CN108395906A - 等离子体气化熔融炉及使用其对危险固体废物进行无害化处理的方法 - Google Patents

等离子体气化熔融炉及使用其对危险固体废物进行无害化处理的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于对危险固体废物进行无害化处理的等离子体气化熔融炉，该等离子体气化熔融炉包括：壳体，壳体包括彼此相对的第一端和第二端；位于第一端的进料口和合成气出口；位于第二端的排渣口；以及在第一端与第二端之间设置在壳体上的多个供气孔和多个等离子体炬。本发明还提供一种使用所述等离子体气化熔融炉对危险固体废物进行无害化处理的方法。本发明的目的在于提供一种等离子体气化熔融炉，在负压贫氧环境下利用等离子体炬产生高温能量源，使进入炉内的危险固体废物中有机成分裂解气化，转化为粗合成气，无机成分熔融形成无害化玻璃体残渣，实现危险固体废物减容、减重和初步无害化，与其它系统配合能使固废彻底无害化、无二次污染。

Description

等离子体气化熔融炉及使用其对危险固体废物进行无害化处 理的方法
技术领域
本发明涉及一种等离子体气化熔融炉及使用其对危险固体废物进行无害化处理的方法。
背景技术
焚烧处理是指在高温条件下，垃圾中的可燃成分与空气中的氧进行化学反应，放出热量，转化成高温的燃烧气和量少而稳定的固体残渣，同时杀灭病毒细菌的方法。优点是能显著地减容、节省填埋场空间，可以进行余热回收利用或发电。焚烧可使垃圾重量减少75％，体积减少90％左右，有效地回收能源。垃圾焚烧技术经过数十年发展，应用较多、技术比较成熟的生活垃圾焚烧炉炉型主要有机械炉排炉、流化床焚烧炉、热解焚烧炉、回转窑焚烧炉等四类。近年来，以焚烧为代表的垃圾无害化处理方法越来越受到重视，在城市垃圾处理中占据比例逐年增多。
发明内容
针对相关技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种等离子体气化熔融炉，以至少实现使危险固体废物更加充分地裂解，同时减少有害气体排放且节约能源。
为实现上述目的，本发明提供了一种等离子体气化熔融炉，该等离子体气化熔融炉包括：壳体，壳体包括彼此相对的第一端和第二端；位于第一端的进料口和合成气出口；位于第二端的排渣口；在第一端与第二端之间设置在壳体上的多个供气孔和多个等离子体炬。
根据本发明的一个实施例，进料口构造为居中地插入第一端且延伸到壳体的内部的第一纵长管道，合成气出口构造为邻近进料口插入第一端的第二纵长管道。
根据本发明的一个实施例，壳体由第一端到第二端依次包括第一直段、由第一直段会聚收缩的第一收缩段、第二直段、由第二直段会聚收缩的第二收缩段、以及熔池段。
根据本发明的一个实施例，第一收缩段的收缩全角在75度至90度的范围内，且第二收缩段的收缩全角在20度至45度的范围内。
根据本发明的一个实施例，进料口延伸到第一收缩段的起始端，多个供气孔包括设置在第二直段上的多个一次供气孔和设置在第二收缩段上的多个二次供气孔，多个一次供气孔沿第二直段圆周等间隔设置，多个二次供气孔沿第二收缩段圆周等间隔设置，且多个一次供气孔与多个二次供气孔在竖直方向上彼此错开。
根据本发明的一个实施例，多个供气孔中的每个以与水平方向成20度至45度之间的角度朝向第二端倾斜延伸。
根据本发明的一个实施例，多个等离子体炬圆周等间隔地设置在熔池段上，且每个等离子体炬以与水平方向成20度至45度之间的角度朝向第二端倾斜延伸。
根据本发明的另一方面，提供一种使用以上所述的等离子体气化熔融炉对危险固体废物进行无害化处理的方法，包括：步骤一：将危险固体废物与助溶剂混合后由进料口进入等离子体气化熔融炉；步骤二：开启多个等离子体炬以对进入等离子体气化熔融炉的危险固体废物加热；以及步骤三：选择性地开启多个供气孔中的部分供气孔或全部供气孔以使进入等离子体气化熔融炉的危险固体废物燃烧。
