CN1217775A - 城市垃圾的等离子高温分解和玻璃化 - Google Patents

Abstract

一种系统,其中混杂的固体城市垃圾(w)送到一处理设备(31)中,在放入一反应炉(20)之前在其中被一夯锤(34)压实。当高度低时,一响应于关于反应炉中垃圾高度的传感器(56)的信号的传送装置(40,46,50)连续地将压实垃圾块(38,44,48)放在反应炉(20)顶部。反应炉(20)具有一枢转的且延伸安装的等离子弧火炬(10),以作为一热源而有效地高温分解垃圾成分以产生所需的气体副产品。空气入口(22)和蒸汽入口(24)可改善操作效率以及气体副产品的成分。不能够高温分解的残留物被熔融和冷却成一基本上无活动力的玻璃化物质。

Description

城市垃圾的等离子高温分解和玻璃化

发明领域

本发明涉及一种生态上可接受的减少混杂垃圾，例如城市垃圾体积的方法，尤其是涉及一种通过等离子弧加热技术高温分解和玻璃化城市垃圾的方法。

发明背景

随着技术进步和世界人口的日益增多，每天在家中、办公室和工厂中产生越来越多的垃圾。以往，都是将垃圾倾倒到位于城市边缘的垃圾填埋地中或者倾倒入海洋中，而很少考虑对自然空间的浪费或者对环境造成的潜在危害。然而，近来公众越来越关注合理地配置空间场所和环境危害等问题。

和本发明一样，现有技术中也认为只要将垃圾运送到一中心场所，采用等离子弧加热技术以一种有效而安全的方法就可实现高温分解和玻璃化而生成有用的气体和玻璃化产品，从而避免将垃圾渣滓置于填埋地中。已揭示的发明为一种处理混杂的垃圾的多功能系统，它可在早期的系统上进行改进并且可精压成一定尺寸以满足实际所要处理的垃圾量的要求。

如美国专利5,280,757和下文将提及的其它现有技术所述，由于等离子加热方法的几个突出优点更适合于高温分解和玻璃化废料，所以等离子加热工艺处理垃圾比燃料燃烧工艺更受到人们的关注。通过向一股等离子(电离的)气体提供高压电弧而操作一等离子弧火炬以产生一极热的“火焰”。流过等离子火炬的等离子气体量明显低于通过燃烧碳氢气燃料释放相同热量所需的气体量。等离子火炬热源与燃烧热源相比的进一步不同之处和优点在于：等离子火炬可用于生成有用的高热能气体副产品，这儿称之为脱气工艺。另外，根据一等离子弧火炬仅采用少量气体来提供等离子弧和产生热量这一事实，所以不同于物质受加热而自然发生的燃烧。等离子火炬的一个主要优点是热传递速度极高，因而增加了其固有效率。一等离子火炬所产生的4,000-7,000℃温度也比燃烧源所产生的温度高得多，并且足以熔化高温分解脱气工艺所同时的产生的任一种已知材料。

在一等离子加热反应炉中采用等离子弧加热来处理生活和工业垃圾的装置和方法揭示在属于本发明人的美国专利3,779,182中。’182号专利也提及了向反应炉引入氧气或空气。’182号专利的内容在此引为参考。

本文所用的“反应炉”一词为一种可放入渣滓、如固体城市垃圾以及可加入热量的处理内容物的容器或锅炉，用于促进对混杂垃圾同时进行有机物高温分解和无机物的玻璃化。

属于本发明人的美国第5,143,000揭示了一种用于处理固体垃圾的等离子加热锅炉。本发明所关注的问题是’000号专利揭示了将没有压实的垃圾通过反应炉顶部放入。属于Carter等人的美国专利5,280,757号揭示了一种处理固体垃圾的工艺，包括将一股固体垃圾输送、压实和迫使其进入一由等离子火炬加热的反应容器。’757号也涉及向反应炉喷射蒸汽。然而，尚未得知有一种系统，其中散装的城市固体垃圾被压实成其截面基本上均匀的基本上不含空气的细长流，该细长流位于反应炉顶部上方并且作为垃圾压实块逐渐排入反应炉顶部。本发明就是要提供这样一种系统。

如果允许所截留的空气与固体垃圾一起进入反应炉，那么将不能控制燃烧过程，并且导致所生成的气体与自然状态的气体不同，与在基本上不含空气环境中进行的有机垃圾高温分解所产生的气体相比又是无用的。在有机垃圾高温分解时，气体副产品基本上有利用价值的燃料成分，如氢气和一氧化碳。夹杂大量空气将增加大量的氮，这将冲淡气体的能量内容。本发明认识到允许有限的并且受到控制的空气量进入可有利于已知尺寸的压实垃圾进入反应炉顶部的下落增量。

