CN1207060A - 轻型紧凑的垃圾处理炉 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于处理垃圾的轻型紧凑的炉子。它特别设计成用于要求炉子的重量最轻,而安装的空间有限的地方。该炉子由三个主要腔室组成:第一腔室,水和有机化合物在其中分解和汽化,而金属和陶瓷在其中玻璃化,轻变成熔融的炉渣,用等离子炬或感应圈来提供工作用的能量。第二腔室,用等离子炬使得分解的化合物在空气或氧气中燃烧。第三腔室,用于接受和储存玻璃化了的炉渣。这种炉子使用了一种轻型的、多层的,用先进材料制成的,高温腔室内壁构件,其能量的效率高,还能进行冷却的动态控制。

Description

轻型紧凑的垃圾处理炉
本发明涉及一种轻型紧凑的用于处理垃圾的炉子。此外，本发明还包括了这种炉子结构中的各种构件，例如使用一种新颖轻质的多层耐火炉壁构件，这种构件采用了先进的材料，在提高工作温度和能量效率的同时，具有结构的整体性和动态的冷却控制。
军舰和商船实际上在世界上所有的航道上运行。对于处理垃圾这个问题来说，这些船舶实际上可以看作是小小的漂浮的城市。美国海军在国外对固体垃圾的调查表明，在海洋上每人每天大约要产生3.0磅(1.4千克)的固体垃圾。因此，一艘航空母舰上的人每天要产生9.9吨以上的固体垃圾。而在整个世界的航道上每天要产生几千吨的固体垃圾。目前，这些垃圾的极大部分倾倒在海里，造成了严重的环境污染问题。
1987年，美国参议院一致批准了禁止向世界海洋的某些“特殊区域”倾倒固体垃圾的国际法。这项法律的施行遍及一切公用船只，包括美国海军。1993年，众议院规定了时限，美国海军船只必须在2000年1月1日之前达到这一要求。
目前，美国海军需要一种能够安装在船只的甲板上的垃圾处理设备。这种设备必须是轻型的、紧凑的、而且要模件化，这样才能把它运进或运出船只而不需要改变船只的基础结构。此外，这种设备必须具有高的能量效率和快速点火和熄火的潜力。本申请中所公开的技术能够满足美国海军的全部要求。但是，本申请中所公开的技术也可以用于任何一种必须将重量和尺寸减到最小的装备，例如可移动的或可运输的销毁垃圾的装置。
用热处理来销毁固体垃圾是一种最万能的技术。这种热处理可以用焚化或者高温分解来实现。
焚化时，固体垃圾基本上是在富氧的环境中燃烧。垃圾中的可燃成分，例如纸、塑料和其他有机物质可用作燃料，为了保持足够旺的火焰，另外再添加一些碳氢化合物燃料。一般，焚化的特点是需要很大的炉子，燃烧不完全，产生过氧化物之类的污染环境的烟雾，还产生灰尘。因此，对于不得产生可察觉的烟雾的轻型紧凑的设备来说，普通的焚化不是实际可行的技术。
很多发明人公开了一些目的在于使得装置更加紧凑和有效的焚化技术。美国专利U.S.5,353,720公开了一种焚化装置，这种装置采用加压的氧气和氢气来代替普通的空气和燃气或油，以使燃烧室内的温度至少达到4,000°F(2,250℃)。氢和氧的燃烧大大减少了所需要的气体量，因而也就减小了装置的尺寸。再者，由于燃烧的温度极高，废气中的污染的烟雾也大大减少了。但是，很容易预料到，这种操作是十分危险的，而爆炸的风险很可能阻碍了这种技术在商业上的应用。另外，为使这种炉子运行，必须要有大量的氢气和氧气。
在美国专利4,627,365和4,579,067中分别公开了其他的以燃烧为基础的技术。U.S.4,627,365中公开了一种可运输的燃烧设备，这种设备安装在兼作收集城市垃圾用的卡车上。焚烧装置设计成只能处理很少量的固体垃圾，而且，这种方法是不是能满意地销毁垃圾，所产生的废气是不是清洁也是有疑问的。U.S.4,579,067公开了一种燃烧器的设计，它能提供较高的燃烧温度，试图减少污染的化合物。但，所有的焚化炉都要产生飞扬的灰尘，既有毒又很难处理，必须填埋在地下或进行进一步处理。
其他焚化型炉子有分别在美国专利4,479,443和4,848,250中公开的炉子。这两种炉子都使用与附加的能源结合在一起的焚化技术，试图改进炉子的性能。4,479,443中公开了一种使用等离子气体和燃烧火焰的炉子来销毁多氯联苯(PCB)。等离子气体用于提高燃烧温度，使得消灭PCB的效率增加到大于99.99％。在4,848,250中，使用了一个感应圈来维持熔融的金属浴槽，固体垃圾就扔进这个浴槽里进行处理。这种装置把感应和焚化结合在一起，具有在高温下燃烧垃圾和把灰尘玻璃化的两种作用，从而减少了废气中的污染烟雾。
