CN107020293A - 一种用于废弃物熔融的新型双电极直流电弧系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于废弃物熔融的新型双电极直流电弧系统；解决的技术问题：针对背景技术中提及的现有双电极电弧技术存在的技术不足。采用的技术方案：一种用于废弃物熔融的新型双电极直流电弧系统，包括熔融炉，设置飞灰进料口和排渣口的熔融炉体，竖直插入到炉体内的双电极且竖直插入炉体的双电极的间距大于熔池高度两倍以上，两只电极的分别接在直流电源的阴极和阳极上，一一对应于双电极用来调节双电极相对于熔池表面的高度的两个升降系统，在炉体的底部设置炉底导电件，炉底导电件的电导率高于熔融废弃物两个量级以上。优点：本用于废弃物熔融的新型双电极直流电弧系统，改善了熔池内的电流分布，能更加有效的实现对飞灰熔池的熔融。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于废弃物熔融的新型双电极直流电弧系统。
背景技术
直流电弧熔融技术是目前比较常用的废弃物熔融炉方式。现有的单电极直流电弧(以下统称为单电极电弧)继承自直流炼钢炉技术，存在炉底电极难以维护、单电极对熔池熔融能力不足等问题。双电极直流电弧(以下统称为双电极电弧)熔融技术，如日立造船的JPH08240306和JP2003336826，以及Tetronics公司的US2010/0078409等专利，无需炉底电极，且在引弧、熔融等方面具有更好的工艺灵活性。另外，TAKUMA公司的JPH09243267A论述了使用双电极系统防止排渣口冷却的技术，也可以视为双电极电弧技术的一个变种。总的来说，双电极直流电弧技术拥有相较单电极电弧技术更优越的技术能力，正在逐渐得到更多的应用。
图1是现有双极电弧系统熔融飞灰的结构示意图。图1中，电源15的阳极连接电极11b，电流从电极11b端部流出，经阳极电弧弧柱14b进入熔池，经路径11、12、13所示线路，流经熔池16表面17附近几个厘米的薄层，再流至阴极电弧弧柱14a，进入电极11a端部，最终回到电源15的阴极。飞灰从进料方向投入熔池，经充分熔融后，从排渣方向溢流离开熔融炉1。注意，图中只显示了一种可能的构型，电极11a也可为正极，电极11b为负极，电流经与上述描述相反的路径流通。
双电极电弧技术，依靠电弧传热和电流流经熔池表面的焦耳热对飞灰熔池16加热。实验证明，熔池的焦耳热是飞灰熔融的主要热源。现有双电极系统中，焦耳热集中分布在两极附近的熔池表面，难以对熔池边缘(包括飞灰进料区域)和接近炉底位置等区域有效加热。这不利于提高和优化飞灰的熔融速率，进而影响熔融炉的处理能力和能耗。
该问题来源于没有充分考虑作为溶融物的飞灰与钢水的物性差别。物性差别带给双电极电弧系统的问题有：
1、熔池的焦耳热，主要分布在熔池表层几个厘米深度。由于飞灰的流动性和导热率较低，很难依靠熔池自身的传导热将热源热量输送至远离电弧的区域和接近炉底的位置；
2、熔池电流在熔池表面附近集中分布。依靠弧电流和电极位置(通过升降装置12a和12b)等参数做调整，将导致整个熔池的阻抗、电流分布和温度分布的变化，很难精确调整熔池局部的受热和温度。
3、同2，由于电流横向(平行于熔池表面)集中分布，电磁搅拌作用(图1种用半圆箭头标识)不明显，对熔池的搅拌不充分。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对背景技术中提及的现有双电极电弧技术存在的技术不足。
本发明的设计思想是，为解决上述问题，提出了一种用于废弃物熔融的新型双电极直流电弧系统；该技术针对上述不足，改善了熔池内的电流分布，能更加有效的实现对飞灰熔池的熔融。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种用于废弃物熔融的新型双电极直流电弧系统，包括熔融炉(2)，设置飞灰进料口和排渣口的熔融炉体(23)，竖直插入到炉体(23)内的双电极(21a、21b)且竖直插入炉体的双电极的间距大于熔池高度两倍以上，，两只电极的分别接在直流电源(25)的阴极和阳极上，一一对应于双电极(21a、21b)用来调节双电极(21a、21b)相对于炉体高度的两个升降系统(22a、22b)，在炉体(23)的底部设置炉底导电件(28)，炉底导电件(28)的电导率高于熔融废弃物两个量级以上。
本发明的技术方案，本电弧系统可以适应不同组分和不同物性的废弃物，更加有效地实现对熔池熔渣的熔融，最大化熔融速率，并优化单位能耗。
