CN106563690A - 基于等离子弧技术的飞灰等离子熔融炉 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于等离子弧技术的飞灰等离子熔融炉，所述等离子熔融炉包括炉体、设置于所述炉体侧壁靠近所述炉体底部位置的内部的电阻加热棒、由所述炉体顶部中央插入炉腔的石墨电极以及设置于所述炉腔内且一端与所述电阻加热棒相连的炉底阳极，所述炉体顶部设置有物料入口和烟气出口，所述炉体底部设置有炉渣出口和金属渣出口。根据本发明，可以从根本上解决垃圾焚烧飞灰减量化、无害化、资源化的问题。

Description

基于等离子弧技术的飞灰等离子熔融炉

技术领域

本发明涉及垃圾焚烧处理领域，具体而言涉及一种基于等离子弧技术的飞灰等离子熔融炉。

背景技术

垃圾焚烧在我国呈现良好的发展势头，被认为是我国处理城市垃圾的一个重要方向。垃圾焚烧会产生大量飞灰，约占垃圾焚烧总量的3％～5％，飞灰中含有大量的重金属和二噁英会带来新的环境问题。《国家危险废物名录》已经明确规定垃圾焚烧飞灰为危险废物，如何实现这类二次污染物的妥善处置已成为垃圾焚烧行业亟待解决的问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于等离子弧技术的飞灰等离子熔融炉，所述等离子熔融炉包括炉体、设置于所述炉体侧壁靠近所述炉体底部位置的内部的电阻加热棒、由所述炉体顶部中央插入炉腔的石墨电极以及设置于所述炉腔内且一端与所述电阻加热棒相连的炉底阳极，所述炉体顶部设置有物料入口和烟气出口，所述炉体底部设置有炉渣出口和金属渣出口。

在一个示例中，所述石墨电极的数量为一个，所述炉底阳极的数量为两个，分别靠近所述炉渣出口和所述金属渣出口。

在一个示例中，所述炉底电极采用导电的耐火材料，以增加热量分布的均匀性。

在一个示例中，所述炉体顶部和所述炉体侧壁的内部均设置有水冷壁，采用水冷保护炉内的耐火材料。

在一个示例中，等离子体在所述石墨电极和所述炉底阳极之间产生，工作气体采用氮气，以形成还原性气氛，有利于消除二噁英及回收金属。

在一个示例中，按一定比例混合均匀后的飞灰和添加剂经所述物料入口进入所述等离子熔融炉，被所述等离子体产生的5000℃～8000℃的高温电弧迅速熔融而形成熔融玻璃液。

在一个示例中，所述电阻加热棒产生的电阻热与所述等离子体共同将所述熔融玻璃液的温度维持在1450℃～1600℃。

在一个示例中，所述熔融玻璃液由所述炉渣出口流出，冷却后形成玻璃渣，熔融后的金属由所述金属渣出口流出，冷却后形成金属合金。

在一个示例中，所述炉体底部设置有焦耳热熔炉，以保证位于所述炉腔中的熔融池内温度均匀，防止所述熔融玻璃液的下层冷却。

本发明提供的基于等离子弧技术的飞灰等离子熔融炉，可以从根本上解决垃圾焚烧飞灰减量化、无害化、资源化的问题，相比现有技术，该飞灰等离子熔融炉具有以下优点：

(1)采用基于石墨电极的等离子弧技术，电极无需水冷，热损失较小，从而产生高的点热转换效率，使飞灰处理的运行成本大大降低；而且不会有水渗漏到等离子熔融炉中，因此更加安全；

(2)炉底电极采用导电的耐火材料，导电的耐火材料均匀的分布于炉底，可以增加热量分布的均匀性；

(3)在等离子熔融炉底部设置一个焦耳热锅炉，可以保证熔融态物质在炉底的温度，从而不会被冷却，可以顺畅地流出等离子熔融炉；

(4)采用水冷炉壁，保护耐火材料，可以使等离子熔融炉稳定得长时间运行；

(5)使用氮气作为等离子熔融炉的工作气体，形成还原性气氛，有利于消除二噁英及回收金属。

附图说明

本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。

附图中：

图1为本发明提出的基于等离子弧技术的飞灰等离子熔融炉的示意性剖面图；

图2为应用本发明提出的基于等离子弧技术的飞灰等离子熔融炉的垃圾焚烧飞灰等离子熔融处理系统的工艺路线示意图。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

