CN115245952A - 等离子体耦合富氧气化熔融炉及其处理固体危废物的方法 - Google Patents

等离子体耦合富氧气化熔融炉及其处理固体危废物的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种等离子体耦合富氧气化熔融炉及其处理固体危废物的方法，属于固体危废物处理技术领域。该熔融炉在炉体上对应低于熔浆区液面以下位置处设有富氧空气侧吹口，且炉体上对应气化区处设有供富氧空气进入的补风口；进行处理时，将破碎固体危废物与辅料形成的混合物料在熔浆区内与侧吹富氧空气进行气化熔融反应，熔浆区未气化有机物组分在气化区内与经补风口进入的富氧空气进行气化反应，形成粗合成气。该熔融炉和方法大大提高了危废物处理效果和能力，减少了合成气气量并提高了品质，同时能够杜绝大分子有机物产生，使危废物中有害有机物能得到充分气化，同时从源头上解决了玻璃体成相时间长和出渣不顺利的问题，提高了能源利用率。

Description

等离子体耦合富氧气化熔融炉及其处理固体危废物的方法
技术领域
本发明涉及一种等离子体耦合富氧气化熔融炉及其处理固体危废物的方法，属于固体危废物处理技术领域。
背景技术
等离子体是气体与电弧接触而产生的一种高温、离子化和具有传导性的气体状态。由于电离气体的导电性，使电弧能量能够迅速转移并变成气体的热能，形成一种高温气体射流(温度达4000-7000℃以上)和高强度热源。等离子体是物质存在的一种状态，与固态、液态和气态并列，俗称“第四态”，是由大量相互作用但仍处在非束缚状态下的带电离子组成的宏观体系。和物质的另外三态相比，等离子体可以存在的参数范围异常的宽广，由于等离子体中含有离子、电子、激发态原子、分子、自由基等极活泼的化学反应物种，使它的化学反应性质与固、液、气三态有本质的区别，特别突出的一点是等离子体化学反应的能量水平高。该等离子体技术能够应用于固体危废物的处理。
目前，从已公开的专利或运行案例中可知，等离子体气化融炉是由气化熔融炉本体、等离子炬系统、配伍和进料系统、玻璃体出渣系统、补风系统、自控系统等组成，其中等离子炬是气化熔融炉的主要热量来源，同时补入相应的空气气化剂，使得危险废物的有害有机成分发生气化和无机物发生熔融从而达到无害化、资源化的目的。
现有技术中进行固体危废物的气化熔融处理时，采用空气作为气化剂，其含氧量为21％，空气补风口通常设置在物料层、物料层上部、气化层三个区域内，不同处置能力的等离子体气化融炉的补风口数量不尽相同，通常每层设置1-5个补风口；此外，等离子炬(等离子体发生器)设置在物料层或略低于物料层下方的位置，不同处置能力的等离子体气化融炉的等离子体发生器数量和功率不尽相同；再者，等离子体气化熔融炉产生的合成气一般都还需要通过二燃室+尾气处理系统的工艺进行处理。
上述现有技术存在的弊端在于：
等离子炬作为等离子体气化熔融炉的主要热源，需要匹配大功率的等离子炬发生器，同时等离子炬作为主要热源设置在固定的层面，会导致炉内温度场不均，容易造成危险废物气化不完全和不利于玻璃体成相。其中危险废物气化不完全会导致合成气中含有大量焦油等大分子有机物，也就是现有技术必须采用二燃室进行燃烧而不是进行合成气利用(例如作为燃气、化工产品的原料)；玻璃体成相不均会造成出渣不顺畅甚至“死炉”。
采用空气作为气化剂，由于空气中氧含量只有21％，氮气含量达到79％，造成气化反应速率大大降低，同时造成等离子体气化熔融炉的热量被大量氮气带走，大大增加了气量并导致合成气的品质大幅降低，不利于整个系统的良性运转。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种等离子体耦合富氧气化熔融炉及其处理固体危废物的方法，该熔融炉和该方法能够很好的提高危废物处理效率，同时提高合成气品质，并能从源头上解决玻璃体成相时间长和出渣不顺的问题。