在高温分解方法中，把垃圾暴露在超过1000°F(540℃)的缺氧的环境中。诸如由等离子气体的射流、电弧和感应炉的电能用作热源。垃圾中的水份汽化了，而有机物则分解后形成简单的易挥发的化合物，诸如H2、CO、CO2和C2H2。剩下的物料，绝大部分是灰尘、玻璃和金属，可以进一步加热到3500°F(1930℃)左右，把它们熔化并玻璃化成一种炉渣，这种炉渣非常稳定，不会对环境形成威胁。事实上，玻璃化的炉渣是如此的稳定，以致可以考虑用作最佳的储存最危险物料(例如原子反应堆的废弃物)的方法。但含有全部分解后的易挥发化合物的废气则必须进一步处理，以防止有害的烟雾。一般，这种处理包括在最低2000°F(1095℃)的温度下燃烧2秒钟。用空气或氧气进行燃烧。再用碳氢化合物的燃料来保证使温度保持在2000°F(1095℃)。
过去的二十多年中，设计了许多高温分解的炉子，并取得了专利。在雷得合公司研制的一种设计中(美国专利4,770,109)，使用了一种等离子炬为高温分解提供能量。用空气作为等离子气体的形成气体。整个炉子是转动的，以使熔融的垃圾喷散在炉子的表面上。借助于把熔融的垃圾喷散开来，使得可用于处理的表面积增大了，并且，雷得合公司还声称，处理的质量也提高了。玻璃化了的炉渣，借助于降低转速和适当的离心力，使炉渣通过位于该转炉中心的一个孔流出来。
在授予等离子能量公司(PEC)的美国专利5,143,000中公开了另一种等离子气体高温分解炉子。在这种炉子中，送入炉子内的固体垃圾形成一种柱状物，等离子炬插入上述具有被垃圾围住的等离子气体喷射端的柱状物的下部。该柱状物的高度始终保持高于等离子炬。等离子气体的能量用来分解混合垃圾中的有机化合物，并把灰尘和金属熔化成炉渣。易挥发的有机物通过炉子的顶部排出，而炉渣则从底部清除掉。在这种PEC炉子中等离子炬和炉壁都是固定的，任何移动都是由等离子气体的喷射传递给垃圾的力矩的结果。但是，如果需要，估计也可以让等离子炬移动，如美国专利4,982,410中对石墨电弧电极所描述的那样。
加拿大专利申请2,076,199也公开了一种与雷得合炉和PEC技术相似的等离子高温分解炉，但其中没有设计的细节。该专利要求保护一种工艺方法，其中，在耐火衬里的炉子内部使用了一种等离子电弧，用来把城市的固体垃圾(MSW)加热到超过2010°F(1100℃)。空气进入炉子的入口减小到最低限度，尽量设法产生一种较高热量的废气。在高温分解时，废气中含有足够的氢气和碳氢化合物可进行燃烧，每立方米气体能够补偿大约250 Btu/ft3(9315 KJ/m3)。
所有上面提到的专利中的炉子，无论是用焚化还是用高温分解，都要用常用的耐火砌衬来覆盖炉子的内表面，既防止过多的热量损失，又防止损坏结构墙。此外，在这些设计中总是必须伴有二次燃烧室(SCC)来处理废气。一般，SCC的内表面也必须覆盖普通的耐火砌衬。一般的砌衬，即使是用很先进的材料制作的，例如用美国专利4,823,359所公开的诺登公司所研制的材料，也要使炉子和SCC增加巨大的重量。例如，分别在美国专利4,770,109和5,143,000中所描述的等离子气体炉，这种炉子的工作功率为500 KW，能够处理的固体垃圾量为700 lb/hr(320kg/hr)，设有一适当的SCC装置，就需要有足够的耐火砖来覆盖大约200 ft2(19m2)的炉壁。如果可接受的能量损失为20％，那么，普通氧化锆耐火砖炉壁的厚度大约需要12英寸(30cm)，炉子和SCC总共需要重达40英吨(44公吨)的耐火砖。如果要求能量的损失更低些，那么耐火墙就要更厚，更重。另一个问题是，使用普通耐火砌衬的炉子，在它点火和熄火时加热和冷却所需要的时间太长。
如果炉子的运行可以不要使用SCC，那么所需要的耐火砖的量就能够大大减少。在美国专利4,644,877中，使用了一种喷雾环来激冷和清理由等离子气体解离垃圾而产生的废气。在加拿大专利申请2,135,204中，从等离子炉中排出的废气是在以后和在炉子中产生的炉渣并行地处理的。这两种技术的处理废气的目的都是取消SCC装置。但是，无论是在上面所提到的专利技术，还是在大多数专利申请中，都不能认为所提供的处理已经合格了，美国法律仍要求使用SCC装置。
