CN109161402B

CN109161402B - 固体废物等离子体气化处理装置与方法

Info

Publication number: CN109161402B
Application number: CN201811092162.7A
Authority: CN
Inventors: 马文超; 郭振飞; 陈冠益; 楚楚; 陈冬梅; 钟磊; 颜蓓蓓; 程占军
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2018-09-19
Filing date: 2018-09-19
Publication date: 2022-03-08
Anticipated expiration: 2038-09-19
Also published as: CN109161402A

Abstract

本发明涉及一种固体废物等离子体气化处理装置与方法，处理装置包括等离子体气化炉、二燃室、冷凝器、喷淋塔及袋式除尘器；由导气管连接气化炉依次通过二燃室、冷凝器、喷淋塔和袋式除尘器。等离子体气化炉在顶部竖直插入可升降的等离子体炬，用于气化固体废弃物，产生大量合成气；合成气经二燃室充分燃烧，除去烟气中有机污染物，如二噁英等；燃烧后的烟气，先经冷凝器，迅速降温，避免二噁英类物质的产生，再去除烟气中的酸性物质。最后，经袋式除尘器，可确保处理的烟气达到处理目标。本发明系统利用等离子体快速升温，具有原料适应性强，可充分燃烧，去除污染物彻底的特点；适用于处理多种固体废弃物处理。

Description

固体废物等离子体气化处理装置与方法

技术领域

本发明涉及一种固体废物等离子体气化处理装置与方法，尤其是提供一种处理多种固体废物，包括危险废物的无害化处理方法，属于环境保护技术领域。

背景技术

随着我国工业化和城市化进程的加速，我国经济快速增长和人民生活水平快速提高，无论是城市生活垃圾，或是工业废弃物的产生量都不断增加，带来的环境问题日趋严重，对社会环境治理能力要求越来越高。根据国家统计局数据显示，2010年，我国城市生活垃圾产生量约为1.58亿吨；到2016年，我国城市生活垃圾产生量约为2.04亿吨。可见，我国生活垃圾的产生量巨大，且还在不断增加，这对于固体废物处理技术提出了更高的要求。

目前，固体废物采用的处理技术主要为焚烧，填埋和堆肥。而对于危险废弃物，多采用分区填埋的措施。

堆肥技术，有利于固体废物的资源化利用。但其对固体废物处理能力有限，且减容率较低缺点。未来我国对固体废物的处理能力需求较高，因此不能作为主要技术推广。

填埋技术，成本较低，是末端处置的常用方法，是我国目前应用最多的固体废物处理技术。但是带来大量的环境问题，且占用了大量的土地资源，已呈减少趋势。

焚烧技术减容率高，处理能力强，处理生活垃圾较多，在世界范围内被广泛推广。但会产生大量的飞灰及二噁英等污染物，公众对此技术持抵制态度；焚烧技术处理危险废物时，对技术要求较高，成本较高，且适用性有限。

因此，我国固体废物目前存在以下问题：随着经济的快速发展和人民生活水平的提高，包括我国城市生活垃圾、村镇垃圾在内的固体废物产生量巨大，且还会持续增加，对固体废物的处理能力有更高需求；填埋和堆肥技术存在诸多不足，焚烧技术产生大量的飞灰，是一种危险废物，带来后续处理的难题。因此需要提出更好的固体废物处理装置与方法。

发明内容

鉴于当前固体废物处理技术存在的上述问题，本发明的目的在于：提供一种处理能力强、无害化程度高、适用于多种物料处理的固体废物处理装置及方法。

具体技术方案如下：

一种固体废物等离子体气化处理装置：包括等离子体气化炉、二燃室、冷凝器、喷淋塔及袋式除尘器；由导气管连接气化炉依次通过二燃室、冷凝器、喷淋塔和袋式除尘器。

所述等离子体气化炉在顶部竖直插入可升降的等离子体炬，气化炉底部设有储灰室；在气化炉内部，设置有用于盛放物料的坩埚，坩埚底部配托盘，托盘连接升降杆，将产生的灰渣转移至储灰室；等离子体气化炉侧壁设置有进料管和出气口；助燃剂进气孔；气化剂进气孔；侧壁设有保温层，保温层与炉壁之间设有水冷层。