为了彻底了解本发明，将在下列的描述中提出详细的方法步骤和/或结构。显然，本发明的施行并不限定于本领域的技术人员所熟悉的特殊细节。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

应当理解的是，本发明能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本发明的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大。自始至终相同附图标记表示相同的元件。

应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或附加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。

垃圾焚烧飞灰是垃圾焚烧过程中排出的微小颗粒，其中含有重金属、二噁英等物质，属于危险废物。我国的《危险废物污染防治技术政策》(国家环境保护总局，2001)中第9条对飞灰的规定：不得在产生地长期贮存；不得进行简易处置及排放。垃圾焚烧烟气净化系统捕集物和烟道沉降的底灰构成飞灰，飞灰在产生地必须进行必要的稳定化和固化处理之后方可运输，所述稳定化是指利用药剂与飞灰中的重金属等物质发生化学反应(例如溶解、沉淀、螯合等)，将污染物转变成溶解度小和化学性质稳定的物质，所述固化是指利用造粒设备使稳定化后的飞灰成型并具有一定的强度。

垃圾焚烧飞灰的处理技术很多，主要有水泥固化、化学药剂稳定化、酸溶剂提取、熔融固化等。其中，由于具有化学性质稳定、无二次污染问题等优点，熔融固化技术被认为是目前最为先进的垃圾焚烧飞灰处理方法，在减量化、无害化、资源化上均有很大优势。该技术是在1300℃～1500℃的高温条件下，将飞灰中的有机物分解、气化，而无机物熔融成玻璃质熔渣。该技术可以最大限度地实现灰渣减容，同时实现重金属稳定化和彻底消除二噁英污染物，而且玻璃化后的飞灰可以用作建筑或铺路材料，有效地实现了废物的资源化利用。

由于熔融固化技术对高温和还原气氛的要求较高，目前广泛采用的技术主要包括富氧焦炭技术、电熔融技术和等离子熔融技术等。富氧焦炭技术主要来源于钢铁冶金技术，该技术主要依靠焦炭在富氧环境下产生的高温将飞灰进行熔融，对焦炭的消耗量较高。电熔融技术采用电加热器替代焦炭产生热源，但存在设备侵蚀、加热元件更换复杂的问题。等离子熔融技术主要分为炬技术和弧技术，前者主要依靠等离子火炬产生的高温气体对物料进行加热，后者通过阴阳极间产生的高温电弧对物料进行加热。由于等离子熔融技术具有能量效率高、生产过程清洁、不使用焦炭等优点，目前正受到越来越多研究者的重视。

但是，现有的等离子飞灰熔融处理方法及装置还存在明显的缺陷。现有的等离子飞灰熔融处理装置多采用金属电极的等离子炬技术，需要水冷，不仅造成电热转换效率低，而且极易造成冷却水渗漏到等离子熔融炉中，带来安全隐患；目前的等离子炬技术，需要大量的工作气体，造成二次飞灰的产生量较大，增加了气体显热损失，降低热效率，增加处理成本；处理量只能达到10吨/天到30吨/天，不能满足垃圾焚烧飞灰处理量日益增长的需求。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于等离子弧技术的飞灰等离子熔融炉，可以从根本上解决垃圾焚烧飞灰减量化、无害化、资源化的问题。

如图1所示，该等离子熔融炉的组成部分包括炉体、石墨电极、炉底阳极、水冷壁、电阻加热棒等。等离子熔融炉的炉体顶部设置有物料入口和烟气出口，炉体底部设置有炉渣出口和金属渣出口，炉体侧壁靠近炉体底部位置的内部设置有电阻加热棒，炉体顶部和炉体侧壁的内部均设置有水冷壁。石墨电极从炉体顶部中央插入炉腔，两个炉底阳极设置于炉腔内且分别靠近炉渣出口和金属渣出口，两个炉底阳极的一端均与电阻加热棒相连。等离子熔融炉采用基于石墨电极的等离子弧技术，大大降低了飞灰处理的能量消耗，炉底阳极采用导电的耐火材料，使热量分布更均匀。

