CN113881460B - 一种多弧等离子体气化炉 - Google Patents
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Abstract
本发明的一种多弧等离子体气化炉，基于气化炉，气化炉包括进料管、炉排、炉渣收集装置及排烟口；还包括多弧等离子体发生器，所述多弧等离子体发生器安装在等离子体射流导管的侧壁上，多弧等离子体发生器与等离子体射流导管连通；等离子体射流导管布置在气化炉炉壁内侧的炉排上端；等离子体射流导管设有n个出口，为n≥2的自然数，均布于等离子体射流导管，出口的角度与水平面夹角0°≤ɑ≤30°。本发明通过多弧等离子体发生器与环形等离子体射流导管的结合，使得输送到被处理物料区的等离子体射流温度场更加均匀，避免了传统电弧等离子体由于温度梯度大，处理物料过程中易导致局部结渣的问题，提高了气化效率。
Description
技术领域
本发明涉及多弧等离子技术领域，具体涉及一种多弧等离子体气化炉。
背景技术
目前国内主流的处理可燃固体危险废弃物方式是回转窑，该炉型存在燃烧温度不高，二次废物(飞灰、底渣)生成率(25％左右)较高，燃尽率低(含碳率高)，烟气中英二噁英含量较高等问题；这些二次废物通常采用传统的填埋或者水泥窑协同处理，达到无害化处置的目标。
其中填埋由于土地资源的稀缺性属于不可持续发展的工艺路线；水泥窑协同处置更多的是采用掺混稀释的方式来对飞灰进行处理，处理温度不够，并且二噁英、重金属等有害物质并未得到根本性无害化处理，依然存在于成品水泥当中，存在着水泥标号降低，强度不够等问题，部分地区已经发生了采用该工艺生产的水泥质量不达标进而导致生产安全事故；等离子体气化工艺作为目前处理危废的先进技术，得到的广泛的关注，在我国危废处理领域已开始工程应用。
目前市场上的主流气化炉，气化效率不高，出来的底渣热酌减率较高，且易结焦；有些厂家采用了等离子体气化炉方式后，提升了气化效率，降低了底渣热酌减率；但同时，由于采用的电弧等离子体方式，温度高，能量集中，又带来了局部热负荷超温，炉内温度不均匀，加剧了局部结焦问题；同时还带来烟气中氮氧化物含量高等一系列问题；
发明内容
本发明提出的一种多弧等离子体气化炉，具体采用一种多弧等离子体技术，可用于气化处理可燃固体废弃物，尤其各种热值较低的危险废弃物。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
基于气化炉，气化炉的顶部纵向设置进料管，气化炉的内部横向设置炉排，气化炉底部设置炉渣收集装置，气化炉的顶部侧壁上设置排烟口，
还包括多弧等离子体发生器，所述多弧等离子体发生器安装在等离子体射流导管的侧壁上，多弧等离子体发生器的喷嘴段出口端与等离子体射流导管的气体流入端连通；
等离子体射流导管布置在气化炉炉壁内侧的炉排上端；
等离子体射流导管周向均布n个等离子体热风流出口，n≥2，等离子体热风流出口的角度与水平面夹角0°≤ɑ≤30°。
进一步的，所述气化炉内部侧面布置了贴壁风管，沿炉体同一高度截面共设置4路进风，采用侧壁切向旋流进入方式，在汽化炉内部形成涡旋的贴壁风。
进一步的，所述气化炉内部设置耐腐蚀、耐热震耐火材料。
进一步的，所述多弧等离子体发生器包括有电弧室，电弧室内布置m个结构相同的电弧等离子体炬，m≥2，所述电弧室从轴向上依次分内径渐变增大的内径扩张段、内径不变的直管段、内径渐变减小的收缩段和内径不变的喷嘴段，所述电弧室的顶端布置有气体流入口，所述电弧室直管段布置有直管段进气管，所述的直管段进气管连接环形对冲气体分配器，所述电弧室喷嘴段布置有喷嘴段进气管，所述的喷嘴段进气管连接环形旋流气体分配器；
