CN107543175A - 一种等离子危废灰渣熔融装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种等离子危废灰渣熔融装置，所述装置包括炉底、炉墙和炉盖，其中，设置在所述炉墙和所述炉盖的耐火材料层包括包含有氧化铬的耐火材料的工作层。根据本发明的等离子危废灰渣熔融装置在耐火材料层的工作层中采用含氧化铬的重质材料，改善了等离子危废灰渣熔融装置的抗侵蚀、抗热震性能，大大延长了在熔渣和自由气化区域中的重金属和碱金属侵蚀环境下的使用寿命；同时，而对于等离子体电弧的辐射侵蚀，氧化铬重质耐火材料具有优异的抗侵蚀性能，解决了传统材料在等离子体作用下侵蚀速率过快的情况。

Description

一种等离子危废灰渣熔融装置

技术领域

本发明涉及危废处理领域，具体而言涉及一种等离子危废灰渣熔融装置。

背景技术

生活垃圾以及危险废弃物焚烧产生的飞灰和底渣均属于危险废弃物范畴，而目前针对于此类危险废弃物的处理方式主要为安全填埋，成本较高。现通过等离子熔融技术可以将飞灰和底渣无害化、减容化、资源化。

由于等离子炉内为高温腔体，需要使用耐火材料对其进行衬砌，以保证外界的操作环境以及避免热量的散失。由于等离子灰渣熔融炉的特殊性，对耐火材料有不同的要求。首先，等离子体电弧对于传统耐火材料有较强的侵蚀性，同时等离子体电弧在瞬间启动与停止，在便于控制的同时却给耐火材料带来了强烈的热震；其次，由于危废灰渣含有大量的钠钾钙等碱金属离子，呈现较强的碱性，加剧了对于耐火材料的侵蚀；另外，由于等离子体电弧的高温，导致对于耐火材料绝热性要求大幅提高。

目前的炉体耐火材料的设计通常使用高纯度氧化铝、氧化镁等材料的耐火砖、耐火浇注料或者其组合形式作为工作层，其通常的设计厚度约为200mm，外层为密排水冷管或水冷钢壳等水冷结构，耐火材料的冷面与水冷结构直接接触，耐火材料起到抵抗侵蚀的作用，其热量被冷却水带走。

由于熔融灰渣的碱性较强，在熔融玻璃体区域，由于受到熔浆的不断冲刷，同时受到熔融玻璃体中碱金属和重金属成分的作用，导致高纯度氧化铝、氧化镁等为基础的耐火材料侵蚀严重，通常寿命只有3-6个月；而在自由气化区，由于受到等离子电弧的辐射作用，另外由于熔浆中的碱金属元素的熔沸点均较低，容易挥发出来并在耐火材料工作层聚集，导致受到等离子体辐射以及受到碱金属元素侵蚀的部位寿命大大缩短。

同时，由于等离子体电弧的启停带来的巨大的热震冲击，一方面容易在炉壳与耐火材料的接触面形成缝隙，导致导热系数下降等问题，另一方面，热震容易在耐火材料表面形成细小裂缝，在为碱金属元素的侵入形成通路，加剧耐火材料的损耗。

为此，本发明提供了一种新的等离子危废灰渣熔融装置，用以解决现有技术中的问题。

发明内容

在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

本发明提供了一种等离子危废灰渣熔融装置，所述装置包括炉底、炉墙和炉盖，其中，所述炉墙和所述炉盖包括耐火材料层，所述耐火材料层包括包含有氧化铬的耐火材料的工作层。

示例性的，所述耐火材料层还包括设置在所述工作层外侧的绝热层。

示例性的，所述绝热层包括绝热浇注料、耐火砖或者两者的组合。

示例性的，所述耐火材料层还包括设置在所述绝热层外侧的柔性隔热层。

示例性的，所述柔性隔热层包括岩棉、耐火纤维、纳米隔热材料或者其中的组合。

示例性的，所述炉墙采用分段设置，所述炉墙包括位于所述炉墙上部与所述炉盖连接的上炉墙和位于所述炉墙下部与所述炉底连接的下炉墙。

示例性的，所述上炉墙与所述炉盖的所述耐火材料层形成一个整体。

示例性的，所述上炉墙和/或所述炉盖的所述工作层的氧化铬含量为55-95％。

示例性的，所述下炉墙的所述工作层的氧化铬含量为75-95％。

示例性的，所述绝热层包括由内而外依次设置的内绝热层和外绝热层，其中所述外绝热层具有较所述内绝热层低的相对密度。

示例性的，在所述上炉墙中，所述工作层厚度为100-300mm，所述内绝热层厚度为100-250mm，所述外绝热层厚度为100-200mm，所述柔性隔热层厚度为10-100mm。

