CN115245951B - 提高等离子体气化熔融炉处理危废物热效率的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高等离子体气化熔融炉处理危废物热效率的方法，属于等离子体处理危废物技术领域。该方法包括，以进炉压力为常温至750℃、氧含量为25‑80vol.％且进炉压力为5KPa‑0.3MPa的富氧空气为气化剂，同时以占有机危废物总质量5‑20wt.％的焦炭为辅料中的一种，对有机危废物进行等离子体气化熔融反应。通过该方法能够解决气化温度和熔浆温度低的问题，且在反应温度内形成的玻璃体流动性好、玻璃相完全，排渣通畅；所形成的净化合成气有效气含量高、热值高、能够高价值利用，同时能够在较低等离子炬功率下实现有机危废的完全气化，并能够处理较多种类繁杂的危废，提高危废气化速率，扩大危废处理规模，降低危废处理运行成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种提高等离子体气化熔融炉处理危废物热效率的方法，属于等离子体处理危废物技术领域。
背景技术
等离子体处理固废技术始于上世纪70年代，最初主要用于处理低放射性废物、军事武器的销毁，于1990年进入民用。目前国内从事等离子体处理危废的研究单位有数十家，随着技术升级与研发，部分已经开始进入商业试运行阶段。现阶段所使用的技术都是采用等离子体炬对危废进行直接的高温气化，通过电弧放电产生高达5000℃的等离子体，将危废加热至裂解温度，同时补入常温空气，使危废中的有机物裂解气化，转化成合成气，可用于发电或作为可燃气。危废中的灰分经等离子体高温熔融后成为无害的玻璃体而排出。
现有的等离子高温熔融气化技术尚有许多不足之处。
中国发明专利丁恩振等人CN201010505509.3一种含有机质废弃物的两级等离子体气化熔融裂解方法及其装置，介绍了一种含有机废物的两级等离子体气化熔融裂解方法及其装置，通过磁控等离子体气化、脉冲强化旋风效益自主捕获飞灰玻璃化和等离子体弧熔融裂解，通入由富氧空气发生器产生低密度等离子体的富氧空气，气化温度区间在150℃到950℃，熔融裂解温度在1250℃到1550℃，产生合成气、回收贵金属和玻璃体，取得了较好的结果。但是出现的问题之一是该富氧空气氧含量为22％到24％，导致合成气中有效气(CO+H2)含量低于29％，N2含量高达45％，合成气品质差；问题之二是由于熔融裂解温度主要由等离子体提供能量，导致直流等离子体功率消耗高达750kWh/T。
中国发明专利李小明等人CN201711399577.4一种固体废物集中处理的等离子体气化熔融系统，介绍了一种固体废物集中处理的等离子体气化熔融系统，一次风与出二燃室的高温烟气换热后进气化炉与固废进行反应，有效降低了粗合成气中的灰尘量，有利于抑制二噁英、呋喃类有毒有害物质的再生成。但是由于热风中氮气含量没有减少，导致合成气中有效气含量低，杂质成分多，只能通过二燃室再次烧掉，无法高价值利用合成气。
上述发明普遍存在以下不足之处。首先，用等离子炬直接气化危废需要极大的功率，一小时处理3吨危废，其电耗达到1200kWh到1500kWh，由于耗电高导致运营成本大大增加，使其商业运行价值低；其次，以常温空气为气化剂，不仅反应速度慢，产出的合成气中有效气(CO+H2)含量小于25％，热值低于700Kcal/Nm3，无法高价值利用；第三，通常现有等离子炉处理危废低于3吨/小时，炉内温度波动大，生成的玻璃体流动性差，玻璃体中玻璃相偏低。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种提高等离子体气化熔融炉处理危废物热效率的方法。