m个电弧等离子体炬分别插装在电弧室内径扩张段并在环向均匀分布，各个电弧等离子体炬的中轴线与电弧室的中轴线在空间上形成的夹角均为相同角度的锐角β，45°≤β≤75°。
进一步的，所述环形对冲气体分配器同轴设置于电弧室直管段内壁，环形对冲气体分配器的内壁设有多层多个气体流出口，同一平面的多个气体流出口的中轴线相交于电弧室中轴线的同一位置点。
进一步的，所述环形旋流气体分配器同轴设置于电弧室喷嘴段内壁，环形气体分配器的内环壁设有多个切向气体流出口，多个切向气体流出口的切向方向一致。
进一步的，所述电弧室内衬耐火材料和保温材料。
由上述技术方案可知，本发明所采用的多弧等离子体气化炉，是针对焚烧类危险废弃物的高效处置工艺。通过均匀的、大尺寸等离子体射流馈入技术，在解决上述问题的基础上，最大程度的利用了等离子体中的活性粒子，提高了气化效率。
总的来说，本发明所采用的使用多弧等离子体气化炉，是针对焚烧类危险废弃物的高效处置工艺。在解决炉内温度不均匀、温度过高导致能耗过大且加剧炉内局部过热导致耐火材料易烧穿，以及由于温度过高导致的污染物(如重金属)易挥发到气相中，造成烟气污染物浓度过高不易处置的问题，通过多弧等离子体以及环形的等离子体射流输运技术，降低馈入到气化炉内等离子体的温度的同时，最大程度的利用了等离子体中的高浓度活性粒子、均匀的温度场和高速的等离子体流动，将富含高浓度活性粒子和适宜气化的热量馈入至被处理物料中，有效提高了气化效率，降低了能耗，并且提高了系统的稳定性和可靠性。
具体的说，本发明的优点如下：
①采用多弧等离子体发生器，可同时产生多个电弧，相比同功率的单弧等离子体而言，该等离子体均匀性更好，通过三级混风，可以有效调控等离子体的温度、射流的速度和活性粒子的浓度，更好的利用等离子体活性高的优势和提高能量效率。
②采用环形等离子体射流管将等离子体射流输运到被处理物料区，可以更有效的提高被处理物料与等离子体的接触的面积，有助于等离子体中的活性粒子与物料更充分的反应，提高了处理效率。
③通过多弧等离子体发生器与环形等离子体射流管的结合，使得输送到被处理物料区的等离子体射流温度场更加均匀，避免了传统电弧等离子体由于温度梯度大，处理物料过程中易导致局部结渣的问题。
④在气化炉内部侧面布置了贴壁风，沿炉体同一高度截面共4路进风，采用侧壁切向旋流进入方式，可以提高炉内气氛的均匀性，有助于物料气化反应的一致性和均匀性；同时还可以调控炉内温度和流场，增长被处理物在炉内停留时间，降低底渣热灼减率，降低出口烟气中的氮氧化物。
⑤通过在贴近炉排的上端设置等离子体射流导管，这样被处理物料处于等离子体射流导管的上端，结合多个等离子体热风流出口的角度与水平的夹角0°≤ɑ≤30°，更好的实现了高速等离子体射流与物料的混合搅拌，提高气化效率。
附图说明
图1是本发明的多弧等离子体气化炉装置示意图；
图2是本发明的多弧等离子体发生器外部结构示意图；
图3是本发明的多弧等离子体发生器主体结构示意图；
图4是本发明等离子体射流导管示意图；
图5是本发明等离子体射流导管的出口角度示意图；
其中附图标记如下：
1、进料管；2、多弧等离子体发生器；3、气化炉；4、等离子体射流导管；5、耐火材料；6、贴壁风；7、贴壁风管；8、收集装置；9、排烟口；10、等离子体射流；11、炉排；