对本发明技术方案的改进，双电极(21a、21b)沿熔融炉体(23)中轴线对称布置或者沿熔融炉体(23)中轴线偏心布置。
对本发明技术方案的改进，双电极(21a、21b)与飞灰进料口和排渣口排布在同一个经过中轴线的平面上。
对本发明技术方案的改进，飞灰进料口和排渣口排至在一个经过中轴线的平面上，双电极(21a、21b)所在平面与飞灰进料口和排渣口所在平面垂直。
对本发明技术方案的改进，熔融废弃物为焚烧炉焚烧底灰和飞灰或无机废弃物或危险废弃物或低放射性废弃物。
对本发明技术方案的改进，双电极(21a、21b)均由石墨制成的棒体，为中空石墨棒或实心石墨棒。
对本发明技术方案的改进，双电极(21a、21b)为中空石墨棒，在电极棒中空通道可以通入用于稳定电弧的工作气体；工作气体为氩气或氮气。
对本发明技术方案的改进，在熔融炉体(23)内设置引弧剂。
对本发明技术方案的改进，引弧剂引弧剂为钢球或焦炭。
对本发明技术方案的改进，炉底导电件(28)的厚度为200mm，采用导电耐火材料或石墨盘铺制。
本新型双电极电弧熔融方法的主要技术优点概括如下：
1、本发明的用于废弃物熔融的新型双电极直流电弧系统，熔池焦耳热加热的深度和宽度扩大，使熔池体积扩大。
2、本发明的用于废弃物熔融的新型双电极直流电弧系统，更强的熔池搅拌作用，有利于焦耳热向熔池边缘区域的输送。
3、本发明的用于废弃物熔融的新型双电极直流电弧系统，熔池内电流分布和热量分布可以通过参数做局部调整——可以灵活调整熔池内热量分布和温度分布。
4、本发明的用于废弃物熔融的新型双电极直流电弧系统，卷吸作用显著加快了熔池对飞灰的熔融能力，降低单位能耗。
附图说明
图1是现有双极电弧系统熔融飞灰的结构示意图。
图2是本发明双电极直流电弧系统熔融飞灰的结构示意图。
图3是第二种实施方式所述的双电极布置示意图。
具体实施方式
下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
为使本发明的内容更加明显易懂，以下结合附图1-图3和具体实施方式做进一步的描述。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图2所示，用于废弃物熔融的新型双电极直流电弧系统，包括熔融炉2，设置飞灰进料口和排渣口的熔融炉体23，竖直插入到熔融炉体23内的双电极21a、21b且竖直插入炉体的双电极的间距大于熔池高度两倍以上，，两只电极的分别接在直流电源25的阴极和阳极上，一一对应于双电极21a、21b用来调节双电极21a、21b相对于炉体高度的两个升降系统22a、22b，在熔融炉体23的底部设置炉底导电件28，炉底导电件28的电导率高于熔融废弃物两个量级以上。如图2所示，双电极21a、21b沿熔融炉23中轴线对称布置，并与飞灰进料口和排渣口排布在一个经过中轴线的平面上。两只电极21a、21b分别接在直流电源25的阴阳极，由于炉底导电件28的电阻率比飞灰熔渣小数个量级，电流从第一电极21b端部流出，经阳极电弧24b、路径一21、路径二22、路径三23和阴极电弧24a的回路流至电极21a的端部，最终回到直流电源25的阳极。
本实施例，熔池内的电流并不像现有双电极直流电弧系统那样，直接连通两只电极的电弧弧柱。而是通过炉底导电件28实现电流的连续。相较现有双电极电弧熔融技术，该布局带来以下几个显著优势：
1、电流和焦耳热贯穿整个熔池26，有效增加了熔融区域的深度。
2、电流在熔池内分布呈上小下大的喇叭口型分布，形成强烈的电磁搅拌作用(如图2中半圆箭头所示)。其作用分布于电极外侧和电极之间，使焦耳热输送至熔池边缘区域(包括进料附近区域和排渣口附近区域)，增加了熔融区域的宽度。
3、熔池内电流等效于两个串联电阻。对路径一21所做的调节不会影响路径三23附近区域的物理场(包括电流场、速度场和温度场)。比如，调节第一电极21b的高度会改变路径一21的电流分布，但几乎不影响路径三23。表1是调整第一电极21b弧长引起的熔池内电压分布变化。可见改变某支电极的工艺参数只会影响该电极路径下的物理场分布——这就为我们灵活调整熔池内局部区域的热量和温度分布提供了可能；
表1. 3000A电流条件下调整弧长对不同路径电压和焦耳热分布的影响
4、另外，由于进料口更靠近电极(也即热源)，因受由电磁搅拌引起的卷吸作用，飞灰原料被快速输送至电弧24与熔池表面27相交位置附近的高温区，并长时间停留在两极之间区域，充分熔融。这显著加快了熔池对飞灰的熔融能力，降低单位能耗。
第一实施例：
作为一种实施方式，双电极沿熔融炉中轴线对称布置，并与飞灰进料口和排渣口排布在一个经过中轴线的平面上，如图2所示。