示例性的，在所述下炉墙中，所述工作层厚度为100-300mm，所述内绝热层厚度为100-300mm，所述外绝热层厚度为100-200mm，所述柔性隔热层厚度为10-100mm。

示例性的，在所述炉盖中，所述工作层厚度为100-280mm，所述绝热层厚度为100-400mm，所述柔性隔热层厚度为10-100mm。

示例性的，所述装置还包括设置所述炉底的炉底耐火材料层，所述炉底耐火材料层采用镁砖复合碳元素粉末制备，其中，金属阳极贯穿所述炉底耐火材料层，所述金属阳极和所述炉底耐火材料层之间的接触面上还设置有石墨粉。

示例性的，所述装置还包括设置在所述炉墙和所述炉盖的耐火材料层的外侧面的炉壳。

示例性的，所述炉壳与所述耐火材料层之间设置有冷却系统。

示例性的，所述冷却系统设置为风冷系统。

根据本发明的等离子危废灰渣熔融装置在耐火材料层的工作层中采用含氧化铬的重质材料，改善了等离子危废灰渣熔融装置的抗侵蚀、抗热震性能，大大延长了在熔渣和自由气化区域中的重金属和碱金属侵蚀环境下的使用寿命；同时，而对于等离子体电弧的辐射侵蚀，氧化铬重质耐火材料具有优异的抗侵蚀性能，解决了传统材料在等离子体作用下侵蚀速率过快的情况。

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为根据本发明的实施例的一种等离子危废灰渣熔融装置的结构示意图；

图2为根据本发明的实施例的一种等离子危废灰渣熔融装置的炉墙上的耐火材料层的结构示意图。

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。

为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的描述，以说明本发明所提出的等离子危废灰渣熔融装置。显然，本发明的施行并不限于垃圾处理领域的技术人员所熟习的特殊细节。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。

应予以注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施例，而非意图限制根据本发明的示例性实施例。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式。此外，还应当理解的是，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。

现在，将参照附图更详细地描述根据本发明的示例性实施例。然而，这些示例性实施例可以多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的实施例。应当理解的是，提供这些实施例是为了使得本发明的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施例的构思充分传达给本领域普通技术人员。在附图中，为了清楚起见，夸大了层和区域的厚度，并且使用相同的附图标记表示相同的元件，因而将省略对它们的描述。

由于熔融灰渣的碱性较强，在熔融玻璃体区域，由于受到熔浆的不断冲刷，同时受到熔融玻璃体中碱金属和重金属成分的作用，导致高纯度氧化铝、氧化镁等为基础的耐火材料侵蚀严重，通常寿命只有3-6个月；而在自由气化区，由于受到等离子电弧的辐射作用，另外由于熔浆中的碱金属元素的熔沸点均较低，容易挥发出来并在耐火材料工作层聚集，导致受到等离子体辐射以及受到碱金属元素侵蚀的部位寿命大大缩短。

同时，由于等离子体电弧的启停带来的巨大的热震冲击，一方面容易在钢壳与耐火材料的接触面形成缝隙，导致导热系数下降等问题，另一方面，热震容易在耐火材料表面形成细小裂缝，在为碱金属元素的侵入形成通路，加剧耐火材料的损耗。

为此，本发明提供了一种新的等离子危废灰渣熔融装置，所述装置包括炉底、炉墙和炉盖，其中，所述炉墙和炉盖设置为多层设计的耐火材料层，其中，所述耐火材料层包括包含氧化铬的耐火材料的工作层。

根据本发明的等离子危废灰渣熔融装置采用在耐火材料层的工作层中含氧化铬的重质材料的工作层，改善了等离子危废灰渣熔融装置的抗侵蚀、抗热震性能，大大延长了在熔渣和自由气化区域中的重金属和碱金属侵蚀环境下的使用寿命；同时，而对于等离子体电弧的辐射侵蚀，氧化铬重质耐火材料具有优异的抗侵蚀性能，解决了传统材料在等离子体作用下侵蚀速率过快的情况。