21、电弧室；22、电弧等离子体炬；23、扩张段；24、直管段；25、收缩段；26、喷嘴段；27、气体流入口；28、环形对冲气体分配器；29、环形旋流气体分配器；210、直管段进气管；211、喷嘴段进气管；
41、连接口；42、43、44、45等离子体热风流出口。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
如图1所示，本实施例所述的多弧等离子体气化炉，基于气化炉3，气化炉3的顶部纵向设置进料管1，气化炉3的内部设置炉排11，气化炉3底部设置炉渣收集装置8，气化炉3的顶部侧壁上设置排烟口9；
如图2和图3所示，还包括多弧等离子体发生器2，所述多弧等离子体发生器2安装在等离子体射流导管4的侧壁上，多弧等离子体发生器2喷嘴段出口端连接等离子体射流导管4气体流入端；
等离子体射流导管4布置在气化炉3炉壁内侧的炉排11上端；
如图4和图5所示，等离子体射流导管4是环绕在气化炉外壁外部，为环形封闭状，等离子体射流导管4周向均布n个(n≥2)等离子体热风流出口，等离子体热风流出口的角度与水平面夹角0°≤ɑ≤30°，在所述的等离子体热风流出口喷射出高速、均匀稳定、富含活性粒子的等离子体射流，这个角度可以使等离子体射流在炉膛内部最大程度形成中心覆盖，作用到炉膛内的中心物料，有利于提升等离子体活性粒子的覆盖范围；在出口处喷射处富含有助于气化的活性粒子，温度在300～1200℃范围内的等离子体射流10；本实施例设置四个出口42、43、44、45。
所述多弧等离子体发生器2包括有电弧室21，电弧室21内布置m个结构相同的电弧等离子体炬22，m≥2，所述电弧室21从轴向上依次分内径渐变增大的内径扩张段23、内径不变的直管段24、内径渐变减小的收缩段25和内径不变的喷嘴段26，所述电弧室21的顶端布置有气体流入口27，所述电弧室直管段24或布置有直管段进气管210，直管段进气管210连接环形对冲气体分配器28，所述电弧室喷嘴段26布置有喷嘴段进气管211，喷嘴段进气管211连接环形旋流气体分配器29。
具体的说，本实施例采用3个等离子体炬22，分别插装在电弧室21内径扩张段23并在环向均匀分布，各个电弧等离子体炬22的中轴线与电弧室的中轴线在空间上形成的夹角均为相同角度的锐角β，45°≤β≤75°，这个角度确保三个电弧等离子体发生对冲相互作用，提高等离子体的混合效率，同时保证电弧等离子体速度在轴向的分量，减少等离子体对电弧室内壁的冲击。
所述环形对冲气体分配器28同轴设置于电弧室直管段内壁，环形对冲气体分配器的内壁设有多层多个气体流出口，同一平面的多个气体流出口的中轴线相交于电弧室中轴线的同一位置点。
所述环形旋流气体分配器29同轴设置于电弧室喷嘴段内壁，环形气体分配器的内环壁设有多个切向气体流出口，多个切向气体流出口的切向方向一致。
所述电弧室内衬耐火材料和保温材料。
对于多弧等离子体发生器，具体的说就是三个等离子体炬22，将3个等离子体炬22阳极短接成等电位。正常启弧后形成稳定的电弧等离子体高温炬焰，每个等离子体炬22的功率均为100kW，总功率为300kW，每个等离子体炬的工作气体(空气)均为60m3/h，采用多级混合等离子体工作气体的方式，即分别从电弧室顶端的气体流入口注入一级混气空气，流量为60m3/h；从直管段进气管210注入二级混气空气，流量为200m3/h，经环形对冲气体分配器28通过多层多个气体流出口，流入电弧室21内，该气体的流入和一级混气和电弧等离子体发生强烈的对冲碰撞，充分混合，提高混合后等离子体温度场、活性粒子分布的均匀性，之后经喷嘴段进气管211进行三级混气水蒸气或空气，流量为60m3/h，经环形旋流气体分配器29多个切向气体流出口，使气流涡旋进入，将等离子体射流中大量的活性粒子包裹在碰嘴出口处气流的中间，降低与壁的碰撞损失。