按一定比例混合均匀后的飞灰和添加剂经物料入口进入等离子熔融炉，等离子体在石墨电极和炉底阳极之间产生，工作气体采用氮气，形成还原性气氛，有利于消除二噁英及回收金属。经由物料入口输入的混和物料被等离子体产生的5000℃～8000℃的高温电弧迅速熔融，形成的熔融玻璃液具有导电性，电阻加热棒产生的电阻热与等离子体共同将熔融玻璃液的温度维持在1450℃～1600℃。熔融玻璃液由炉渣出口流出，冷却后形成玻璃渣，熔融后的金属由金属渣出口流出，冷却后形成金属合金。

通过在等离子熔融炉的外围设置的水冷壁采用水冷保护炉内的耐火材料，以最大限度降低熔融玻璃液和等离子体对炉内耐火材料的侵蚀，延长等离子熔融炉的使用寿命，可以使等离子熔融炉稳定长时间运行。炉体底部设置焦耳热熔炉，可以保证位于炉腔中的熔融池内温度均匀，防止熔融玻璃液的下层冷却，确保熔融液体能够顺畅地流出等离子熔融炉，同时，焦耳热熔炉内部流淌着液态玻璃，以将最后落下的剩余有害物质包裹封存起来。

本发明提供的基于等离子弧技术的飞灰等离子熔融炉，可以从根本上解决垃圾焚烧飞灰减量化、无害化、资源化的问题，相比现有技术，该飞灰等离子熔融炉具有以下优点：

(1)采用基于石墨电极的等离子弧技术，电极无需水冷，热损失较小，从而产生高的点热转换效率，使飞灰处理的运行成本大大降低；而且不会有水渗漏到等离子熔融炉中，因此更加安全；

(2)炉底电极采用导电的耐火材料，导电的耐火材料均匀的分布于炉底，可以增加热量分布的均匀性；

(3)在等离子熔融炉底部设置一个焦耳热锅炉，可以保证熔融态物质在炉底的温度，从而不会被冷却，可以顺畅地流出等离子熔融炉；

(4)采用水冷炉壁，保护耐火材料，可以使等离子熔融炉稳定得长时间运行；

(5)使用氮气作为等离子熔融炉的工作气体，形成还原性气氛，有利于消除二噁英及回收金属。

作为示例，本发明提供的基于等离子弧技术的飞灰等离子熔融炉可以应用于如图2所示的垃圾焚烧飞灰等离子熔融处理系统，该系统包括：进料装置、等离子熔融炉、二燃室、急冷塔、活性炭喷射装置、布袋除尘器、盐酸发生器、湿法洗涤塔、蒸汽加热器、引风机等。

通过进料装置将垃圾焚烧过程产生的飞灰和包括诸如沙子在内的添加剂按一定比例混合均匀后，送入等离子熔融炉。飞灰贮存于飞灰仓，添加剂贮存于添加剂仓，通过卸料阀将飞灰仓中的飞灰送至飞灰计量装置进行飞灰称重，通过卸料阀和螺旋输送机将添加剂仓中的添加剂送至添加剂计量装置进行添加剂称重，飞灰计量装置和添加剂计量装置独立设置。按一定比例混合均匀后的飞灰和添加剂经由给料机从等离子熔融炉的顶部送入等离子熔融炉，同时，用于产生还原性气氛的工作气体也由等离子熔融炉的顶部送入等离子熔融炉，所述工作气体采用氮气。

等离子体产生于位于炉子顶部的不断消耗的石墨电极和位于炉子底部的电极之间，通常氮气作为等离子体工艺气体。等离子熔融炉内为微负压操作，炉内耐火材料被水冷却，以最大限度降低熔融玻璃液和等离子体对炉内耐火材料的侵蚀。通过进料装置输入的混和物料被等离子体产生的5000℃～8000℃的高温电弧迅速熔融，形成的熔融玻璃液具有导电性，产生的电阻热与等离子体共同将炉内熔融玻璃液的温度维持在1450℃～1600℃。

熔融玻璃液从等离子熔融炉下部的玻璃渣出口连续溢流出炉外，经冷却获得玻璃渣。回收的金属通过等离子熔融炉下部的金属渣出口排出炉外，经冷却获得金属合金。飞灰内的二噁英被高温等离子体及其产生的紫外射线以及熔融玻璃液几乎全部销毁。等离子熔融炉产生的烟气的流量非常低，每吨飞灰约产生200Nm³的烟气，从等离子体炉的上部排出的烟气的温度在1200℃左右。