下面参看图1和图2对本发明提出的等离子危废灰渣熔融装置进行描述，其中，图1为根据本发明的实施例的一种等离子危废灰渣熔融装置的结构示意图；图2为根据本发明的实施例的一种等离子危废灰渣熔融装置的炉墙上的耐火材料层的结构示意图。

等离子熔融是由电弧熔融发展而来的技术，利用电极间产生的高温高能量的等离子体使灰渣熔融。如图1所示，等离子危废灰渣熔融装置包括由炉顶部插入至炉内预定位置的阴极，位于炉底的金属阳极，其中阴极和阳极之间由于高压电压产生电弧，将电极周围的空气电离形成等离子体，使炉内温度迅速升高，其中，炉内有机物灰渣分解成氢和其他简单的化合物转化为气体形成自由气化区，使得炉内玻璃、金属等无机成分融化通形成熔融玻璃体。继续参看图1，本发明提供的等离子危废灰渣熔融装置包括炉底、炉墙和炉盖，其中，设置在所述炉墙和所述炉盖的耐火材料层包括包含有氧化铬的耐火材料的工作层。所述工作层为设置在所述等离子危废灰渣熔融装置内壁的层，与熔融液体、等离子体以及高温气化区直接接触，在工作层中采用含氧化铬的重质材料的耐火材料，改善了等离子危废灰渣熔融装置的抗侵蚀、抗热震性能，大大延长了在熔渣和自由气化区域中的重金属和碱金属侵蚀环境下的使用寿命；同时，而对于等离子体电弧的辐射侵蚀，氧化铬重质耐火材料具有优异的抗侵蚀性能，解决了传统材料在等离子体作用下侵蚀速率过快的情况。

示例性的，所述工作层为氧化铬含量为75％-95％的重质浇注料、耐火砖或者其组合形式构成，相对密度为2.5-3.5，其主要作用是承受碱金属元素侵蚀，以及出渣过程中熔融玻璃体对其表面进行的冲刷，随着氧化铬含量的提高，耐火材料抗侵蚀、冲刷以及抗热震的性能呈现上升趋势。此层热面工作温度为1400-1650℃，设计厚度可以为100-300mm，冷面温度为800-1000℃，此工作层的孔隙率需要控制在3％以下，以减少熔渣中的重金属元素和碱金属元素对其的侵蚀。

示例性的，所述炉墙采用分段设置，所述炉墙包括与位于所述炉墙上部所述炉盖连接的上炉墙和位于所述炉墙下部与所述炉底连接的下炉墙。所述上炉墙与自由气化区接触，所述下炉墙与玻璃熔体接触，通过将所述炉墙分段涉及，可以根据上炉墙和下炉墙在炉内接触的区域不同，受侵蚀和温度的分布不同，分别设置上炉墙和下炉墙的耐火材料层等，一方面进一步提升炉墙的抗侵蚀性能，另一方面减少不必要的损耗，减少生产成本。示例性的，所述上炉墙与所述炉盖的所述耐火材料层形成一个整体。继续参看图1，所述炉墙包括上炉墙和下炉墙，所述上炉墙与所述炉盖的所述耐火材料层形成一个整体。将所述上炉墙和所述炉盖的耐火材料层形成一个整体，一方面减少耐火材料堆砌过程中的缝隙形成，减少炉墙和炉盖内壁工作层发生腐蚀的几率，另一方面减少等离子体电弧的启停带来的热震冲击过程中形成缝隙的几率，进一步减少工作层发生腐蚀的几率；同时，还简化耐火材料的堆砌过程，减少生产成本。

示例性的，所述耐火材料层还包括设置在所述工作层外侧的绝热层。如图2所示，在工作层外侧设置有绝热层，所述绝热层用以承受工作层的热面温度，将所述工作层与外界环境进行隔热，降低炉墙温度。示例性的，所述绝热层包括内绝热层和外绝热层。继续参看图2，绝热层包括在所述炉墙上由内而外依次设置的内绝热层和外绝热层。所述内绝热层将工作层的热面温度进行初步隔离，所述外绝热层进一步阻隔热量的传导。

示例性的，所述耐火材料层还包括设置在所述绝热层外侧的柔性隔热层。继续参看图2，在绝热层的外侧设置有柔性隔热层，所述柔性隔热层用以吸收因温度变化导致的炉墙体积膨胀发生的变化，同时进一步降低炉墙温度。