本发明的技术方案是：
本发明公开了一种等离子体耦合富氧气化熔融炉，包括炉体，所述炉体的下端底部形成熔浆区，所述炉体内熔浆区的上部形成气化区；其中炉体上对应低于熔浆区液面以下位置处设有若干富氧空气侧吹口，且炉体上对应气化区处设有若干供富氧空气进入的若干补风口。
其进一步的技术方案是：
若干所述富氧空气侧吹口间隔设于炉体上对应低于熔浆区液面0.2-0.8m处的周向侧壁上，且该富氧空气侧吹口的数量为3-20个。
其进一步的技术方案是：
若干所述补风口在炉体的周向侧壁上沿气化区轴向间隔排布设有1-3层，且每层均设有1-20个风口。
其进一步的技术方案是：
所述炉体上对应熔浆区液面以上位置处的周向侧壁上间隔定位设有若干个等离子体发生器。
其进一步的技术方案是：
若干所述等离子体发生器设于炉体上高于熔浆区液面0.3-2.0m处的周向侧壁上，该等离子体发生器的数量为1-6个。
其进一步的技术方案是：
所述熔浆区的高度为0.6-3.0m。
本发明还公开了一种使用上述等离子体耦合富氧气化熔融炉对固体危废物进行处理的方法，该方法主要包括
将破碎固体危废物与辅料混合形成的混合物料在熔浆区内与经富氧空气侧吹口进入的富氧空气进行充分快速的气化熔融反应；及
熔浆区反应产生的气体及未气化有机物组分在气化区内与经补风口进入的富氧空气进行充分的气化反应，形成粗合成气。
其进一步的技术方案是：
固体危废物的破碎粒径为0.5-5.0cm，且该固体危废物与辅料按照配伍热值为1000-6000Kcal/kg进行混合，所述混合物料的总卤素含量不大于5wt.％，碱金属含量不大于5wt.％，总硫含量不大于5wt.％，且水分含量不大于50wt.％。
其进一步的技术方案是：
经富氧空气侧吹口侧吹进入的富氧空气的含氧量为25-100％，且压力为0.05-0.3MPa；经补风口进入的富氧空气的含氧量为21-100％，且压力为常压-0.3MPa。
其进一步的技术方案是：
该方法还包括将粗合成气排出后，依次经余热回收、除尘、碱洗后得到净合成气，该净合成气能够直接进行进一步的利用。
本发明的有益技术效果是：
1、本发明在现有等离子体熔融炉的基础上，创造性的引入了富氧侧吹的协同理念，大大提高了危废物的处理效果和处理能力，不仅减少了合成气气量，提高了合成气品质，同时减少甚至杜绝了焦油等大分子有机物的产生，使危废物中有害有机物能够得到充分气化，使最终所产生的合成气经过简单的处理就能够直接利用；
2、通过富氧侧吹的手段提高了炉底物料的反应速率，解决了炉底热负荷容易失衡的问题，从源头上解决了玻璃体成相时间长和出渣不顺利的问题，同时提高了能源利用率。
附图说明
图1是本申请所述等离子体耦合富氧气化熔融炉的结构示意图；
其中：
1、炉体；2、等离子体发生器；3、危废物进料口；4、出渣口；5、富氧空气侧吹口；6、熔浆区；7、气化区；8、补风口；9、合成气出口；10、金属出口。
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。
本发明详细记载了一种等离子体耦合富氧气化熔融炉。该熔融炉包括炉体1，该炉体的下端底部形成熔浆区6，炉体内熔浆区的上部形成气化区7；其中炉体上对应低于熔浆区液面以下位置处设有若干富氧空气侧吹口5，且炉体上对应气化区处设有若干供富氧空气进入的若干补风口8。
本具体实施例中，炉体1呈三段式结构，其中熔浆区6位于炉体1的底部，且该熔浆区的轴向截面呈倒梯形结构；气化区7由位于下部的气化一区和位于上部的气化二区构成，该气化一区和气化二区相互连通，且气化一区的直径与熔浆区6顶部的尺寸直径一致，气化二区的直径小于气化一区的直径。本具体实施例中，合成气出口9开设于气化二区的顶端处，且危废物进料口3开设于气化一区和气化二区过渡处的台阶上，这样危废物自危废物进料口进入炉体内后，仅经过气化二区就进入倒熔浆区内。本具体实施例中，熔浆区的高度为0.6-3.0m。