所以本发明的一个总目的在于提供一种改进的等离子高温分解和玻璃化工艺，它可减少输入的混杂垃圾体积，并且所产生的气体副产品具有较高的可利用能量内容。

本发明的又一个目的在于提供一种用于混杂垃圾高温分解和玻璃化的改进的垃圾输送系统。

本发明另一个目的在于提供一种系统，它可高温分解有湿度的混杂垃圾有机物，以及玻璃化混杂垃圾的无机物，该系统是采用一改进的垃圾输送系统、结合引入受控量的空气以及使混杂垃圾含湿度的内容物中排出的蒸汽再循环而实现的。

通过以下的揭示和所附权利要求书可对本发明的其它目的和优点有更充分的了解。

发明概述

本文所揭示的系统是对先前提及的专利中所揭示的等离子弧反应炉进行改进而获得的。混杂垃圾、如将城市垃圾送入一反应炉内并且放入一料斗中。一压实传送装置将来自料斗的垃圾压实并运送到反应炉的顶部，在那儿选定的一部分压实垃圾落入反应炉，这取决于反应炉中的垃圾高度是否低于所要求的高度。由于垃圾是在放入反应炉之前压实的，垃圾体积和垃圾中夹留的空气量明显减少，而可改善副产品气体成分。一等离子弧火炬从反应炉成角度的顶板枢转地悬出，这样当火炬处于其中心角度位置时与顶板垂直。入口管将有限的或受控制量的空气或其它含氧气体引入以在反应炉中产生受控的燃烧，因而减少了等离子火炬所需的能量。上升的带有燃料的热气体使向下流的垃圾预热，并且将垃圾湿气转变成蒸汽。蒸汽被收集并被迫进入高温分解/玻璃化区，即等离子火焰和被玻璃化的无机物界面。熔融玻璃和金属都被分流以便再循环。所产生的气体都通入一集气管而进入一涤气/分离系统。

附图的简述

图1是本发明系统的立体图，该系统具有连接到反应炉的垃圾压实和顶部垃圾装载输送装置，并且图中画出了炉膛的轮廓，部分输送装置以虚线画出。

图2是图1所示反应炉的前视图，图中画出了炉膛的轮廓，并且以虚线示出火炬的不同位置。

图3是沿图2中线3-3的图1中反应炉的剖视图，并且示出落入反应炉本体内的一块压实的混杂垃圾。

图4是图1中反应炉的俯视图，部分火炬和部分垃圾输送装置都以虚线示出。

图5是沿图2中线5-5的图1中反应炉的剖视图。

发明的详细描述

根据上述的发明目的，等离子高温分解和玻璃化系统中所采用的反应炉示出在图1-5中。反应炉壳体20由耐火砖制成，并且其外形最好大致呈矩形，其内部轮廓呈向内的锥形以朝内部最低处的炉膛26逐渐变窄。炉膛26呈碗状且可用于容纳熔融垃圾，这些垃圾可经过一排放孔28而从炉膛26排出。制造耐火砖的一种较佳材料为氧化铝，它具有高耐热度和极好的绝热性能。

炉膛26上方的反应炉20顶部分成两部分。成角度的顶面30盖住了反应炉20的第一部分。等离子弧火炬10(图1)藉由一枢转的球形固定件12安装到成角度的顶面30上。在其成角度的中心位置(在图2中以10”标出)，火炬10”近似垂直于成角度的顶面30。因此，顶面30低于水平线的角度取决于反应炉20的高度和宽度。在较佳实施例中，锐角“a”(图2)大约在15°-25°之间。当枢转时，火炬10可从位置10’运动到位置10(如图2中虚线所示)以将其所产生的热量引至炉膛26的不同位置上。图2中火炬10的位置10’可使火炬热量集中排放口28以便熔融垃圾从反应炉20流出。与其枢转同步，火炬10通过球形固定件12延伸以在火炬10的输出端和炉膛26之间保持一固定距离，见图2。火炬10延伸量和其枢转角度之间的关系由一微型处理机来控制(图中未示)。等离子弧火炬10一般由一些适当的能源(未示)供给电能，并通过输送管16输送冷却液和等离子气体。火炬10的额定功率、垃圾传送和压实装置的容量以及反应炉20的尺寸都是可以根据具体系统所要处理的垃圾类型和体积而改变的。较佳的是，利用反极性以非移动型操作等离子火炬10，例如，内端是正极。水平顶面54(图1)盖住反应炉20的第二部分。一排气管64(图2和4)连接反应炉20的内部和外部，然后将副产品气体引到一适当的气体收集或处理系统。

