CN101695704B - 热等离子体处置固体废弃物的装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种热等离子体处置固体废弃物的装置与方法，包括有等离子体熔融热解炉、热等离子体发生装置、工作气体制备供应装置、进料装置、熔渣排放及金属熔液排放装置、尾气净化处理系统以及相应的测量控制系统。本发明能将各种固体废弃物中的有毒有害有机成分彻底摧毁，并杜绝其再次合成，同时将废弃物基本转换为有用的气体，稳定的、无浸出毒性的玻璃态熔渣以及可回收的金属成分；且在处置过程中产生的烟气量非常小，可用气体的纯度更高，尾气净化的成本更低，尾气经净化处理能满足空气质量标准的排放要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用电弧热等离子体高温熔融热解处置固体废弃物的装置及方法领域。
背景技术
全球固体废物产生量正在以惊人的速度增长，每年产生固体废弃物数量巨大、种类繁多、性质复杂，污染相当严重，传统的处置方法，如填埋，由于受填埋场空间的限制，已经越来越不适应环境发展的要求。固废焚烧作为一个非常有前景的技术，由于其高减容比并可利用焚烧产生的热量进行发电，越来越多的应用于固废的处置中，但是在焚烧过程中产生的二次污染越来越引起人们的关注。如焚烧后会产生的大量的飞灰及灰渣，而这些飞灰含有大量的铅、镉、汞等重金属和剧毒二噁英类有机物，普通的填埋会造成毒素的渗透和挥发，污染空气及地下水。同时，焚烧过程所产生的大量烟气如果处置不当同样会造成对大气的二次污染。
等离子转换处置是目前国际上最为先进的危险废物处置技术、可对有毒化学品等各类危险废物进行安全处置，极少量产生二次污染，可有效的克服焚烧系统所带来的缺陷。在目前已有的国内外专利中，公开了热等离子体技术处置各种危险废弃物。如中国专利ZL89105527.4中披露了采用水蒸汽等离子体和直流等离子体技术，但是该反应仅在陶瓷管内进行，反应空间小，还要求能处理固态废物颗粒在300微米，这个工业化带来困难。美国专利5280757用电弧等离子体炬反应器气化城市固体废弃物；美国专利4644877同样利用等离子体炬技术热解多氯联苯(PCBs)，废弃物在热等离子体作用下原子化和离子化后，在反应室中被急冷重组成气体和特定的物质。
上述的这些系统都有一些显著的缺陷，例如，废弃物在高温环境下没有足够的混合、熔融、驻留时间，针对多样化的废弃物无法确保无浸出毒性的玻璃熔渣的形成。同时，由于采用了水冷非转移弧炬的技术，极寿命短，需间歇性更换极，不能长时间连续运行，另外由于工作气体量大，同样造成烟气量大，增加尾气处理费用。
中国专利ZL96192788.7中采用在直流电弧发生炉旁增加交流电源的焦耳加热熔融室作为公用熔池，以熔池作为极间导电线路，但需两套装置给实际应用造成麻烦。
另外，上述专利的炉渣排出口与烟气出口一般都为两个独立的出口，这样不利于能量的充分利用，同时，出渣口距离坩埚出口较远，造成炉渣排出管道温度下降较大，因此，一般需要在出口处加装电加热装置，以保证熔渣较好的流动性，这样往往会大大增加系统的能耗。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种热等离子体处置固体废弃物的装置与方法，采用电弧热等离子体高温熔融固体废弃物，形成无浸出毒性的玻璃态熔渣，并使得熔渣与金属分层，回收废弃物中的金属成分；采用电弧热等离子体在还原气氛下热解固体废弃物，从而将种类繁多的固体废弃物中的高分子有机物转换成诸如CO、H2、CH4等气体燃料；采用电弧热等离子体产生的高温及紫外光等对诸如二噁英等剧毒物质进行分解并阻止其再次合成。
为解决上述问题，本发明的技术方案如下：