根据本发明的一个实施例，在步骤一之前，对危险固体废物进行检验以将其划分为两类：高热值危险固体废物和低热值危险固体废物，其中，
对于高热值危险固体废物，在步骤三中开启多个供气孔中的一部分或全部；对于低热值危险固体废物，在步骤三中不开启供气孔。
根据本发明的一个实施例，在步骤二中，开启多个等离子体炬使其产生4000℃的温度，并且在步骤三中，等离子体气化熔融炉的炉内温度控制在1300℃～1650℃之间且炉内环境处于还原氛围。
本发明的有益技术效果在于：本发明的等离子体气化熔融炉在负压贫氧环境下利用等离子体炬产生高温能量源，使进入炉内的危险固体废物中有机成分裂解气化，转化为粗合成气，无机成分熔融形成无害化玻璃体残渣，实现危险固体废物减容、减重和初步无害化，与其它系统配合能使固废彻底无害化、无二次污染。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明的一个实施例的等离子体气化熔融炉的结构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的实施例进行具体描述。需要注意的是，以下各个实施例可以任意可能的方式相互组合或部分替换。
如图1所示，其示出了根据本发明的一个实施例的等离子体气化熔融炉10，其包括壳体3，壳体3包括位于顶部的第一端11和位于底部的第二端12，第一端11与第二端12彼此相对，在第一端11上设置有进料口1和合成气出口2，在第二端12上设置有排渣口7。此外，在壳体3上还设置有多个供气孔13和多个等离子体炬6，供气孔13和等离子体炬6位于壳体3的第一端11和第二端12之间。
上述实施例中的离子体气化熔融炉10适合危险固体废物(以下简称危固废)等离子体气化熔融，其能够在利用更少能源的同时使危固废更加充分地裂解，减少有害气体排放，使尾气处理系统得到简化。
参照图1，根据本发明的一个实施例，进料口1构造为第一纵长管道，其居中地插入壳体3的第一端11中且在壳体3的内部中延伸一定深度。示例性地，在本发明的一个实施例中，第一纵长管道由钢制成具有圆形截面，其中，管道的直径可根据进料量确定。在上述实施例中，通过将进料口1构造成居中设置且延伸到壳体3内部的长管道，有利于危固废快速均匀地与熔池内熔融体接触，从而快速受热分解。
类似地，在本发明的一个示例性实施例中，合成气出口2构造为第二纵长管道，其邻近进料口1插入壳体3的第一端11中。示例性地，第二纵长管道由钢制成且具有圆形截面，管道的直径可根据熔融合成气出气量确定。
再次参照图1，根据本发明的一个实施例，壳体3构造为具有中心轴线的多段结构，且可由钢制成。具体而言，壳体3由第一端11到第二端12依次包括第一直段14、由第一直段14朝中心轴线会聚收缩的第一收缩段15、第二直段16、由第二直段16朝中心轴线会聚收缩的第二收缩段17、以及熔池段18，其中，熔池段18也可为直段。有益的是，在上述实施例中，通过将壳体3构造为从顶部到底部由大到小多次收缩的多段结构，有利于合成气逐级减速，增加热解时间，使热解更加均匀。
具体地，在本发明的一个示例性实施例中，壳体3的第一收缩段15相比于第二收缩段17的收缩程度更大，以确保合成气逐级减速效果。例如，在本发明的一个实施例中，壳体3的第一收缩段15的收缩全角在75度到90度的范围内，且第二收缩段17的收缩全角在20到45度的范围内。
另外，如图1所示，在本发明的一个示例性实施例中，壳体3的第一端11可构造为椭圆形封顶，且第二端12构造成平面底部。
进一步地，如图1所示的示例性实施例，进料口1延伸到壳体3的第一收缩段15的起始端，从而有效地促进危固废快速均匀地与熔池内熔融体接触，使其快速受热分解。
