CN110860553B - 等离子协同电阻炉飞灰处理系统及处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种等离子协同电阻炉飞灰处理系统及处理方法，通过等离子炬将碎玻璃(或者二氧化硅粉末)熔融后形成母液，切断等离子炬电源，然后启动电极电源采用电极加热，再将飞灰与碎玻璃、石灰按照一定比例(硅钙比2～3)混合后经搅拌均匀后由撒料机送入熔融炉中进行玻璃稳定化。飞灰中的二噁英等有机物被高温分解，重金属镉、铬、铅、铜等重金属进入硅氧形成的网格结构中被固化和稳定化，其玻璃中的重金属浸出浓度远远低于GB5085.3‑2007中的浸出标准限值，飞灰转化为玻璃体经水淬后可以进行资源化利用，其飞灰中剩余有机物无氧高温分解产生气体污染物采用降温、脱硫和脱氮处理后达到GB9078工业窑炉大气污染物排放标准后进行排放。

Description

等离子协同电阻炉飞灰处理系统及处理方法
技术领域
本发明属于危险废物焚烧及垃圾焚烧飞灰处理技术领域，具体涉及一种等离子协同电阻炉处理飞灰的方法。
背景技术
城市生活垃圾、工业固体废物和一些种类的危险废物都采用焚烧法为主的处理手段，焚烧是实现固体减量化、资源化和无害化的有效方法，但是焚烧处理固废并不能一次性解决无害化的问题。在焚烧处理中的尾气处理过程(余热锅炉和布袋除尘器)产生的飞灰，其中的重金属浸出性高于GB5085.3-2007危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别的规定限值，属于危险名录中HW18。目前焚烧法处置垃圾均采用回转窑、机械炉排焚烧炉和流化床焚烧炉三种主要炉型。回转窑产生的飞灰量为入炉焚烧物的5％～10％，机械炉排焚烧炉产生的飞灰量为入炉焚烧物的3～5％，流化床焚烧炉产生的飞灰为入炉焚烧物的10～15％。因此，研究对灰飞的无毒无害处理使其低于GB5085.3-2007浸出限值，甚至再次循环利用，对于环境保护和资源化利用具有重要意义。
目前，处理飞灰主要有水泥固化法、水泥窑协同处置法、熔融固化技术。水泥固化法是利用固化剂与飞灰混合后形成固化体，从而减少重金属的浸出。水泥是常用的固化剂，采用水泥固化工艺时，不论采用水洗还是粉碎等飞灰处理前工艺，处理后的固化砌块均难以达到较高的强度。由于飞灰中氯离子的影响，经固化后的砌块中的铜、锌等离子容易浸出而导致污染物超过GB5085.3-2007所规定的重金属浸出限值。水泥窑协同处置即利用水泥回转窑的高温、气体长时间停留、热容量大、热稳定性好等特点，在生产水泥熟料的同时，焚烧固化处理飞灰，使重金属固定在水泥的熟料中。采用此法处理即是将飞灰中的重金属浸出风险进行稀释后转移到水泥之中，然后由水泥的使用释放在环境中，从根本上并没有解决飞灰的重金属污染的问题。熔融固化技术即是将飞灰经加热熔融，使其二噁英等有机污染物高温分解，熔渣快速冷却形成致密而稳定的玻璃体，从而有效的控制重金属的浸出。熔融处理不仅可以控制污染物，而且熔融使得灰渣变得致密，减容效果显著，熔融后的密度增加就可减容70％以上，对于填埋负担可达到1/20的减容比。目前熔融固化包括燃料炉熔融法和等离子熔融法。燃料炉熔融法采用燃料(天然气或者重油)将飞灰加热至1400℃左右的高温，使飞灰熔融成玻璃体达到将量化、无害化和资源化的目的，但在此过程中燃料燃烧产生的大量烟气需要进行处理，增加了设备和运行成本；采用等离子熔融法处理飞灰虽然产生的气体量只有燃烧法的1/5～1/3，但等离子法是通过气体电离产生高温对飞灰进行加热达到熔融点后进行玻璃化处置，热效率不高，浪费了大量的能源，运行费用也高。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有飞灰处理技术的缺点，提供一种等离子协同电阻炉飞灰处理系统及处理方法，以解决现有飞灰处理后重金属浸出值仍超过GB5085.3-2007规定的浸出限值、不能从根本上消除飞灰重金属污染的问题，同时也解决现有灰飞处理过程热效率低、运行成本高的问题。
本发明主要是将等离子炬结合熔融电阻炉提出一种飞灰处理系统和相应的处理方法，通过等离子炬将碎玻璃(或者二氧化硅粉末)熔融后形成母液，切断等离子炬电源，然后启动电极电源采用电极加热，再将飞灰与配伍料1(碎玻璃或二氧化硅粉)、配伍料2(石灰)按照一定比例(硅钙比2～3)混合后经搅拌均匀后由撒料机送入熔融炉中进行玻璃稳定化。先采用碎玻璃熔融的目的是形成导电的玻璃液，从而在电极加热中作为电阻产生焦耳热，有利于提高热效率。飞灰中的二噁英等有机物被高温分解，重金属镉、铬、铅、铜等重金属进入硅氧形成的网格结构中被固化和稳定化，其玻璃中的重金属浸出浓度远远低于GB5085.3-2007中的浸出标准限值，飞灰转化为玻璃体经水淬后可以进行资源化利用，其飞灰中剩余有机物无氧高温分解产生气体污染物采用降温、脱硫和脱氮处理后达到GB9078工业窑炉大气污染物排放标准后进行排放。
