CN101983087B - 处理废物的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

一种废物处理系统在施加能量时处理废物。该系统包括容器，该容器具有接收废物原料的敞开空间。至少两个等离子体电极安装到该容器。电极运动控制系统可使等离子体电极定位为促进用以处理废物原料的热解过程。

Description

处理废物的方法和设备
本申请主张于2008年2月8日提交的美国临时申请No.61/027117的利益，该申请通过引用并入。
技术领域
本发明涉及废弃材料的处理，更具体地，涉及有害和无害物质的受控热分解。
背景技术
本发明涉及废弃材料的处理，特别涉及有害和无害物质向可用产品的受控热分解和转化。
废弃可能是固体、半固体或者液体形式，并且可包括有机和/或无机材料。一些固体废料在垃圾填埋场处理。然而公众反对以及法规的压力会限制某些垃圾填埋的实施。
其它固体和一些液体废料通过燃烧和/或焚化处理。这些过程会产生大量飞尘(有毒成分)和/或底灰，这两种副产品需要进一步的处理。另外，一些燃烧和/或焚化系统苦于不能在整个废物处理过程中保持足够高的温度。在一些系统中，低温可能源自废料的非均匀性。在其它系统中，温度的降低可能源自焚化装置内的可燃和非可燃物质和/或湿气的变化量。由于低温、以及其它诸如需要额外空气和补充化石燃料来保持正常燃烧的因素，这些焚化系统可能会产生被释放到大气中的有害物质。
发明内容
一种废物处理系统在施加能量时处理废物。该系统包括具有开口的容器。至少一个等离子体电极安装至该容器。在某些废物处理系统中，电极运动控制系统可定位等离子体电极，以获得该容器内理想的电弧电压或温度。有机和/或无机废物可被引入到该容器内，电极可供给处理废物的能量。
在其它废物处理系统中，电极运动控制系统可自动定位等离子体电极，从而根据“转移弧模式”以及“非转移弧”模式在该容器的敞开空间内操作；在“转移弧模式”下，沿竖直或基本竖直方向安装的至少一个电极向位于容器底部或靠近容器底部的电极转移电弧；在“非转移弧”模式下，竖直或基本竖直安装的电极向通过容器的侧壁水平安装或者相对于水平方向以选定角度安装的电极转移电弧。有机和/或无机废物可被引入到该容器内，且电极可供给处理废物的能量。
在审阅下文的视图和详细说明时，本发明的其它系统、方法、特征和优点对本领域技术人员而言将或者将变得显而易见。预期所有这样的附加系统、方法、特征和优点都包含在本说明书内、在本发明的范围内以及受下文权利要求的保护。
附图说明
通过参考下文附图以及说明，可更好的理解本发明。附图中的部件不必须是按比例绘制，而是将重点放在示出本发明的原理上。此外，在附图中，贯穿不同视图的相同的附图标记指示相应的部件。
图1是废物处理过程的结构图。
图2是废物处理系统的容器的局部示意图。
图3是废物处理系统的容器的第二局部示意图。
图4是废物处理系统的容器的第三局部示意图。
图5是废物处理系统的容器的第四局部示意图。
图6是废物处理系统的容器的一部分的详细视图。
图7是废物处理系统的容器的一部分的第二详细视图。
图8是废物处理系统的容器的一部分的第三详细视图。
图9是废物处理系统的容器的一部分的第四详细视图。
图10是废物处理系统的容器的一部分的第五详细视图。
图11是废物处理系统的容器的一部分的第六详细视图。
图12是废物处理系统的容器的一部分的第七详细视图。
图13是废物处理系统的容器的一部分的第八详细视图。
图14是废物处理系统的容器的一部分的第九详细视图。
图15是废物处理系统的容器的一部分的第十详细视图。
图16是废物处理系统的容器的第五局部视图。
图17是废物处理系统的容器的第六局部视图。
图18是废物处理系统的容器的第七局部视图。
图19是废物处理系统的容器的第八局部视图。
图20A-20C是废物处理系统的示意图。
图21是预热废物处理系统的容器的方法的流程图。
图22是废物处理系统的无机残留物熔化方法的流程图。
图23是利用废物处理系统处理废物的流程图。
图24是废物处理系统的替换容器的局部示意图。
图25是废物处理系统的替换容器的第二局部示意图。
图26是废物处理系统的替换容器的第三局部示意图。
图27是废物处理系统的替换容器的第四局部示意图。
图28是废物处理系统的替换容器的一部分的详细视图。
图29是废物处理系统的替换容器的一部分的第二详细视图。
图30是废物处理系统的替换容器的一部分的第三详细视图。
图31是废物处理系统的替换容器的一部分的第四详细视图。
图32是废物处理系统的替换容器的一部分的第五详细视图。
图33是废物处理系统的替换容器的一部分的第六详细视图。
图34是废物处理系统的替换容器的一部分的第七详细视图。
图35是废物处理系统的替换容器的一部分的第八详细视图。
图36是废物处理系统的替换容器的第五局部示图。
图37A-37C是废物处理系统的替换示意图。
图38是预热废物处理系统的替换容器的方法的流程图。
图39是废物处理系统的无机残留物熔化的替换方法的流程图。
图40是利用废物处理系统处理废物的替换流程图。
具体实施方式
通过施加能量，废物处理系统处理废物。该系统可接收并处理无机和/或有机固体废物、半固体废物和/或液体废物。该系统可包括具有多个电极的等离子炬，所述电极的位置可变化以便于所接收废物的处理。
图1是废物处理系统100的结构图。该废物处理系统100可处理无机和/或有机固体废物、半固体废物和/或液体废物。废物处理系统100可通过计算机化的控制系统进行控制，该控制系统定位在废物处理系统100附近或距废物处理系统100一定距离处。该计算机化的控制系统可包括一个或多个处理器、访问或运行软件应用的存储器(例如，随机存取存储器、只读存储器、闪存和/或其它光学或数字存储装置)以及网络连接端口。计算机化控制系统可联接到计算机系统和/或服务器，该计算机系统和/或服务器运行一个或多个操作用以控制废物处理系统100的软件程序。计算机化控制系统可从废物处理系统100的所有的子系统/子进程获得输入。可并入针对整个系统和/或子系统/子进程的安全互锁要素和紧急关闭方案以确保保护设备和/或使用者。例如，在一些废物处理系统100中，如果反应器内部的压力在任何时候都高于由操作者建立的负压的运行范围，则控制软件可构造为防止反应器隔离门打开(因而防止废物进入反应容器)。在此情形中，当运行负压高于操作者建立的负压设定点时，控制系统还将提高ID风机的速度以使反应器压力在要求的设定点压力之下。此外所有系统设有安全排气口，该安全排气口设有控制阀，该控制阀设计为当反应器内部的压力明确超过指定设定点时打开。此设定点将在大约2mm水柱(“W.C.”)到大约5mm W.C.的范围中。在其它系统中，如果超过压力阈值一定时段(例如，超过大约-5mm的水柱之上的压力大约3到大约10秒)，则控制系统可关闭供料器和等离子炬。在所有系统中，在电源故障和/或当此紧急关闭出现时损失冷能的的情形中，控制系统将关闭系统并将系统置于“安全模式”，反应器紧急排气阀将打开。在电弧电极中的一个或多个发生故障的情形中，废物处理系统100可过渡到备用模式，使得操作者可决定进一步的行动过程。
一些废物处理系统100可包括联接到计算机化控制系统的用户界面或图形用户界面。子系统/子进程的每一个可具有向使用者显示信息的定制化的界面屏幕。计算机化的控制系统可监控废物处理系统的输入和输出参数并且可提示使用者对废物供给速度、容器102的温度、氧化剂输入(如果需要)和/或气体净化和调节系统进行适当的调节。可替代地，所述调节可由废物处理系统自动进行。
废物处理系统100可包括设有敞开空间的处理室或容器102，废物可在其间被处理。容器102可联接到固体废物供给系统104，该固体废物供给系统104可包括以倾斜角度设置的供料室。在一些系统中，此倾斜角度可在距离水平大约7度与距离水平大约15度之间变化。在其它系统中，该倾斜角度可小于或大于此近似范围，但是可倾斜到这样一点，即在该点处，重力帮助从供料室向容器102中供给和排出已从废物包挤出或泄漏的废物和液体(诸如水)。在一些系统中，固体废物供给系统104可向容器102提供废物原料，诸如市政固体废物、多氯联苯(“PCB”)污染物、精炼厂废物、办公垃圾、自助餐厅废物、设备维护废物(例如，木制托架、油、油脂、报废的照明器具、工厂废物、废水污泥)、医药废物、医疗废物、飞尘和底灰、工业和实验室溶剂、有机和无机化学制品、杀虫剂、有机氯化物、热电池、废电池和包括武器部件在内的军用废物。固体废物供给系统104可包括多个可收缩隔离门。