避免炉子的体积和重量因耐火砖砌衬而增大的最佳途径是使用更轻的能量控制装置。许多技术都集中在研制改良的耐火砖炉壁上。例如，美国专利4,802,425公开了一种耐火砌衬，它由两种交替的纤维材料带子所组成。第一种纤维材料是从抗收缩和抗腐蚀的材料中选择的，而第二种纤维材料是考虑要有很好的机械强度。虽然这种设计能为在高腐蚀性环境中提供改进了的性能，但它在减少砌衬的体积和重量方面的效果很不明显。
在美国专利4,398,474中公开了一种不使用普通耐火材料的，绝热的炉子的结构。这种结构由一个包围着一系列耐火的，基本上平行的，互相隔开的薄板的壳体组成，其中的一块或多块薄板是反射的。这种绝热墙的工作原理是把从热源辐射出来的热反射回到热源去，从而减小热量的损失。这种结构似乎是在理论研究的基础上设计出来的，还有许多实际问题没有解决。例如，在该专利中没有说明可以用什么材料来获得这些必要的性能。事实上，所描述的结构好像更适合用于较低的温度(大约1000°F或540℃)，而且热量要用干净的能源来产生。按照本发明人所知，这种绝热结构至今还没有在垃圾处理炉中使用过。
在设计用于垃圾处理炉的轻型炉壁时，一个必须考虑的问题是垃圾中的成分是极为复杂的。有些垃圾含有大量有机物，在燃烧时，这些有机物会放出大量的能量来。另一些垃圾则很少或者没有有机物，因此在处理时产生不了多少能量。由于垃圾中有机物的含量是经常变化的，所以加入到炉子中的能量也要变化，而炉壁的冷却速率也必须相应地变化，以便保持恒定的炉壁温度。这个问题对于要求快速加热和冷却的炉壁来说特别重要，因此，必须使它储存的能量为最少，而普通的耐火墙却储存了大量的能量，并且尽管炉子里释放的能量暂时减少了，仍然能维持它的高温。
本发明的炉子是用于处理混合固体垃圾，生物医学垃圾、危险的垃圾和报废的军火弹药，而且是用于船舶的甲板上，以及拖车之类的设施上，需要重量轻，体积小而且是模件化的情况。这种轻型而紧凑的炉子能够把垃圾中的有机物成分转化为良性的气体排放出去，而把无机材料转化为可以废弃或者用作建筑材料的，惰性的，玻璃化的固体产品(炉渣)。
本发明的炉子由三个主要腔室组成：(1)主要的固体处理室(PSTC)，用于使有机成分分解和汽化，使无机成分玻璃化；(2)二级燃烧室(SCC)，用于保证使所有在PSTC中产生的易挥发化合物完全燃烧和对其进行处理；(3)炉渣加工和储存室。因此，本发明的炉子从根本上包括：
(a)一个主要的固体处理室，它包括一个炉缸，垃圾在炉缸内转变成熔融的炉渣和简单的易挥发成分；
(b)一个二级燃烧室，在上述主要的固体处理室内产生的易挥发化合物在这个燃烧室内进行进一步的处理，保证其完全燃烧；
(c)一个炉渣加工和储存室，在主要的固体处理室的炉缸内形成的炉渣在其中冷却并从这个炉子内清除和运走；
(d)其中，上述主要的固体处理室和二级燃烧室的壁包括一个用金属制成的内壁构件，这种金属在极高的工作温度下具有良好机械性能，上述内壁构件的一面朝向热腔室的内部，而在另一面是设有间隙，可调节的冷却空气能通过这个间隙，以便对上述内壁构件的冷却进行动态控制。上述两个室的壁在上述间隙外面还有一层外钢板壳。通过上述间隙的可调的冷却空气可以有各种速度和/或冷却空气量，并且可以作为有间隙这一面的内壁上温度的调节或控制因素(例如用CPU阀和速度可调节的鼓风机)。上述温度可借助于热电偶来测量。
根据在高温腔室内部存在的温度和其他条件，上述内壁构件可以用，例如，不锈钢制作，或者，最好用超耐热不锈钢制作，并且还可以在朝向高温腔室内部的一面上镀复一层热障，或者还有一层用耐腐蚀和耐氧化的材料制成的粘接镀层，用于把上述热障镀层粘接在超耐热不锈钢或其他适当金属制成的内壁构件上。
通常，PSTC和SCC这两个腔室都由等离子体发生器供应能量，并且，根据需要，可以在实际上联接成一个较大的容器。上述炉渣加工室不暴露在等离子体环境中，而是在低得多的温度下工作。
上述PSTC等离子发生器可以是一个等离子炬，以传递的方式或者非传递的方式工作(传递的方式是指等离子弧的一端固定在等离子炬的电极上，而其另一端固定在熔融的炉渣池内，而非传递方式是指两个电弧的固定电极都在等离子炬内部)。在本发明的另一个实施例中，用一个感应圈为PSTC提供所需的能源。