此外通过三级混气，进一步提高等离子体活性基团含量(如水分解产生大量的OH自由基，温度过高不利于OH自由基的生成)；多路混气在与等离子体混合后，被离解、电离，形成均匀的、温度约为800℃的非热等离子体射流，通过等离子体射流导管4输运到气化炉中，等离子体射流导管4布置在气化炉炉壁内侧的炉排11上端。进入电弧室21，最终形成高速、温度可调(300-1200℃)的等离子体射流，这种均匀的、大尺寸的等离子体射流有别于常规电弧等离子体炬等离子体的特性，等离子体尺寸小(通常在几十毫米量级)，温度梯度大(中心温度可达上万度，边缘温度仅有1千度左右)，因此，在保持了高浓度活性粒子的同时，降低了出口射流对气化物料的高温灼烧，导致的结焦(渣)，影响系统的稳定影响。
以下结合工作流程和原理再综合说明：
首先把多弧等离子体发生器2安装在等离子体射流导管4的侧壁上，采用高频或者接触式起弧方式，起弧成功后，启弧后形成稳定的热等离子体炬焰。一级混气和二级混气(压缩空气)按照设定方向进入等离子体放电腔室，与高温炬焰混合，促进电弧等离子体的扩散，混合后的气体被电离形成非热等离子体射流；混气的流场设计，会起到扩大等离子体尺寸和提高射流等离子体的速率，并最终达到提高单位时间等离子体中活性粒子和带电粒子输运数量的效果。三级混气(水蒸气或压缩空气)在下游再喷入到放电腔室内，进一步提高等离子体活性基团效果(如水分解产生大量的OH自由基，温度过高不利于OH自由基的生成)，多路混气在与等离子体混合后，被离解、电离，均匀的在温度300～1200℃范围之间，通过等离子体射流导管4输运到气化炉中，等离子体射流导管4布置在气化炉炉壁内侧的炉排11上端。
等离子体射流导管4有若干个出口(个数为n，n≥2)，均布于等离子体射流导管4，出口的角度与水平面夹角0°≤ɑ≤30°，在出口处喷射出富含有助于气化的活性粒子，温度在300～1200℃范围内的等离子体射流9；
从进料管1可以通过给料装置从上而下进料(危废)，堆积在气化炉内的炉排10上，等离子体射流作用于被处理的物料(危废)，被该温度下富含活性粒子的等离子体作用，被处理物料中的有机物被气化形成富含合成气(CO+H2)的高温烟气；
在气化炉内部侧面布置了贴壁风6，沿炉体同一高度截面共4路进风，采用侧壁切向旋流进入方式；既可以用来保护壁面5的安全性，同时贴壁风还能并控制炉内温度和流场，增长被处理物在炉内停留时间，进一步彻底气化，降低底渣酌减率。
在炉体中间被气化完成后，形成的残渣，通过炉排，最后落入到炉体底部炉渣收集装置8。
根据工况的需求，控制输入能量和送风量(等离子体射流风量、贴壁风量和进料量)，烟气出口9温度可调；
炉子内部内衬特殊耐腐蚀、耐热震耐火材料5；
烟气最终从烟气出口9排出后，进入到下一步工艺烟气处理系统；