所述二燃室设置有保温层，顶部设有电打火装置；二燃室内设有挡板；二燃室设置有连接等离子体气化炉的进气口和连接冷凝器的出气口；在进气口的侧壁，设有空气进气孔；二燃室侧壁设置有测温孔、测压孔。

所述冷凝器采用冷却水箱供应冷却水，冷却水以折流方式由上而下通过冷凝器；冷凝器进气口设在下部，冷凝器上部设置有出气口。

所述喷淋塔采用旋转喷雾吸收塔，喷淋塔进气管设在塔内轴线上，管口竖直朝下；喷淋塔下部设有吸收液收集装置；喷淋塔出气口设在塔顶；喷淋塔配有雾化器。

所述袋式除尘器进气口在装置下部，袋式除尘器出气口在装置上部；装置中部设有多个布袋；装置底部设有灰斗。

利用本发明的装置进行固体废物等离子体气化处理方法，其流程如下：

1)固体废物经进料管被投加到等离子体气化炉的坩埚中，并向炉内通入气化剂，在等离子体炬作用下，炉内温度快速升高，固体废物发生一系列物理化学反应，被快速气化。在固体废物经过气化炉处理后，被转化为合成气和残渣，产生的合成气随着载气经出气口排出；产生的残渣通过调节升降杆，将残渣倒入储灰室；若固体废物热值较低，通过助燃剂进气孔通入丙烷，提高气体热值且有利于气化过程；

2)合成气进入二燃室，空气进气孔供入空气，二者充分混合，用电打火装置引燃，使合成气在二燃室内充分燃烧；二燃室内设置挡板，用于延长气体停留时间，可燃物质和气态有机污染物被氧化分解；

3)二燃室产生的烟气，以折流方式通过冷凝器气体管道，由上部排出；冷却水由水箱供应，由上部管道折流通过冷凝器；烟气与冷却水充分接触降温；

4)冷却后的烟气，通过喷淋塔进气管进入喷淋塔，由塔顶的出气口排出；喷淋塔内配有雾化器，由塔上部喷淋，再由喷淋塔出气口排出；塔底部设有吸收液收集装置；

5)最后，烟气由袋式除尘器进气口进入除尘器，经过除尘器内部，去除烟气中残留的颗粒物，气体由袋式除尘器出气口排出。

优选等离子体气化炉中的工艺条件为：等离子体炬功率为10-1000KW，等离子炬入口的工作气体压力范围为0.4～0.7MPa，压力波动范围小于20kPa，工作气体供气管道在连接等离子炬软管之前设置过滤器，过滤精度不低于0.1mm；测温方式采用双铂铑传感器，测温范围可达0-1700℃。

优选二燃室工艺条件为：冷却水要采用去离子水或纯净水，pH 7.0～8.5，碱度小于1.2mg/L；冷却水压力控制在0.6～0.9MPa，冷却水入口水温不能高于40℃。

本发明主要有如下优点：

(1)本发明利用热等离子体技术处理固体废物，充分发挥热等离子体的高能量密度和高温及其相应的短时间快速反应的优势，使得在一个小气化炉中处理大量的废物成为可能；

(2)本发明采用等离子体技术用于固体废物气化，具有气化速度快，处理能力强的优点。同时，结合二燃室，将气化所得合成气充分燃烧，经过冷凝器，避免二噁英类物质的生成，再经过喷淋塔，脱出烟气中的酸性气体。最后，通过袋式除尘器，达到去除烟气中颗粒物的目的。

(3)本发明可用于处理多种固体废物，包括生活垃圾、农林废弃物、医疗垃圾、危险废弃物、飞灰、喷涂油漆、工业活动中产生的有机废物等。

(4)针对日益增长的固体废物产量，等离子体气化技术优势明显。与传统处置方法相比，等离子体气化技术减容率高，处理能力大，且可处理危险废物，减小固体废物占地的压力。将等离子体气化技术与二燃室燃烧技术结合，固体废物的处理效果明显，无害化程度加强。同时，可以对无机成分进行稳定化无害化处理和资源化利用，从而根本上解决了二噁英和重金属等二次污染问题，有着广阔的发展前景。