一种热等离子体处置固体废弃物的装置，其特征在于：包括有等离子体熔融热解炉，所述的等离子体熔融热解炉炉体包括有相扣合的炉身和炉盖，所述炉身的中部设有导电坩埚，所述的导电坩埚内衬有高温耐火材料，导电坩锅与炉盖之间的区域构成炉膛，所述炉盖上设有多个和炉膛联通的通孔，其中的两个通孔中分别穿过有阴、阳极，所述的阴、阳极分别由电极提升机构牵引其上下运动，所述的阴、阳极的下端伸入到导电坩锅的上方；所述的阴极和阳极的上端分别外接等离子体放电电源负极和正极；所述的另外的通孔分别为进料口、观察及测量窗口；所述炉膛、导电坩埚与所述的炉身的外壳之间砌有隔热保温层，所述炉膛下半部分的一侧连通向下的紧贴坩埚的熔渣和烟气排出通道，所述的熔渣和烟气排出通道向下穿过所述的炉身并延伸到所述的炉身的底端，所述的熔渣和烟气排出通道在底部分离为两个出口，即垂直向下的排渣口和水平方向的排烟口，所述的排渣口的下方设有水槽；排烟口侧壁上连通有排气管道并通向炉身外侧；靠近熔渣和烟气排出口一侧的炉膛中还设有挡板，其高度大于所述的熔渣和烟气排出口的高度，挡板下端低于熔渣和烟气进口管道的底部；所述导电坩埚的底部放置有导电支撑管，所述的导电支撑管下方放置有导电环，所述的导电坩锅与导电支撑管、导电环电连接并外接等离子体放电电源的正极；所述导电坩埚底部的中心位置有通孔，所述的通孔底端安装有热阀，所述热阀内设有中心排放管，与所述导电坩埚底端的通孔对接，所述的热阀的下方设有容器；所述的排气管道通向尾气净化处理系统。
所述的热等离子体处置固体废弃物的装置，其特征在于：所述炉盖上设有3个孔，分别为阴极、阳极穿过用孔以及进料口，所述的阴极带有中心孔道，所述的中心孔道作为通入惰性气体的孔道；所述的阴极与阳极排成一定夹角，向下运动时，能相互接触；根据需要在所述的炉盖上设置观察或测量的窗口。
所述的热等离子体处置固体废弃物的装置，其特征在于：所述的阴极极材料选用高功率石墨，其个数为1～3个。
所述的热等离子体处置固体废弃物的装置，其特征在于：所述的尾气净化处理系统由旋风除尘室、二次燃烧室、热交换室、碱液喷淋室、布袋除尘室、活性炭吸附室、引风机以及烟囱组成。
所述的装置处置固体废弃物的方法，其特征在于：所述的热等离子体处置固体废弃物的处理方法为：
(1)、首先开启工作气体制备供应装置，将惰性气体由惰性气体孔道引入所述的等离子体熔融热解炉内，进行空气置换，并控制炉内的氧气量；
(2)、然后开启弧直流电源，启动电极提升机构，使得所述的阴极与所述的导电坩埚进行接触引弧，若坩埚底部被非导电物覆盖而无法引弧时，可启动所述的电极提升机构，将所述的阳极与阴极接触进行引弧，此时在阴极与阳极之间产生了大量的电弧热等离子体，通过电弧产生的高温将坩埚底部物质熔融，再启动所述的电极提升机构，将电弧转移至阴极与坩埚之间，然后抬升阳极；
(3)、当炉内温度达到1400℃左右，并且整个炉体达到热平衡后，启动进料装置，将经过预处理的固体废弃物从进料口投入所述的等离子体熔融热解炉中，并且控制进料速率，保持固体废弃物在坩埚中一定的熔融时间，所产生的高温烟气在外接引风机的作用下，经所述挡板上端流入所述的熔渣和烟气排出通道，然后经过排烟通道进入尾气净化处理系统；随着体废弃物的不断熔融，高温熔融体从挡板下端流入到所述的熔渣和烟气排出通道，并掉入设置于排渣口下的水槽中，经水淬冷后再由外接的输运机构运走；固体废弃物中含有的有毒有害物质二噁英类等有机物则被彻底销毁，熔融过程中产生的高温烟气经所述的熔渣和烟气排出通道、排气管道进入尾气净化处理系统，经处理后达标排放；所述坩埚底部的液态熔融金属经其底部的通孔和设置于其底端的热阀的中心排放管，并在所述的热阀的控制下流入到设置于热阀下方的容器中。
所述的等离子体熔融热解炉为全密闭装置，所述的炉膛运行在微负压工作状态，所述的排渣口下端伸入到所述的水槽中；所述的中心排放管由高功率石墨制成。