从等离子熔融炉的上部排出的烟气被送入二燃室的下部，在1100℃左右的高温下将烟气中的CO、CH4等彻底氧化。为避免二噁英的再次生成，从二燃室的顶部排出的烟气将在急冷塔内迅速降温至180℃～200℃。随后，通过活性炭喷射装置将活性碳注入连接急冷塔和布袋除尘器的烟气管道，以吸收烟气中可能再次形成的微量二噁英。所有的二次飞灰(包括被烟气携带的没有被熔融的飞灰、挥发的盐等)将被布袋除尘器中的袋式过滤器捕获，二次飞灰一般可能占投入的飞灰的10％，为了降低二次飞灰的最终处置量，我们需要精确控制等离子体熔融炉的炉压，同时将部分二次飞灰重新熔融，这样有可能将二次飞灰最终控制在投入飞灰的3％左右(具体数值与投入飞灰的组分有关)。

经过布袋除尘器的过滤，烟气变得洁净，从而有利于用盐酸发生器回收烟气中的氯化氢气体。通过盐酸发生器回收的盐酸浓度为22％～31％(wt/wt)，其具体数值取决于飞灰中氯元素含量及盐酸发生器的设定值。从盐酸发生器上部排出的烟气进入湿法洗涤塔的下部，烟气中含有的SO₂和少量未被吸收的氯化氢气体被NaOH溶液中和。最后，无尘无酸的洁净烟气先经过蒸汽加热器加热再经由引风机并入垃圾焚烧主烟气净化系统处理后排放。蒸汽加热器将烟气加热至非饱和温度区间，使烟气不产生白雾。夏季室外温度较高、湿度小，白雾的浓度和扩散面积有限，可以视情况而定是否使用蒸汽加热器，通过设置蒸汽换热器旁路阀门来控制蒸汽加热器的开启和关闭。

本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims (9)

1.一种基于等离子弧技术的飞灰等离子熔融炉，其特征在于，所述等离子熔融炉包括炉体、设置于所述炉体侧壁靠近所述炉体底部位置的内部的电阻加热棒、由所述炉体顶部中央插入炉腔的石墨电极以及设置于所述炉腔内且一端与所述电阻加热棒相连的炉底阳极，所述炉体顶部设置有物料入口和烟气出口，所述炉体底部设置有炉渣出口和金属渣出口。

2.根据权利要求1所述的等离子熔融炉，其特征在于，所述石墨电极的数量为一个，所述炉底阳极的数量为两个，分别靠近所述炉渣出口和所述金属渣出口。

3.根据权利要求1或2所述的等离子熔融炉，其特征在于，所述炉底电极采用导电的耐火材料，以增加热量分布的均匀性。

4.根据权利要求1所述的等离子熔融炉，其特征在于，所述炉体顶部和所述炉体侧壁的内部均设置有水冷壁，采用水冷保护炉内的耐火材料。

5.根据权利要求1所述的等离子熔融炉，其特征在于，等离子体在所述石墨电极和所述炉底阳极之间产生，工作气体采用氮气，以形成还原性气氛，有利于消除二噁英及回收金属。

6.根据权利要求5所述的等离子熔融炉，其特征在于，按一定比例混合均匀后的飞灰和添加剂经所述物料入口进入所述等离子熔融炉，被所述等离子体产生的5000℃～8000℃的高温电弧迅速熔融而形成熔融玻璃液。

7.根据权利要求6所述的等离子熔融炉，其特征在于，所述电阻加热棒产生的电阻热与所述等离子体共同将所述熔融玻璃液的温度维持在1450℃～1600℃。

8.根据权利要求6所述的等离子熔融炉，其特征在于，所述熔融玻璃液由所述炉渣出口流出，冷却后形成玻璃渣，熔融后的金属由所述金属渣出口流出，冷却后形成金属合金。

9.根据权利要求6所述的等离子熔融炉，其特征在于，所述炉体底部设置有焦耳热熔炉，以保证位于所述炉腔中的熔融池内温度均匀，防止所述熔融玻璃液的下层冷却。