本发明的技术方案是：
一种提高等离子体气化熔融炉处理危废物热效率的方法，包括，以进炉压力为常温至750℃、氧含量为25-80vol.％且进炉压力为5KPa-0.3MPa的富氧空气为气化剂，同时以占有机危废物总质量5-20wt.％的焦炭为有机危废物辅料中的一种，对有机危废物进行等离子体气化熔融反应。
其进一步的技术方案是：
经调温调压的富氧空气的形成包括，将空气调温至常温至800℃，同时根据该调温后的空气温度向该空气中补入纯氧，将空气中的氧气含量调整至25-80vol.％后形成富氧空气，将该富氧空气送入等离子体气化熔融炉前将其调整至所述进炉温度和进炉压力。
其进一步的技术方案是：
所述等离子体气化熔融反应中所使用的等离子炬的功率为450-550KW。
其进一步的技术方案是：
所述有机危废物辅料还包括石英砂和石灰石。
其进一步的技术方案是：
所述等离子体气化熔融反应的核心温度为1300-1600℃，熔浆温度为1450-1500℃，且熔浆排出温度不低于1400℃。
其进一步的技术方案是：
所述等离子体气化熔融炉排出的粗合成气依次经余热回收、除尘、碱洗后得到净化合成气。
其进一步的技术方案是：
所述粗合成气的出炉温度为800-1400℃，且该粗合成气经余热回收后的温度为250℃以下；经余热回收后的粗合成气经碱洗后得到的净化合成气的温度为60℃以下。
其进一步的技术方案是：
所述余热回收通过膜式壁余热锅炉进行粗合成气热量的回收。
其进一步的技术方案是：
所述除尘通过布袋除尘器进行除尘.
其进一步的技术方案是：
所述碱洗采用1-4级碱洗塔进行碱洗。
本发明通过富氧常温空气或富氧热空气、特定比例的焦炭及特定功率的等离子炬配合使用，所能达到的技术效果如下：
传统方案以常温空气为气化剂，未配合其他能够增加热能的辅料，因此反应温度或熔浆温度不够高，想要达到理想的反应效果需要极高的等离子炬能耗。本发明技术方案解决了熔浆温度的问题，其在1450至1500℃时，能够保证达到危废裂解温度，且形成的玻璃体流动性较好，玻璃相形成较完全，排渣通畅。其次，本发明能够在较低的等离子炬功率条件下就能够实现有机危废物的完全气化，以每小时处理3吨危废物为例，等离子炬的能耗可从1500kWh降低到160kWh，降低了运行成本。再者，本发明中等离子体气化熔融炉的压力呈微正压状态(压力在5kpa到25kpa之间)，出口合成气温度高，有机危废物分解完全；同时富氧浓度越高，合成气热值越高，气量越少，建设成本低，环保效益明显。最后，本发明产生的合成气中有效气含量高达75vol.％，热值高，可高价值利用，避免了能源浪费，且能够处理较多种类繁杂的危废物，危废气化速率提升，较容易扩大危废处理规模。
附图说明
图1是本发明所述方法的工艺流程图。
具体实施方式
为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明记载了一种提高等离子体气化熔融炉处理危废物热效率的方法，该方法主要包括，以进炉压力为常温至750℃、氧含量为25-80vol.％且进炉压力为5KPa-0.3MPa的富氧空气为气化剂，同时以占有机危废物总质量5-20wt.％的焦炭为有机危废物辅料中的一种，对有机危废物进行等离子体气化熔融反应。
针对上述技术方案，更详细的方法步骤为：
(1)经调温调压的富氧空气的形成：通过热风炉将空气调温到常温至800℃，同时根据该调温后的空气温度向该空气中补入纯氧，将空气中的氧气含量调整至25-80vol.％后形成富氧空气，将该富氧空气送入等离子体气化熔融炉前将其调整至上述常温至750℃的进炉温度和5KPa-0.3MPa的进炉压力。
