/熔化器4。
废物可以通过传输装置20配送，穿过气体密闭门21，到达气体密闭室22。在一批废物分配到气体密闭室22后，气体密闭门21关闭。接着，气体密闭室22通过打开真空控制阀14抽真空，以除去气体密闭室22中的空气。然后，关闭真空控制阀14，打开二氧化碳控制阀13，使气体密闭室22重新填充二氧化碳，以防止在水冷却气体密闭门24开启时副产物脱离D.C.电弧气化器/熔化器4。气体密闭室22包括用于在气体密闭室22内推进废料前进的耐高温液压油缸23。在气体密闭门24完全打开时，液压油缸23推动废物沿着侧壁或顶部的斜道进入D.C.电弧气化器/熔化器4。一旦废物被推进气化器/熔化器4，液压油缸23就缩回到它在气体密闭室22中的原来位置。然后关闭水冷却气体密闭门24，关闭阀门13，以及打开真空阀门14除去在气体密闭室22中的二氧化碳直到气体密闭门21开始打开以再次接收来自传输装置20的废物，从而完成固体废物的加料循环。
对于液体或气体有害废物，废物计量后经由位于侧壁中的可缩回的耐高温雾化喷嘴泵吸到D.C.电弧气化器/熔化器4中的熔浴中。蒸汽用作载体气体，并用于清洗干净液体/气体加料线。
在气化器/熔化器4内部，废物置于极度高温气氛中，电弧在阴极电极16和铁水之间产生。废物中的有机物质分裂成各自的原子形式。由于极度高温条件，二氧芑/呋喃的形成可以完全避免。包含金属和玻璃状物的不可燃性物质熔化，并与铁水混合而在炉膛中产生液体炉渣和金属。炉渣和金属有时通过打开带有钻头的出渣口19从D.C.电弧气化器/熔化器4中去除。热电偶安装在侧壁、顶部和底部中，以控制缘高(freeboard)和耐火材料的温度。如果耐火材料和缘高温度开始下降，则通过增加电流或阴极电压以增加电极功率。在D.C.电弧气化器/熔化器4的内部压力保持在负值，以避免副产物气体通过空气污染控制系统8的排气扇释放到周围空气中。
由气化器/熔化器4产生的气体在旋风氧化器3中处理。旋风氧化器3连接气化器/熔化器4，以便接收由气化器/熔化器4产生的副产物气体。在一个具体实施方案中，在D.C.电弧气化器/熔化器4产生的副产物气体可以包括一氧化碳、氢气、轻的碳氢化合物、碳黑和少量二氧化碳。碳黑/烟灰由于它细小的颗粒尺寸通常在下游的能量回收和空气污染控制系统中出现严重操作问题。此外，碳黑/烟灰可以充当改良有毒有机化合物的成核位置。废气以很高的速度成切线地进入旋风氧化器3，因而在旋风氧化器3内形成气旋条件。在一个具体实施方案中，旋风氧化器3基本水平放置，从上游端到下游端轻微向下倾斜。
下面参考本发明的图3，该图示出旋风氧化器3的横截面视图。竖直的耐火废气管26用于连接D.C.电弧气化器/熔化器4和旋风氧化器3。废气管26将副产物气体成切线地喷入邻近其上游端的旋风氧化器3的底部侧。竖直废气管26使D.C.电弧气化器/熔化器4和旋风氧化器3之间的压力降低最小，以改善废气流向旋风氧化器3的流动。氧化反应的效率通过由旋风氧化器3内的气旋作用剧烈程度引起的副产物气体与注入的雾化氧气和蒸汽之间的强烈内部混合而得以增加。
在另外一个具体实施方案中，旋风氧化器3处理由主要化学反应或焚烧过程产生的废气，在该方案中废气直接配送到旋风氧化器3中。在该种情形下，气化器/熔化器4可以是非必须的。
旋风氧化器3包括位于其上游端的D.C.等离子炬18。等离子炬18预热旋风氧化器到1300℃以上。等离子炬18由D.C.电源1供应能量。在一个具体实施方案中，用于等离子炬18的D.C.电源1独立于用于气化器/熔化器4的D.C.电源2，以便如果气化器/熔化器4的电源2失败，可以确保旋风氧化器3能够继续运行。旋风氧化器3用耐火材料32作衬里，热电偶27、28和29沿着内部耐火材料32那一面安装，用于控制热面温度。如果在热处理过程中温度低于1350℃，等离子炬18或氧气注入的功率就要增加。等离子炬18的操作可以由过程控制器6(见图2)通过反馈回路加以控制。本发明的过程控制器6可以包括适于编程以执行一组用于完成控制步骤和提供控制信号的指示或功能的微控制器。