双电极的典型材料为石墨，形态为棒状。可以采用中空石墨棒，也可采用实心石墨棒。采用中空石墨棒时，电极棒中空通道可以通入工作气体，用于稳定电弧。典型的工作气体为氩气、氮气；采用实心石墨电极时，无需工作气体。底导电件28采用导电耐火材料或石墨盘铺制，典型厚度为200mm。炉体内放入一定量的引弧剂(典型的为钢球或者焦炭)，通过升降系统22a、22b将两只电极21a、21b与引弧剂接触起弧。拉起电极维持电弧，待引弧剂完全熔化形成熔池后，不断投入飞灰原料使其熔融。待熔池升高至排渣口水平位置时，充分熔融的飞灰熔渣经溢流流出排渣口并被冷却。
第二实施例：
作为第二种实施方式，双电极21a和21b沿熔融炉中轴线对称布置，飞灰进料口和排渣口排至在一个经过中轴线的平面上。双电极所在平面与飞灰进料口、排渣口所在平面垂直，如图3所示。双电极和底导电件28同实施方式一。不同于实施方式一，通过升降系统22a、22b与石墨盘接触起弧，拉起电极维持电弧，待石墨红热后投入飞灰原料，使其熔融。待熔池升高至排渣口水平位置时，充分熔融的飞灰熔渣经溢流流出排渣口并被冷却。
根据上述的两个实施方案所述，本系统可以更加有效的实现对飞灰熔池的熔融，最大化熔融速率，并优化单位能耗。
综上所述，相比现有技术，本文所述新型双电极电弧熔融方法的主要技术优点概括如下：
1、熔池焦耳热加热的深度和宽度扩大，使熔池体积扩大；
2、更强的熔池搅拌作用，有利于焦耳热向熔池边缘区域的输送；
3、熔池内电流分布和热量分布可以通过参数做局部调整——可以灵活调整熔池内热量分布和温度分布；
4、卷吸作用显著加快了熔池对飞灰的熔融能力，降低单位能耗。
在本文叙述的框架下，弧长，电流共同决定炉子的工艺参数。并且，改变弧长可以有效改变熔池内的功率分布，调整电流和弧长组合，可以找到最合适的工艺参数点，使整个炉体的温度场和流场分布达到最佳。
应当理解，上述实施方式只是用于举例和说明之目的，而非将本发明限制于所描述的实施方式范围内。本领域技术人员可以理解，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明思路还可衍生更多的变形和修改，这些变形和修改均在本发明保护范围之内。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。
Claims (10)
1.一种用于废弃物熔融的新型双电极直流电弧系统，其特征在于，包括熔融炉(2)，设置飞灰进料口和排渣口的熔融炉体(23)，竖直插入到炉体(23)内的双电极(21a、21b)且竖直插入炉体的双电极(21a、21b)的间距大于熔池高度两倍以上，两只电极的分别接在直流电源(25)的阴极和阳极上，一一对应于双电极(21a、21b)用来调节双电极(21a、21b)相对于炉体高度的两个升降系统(22a、22b)，在炉体(23)的底部设置炉底导电件(28)，炉底导电件(28)的电导率高于熔融废弃物两个量级以上。
2.如权利要求1所述的用于废弃物熔融的新型双电极直流电弧系统，其特征在于，双电极(21a、21b)沿熔融炉体(23)中轴线对称布置或者沿熔融炉体(23)中轴线偏心布置。
3.如权利要求2所述的用于废弃物熔融的新型双电极直流电弧系统，其特征在于，双电极(21a、21b)与飞灰进料口和排渣口排布在同一个经过中轴线的平面上。
4.如权利要求2所述的用于废弃物熔融的新型双电极直流电弧系统，其特征在于，飞灰进料口和排渣口排至在一个经过中轴线的平面上，双电极(21a、21b)所在平面与飞灰进料口和排渣口所在平面垂直。
5.如权利要求1所述的用于废弃物熔融的新型双电极直流电弧系统，其特征在于，熔融废弃物为焚烧炉焚烧底灰和飞灰或无机废弃物或危险废弃物或低放射性废弃物。
6.如权利要求1所述的用于废弃物熔融的新型双电极直流电弧系统，其特征在于，双电极(21a、21b)均由石墨制成的棒体，为中空石墨棒或实心石墨棒。
7.如权利要求6所述的用于废弃物熔融的新型双电极直流电弧系统，其特征在于，双电极(21a、21b)为中空石墨棒，在电极棒中空通道可以通入用于稳定电弧的工作气体；工作气体为氩气或氮气。
8.如权利要求1所述的用于废弃物熔融的新型双电极直流电弧系统，其特征在于，在熔融炉体(23)内设置引弧剂。
9.如权利要求8所述的用于废弃物熔融的新型双电极直流电弧系统，其特征在于，引弧剂引弧剂为钢球或焦炭。
10.如权利要求1所述的用于废弃物熔融的新型双电极直流电弧系统，其特征在于，炉底导电件(28)的厚度为200mm，采用导电耐火材料或石墨盘铺制。
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