进入等离子体气化熔融炉的富氧空气可以是富氧常温空气，也可以是经调温后的富氧热空气，当采用富氧常温空气，就不再需要通过热风炉对空气进行调温，仅需要通过补入纯氧来调整空气中氧气含量，及调整进炉压力即可。对空气是否需要进行纯氧的补入，是根据空气的温度决定的，如空气温度较高可补入少量的纯氧，如空气温度为常温或较低则需要补入较多的纯氧。空气中补入纯氧的量与空气的温度之间的关系可通过富氧空气中氧气含量与氮气含量的比例及热晗通过热力学公式计算得到，该计算过程为本领域技术人员能够通过计算推理得到，本申请中不再赘述。
(2)向有机危废物中添加少量的石英砂和石灰石，以及占有机危废物总质量5-20wt.％的焦炭作为有机危废物辅料，将该辅料与待处理的有机危废物混合均匀后送入等离子体气化熔融炉内与上述的富氧常温空气或富氧热空气进行等离子体气化熔融反应，该反应中所使用的等离子炬的功率为450-550KW。该反应的核心温度为1300-1600℃，熔浆温度为1450-1500℃，且熔浆排出温度不低于1400℃。
(3)上述等离子体气化熔融炉排出的粗合成气依次经余热回收、除尘、碱洗后得到净化合成气。
具体的为，从等离子体气化熔融炉排出的粗合成气的主要成分为CO\H2\CO2\HCl\HF\H2S\H2O\烟尘，其出炉温度为800-1400℃。出炉后的粗合成气首先通过膜式壁余热锅炉进行换热，将粗合成气的温度降至250℃以下，然后通过布袋除尘器进行除尘，收集去除粗合成气中的烟尘。
经除尘后的粗合成气引入1-4级碱洗塔(优选3级)中通过碱液喷淋后，将粗合成气的温度降至60℃以下，脱除HCl\HF\烟尘\H2S，使粗合成气中烟尘含量小于10ppm，H2S含量小于30ppm，HCl含量小于10ppm，HF含量小于10ppm，得到净化合成气。
具体实施例一
(1)经辅料混合后的有机危废物的热值为3489kcal/kg，其中S\Cl\F的含量为1.62wt.％、2.25wt.％、0.07wt.％，水分28wt.％，灰分24.6wt.％。
(2)富氧热空气进炉温度450℃，热空气中氧含量25vol.％，进气化炉流量4863Nm3/h，等离子炬功率450KW。
(3)等离子体气化熔融炉每小时处理危废物3.0吨，其粗合成气产生量为8500Nm3/h，出口压力为5KPa，温度为1121℃，玻璃体产生950kg/h，其中玻璃相含量87wt.％。
(4)粗合成气经过余热锅炉换热后，温度降至198℃。
(5)198℃的粗合成气经布袋除尘、三级碱液喷淋洗涤后温度降至55℃。三级碱洗液浓度为5wt.％，流量为370m3/h，净化后的合成气经过分析，烟尘含量为3ppm，H2S含量为21ppm，HCl含量为5ppm，HF含量为8ppm，热值为1560Kcal/Nm3。
具体实施例二
(1)经辅料混合后的有机危废物的热值为3499kcal/kg，其中S\Cl\F的含量为1.63wt.％、2.21wt.％、0.09wt.％，水分27wt.％，灰分24.5wt.％。
(2)富氧热空气进炉温度100℃，热空气中氧含量50vol.％，进气化炉流量2436Nm3/h，等离子炬功率500KW。
(3)等离子体气化熔融炉每小时处理危废物3.0吨，其粗合成气产生量为6020Nm3/h，出口压力为6KPa，温度为1134℃，玻璃体产生910kg/h，其中玻璃相含量89wt.％。
(4)粗合成气经过余热锅炉换热后，温度降至199℃。
(5)199℃的粗合成气经布袋除尘、三级碱液喷淋洗涤后温度降至57℃。三级碱洗液浓度为7wt.％，流量为320m3/h，净化后的合成气经过分析，烟尘含量为3ppm，H2S含量为19ppm，HCl含量为4ppm，HF含量为7ppm，热值为1869Kcal/Nm3。
具体实施例三