附图说明

图1为本发明系统的整体结构示意图；

图2为图1的等离子体气化炉；

图3为图1的二燃室；

图4为图1的烟气处理部分；

图1中：固体废物等离子体气化处理装置与方法，包括等离子体气化炉(1—1)，二燃室(1—2)，冷凝器(1—3)，喷淋塔(1—4)和袋式除尘器(1—5)；

图1中：1、气化炉高位测温孔；2、气化炉测压孔；3、门；4、观察孔；5、坩埚；6、气化炉保温层；7、水冷层；8、出灰口；9、等离子体炬；10、进料管；11、出气口；12、气化炉低位测温孔；13、助燃剂进气孔；14、气化剂进气孔；15、炉壁；16、托盘；17、升降杆；18、储灰室；19、导气管；20、采样管；21、二燃室测压孔；22、二燃室保温层；23、挡板；24、装置壳体；25、出气口；26、电打火装置；27、空气进气孔；28、二燃室测温孔；29、冷凝器进气口；30、冷凝器出气口；31、喷淋塔进气管；32、吸收液收集装置；33、雾化器；34、喷淋塔出气口；35、袋式除尘器进气口；36、袋式除尘器出气口。

具体实施方式

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，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，该系统主要包括等离子体气化炉(1—1)，二燃室(1—2)，冷凝器(1—3)，喷淋塔(1—4)和袋式除尘器(1—5)。具体内容如下：

气化炉采用等离子体气化炉，利用等离子体技术升温速度快，温度高的特点，快速气化固体废物，且对原料适应性强，可用于处理医疗垃圾等危险废物。在气化炉中，炉顶竖直插入一个功率为10-1000KW的等离子体炬(9)，可升降；等离子炬入口的工作气体(如空气，等等)压力范围为0.4～0.7MPa，压力波动范围小于20kPa，工作气体供气管道在连接等离子炬软管之前设置过滤器，过滤精度不低于0.1mm。侧壁设有门(3)，门上设有观察孔(4)，可以看到气化炉内的现象；侧壁上部设有气化炉高位测温孔(1)、气化炉低位测温孔(12)和气化炉测压孔(2)，更合理地评价炉内工况，测温方式采用双铂铑传感器，测温范围可达0-1700℃；炉底设有一个坩埚(5)，用于盛放固体废物；气化炉底部设有储灰室(18)，用于暂时存放气化过程产生的残渣；侧壁设有助燃剂进气孔(13)，用于通入助燃剂，如丙烷等；设有气化剂进气孔(13)，用于通入气化剂；炉壁设有气化炉保温层(6)，选用高铝质耐火层；气化炉炉壁(14)采用钢板材料。

二燃室用于处理气化炉产生的合成气。在二燃室靠近进气管一侧，设有空气进气孔(27)，合成气进入二燃室后，与空气充分混合；在二燃室顶部位置，设有电打火装置(26)；室内设有多个挡板(23)，用于延长气体停留时间，使气体充分燃烧；在二燃室侧壁，侧壁上部设有二燃室测温孔(28)和二燃室测压孔(21)，更合理地评价炉内工况，测温方式采用双铂铑传感器，测温范围可达0-1700℃；气体被点燃后，经挡板(23)，充分燃烧，达到去除有机污染物的目的。

冷凝器将二燃室产生的烟气迅速降温，避免二噁英类物质的生成；冷却水由冷却水箱供给，以折流方式从上而下通过冷凝器，充分与烟气接触，达到降温目的。冷却水要采用去离子水或纯净水，pH 7.0～8.5，碱度(CaCO₃)小于1.2mg/L；需保证水质清洁，无铁锈、油污或其他杂质；冷却水压力控制在0.6～0.9MPa，冷却水入口水温不能高于40℃。