在图1中，示出了两个可收缩的隔离门。第一隔离门106可邻近供料斗设置以允许向固体废物供给系统104的供料室中供给废物原料。示出第二隔离门108邻近容器102设置并且可允许向容器102中供给废物原料。固体废物供给系统104可通过废物处理系统计算机控制，使得每次打开一个隔离门。在一些系统中，传感器可监控引入固体废物供给系统104中的给料的量。在第一隔离门关闭之后，可使用氮对供料室加压以明显减小和/或防止空气进入具有废物原料的容器102中，并且基本防止可燃合成气体(例如，由容器或二次反应室内的废物处理所产生的气体，也称为“合成气”)从容器102回流的可能。在一些系统中，作为用以防止可燃气体回流的安全部件，一旦存在系统的紧急关闭，就可将氮作为氮“堆(dump)”引入到供料室中。在一些系统中，还可将此紧急氮“堆”引入反应容器102中。在一些系统中，液压驱动的推车器(ram feeder)可安装在供料室内并且一旦第二隔离门108打开，就可将废物原料推入容器102中，使得在隔离门108与容器102的入口之间的区域中将基本没有剩余的废弃材料。除了倾斜设置供料室以允许重力帮助将废物原料移入容器102中之外，供料室的倾斜设置可有助于废物中的任何独立水或其它液体向容器102中的排放。在一些系统中，还包括一种供给动力废物的方法。此系统可由单螺杆或双螺杆供料器组成，该供料器也相对于水平成一定角度倾斜。此角度可在距水平大约15度到大约30度的范围中；但取决于应用，该角度可或大或小。此外此动力废物供给系统将配备有双隔离门。在其它系统中，在进料口相对于等离子体反应器位于竖直位置的情形中，动力废物可通过旋转阀或倾泄阀装置供给。
在接收废物时，为帮助减小和/或防止自供料室中产生和/或释放的有毒或有害物质，可通过开口将消毒剂引入供料室中。在一些系统中，此开口可以是料斗口，其在废物进入供料室之前接收废物。在其它系统中，开口可沿供料室的一部分设置。引入供料室中的消毒剂可排入容器102中并作为废物进行处理。在其它系统中，消毒剂可通过沿供料室的路径设置的喷嘴引入。
根据固体废物供给系统104的设计，可容纳各种尺寸和数量的废物原料。在一些系统中，可对尺寸为大约250mm×大约250mm×大约250mm的大约30加仑的医疗废物袋和箱进行处理。然而，其它系统可加工和/或处理其它尺寸和/或数量的废物原料。供给系统的、在反应器隔离门与通向反应器的入口之间的部分可以是耐火材料衬里以帮助保护它免于增加容器102的温度。
液体废物(例如，溶剂废物)供给系统，诸如通过引用合并于本申请的、在2003年9月27日提交的美国专利申请No.10/673078、2005年3月31日公布的现美国公布申请No.2005/0070751中所公开的溶剂废物供给系统可向容器102提供液体废物。这些液体废料中的部分液体废料可通过诸如固体废物供给系统104所包括的供料室提供到容器102。可替代地，液体废物可通过一个或多个环绕容器102的周围设置的喷嘴直接注入容器102中。溶剂废物可通过一个或多个喷嘴从一个或多个废物源以交替方式、顺序方式或基本同时供给。在一些废物处理系统中，通过多个溶剂废物供给喷嘴供给的废物可包括不同类型的废物。例如，来自一个制造过程的溶剂废物可通过一个喷嘴引入，而来自不同制造过程的不同成分的溶剂废物可通过另一喷嘴引入。所使用的溶剂废物供给喷嘴的数量以及采用这些溶剂废物供给喷嘴的方式可根据设计和/或应用而改变。
在一些废物处理系统100中，溶剂废物供给喷嘴可设置为诸如通过泵的使用来将溶剂废物引入容器102中和/或引入到容器102内的加热源的路径中。在其它废物处理系统100中，溶剂废物供给喷嘴可设置为将溶剂废物引入到容器102内的其它区域中，诸如湍流区或与容器102的其余位置具有不同温度的区域中。
溶剂废物供给喷嘴中的部分或全部可构造为充分使溶剂废物的表面面积最大化。在一些设计中，这可通过产生明显的微小液滴来实现。通过充分使液滴的表面面积最大化，与具有减小表面面积的液滴相比，来自热源(例如，由等离子体电极产生的等离子体羽流)的能量可以明显更大的速度传递到液滴。使溶剂废物液滴的表面面积的最大化可通过将压缩空气与喷嘴中的溶剂废物相混合来实现。
固体和液体废物可分别或基本同时进行处理。为分别处理废物，将固体和液体废物分别引入容器102中。为基本同时处理废物，则基本同时或基本彼此相继地将固体和液体废物引入容器102中，使得固体和液体废物在相似的时间处在容器102中。当基本同时地处理固体和液体废物时，可将液体废物引入固体废物供给系统104中以形成固体和液体废物的均匀混合。可替代地，可在与通过固体废物供给系统104将固体废物引入容器102中基本相同的时刻，通过溶剂废物系统将液体废物引入容器102中。废物处理系统100可处理相等或不等部分的固体和液体废物。
将废物供应到容器102中的预期速度可取决于各种因素，诸如废物的特征；可从加热系统得到的能量与完成分子离解、热解以及气化和熔解过程预期所需的能量之间的比；所期望产生的合成气的量与气体净化和调节系统的设计容量之间的比；和/或容器102内的温度和/或氧气条件。供给速度最初可基于下述进行计算：处理待处理的指定类型的废物所需的能量的估计；所期望产生的合成气的量与由等离子体反应器的物理尺寸所施加的限制(例如，保持在等离子体反应器中预期的停留时间)之间的比的估计；或与下游涤气系统的设计容量有关的限制。
容器102可竖直取向，并且可局部或部分地构造为使得如果将一部分取下进行维护，则其它部分可保持在其适当的位置。在一些系统中，容器102可包括下部大体圆柱形室，该下圆柱形室连接到与其具有基本相同直径的上部大体圆柱形室。在其它系统中，容器102可包括下部大体圆柱形室和上部大体圆柱形室。下室和上室可通过大体截头圆锥部相连。
容器102的下室可包括熔渣/金属部和高温湍流部，其可促进气体离解和热解反应。下室可在关闭/维护期期间可被移除，用于对容器102进行维护。在一些废物处理系统中，由大约150mm×大约150mm的石墨“块”组成的阳极电极可安装在容器102的底部处。在其它系统中，该阳极电极可由石墨“杆”组成，该石墨“杆”的横截面具有大约150mm×大约150mm的大致尺寸并且该石墨“杆”可以长度大约为450mm的段制造。每个段可具有带螺纹的阳接头和阴接头，使得段可彼此相连。取决于所选的系统构造，能使用任一类型的阳极电极构造，并且当系统构造为在“转移弧模式”与“非转移弧”模式之间运行时，能使用任一构造。
容器102可衬有以若干层布置的耐火材料的组合。在一些废物处理系统中，容器102可由低碳钢和通过耐火材料层制成的隔离内壁(inside)制成，该耐火材料层可包括金刚砂或石墨砖、水硬性浇灌耐火材料、陶瓷板、陶瓷涂层、密压板和/或高耐热耐侵蚀硼硅玻璃块。容器102的衬里可设计为提供操作灵活性、最小化加热时间、允许自然冷却和/或在不导致对容器102的耐火绝缘部和/或其它部分的损害的情况下，实现至少每天加热和冷却。在一些废物处理系统100中，容器102可设计为使得最少大约两年的间隔内不需要对容器102的耐火衬里进行更换。不过，正如所设计的，该系统提供了在预期大约两年的时间间隔之前基于惯例维修损坏的耐火材料/绝缘段的易于接近性和灵活性。
在一些系统中，可对容器102中的温度和/或压力进行连续或基本连续地监控以确保容器102中的负压在预定范围之内。可通过在一个或多个容器102的周围设置的监控口，以及可包括使用一个或多个与计算机化的控制系统通信的传感器来对容器102中的温度和/或压力进行监控。在一些容器102中，预定负压范围可在大约-5mm W.C.与大约-25mm W.C.之间，但运行压力设定点的下端可取决于待处理的废料的特性而改变。在一些系统中，通常的运行范围可在大约-5mm W.C.与大约-15mm W.C.之间。
无机废物可供给到容器102中，在该容器102中，可通过加热系统使无机废物玻化或熔化。加热系统可包括一个或多个将电能转化成热能的装置。在一些废物处理系统100中，这些装置可以是多个由两个电极(阳极和阴极)组成的等离子炬，所述等离子炬安装到容器102并且可产生朝向容器102内部的可控等离子场。在其它系统中，当具有其间流动高电流的电极之间形成基本稳定的气流时，等离子体电极可产生可控的等离子场。在一些系统中，加热系统可产生大约100kW的等离子能。