在一个示例中，炉墙包括上炉墙和下炉墙，其中，下炉墙的工作层由氧化铬含量为75％-95％的氧化铬重质浇注料、耐火砖或者其组合形式构成，相对密度为2.5-3.5，其主要作用是承受碱金属元素侵蚀，以及出渣过程中熔融玻璃体对其表面进行的冲刷，随着氧化铬含量的提高，耐火材料抗侵蚀、冲刷以及抗热震的性能呈现上升趋势。此层热面工作温度为1400-1650℃，设计厚度可以为100-300mm，冷面温度为800-1000℃，此工作层的孔隙率需要控制在3％以下，以减少熔渣中的重金属元素和碱金属元素对其的侵蚀。内绝热层由中密度绝热浇注料、耐火砖或者其组合形式构成，相对密度为1.5-2.5，其主要作用是承受工作层热面温度，并起到绝热作用，厚度为100-300mm，热面温度为800-1000℃，冷面温度为400-700℃；外绝热层由轻质绝热浇注料、耐火砖或者其组合形式构成，其作用为进一步隔绝热量的传导，相对密度为1-2.2，厚度为100-200mm，热面温度为400-700℃，冷面温度为300℃以下。柔性隔热层由岩棉、耐火纤维、纳米隔热材料或者其组合形式构成，厚度为10-100mm，其作用为吸收随着热膨胀不均产生的体积变化，同时将炉外壳温度进一步降至80℃以下。

在上炉墙中，由于其不与玻璃熔融体直接接触，与下炉墙的设计有所不同，其中，工作层由氧化铬含量为55％-95％的重质浇注料、耐火砖或者其组合形式构成，相对密度为2.5-3.5，厚度为100-280mm，其主要作用是承受自由气化区的碱金属元素侵蚀，以及等离子电弧的辐射侵蚀和热震伤害，与下炉墙相同，随着氧化铬含量的提高，耐火材料抗侵蚀、冲刷以及抗热震的性能呈现上升趋势，在工作中，此层的热面温度为1000-1200℃，涉及厚度为100-280mm，冷面温度为700-900℃；同时，由于下炉墙的工作层不与玻璃熔体直接接触，工作层的热面温度相对较低，从而可设计厚度相对上炉墙的内绝热层较薄的内绝热层，减少生产成本，示例性的，由中密度绝热浇注料、耐火砖或者其组合形式构成，相对密度为1.5-2.5，热面温度为700-900℃，冷面温度为350-600℃，厚度为100-250mm；外绝热层由轻质绝热浇注料、耐火砖或者其组合形式构成，相对密度为1-2.2，热面温度为350-600℃，冷面温度为250℃以下，厚度为100-200mm；柔性隔热层由岩棉、耐火纤维、纳米隔热材料或者其组合形式构成，其作用为吸收随着热膨胀产生的体积变化，同时将炉外壳温度降至80℃以下，其厚度为10-100mm。

在炉盖的耐火材料层中，工作层由氧化铬含量为55％-95％的重质浇注料、耐火砖或者其组合形式构成，相对密度为2.5-3.5，厚度为100-280mm，其主要作用是承受自由气化区的碱金属元素侵蚀，以及等离子电弧的辐射侵蚀和热震伤害，在工作中，此层的热面温度为1000-1200℃，涉及厚度为100-280mm，冷面温度为700-900℃；绝热层可以设置为单层或者与下炉墙相同的双层或者多层结构，示例性的，绝热层设计为单层由中密度绝热浇注料、耐火砖或者其组合形式构成，相对密度为1.5-2.5，热面温度为700-900℃，冷面温度为350-600℃，厚度为100-250mm；柔性隔热层由岩棉、耐火纤维、纳米隔热材料或者其组合形式构成，其作用为吸收随着热膨胀产生的体积变化，同时将炉外壳温度降至80℃以下，其厚度为10-100mm。

需要理解的是，本实施例中，工作层、内绝热层、外绝热层以及柔性隔热层的厚度，密度等参数仅仅是示例性的，本领域技术人员可以根据需要进行选择。同时，优选的，综合考虑各层的厚度，其中工作层的厚度与其侵蚀周期呈正相关，因此，将工作层的寿命设计为检修周期的倍数，以便在停炉检修时对工作层进行检修和修补。