固体垃圾最好预先处理过(例如，可以用切碎进行分级，或者用常用技术进行处理)，再用输送机或螺旋进料器送入炉子的PSTC部分。在PSTC中，混合垃圾装入用导电材料制成的，例如用铜制成的炉缸内，炉缸可以用水或空气冷却，因为垃圾要加热到2800°F(1540℃)以上。通常，都使用能以传递和非传递两种方式工作的等离子炬来加热炉缸内的垃圾。空气用作等离子体形成气体，但也可以使用氧气或氮气。感应热也可以用作能源。
在炉缸内发生下列过程：(1)垃圾中所含的水份迅速汽化；(2)有机物都分解成比较小的易挥发分子，例如H2，CO，CO2，和C2H2；(3)无机成分，例如玻璃和金属，被熔化，搅拌和氧化，形成一个熔融的陶瓷熔池，冷却后凝固成非常稳定的炉渣。搅拌炉缸中熔融的熔池是由等离子体射流冲击在熔池表面上，以及移动等离子炬来实现的，并且，这种等离子射流在炉缸各处表面上的冲击通常是使用三轴液压辅助机构来实现的。当使用感应加热作为熔化炉渣的能源时，便在熔融液体中产生磁搅动，这种搅动能在熔池中产生所要求的搅拌。
炉缸周期地从它在PSTC中的正常工作位置下降到位于PSTC正下方的炉渣加工和储存室，然后倾斜，把熔融的炉渣倒入放在一台输送机上的小铸模中。或者，可以用一根感应棒在炉缸的底部打开一个孔，熔融的炉渣便能通过这个孔注入铸模中。当铸模中灌满了熔融的炉渣之后，输送机便移动，于是下一个铸模便处在接受熔融炉渣的位置上。最后，输送机把这些铸模送入该炉子的冷却部分中，让炉渣冷却并储存起来。
易挥发的分子在离开炉缸中的熔融物后，一部分在PSTC中被氧化和处理，气体在PSTC中的温度保持在2000°F(1095℃)左右，而作为等离子体的形成气体供入PSTC，或者通过炉壁上的孔供入PSTC中的空气或氧气可用于燃烧。上述这些分子的处理是在SCC中完成的。在SCC内，上述易挥发分子在大约2000°F(1095℃)的温度下完全燃烧掉了。在正常情况下，使这些分子停留的时间超过两秒钟，以保证完全燃烧。使用了一种以非传递方式工作的等离子炬，以保证温度不降低到低于规定的限度。用两种方式把空气或氧气送入SCC内，用于易挥发混合物的燃烧：(1)作为等离子形成气体，通过等离子炬；以及(2)通过SCC壁上的小孔。或者，可以向PSTC中加入过量的空气，这样就减少或不需要向SCC内追加空气了。
这种轻型紧凑的炉子的最具有创新意义的因素是取消了高温炉子内部的作为炉壁构件的耐火砖砌衬。PSTC和SCC这两个腔室的墙壁都由两层材料构成。第一层，即朝向高温燃烧区的内壁构件，可以用，例如，镍基超耐热不锈钢制成，如那些由航天工业部门研制的用于喷气发动机的高温区的超耐热不锈钢。可以在这种超耐热不锈钢的高温表面上先镀复一层耐蚀和防氧化，例如以钴—镍—铬—铝为基材的合金(常称为CoNiCrAl粘接层)，然后，再镀复一层热障镀层，例如，适合于炉子的工作环境的部分稳定化了的锆或者其他陶瓷热障镀层(TBC)。上述粘接镀层和TBC都很薄，一般其总厚度不超过0.08英寸(0.2cm)，而普通的耐火砖砌衬一般都厚达12英寸(30cm)。然而，这两层镀层却提高了需要在1300-1600°F(705-870℃)的高温下工作的超耐热不锈钢内壁的稳定性和寿命。由于这层内壁暴露在炉子的高温下，所以这种超耐热不锈钢必须从在这种工作条件下具有优良的机械性能和抗腐蚀性能的材料中选择。
位于内壁构件较冷一面的炉壁的第二层或第二部分由冷却空气间隙和钢制外壳构成。这一部分还可以在空气间隙和钢制外壳之间有一层陶瓷纤维绝热材料，例如Fiberfrax。陶瓷纤维绝热层具有上佳的低的导热性能(大约是0.5Btu/(hr.ft2)(°F/in)〔0.72J/(s)(m)(℃)〕，而普通的耐火砖砌衬则超过10Btu/(hr.ft2)(°F/in)(1.4J/(s)(m)(℃)〕；还有很小的比重(大约10 lb/ft3或160 kg/m3)，而普通的耐火砖砌衬大约为450 lb/ft3(7200 kg/m3)。但是，陶瓷纤维绝热层不能直接用作炉子的砌衬，因为它的机械性能很差，还有潜在的腐蚀问题。本发明中，上述陶瓷纤维绝热层只用于降低温度(由于存在着内壁构件和冷却空气间隙)，而不与炉子中的任何内容物接触，也不暴露在有潜在腐蚀性的炉子的环境中。