等离子炬18使用二氧化碳和氧气的混合物作为等离子体工作气体。气体在动态混合器5中初步混合。该动态混合器5根据所需工作条件和等离子气体的要求，响应调节气体混合物的组成和控制气体混合物的流速。在一个具体实施方案中，在气体混合物中的氧体积含量为15％～25％，优选21％。氧传感器包括在动态混合器5中，以便监控气体混合物中的氧含量。使用二氧化碳和氧气作为等离子工作气体避免了氮氧化物和氰化氢的形成。动态混合器5可以接受来自过程控制器6的控制信号。
当气体混合物在温度超过5000℃的等离子体电弧区域被电离时，二氧化碳分离成一氧化碳和非常活泼的原子化氧。活泼的原子化氧和在旋风氧化器3内增加的湍流环境结合使用，在副产物气体中的碳黑/烟灰和易变的有毒材料可以有效转变和破坏。在副产物气体中的微粒熔化并且可以通过由旋风氧化器3的气旋作用产生的离心力形成保留在侧壁上的熔化层。熔化材料向下流到更下流侧的底部，该底部装配有连接在容器34的管口33，以接收熔化材料。然后，该熔化材料在容器34内固化和去除，并返回到使炉渣形成玻璃状物质的D.C.电弧气化器/熔化器4中。
氧气和蒸汽经计量后穿过控制阀10和11注入到旋风氧化器3中作为氧化剂。气体通过耐高温雾化喷嘴30和31喷成雾状。过程控制器6包括在线废气监控传感器，用于分析副产物气体组成：一氧化碳、氢气、碳氢化合物和二氧化碳。过程控制器6可以从分析的数据迅速将过程控制信号送到控制阀10和11，以控制氧气和蒸汽的注入。对于低热值废物，旋风氧化器3通过增加氧气和或蒸汽的注入量直到轻的碳氢化合物和一氧化碳的总浓度低于20ppm而将副产物气体完全转化成水和二氧化碳以产生干净废气排到大气中。对于高热值废物，最终副产物气体可以是用于发电的高质量易燃合成气体。在二氧化碳的浓度高于3％时，蒸汽和/或氧气的注入减少。而当二氧化碳的浓度低于1％时，氧气和蒸汽的注入增加。
再次参考图1，从旋风氧化器3产生的副产物气体中的焓可以通过热交换器7回收，以产生用于改善总工艺效率的热水或蒸汽。该蒸汽循环到液体/气体废物加料系统中作为载体气体以及应用到旋风氧化器3中作为氧化剂。在最终产物气体被储存为主要含有氢气和一氧化碳的易燃合成气体之前或者最终产物气体在压缩器9中压缩产生液化二氧化碳之前，通过空气污染控制系统8处理冷却气体。
本发明可以体现为其它没有背离本发明的本质和基本特性的特定形式。本发明的某些进一步的应用和改进对本领域技术人员来说将是显而易见的。所以，上述讨论的具体实施方案是解释性的，而非限制性的。本发明的范围由所附权利要求书而不是由前面的描述界定。因此落入权利要求的含义范围和其等价范围内的所有改变都包含在本发明中。

Claims (29)

1. 一种用于处理来自废物处理系统的废气的装置，包括：
(a)具有用于接收废气的输入口和输出口的带有耐火衬里的圆柱室；和
(b)位于所述室内最接近输入口的供有DC电的等离子炬，所述炬接收工作气体，所述工作气体包括二氧化碳和氧气的混合物且不包括氮气；
其中所述的等离子炬加热所述室，由此将废气转变成输出气体，输出气体经由所述输出口喷出，
还包括：
连接所述等离子炬并且提供所述工作气体的动态混合器，所述混合器接收氧气供给和二氧化碳气体供给。
2. 如权利要求1所述的装置，其中所述二氧化碳和氧气的混合物包括15～25％体积的氧气。
3. 如权利要求1所述的装置，还包括与所述室连通的用于注入雾化氧气的氧气注射器和与所述室连通的用于注入雾化蒸汽的蒸汽注射器。
4. 如权利要求3所述的装置，其中所述氧气注射器和所述蒸汽注射器包括与所述室流体连接的耐热雾化喷嘴。
5. 如权利要求3所述的装置，还包括连接所述输出口的用于分析所述输出气体组成的传感器，和连接所述传感器用于接收来自所述传感器的数据以及连接所述注射器用于控制氧及蒸汽注入的过程控制器。
6. 如权利要求5所述的装置，其中所述混合器响应来自所述过程控制器的控制信号而混合所述气体供给。