示例性的，所述等离子危废灰渣熔融装置的炉底的耐火材料层采用镁砖复合碳元素粉末制备。如图1所示，所述炉底的耐火材料上部与熔渣底部的金属导电层接触，并由电极的阳极贯穿其中。炉底的耐火材料层采用镁砖符合碳元素粉末制备，以捣打料的形式与阳极电极结合，炉底电极耐火材料的下部与下炉墙耐火材料的延伸部分接触。此部分由于受到导电金属层的保护，受到的侵蚀较弱，但由于与金属电极接触，而金属电极为风冷形式，为了避免热膨胀造成的间隙，其接触面加入石墨粉，一方面增加炉底电极导电的均匀性，一方面在热膨胀发生时起到填充缝隙和减少滑动摩擦的作用。

示例性的，所述等离子危废灰渣熔融装置还包括设置在所述炉墙和炉盖的耐火材料层的外侧面的炉壳，用以隔绝耐火材料层与外界环境，防止耐火材料的高温对坏境的损害和污染。继续参看图2，在柔性隔热材料外侧设置有炉壳。示例性的，所述炉壳可以是任何材料，如钢等，实现。示例性的，所述炉壳上设置有冷却系统，用以冷却所述耐火材料层的外侧表面，减少耐火材料层，如绝热层或柔性隔热层，的厚度。示例性的，所述冷却系统采用风冷系统。采用风冷系统，可减少现有技术中采用水冷层而使炉体中的月占比30-60％的输入能量被冷却水带走，导致整个等离子炉体的综合热效率低(只有50％左右)的缺点。示例性的，所述风冷系统可以采用在所述炉壳与所述耐火材料层之间设置通风装置，如通风机，的方式实现。

根据本发明的等离子危废灰渣熔融装置在耐火材料层的工作层中采用含氧化铬的重质材料，改善了等离子危废灰渣熔融装置的抗侵蚀、抗热震性能，大大延长了在熔渣和自由气化区域中的重金属和碱金属侵蚀环境下的使用寿命；同时，而对于等离子体电弧的辐射侵蚀，氧化铬重质耐火材料具有优异的抗侵蚀性能，解决了传统材料在等离子体作用下侵蚀速率过快的情况。

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 (17)

1.一种等离子危废灰渣熔融装置，其特征在于，所述装置包括炉底、炉墙和炉盖，其中，所述炉墙和所述炉盖包括耐火材料层，所述耐火材料层包括包含有氧化铬的耐火材料的工作层。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述耐火材料层还包括设置在所述工作层外侧的绝热层。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述绝热层包括绝热浇注料、耐火砖或者两者的组合。

4.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述耐火材料层还包括设置在所述绝热层外侧的柔性隔热层。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述柔性隔热层包括岩棉、耐火纤维、纳米隔热材料或者其中的组合。

6.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述炉墙采用分段设置，所述炉墙包括位于所述炉墙上部与所述炉盖连接的上炉墙和位于所述炉墙下部与所述炉底连接的下炉墙。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述上炉墙与所述炉盖的所述耐火材料层形成一个整体。

8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述上炉墙和/或所述炉盖的所述工作层的氧化铬含量为55-95％。

9.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述下炉墙的所述工作层的氧化铬含量为75-95％。

10.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述绝热层包括由内而外依次设置的内绝热层和外绝热层，其中所述外绝热层具有较所述内绝热层低的相对密度。

11.如权利要求10所述的装置，其特征在于，在所述上炉墙中，所述工作层厚度为100-300mm，所述内绝热层厚度为100-250mm，所述外绝热层厚度为100-200mm，所述柔性隔热层厚度为10-100mm。

12.如权利要求10所述的装置，其特征在于，在所述下炉墙中，所述工作层厚度为100-300mm，所述内绝热层厚度为100-300mm，所述外绝热层厚度为100-200mm，所述柔性隔热层厚度为10-100mm。

13.如权利要求4所述的装置，其特征在于，在所述炉盖中，所述工作层厚度为100-280mm，所述绝热层厚度为100-400mm，所述柔性隔热层厚度为10-100mm。

14.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括设置所述炉底的炉底耐火材料层，所述炉底耐火材料层采用镁砖复合碳元素粉末制备，其中，金属阳极贯穿所述炉底耐火材料层，所述金属阳极和所述炉底耐火材料层之间的接触面上还设置有石墨粉。

15.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括设置在所述炉墙和所述炉盖的耐火材料层的外侧面的炉壳。

16.如权利要求15所述的装置，其特征在于，所述炉壳与所述耐火材料层之间设置有冷却系统。

17.如权利要求16所述的装置，其特征在于，所述冷却系统设置为风冷系统。