本发明提供的等离子协同电阻炉灰飞处理系统，包括加料系统、熔融固化系统和烟气排放系统；
所述加料系统包括加料漏斗、与加料漏斗出料口连通的搅拌机、与搅拌机出料口连接的撒料机；
所述熔融固化系统包括用于熔融灰飞的熔融炉、加热熔融炉的电极和等离子设备；所述熔融炉包括熔融炉体和集尘装置，所述炉体由熔融室和储液室组成，熔融室和储液室底部设置有相互连通的流液口使熔融室的液体可进入储液室，所述储液室内设置有出液口，出液口与水淬箱连通使熔融液体经过水淬固化成型，储液室顶部为隔热密封设置；所述电极为若干对，均匀对称地安装在熔融室和储液室的侧壁上；所述集尘装置设置在炉体的熔融室顶部将顶部密封，加料系统的撒料机的出料口伸入集成装置内实现撒料；所述等离子设备安装在熔融室的侧壁上，且位于电极的安装高度以上，包括等离子电源、与等离子电源连通的等离子炬、对等离子炬进行循环水冷的冷却塔，以及为等离子炬提供工质气体的制氮机；所述冷却塔的出水口与等离子炬上设置的水冷夹套的冷却水通道进口连通，冷却塔的进水口与冷却水通道出口连通；所述制氮机的气体出口为两个，分别于与熔融炉内的等离子炬和集尘装置顶部的熔融室进气口连通；
所述集尘装置顶部设置有气体出口，气体出口同时与冷却器的进气口和脱硝塔的进口连通，冷却器的出气口依次连接脱硝塔和脱硫塔对气体进行脱硫和脱硝后排放大气。
进一步地，所述等离子炬采用单阳极等离子炬或带插入段的等离子炬，等离子炬的点火方式采用高频高压点火或者接触点火的方式。等离子电源同时具有电压高频点火和接触点火的功能，其整流方式采用IGBT开关斩波整流，电感强度在1～7mH的空心电感结构，其电气拓扑结构为整流变压器+三相全桥整流+多个IGBT斩波整流电源并联结构；等离子炬的工质气体采用氮气，氮气采用PSA工艺制取，氮气的纯度＞99％。本发明所述等离子炬使用本申请人提出的公开号为CN110248459A的专利申请所述等离子体发生器或者本领域的单阳极等离子炬，等离子电源可按照以上参数与市场订购或购买成品。
进一步地，所述电极成对且两两对称地穿过侧壁分层安装在熔融炉体侧壁不同高程处，电极的成对数量根据熔融炉的大小和需要处理的灰飞量确定；所述等离子炬安装在熔融炉体内最上层电极的高程以上，优选地，安装在炉体内最上层的电极以上100～500mm位置处，并倾斜向下安装，倾斜角度为15～60°。
进一步地，所述电极为钼电极、氧化陶瓷电极或碳电极中的一种，电极的形式可以是板状电极或棒状电极。
进一步地，电极由电极电源提供，电极电源可采用可控硅和隔离变压器组合的电源、可控硅和磁性调压器组合的电源、感应调压器和隔离调压器组合的电源，以及抽头变压器电源中的一种。每对电极或者每层电极采用独立电源，方便根据熔融炉中的玻璃液位高度确定电极开启的对数。
进一步地，为防止电极腐蚀，在电极外设置石墨管，石墨管外设置不锈钢管对电极进行保护。电极在熔融炉内部的一端采用熔融的玻璃液将电极与石墨管中的缝隙、石墨管与不锈钢管之间的缝隙填埋，玻璃液顺着缝隙流动行程中由于温度降低，玻璃液凝固；位于熔融炉外部的电极一端与石墨管的缝隙、石墨管与不锈钢管之间的缝隙采用绝热材料填埋，防止空气进入，防止电极氧化，增加电极寿命。在熔融炉内部石墨管与不锈钢的固定方式也是采用熔融玻璃体遇冷变成固体的原理进行密封固定；在熔融炉外部的不锈钢管和石墨管采用水泥等螯合剂进行固定，不锈钢管与炉体外部采用水泥等螯合剂进行固定。
进一步地，所述电极设置有空冷或水冷夹套进行间接冷却，延长电极使用寿命。
进一步地，所述储液室的出液口通过排液管道与淬水箱连通，所述排液管道从储液室的出液口倾斜向下与淬水箱连通，优选倾斜角度为10～45°，且排液管道壁面设置有成对布置的电极，避免熔融液体在输出过程中提前冷却固化。
进一步地，所述熔融炉横截面为矩形或多边形，炉体由内向外由耐火材料层和多层纳米材料隔热层构成；优选地，耐火材料选用耐酸性的浇注料或电熔锆刚玉砖。采用电熔锆刚玉砖时采用错缝堆砌，其缝采用水泥等螯合剂进行密封抹平与熔融炉内表面平齐。纳米隔热材料可选用陶瓷纤维毡、高铝纤维板、含锆纤维板、KAOWOOL陶瓷纤维板等。纳米材料隔热层优选为三层，由外层到内层的纳米材料导热系数分别为小于0.09W/mK、小于0.03W/mK、小于0.3W/mK，隔热层厚度之比优选为(4～10):1:1。
进一步地，熔融炉的储液室的出液口设置在最上层电极层的以上50～100mm高度处，储液室的底部设置有用于排净处液室内液体的液体放净口。
