CN107601908A - 等离子电弧处理飞灰制造玻璃珠的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种等离子电弧处理飞灰制造玻璃珠的装置及方法，包括炉体，炉体底部固定于斜坡底座内部，斜坡底座的外侧焊接有外壁，外壁与炉体之间的空腔内装有冷却水，外壁的上部设置有进料口，外壁上部还设置有绝缘套，绝缘套内部插入石墨电极棒，石墨电极棒的上端连接机械臂，下端伸入炉体内部，石墨电极棒在机械臂的控制下上下移动。石墨电极棒接负电，斜坡底座接正电，通电后，石墨电极棒与炉体底部产生的等离子电弧将炉体内的飞灰加热形成熔融飞灰，正负极短路后，温度过高的熔融飞灰飞溅出炉体，落入冷却水中的熔滴淬火形成玻璃珠。本发明制造玻璃珠的方法使得处理飞灰后产生了高附加值产品，降低了处理飞灰的成本。

Description

等离子电弧处理飞灰制造玻璃珠的装置及方法

技术领域

本发明属于等离子电弧处理飞灰领域，尤其涉及一种等离子电弧处理飞灰制造玻璃珠的装置及方法。

背景技术

垃圾焚烧飞灰中含有大量的Cd、Cr、Ni、Pb等有害重金属物质，并且吸附了许多高毒性难降解的持久性有机污染物。因此，《国家危险废物名录》明确规定其为危险废物，必须经过稳定化、无害化处理。目前,较常用的垃圾焚烧飞灰的处理方法主要有分离技术、固化稳定化技术以及热处理技术。

等离子体技术作为一种近年来在工业中得到广泛应用的新技术，也可以用于垃圾焚烧飞灰的处理。与传统的热处理技术相比，热等离子体技术具有更高的温度和能量密度，可以实现飞灰的玻璃化，抑制重金属迁移，被认为是飞灰无害处理最有效的途径之一。

然而等离子处理飞灰成本极高，2MW的等离子设备一天最多处理飞灰30t，其电费每天将近四五万，而飞灰处理后的产物几乎没有利用价值，最多卖作铺路的石料，基本飞灰处理后的产物全部卖出去，每天的利润也打不到5000块钱，目前等离子处理飞灰必须得靠政府补贴，无法独立生存，严重限制了等离子处理飞灰的应用，因此急需一种处理飞灰后能够产生高附加值的产品以弥补等离子处理飞灰的成本。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种等离子电弧处理飞灰制造玻璃珠的装置，包括炉体，所述炉体底部固定于斜坡底座内部，所述炉体顶部高于所述斜坡座顶部，所述斜坡底座的外侧焊接有外壁，所述外壁与所述炉体之间的空腔内装有低于炉体顶部的冷却水，所述外壁的上部设置有进料口，所述进料口由外壁顶部伸入到所述炉体内部，所述外壁上部还设置有绝缘套，所述绝缘套内部插入石墨电极棒，所述石墨电极棒的上端连接机械臂，下端伸入炉体内部，所述石墨电极棒在机械臂的控制下沿绝缘套的轴向方向上下移动。

进一步地，所述石墨电极棒包括上连接端、气路和下连接端，其中，所述上连接端位于所述石墨电极棒的上端，并在所述上连接端的内表面设置有螺纹，所述下连接端位于所述石墨电极棒的下端，所述下连接端外表面设置有与所述上连接端相配合的螺纹，所述气路位于所述石墨电极棒的轴向中部，所述气路为上下贯通的通孔。