上述冷却空气间隙通常是一条窄的间隙，大约为0.5英寸(1.3cm)，主要用于为内壁构件提供动态控制的冷却，但，它也可以用于向PSTC和/或SCC输送空气或氧气。通过上述间隙的空气或氧气使作为炉壁结构的一部分的内壁构件和陶瓷纤维绝热层冷却。然后，加热后的空气通过内壁构件上的一个或多个小孔，送入反应器内，可以用于燃烧过程，或者直接排入周围的大气中。因此，这些空气能起四种作用：(1)冷却炉子的壁；(2)为易挥发分子的燃烧提供所需要的氧气；(3)由于将炉子的冷却装置转变成了空气的预热装置，提高了炉子的热效率；(4)从炉子中带走过剩的热量。
本说明书中公开的上述炉壁结构中一个非常重要的特点是，能在极短的时间内点火和熄火。为了让炉子能正常工作，在PSTC和SCC这两部分中的炉壁必须加热到很高的温度。在普通的耐火砖砌衬的炉子中，炉子的预热需要6小时之多。此外，一当垃圾已经完全处理完毕，而必须打开炉子进行清理或维修时，还需要好几个小时去除储存在耐火砖砌衬内部的热量来进行冷却。而本发明所公开的轻型紧凑的炉子却能够在几分钟之内预热完毕，因为内壁的温度几乎能立刻就提高到正常的工作温度。炉子的冷却也能借助于用处理空气来冷却内壁而在若干分钟之内完成。
本发明的炉子的另一个重要的特点是它的模件化。一座轻型紧凑的，能够处理675lb/hr混合垃圾的炉子，每分钟产生大约1200标准立方英尺(scf/min或0.6m3/s)的废气，所需要的处理气体的装置的容积超过150ft3(4.2m3)。如果这种炉子是安装在船舶的内部，那么在安装过程中船的基础结构将受到很大的破坏。但，在本发明的炉子中，PSTC，炉渣的加工部分和SCC部分都制造成若干模件，这些模件能够通过不经改造的标准的船门。在运送到船舶内部后，再把这些模件装配起来，形成所需要的处理容积。
总之，本发明所公开的炉子具有下列重要的创造性和优点：(1)由于引进了一种独特的炉壁能量控制装置，炉子很轻；(2)由于在主要(固体垃圾处理部分)和二级(气体处理)部分都使用了等离子炬或感应加热，而没有使用能使废气容积大大增加的碳氢化合物燃料，炉子很紧凑；(3)由于巧妙地把炉壁的冷却装置转化成了空气预热装置，炉子的效率很高；(4)炉子为模件式的，所以安装时不需要对安装的场地作任何改动；(5)由于取消了储存大量热能的耐火砖砌衬，所以炉子能很快地预热和冷却；(6)借助于采用了动态的炉壁冷却装置，无论炉内释放的热量如何变化，也能够使炉壁保持基本上恒定的温度。
本发明还提供了新颖的轻型炉壁构件，它能使用于任何一种内部具有加热腔室的炉子。
下面，参照附图详细说明本发明的实施例。附图中：
图1是按照本发明的一个实施例的炉子结构的示意侧视图；
图2是图1中的结构的示意顶视图；
图3是按照本发明的另一个实施例的炉子结构的示意侧视图；
图4是适合于本发明的炉子的轻型炉壁的断面图；以及
图5是具有冷却空气控制装置的炉壁构件的另一个断面图。
请参阅图1和图2，图中分别表示了一座用于处理垃圾的轻型紧凑的炉子的侧视图和顶视图，该炉子有一个将垃圾装入其中的料斗10，垃圾通过该料斗进入主要的固体处理室(PSTC)内。借助于一台振动板输送器14，能增大垃圾的通过能力。
PSTC12有一个炉缸16，从料斗10输送来的垃圾掉入该炉缸内，并利用等离子炬18使炉缸内的垃圾熔化。炉缸16一般用水来冷却。上述等离子熔化炬18在需要时能够通过枢轴20进行转动，以便在炉缸内进行适当的搅拌。除了等离子炬18之外，也可以用一个感应圈(图中未示出)为PSTC 12提供所需的能源，把炉缸中的垃圾加热到超过1800°F(1540℃)，从而使垃圾中所含有的水份汽化，并把有机物分解成诸如H2、CO、CO2、和C2H2的分子，并且把无机物成分，诸如玻璃和金属搅拌和熔化成十分稳定的炉渣。搅拌是利用一种由液压驱动的三轴旋转机构，使等离子体射流22冲击在炉缸16的熔池表面上，以及让等离子炬18通过枢轴20移动到炉缸表面的各个部位来实现的。