电极的运动可手动、远程手动或通过电极运动控制系统自动控制。通过控制电极之间的间隙，可对电极之间的弧电压进行控制，而这能用于调节容器102的内部温度。电极之间的间隙的尺寸可选择为使得弧电压基本保持在设计水平。该设计水平可根据系统的如下设计的考虑来进行选择：诸如废物的特征；可从加热系统得到的能量与完成分子的离解、热解、气化和熔解过程期望所需能量之间的比；期望产生的合成气的量与气体净化和调节系统的设计容量之间的比；和/或容器102内的温度和/或氧气条件。运行电压越高，电极之间可允许的间隙越大，而运行电流越低。如果电压下降到最小预定阈值水平以下，则可增加电极之间的间隙，直到电压升高到或超过该最小预定阈值水平。如果电压升高到最大预定阈值水平以上，则可减小电极之间的间隙，直到电压稳定在最小到最大预定阈值范围之内。在一些利用来自等离子体电极的100kW的功率运行的废物处理系统100中，电极之间的间隙可选择为使得运行电压近似为100伏。在这些系统中，最小和最大阈值预定阈值水平可选择为大约80到大约120伏，而电极之间的间隙可大约为10mm到大约75mm。
电极的初始位置可根据系统的设计以操作者的测量为基准，并且可相对于容器102的中心线来确定。随着电极被消耗，电极中的一个或多个的未用部分可移入容器102中。电极的移动可手动、远程手动或通过电极运动控制系统自动执行。当电极中的一个或多个的特定量被消耗时，可将替换长度的电极连接到电极的、距容器102的中心最远的一端。该替换长度的电极可通过将新电极长度部分拧到现有电极来连接。
电极运动控制系统可包括机械系统，该机械系统联接到计算机化的控制系统以控制一个或多个电极的运动。在一些系统中，该机械系统可包括寸动电动机和齿轮机构。此外该电极运动控制系统可包括监督控制与数据采集(“SCADA”)系统，诸如由PEAT International，Inc.(Northbrook，Illinois)开发和使用的硬件和软件系统，并且该SCADA系统可构造为在配置有Windows操作系统的计算机上运行。SCADA系统可通过容器温度传感器来获取关于弧电压的测量数据并通过电动机和齿轮系统来自动调节一个和多个电极的位置以获得期望的弧电压或容器102内的温度。可替代地，一个和多个电极的位置可通过电动机和齿轮系统手动或远程手动调节以获得期望的弧电压或容器102内的温度。在一些废物处理系统中，电极运动控制系统可包括防止电极运动的安全部件。在一些系统中，这些安全部件可包括当两个或多个电极彼此接触时防止电极的运动。在这些情形中，运动控制系统可禁用寸动电动机，直到电极中的一个或多个的位置通过操作者的动作手动复位。在其它系统中，电极的运动可包括诸如限位开关、导销/导轨的物理设备或评估软件，以限制一个或多个电极超过特定点进入或离开容器102的运动。
在一些废物处理系统100中，电极的位置可影响容器102内的气旋气流。可通过一个或多个电极(例如，电极110和/或112)的中心钻出和/或形成小通道以容纳小的气流，从而用作等离子体载气。在一些系统中，流过通道的气流量大约可为5升/分钟。
加热系统可通过电源132，诸如高级绝缘栅双极型晶体管(IGBT)电源来供电。IGBT电源132可使用比可控硅整流器系统小大约30％的输入电流。IGBT电源可产生：在大约0.85与0.90的范围中的功率因数、低谐波失真、高电弧稳定性和/或较小的控制面板。可替代地，加热系统可通过交流电和/或直流电来供电。
来自废物原料的玻化或熔化废物可形成熔渣(例如，熔融材料)，诸如玻璃状熔渣，其可收集在容器102底部的渣池中。在一些情形中，可分离金属层可形成在渣池中。熔渣可通过一个或多个出渣口从容器102排出，所述出渣口可设置在距容器102底部适当的指定的高度处并且可设置在环绕容器102的周边的径向位置处。一个或多个出渣口可呈一定角度设置成使得熔融的熔渣层可保持近似连续的气体密封。一个或多个出渣口相对于与容器102在出渣口的位置处相交的水平面的角度大约可为10度。可替代地，出渣口可以不同的角度设置。
熔渣可通过出渣口从渣池移入/排入熔渣/金属合金收集系统中。在一些系统100中，熔渣/金属合金收集系统可包括出渣车(tap cart)。该出渣车设计为允许熔渣/金属流入沙床(该沙床为出渣车金属提供适当的隔离)中或熔渣/金属可流入容纳水浴的出渣车中(随着熔渣迅速淬火，熔渣可破裂成“粉末状”稠度)。出渣车可为气冷型(使用由供气风机供应的空气，该供气风机向二次反应室供应空气)，可以为夹套(double-walled)型，且两钢面之间的空间填充有冷却水，或者它们可通过来自环境空气的自然对流冷却。在其它系统中，排出的熔渣可在水箱中淬火，致使排出的熔渣固化和破裂成较小的片。由于重金属可能结合在固体熔渣内，因此固体熔渣可基本是惰性的。由此，熔渣可在固态下经得住沥滤。从容器102移出的固体熔渣可通过传送带或其它用于传输的合适装置从熔渣/金属合金收集系统传输到料箱并且可再利用或除掉。在其它系统中，熔渣可排入其它特别指定的部件，诸如通过沙隔离的模具中。
在一些系统中，出渣口可包括一个或不只一个。在具有不只一个出渣口的情形中，出渣口可设置在环绕容器102的不同的位置处和/或不同的高度处。出渣口可以交替顺序每次打开一个，或基本同时打开。在出渣期间，容器102中的废物的供给和/或处理可继续。
固体熔渣可用于许多商业应用，诸如道路构筑、混凝土骨料、喷抛清理、玻璃纤维和/或玻璃纤维状材料，固体熔渣可以是无害的并且可不需要填埋。此外它可形成装饰花砖或与建筑材料结合使用以形成轻质组合家用建筑材料。当要启动出渣时，通过出渣口开口将出渣塞从容器102拉出。在其它系统中，出渣口通过由耐高温材料构成的出渣塞封闭。在这些系统中，当要启动出渣时，将出渣塞手动或远程手动拉出，允许熔融熔渣/金属混合物从容器102流出进入收集系统中。在其它系统中，出渣口通过使用可手动或远程手动取下的水冷或耐火封装钢塞封闭。
由于容器102中的低氧环境，存在于废物流中的一些金属氧化物可还原成其元素形式。存在于废物原料中的金属和金属合金也可在容器102中熔化。经过一段时间，可在渣池底部积聚一金属层。诸如铁类的特定金属可能不容易与渣池中含有的硅酸盐反应。熔渣可吸收这些金属和金属氧化物中的一些，但如果在废物中存在大量金属，则金属可能积聚。如上所述，熔融金属可与熔融熔渣一起通过出渣口排出，并进行处理。
容器102中接收的废物可经历分子离解和热解过程。热解是这样的过程：与焚化或燃烧相比，在极端低氧环境中运行的强热通过该过程使分子离解。在此过程期间，废物可通过加热系统加热。加热的有机废物可进行处理，直至它离解成其元素成分，诸如固态碳(碳微粒)和氢气。如果在废物中以碳氢化合物的衍生物的形式存在，则氧、氮和卤素(诸如氯)也可被释出。在热解和/或部分氧化之后，所产生的气体(例如，合成气)可包括一氧化碳、氢、二氧化碳、水蒸气、甲烷和/或氮。
离解的氧和氯可自由地与所产生的碳和氢反应，并且可重新形成各种复杂且可能有害的有机化合物。然而，这些化合物通常不能在容器102内保持的高温下形成，在高温下，仅有限数量的简单化合物可以是稳定的。当存在氯或其它卤素时，最通常和稳定的这些简单化合物是一氧化碳(由游离氧与碳微粒之间的反应形成)、二价氮(diatomic nitrogen)、氢气和氯化氢气体(作为氢-卤素气体的代表)。
废料中存在的氧的量可能不足以将废料中存在的所有碳转化成一氧化碳气体。废料中存在的湿气可通过“蒸汽转化”反应从容器102中的高温环境吸收能量并且形成一氧化碳和氢气。如果废物流中存在不足量的化学计量氧或湿气和/或由于固有的过程无效，则未反应的碳微粒可被夹带在气流中并从容器102中载出。
要增加转化成一氧化碳气体的固体碳的量，可将附加的氧气源引入容器102和/或二次反应室中。废物处理系统100可包括将氧化剂以促使容器中的碳或碳微粒的部分或大部分向一氧化碳的转化的量注入废物系统100中的系统。在一些系统100中，该注射系统可以是氧化剂供应系统，该氧化剂供应系统可包括用以将附加氧气注入容器102中的氧气喷枪。氧气喷枪可安装到容器102或作为容器102的整体部件形成，并且可将纯度在大约90％到大约93％的范围中的氧气注入容器102中。可在一个或多个位置处将预定量的氧化剂注入容器102中。可替代地，诸如空气或氧化剂流的不同氧化剂可单独使用或与其它方法组合使用。在一些废物处理系统100中，氧化剂可通过其它系统和/或部件，诸如通过等离子体加热系统引入容器102中，与溶剂供给系统100中的废物混合。可替代地，氧化剂可通过氧气瓶、变压吸附系统或通过蒸汽发生器和蒸汽阀供应，它们以可控方式通过废物系统控制计算机自动、手动或远程手动打开，它们可联接到容器102的上部和/或气管。
注入系统中的氧化剂可将废物中的碳或在容器中离解的作为游离碳的碳的部分或大部分转化成一氧化碳。由于纯碳在高运行温度下比一氧化碳气体更易起反应，所以附加的氧气可与碳反应并形成一氧化碳，而不与一氧化碳反应形成二氧化碳(假定氧化剂未过量添加)。