进一步地，所述集尘装置由陶瓷多孔过滤介质层和连接板构成，所述连接板围绕熔融室顶部开口一周连接在开口上，连接板顶部共同与陶瓷多孔过滤介质层连接，形成覆盖熔融室顶部开口的顶棚结构。
进一步地，集成装置的其中一侧连接板上设置有供撒料机进入的开口，且开口周围的连接板为使撒料机的撒料口在熔融室内具有一定的伸缩余地方的软连接，所述软连接可以是将连接板设置为可伸缩的褶皱形式，从而使撒料机的出料口可在熔融室的顶部移动，将配伍后的飞灰均匀的洒在熔化池的熔融玻璃液上面，使熔化池形成一个冷顶窑的效果。裂解气体携带的飞灰经过集尘装置的陶瓷过滤层进行捕捉后再次进入配伍进行熔融。
进一步地，在陶瓷多孔过滤介质层上下两侧设置有差压变送器测试过滤层上下两个空间的压差，当压差超过200Pa，采用来自制氮机的氮气从陶瓷多孔过滤介质层的上部进行反吹，使多孔过滤介质再生实现反复使用。
进一步地，所述冷却塔由塔体、设置在塔体内的盘管和风机构成，所述塔体内部设置为两个相互独立的腔室，分别为冷却室和冷水室，所述盘管设置在冷却室内，盘管进水口与等离子炬的冷却水通道的出水口连通，盘管的出水口与冷水室连通将冷却的水暂存，冷却室的出水口直接通过冷水室，冷水室的出口与等离子炬的冷却水通道的进水口连通，对等离子炬的进行循环水冷；所述风机安装在冷却室内，通过电机驱动向冷却室送入空气对等离子炬交换出来的热水进行风冷。等离子炬采用冷却水质可以是软水也可以是去离子水。
进一步地，所述冷却塔的出水管路上设置有水泵，用于将水泵入等离子炬的冷却水通道。
进一步地，所述淬水箱配套设置有捞渣机，用于将淬书固化的玻璃渣收集。
进一步地，所述冷却器为设置有水冷盘管或换热管路的换热器结构，通过管程冷却水的进出对壳体内的气体进行冷却。
进一步地，所述脱硫塔、脱硝塔为带有吸附剂的吸附塔，脱硫塔的气体出口设置有抽风机，使气体顺利排出。
进一步地，所述加料系统由三个加料漏斗组成，每个加料漏斗分别与搅拌机连通，将各物料加至搅拌机中混合。每个料斗设置有旋转密封阀，通过在加料过程中产生的料封对空气进行隔绝，使整个熔融过程处于缺氧过程。
进一步地，所述撒料机设置有自动旋转的耙，用于将料均匀撒布在整个熔融内液面的表面。
进一步地，熔融炉的气体出口管道上的设置有氧气检测仪，用于检测氧浓度，在采用电极利用玻璃体的导电性能进行加热时可根据气体出口的氧含量进行开启等离子炬的氮气量(此时等离子炬只提供氮气，而等离子炬不工作)，使使整个反应环境为惰性环境，减轻电极的氧化，延长电极使用寿命。
本发明提供的基于上述处理系统的灰飞处理方法，包括以下内容：
(1)向熔融炉的熔融室中加入碎玻璃，开启等离子设备，利用等离子的高温高焓作用将碎玻璃加热至1000℃以上进行熔融，然后切断等离子炬的电源、气源保持等离子炬的循环水冷继续运行，开启电极电源，采用电极对碎玻璃进一步加热至1200℃以上，使碎玻璃成为熔融的流动状态作为飞灰熔融的玻璃母液；
(2)待熔融室液面稳定后，按照飞灰：碎玻璃：石灰，或飞灰：二氧化硅粉末：石灰的质量比例1:(0.1～1):(0.1～05)的配伍将各物料经搅拌机混合均匀后由撒料机撒入熔融炉的熔融室中，使飞灰均匀的覆盖在熔融的玻璃液面上，飞灰在1200℃的高温下充分熔化形成玻璃液，3～5小时后全部液化，熔融过程中保证电极完全浸入在玻璃液中；玻璃液面稳定后，将配伍后的飞灰继续撒入；熔化后的玻璃液从熔融室底部的液流口流至储液室，液面至储液室出液口高度后流出储液室进入水淬箱经水淬形成玻璃渣。
进一步地，灰飞熔融过程中产生的气体经过集尘装置除尘后进入冷却器，再依次经过脱硝塔进行脱销、脱硫塔进行脱硫后排入空气中。
进一步地，所述的脱硫塔中脱硫采用干法脱硫，采用活性焦和三氧化二铁作为脱硫吸附剂，优选地，活性焦和三氧化铁的质量比例为1:1～5:4。
进一步地，所述的脱硝塔采用干法脱销，采用活性炭和沸石作为脱销吸附剂；优选地，活性炭采用椰壳类活性炭，活性炭:沸石的质量比例为1:3～3:1。
进一步地，熔融炉的电极上的电流密度为0.3A/cm2～15A/cm2。
利用本发明所述飞灰处理系统进行飞灰处理的工作流程和原理：
熔融炉添加碎玻璃之前，先启动等离子冷却水系统的水泵，再启动制氮机，当熔融炉气体出口管道上的氧气检测仪检测到的氧浓度＜50mg/L时，启动等离子电源，此时氮气在等离子炬经过高压电离后产生等离子流对熔融炉进行加热升温。在升温过程中开启冷却器、脱硝塔、脱硫塔和抽烟气风机。待熔融炉的温度升至1000℃时，切断等离子电源，关闭制氮机进入等离子炬的阀门，开启电极电源。等离子炬加热过程中开启循环水冷，经过等离子炬的水进入冷却塔进行冷却，使等离子炬的进水温度＜40℃，再由水泵泵入到等离子炬中对等离子炬的阴阳极进行冷却。电极电源将电供给电极，利用玻璃液中的离子定向移动进行导电产生的焦耳热来加热。加热到1200℃以上玻璃液具有流动性，待碎玻璃全部融化后，玻璃液面不再变化，可向熔融炉的熔化池加料。