进一步地，所述斜坡底座的上表面由所述炉体外侧向下倾斜至所述外壁的内表面。

进一步地，所述外壁下端设置有出料门。

进一步地，所述外壁上端还设置有出气口和进水口。

进一步地，所述斜坡底座、炉体、外壁材料均为金属材料，所述斜坡底座接电源正极，所述石墨电极棒接电源负极，通电后，所述炉体底端与所述石墨电极棒之间产生等离子电弧。

优选地，所述斜坡底座的材料为不锈钢，所述炉体的材料为耐热钢，所述外壁的材料为不锈钢。

进一步地，所述石墨电极棒材料为高纯石墨，具有耐烧、耐高温性。

进一步地，利用所述的装置制造玻璃珠的方法，包括如下步骤：

1)采用电流使石墨电极棒与炉体底端之间产生等离子电弧；

2)陆续向炉体内输入飞灰，利用石墨电极棒与炉体底部之间的所述等离子电弧将飞灰融化后形成熔融飞灰，熔融飞灰脱离炉体底端与石墨电极棒之间形成高温等离子电弧；

3)加大飞灰的送入量，利用等离子电弧的温度，使飞灰的增加量与融化量持平或者大于飞灰的融化量；

4)随着飞灰的不断加入，石墨电极棒与熔融飞灰之间的等离子电弧的长度缩短，等离子电压降低，电压降低的信号通过传感器传至控制器，控制器控制机械臂动作，使机械臂夹持石墨电极棒向上移动，直到石墨电极棒与熔融飞灰之间达到一定的距离，使得等离子电压稳定在设定值；

5)外壁上端采用超声波对熔融飞灰的液面高度进行检测，当液面达到进料口底端时，停止输入飞灰，令等离子电弧对熔融飞灰继续加热一段时间，使未熔融的飞灰全部熔融；

6)将石墨电极棒插入熔融飞灰之中，使正负极之间出现短路，进而电流增大，温度升高，熔融飞灰过热，从而形成熔滴飞溅；

7)通过气路向熔融飞灰之中通入一定量的水；

8)飞溅出去的熔滴落入冷却水中急剧冷却发生淬火，形成玻璃珠；

9)所述步骤8)中的玻璃珠顺着斜坡底座滑落至出料门位置处，待玻璃珠达到一定的数量后，打开出料门将玻璃珠取出。

进一步地，所述步骤7)中的熔融飞灰通过熔滴的方式飞溅出去后，炉体内的熔融飞灰的液面会下降，待熔融飞灰的液面下降到一定的高度后，石墨电极棒与熔融飞灰之间继续形成高温等离子电弧，此时，继续向炉体内部投入飞灰，循环往复，不断形成玻璃珠。

进一步地，当所述石墨电极棒快要耗尽时，通过将石墨电极棒的上连接端与另一根待使用的石墨电极棒的下连接端螺纹连接，使石墨电极棒保持稳定的工作。

本发明的一种等离子电弧处理飞灰制造玻璃珠的装置及方法的优点在于：

1.本发明设计的等离子电弧处理飞灰制造玻璃珠的装置及方法，能够有效并彻底地处理飞灰，处理过程中没有二次污染。

2.本发明设计的等离子电弧处理飞灰制造玻璃珠的装置，设备简单，加工容易，加工成本较低。

3.本发明设计的等离子电弧处理飞灰制造玻璃珠的装置，在斜坡底座与外壁之间的空腔内装有冷却水，可以很好地对熔融及沸腾过程中温度过高的炉体进行冷却，炉体不仅是熔融飞灰的熔融炉，更是充当了焚烧炉，无需再增加焚烧炉，进而为本发明的制造工艺节省了成本。

4.本发明设计的等离子电弧处理飞灰制造玻璃珠的装置，采用石墨电极棒，能够有效地利用电能，提高了电能的利用率，降低了等离子体处理飞灰的成本。

5.本发明中石墨电极棒中部设置了气路，气路中可通入等离子气体，利用气体的化学能，在不降低使用电压的情况下，可适当地减少对电能的利用。

6.本发明设计的等离子电弧处理飞灰制造玻璃珠的装置，处理后产生的玻璃珠，可作为一种具有附加值的产品进行销售，弥补了等离子体处理飞灰的巨大成本。从根本上改变了处理飞灰的经济性质，将等离子体处理飞灰转亏为盈。

附图说明

图1是本发明等离子电弧处理飞灰制造玻璃珠的装置的结构示意图。

图2是本发明等离子电弧处理飞灰制造玻璃珠的熔融飞灰及石墨电极棒上升示意图。

图3是本发明等离子电弧处理飞灰制造玻璃珠的熔滴飞溅示意图。

图4是本发明等离子电弧处理飞灰制造玻璃珠的石墨电极棒结构示意图。

其中，1-石墨电极棒、2-出气口、3-进水口、4-外壁、5-炉体、6-等离子电弧、7-熔融飞灰、8-出料门、9-斜坡底座、10-进料口、11-绝缘套、12-冷却水、13-熔滴、14-上连接端、15-气路、16-下连接端。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的等离子电弧处理飞灰制造玻璃珠的装置及方法进行进一步地详细说明。