(1)经辅料混合后的有机危废物的热值为3985kcal/kg，其中S\Cl\F的含量为1.86wt.％、2.36wt.％、0.08wt.％，水分27wt.％，灰分22.1wt.％。
(2)气化剂为富氧常温空气，氧含量70vol.％，进气化炉流量1631Nm3/h，等离子炬功率550KW。
(3)等离子体气化熔融炉每小时处理危废物3.0吨，其粗合成气产生量为5661Nm3/h，出口压力为6KPa，温度为1136℃，玻璃体产生860kg/h，其中玻璃相含量88wt.％。
(4)粗合成气经过余热锅炉换热后，温度降至194℃。
(5)198℃的粗合成气经布袋除尘、三级碱液喷淋洗涤后温度降至54℃。三级碱洗液浓度为6wt.％，流量为340m3/h，净化后的合成气经过分析，烟尘含量为3ppm，H2S含量为20ppm，HCl含量为5ppm，HF含量为9ppm，热值为1877Kcal/Nm3。
本方法是以常温或高温富氧空气为气化剂，以焦炭为有机危废物辅料中的一种，辅以特定功率的等离子炬对有机危废物进行等离子体气化熔融反应，产出的合成气中有效气(CO+H2)含量达40-75vol.％，热值1100-2100Kcal/Nm3，经余热锅炉降温后，再经过布袋除尘、多级碱液喷淋，可将合成气净化，达到合成气使用的标准，该合成气可进行高价值利用，包括但不限于变换制氢、合成气制乙二醇、合成气发电等用途。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种提高等离子体气化熔融炉处理危废物热效率的方法，其特征在于：包括，以进炉温度为常温至750℃、氧含量为25-80vol.％且进炉压力为5KPa-0.3MPa的富氧空气为气化剂，同时以占有机危废物总质量5-20wt.％的焦炭为有机危废物辅料中的一种，对有机危废物进行等离子体气化熔融反应，所述等离子体气化熔融反应中所使用的等离子炬的功率为450-550KW。
2.根据权利要求1所述的提高等离子体气化熔融炉处理危废物热效率的方法，其特征在于：经调温调压的富氧空气的形成包括，将空气调温至常温至800℃，同时根据该调温后的空气温度向该空气中补入纯氧，将空气中的氧气含量调整至25-80vol.％后形成富氧空气，将该富氧空气送入等离子体气化熔融炉前将其调整至所述进炉温度和进炉压力。
3.根据权利要求1所述的提高等离子体气化熔融炉处理危废物热效率的方法，其特征在于：所述有机危废物辅料还包括石英砂和石灰石。
4.根据权利要求1所述的提高等离子体气化熔融炉处理危废物热效率的方法，其特征在于：所述等离子体气化熔融反应的核心温度为1300-1600℃，熔浆温度为1450-1500℃，且熔浆排出温度不低于1400℃。
5.根据权利要求1所述的提高等离子体气化熔融炉处理危废物热效率的方法，其特征在于：所述等离子体气化熔融炉排出的粗合成气依次经余热回收、除尘、碱洗后得到净化合成气。
6.根据权利要求5所述的提高等离子体气化熔融炉处理危废物热效率的方法，其特征在于：所述粗合成气的出炉温度为800-1400℃，且该粗合成气经余热回收后的温度为250℃以下；经余热回收后的粗合成气经碱洗后得到的净化合成气的温度为60℃以下。
7.根据权利要求5所述的提高等离子体气化熔融炉处理危废物热效率的方法，其特征在于：所述余热回收通过膜式壁余热锅炉进行粗合成气热量的回收。
8.根据权利要求5所述的提高等离子体气化熔融炉处理危废物热效率的方法，其特征在于：所述除尘通过布袋除尘器进行除尘。
9.根据权利要求5所述的提高等离子体气化熔融炉处理危废物热效率的方法，其特征在于：所述碱洗采用1-4级碱洗塔进行碱洗。
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