碳和氧化剂可保持在容器102中一段时间(例如，“停留时间”)，使得先前未转化的固体碳的大部分可转换成一氧化碳。该停留时间可以是系统容积、容器几何形状和/或合成气流量的函数。在使用大约2.5到大约3.0Nm3/分钟的气体流量的一些废物处理系统100中，停留时间可以大约为2.0秒。在使用不同气体流量的废物处理系统100中，停留时间可大于或小于大约2.0秒。附加的停留时间可通过通向二次反应室116的排气管(例如，“热管”)114来提供，使得废物处理系统100的总停留时间可超过大约2.0秒。在其它系统中，热管可直接连接到气体净化和调节系统。热管可设有喷嘴，在这里，操作者可注入指定量的雾化水和/或蒸汽。水/蒸汽注射将提供一种迫使从容器10中载出的任何未反应碳微粒向一氧化碳和氢气的转化以及使挥发性金属组分起反应而形成金属氧化物和氢气的方式。此外由于与湿气的反应将是吸热的，所以这将有助于降低合成气的温度。将氢气添加到合成气中有助于增加所产生的合成气产品的热值。
注入容器102和/或二次反应室116中的氧化剂的量可通过气体分析系统来确定。该气体分析系统可以基本连续的速率来监控载容器102和/或二次反应室116中产生的合成气的成分。在一些系统中，气体分析系统可包括质谱仪、联机气体分析仪(包括无色散红外(“NDIR”)、电化学、热导率或基于激光的系统)，其可测量容器102和/或二次反应室116中存在的原子和分子的质量和相对浓度。测量的成分可包括CO、CO2、HCl、H2、CH4、N2、O2、H2S和/或水蒸汽。在其它系统中，气体分析系统可包括微粒监控器，该微粒监控器可以基本连续的速率来测量存在于容器102和/或二次反应室116中的合成气流中载出的微粒的一般等级。对于二次反应室116，气体分析系统可在二次反应室116前或二次反应室116处的一点处对合成气进行取样。当不存在二次反应室116时，气体分析系统可在气体调节和净化系统118之前和/或在气体净化和调节系统118之后的一点处对合成气进行取样。基于分析的结果，可对废料的供给速度和/或成分和/或等离子体电极功率和/或注入系统中的氧化剂的量进行手动和/或自动调节。可替代地，气体分析系统可以基本规则的时间间隔对合成气进行取样。可对这些取样时期进行统计学分析以确定是否需要对废料的供给速度和/或成分和/或等离子体电极功率和/或注入系统中的氧化剂的量进行手动和/或自动调节。其它废物处理系统100可不使用气体分析系统。
可将在容器102内产生的合成气加热到至少大约1000℃(尽管取决于待处理的废物的性质和成分，但可允许在850℃的范围中的温度)到大约1500℃的范围中的温度。在离开容器102之后，可通过二次反应室116对该合成气进行处理，在一些实施例中，该二次反应室116可由低碳钢构成并衬有与在容器102的构造中所用的那些材料类似的适当隔离/耐火材料。取决于废物处理系统100的构造，二次反应室116可在不同的运行模式中使用。在第一运行模式中，二次反应室116可不存在或者可用作集结室(staging chamber)，当合成气传送到气体净化和调节系统时，该集结室允许合成气自其通过。在此运行模式中，合成气将在任一气体发动机、锅炉或其它下游系统中使用。在第二运行模式中，二次反应室将存在并且使合成气热氧化。在此运行模式中，合成气将不重利用而是在二次反应室116中的热氧化以及在气体净化和调节系统中的随后净化和调节之后，将气体释放到大气中。当在第一模式(例如，合成气模式)中运行时，水、蒸汽、空气或另一氧化剂可通过注射系统或其它输入引入二次反应室116中，在这里，合成气可经历进一步的调节，诸如使任何未反应的碳组分反应而形成一氧化碳，或使挥发性金属组分起反应而形成金属氧化物。当在第二模式(例如，非合成气模式)中运行时，通常在合成气使用系统不可利用的情形中，二次反应室116可设计为将大量空气注入该室中，使得合成气可转换成氮、氧、二氧化碳和/或水蒸气。在一些废物处理系统100中，取决于待处理的废物，二次反应室116中的最小停留时间可大约为2.0秒。然而，取决于运行的模式，二次反应室116可设计为更长或更短的停留时间。
在二次反应室116的下游或恰好在通过热管连接的容器102的下游，合成气可通过气体净化和调节系统118进行处理。在进入气体净化和调节系统118时，合成气可处于高温。在一些废物处理系统中，该温度可为大约1100℃。但是，在其他系统中，该温度可或高或低。气体净化和调节系统118可将合成气淬火以明显降低其温度或者防止非预期的复杂分子的再结合或防止形成诸如戴奥辛(dioxin)和/或呋喃的新化合物的形成，并净化合成气以基本去除任何夹带的微粒和/或酸性气体。气体净化和调节系统118可包括高压文丘里系统120和填料床涤气器122。设置循环水系统用于该文丘里和填料床塔系统。循环水系统提供文丘里和填料床式塔所需的水以实现其如下文所述的必需任务。循环水箱中的水将需要小量的“补充”水来保持水箱中的适当液位。循环水箱124可利用所设置的内部隔板在文丘里系统120与填料床涤气器122之间共享，在该内部隔板处，来自水箱的分配到填料床塔的部分的水将溢入水箱的分配到文丘里的部分。在一些废物处理系统100中，可使用分离循环水箱124来用于文丘里系统120和填料床涤气器122。在其它系统中，可提供单一水箱，在两个部分之间不提供隔板。在设置隔板的系统中，通过测量水箱的与文丘里系统120相关的部分的循环水箱124中的水的高度，可基本将从合成气去除的颗粒物与填料床涤气器122隔离，并且可将补充水添加到循环水箱的、与填料床涤气器122相关的部分。可替代地，其它废物处理系统100可将分离循环水箱124用于文丘里系统120和填料床涤气器122的每一个。涤气器循环水系统连续冷却。冷却介质可通过使涤气器循环水直接循环通过冷却塔(对于水箱设有隔板或为文丘里和填料床塔设置分离水箱的系统)。其它系统可使用单一水箱用于文丘里系统120和填料床涤气器122并且系统水将通过热交换器再循环，该热交换器将与冷却塔或其它除热方法相结合来冷却涤气系统中的水。
文丘里系统120和循环水箱124可使水以大约6m3/hr的速度循环。要保持文丘里系统120足够清洁，水再循环系统可设有内嵌过滤系统。在一些水过滤系统中，水中载有的微粒可保持在大约百万分之500(“ppm”)以下。通过过滤系统移除的固体剩余物可积聚并再循环回到容器102中，用于另外的玻化。一些水再循环系统设计为大约4m3/hr的流量。取决于废物原料的成分，特别是根据卤素含量，水可从水再循环系统以大约4m3/天的速度流入下水道系统或污水处理系统，并且可主要由盐液组成，以便保持系统中的溶解固体的等级在2％以下。另外，在一些系统中，填料塔再循环流量可大约为10m3/hr，而冷却塔的再循环速度可为5m3/hr。
此外文丘里系统120可包括紧急储水系统以在电源故障的情况下，提供水的重力流，用于冷却和微粒移除。紧急储水系统可包括分离、升高的储水箱，具有大约1000升的容量。可替代地，取决于场地的特定考虑，文丘里系统循环水箱可提供紧急水源。
中和剂，诸如在美国专利No.6971323中描述的氢氧化钠溶液可用于洗涤酸性气体的合成气体。中和剂可通过泵126引入抛光涤气器(polishing scruber)122中。再循环水源128可定期取样以确保大约9的pH值。一部分再循环水，诸如大约45加仑/小时(“gph”)可通过涤气器水再循环系统130从再循环的涤气器水排出。可对排放物进行定期取样以确保排出水流满足规定限制。如果发现满足规定排放标准，则可将收集的溶液中的部分或全部排到废水处理系统或直接排到下水道。排出的水可含有钠盐或其它溶解盐。在一些系统中，排出水中的盐的量可小于大约2％。
图2-18是可结合第一废物处理系统使用的容器102及对应部件的示例性图示。尽管图2-18包含各种设计尺寸和材料，但是其它或大或小的尺寸和/或材料也可在设计废物处理系统中使用。
