CN112212346A - 一种多种热源协同加热的等离子气化熔融炉 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多种热源协同加热的等离子气化熔融炉，其包括中频感应加热器、耐材等离子体炬、电极和石墨坩埚，其中中频感应加热器与石墨坩埚协同配合使用，感应加热器中通入中频或者高频的交流电，使交流电形成中频或者高频变化的磁场，通过磁场的高频变化使石墨坩埚内部产生感应电动势，将感应电动势加载在石墨坩埚上产生热能，用于加热炉底内部的玻璃体。本发明实现了等离子气化熔融炉炉底部分整体均匀加热，加热区域没有空区的加热；可以针对不同物料成分和不同工况下自由选择并切换加热系统。

Description

一种多种热源协同加热的等离子气化熔融炉
技术领域
本发明属于环保物料综合利用技术领域，涉及一种多种热源协同加热的等离子气化熔融炉。
背景技术
很多行业，如化工、医药、农药等行业产生很多危险废物，在危险废物处理领域中，所处置的物料中无论是低热值物料还是高热值物料，最终都将会形成灰渣，即飞灰和底渣；而这些危废处理的方法有固化法、填埋法、焚烧法和等离子气化熔融等工艺方法。截止目前为止处理灰渣的最好工艺是熔融固化工艺，即在高温环境下将其熔融，形成二次资源并利用；熔融固化工艺的主要技术是富氧焦炭燃烧技术、电熔融技术和等离子熔融技术。等离子气化熔融工艺是利用高温将危险废物转化成无害的二次资源再次利用且不产生二次污染，因此可以得到最佳的处理效果。而等离子体炬是目前可以产生上万度高温的主要设备，所以在本领域中起着不可替代的作用。
等离子气化熔融工艺相比其他的热解焚烧工艺，运行效率高，优势明显，固体废弃物减量率高，并可以做到将危险废物进行无害化和资源化处理，截止目前是危废处理领域较为理想的处理方式。
尽管如此，现有的富氧焦炭燃烧技术、电熔融技术和等离子熔融技术存在的如下问题。
1. 富氧焦炭技术使用大量的焦炭，同时在玻璃液熔池中鼓入纯氧以提高焦炭释放的热量，并将促使熔融的玻璃液在熔池中运动；此工艺运行成本较高，且控制要求及工艺要求较高。
2. 电助熔技术对耐材的要求较高，加热区域有限，不能使热量均匀分布。
3. 等离子熔融技术是利用等离子体炬产生较高的温度，可以将较难熔融的物料集中熔融，但是不能将热量直接输入至熔融体内部。
针对上述富氧焦炭燃烧技术、电熔融技术和等离子熔融技术，即使通过增加等离子炬和电极的数量以及合理的布置，也很难做到将热量均匀的输入至玻璃体（熔融罐体）内部或者底部。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种多种热源协同加热的等离子气化熔融炉。
为实现上述目的，本发明提供一种多种热源协同加热的等离子气化熔融炉，其包括中频感应加热器、耐材等离子体炬、电极和石墨坩埚，其中中频感应加热器与石墨坩埚协同配合使用，感应加热器中通入中频或者高频的交流电，使交流电形成中频或者高频变化的磁场，通过磁场的高频变化使石墨坩埚内部产生感应电动势，将感应电动势加载在石墨坩埚上产生热能，用于加热炉底内部的玻璃体。
其中，中频感应加热器为无氧紫铜管，且以铜管直径为螺距将铜管从炉底的上端均匀缠绕在耐材外壁上，直至缠绕到炉底的底端，以形成螺旋形的铜盘管。
进一步地，铜盘管中通入使铜管保持恒温的冷却水。将绕制成的铜盘管安装在炉底钢壳和炉底耐材外侧形成的缝隙中，避开电极孔的位置。
更进一步地，耐材等离子体炬与等离子射流装置配合使用，用于将电能产生能量密度高的高温气体，并作用于从炉底上部落下来的物料上以及作用于炉底内部玻璃液的上表面上，维持炉底玻璃液上端部的高温状态，为电极和石墨坩埚加热不到的炉底顶部区域的玻璃液加热。
优选地，等离子体炬的安装尺寸根据炉底上面的玻璃体尺寸设定。等离子体炬安装在和炉底上端相连接的功能段上，等离子体炬与水平面有一定的角度，以使伸入耐材内壁一定距离。电极用于为石墨坩埚所加热不到的中心区域加热，在出渣口的两侧布置电极。
更进一步地，电极配合等离子体炬使用，均匀布交替布置在水平面内和等离子体炬在炉底的周圈上。在出渣口垂直面的正上部布置一个等离子体炬。
相比较于现有技术，本发明可实现如下相关功能。
1. 实现了等离子气化熔融炉炉底部分整体均匀加热，加热区域没有空区的加热。
2. 针对不同物料成分和不同工况下自由选择并切换加热系统。
3. 实现了三种热源互补输入控制方法，提高物料熔融效率。
附图说明