可以认为本发明的传送系统是特别新颖的。在此系统中，混杂垃圾W送到一料斗31，然后在一通过液压缸32直线驱动的夯锤34的压力之后垃圾从该处移走。压实后的混合垃圾之中和之间所挟带的空气成分一般含有近似75％的氮气。氮气在本发明工艺中是一种不需要的成分，因为它对于所计划生产的燃料最终产品、例如氢气和一氧化碳是不利的。当垃圾W从料斗31经过输送斜管36移动时，它被压实并且密度增加，并且被升高了，这样压实后的垃圾可翻过反应炉顶部而排出。这些变化避免了在原料片、即未压实的垃圾之间和之中挟带大量空气。另外，垃圾W的压实起到了密封输送斜管36的作用以防止外部空气进入反应系统，否则就要被密封以防大气渗入。根据较佳实施例所进行的压实操作也有益地将垃圾W的体积从每吨大约75立体英寸减少到40立体英寸或更小，因而增加了一特定尺寸的反应炉中每小时所能处理的垃圾数量。虽然压实的固体垃圾要在一等离子弧加热炉处理的原理先前已有人考虑到，但本发明提供了一种将压实垃圾和输送选定压实垃圾块进入反应炉20顶部的新颖组合，而不是象现有技术那样输送到炉的底部和直接熔化。

当垃圾W由于液压缸32的压力而通过斜管36时，垃圾W也进入一垃圾人口处以使各段压实垃圾可以受控地进入反应炉20顶部，同时将反应炉的垃圾保持在相同的预设高度上。如图1所示的，在一连续的压实垃圾W流的第一位置处的压得较实的垃圾段38、44、48都连续地置于靠近呈输送缸形式的垃圾传送件40、46、50处。而如先前所知为了监视反应炉中正在处理的垃圾的高度，根据本发明，将垃圾W对应于正在引入压实垃圾部分而将反应炉20中的垃圾W保持在合理高度的能力可增加工艺的总体效率和效益。设置高度检测感应器56(图3和4)以测出反应炉20中的垃圾W高度。与一控制器(未示)结合，高度感应器56起到了测定垃圾W是否低于所需高度的作用。感应器56可以是光源和光感传感器、电视摄像机或其它任何一种可用于检测物体存在的装置。

滑门52藉由门驱动缸53而横向移动以逐个露出一块或多块48、44、38。虽然在图1和3中所示的这些块都具有较光滑的表面，但实际上这些表面可以是很粗糙的构造。一高度信息的信号指示传递到各个输送缸40、46和50，其中一个或多个相应于滑门52启动而将一块垃圾38(图3)推入反应炉20而位于顶面54下方的第二位置。压实缸32连接到与垃圾输送缸40、46和50以及门驱动缸53的相同控制器上，这样可避免各种缸体系统操作时可能的干扰，这些对于本技术领域中的普通技术人员是显而易见的。紧接着各块压实垃圾38从斜管36以压实状态排出之后，块体中的垃圾迅速膨胀成一松散的块体38’，并且最终恢复成其原始体积，约每吨75立方英寸，如垃圾38”。应当认识到，由于垃圾先压实，所以由垃圾带入反应炉的空气和水降低到最少量。

垃圾W中所含的水量根据垃圾成分和其它因素而改变。压实垃圾以及由于升高的热流而在反应炉中自然发生的对进入的固体垃圾的预热过程可基本上完全除去垃圾中挟带的湿气。通过升热对进入垃圾的预热有益于处理，这主要是因为然后只需要少量的热量就可有效地进行高温分解和玻璃化。一定量的水、一般为从垃圾或补充蒸汽中去除的再循环蒸汽经一个或多个(如果需要的话)蒸汽入口管24喷出以符合下文公式所描述的工艺。多根蒸汽入口管24设置成较佳地为绕反应炉20圆周每60°一根，为清楚起见图中未示。在大多数情况下，垃圾供料的再循环湿度含量足以促进垃圾组织的充分高温分解。

混杂垃圾化学成分所占的主要比例为碳元素、氢元素和氧元素。混杂垃圾的其它成分都是无机物，并且都不易直接发生反应。一种典型的城市固体垃圾含有以下成分：C₃₀H₄₈O₁₉N_0.5S_0.05。通过加热城市垃圾和蒸汽发生化学反应而产生的所希望的产品由以下公式说明：