图2是第一示例性容器202的俯视图。在图2中，该容器包括氧气注射喷嘴204，该氧气注射喷嘴204与参考线B-B成15度设置。气体出口206与线B-B成52度设置。气体出口206使容器202内部产生的合成气体能够向下游前进到废物处理系统的其它部分。检查口208与参考线B-B成90度设置，该检查口208可使人能够观察容器202的内部、电极的布置和/或容器202底部的渣池。如图2中所示，出渣口210与参考线B-B成124度设置。此外示出另一出渣口216与参考线B-B成186度。示出温度口212与参考线B-B成135度和315度。温度口212使操作者能够通过连接到计算机化控制系统的传感器的布置自动地或通过手动传感器测量容器202内的温度。各种温度口212沿容器202的周边的布置实现在多个位置处对容器温度的监控，这能产生更精确的测量。示出下电极214的插入点与参考线B-B成155度和335度。取决于下电极的所选插入点，可取消(capped off)沿容器202的周边的另一插入点。示出备用喷嘴216与参考线B-B成180度。在一些系统中，备用喷嘴可用作溶剂废物系统的一部分。在其它系统中，备用喷嘴216可用作氧气注射喷嘴。示出液体废物喷嘴218与参考线B-B成225度。示出废物供给入口220与参考线B-B成270度。废物供给入口220可连接到废物供料室和废物供给系统，该废物供给系统接收用于处理的废物。图2中所示的设置在容器202的顶部中心的是用于顶部安装电极的插入部。此外如图2所示，紧急排出口224设置在容器202的顶部，但偏心。在容器202需要迅速排放或用于清洗操作的情形中，紧急排出口224可手动打开或通过计算机化控制系统打开。当紧急排出口224打开时，容器202的内含物(大约0.5m3)通过紧急排出管排出，该紧急排出管将竖直连接到大气，使得排出管没有将另外导致流路堵塞的弯曲。
图3是从沿如图2中所示的参考线A-A的方向观看的观察者的角度，图2的容器202的外部的正视图。如图3所示，容器202安装在支架302中，使得容器202从底板升起。如图3和随后的图4-14所示，划圈的附图标记指示可用于构造容器202的硬件。此硬件的列表可在下文的表7中找到。
图4是沿如图3所示的参考线X-X截取的容器202的横剖视图。图5是从沿参考线B-B的方向观看的观察者的角度，图2的容器202的外部的正视图。在图5中，废物供给入口220叠置在容器202上，虽然从图5中观察者的角度它不容易观察到。
图6是顶部安装电极插入点222的详细视图。图7是紧急排出口224的详细视图。图8是温度喷嘴212和/或液体供给喷嘴218的详细视图。图9是温度喷嘴212、备用喷嘴216和氧气注射喷嘴204的详细视图。图10是气体出口206的详细视图。图11是废物供给入口220的详细视图。图12是下电极插入点214的详细视图。图13是检查口208的详细视图。图14示出了用于将容器202的下室连接到容器202的上室的详细信息。图15示出了用于将容器202连接到安装支架302的详细信息。
图16是如图2所示的容器202的横剖视图。在图16中，示出了用于容器202的耐火材料的不同层。在图16中，第一层1602是50mm的高耐热耐侵蚀硼硅玻璃块。耐火材料的第二层1604是75mm的Insulyte层7。耐火材料的第三层1606是155mm的Whyte-A。耐火材料的第四层1608是20mm的金刚砂花砖层。金刚砂花砖层1608内部是容器202的敞开空间，废物原料和/或熔融熔渣可在此处收集。图16中还示出了“通道”1610，除了其上表面中的开口之外，该通道1610包住了容器202中所用的下方水平或大致水平的电极。如图16所示，通道1610由Cerawool制成。此通道1610能够承受容器202底部的高温和高腐蚀环境，并且促进热的传导。通道1610保护底部电极避免接触可能收集在容器202底部的废物原料和熔融熔渣。通道1610中的开口允许在通道1610内的下方水平或基本水平安装的电极与竖直或基本竖直安装的电极之间形成电弧。
图17是图16中所示的容器202的横剖视图。在图17中，在容器202外部延伸的下电极214的插入点的部分包括25mm的可铸材料层1702和25mm的Cerawool层1704以使插入点214与容器202中产生的热隔离。在图17中，示出下电极处于通道1610内。
图18是图16中所示的容器202沿图16中所示的参考线S1-S1的横剖视图。在图18中，示出出渣口210具有通向容器202的敞开空间的入口。图18中还示出了通道1610。如图18所示，通道1610包括形成三角形部并且充有可铸材料的金刚砂花砖。
图19是容器202的正视图。在图19中，示出了在容器202的上部使用的耐火材料。容器202的上部可包括金刚砂花砖层、高耐热耐侵蚀硼硅玻璃块以及在一些位置中的可铸材料。图19中还示出了通道1610内的下方水平或基本水平的电极以及竖直或基本竖直电极。在图19中，竖直或基本竖直的电极的一端恰好在通道1610的内部。在图19中，下方水平或基本水平的电极和竖直或基本竖直的电极由石墨材料制成。
在根据图2-19设计的一些系统中，电极可包括独立的石墨材料段，其大约450mm长并具有大约150mm的方形主部。每个部分可在一端具有阳延伸部，而在相对端具有阴容置部，该阳延伸部延伸超过该大约150mm的方形部，而该阴容置部能够容置自单独的电极材料段的对应的阳部。较小的电极材料段的阳部和阴部可构造有适当的螺纹连接。为形成电极，可将单独的石墨段的多个部分螺接到一起形成较大的电极。在一些废物处理系统中，可通过竖直或基本竖直的电极和/或水平或基本水平的电极的中心钻出和/或形成小通道以容纳小的气流，从而用作等离子体载气。在一些系统中，流经电极中的通道的空气的量可大约为5升/分钟。尽管此处描述为方形形状，但是一些电极可以圆柱形、三角形或其它形状的形式形成。
作为加热系统的一部分，电极可用于使容器202达到运行温度，诸如在大约1000℃与大约1500℃之间。在到达运行温度之后，可将废物原料引入系统中。废物原料可包括有机废物原料、液体废物原料和含有有机和无机的混合物的废物原料。随着石墨电极被消耗，可将替换长度的电极通过螺接连接到距容器202的中心最远的一端。该替换长度的石墨可通过将新石墨部分拧到现有的电极来附接。
图20A-20C是使用如图2-19中描述的容器的废物处理系统的示意图。在图20A上设有识别图20A-20C如何彼此相关的图例。在图20A中，废物处理系统包括与废物供给系统相连的供料斗。第一隔离/加料门可将供料斗与废物供给系统分开，而第二隔离/加料门可将废物供给系统与等离子体容器分开。在图20A中，如上所述，等离子体容器包括竖直或基本竖直的电极以及水平或基本水平的电极。等离子体熔炉可通过框架和/或手动或远程手动液压千斤顶系统支撑。等离子体容器中产生的熔渣可通过一个或多个出渣口排入渣罐、水箱、砂模和/或其它能够容置熔渣的容器中。等离子体熔炉中产生的气体可在通过气体净化和调节系统处理之前流向二次反应室。如图20C所示，气体净化和调节系统包括文丘里涤气器、填料床涤气器、除雾器(mist elevator)和涤气器循环水箱。涤气器泵可用于使水或其它溶液循环到文丘里涤气器和/或除雾器。排水箱可用于监控循环到气体净化和调节系统的水的质量。冷却塔可供应冷却水以冷却涤气器循环水箱中的水。ID风机可用于将净化和调节的气体传送到合成气利用系统，在此处，合成气可用于能量的生产。合成气体将通过在二次反应室中添加过量的空气来热氧化(成CO2、H2O、N2和O2)。在文丘里涤气器和填料床塔中经历净化和调节之后，ID风机将热氧化气体传送到烟道，用于排放。
图21是一种从冷却状态对容器202预热的方法，在该冷却状态，容器202没有废物原料。在步骤2100处，使竖直或基本竖直的电极朝着容器202底部处的水平或基本水平的电极下降，电弧在容器202底部处被触发。在一些废物处理系统中，当竖直或基本竖直的电极在容器202底部处的电极的大约10mm之内时，可借助于点火器来触发电弧。保护电路可设置在电源132内，从而如果由于电极处于直接接触而存在短路时，则关闭系统。如果在电极之间存在比计划时限，诸如大约3秒更长的直接接触，则可使用此关闭系统。一旦电弧被触发，则在步骤2102处竖直或基本竖直的电极可提升到运行位置。在一些废物处理系统中，此运行位置可在下电极之上大约25mm到大约75mm。在步骤2104处，竖直或基本竖直的电极可保持在此位置，直到容器202到达预定温度。在一些废物处理系统中，此温度可大约为1000℃。在步骤2106处，电极之间的间隙可改变(例如，手动、远程手动或借助电极运动系统自动改变)，以通过监控来获得预定的废物处理温度。该预定废物处理温度可在大约800℃到1200℃的范围之间。在步骤2108处，一旦已达到该预定废物处理温度，则废物供给操作可以开始。
图22是一种无机残留物熔化的方法。当容器202含有来自先前运行的固体残留物时，可使用无机残留物熔化工艺。无机残留物熔化操作可有助于将对电极的磨损减到最小、将能量消耗减到最小和/或使运行时间最优化。在步骤2200处，竖直或基本竖直的电极朝着容器202底部处的水平或基本水平的电极下降，电弧在容器202底部被触发。电极可在此位置运行，直到容器202内的温度达到预定温度，诸如大约1400℃，在此点处，出渣塞将被拉出而出渣过程启动。电极的操作可以此方式继续，直到基本所有的无机固体残留物已熔化并从容器排出。在步骤2202处，熔化的固体残留物可通过一个或多个出渣口从容器202移除。