喷淋塔采用旋转喷雾干燥吸收塔。参加反应的石灰浆液由生石灰定量地加入到消化罐，配制成合格的石灰浆液；浆液泵定量地送入到置于脱硫塔顶部的浆液顶罐内，顶罐内的石灰浆液流入到位于脱硫塔顶部的雾化器(33)；碱性浆液经雾化器，雾化为微小液滴，与烟气接触，充分吸收烟气中的酸性物质，达到脱酸的目的，最后，气体由喷淋塔出气口(34)排出。塔底部设有吸收液收集装置(32)，用于收集吸收液。

袋式除尘器用于去除烟气中的颗粒物，可避免使用静电除尘时Cu，Ni，Fe颗粒对二恶英生成的催化作用。烟气通过布袋过程中，气体通过布袋，而颗粒物被拦截。在该除尘器中，布袋如有破损，及时更换。

本发明的工作过程主要包括以下步骤：

在该系统中，固体废物经进料管(10)，被放入等离子体气化炉(1—1)内的坩埚(5)中，气化剂由进气孔(14)通入气化炉。在等离子体炬(9)作用下，炉内温度迅速升高，固体废物被转化为合成气和残渣。若固体废物热值较低，可通过助燃剂进气孔(13)通入丙烷，提高气体热值并有扰动作用，增强气化效果。其中，残渣留在坩埚(5)内，通过升降杆(17)，倒于储灰室(18)，被定期清除，由出灰口(8)排出；合成气进入二燃室(1—2)，由空气进气孔(27)通入二燃室的空气，与合成气充分混合，再用电打火装置(26)引燃，使合成气在二燃室内充分燃烧，去除气体中大量的污染物；二燃室内设置挡板(23)，用于延长气体停留时间。二燃室产生的烟气，先经过冷凝器(1—3)，迅速降温，有效避免二噁英类物质的生成。再进入喷淋塔(1—4)，喷淋塔配有雾化器(33)，使碱性浆液雾化，与烟气接触，充分吸收烟气中的酸性气体；最后，烟气经过袋式除尘器(1—5)，烟气中的固体颗粒物被布袋拦截，达到净化气体的目的。

利用这一套系统，可达到固体废物减量化和无害化的目的。

以下举例说明，供参考：

当处理对象为2kg/h的生活垃圾时，

(1)原料元素分析表

(2)选用空气作为气化剂，气化剂流量设置为0.012m³/h

气化后产生的合成气组分为：

(3)合成气在在二燃室，通入充足空气，可保证气体停留时间在2-5s，使可燃物充分反应。反应后，烟气的主要污染物含量为：

(4)二燃室产生的烟气，经冷凝器后迅速冷凝，气体温度降低至200℃以下，可有效避免二噁英类污染物的产生。

(5)采用喷淋塔，通过雾化器，将碱性溶液转化为微小液滴，脱硫效率可达85％-90％，可有效去除烟气中的酸性气体。该过程，主要发生如下反应：

Ca(OH)₂+SO₂→CaSO₃+H₂O

Ca(OH)₂+2HCl→CaCl₂+H₂O

(6)最后，通过袋式除尘器，除尘效率达99％以上。布袋使用一段时间后，由于筛滤、滞留、静电等效应，滤袋表面积聚了一层粉尘，这层粉尘称为初层，在此以后的运动过程中，初层成了滤料的主要过滤层，依靠初层的作用，将有效提高除尘效率。随着粉尘在滤料表面的积聚，除尘器的效率和阻力都相应的增加。除尘器的阻力达到一定数值后，要及时清灰。清灰时不能破坏初层，以免效率下降。

通过此烟气净化工艺，可达到有效去除污染物的目的，满足气体排放标准。

本发明公开和提出的一种固体废物等离子体气化处理装置与方法，本领域技术人员可通过借鉴本文内容，适当改变条件路线等环节实现，尽管本发明的方法和制备技术已通过较佳实施例子进行了描述，相关技术人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和技术路线进行改动或重新组合，来实现最终的制备技术。特别需要指出的是，所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明精神、范围和内容中。