将飞灰：碎玻璃：石灰按照重量比例1:1:0.5～1:0.1:0.1进行称重配料后，分别加入到飞灰料斗、配伍料斗一和配伍料斗二中。每个料斗都设置由旋转密封阀，通过在加料过程中产生的料封对空气进行隔绝，使整个熔融过程处于缺氧过程。配伍后的物料进入搅拌机混合均匀后由撒料机通过自动旋转的耙将料撒布在整个熔融池的液面表面。飞灰经过12000～1300℃的高温充分熔化形成玻璃液，经过3～5小时，玻璃液面稳定。连续将配伍后的飞灰加入料斗，经搅拌机混合均匀后撒入熔融炉。熔化后的玻璃液流至储液室后经过出液口进入水淬箱经水淬形成玻璃渣，由捞渣机送至堆场进行资源化利用。整个进料、出料过程连续进行。
等离子炬采用氮气做工质，保证了在对碎玻璃熔融过程中熔融炉中是惰性环境，在采用电极利用玻璃体的导电性能进行加热时可根据气体出口的氧含量进行开启等离子炬的氮气量(此时等离子炬只提供氮气，而等离子炬不工作)，使整个反应环境为惰性环境，减轻电极的氧化，延长电极使用寿命。
加料过程中由飞灰中有机物缺氧高温裂解产生的气体携带的飞灰经过集尘装置截留后经过氮气反吹进熔融室中，再经过配伍后在熔融炉进行玻璃固化和稳定化处理。飞灰处理过程中产生的气体(主要是飞灰中的残余有机物缺氧高温裂解产生的)经过除尘后进入冷却器冷却后气体温度降至200～300℃，依次进入脱硝塔、脱硫塔进行脱硝、脱硫后经过抽风机将气体排到环境中去。
在物料处理完毕后，将熔融炉的玻璃液全部排放，关闭熔融炉中熔融室的电极，则启动等离子系统，其目的是防止在玻璃液排放的过程中电极因没有玻璃液的浸入，空气进入氧化。当炉内的玻璃液排放完毕后，切断等离子电源，电源切断10min后切断氮气源，然后再切断冷却水。
与现有技术相比，本发明具有以下特点：
1.本发明通过对灰飞合理配伍后的进行熔融和玻璃化，飞灰中的二噁英等残余有机物在高温无氧裂解，飞灰中的重金属铜、汞、锌等被玻璃体中的硅氧晶格固定和稳定化，使得所得玻璃渣中重金属浸出浓度远远低于GB5085.3-2007的浸出限值，并且所得玻璃渣可用作建筑基材根本上解决了飞灰重金属污染的问题，保护环境实现绿色处理灰飞的同时使灰飞得以资源资源化利用。
2.本发明通过采用等离子对碎玻璃进行加热至熔融状态，同时结合电极加热，利用熔融玻璃体的导电特性，熔融玻璃体作为一个整体电阻，利用电阻加热产生焦耳热对灰飞进行加热熔融，两者结合加热速率快、热效率高，有利于节约运行成本，通过计算，本发明工艺运行成本低于900KW/吨飞灰。
4.本发明工艺中飞灰熔融的过程中只有飞灰残余的有机物产生气体，在飞灰熔融处理过程中采用除尘、降温、干法脱硫脱硝后气体能达到GB9078大气污染物排放标准的排放限值，不会对环境造成污染。
5.本发明所述工艺中采用将电流通过电极引入玻璃液中，利用通电后两极间的玻璃液在交流电的作用下产生焦耳热对飞灰进行电熔。玻璃液之所以导电主要是由于电荷通过离子发生迁移，将飞灰与碎玻璃(或二氧化硅粉末)、石灰按照进行配伍可增加熔融后玻璃液的导电性，提高焦耳热的转化，从而提高热效率，实现快速加热。
6.本发明所述等离子协同电阻炉处理飞灰的工艺简单，操作方便，运维成本低，效率高。
附图说明
图1是本发明所述飞灰处理系统的以及处理工艺流程示意图；
图2为熔融炉的结构示意图(剖面图)；
图3为熔融炉的的俯视图。
图中，1-飞灰料斗，2-配伍料斗一，3-配伍料斗二，4-搅拌机，5-撒料机，6-电极，，61-电极电源，7-熔融炉，70-等离子炬，71-等离子电源，72-制氮机，73-冷却塔，74-水泵及控制系统和相应的管道仪表系统，75-流液口，76-出液口，77-放净口，78-隔热材料层1，79-隔热材料层2，710-隔热材料层3，711-耐火材料层，712-储液室，713-熔融室，8-集尘装置，9-冷却器，10-脱硝塔，11-脱硫塔，12-抽烟气风机，13-水淬箱，14-捞渣机。
具体实施方式
下面通过具体实施例结合附图对本发明所述等离子协同电阻炉飞灰处理系统及处理方法做进一步说明。有必要指出，以下实施例只用于对本发明作进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员根据上述发明内容，对本发明做出一些非本质的改进和调整进行具体实施，仍属于发明保护的范围。
实施例1
本发明提供的等离子协同电阻炉灰飞处理系统，包括加料系统、熔融固化系统和烟气排放系统；