所述的固体废弃物经热等等离子体高温熔融处置后产生的熔渣为玻璃态，可有效捕集废弃物中的重金属或其它有毒有害物质，且无浸出毒性；有机物在无氧或缺氧条件下发生裂解，产生CO、H2、CH4以及轻质的碳氢化合物等可燃气体。所述坩埚中产生的熔渣为玻璃态，可有效捕集废弃物中的重金属或其它有毒有害物质，且无浸出毒性；有机物在无氧或缺氧条件下发生裂解，产生CO、H2、CH4以及轻质的碳氢化合物等可燃气体。热阀采用中频感应或高频感应加热原理制成，感应加热线圈为水冷铜管，与中频电源或高频电源连接。
利用电弧热等离子体作为产生热量的热源，通过高温及紫外光将固体废弃物中的有毒有害物质如二噁英等有机污染物彻底销毁并阻止其再次合成。
坩埚中产生的熔渣为玻璃态，可有效捕集废弃物中的重金属或其它有毒有害物质，且无浸出毒性。
有机物在无氧或缺氧条件下发生裂解，产生CO、H2、CH4以及轻质的碳氢化合物等可燃气体。
本发明的有益效果：
本发明能将各种固体废弃物中的有毒有害的有机成分彻底销毁，并杜绝其再次合成，同时将废弃物基本转换为有用的气体，稳定的、无浸出毒性的玻璃态熔渣以及可回收的金属成分；且在处置过程中产生的烟气量非常小，可用气体的纯度更高，尾气净化的成本更低，尾气经净化处理能满足空气质量标准的排放要求。
附图说明
图1为本发明的设备的工艺流程示意图。
图2为本发明的等离子体熔融热解炉主视图。
图3为本发明的等离子体熔融热解炉坩埚部位的仰视剖面图。
具体实施方式
参见图1、2、3，一种热等离子体处置固体废弃物的装置包括有等离子体熔融热解炉，炉体包括有相扣合的炉身10和炉盖23，炉身10的中部设有导电坩埚12，导电坩埚12内衬有高温耐火材料13，形成下半部分呈圆柱状、上半部分呈倒圆锥状的炉膛11，炉盖23上设有多个延伸到炉膛上方的通孔，其中的两个通孔中分别穿过有阴极1、阳极3，并由电极提升机构牵引其上下运动，阴、阳极1、3的下端伸入到炉膛11内，上端通过电缆分别连接到弧直流电源的负极与正极，阴极1的中心有自上而下贯穿的孔道21，中心孔道21通过管道外接有工作气体制备供应装置，炉盖23上的另外一个通孔作为进料口2，与进料装置相连接；炉膛11、导电坩埚12与炉身10的外壳之间砌有隔热保温层14，炉膛11下半部分的一侧包括有横向延伸的熔渣和烟气排出通道4，熔渣和烟气排出通道4一部分18再向下穿过炉身并延伸到炉身10的底端，插入盛有水的水槽7，另一部分9在炉身10的底部穿过其侧壁并从其外壳伸出，这部分伸出的排烟通道9再通过管道依次外接有由旋风除尘室23、二次燃烧室24、热交换室25、碱液喷淋室26、布袋除尘室27、活性炭吸附室28、引风机29以及烟囱30组成的尾气净化处理系统；靠近熔渣和烟气排出通道4一侧的炉膛11中还设有挡板8，其高度大于排烟通道4进口的高度，并在熔渣和烟气排出通道4进口处形成挡板8下端的熔渣16出口通道及挡板8上端的烟气出口通道；导电坩埚12的底部连接有导电支撑管19，导电支撑管19向下穿过炉身10并延伸到其底端，炉身10的底端还设有金属环20，与导电支撑管19连接；导电坩埚12底部的中心位置有通孔15，通孔15底端连接有向下穿过炉身10并伸出其底端的热阀5，热阀5的内设有中心排放管22，与导电坩埚12底端的通孔对接，热阀5的下方设有容器6。
Claims (7)
1.一种热等离子体处置固体废弃物的装置，其特征在于：包括有等离子体熔融热解炉，所述的等离子体熔融热解炉炉体包括有相扣合的炉身和炉盖，所述炉身的中部设有导电坩埚，所述的导电坩埚内衬有高温耐火材料，导电坩锅与炉盖之间的区域构成炉膛，所述炉盖上设有多个和炉膛联通的通孔，其中的两个通孔中分别穿过有阴、阳极，所述的阴、阳极分别由电极提升机构牵引其上下运动，所述的阴、阳极的下端伸入到导电坩锅的上方；所述的阴极和阳极的上端分别外接等离子体放电电源负极和正极；另外的通孔分别为进料口、观察及测量窗口；所述炉膛、导电坩埚与所述的炉身的外壳之间砌有隔热保温层，所述炉膛下半部分