图23是一种处理无机和有机废物的方法。在步骤2300处，无机和有机废物可供应到容器202。有机废物可以雾化的液体废物的形式提供。雾化液体废物可通过一个或多个空气雾化喷嘴注入容器202中，所述空气雾化喷嘴环绕容器202的周边设置或连接到废物原料室。可替代地，有机废物可从已经受电弧电极的能量的固体废物中提取。此外在步骤2300处，无机和/或有机废物可通过废物供料室和废物供给入口214供应到容器202。
在步骤2302处，废物可经受在电极之间产生的电弧能，直到有机废物被气化并基本离解成其元素成分。有机废物的元素成分可包括固体碳(碳微粒)、氢气、氮和/或卤素。在一些废物处理系统中，气化的有机废物可经受预定停留时间，诸如大约2.0秒的加热系统的能量。气化的有机废物可在容器102中的同时经过气旋或基本气旋的路径，以确保适当的混合以及确保废物停留在位于熔炉下部中心的高热区中。
在步骤2304处，可将氧化剂添加到元素成分以产生合成气。随着容器内的温度的升高，由于一般的物理原理，容器202内的内含物，诸如空气；水；和/或微粒可经历运动。当容器202内的内含物运动时，内含物可遇到由容器202的形状产生的分界。容器202的形状和合成气排放喷嘴的位置可促进容器202内的内含物的湍流/气旋/混合流或基本湍流/气旋/混合流。一个或多个等离子体电极的设置也可影响容器202内的合成气体的湍流/气旋/混合或基本湍流/气旋/混合流。容器202内的湍流/气旋/混合或基本湍流/气旋流可增加合成气体和夹带微粒的部分或基本全部可保持在容器202的湍流区内的时间量(例如，停留时间)。另外，湍流/气旋或基本湍流/气旋流可促进合成气体和微粒中的部分或基本全部向容器202的上室中的移动。合成气出口的位置、将合成气从容器中传送出去的热管的构造以及容器衬里的上部的形状可有助于为离开容器的气体建立受限的文丘里式效应。此效应将有助于降低微粒的载出，增加停留时间并增强合成气在容器内的混合。在步骤2306处，氧气可与这些元素成分的部分结合以形成一氧化碳气体和/或二氧化碳气体。
在步骤2308处，可对合成气中含有的能量进行回收，诸如用以形成用于商业用途的蒸汽、热水或在特别定制的气体发动机中使用以产生电能。合成气体可在进入二次反应室之前冷却。然后可对冷却气体进行调节、净化和/或准备用于商业用途。
图24-33是可结合替代的废物处理系统使用的第二容器2402及对应部件的示例性图示。尽管图24-33包含各种设计尺寸，但是其它或大或小的尺寸也可在根据图24-33设计的废物处理系统中使用。图24是示例性容器2402的俯视图。在图24中，温度喷嘴2406可设置在环绕容器2402的周边的不同位置处。温度喷嘴2406可用于确定容器2402内的温度。多个温度喷嘴2406的使用可有助于获得容器2402内的温度的精确测量。固体、半固体和/或液体废物可通过废物入口2414引入容器2402中。另外，溶剂废物可通过废物供给喷嘴2418引入容器中。通过热解过程产生的合成气体可通过在开口2420处连接到容器2402的管子排放到二次反应室。如图24所示，转移弧电极可设置在开口2408处，而非转移弧电极可设置在开口2410处。图24中还示出了观察口2416，该观察口2416允许观察者观察容器2402的内部、容器2402的渣池和/或转移弧电极和/或非转移弧电极。出渣口可环绕容器2402设置在不同位置处并且在图24中以2422示出。如图24和随后的图25-32所示，划圈的附图标记指示可用于构造容器2402的硬件。此硬件的列表可在下文的表8中找到。
图25是来自图24的容器2402的正视图。在图25中，容器2402包括下室2500和上室2502。在一些系统中，大体截头圆锥部2504可设置在下室2500与上室2502之间。可替代地，下室2500和上室2502可联接/形成在一起。转移弧电极可置于开口2408中，而非转移弧电极可置于开口2410中。一个或多个出渣口2422可环绕容器2402的下室2500设置。在图25中，进入容器2402的废物供给入口示出为2414。容器2402还包括一个或多个检查口2416，所述检查口2416可提供对容器2402的内部、电极部件的布置和/或容器2402底部的渣池的可见性。另外，可设置一个或多个溶剂废物供给喷嘴2418。在图25中，示出溶剂废物供给喷嘴2418为容器2402的一部分；然而溶剂废物供给喷嘴2418也可是废物供料室的一部分，如关于图1所说明的。此外，如图25所示，容器2402可安装在支架中，使得容器2402从底板升起。
图26是沿如图24中所示的X-X截取的容器2402的横剖视图。图27是容器2402的替换侧视图。图28是容置转移弧电极的开口2408的详细视图，并且图28示出了此电极可相对于竖直成大约8度的角度设置。图29是环绕容器2402设置的部分温度喷嘴2406的详细视图。图30是可用于观察口2416和/或溶剂废物供给喷嘴2418的进入口的详细视图。图31是可将合成气体排放到废物处理系统的其余部分的开口2420的详细视图。如图31所示，开口2420可相对于竖直成大约9度的角度。图32是容器2402上的固体废物供给入口2414的详细视图。在图32中，固体废物供给入口2414相对于水平成大约7度的角度。图33是可容置非转移弧电极的开口2410的详细视图。如图33所示，开口2410可相对于水平成大约15度的角度。图34是容器2402的截头圆锥部2504的详细视图，该截头圆锥部2504可连接下室2500和上室2502。图35是容器2402的详细视图，此处下室2500和截头圆锥部2504联接/形成在一起。在图36中，转移弧电极和非转移弧电极置于容器2402的各自开口(2408和2410)中。
转移弧电极和非转移弧电极可包括单独的石墨材料段，其大约450mm长并具有大约150mm的方形主部。每个部分可在一端具有阳延伸部，而在相对端具有阴容置部，该阳延伸部延伸超过该大约150mm的方形部，阳延伸部和阴容置部都构造有螺纹连接。为形成电极，可将单独石墨段的多个部分拧到一起形成较大的电极。在一些废物处理系统中，可通过竖直或基本竖直电极和/或水平或基本水平电极的中心钻出和/或形成小通道以容纳小的气流，从而用作等离子体载气。在一些系统中，流过电极中的通道的空气的量可大约为5升/分钟。在其它系统中，电极可形成不同的形状，诸如圆柱形、三角形或其它形状的段。
使用转移弧电极和非转移弧电极的废物处理系统可在不同的运行模式中起作用。转移弧电极可通过容器2402的顶部竖直地安装或相对于中垂线成一角度安装，诸如相对于竖直成大约8度的角度安装。转移弧电极可构造为作为阴极运行。单独的石墨阳极板可设置在容器2402的底部处。容器2402底部处的阳极板可具有大约300mm的方形尺寸并在其最大点处大约为100mm的厚。该板可成形为使得它将被提升到容器2402的耐火衬底的上方。在一些废物处理系统中，阳极板的形状可类似于截锥。附加的石墨阳极板可偏心地设置在容器2402的底部处。这些附加的阳极板可连接到该主中心阳极板并且可朝着容器2402底部的外部向外辐射。这些附加的阳极板的布置允许由转移弧电极与阳极板之间的电弧产生的热通过热传导更彻底和均匀地分配到容器2402的其余部分。
转移弧电极的位置可使得，如果它充分延伸，则转移弧电极的中心线与容器2402底部的中心近似重合。此位置可有助于从转移弧均匀地通过底部安装的石墨板、容器2402的底部和/或驻留在容器2402底部的无机材料的分布。
非转移弧电极可包括从容器2402的侧面插入的电极。该侧面安装的电极可相对于平分容器2402的水平线成一角度，诸如大约15度的角度安装。在非转移弧模式中，转移弧电极的底端与容器2402成一定高程设置，转移弧电极的底端稍稍高于废物进入口的顶部入口，而非转移弧电极延伸到容器2402中，使得此非转移弧电极的末端设置在转移弧电极的末端之下。选择的气流可通过中心线通道供给，使得空气在通过形成在非转移弧电极与转移弧电极之间的等离子体弧时被电离，该中心线通道通过一个或两个电极钻出或形成。空气可加强热生成系统的热分布。电极在非转移弧模式中运行时产生的等离子体羽流的位置可位于容器2402的大致中心的附近，大体在废物供给入口中。在一些系统中，等离子体羽流可进一步设置为使得当废物原料引入容器2402中时，它将不接触电极，从而避免可能对电极的损害。设置转移弧电极和/或非转移弧电极可用于在容器2402内形成湍流高热区。此外，转移弧电极与非转移弧电极之间的间隙可手动、远程手动或通过电极运动控制系统自动控制。