Claims

1.一种固体废物等离子体气化处理装置：包括等离子体气化炉、二燃室、冷凝器、喷淋塔及袋式除尘器，由导气管连接气化炉依次通过二燃室、冷凝器、喷淋塔和袋式除尘器，其特征为，等离子体气化炉在顶部竖直插入可升降的等离子体炬，等离子体炬的功率可在10-1000kW内精准调节，工作气体供气管道在连接等离子炬软管之前设置过滤器，过滤精度不低于0.1mm；等离子体气化炉侧壁设置有进料管和出气口，助燃剂进气孔和气化剂进气孔；二燃室内设有挡板，在进气口的侧壁，设有空气进气孔，二燃室侧壁设置有测温孔、测压孔；

气化炉底部设有储灰室；在气化炉内部，设置有用于盛放物料的坩埚，坩埚底部配托盘，托盘连接升降杆，将产生的灰渣转移至储灰室；侧壁设有保温层，保温层与炉壁之间设有水冷层；

冷凝器采用冷却水箱供应冷却水，冷却水以折流方式由上而下通过冷凝器；冷凝器进气口设在下部，冷凝器上部设置有出气口。

2.如权利要求1所述的装置，其特征是二燃室设置有保温层，顶部设有电打火装置；二燃室设置有连接等离子体气化炉的进气口和连接冷凝器的出气口；在进气口的侧壁，设有空气进气孔。

3.如权利要求1所述的装置，其特征是喷淋塔采用旋转喷雾吸收塔，喷淋塔进气管设在塔内轴线上，管口竖直朝下；喷淋塔下部设有吸收液收集装置；喷淋塔出气口设在塔顶；喷淋塔配有雾化器。

4.如权利要求1所述的装置，其特征是袋式除尘器进气口在装置下部，袋式除尘器出气口在装置上部；装置中部设有多个布袋；装置底部设有灰斗。

5.权利要求1～4所述任意一项装置进行固体废物等离子体气化处理方法；其特征是流程如下：1)固体废物经进料管被投加到等离子体气化炉的坩埚中，并向炉内通入气化剂，在等离子体炬作用下，炉内温度快速升高，固体废物发生一系列物理化学反应，被快速气化；固体废物经过气化炉处理后，被转化为合成气和残渣，产生的合成气随着载气经出气口排出；产生的残渣通过调节升降杆，将残渣倒入储灰室；若固体废物热值较低，通过助燃剂进气孔通入丙烷，提高气体热值有利于气化过程；2)合成气进入二燃室，空气进气孔供入空气，二者充分混合，用电打火装置引燃，使合成气在二燃室内充分燃烧；二燃室内设置挡板，用于延长气体停留时间，可燃物质和气态有机污染物被氧化分解；3)二燃室产生的烟气，以折流方式通过冷凝器气体管道，由上部排出；冷却水由水箱供应，由上部管道折流通过冷凝器；烟气与冷却水充分接触降温；4)冷却后的烟气，通过喷淋塔进气管进入喷淋塔，由塔顶的出气口排出；喷淋塔内配有雾化器，由塔上部喷淋，再由喷淋塔出气口排出；塔底部设有吸收液收集装置；5)最后，烟气由袋式除尘器进气口进入除尘器，经过除尘器内部，去除烟气中残留的颗粒物，气体由袋式除尘器出气口排出；

其中等离子体气化炉中的工艺条件为：等离子体炬功率为10-1000KW，等离子体炬入口的工作气体压力范围为0.4～0.7MPa，压力波动范围小于20kPa，测温方式采用双铂铑传感器，测温范围可达0-1700℃。

6.如权利要求5所述的方法，其特征是二燃室工艺条件为：冷却水要采用去离子水或纯净水，pH 7.0～8.5，碱度小于1.2mg/L；冷却水压力控制在0.6～0.9MPa，冷却水入口水温不能高于40℃。

7.权利要求1～4所述任意一项装置应用于生活垃圾、农林废弃物、医疗垃圾、危险废弃物、飞灰、喷涂油漆、工业活动中产生的有机废物的多种固体废物处理。