的一侧连通向下的紧贴坩埚的熔渣和烟气排出通道，所述的熔渣和烟气排出通道向下穿过所述的炉身并延伸到所述的炉身的底端，所述的熔渣和烟气排出通道在底部分离为两个出口，即垂直向下的排渣口和水平方向的排烟口，所述的排渣口的下方设有水槽；排烟口侧壁上连通有排气管道并通向炉身外侧；靠近熔渣和烟气排出口一侧的炉膛中还设有挡板，其高度大于所述的熔渣和烟气排出口的高度，挡板下端低于熔渣和烟气进口管道的底部；所述导电坩埚的底部放置有导电支撑管，所述的导电支撑管下方放置有导电环，所述的导电坩锅与导电支撑管、导电环电连接并外接等离子体放电电源的正极；所述导电坩埚底部的中心位置有通孔，所述的通孔底端安装有热阀，所述热阀内设有中心排放管，与所述导电坩埚底端的通孔对接，所述的热阀的下方设有容器；所述的排气管道通向尾气净化处理系统。
2.根据权利要求1所述的热等离子体处置固体废弃物的装置，其特征在于：所述炉盖上设有3个孔，分别为阴极、阳极穿过用孔以及进料口，所述的阴极带有中心孔道，所述的中心孔道作为通入惰性气体的孔道；所述的阴极与阳极排成一定夹角，向下运动时，能相互接触；所述的炉盖上设置观察或测量的窗口。
3.根据权利要求1所述的热等离子体处置固体废弃物的装置，其特征在于：所述的阴极材料选用高功率石墨，其个数为1～3个。
4.根据权利要求1所述的热等离子体处置固体废弃物的装置，其特征在于：所述的尾气净化处理系统由旋风除尘室、二次燃烧室、热交换室、碱液喷淋室、布袋除尘室、活性炭吸附室、引风机以及烟囱组成。
5.利用权利要求1所述的装置处置固体废弃物的方法，其特征在于：所述的热等离子体处置固体废弃物的处理方法为：
(1)、首先开启工作气体制备供应装置，将惰性气体由惰性气体孔道引入所述的等离子体熔融热解炉内，进行空气置换，并控制炉内的氧气量；
(2)、然后开启弧直流电源，启动电极提升机构，使得所述的阴极与所述的导电坩埚进行接触引弧，若坩埚底部被非导电物覆盖而无法引弧时，启动所述的电极提升机构，将所述的阳极与阴极接触进行引弧，此时在阴极与阳极之间产生了大量的电弧热等离子体，通过电弧产生的高温将坩埚底部物质熔融，再启动所述的电极提升机构，将电弧转移至阴极与坩埚之间，然后抬升阳极；
(3)、当炉内温度达到1400℃左右，并且整个炉体达到热平衡后，启动进料装置，将经过预处理的固体废弃物从进料口投入所述的等离子体熔融热解炉中，并且控制进料速率，保持固体废弃物在坩埚中一定的熔融时间，所产生的高温烟气在外接引风机的作用下，经所述挡板上端流入所述的熔渣和烟气排出通道，然后经过排烟通道进入尾气净化处理系统；随着固体废弃物的不断熔融，高温熔融体从挡板下端流入到所述的熔渣和烟气排出通道，并掉入设置于排渣口下的水槽中，经水淬冷后再由外接的输运机构运走；固体废弃物中含有的有毒有害物质二噁英类有机物则被彻底销毁，熔融过程中产生的高温烟气经所述的熔渣和烟气排出通道、排气管道进入尾气净化处理系统，经处理后达标排放；所述坩埚底部的液态熔融金属经其底部的通孔和设置于其底端的热阀的中心排放管，并在所述的热阀的控制下流入到设置于热阀下方的容器中。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述的等离子体熔融热解炉为全密闭装置，所述的炉膛运行在微负压工作状态，所述的排渣口下端伸入到所述的水槽中；所述的中心排放管由高功率石墨制成。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述的固体废弃物经热等离子体高温熔融处置后产生的熔渣为玻璃态，可有效捕集废弃物中的重金属或其它有毒有害物质，且无浸出毒性；有机物在无氧或缺氧条件下发生裂解，产生CO、H2以及轻质的碳氢化合物。
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