所述加料系统包括加料漏斗、与加料漏斗出料口连通的搅拌机4、与搅拌机出料口连接的撒料机5；加料系统由三个加料漏斗组成，每个加料漏斗分别与搅拌机连通，将各物料加至搅拌机中混合。每个料斗设置有旋转密封阀，通过在加料过程中产生的料封对空气进行隔绝，使整个熔融过程处于缺氧过程。所述撒料机设置有自动旋转的耙，用于将料均匀撒布在整个熔融内液面的表面。
所述熔融固化系统包括用于熔融灰飞的熔融炉7、加热熔融炉的电极6和等离子设备；所述熔融炉包括熔融炉体7和集尘装置8，所述炉体由熔融室713和储液室712组成，熔融室和储液室底部设置有相互连通的流液口75使熔融室的液体可进入储液室，所述储液室内设置有出液口76，出液口设置在最上层电极层的以上100mm高度处，储液室的底部设置有用于排净处液室内液体的液体放净口77。出液口与水淬箱13连通使熔融液体经过水淬固化成型，储液室顶部为隔热密封设置；所述电极为若干对，对称地安装在熔融室和储液室的侧壁上；所述集尘装置设置在炉体的熔融室顶部将顶部密封，加料系统的撒料机的出料口伸入集成装置内实现撒料；所述等离子设备安装在熔融室的侧壁上，且位于电极的安装高度以上，包括等离子电源71、与等离子电源连通的等离子炬70、对等离子炬进行循环水冷的冷却塔73，以及为等离子炬提供工质气体的制氮机72；所述冷却塔73的出水口与等离子炬上设置的水冷夹套的冷却水通道进口连通，冷却塔73的进水口与等离子炬70冷却水通道出口连通；所述制氮机的气体出口为两个，分别于与熔融炉内的等离子炬和集尘装置顶部的进气口连通。所述淬水箱配套设置有捞渣机，用于将水淬固化的玻璃渣收集。
所述集尘装置顶部设置有气体出口，气体出口同时与冷却器9的进气口和脱硝塔10的进口连通，冷却器的出气口依次连接脱硝塔10和脱硫塔11对气体进行脱硫和脱硝后排放大气。所述冷却器为设置有水冷盘管或换热管路的换热器结构，通过管程冷却水的进出对壳成的气体进行冷却。所述脱硫塔、脱硝塔为带有吸附剂的吸附塔，脱硫塔的气体出口设置有抽风机，使气体顺利排出。
所述等离子炬采用单阳极等离子炬或带插入段的等离子炬，等离子炬的点火方式采用高频高压点火或者接触点火的方式。等离子电源同时具有电压高频点火和接触点火的功能，其整流方式采用IGBT开关斩波整流，电感强度在1～7mH，电感采用空心电感，其电气拓扑结构为整流变压器+三相全桥整流+多个IGBT斩波整流电源并联结构；等离子炬的工质气体采用氮气，氮气采用PSA工艺制取，氮气的纯度＞99％。所述等离子炬使用本申请人提出的公开号为CN110248459A的专利申请所述等离子体发生器，等离子电源可按照以上参数与市场订购或购买成品。
所述电极成对且两两对称地分层安装在熔融炉体侧壁不同高程处，电极的成对数量根据熔融炉的大小和需要处理的灰飞量确定；所述等离子炬安装在熔融炉体内最上层电极的高程以上，优选地，安装在炉体内最上层的电极以上100～500mm位置处，并倾斜向下安装，倾斜角度为45°。所述电极为棒状钼电极。电极由电极电源提供，电极电源采用可控硅和隔离变压器组合的电源。每对电极采用独立电源，方便根据熔融炉中的玻璃液位高度确定电极开启的对数。电极在熔融炉内部的一端采用熔融的玻璃液将电极与石墨管中的缝隙、石墨管与不锈钢管之间的缝隙填埋，玻璃液顺着缝隙流动行程中由于温度降低，玻璃液凝固；位于熔融炉外部的电极一端与石墨管的缝隙、石墨管与不锈钢管之间的缝隙采用绝热材料填埋，防止空气进入，防止电极氧化，增加电极寿命。在熔融炉内部石墨管与不锈钢的固定方式也是采用熔融玻璃体遇冷变成固体的原理进行密封固定；在熔融炉外部的不锈钢管和石墨管采用水泥进行固定，不锈钢管与炉体外部采用水泥等螯合剂进行固定。
所述储液室的出液口通过排液管道与淬水箱连通，所述排液管道从储液室的出液口倾斜向下与淬水箱连通，倾斜角度为45°，且排液管道壁面设置有成对布置的电极，避免熔融液体在输出过程中提前冷却固化。
所述熔融炉横截面为矩形或多边形，炉体由内向外由耐火材料层和多层纳米材料隔热层构成。耐火材料选用电熔锆刚玉砖。将电熔锆刚玉砖时采用错缝堆砌，其缝采用水泥等螯合剂进行密封抹平与熔融炉内表面平齐。纳米隔热材料选用陶瓷纤维毡、高铝纤维板、含锆纤维板、KAOWOOL陶瓷纤维板等。纳米材料隔热层优选为三层，由外层到内层的纳米材料导热系数分别为小于0.09W/mK、小于0.03W/mK、小于0.3W/mK，隔热层厚度之比优选为5:1:1。