图1为依据本发明的多种热源协同加热的等离子气化熔融炉中的等离子体炬、电极、石墨坩埚布置形式示意图。
图2为多种热源协同加热的等离子气化熔融炉的电极布置形式。
图3为多种热源协同加热的等离子气化熔融炉中的等离子体炬布置形式。
图4为多种热源协同加热的等离子气化熔融炉中的电极和等离子体炬水平布置形式。
具体实施方式
下面结合附图和实施范例，进一步阐述本发明。在下面的详细描述中，只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例。毋庸置疑，本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。
本发明提供多种热源协同加热的等离子气化熔融炉，其中电极、等离子炬和中频感应加热器在等离子气化炉中的相对位置及布置如图1所示，多种热源协同加热的等离子气化熔融炉包括中频感应加热器、耐材等离子体炬、电极和石墨坩埚，其中中频感应加热器与石墨坩埚协同配合使用，感应加热器中通入中频或者高频的交流电，使交流电形成中频或者高频变化的磁场，通过磁场的高频变化使石墨坩埚内部产生感应电动势，将感应电动势加载在石墨坩埚上产生热能，用于加热炉底内部的玻璃体。中频感应加热器优选使用无氧紫铜管，且以铜管直径为螺距将铜管从炉底的上端均匀缠绕在耐材外壁上，直至缠绕到炉底的底端，以此形成螺旋形的铜盘管。铜盘管中通入使铜管保持恒温的冷却水。更优选地，将绕制成的铜盘管安装在炉底钢壳和炉底耐材外侧形成的缝隙中，避开电极孔的位置。
耐材等离子体炬与等离子射流装置配合使用，用于将电能产生能量密度高的高温气体，并作用于从炉底上部落下来的物料上以及作用于炉底内部玻璃液的上表面上，维持炉底玻璃液上端部的高温状态，为电极和石墨坩埚加热不到的炉底顶部区域的玻璃液加热。等离子体炬安装在和炉底上端相连接的功能段上，等离子体炬与水平面有一定的角度，以使伸入耐材内壁一定距离。等离子体炬的安装尺寸以其喷出的高温气体作用于炉底上面的玻璃体为准。
电极插入炉底的内部，用于将炉底中部以及中心部的玻璃液加热，并维持较高的温度。玻璃液的传热系数较小，电极将电能直接作用在玻璃液的分子内，直接将电能转换成玻璃液的热能，本发明中电极对玻璃液的输入功率相对于等离子炬的效率要高很多；并且电极用于为石墨坩埚所加热不到的中心区域加热。电极配合等离子体炬使用，均匀布交替布置在水平面内和等离子体炬在炉底的周圈上，同时在出渣口的两侧布置电极。在出渣口垂直面的正上部布置一个等离子体炬。
石墨坩埚通过中频感应加热器的作用产生热能，用于将炉底靠近炉底耐材内壁和底部的玻璃体加热，确保炉底内部的电极间的玻璃液处于高温状态，石墨坩埚为电极和等离子体炬加热不到的边缘区域进行加热。炉底内的玻璃液可以分成表面区域、中心区域以及边缘区域三部分，等离子体炬、电极和石墨坩埚可以针对不同的区域进行有针对的加热，且可以发挥各自的优势，提高热能的输入效率，从而达到将炉底玻璃液整体均衡的加热，并达到节约能源的目的。
如图2示出了多种热源协同加热的等离子气化熔融炉的电极布置形式，电极在炉底均匀布置，且分布在出渣口的两侧。电极插入炉底耐材内300mm-400mm。每对电极以及中间的玻璃液和电极的电源构成回路，电子在此回路中进行移动，从而将电能通过电极送入玻璃液中，从而将电能转换成热能，直接输送给玻璃液，使其加热并维持高温状态。
如图3示出了多种热源协同加热的等离子气化熔融炉中的等离子体炬布置形式，等离子体炬在炉底上段的功能段上均匀布置，且在出渣口的正上方布置一支且等离子体炬与电极在水平面内均匀交替布置。在出渣过程中也可以将出渣口附近的玻璃液加热，维持高温状态，便于出渣。
如图4示出了多种热源协同加热的等离子气化熔融炉中的电极和等离子体炬水平布置形式，出渣口的两侧各布置一支电极、出渣口的正上方布置一支等离子体炬，电极和等离子体炬在水平面内均匀交替布置。如此布置可以减小电极和等离子体炬之间的间隔，增大炉底玻璃液受热的区域。避免了电极与电极间或者等离子体炬与等离子体炬之间的间隔太大导致间隔内玻璃液温度过低。同时也可以将炉底表面的玻璃体加热，维持玻璃液上表面的温度，便于出渣。
更进一步地如图4所示，电极和等离子炬均匀布置在等离子气化炉中，在水平面的角度为30°；电极的一共有6支，相对位置如图2；等离子炬为6支相对位置布置如图3。中频感应加热器分为水冷线圈和石墨坩埚，其相对位置的布置如图1所示。