若干个富氧空气侧吹口5间隔设于炉体上对应低于熔浆区液面0.2-0.8m处的周向侧壁上，且该富氧空气侧吹口的数量为3-20个。
若干补风口8在炉体的周向侧壁上沿气化区轴向间隔排布设有1-3层，且每层均设有1-20个风口。本具体实施例中，补风口设置为2层，其中第一层设置于气化一区靠近气化一区和气化二区过渡处台阶下方的周向侧壁上；其中第二层补风口设置于气化二区中段位置的周向侧壁上。
炉体1上对应熔浆区6液面以上位置处的周向侧壁上间隔定位设有若干个等离子体发生器2，该若干个等离子体发生器2设于炉体上高于熔浆区液面0.3-2.0m处的周向侧壁上，该等离子体发生器的数量为1-6个。本具体实施例中，等离子体发生器2设于气化一区位于该区对应的第一层补风口的下方与熔浆区页面以上位置处，且所采用的等离子体发生器2的单个功率为50-500kw。
此外，在炉体1上对应熔浆区6的靠上位置处设有一出渣口4，该出渣口主要用于供形成的玻璃体排出；在炉体1上对应熔浆区6的最底部位置处设有一金属出口10，该金属出口主要用于供危废物中含有的金属成分排出。
本发明还详细记载了一种使用上述等离子体耦合富氧气化熔融炉对固体危废物进行处理的方法，该方法主要包括
将破碎固体危废物与辅料混合形成的混合物料在熔浆区内与经富氧空气侧吹口进入的富氧空气进行充分快速的气化熔融反应；及
熔浆区反应产生的气体及未气化有机物组分在气化区内与经补风口进入的富氧空气进行充分的气化反应，形成粗合成气。
更具体的，该方法主要包括下述步骤：
S1，将经破碎处理的固体危废物与辅料混合均匀后，通过连续送料装置将混合物料输送至等离子体耦合富氧气化熔融炉的危废物进料口内，混合物料在炉体的熔浆区内与经富氧空气侧吹口侧吹进入的富氧空气进行充分快速的气化熔融反应并放出大量的热量；
S2，炉体熔浆区反应中产生的玻璃体从出渣口排出，且危废物中含有的金属成分从金属出口排出；炉体的熔浆区反应产生的气体及未气化有机物组分向上升至气化区，在气化区内未气化有机物组分与补风口进入的富氧空气进行充分的气化反应，形成粗合成气；
S3，步骤S2粗合成气从合成气出口排出后，依次经余热回收、除尘、碱洗后得到净合成气，该净合成气能够直接进行进一步的利用。
上述步骤S1中，所使用的辅料为石英砂、石灰石等常用辅料，该辅料与固体危废物的破碎粒径均为0.5-5.0cm，且该固体危废物与辅料按照配伍热值为1000-6000Kcal/kg进行混合。混合后形成的混合物料中，总卤素含量不大于5wt.％，碱金属含量不大于5wt.％，总硫含量不大于5wt.％，且水分含量不大于50wt.％；且该步骤中，混合物料的进料方式连续进料。上述对混合物料的要求能够保证物料快速进入炉体内，并在炉体的熔浆区内进行快速反应。
上述步骤S1中，经富氧空气侧吹口侧吹进入熔浆区的富氧空气的含氧量为25-100％，且压力为0.05-0.3MPa。
上述步骤S2中，经补风口进入气化区的富氧空气的含氧量为21-100％，且压力为常压-0.3MPa。
上述步骤S3中，进行余热回收的方式可以为蒸汽锅炉热量回收、热水换热器热量回收、空气换热器热量回收，也可以是其他热量回收或热量利用方式。其中进行热量回收时，从合成气出口排出的粗合成气的温度为800-1400℃，经上述余热回收装置回收余热后，该粗合成气的温度降至220℃及以下。
上述步骤S3中，进行除尘的方式为采用旋风除尘器、布袋除尘器等除尘装置进行除尘，其除尘效率达到99.9％及以上。