所述集尘装置由陶瓷多孔过滤介质层和连接板构成，所述连接板围绕熔融室顶部开口一周连接在开口上，连接板顶部共同与陶瓷多孔过滤介质层连接，形成覆盖熔融室顶部开口的顶棚结构。集成装置的其中一侧连接板上设置有供撒料机进入的开口，且开口周围的连接板为使撒料机的撒料口在熔融室内具有一定的伸缩余地方的软连接，所述软连接可以是将连接板设置为可伸缩的褶皱形式，从而使撒料机的出料口可在熔融室的顶部移动，将配伍后的飞灰均匀的洒在熔化池的熔融玻璃液上面，使熔化池形成一个冷顶窑的效果。裂解气体携带的飞灰经过集尘装置的陶瓷过滤层进行捕捉后再次进入配伍进行熔融。在陶瓷多孔过滤介质层上下两侧设置有差压变送器，测试多孔过滤介质两侧的压差，当压差超过200Pa，采用来自制氮机的氮气从陶瓷多孔过滤介质层的上部进行反吹，使多孔过滤介质再生实现反复使用。
所述冷却塔由塔体、设置在塔体内的盘管和风机构成，所述塔体内部设置为两个相互独立的腔室，分别为冷却室和冷水室，所述盘管设置在冷却室内，盘管进水口与等离子炬的冷却水通道的出水口连通，盘管的出水口与冷水室连通将冷却的水暂存，冷却室的出水口与等离子炬的冷却水通道的进水口连通，对等离子炬的进行循环水冷；所述风机安装在冷却室内，通过电机驱动向冷却室送入冷却空气对等离子炬交换出来的热水进行风冷。等离子炬采用冷却水质可以是软水也可以是去离子水。所述冷却塔的出水管路上设置有水泵，用于将水泵入等离子炬的冷却水通道。
熔融炉的气体出口管道上的设置有氧气检测仪，用于检测氧浓度，在采用电极利用玻璃体的导电性能进行加热时可根据气体出口的氧含量进行开启等离子炬的氮气量(此时等离子炬只提供氮气，而等离子炬不工作)，使使整个反应环境为惰性环境，减轻电极的氧化，延长电极使用寿命。
本实施例工艺系统中，各设备可通过市场购买或根据工艺需要定制。
实施例2
本实施为对立式圆筒式危险废物飞灰进行处理。先启动等离子冷却水系统的水泵74，再启动制氮机72，当熔融炉7气体出口管道上的溶氧仪＜0.1mg/L时，启动等离子电源71，此时氮气在等离子炬70经过高压电离后产生等离子流对熔融炉7进行加热升温。在升温过程中开启旁通冷却器9、脱硝塔10、脱硫塔11和抽烟气风机12。经过等离子炬的水进入冷却塔73进行冷却，使等离子炬的进水温度＜40℃，再由水泵74泵入到等离子炬中对等离子炬的阴阳极进行冷却。升温至1200℃后，向熔融炉中连续加入碎玻璃，碎玻璃的加入量为熔融炉的液位1/2。当熔融炉7中的碎玻璃软化后，其软化后熔融体的温度达到1000℃时，切断等离子炬的电源和气源，然后启用电极电源进行加热熔融。待熔融后的玻璃液达到1200℃时，将飞灰(立式圆筒式危险废物飞灰)：碎玻璃：石灰按照1:0.4:0.2的重量比例配料，分别输送至飞灰料斗、配伍料斗一和配伍料斗二中，每个料斗都设置由旋转密封阀，通过在加料过程中产生的料封对空气进行隔绝，使整个熔融过程处于缺氧过程。各物料经搅拌机4搅拌均匀后经过撒料机5均匀加入到熔融炉的玻璃液面上，在1250℃下充分熔化3～4小时后熔融炉中液位稳定。连续将配伍后的飞灰加入料斗，经搅拌机混合均匀后撒入熔融炉。熔融液体经液流口流至储液室，在电极加热作用下，经出液口进入排液管道排入水淬箱13，经水淬形成玻璃渣。捞渣机14将玻璃渣打捞收集送至堆场进行资源化利用。整个进料、出料过程连续进行。
配伍后的飞灰中的残余有机物在熔融炉7中进行高温缺氧裂解产生气体主要成分为一氧化碳、二氧化碳、甲烷和水等。经检测飞灰中残余的有机物只有飞灰量的5％，因此在整个熔融过程中产生的气体量很少，由气体带入的少量飞灰进入到集尘装置8，经过集尘装置8的多孔陶瓷介质的捕捉截留，除尘后的气体进入冷却器9，将气体温度降至到230℃，在抽烟气风机12的抽力作用下经过干式脱硝塔10、干式脱硫塔11脱硝脱硫后排入大气中。
实施例3
本实施例为对机械炉排式医疗垃圾飞灰进行处理。先启动等离子冷却水系统的水泵74，再启动制氮机72，当熔融炉7气体出口管道上的溶氧仪＜0.1mg/L时，启动等离子电源71，此时氮气在等离子炬70经过高压电离后产生等离子流对熔融炉7进行加热升温。在升温过程中开启旁通冷却器9、脱硝塔10、脱硫塔11和抽烟气风机12。经过等离子炬的水进入冷却塔73进行冷却，使等离子炬的进水温度＜40℃，再由水泵74泵入到等离子炬中对等离子炬的阴阳极进行冷却。升温至1200℃后，向熔融炉中连续加入碎玻璃，碎玻璃的加入量为熔融炉的液位1/2。当熔融炉7中的碎玻璃软化后，其软化后熔融体的温度达到1000℃时，切断等离子炬的电源和气源，然后启用电极电源进行加热熔融。待熔融后的玻璃液达1200℃时，将飞灰(机械炉排式医疗垃圾飞灰)：碎玻璃：石灰按照1:0.8:0.5的重量比例配料，分别输送至飞灰料斗、配伍料斗一和配伍料斗二中，每个料斗都设置由旋转密封阀，通过在加料过程中产生的料封对空气进行隔绝，使整个熔融过程处于缺氧过程。各物料经搅拌机4搅拌均匀后经过撒料机5均匀加入到熔融炉的玻璃液面上，在1250℃下充分熔化3～4小时后熔融炉中液位稳定。连续将配伍后的飞灰加入料斗，经搅拌机混合均匀后撒入熔融炉。熔融液体经液流口流至储液室，在电极保温作用下，经出液口进入排液管道排入水淬箱13，经水淬形成玻璃渣。捞渣机14将玻璃渣打捞收集送至堆场进行资源化利用。整个进料、出料过程连续进行。