7. 如权利要求1所述的装置，其中所述等离子炬包括在大于5000℃的温度下工作的等离子体区域。
8. 如权利要求1所述的装置，还包括在所述室内的温度传感器，并且其中在所述室内的温度保持在大于1300℃。
9. 如权利要求1所述的装置，其中所述室水平放置并且其中所述室包括上游端，下游端和其间的侧壁。
10. 如权利要求9所述的装置，其中所述等离子炬穿透所述上游端，所述输入口包括进口管，所述进口管成切线地穿过所述侧壁并且最接近所述上游端。
11. 如权利要求1所述的装置，其中所述工作气体基本由二氧化碳和氧气组成。
12. 如权利要求1所述的装置，其中所述工作气体由二氧化碳和氧气组成。
13. 一种用于处理来自废物处理系统的废气的方法，包括如下步骤：
(a)在带有耐火衬里的圆柱室的输入口接收废气；
(b)通过使用位于所述室内最接近输入口的供应DC电的等离子炬电离工作气体加热所述室，所述工作气体包括二氧化碳和氧气的混合物且不包括氮气，从而将所述废气转化成输出气体；和
(c)从所述室输出该输出气体。
14. 如权利要求13所述的方法，其中二氧化碳和氧气的所述混合物包括15～25％体积的氧气。
15. 如权利要求13所述的方法，还包括将雾化氧气和雾化蒸汽注入所述室的步骤。
16. 如权利要求15所述的方法，还包括分析所述输出气体组成的步骤以及基于所述分析步骤控制氧气和蒸汽注入的步骤。
17. 如权利要求16所述的方法，还包括在动态混合器内混合氧气供给和二氧化碳气体供给以制备所述的工作气体的步骤。
18. 如权利要求13所述的方法，其中所述电离步骤在工作温度大于5000℃的等离子体区域进行。
19. 如权利要求13所述的方法，还包括测定所述室内的温度的步骤，其中所述温度保持在大于1300℃。
20. 如权利要求13所述的方法，其中所述工作气体基本由二氧化碳和氧气组成。
21. 如权利要求13所述的方法，其中所述工作气体由二氧化碳和氧气组成。
22. 一种用于处理有害废物的废物处理系统，包括：
(a)初级废物处理阶段，所述初级废物处理阶段接收有害废物并产生副产物废气；
(b)连接所述初级废物处理阶段并接收所述废气的次级废物处理阶段，所述次级废物处理阶段包括：
(i)具有用于成切线地接收所述废气的输入口和输出口的带有耐火衬里的圆柱室；和
(ii)位于所述室内最接近输入口的供有DC电的等离子炬，所述炬接收工作气体，所述工作气体包括二氧化碳与氧气的混合物且不包括氮气；
其中所述等离子炬加热所述室，从而将所述废气在室内转化成输出气体，输出气体经由所述输出口喷出。
23. 如权利要求22所述的废物处理系统，其中所述二氧化碳与氧气的混合物包括15～25％体积的氧气。
24. 如权利要求22所述的废物处理系统，其中所述初级废物处理阶段包括气化/玻璃化室和穿过气体密闭门连接到所述气化/玻璃化室的传输系统，所述传输系统将固体有害废物加入到所述的气化/玻璃化室。
25. 如权利要求22所述的废物处理系统，其中所述初级废物处理系统包括气化/玻璃化室和连接到所述气化/玻璃化室的进口管，所述进口管加入液体或气体有害废物到所述的气化/玻璃化室。
26. 如权利要求22所述的废物处理系统，其中所述初级废物处理阶段包括石墨电极等离子体电弧气化器/熔化器。
27. 如权利要求26所述的废物处理系统，其中所述石墨电极等离子体电弧气化器/熔化器包括间隔地放置的一对石墨电极，每个石墨电极都通过连接于可移动电极臂的对应的电极夹夹住，其中所述电极臂是可操作的以便调节所述间隔地放置的石墨电极对之间的相对距离或所述电极与在所述石墨电极等离子体电弧气化器/熔化器内的熔化材料之间的相对距离，由此调节电弧的长度。
28. 如权利要求22所述的废物处理系统，其中所述工作气体基本由二氧化碳和氧气组成。
29. 如权利要求22所述的废物处理系统，其中所述工作气体由二氧化碳和氧气组成。
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