在一些废物处理系统中，转移弧电极和非转移弧电极可在不同的时期以运行顺序的方式运行。转移弧电极可在转移弧模式中使用，致使转移弧电极与底部安装的阳极板之间的电弧在启动顺序期间使容器2002达到大约1000℃与大约1400℃之间的运行温度。在一些情形中，转移弧电极可用于使废物原料的无机组分中的部分或全部熔化。在达到运行温度之后，可将废物引入系统中，并且在供给操作期间，转移弧电极也可用于处理有机废物原料、液体给料和含有有机和无机组分的混合物的废物。转移弧电极可向上收回，而非转移弧电极可水平移入或移出容器2002，使得每个的位置可取决于系统的运行模式进行调节。由于转移弧电极和非转移弧电极的运动，每个可容纳在密封和绝缘组件内。这些组件可使电极本体绝缘并以预定的温度范围保持结构元件，并且可降低或避免对附加冷却的需求。在一些废物处理系统中，转移弧电极和/或非转移弧电极可手动、远程手动和/或利用电极运动控制系统重定位。一个或多个传感器可监控一个或多个电极的位置和/或运行电压以确定在不同的运行模式期间在容器2002内的位置。
转移弧电极和非转移弧电极的位置可取决于在特定运行模式期间电极之间的间隙。间隙的尺寸可选择为使得等离子炬的运行电压基本保持在设计水平。该设计水平可基于容器102的形状和/或尺寸的设计考虑和/或转换电源来选择。转移弧阴极110和/或转移弧阳极112的位置可取决于在特定运行模式期间阴极110与阳极112之间的间隙。间隙的尺寸可选择为使得等离子炬的运行电压基本保持在设计水平。该设计水平可基于容器102的形状和/或尺寸的设计考虑和/或转换电源来选择。运行电压越高，电极之间的间隙可越大，而运行电流越低。电极运动控制系统可调节电极之间的间隙的设置。在一些系统中，间隙可基于来自一个或多个等离子体电极的电压输出信号来进行调节。如果电压下降到最小预定阈值之下，则电极运动控制系统可自动增加等离子体电极之间的间隙，直到电压增加到或超过该最小预定阈值范围。如果电压升高到最大预定阈值之上，则电极运动控制系统可自动减小等离子体电极之间的间隙，直到电压稳定在该最大预定阈值处。在一些利用来自等离子体电极的100kW的功率运行的废物处理系统100中，电极之间的间隙可选择为使得运行电压为大约80到大约120伏。在这些系统中，最小和最大预定阈值也可大约为100伏，而炬电极(torchelectrode)之间的间隙可大约为10mm到大约100mm。此外等离子体生成系统可配备有高频点火器，该高频点火器从电弧的实际位置自动重新建立电弧，无需减小电极间隙。
阴极110与阳极112之间的间隙可通过电极运动控制系统进行控制。电极可基于操作者的尺寸，诸如相对于容器102的中心线的位置设置。随着电极被消耗，电极运动控制系统可将一个或多个电极的未用部分移入容器102中。当一个或多个电极的特定量被消耗时，可将替换长度的电极连接到电极的距容器102的中心最远的一端。该替换长度的电极可通过将新电极长度部分拧到现有电极来连接。
电极运动控制系统可包括用以控制一个或多个电极的运动的机械系统。在一些系统中，该机械系统可包括寸动电动机和齿轮机构。此外该电极运动控制系统可包括监督控制与数据采集(“SCADA”)系统，诸如由PEAT International，Inc.(Northbrook，Illinois)开发和使用的硬件和软件，并且该SCADA系统可构造为在使用Windows操作系统的计算机上运行。SCADA系统可获取关于弧电压的测量数据并自动调节一个或多个电极的位置以获得期望的弧电压或容器102内的温度。可替代地，一个或多个电极的位置可通过电动机和齿轮系统手动或远程手动调节以获得期望的弧电压或容器102内的温度。在一些废物处理系统中，电极运动控制系统可包括防止电极运动的安全部件。在一些系统中，这些安全部件可包括当两个或多个电极彼此接触时防止电极的运动。在这些情形中，运动控制系统可禁用寸动电动机，直到一个或多个电极的位置通过操作者的动作复位。在其它系统中，电极的运动可包括诸如限位开关、导销/导轨的物理设备或评估软件，以限制一个或多个电极超过特定点进入或离开容器102的运动。
容器2002顶部的气体出口温度的控制可通过自动调节非转移弧电极的功率来控制。电极的功率可通过来自气体出口温度控制器的信号控制，所述信号被提供到加热系统生成器面板。在一些废物处理系统中，控制信号可在大约4毫安(“mAmp”)到大约20mAmp之间。等离子炬控制可通过主控制系统与等离子体功率面板之间的接口来实现。从焊炬功率面板接收关于电压和电流的信号。通过焊炬面板提供范围在大约0到大约300伏的DC电压信号。转换器可将这些信号转换成大约4到大约20mAmp的信号。由等离子炬面板提供的电流将在大约0到大约1500Amp的范围中。此电流信号将在等离子炬面板内通过“分流器”转换成大约0到大约75mV。然后此大约0到大约75mV信号可转换成大约4到大约20mAmp信号。由等离子炬面板提供的电压和电流信号允许关于SCADA系统中的等离子炬的电压、电流和功率的直接信息交换。等离子炬功率能通过改变电流供应和电压来控制，该电压是电弧形成期间阳极与阴极之间的距离的函数。电极的运动可直接从焊炬面板手动控制或从SCADA系统自动控制。
图37A-37C是使用图24-36中详述的容器2402的废物处理系统的示意图。在图37A上设有识别图37A-37C如何彼此相关的图例。在图37A中，废物处理系统包括与废物供给系统相连的供料斗。第一隔离/加料门可将供料斗与废物供给系统分开，而第二隔离/加料门可将废物供给系统与等离子体熔炉/容器分开。在图37A中，等离子体熔炉包括转移弧电极和非转移弧电极，如上所述。等离子体熔炉可通过框架和/或手动或自动液压千斤顶系统支撑。等离子体熔炉中产生的熔渣可通过一个或多个出渣口排入渣罐、水箱、砂型和/或其它能够容置熔渣的容器中。等离子体熔炉中产生的气体可在通过气体净化和调节系统处理之前流向二次熔炉。在图37C中，气体净化和调节系统包括文丘里涤气器、填料床涤气器、除雾器和涤气器循环水箱。涤气器泵可用于使水或其它溶液循环到文丘里涤气器和/或除沫器。排水箱可用于监控循环到气体净化和调节系统的水的质量。冷却塔可向涤气器循环水箱供应水。ID风机可用于将净化和调节的气体传送到合成气利用系统，在此处，合成气可用于能量的生产。然而，当合成气利用系统可使用时，合成气体将通过在二次反应室中添加过量的空气来热氧化(成CO2、H2O、N2和O2)。在文丘里涤气器和填料床塔中经历净化和调节之后，ID风机将热氧化气体传送到烟道，用于排放。
图38是一种从冷却状态对容器2402预热的方法，在该冷却状态，容器2402没有废物原料。在步骤3800处，使转移弧电极朝着容器2402底部的阳极板下降，电弧在此处被触发。在一些废物处理系统中，当转移弧电极在容器2402底部的阳极的大约10mm之内时，可借助于点火器来触发电弧。保护电路可设置在电源132内，从而如果由于转移弧电极和阳极板处于直接接触而存在短路，则关闭系统。如果在转移弧电极与阳极板之间存在比计划时限，诸如大约3秒更长的直接接触，则可使用此关闭系统。一旦电弧被触发，则在步骤3802处转移弧电极可提升到转移弧运行位置。在一些废物处理系统中，此位置可在阳电极之上大约25mm。在步骤3804处，转移弧电极可保持在此位置运行，直到容器2402到达预定温度。在一些废物处理系统中，此温度可大约为1000℃。在步骤3806处，转移弧电极可收缩到非转移弧位置，而非转移弧电极可移入容器2402内的位置中。在一些废物处理系统中，转移弧电极在步骤3806处的位置可稍稍在固体废物供给入口的上部之上，而容器2402内的非转移弧电极的末端可设置在转移弧电极之下。在步骤3808处，转移弧电极与非转移弧阳极之间的电弧启动。在步骤3610处，对容器2402内的温度进行监控，直至达到预定值。该预定温度可在大约600℃与大约800℃的范围之间。在步骤3812处，一旦已达到步骤3610的预定温度，则废物供给操作可以开始。
图39是一种无机残留物熔化的方法。当容器2402含有来自先前操作的固体残留物时，可使用无机残留物熔化工艺。无机残留物熔化运行可有助于将对电极的磨损减到最小、将能量消耗减到最小和/或使运行时间最优化。在步骤3900处，转移弧电极朝着容器2402底部的阳极板下降，电弧在器2402底部被触发。转移弧电极可在此位置运行，直到容器2402内的温度达到预定温度，诸如大约1400℃。转移弧电极可以此模式运行，直到容器2402内的基本所有的无机固体残留物已熔化。在步骤3902处，熔化的固体残留物可通过一个或多个出渣口从容器2402移除。