配伍后的飞灰中的残余有机物在熔融炉7中进行高温缺氧裂解产生气体主要成分为一氧化碳、二氧化碳、甲烷和水等。经检测飞灰中残余的有机物只有飞灰量的5％，因此在整个熔融过程中产生的气体量很少，由气体带入的少量飞灰进入到集尘装置8，经过集尘装置8的多孔陶瓷介质的捕捉截留，除尘后的气体进入冷却器9，将气体温度降至到260℃，在抽烟气风机12的抽力作用下经过干式脱硝塔10、干式脱硫塔11脱硝脱硫后排入大气中。
实施例4
本实施例为对回转窑危险废物飞灰进行处理。
先启动等离子冷却水系统的水泵74，再启动制氮机72，当熔融炉7气体出口管道上的溶氧仪＜0.1mg/L时，启动等离子电源71，此时氮气在等离子炬70经过高压电离后产生等离子流对熔融炉7进行加热升温。在升温过程中开启旁通冷却器9、脱硝塔10、脱硫塔11和抽烟气风机12。经过等离子炬的水进入冷却塔73进行冷却，使等离子炬的进水温度＜40℃，再由水泵74泵入到等离子炬中对等离子炬的阴阳极进行冷却。升温至1200℃后，向熔融炉中连续加入碎玻璃，碎玻璃的加入量为熔融炉的液位1/2。当熔融炉7中的碎玻璃软化后，其软化后熔融体的温度达到1000℃时，切断等离子炬的电源和气源，然后启用电极电源进行加热熔融。待熔融后的玻璃液达到1200℃时，将飞灰(回转窑危险废物飞灰)：碎玻璃：石灰按照1:1:0.4的重量比例均匀混合，分别输送至飞灰料斗、配伍料斗一和配伍料斗二中，每个料斗都设置由旋转密封阀，通过在加料过程中产生的料封对空气进行隔绝，使整个熔融过程处于缺氧过程。各物料经搅拌机4搅拌均匀后经过撒料机5均匀加入到熔融炉的玻璃液面上，在1100～1300℃下充分熔化3～4小时后熔融炉中液位稳定。连续将配伍后的飞灰加入料斗，经搅拌机混合均匀后撒入熔融炉。熔融液体经液流口流至储液室，在电极保温作用下，经出液口进入排液管道排入水淬箱13，经水淬形成玻璃渣。捞渣机14将玻璃渣打捞收集送至堆场进行资源化利用。整个进料、出料过程连续进行。
配伍后的飞灰中的残余有机物在熔融炉7中进行高温缺氧裂解产生气体主要成分为一氧化碳、二氧化碳、甲烷和水等。经检测飞灰中残余的有机物只有飞灰量的5％，因此在整个熔融过程中产生的气体量很少，由气体带入的少量飞灰进入到集尘装置8，经过集尘装置8的多孔陶瓷介质的捕捉截留，除尘后的气体进入冷却器9，将气体温度降至到200～300℃，在抽烟气风机12的抽力作用下经过干式脱硝塔10、干式脱硫塔11脱硝脱硫后排入大气中。
实施例2～4处理后的玻璃体渣样品中的重金属浸出浓度与国家标准(GB5085.3-2007)对照表如下：
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注：ND-表示未检出
实施例2～4处理后的气体排放浓度与工业窑炉大气污染物排放标准(GB9078-1996)对照表如下：
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注：ND-表示未检出
可见，通过本发明工艺处理灰飞后得到的玻璃体渣重金属浸出浓度以及工艺产生的气体排放均在相应国家标准限值以内，实现了灰飞的绿色环保处理工艺，保护环境的同时将灰飞资源化再利用。

Claims (7)

1.一种等离子协同电阻炉飞灰处理系统，其特征在于，包括加料系统、熔融固化系统和烟气排放系统；
所述加料系统包括加料漏斗、与加料漏斗出料口连通的搅拌机（4）、与搅拌机出料口连接的撒料机（5）；
所述熔融固化系统包括用于熔融飞灰的熔融炉（7）、加热熔融炉的电极（6）和等离子设备；所述熔融炉包括熔融炉体和集尘装置（8），所述熔融炉体由熔融室和储液室组成，熔融室和储液室底部设置有相互连通的流液口（75）使熔融室的液体可进入储液室，所述储液室内设置有出液口（76），出液口与水淬箱（13）连通使熔融液体经过水淬固化成型，储液室顶部为隔热密封设置；所述电极为若干对，均布对称地安装在熔融室和储液室的侧壁上；所述集尘装置设置在炉体的熔融室顶部将顶部密封，加料系统的撒料机的出料口伸入集尘装置内实现撒料；所述等离子设备安装在熔融室的侧壁上，且位于电极的安装高度以上，包括等离子电源（71）、与等离子电源连通的等离子炬（70）、对等离子炬进行循环水冷的冷却塔（73）、以及为等离子炬提供工质气体的制氮机（72）；所述冷却塔（73）的出水口与等离子炬上设置的水冷夹套的冷却水通道进口连通，冷却塔（73）的进水口与冷却水通道出口连通；所述制氮机的气体出口为两个，分别于与熔融炉内的等离子炬和集尘装置顶部的熔融室进气口连通；