根据本发明的示例性实施例，多个供气孔13包括多个一次供气孔4和多个二次供气孔5，其中，一次供气孔4设置在壳体3的第二直段16上，且二次供气孔5设置在壳体3的第二收缩段17上。
示例性地，在本发明的一个实施例中，在壳体3的第二直段16的下方位置设置有4-8个一次供气孔4，且所有一次供气孔4沿第二直段16绕壳体3的中心轴线圆周等间隔地设置；示例性地，每个一次供气孔4以与水平方向成20度至45度之间的角度朝向壳体3的第二端12倾斜延伸。
类似地，在本发明的一个实施例中，在壳体3的第二收缩段17的下方位置设置有4-8个二次供气孔5，且所有二次供气孔5沿第二收缩段17绕壳体3的中心轴线圆周等间隔地设置；示例性地，每个二次供气孔5以与水平方向成20度至45度之间的角度朝向壳体3的第二端12倾斜延伸。另外，在本发明的一个实施例中，一次供气孔4与二次供气孔5在竖直方向上彼此错开。
在上述实施例中，一次供气孔4与二次供气孔5在壳体3上分层交错布置，有利于危固废与氧气混合热解放热，提高均匀性。
继续参照图1，在本发明的一个实施例中，多个等离子体炬6(例如，4-8个)相对于壳体3的中心轴线圆周等间隔地设置在熔池段18上，且每个等离子体炬6与水平方向成20度到45度之间的角度朝向壳体3的第二端12倾斜延伸。在该实施例中，多个等离子体炬6均匀周向布置，使危固废受热更加均匀，热解更加充分。
此外，在本发明的一个实施例中，如图1所示，沿壳体3的整个内壁铺设有隔热材料8。示例性地，隔热材料8可选用刚玉和其它混合，具有在50mm-300mm之间的厚度。另外，如图1所示的实施例，紧贴隔热材料8还铺设有耐火材料9，与隔热材料8不同，耐火材料9未铺设整个壳体3的内壁，而是从壳体3的第二端12向上一直铺设到第一收缩段15。示例性地，耐火材料9可选用碳化硅，且具有在50mm-300mm之间的厚度。
在上述实施例中，在壳体3的内壁根据热分布合理地布置隔热材料8和耐火材料9，保证隔热可靠的同时节约成本。
另外，如图1所示，在本发明的一个实施例中，在熔池段18的靠近第二端12的一端开设有排渣口7，排渣口7的大小可由排渣量确定。
另一方面，本发明提供一种使用如上所述的等离子体气化熔融炉对危固废进行无害化处理的方法。具体而言，结合图1，首先根据危固废处理对象理化检验结果将处理对象划分为两类：高热值危固废和低热值危固废，这两类危固废处理对象需要采用不同的工艺方案。
对于高热值危固废，首先将其与一定量的助熔剂混合，然后从进料口1进入熔融炉，等离子体炬6工作产生4000℃高温，根据被处理危固废燃烧特性，一次供气口4和二次供气口5部分开启或全部开启，通入空气或氧气使危固废进行燃烧，等离子体熔融与危固废燃烧同时进行，但需要保证燃烧为贫氧燃烧，使整体炉内环境处于还原氛围，使重金属还原并防止氮氧化物的产生，此时炉温控制在1300～1650℃左右。燃烧和等离子体熔融同时进行的好处是利用危固废自身燃烧增加热能，降低等离子体炬负荷，从而节约能源消耗。
对于低热值危固废，首先将其与一定量助熔剂混合后从进料口1进入熔融炉，等离子体炬6工作产生4000℃高温，一次供气口4和二次供气口5少量开启或不开启，炉内热量几乎全由等离子体炬6产生，炉温控制在1300～1650℃左右，整体炉内环境处于还原氛围，使重金属还原并防止氮氧化物的产生。
在炉内高温下，有机物充分裂解产生合成气(主要成分CO、H2、CH4等)，合成气从合成气出口2进入后续净化设备，无机物在助熔剂催化作用下熔融从排渣口7流入，后经水淬工艺变为玻璃体残渣，重金属等有害物质被锁在玻璃体分子内，彻底无害。