在PSTC 12中产生的气体，按照箭头24所示，通过通道后流入二级燃烧室(SCC)26，该燃烧室可由一个或者多个二级燃烧区段28、30组成。这种燃烧区段的数量决定于整个炉子的大小和它处理垃圾的能力。在本实施例中是两个区段。
等离子炬32用于把SCC 26中的气体加热到超过2000°F(1095℃)，从而保证它完全燃烧。还向SCC中送入空气或氧气，用于燃烧易挥发化合物，这种燃烧是通过等离子炬和SCC炉壁上的小孔来完成的，下面将详细描述。废气通过孔口34排出。
水冷的炉缸16周期地从其在PSTC 12内部的工作位置下降到位于PSTC下方的炉渣加工和储存室36内。然后，炉缸倾斜过来，把熔融的炉渣倒入位于输送机40上的小铸模38中。当一个挨一个的铸模中充满了炉渣之后，最后移动到较冷的区段42内，炉渣在那里凝固，再从门44清理出去。
在本实施例中，炉子的高度A为74”(1.85m)，底部长度B为53”(1.325m)，底部宽C为37”(0.925m)，容积为84ft3(2.27m3)。
图3表示按照本发明的炉子的另一个实施例，其中，与上面的附图相同构件都用同样的标号表示。如图3所示，垃圾通过料斗10和送料机构14装入设有炉缸16A的主要的固体处理室(PSTC)12中，在本实施例中，炉缸是固定不动的。炉缸16A中设置了一根用于将炉渣注入铸模38中的感应棒17。主要的等离子炬18可以是一个双重方式的等离子炬，能以传递和非传递两种方式工作。当等离子炬以传递方式工作时，非常希望把熔融液槽用作阳极，因为等离子炬以这种方式工作的效率非常高，一般在90％左右。但是，在刚起动时，凝固的炉渣是不导电的，因此需要使用非传递式的工作方式。这种主要的等离子炬18借助于把等离子炬的喷咀和熔融液并联在电源上，然后断开与等离子炬的触点以转移电弧，就能从非传递方式转换到传递方式。
在PSTC 12中产生的气体按照箭头24所示的那样流过通道后，流入二级燃烧室(SCC)26内。在上述通道24内可以设置一个高温捕集器25，以防止任何大的颗粒在离开PSTC 12后进入废气中。这个捕集器25起过滤大颗粒的过滤器的作用，通常由一个圆筒形构件做成，里面装有几排交错排列的杆27。包括杆27在内的整个捕集器25都用具有良好的抗热冲击性能的材料，例如碳化硅，制成。在SCC 26中带有一个辅助等离子炬32，用于把气体加热到所要求的温度，以保证完全燃烧。废气则通过孔口34排出。
本实施例中的炉缸16A是具有圆形横断面的半椭圆形的炉缸。炉缸的壳体可以用诸如镀铜的不锈钢或者镍等材料制成。在炉缸内铺设了一层炉缸壁15，并且在该炉缸壁15与炉缸的外壳之间留有一条通道。
上述炉缸用通过进口19A、19B喷射出来的空气冷却；空气的出口设置在炉缸的上部。在上述通道内还可以设置多孔的金属衬垫，以促进从炉缸壁向空气的传热。试验表明，用这种方式，260 scfm的空气能够从炉缸上除掉22，200 Btu/hr.ft2(70 kw/m2)的热能，从而将炉缸的表面冷却到930°F(500℃)。
炉渣加工室36基本上是一个水冷的矩形腔室，可以让炉渣锭在里面冷却10个小时。熔融的炉渣通过感应棒17注入位于感应棒下方的铸模38内。可以每隔12分钟向铸模注入一次炉渣。每一个炉渣锭的重量用校正载荷传感器(图中未示出)来控制，以保证炉渣锭的重量不超过预定的重量，即50lb。铸模可以做成两半，能够分开。在铸模的两半被液压驱动的活塞(图中未示出)拉开，让炉渣锭39从铸模中掉出来之前，炉渣可以在铸模内冷却大约10分钟。一当炉渣锭出模之后，它就被推过冷却室，最后停止在托板上，这块托板支承着许多这种炉渣锭，并且可以根据需要把它们从托板上移走。炉渣加工室不仅有水冷却的侧壁，而且还可以有水冷的底部，这样将减少冷却所需要的时间。
为了使以上所描述的炉子尽可能的轻，上述PSTC 12和SCC 26的壁可以做成如图4或图5所示的结构。朝向高温腔室内部的材料是一层超耐热不锈钢46，例如，是在很高的工作温度下具有优良机械性能的镍基超耐热不锈钢。