所述集尘装置顶部设置有气体出口，气体出口同时与冷却器（9）的进气口和脱硝塔（10）的进口连通，冷却器的出气口依次连接脱硝塔（10）和脱硫塔（11）对气体进行脱硫和脱硝后排放大气；
所述等离子炬采用单阳极等离子炬或带插入段的等离子炬，等离子炬的点火方式采用高频高压点火或者接触点火的方式；等离子电源同时具有电压高频点火和接触点火的功能，其整流方式采用IGBT开关斩波整流，电感强度在1~7mH的空心电感结构，其电气拓扑结构为整流变压器+三相全桥整流+多个IGBT斩波整流电源并联结构；等离子炬的工质气体采用氮气，氮气采用PSA工艺制取，氮气的纯度＞99%；
所述电极成对且两两对称地分层安装在熔融炉体侧壁不同高程处，电极的成对数量根据熔融炉的大小和需要处理的飞灰量确定；所述等离子炬安装在熔融炉体内最上层电极的高程以上，并倾斜向下安装，倾斜角度为15~60°；
所述储液室的出液口通过排液管道与淬水箱连通，所述排液管道从储液室的出液口倾斜向下与淬水箱连通，且排液管道壁面设置有成对布置的电极，避免熔融液体在输出过程中提前冷却固化；
所述等离子设备，利用等离子的高温高焓作用将碎玻璃加热至1000℃以上进行熔融；采用电极对碎玻璃进一步加热至1200℃以上，使碎玻璃成为熔融的流动状态作为飞灰熔融的玻璃母液。
2.根据权利要求1所述的等离子协同电阻炉飞灰处理系统，其特征在于，在电极外设置石墨管，石墨管外设置不锈钢管对电极进行防腐蚀保护。
3.根据权利要求1所述的等离子协同电阻炉飞灰处理系统，其特征在于，所述熔融炉横截面为矩形或多边形，炉体由内向外由耐火材料层和多层纳米材料隔热层构成；耐火材料选用耐酸性耐高温＞1700℃的浇注料或电熔锆刚玉砖；纳米材料隔热层为三层，由外层到内层的纳米材料导热系数分别为小于0.09W/mK、小于0.03W/mK、小于0.3W/mK，隔热层厚度之比为（4~10）:1:1。
4.根据权利要求1所述的等离子协同电阻炉飞灰处理系统，其特征在于，所述集尘装置由陶瓷多孔过滤介质层和连接板构成，所述连接板围绕熔融室顶部开口一周连接在开口上，连接板顶部共同与陶瓷多孔过滤介质层连接，形成覆盖熔融室顶部开口的顶棚结构；集尘装置的其中一侧连接板上设置有供撒料机进入的开口，且开口周围的连接板为使撒料机的撒料口在熔融室内具有一定的伸缩余地的软连接，所述软连接是将连接板设置为可伸缩的褶皱形式。
5.根据权利要求1所述的等离子协同电阻炉飞灰处理系统，其特征在于，所述冷却塔由塔体、设置在塔体内的盘管和风机构成，所述塔体内部设置为两个相互独立的腔室，分别为冷却室和冷水室，所述盘管设置在冷却室内，盘管进水口与等离子炬的冷却水通道的出水口连通，盘管的出水口与冷水室连通将冷却的水暂存，冷水室的出水口与等离子炬的冷却水通道的进水口连通，对等离子炬的受热面进行循环水冷；所述风机安装在冷却室内，通过电机驱动向冷却室吹风对等离子炬交换出来的热水进行风冷，等离子炬采用冷却水质是软水或去离子水。
6.根据权利要求1所述的等离子协同电阻炉飞灰处理系统，其特征在于，所述淬水箱配套设置有捞渣机，用于将水淬固化的玻璃渣收集；所述冷却器为设置有水冷盘管或换热管路的换热器结构，通过管程冷却水的进出对壳体内的气体进行冷却；所述脱硫塔、脱硝塔为带有吸附剂的吸附塔，脱硫塔的气体出口设置有抽风机，使气体顺利排出。
7.基于权利要求1~6中任一权利要求所述的等离子协同电阻炉飞灰处理系统的飞灰处理方法，其特征在于，包括以下内容：
（1）向熔融炉的熔融室中加入碎玻璃，开启等离子设备，利用等离子的高温高焓作用将碎玻璃加热至1000℃以上进行熔融，然后切断等离子炬的电源、气源保持等离子炬的循环水冷继续运行，开启电极电源，采用电极对碎玻璃进一步加热至1200℃以上，使碎玻璃成为熔融的流动状态作为飞灰熔融的玻璃母液；
（2）待熔融室液面稳定后，按照飞灰：碎玻璃：石灰，或飞灰：二氧化硅粉末：石灰的质量比例1:（0.1~1）:（0.1~05）的配伍将各物料经搅拌机混合均匀后由撒料机撒入熔融炉的熔融室中，使飞灰均匀的覆盖在熔融的玻璃液面上，飞灰在1200℃的高温下充分熔化形成玻璃液，3~5小时后全部液化，熔融过程中保证电极完全浸入在玻璃液中；玻璃液面稳定后，将配伍后的飞灰继续撒入；熔化后的玻璃液从熔融室底部的液流口流至储液室，液面至储液室出液口高度后流出储液室进入水淬箱经水淬形成玻璃渣。
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