由以上工艺分析可知，在实际应用中，等离子体气化熔融炉10在等离子的高温下，几乎所有有机物和部分无机物在气化炉内的会分解为原子和最简单的分子，转化为可燃气。而其中的有毒有机物尤其是二噁英和呋喃都被彻底的分解为无毒的小分子物质。与传统的焚烧炉相比，等离子体气化炉具有明显的清洁优势，例如：(1)等离子气化炉的二氧化碳排放比焚烧减少了近40％，无二氧化硫、二噁英排放、氮化物减少了近85％；(2)等离子体气化炉维持在还原性气氛中，从源头上杜绝了二噁英产生的环境；(3)当等离子体产生时，由于等离子极易使温度达到2000℃以上，灰渣中的重金属将同时形成熔融物并缓慢冷却固化；以及(4)维持等离子体弧所需要的气体体积比燃料燃烧的焚烧炉要少很多，约为燃料焚烧炉所需气体的10％左右，因此等离子体系统的尾气处理系统能极大的简化。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种等离子体气化熔融炉，其特征在于，包括：
壳体，所述壳体包括彼此相对的第一端和第二端；
位于所述第一端的进料口和合成气出口；
位于所述第二端的排渣口；
在所述第一端与所述第二端之间设置在所述壳体上的多个供气孔和多个等离子体炬。
2.根据权利要求1所述的等离子体气化熔融炉，其特征在于，所述进料口构造为居中地插入所述第一端且延伸到所述壳体的内部的第一纵长管道，所述合成气出口构造为邻近所述进料口插入所述第一端的第二纵长管道。
3.根据权利要求2所述的等离子体气化熔融炉，其特征在于，所述壳体由所述第一端到所述第二端依次包括第一直段、由所述第一直段会聚收缩的第一收缩段、第二直段、由所述第二直段会聚收缩的第二收缩段、以及熔池段。
4.根据权利要求3所述的等离子体气化熔融炉，其特征在于，所述第一收缩段的收缩全角在75度至90度的范围内，且所述第二收缩段的收缩全角在20度至45度的范围内。
5.根据权利要求4所述的等离子体气化熔融炉，其特征在于，所述进料口延伸到所述第一收缩段的起始端，所述多个供气孔包括设置在所述第二直段上的多个一次供气孔和设置在所述第二收缩段上的多个二次供气孔，所述多个一次供气孔沿所述第二直段圆周等间隔设置，所述多个二次供气孔沿所述第二收缩段圆周等间隔设置，且所述多个一次供气孔与所述多个二次供气孔在竖直方向上彼此错开。
6.根据权利要求1所述的等离子体气化熔融炉，其特征在于，所述多个供气孔中的每个以与水平方向成20度至45度之间的角度朝向所述第二端倾斜延伸。
7.根据权利要求3所述的等离子体气化熔融炉，其特征在于，所述多个等离子体炬圆周等间隔地设置在所述熔池段上，且每个所述等离子体炬以与水平方向成20度至45度之间的角度朝向所述第二端倾斜延伸。
8.一种使用权利要求1-7中任一项所述的等离子体气化熔融炉对危险固体废物进行无害化处理的方法，其特征在于，包括：
步骤一：将所述危险固体废物与助溶剂混合后由所述进料口进入所述等离子体气化熔融炉；
步骤二：开启所述多个等离子体炬以对进入所述等离子体气化熔融炉的所述危险固体废物加热；以及
步骤三：选择性地开启所述多个供气孔中的部分供气孔或全部供气孔以使进入所述等离子体气化熔融炉的所述危险固体废物燃烧。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在所述步骤一之前，对所述危险固体废物进行检验以将其划分为两类：高热值危险固体废物和低热值危险固体废物，其中，
对于所述高热值危险固体废物，在所述步骤三中开启所述多个供气孔中的一部分或全部；
对于所述低热值危险固体废物，在所述步骤三中不开启所述供气孔。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在所述步骤二中，开启所述多个等离子体炬使其产生4000℃的温度，并且在所述步骤三中，所述等离子体气化熔融炉的炉内温度控制在1300℃～1650℃之间且炉内环境处于还原氛围。
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