上述步骤S3中，进行碱洗的方式为采用1-4碱洗塔，碱洗塔的碱液采用5～15wt.％的氢氧化钠溶液，流量为150-400m3/h，合成气的温度能够降至80℃以下，质量达到城市煤气及其以上标准。
该处理方法中，将已经破碎处理的危险废物与辅料混合均匀，通过连续送料系统将物料输送至气化熔融炉，物料在高温熔浆区与富氧空气进行充分快速的气化熔融反应并且放出大量的热量，大大提高危险废物的处理能力和效率；极少量的未气化组分(焦油等大分子)在气化区与富氧风进行气化，从而使得出口合成气不含焦油等大分子；合成气经过余热回收、除尘、碱洗后可进一步直接利用。底部的熔浆经过富氧空气的剧烈搅拌，能更好形成玻璃相并满足国家标准，最终通过底部渣口排出；若危险废物中含有铜等金属，由于其比重较大，会在最底部沉积并在最底部金属出口排出。
具体实施例一
(1)每小时处理危险废物3吨，危险废物与辅料混合后的热值为3500kcal/kg，其中S\Cl\F的含量为1.57wt.％、2.39wt.％、0.08wt.％，总硫为2.1wt.％，碱金属为1.3wt.％，水分29.1wt.％，灰分24.9wt.％。
(2)富氧空气侧吹口侧吹进入的富氧空气的风量为1920Nm3/h，氧含量为50％，压力为0.9MPa；富氧空气侧吹口的位置在熔浆区液面以下0.5m处，富氧空气侧吹口的数量为6个且沿周向均匀分布。
(3)补风口分布在气化区，设置二层风口，每层风口的数量为4个，总风量为720Nm3/h，氧含量为50％，压力为常压。
(4)等离子体发生器的位置在熔浆区以上1m处，其数量为3个，单只等离子体发生器的功率为50kw。
(5)余热回收方式为蒸汽锅炉，除尘方式为布袋除尘器，碱洗为3级碱洗塔，碱洗塔的碱液采用10wt.％的氢氧化钠溶液，流量为300m3/h。
(6)玻璃体能够顺利出渣，没有“死炉”现象，且符合国家标准《固体废物玻璃化处理产物技术要求》征求意见稿，合成气的分析结果如下：
表1具体实施例1合成气分析结果
Figure BDA0003201497570000071
Figure BDA0003201497570000081
具体实施例二
(1)每小时处理危险废物3吨，危险废物与辅料混合后的热值为3500kcal/kg，其中S\Cl\F的含量为1.57wt.％、2.39wt.％、0.08wt.％，总硫为2.1wt.％，碱金属为1.3wt.％，水分29.1wt.％，灰分24.9wt.％。
(2)富氧空气侧吹口侧吹进入的富氧空气的风量为5313Nm3/h，氧含量为25％，压力为0.9MPa；富氧空气侧吹口的位置在熔浆区液面以下0.5m处，富氧空气侧吹口的数量为6个且沿周向均匀分布。
(3)补风口分布在气化区，设置二层风口，每层风口的数量为4个，总风量为2127Nm3/h，氧含量为25％，压力为常压。
(4)等离子体发生器的位置在熔浆区以上1m处，其数量为3个，单只等离子体发生器的功率为50kw。
(5)余热回收方式为蒸汽锅炉，除尘方式为布袋除尘器，碱洗为3级碱洗塔，碱洗塔的碱液采用10wt.％的氢氧化钠溶液，流量为300m3/h。
(6)玻璃体符合国家标准《固体废物玻璃化处理产物技术要求》征求意见稿，合成气的分析结果如下：
表2具体实施例2合成气分析结果
Figure BDA0003201497570000082
Figure BDA0003201497570000091
具体实施例三
(1)每小时处理危险废物3吨，危险废物与辅料混合后的热值为3500kcal/kg，其中S\Cl\F的含量为1.57wt.％、2.39wt.％、0.08wt.％，总硫为2.1wt.％，碱金属为1.3wt.％，水分29.1wt.％，灰分24.9wt.％。
(2)富氧空气侧吹口侧吹进入的富氧空气的风量为1205Nm3/h，氧含量为75％，压力为0.9MPa；富氧空气侧吹口的位置在熔浆区液面以下0.6m处，富氧空气侧吹口的数量为6个且沿周向均匀分布。