根据本发明图1等离子电弧处理飞灰制造玻璃珠的装置的结构示意图，所述等离子电弧处理飞灰制造玻璃珠的装置包括石墨电极棒1、出气口2、进水口3、外壁4、炉体5、等离子电弧6、熔融飞灰7、出料门8、斜坡底座9、进料口10、绝缘套11、冷却水12。所述炉体5底部固定于斜坡底座9内部，所述炉体5顶部高于所述斜坡底座9顶部，所述斜坡底座9的外侧焊接有外壁4，所述外壁4与所述炉体5之间的空腔内装有低于炉体5顶部的冷却水12，所述外壁4的上部设置有进料口10，所述进料口10由外壁4顶部伸入到所述炉体5内部，所述外壁4上部还设置有绝缘套11，所述绝缘套11内部插入石墨电极棒1，所述石墨电极棒1的上端连接机械臂，下端伸入炉体5内部，所述石墨电极棒1在机械臂的控制下沿绝缘套11的轴向方向上下移动。本发明中的进料口10可采用耐热钢材料。

根据本发明的实施例，本发明的外壁4上端还设置有出气口2和进水口3，所述出气口2的材料与外壁4材料相同，其有助于焊接的稳定性，出气口2用于输出等离子电弧处理飞灰后产生的废气。

根据本发明的实施例，本发明的位于外壁4上端的进水口3材料与外壁4相同，其目的是便于焊接，所述进水口3的作用是向炉体5与外壁4之间的空腔内注入冷却水12。

根据本发明的实施例，本发明的外壁4材料为不锈钢，其焊接于所述斜坡底座9的外侧，其与炉体5形成的空腔作为冷水池，及时将熔融飞溅出来的熔滴13进行冷却。

根据本发明图2是等离子电弧处理飞灰制造玻璃珠的熔融飞灰及石墨电极棒上升示意图，此示意图是在飞灰通过进料口10输入到炉体5中，并且在石墨电极棒1及炉体5间形成的等离子电弧6的加热下，输入的飞灰变成熔融飞灰7，由于熔融飞灰7的输入量不断增大，熔融飞灰7在炉体5中逐渐上升，随之，石墨电极棒1在机械臂的控制下也呈现上升的状态。

根据本发明图3是等离子电弧处理飞灰制造玻璃珠的熔滴飞溅示意图，由于在熔融飞灰7的温度足够高时，熔融飞灰呈现沸腾状态，并且出现熔滴13从炉体5内飞溅出来落入冷水池中。

根据本发明图4是等离子电弧处理飞灰制造玻璃珠的石墨电极棒结构示意图，所述石墨电极棒包括上连接端14、气路15、下连接端16，所述上连接端14位于所述石墨电极棒1的上端，并在所述上连接端14的内表面设置有螺纹，所述下连接端16位于所述石墨电极棒1的下端，所述下连接端16外表面设置有与所述上连接端14相配合的螺纹，所述气路15位于所述石墨电极棒1的轴向中部，所述气路15为上下贯通的通孔。所述气路15用于往炉体5内加入气体或者水。

根据本发明的实施例，本发明中石墨电极棒1的材料为高纯石墨，具有耐烧、耐高温的特性，本发明中的石墨电极棒1的作用是接电源负极，与熔融飞灰之间形成高温等离子电弧，对飞灰进行处理。

本发明中的高温等离子电弧为石墨电极棒1与熔融飞灰之间产生的转移弧，其作用是加热飞灰使其呈现熔融状态。本发明中的熔融飞灰为融化后的飞灰，固态飞灰没有导电特性，当飞灰融化后由于离子可以自由移动，熔融状态的飞灰具有导电特性，而熔融飞灰的作用是传导电能，与石墨电极棒1之间产生转移弧等离子体，熔融飞灰过热飞溅产生的熔滴13将落入冷却水12中。