综上所述，由于目前市场上的主流气化炉，气化效率不高，出来的底渣热酌减率较高，且易结焦；有些厂家采用了等离子体气化炉方式后，提升了气化效率，降低了底渣热酌减率；但同时，由于采用的电弧等离子体方式，温度高，能量集中，又带来了局部热负荷超温，炉内温度不均匀，加剧了局部结焦问题；同时还带来烟气中氮氧化物含量高等一系列问题；所以本发明所采用的使用多弧等离子体气化炉，是针对焚烧类危险废弃物的高效处置工艺。在解决炉内温度不均匀、温度过高导致能耗过大且加剧炉内局部过热导致耐火材料易烧穿，以及由于温度过高导致的污染物(如重金属)易挥发到气相中，造成烟气污染物浓度过高不易处置的问题，通过多弧等离子体以及环形的等离子体射流输运技术，最大程度的利用了等离子体中的高浓度活性粒子、均匀的温度场和高速的等离子体流动，将富含高浓度活性粒子和适宜气化的热量馈入至被处理物料中，有效提高了气化效率，降低了能耗，并且提高了系统的稳定性和可靠性。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (6)
1.一种多弧等离子体气化炉，基于气化炉（3），气化炉（3）的顶部纵向设置进料管（1），气化炉（3）的内部横向设置炉排（11），气化炉（3）底部设置炉渣收集装置（8），气化炉（3）的顶部侧壁上设置排烟口（9），其特征在于：
还包括多弧等离子体发生器（2），所述多弧等离子体发生器（2）安装在等离子体射流导管（4）的侧壁上，多弧等离子体发生器（2）的喷嘴段出口端与等离子体射流导管（4）的气体流入端连通；
等离子体射流导管（4）布置在气化炉（3）炉壁内侧的炉排（11）上端；
等离子体射流导管（4）周向均布n个等离子体热风流出口，n≥2，等离子体热风流出口的角度与水平面夹角0o≤ɑ≤30 o ；
所述多弧等离子体发生器（2）包括有电弧室（21），电弧室（21）内布置m个结构相同的电弧等离子体炬（22），m≥2，所述电弧室（21）从轴向上依次分内径渐变增大的内径扩张段（23）、内径不变的直管段（24）、内径渐变减小的收缩段（25）和内径不变的喷嘴段（26），所述电弧室（21）的顶端布置有气体流入口（27），所述电弧室直管段（24）布置有直管段进气管（210），直管段进气管连接环形对冲气体分配器（28），所述电弧室喷嘴段（26）布置有喷嘴段进气管（211），喷嘴段进气管连接环形旋流气体分配器（29）；
m个电弧等离子体炬（22）分别插装在电弧室（21）内径扩张段（23）并在环向均匀分布，各个电弧等离子体炬的中轴线与电弧室的中轴线在空间上形成的夹角均为相同角度的锐角β，45°≤β≤75°。
2.根据权利要求1所述的多弧等离子体气化炉，其特征在于：所述气化炉（3）内部侧面布置了贴壁风管（7），沿炉体同一高度截面共设置4路进风，采用侧壁切向旋流进入方式，在气化炉（3）内部形成涡旋的贴壁风（6）。
3.根据权利要求1所述的多弧等离子体气化炉，其特征在于：所述气化炉（3）内部设置耐腐蚀、耐热震耐火材料（5）。
4.根据权利要求3所述的多弧等离子体气化炉，其特征在于：
所述环形对冲气体分配器（28）同轴设置于电弧室直管段（24）内壁，环形对冲气体分配器（28）的内壁设有多层多个气体流出口，同一平面的多个气体流出口的中轴线相交于电弧室中轴线的同一位置点。
5.根据权利要求4所述的多弧等离子体气化炉，其特征在于：
所述环形旋流气体分配器（29）同轴设置于电弧室喷嘴段（26）内壁，环形气体分配器的内环壁设有多个切向气体流出口，多个切向气体流出口的切向方向一致。
6.根据权利要求1所述的多弧等离子体气化炉，其特征在于：
所述电弧室内衬耐火材料和保温材料。
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