这块超耐热不锈钢可以在它朝向腔室内部的高温表面上镀复一层热障镀层(TBC)48，例如一层锆基的TBC。在超耐热不锈钢46与TBC 48之间，可以有一层用耐腐蚀和耐氧化的材料，例如一种以钴—镍—铬—铝为基体的合金制成的粘接镀层47。这样的组合构成了炉子的内壁构件，并且跟着设置了一层窄的间隙50，用于控制炉壁构件的冷却，并且用于将空气或氧气通过开在内壁上的小孔52送入PSTC和SCC腔室内部。还有，借助于通过上述间隙50的空气的流速和/或容积的变化，就能够达到对内壁46冷却的动态控制。因此，如图5所示，例如可以在内壁46的冷却面上安装热电偶53，用以连续测量这面壁上的温度，并且使用控制器CPU57通过控制阀55变化流过间隙50的冷却空气，于是鼓风机59所鼓出来的冷空气便能使上述内壁维持在预定的温度。图4中所示的炉壁构件的第二部分包括在钢壳体56上的一层陶瓷纤维绝热材料。可以敷设若干层这样的绝热材料54。如图中的箭头所示，流过间隙50的空气或氧气使得超耐热不锈钢壁46和陶瓷纤维绝热层54两者都冷却；因此，空气或氧气在通过小孔52流入腔室内部之前就变热了，从而提高了腔室内的热效率。上述绝热材料54是供选择的，也可以象图5那样省略掉。
如果外壳56仍然太热，也可能还需要冷却外壳。最好在皮肤接触到外壳时它的温度不会烫伤皮肤。可以用在外壳56的内部设置一条通道60，并让水流过该通道的内部，或者设置里面有水在循环的外套(图中未示出)，借助于用水冷却外壳56来达到这一点。
上述新颖的炉壁构件的整个深度或厚度D通常在4英寸(10cm)左右，与一般现有的12英寸(30cm)厚的耐火砖砌衬相比，这样的厚度就很有利了。
采用图4或图5所示的炉壁构件，图1和2中所示的炉子大约重5000lb(2250kg)，除了PSTC和SCC本身的重量之外，还包括振动板输送器和等离子炬的重量。此外，再加上电源和诸如控制器之类的其他装置的重量，整个装置的总重量大约是11000 lb(5000 kg)，而它处理垃圾的能力可达183 lb/hr(82 kg/hr)。很明显，处理垃圾的能力越大，就需要更大和更重的装置，但是，已经经过计算，例如，处理能力为676 lb/hr(300 kg/hr)时，所需要装置的重量将小于20000 lb(9000kg)，这与现有的已知的具有这样大能力的装置相比，是相当的轻了。很明显，按照本发明设计的具有较小的尺寸和重量的装置，就能够满足较小的处理量。
应该理解，本技术领域的技术人员能在不脱离本发明的构思的前提下，对本发明作出各种改进。

Claims (32)

1.一种用于处理垃圾的轻型紧凑的炉子，它包括：
(a)一个主要的固体处理室，它包含一个炉缸，垃圾在炉缸内转变成熔融的炉渣和简单的易挥发化合物；
(b)一个二级燃烧室，在上述主要的固体处理室内产生的易挥发化合物在这个燃烧室内进行进一步的处理，保证其完全燃烧；
(c)一个炉渣加工和储存室，在主要的固体处理室的炉缸内形成的炉渣在其中冷却并从这个炉子内清除和运走；以及
(d)其中，上述主要的固体处理室和二级燃烧室的壁包括一个用金属制成的内壁构件，这种金属在极高的工作温度下具有良好机械性能，上述内壁构件的一面朝向高温腔室的内部，而在另一面设有间隙，可调节的冷却空气能通过这个间隙，以便对上述内壁构件的冷却进行动态控制，上述两个室的壁在上述间隙外面还有一层钢板外壳。
2.如权利要求1所述的炉子，其特征在于，上述炉缸能够倾斜和垂直地移动，使得它能周期地从它在主要的固体处理室中的工作位置下降到炉渣加工和储存室，并在该室内倾斜，把熔融的炉渣注入铸模内，上述炉渣便在铸模内凝固，然后炉渣便成为炉渣锭从铸模中运走。
3.如权利要求1所述的炉子，其特征在于，上述炉缸是固定的，并在其底部设有一根感应插管，上述熔融的炉渣通过该插管注入位于炉渣加工和储存室中的铸模内，并在铸模内凝固，然后以炉渣锭的形式从铸模中运走。
4.如权利要求1或2或3所述的炉子，其特征在于，其中设有一个等离子炬，以便把炉缸中的垃圾加热到超过2800°F(1540℃)的温度，从而使上述垃圾中所含有的水份汽化，把有机物分解成诸如H2、CO、CO2和C2H2等的分子，并且把玻璃和金属之类的无机物搅拌和熔化成炉渣。
5.如权利要求4所述的炉子，其特征在于，上述等离子炬既能以传递的方式工作，也能以非传递的方式工作。
6.如权利要求1或2或3所述的炉子，其特征在于，其中还设有一个感应圈来加热炉缸中的垃圾，使它的温度超过2800°F(1540℃)，从而使上述垃圾中所含有的水份汽化，把有机物分解成诸如H2、CO、CO2和C2H2等的分子，并且把玻璃和金属之类的无机物搅拌和熔化成炉渣。