在本发明的外壁4底部设置有出料门8，所述出料门8的材料为不锈钢，其作用是当冷却水12中的玻璃珠数量达到一定的量时，打开出料门8，取出玻璃珠。

本发明的外壁4顶端设置的绝缘套11材料为玻璃钢，其作用是隔绝石墨电极棒1与外壁4，由于石墨电极棒1带负电，外壁4带正电，如果不采取隔绝措施，在炉体5与石墨电极棒1之间将无法产生等离子电弧。

本发明中的冷却水12采用的自来水，对飞入冷水池的熔滴13及时地淬火冷却。

根据本发明的实施例，利用等离子电弧处理飞灰制造玻璃珠的方法，包括如下步骤：

1)采用较小电流使石墨电极棒1与炉体5底端之间产生等离子电弧6；

2)陆续向炉体5内输入飞灰，利用石墨电极棒1与炉体5底部之间的等离子电弧6将飞灰融化后形成熔融飞灰，熔融飞灰具有导电性，可以脱离炉体5底端与石墨电极棒1之间形成高温等离子电弧；

3)加大飞灰的送入量，利用等离子电弧6的温度，使飞灰的增加量与融化量持平或者略大于飞灰的融化量；

4)随着飞灰的不断加入，石墨电极棒与熔融飞灰之间的等离子电弧的长度缩短，熔融飞灰7的液面将不断提高，石墨电极棒1与熔融飞灰7之间的高温等离子电弧的长度会相应地缩短，使得等离子电压降低，电压降低的信号通过传感器传至控制器，控制器控制机械臂动作，使机械臂夹持石墨电极棒1向上移动，直到石墨电极棒1与熔融飞灰之间达到100-300mm时，使得等离子电压稳定在设定值；

5)外壁4上端采用超声波对熔融飞灰7的液面高度进行检测，当液面达到进料口10底端时，停止输入飞灰，令等离子电弧6对熔融飞灰7继续加热一段时间，保证未熔融的飞灰全部熔融；

6)待飞灰全部熔融后，将石墨电极棒1插入熔融飞灰之中，此时，阴阳极之间会形成短路状态，电流急剧增大，熔融飞灰7的温度急剧升高，熔融飞灰出现熔滴13飞溅的现象；

7)通过气路15向熔融飞灰7之中通入一定量的水，水进入熔融飞灰7后会使得熔融飞灰7沸腾膨胀，进而加剧熔滴13飞溅；

8)飞溅出去的熔滴13落入冷却水12中急剧冷却发生淬火，熔滴分子来不及重新排列进而形成玻璃珠；

9)所述步骤8)中的玻璃珠顺着斜坡底座9滑落至出料门8位置处，待玻璃珠达到一定的数量后，打开出料门8将玻璃珠取出。

对于步骤1)，由于固体飞灰不具有导电性，在通电前，不在炉体5内输入飞灰，并且，为避免将炉体5烧穿，刚开始的电流可采用较小的电流运行。

对于步骤7)中的熔融飞灰7通过熔滴13的方式飞溅出去后，炉体5内的熔融飞灰7的液面会下降，待熔融飞灰7的液面下降到一定的高度后，石墨电极棒1与熔融飞灰7之间继续形成高温等离子电弧，此时，继续向炉体5内部投入飞灰，循环往复，不断形成玻璃珠。

根据本发明的实施例，当所述石墨电极棒1快要耗尽时，通过将石墨电极棒1的上连接端14与另一根待使用的石墨电极棒1的下连接端16螺纹连接，从而延长了石墨电极棒1的长度，使石墨电极棒1保持稳定的工作。

在本发明装置运行过程中，炉体一直受到冷却水12的水冷保护，避免了炉体5烧熔。

本发明中得到的玻璃珠通过对其进行一定的打磨加工后，即可做成相应地产品售出，从而为处理飞灰带来经济效益。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合。

Claims (10)

1.一种等离子电弧处理飞灰制造玻璃珠的装置，包括炉体，其特征在于，所述炉体底部固定于斜坡底座内部，炉体顶部高于斜坡底座顶部，所述斜坡底座的外侧焊接有外壁，所述外壁与所述炉体之间的空腔内装有低于炉体顶部的冷却水；