图40是一种处理无机和有机废物的方法。在步骤4000处，无机和有机废物可供应到容器2402。有机废物可以雾化的液体废物的形式提供。雾化液体废物可通过一个或多个空气雾化喷嘴注入容器2402中。可替代地，有机废物可从已经受电弧电极的能量的固体废物提取。此外在步骤4000处，无机和/或有机废物可通过废物供料室和废物供给入口2414供应到容器102。
在步骤4002处，废物可经受转移弧电极和非转移弧电极的能量，直到有机废物被气化并基本离解成其元素成分。有机废物的元素成分可包括固体碳(碳微粒)、氢气、氮和/或卤素。在一些废物处理系统中，气化的有机废物可经受预定停留时间，诸如大约2.0秒的加热系统的能量。气化有机废物可在容器2402中的同时经过气旋或基本气旋的路径。除了由于所供应的能量而离解的气化有机废物之外，气化有机废物的部分可由于其气旋或基本气旋运动而离解。随着气化有机废物在容器2402内的运动，气化有机废物颗粒中的部分可与其它气化有机废物和/或容器的侧面碰撞，这可导致离解。
在步骤4004处，可将氧气添加到元素成分以产生合成气体。在步骤4006处，氧气可与这些元素成分的部分结合以形成一氧化碳气体和/或二氧化碳气体。
在步骤4008处，可对合成气体中含有的能量进行回收，诸如用以形成用于商业用途的蒸汽、热水或在特别定制的气体发动机中使用以产生电能。合成气体可在进入二次反应室之前冷却。然后可对冷却气体进行调节、净化和/或准备用于商业用途。
随着容器内的温度的升高，由于一般的物理原理，容器2402内的内含物，诸如空气；水；和/或微粒可经历运动。当容器2402内的内含物运动时，内含物可遇到由容器2402的大体圆柱部或截头圆锥部2504的形状产生的边界。容器的形状和合成气排放喷嘴的位置可促进容器2402内的内含物的湍流/气旋或基本湍流/气旋流。一个或多个等离子体电极的设置可增强容器2402内的湍流/气旋或基本湍流/气旋流。容器2402内的湍流/气旋或基本湍流/气旋流可增加合成气体和夹带微粒的部分或基本全部可保持在湍流区内的时间量(例如，停留时间)。另外，湍流/气旋或基本湍流/气旋流可促进合成气体和微粒中的部分或基本全部向上反应室2502中的移动。
在上述的一些废物处理系统中，容器内的运行温度可在大约60到大约90分钟内达到，而在加热系统关闭之后，系统可自动冷却。
表1-6是可与废物处理系统100一起使用的示例性运行设计参数。然而，其它操作和/或构造也可实现。
Figure BPA00001190480500281
表1
表2
Figure BPA00001190480500283
表3
Figure BPA00001190480500291
表4
Figure BPA00001190480500292
表5
Figure BPA00001190480500293
表6
Figure BPA00001190480500301
Figure BPA00001190480500311
Figure BPA00001190480500321
表7
Figure BPA00001190480500322
Figure BPA00001190480500331
Figure BPA00001190480500341
表8
尽管已对本发明的不同实施例进行了描述，但是本领域中的技术人员将显而易见的是在本发明的范围内更多的实施例和实施方式是可能的。此外，尽管在说明书和/或附图中描述了各种尺寸，但是这些尺寸是示例值。预期的是在本发明的范围内可采用或大或小的尺寸。因此，除了根据所附权利要求及其等同物之外，本发明不是限制性的。

Claims (31)

1.一种处理废物的系统，包括：
容器，所述容器具有接收废物原料的敞开空间；
至少两个等离子体电极，每个所述等离子体电极延伸到所述容器中；以及
电极运动控制系统，其使所述至少两个等离子体电极的一部分自动设置在所述容器的所述敞开空间内，从而促进用以处理所述废物原料的热解过程。
2.根据权利要求1的系统，其中所述废物原料包括固体废物。
3.根据权利要求1的系统，其中所述废物原料包括半固体废物。
4.根据权利要求1的系统，其中所述废物原料包括液体废物。
5.根据权利要求1的系统，进一步包括联接到所述容器的废物供给系统。
6.根据权利要求5的系统，其中所述废物供给系统包括固体废物供给系统。
7.根据权利要求5的系统，其中所述废物供给系统包括液体废物供给系统。
8.根据权利要求1的系统，其中所述至少两个等离子体电极中的一个通过所述容器的顶部安装。
9.根据权利要求1的系统，其中所述至少两个等离子体电极中的一个通过所述容器的侧面安装。
10.根据权利要求1的系统，其中所述电极运动控制系统构造为设置所述至少两个等离子体电极以促进所述容器内的空气的气旋流。
11.根据权利要求1的系统，进一步包括二次反应室，在所述二次反应室中，由所述容器输出的合成气体转换成氮、氧、二氧化碳和水蒸气。
12.根据权利要求1的系统，其中所述电极运动控制系统构造为设置所述至少两个等离子体电极中的第一等离子体电极和第二等离子体电极间隔开以在所述容器内产生实质上恒定的温度。
13.根据权利要求12的系统，其中所述电极运动控制系统还构造为当所述第一等离子体电极和第二等离子体电极之间的工作电压下降到低于预定阈值时增加所述第一等离子体电极和第二等离子体电极之间的距离。
14.根据权利要求13的系统，其中所述第一等离子体电极和第二等离子体电极之间的距离包括10毫米至75毫米的范围。
15.根据权利要求13的系统，其中工作电压的所述预定阈值包括80伏至120 伏的值。
16.根据权利要求12的系统，其中所述电极运动控制系统还构造为当所述第一等离子体电极和第二等离子体电极之间的工作电压上升到高于预定阈值时减小所述第一等离子体电极和第二等离子体电极之间的距离。
17.根据权利要求16的系统，其中所述第一等离子体电极和第二等离子体电极之间的距离包括10毫米至75毫米的范围。
18.根据权利要求16的系统，其中工作电压的所述预定阈值包括80伏至120伏的值。
19.根据权利要求12的系统，其中所述第一等离子体电极和第二等离子体电极产生热量以将所述废物原料的有机分子离解成元素成分。
20.根据权利要求19的系统，其中所述容器包括比位于所述容器的下游的二次腔室少的大气。
21.根据权利要求12的系统，其中所述第一等离子体电极和第二等离子体电极产生热量以将所述废物原料的无机组分熔化。
22.根据权利要求1的系统，其中所述至少两个等离子体电极包括石墨。
23.一种处理废物处理容器中的废物的方法，包括：
将第一等离子体电极自动设置在废物处理容器内，所述第一等离子体电极延伸到所述废物处理容器的敞开空间内；
将第二等离子体电极自动设置在所述废物处理容器内，所述第二等离子体电极延伸到所述废物处理容器的所述敞开空间内；
在所述第一等离子体电极与所述第二等离子体电极阳极之间建立电弧连接；以及
自动改变所述第一等离子体电极与所述第二等离子体电极之间的间隙以在所述容器内产生基本恒定的温度。
24.根据权利要求23的方法，进一步包括将废物引入所述废物处理容器中。
25.根据权利要求24的方法，其中改变所述第一等离子体电极与所述第二等离子体电极之间的所述间隙以在所述容器内产生基本恒定的温度包括当所述第一等离子体电极与所述第二等离子体电极之间的运行电压下降到预定阈值之下时增加所述间隙。
26.根据权利要求24的方法，其中改变所述第一等离子体电极与所述第二 等离子体电极之间的所述间隙以在所述容器内产生基本恒定的温度包括当所述第一等离子体电极与所述第二等离子体电极之间的运行电压升高到预定阈值之上时减小所述间隙。
27.根据权利要求25的方法，进一步包括将所述废物的有机分子离解成元素成分，并且使所述元素成分中的至少部分重新形成碳基气体。
28.根据权利要求25的方法，进一步包括将所述废物的无机组分熔化成玻化基体。
29.根据权利要求27的方法，其中将所述废物的有机分子离解成元素成分包括使所述废物的所述有机分子经历由所述第一等离子体阴极和所述第二等离子体阳极在低氧环境中产生的等离子场。
30.根据权利要求23的方法，进一步包括利用电极运动控制系统控制所述第一等离子体电极阴极和所述第二等离子体电极阳极的设置。
31.根据权利要求23的方法，进一步包括在检测到所述第一等离子体电极与所述第二等离子体电极之间的短路时，切断通向所述第一等离子体电极的电源。 
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