7.如上述权利要求中任何一项权利要求所述的炉子，其特征在于，上述炉缸是用水冷却的。
8.如权利要求1-6中任何一项权利要求所述的炉子，其特征在于，上述炉缸是用空气冷却的。
9.如权利要求1-8中任何一项权利要求所述的炉子，其特征在于，其中设有一个适当的等离子炬，以使二级燃烧室的温度保持在2000°F(1095℃)左右。
10.如权利要求1或9所述的炉子，其特征在于，在上述主要的固体处理室与二级燃烧室之间有一条通道，在主要的固体处理室中产生的易挥发化合物通过这条通道流入二级燃烧室，以便进一步处理，上述通道中有一个高温捕集器，其结构能防止任何大颗粒在离开主要的固体处理室时随着易挥发化合物进入二级燃烧室。
11.如权利要求10所述的炉子，其特征在于，上述捕集器用一个圆筒形构件做成，其中有若干排用具有良好的抗热冲击性的材料制成的交错的杆。
12.如权利要求11所述的炉子，其特征在于，上述圆筒形构件和杆是用碳化硅制成的。
13.如权利要求1-12中任何一项权利要求所述的炉子，其特征在于，上述炉渣加工和储存室有一段具有水冷壁的炉渣冷却区段。
14.如权利要求13所述的炉子，其特征在于，上述炉渣冷却区段还有水冷的底部。
15.如权利要求2或3所述的炉子，其特征在于，上述铸模是由分开的两半组成的，这两半可以拉开，放出炉渣锭。
16.如权利要求2或3或5所述的炉子，其特征在于，其中还设置了一个荷载平衡传感器，以控制每一个铸模中炉渣锭的重量。
17.如权利要求1-16中任何一项权利要求所述的炉子，其特征在于，在上述内壁构件的朝向通过空气来冷却上述内壁构件的一面上，安装了若干热电偶来测量上述内壁的温度，并且设置了把上述温度测量装置与一个控制器连接的装置，上述控制器控制一个阀，以便让足够的冷却空气进入上述间隙，把上述温度维持在预定的值上。
18.如权利要求1或17所述的炉子，其特征在于，在上述内壁构件上设置了若干小孔，以便让空气穿过上述小孔流入上述主要的固体处理室和/或二级燃烧室内，在其中作为处理用的空气。
19.如权利要求1-18中任何一项权利要求所述的炉子，其特征在于，在上述间隙与钢制外壳之间还设置了至少一层陶瓷绝缘材料。
20.如权利要求1或19所述的炉子，其特征在于，上述钢制外壳是水冷的。
21.如权利要求1所述的炉子，其特征在于，上述主要的固体处理室与二级燃烧室组合成单独一个容器。
22.如权利要求1-21中任何一项权利要求所述的炉子，其特征在于，它具有模件式的结构。
23.一种内部有高温腔室的炉子用的轻型炉壁，其特征在于，该炉壁包括：一个用在高的工作温度下具有良好机械性能的金属制成的内壁构件，上述内壁构件的一面朝向高温腔室的内部，并且在上述内壁构件的另一面上有一层间隙，可调节的冷却空气能通过这层间隙，以便对上述内壁构件进行动态控制的冷却。
24.如权利要求23所述的轻型炉壁，其特征在于，上述内壁构件用超耐热不锈钢层制成，在朝向高温腔室内部的一面上镀复了热障，并且在上述超耐热不锈钢层与热障镀层之间有一层粘接层粘接。
25.如权利要求24所述的轻型炉壁，其特征在于，上述超耐热不锈钢层是一层镍基的超耐热不锈钢。
26.如权利要求24或25所述的轻型炉壁，其特征在于，上述热障镀层是一层锆基的热障镀层。
27.如权利要求24或25或26所述的轻型炉壁，其特征在于，上述粘接镀层是一层钴镍铬铝合金的粘接镀层。
28.如权利要求24-27中任何一项权利要求所述的轻型炉壁，其特征在于，上述热障镀层和粘接镀层总共的厚度不超过0.08英寸(0.2cm)。
29.如权利要求26所述的轻型炉壁，其特征在于，它还在上述内壁构件上有若干小孔，以便让流过上述间隙的空气再流入上述高温腔室的内部，在里面用作加工用的空气。
30.如权利要求24-28中任何一项权利要求所述的轻型炉壁，其特征在于，它还具有一个钢制外壳。
31.如权利要求30所述的轻型炉壁，其特征在于，在上述内壁构件与钢制外壳之间还设置了至少一层陶瓷纤维的绝热材料。
32.如权利要求30或31所述的轻型炉壁，其特征在于，上述钢制外壳是水冷的。
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