(3)补风口分布在气化区，设置三层风口，每层风口的数量为3个，总风量为320Nm3/h，氧含量为75％，压力为常压。
(4)等离子体发生器的位置在熔浆区以上1m处，其数量为2个，单只等离子体发生器的功率为50kw。
(5)余热回收方式为蒸汽锅炉，除尘方式为布袋除尘器，碱洗为3级碱洗塔，碱洗塔的碱液采用10wt.％的氢氧化钠溶液，流量为300m3/h。
(6)玻璃体符合国家标准《固体废物玻璃化处理产物技术要求》征求意见稿，合成气的分析结果如下：
表3具体实施例3合成气分析结果
Figure BDA0003201497570000092
Figure BDA0003201497570000101
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 (10)

1.一种等离子体耦合富氧气化熔融炉，包括炉体(1)，其特征在于：所述炉体的下端底部形成熔浆区(6)，所述炉体内熔浆区的上部形成气化区(7)；其中炉体上对应低于熔浆区液面以下位置处设有若干富氧空气侧吹口(5)，且炉体上对应气化区处设有若干供富氧空气进入的若干补风口(8)。
2.根据权利要求1所述的等离子体耦合富氧气化熔融炉，其特征在于：若干所述富氧空气侧吹口(5)间隔设于炉体上对应低于熔浆区液面0.2-0.8m处的周向侧壁上，且该富氧空气侧吹口的数量为3-20个。
3.根据权利要求1所述的等离子体耦合富氧气化熔融炉，其特征在于：若干所述补风口(8)在炉体的周向侧壁上沿气化区轴向间隔排布设有1-3层，且每层均设有1-20个风口。
4.根据权利要求1所述的等离子体耦合富氧气化熔融炉，其特征在于：所述炉体(1)上对应熔浆区(6)液面以上位置处的周向侧壁上间隔定位设有若干个等离子体发生器(2)。
5.根据权利要求4所述的等离子体耦合富氧气化熔融炉，其特征在于：若干所述等离子体发生器(2)设于炉体上高于熔浆区液面0.3-2.0m处的周向侧壁上，该等离子体发生器的数量为1-6个。
6.根据权利要求1所述的等离子体耦合富氧气化熔融炉，其特征在于：所述熔浆区(6)的高度为0.6-3.0m。
7.一种使用权利要求1至6中任一项所述等离子体耦合富氧气化熔融炉对固体危废物进行处理的方法，其特征在于：主要包括
将破碎固体危废物与辅料混合形成的混合物料在熔浆区内与经富氧空气侧吹口进入的富氧空气进行充分快速的气化熔融反应；及
熔浆区反应产生的气体及未气化有机物组分在气化区内与经补风口进入的富氧空气进行充分的气化反应，形成粗合成气。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：固体危废物的破碎粒径为0.5-5.0cm，且该固体危废物与辅料按照配伍热值为1000-6000Kcal/kg进行混合，所述混合物料的总卤素含量不大于5wt.％，碱金属含量不大于5wt.％，总硫含量不大于5wt.％，且水分含量不大于50wt.％。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：经富氧空气侧吹口侧吹进入的富氧空气的含氧量为25-100％，且压力为0.05-0.3MPa；经补风口进入的富氧空气的含氧量为21-100％，且压力为常压-0.3MPa。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：该方法还包括将粗合成气排出后，依次经余热回收、除尘、碱洗后得到净合成气，该净合成气能够直接进行进一步的利用。
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