所述外壁的上部设置有进料口，所述进料口由外壁顶部伸入到所述炉体内部；

所述外壁上部还设置有绝缘套，所述绝缘套内部插入石墨电极棒，所述石墨电极棒的上端连接机械臂，下端伸入炉体内部，所述石墨电极棒在机械臂的控制下沿绝缘套的轴向上下移动。

2.根据权利要求1所述的等离子电弧处理飞灰制造玻璃珠的装置，其特征在于，所述石墨电极棒包括上连接端、气路和下连接端，其中，

所述上连接端位于所述石墨电极棒的上端，并在所述上连接端的内表面设置有螺纹，

所述下连接端位于所述石墨电极棒的下端，所述下连接端外表面设置有与所述上连接端相配合的螺纹，

所述气路位于所述石墨电极棒的轴向中部，所述气路为上下贯通的通孔。

3.根据权利要求1所述的等离子电弧处理飞灰制造玻璃珠的装置，其特征在于，所述斜坡底座的上表面由所述炉体外侧向下倾斜至所述外壁的内表面。

4.根据权利要求3所述的等离子电弧处理飞灰制造玻璃珠的装置，其特征在于，所述外壁下端设置有出料门。

5.根据权利要求1所述的等离子电弧处理飞灰制造玻璃珠的装置，其特征在于，所述外壁上端还设置有出气口和进水口。

6.根据权利要求1所述的等离子电弧处理飞灰制造玻璃珠的装置，其特征在于，所述斜坡底座、炉体、外壁材料均为金属材料，

所述斜坡底座接电源正极，所述石墨电极棒接电源负极，通电后，所述炉体底端与所述石墨电极棒之间产生等离子电弧。

7.根据权利要求1所述的等离子电弧处理飞灰制造玻璃珠的装置，其特征在于，所述石墨电极棒材料为高纯石墨，具有耐烧、耐高温性。

8.利用权利要求1-7中任一项所述的装置制造玻璃珠的方法，包括如下步骤：

1)采用电流使石墨电极棒与炉体底端之间产生等离子电弧；

2)陆续向炉体内输入飞灰，利用石墨电极棒与炉体底部之间的所述等离子电弧将飞灰融化后形成熔融飞灰，熔融飞灰脱离炉体底端与石墨电极棒之间形成高温等离子电弧；

3)加大飞灰的送入量，利用等离子电弧的温度，使飞灰的增加量与融化量持平或者大于飞灰的融化量；

4)随着飞灰的不断加入，石墨电极棒与熔融飞灰之间的等离子电弧的长度缩短，等离子电压降低，电压降低的信号通过传感器传至控制器，控制器控制机械臂动作，使机械臂夹持石墨电极棒向上移动，直到石墨电极棒与熔融飞灰之间达到一定的距离，使得等离子电压稳定在设定值；

5)外壁上端采用超声波对熔融飞灰的液面高度进行检测，当液面达到进料口底端时，停止输入飞灰，令等离子电弧对熔融飞灰继续加热一段时间，使未熔融的飞灰全部熔融；

6)将石墨电极棒插入熔融飞灰之中，熔融飞灰的熔滴飞溅；

7)通过气路向熔融飞灰之中通入一定量的水；

8)飞溅出去的熔滴落入冷却水中急剧冷却发生淬火，形成玻璃珠；

9)所述步骤8)中的玻璃珠顺着斜坡底座滑落至出料门位置处，待玻璃珠达到一定的数量后，打开出料门将玻璃珠取出。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤7)中的熔融飞灰通过熔滴的方式飞溅出去后，炉体内的熔融飞灰的液面会下降，待熔融飞灰的液面下降到一定的高度后，石墨电极棒与熔融飞灰之间继续形成高温等离子电弧，此时，继续向炉体内部投入飞灰，循环往复，不断形成玻璃珠。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，当所述石墨电极棒快要耗尽时，通过将石墨电极棒的上连接端与另一根待使用的石墨电极棒的下连接端螺纹连接，使石墨电极棒保持稳定的工作。