优选地，基于多热源协同加热的等离子气化熔融炉的结构布置，提出了一种功率输入的耦合控制方法，设定了三种热源功率补偿的相对比值，等离子炬功率、电极功率和中频感应加热功率补偿的相对比值为3:1:2。若三种热源或者两种热源同时输入时，可以按照以上比值进行功率输入控制，比如等离子炬功率下降3kw，则电极输入功率需要增加1kw；若中频感应加热功率下降2kw，则电极输入功率增加1kw。
本发明相比较于现有技术，具有如下创新点。
1. 本发明将等离子体炬加热系统、电极加热系统以及中频感应加热系统三种热源系统集中设置在等离子熔融炉中。
2. 通过在一个熔融炉中优化配置以上三种热源，发挥各自热源的优势作用，进而弥补各自的劣势，致使等离子熔融炉加热均匀，形成整体的高温区域。
3. 针对物料的成分以及不同的使用工况合理选择使用一种热源、两种热源还是三种热源，以及不同热源的合理搭配，从而使物料熔融效率更高。
4. 增加了三种热源的控制方法：调节三种热源协同加热输入功率的控制比例，实现输入功率的自动补偿，最终满足玻璃体熔融体对温度的要求。
5. 中频感应加热系统重点加热等离子熔融炉炉腔内外侧和底侧的物料，并维持熔融温度。
6. 电极加热系统重点加热等离子熔融炉内侧的物料，并维持熔融温度。
7. 等离子体炬系统重点加热等离子熔融炉上段的物料，并将物料初步熔融。
8. 中频感应加热可以均匀的将炉底内腔外侧的玻璃液加热，从而弥补了每两支电极中间区域的没有热源输入的缺点。
9.电极加热可以将炉底内腔中心测的玻璃液加热，从而弥补了中频感应加热对炉底内腔中心侧输入功率较少的缺点。
10.中频感应加热可以将炉底内腔底侧的玻璃液充分加热，从而弥补了炉底内腔底部没有热源的缺点。
11.等离子炬可以将炉底内腔顶层的玻璃液加热，从而弥补了电极和中频感应加热无法加热到炉底内腔顶层的缺点。
12.由于玻璃熔液的导热系数很低，因此通过三种热源的优势互补可以针对不同的区域进行针对性的功率输入。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种多种热源协同加热的等离子气化熔融炉，其特征在于：其包括中频感应加热器、耐材等离子体炬、电极和石墨坩埚，其中中频感应加热器与石墨坩埚协同配合使用，感应加热器中通入中频或者高频的交流电，使交流电形成中频或者高频变化的磁场，通过磁场的高频变化使石墨坩埚内部产生感应电动势，将感应电动势加载在石墨坩埚上产生热能，用于加热炉底内部的玻璃体。
2.根据权利要求1所述的多种热源协同加热的等离子气化熔融炉，其特征在于：中频感应加热器为无氧紫铜管，且以铜管直径为螺距将铜管从炉底的上端均匀缠绕在耐材外壁上，直至缠绕到炉底的底端，以形成螺旋形的铜盘管。
3.根据权利要求2所述的多种热源协同加热的等离子气化熔融炉，其特征在于：铜盘管中通入使铜管保持恒温的冷却水。
4.根据权利要求3所述的多种热源协同加热的等离子气化熔融炉，其特征在于：将绕制成的铜盘管安装在炉底钢壳和炉底耐材外侧形成的缝隙中，避开电极孔的位置。
5.根据权利要求1所述的多种热源协同加热的等离子气化熔融炉，其特征在于：耐材等离子体炬与等离子射流装置配合使用，用于将电能产生能量密度高的高温气体，并作用于从炉底上部落下来的物料上以及作用于炉底内部玻璃液的上表面上，维持炉底玻璃液上端部的高温状态，为电极和石墨坩埚加热不到的炉底顶部区域的玻璃液加热。
6.根据权利要求5所述的多种热源协同加热的等离子气化熔融炉，其特征在于：等离子体炬的安装尺寸根据炉底上面的玻璃体尺寸设定。
7.根据权利要求5所述的多种热源协同加热的等离子气化熔融炉，其特征在于：等离子体炬安装在和炉底上端相连接的功能段上，等离子体炬与水平面有一定的角度，以使伸入耐材内壁一定距离。
8.根据权利要求5所述的多种热源协同加热的等离子气化熔融炉，其特征在于：电极用于为石墨坩埚所加热不到的中心区域加热，在出渣口的两侧布置电极。
9.根据权利要求5所述的多种热源协同加热的等离子气化熔融炉，其特征在于：电极配合等离子体炬使用，均匀布交替布置在水平面内和等离子体炬在炉底的周圈上。
10.根据权利要求5所述的多种热源协同加热的等离子气化熔融炉，其特征在于：在出渣口垂直面的正上部布置一个等离子体炬。
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CN113551236A (zh) * 2021-08-27 2021-10-26 上海中川国宇环境有限公司 等离子体熔融炉及其使用方法

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