其中C_xH_y表示任意一种碳氢气化合物，H₂O单元表示再循环的蒸汽。氢气和一氧化碳都是有用的气体燃料副产品。氮量的减少、例如通过压实装置减少所含的空气，可改善副产品气体的成分(如下可见)。对未压实状态或压实状态下进入反应炉的混杂垃圾高温分解所产生的气体所作的典型对比化学分析得出一显著的区别，如以下所示出的气体体积测试结果表：

化学品                    未压实垃圾    压实垃圾

H₂                        41％          47％

CO                         30            35

N₂                        16            7

CO₂                       8              6复合碳氢气化合物的微量气体     5              5

将可注意到由于压实而获得的氮百分率减少可使氢气和一氧化碳百分率增加，这些都是制造甲醇或CH₃OH燃料所需要的产品。

本发明已经实现另外的效率，即通过一空气入口管22将少量空气或其它含氧气体加入靠近等离子弧火炬火焰上方的反应炉中，而发生受控制的垃圾有机物燃烧。已经发现，这种受控的的燃烧有助于产生热量并且可减少等离子火炬10操作所消耗的能量。通过将压实的固体垃圾块从反应炉20上部引入其中，垃圾的高度保持在高于等离子火炬10的火焰端上方。因而，来自火炬10的热量和通过受控燃烧所产生的额外热量可经过垃圾而上升以预热正在进入的垃圾。由燃烧所加入的热量主要用于减少高温分解和玻璃化垃圾时火炬所需要产生的热量。具体地说来，通过处理一吨垃圾加向反应炉加入12立方英寸空气，150千瓦(kw)等离子弧火炬所消耗的能量已经从约580kw减少到约530kw或更少。应当认识到促进在反应炉20中进行所需燃烧的另一种方法是向等离子弧火炬10提供一种富含氧成分的等离子气体。然而，已经证明过量的含氧气体不会使系统的能量-热效率成比例增加。

如上所述的，由本发明工艺所制成的大部分产品都是气体形式的，另一部分是熔融垃圾，其可冷却成一种玻璃化物质。所产生的气体都具有由显热能量组成的高能量值，因为其具有来自氢气和一氧化碳的高温和高热量。热的气体产品从反应炉20经过一般绕反应炉周边设置的集气管58和排气管64(图2,3和4)排出。当所产生的气体经过出口57进入集气管58时，其被迫经过管道62以将挡板60横过由供水管68所供给的一水池。一pH值感应器(未示)产生一信号以便当根据所设定的水位高低来启动pH值调节器66(图2)。经过水池之后，气体流过管子64进入一涤气/分离器70，然后进入一涡旋式发电机(未示)而产生电能。所产生的电能有益于输送给等离子火炬10或用于其它目的。熔融垃圾可含有多种硅酸盐、放射元素、重金属等，通过玻璃化作用将重金属成分和放射性核素加以封闭并使之不具活动性而有效地使之变得安全。

在排出气体混合物已经过涡旋式发电机之后，其显热已经失去。较冷的氢气和一氧化碳气体燃烧以产生额外电能。

回收热能由(1)来自等离子加热器的显热和(2)来自高温分解垃圾组织所产生的氢气和一氧化碳的热量组成。显热和热量的和近似等于垃圾有机物的能量，或者约等于每吨垃圾900KWH。生产此总回收热能所需的等离子热近似为每吨垃圾500KWH。因而，可认为每吨垃圾所获得净能量在400KWH范围内。

如本文所述的，改进的输送系统有助于本发明的等离子高温分解和玻璃化系统，并且可以为使有害成分中和以及在实现一积极的能量生产时减少混杂的城市垃圾的体积提供有效的装置。

虽然已经结合具体实施例对本发明进行了描述，但将可认识到还有多种变化、变型和实施方式，因而，这些变化、变型和实施方式都将落在如权利要求书所限定的本发明的精神和范围中。

工业应用性

本文所揭示的发明特别适用于工业上的应用。本发明提供了在工业上制造反应炉、垃圾处理和压实装置的可能。本发明还提供了高温分解和玻璃化城市垃圾的工艺的工业上的可能性。最终，本发明提供了工业上的可能性，即如副产品工艺所揭示的，气体收集和转变成燃料，因而它们可用于产生电能。因而，本发明通过减少固体垃圾的碰撞、进一步挖掘这些垃圾中所含的能量和进一步通过产生较干净的电能而为净化环境作贡献。

较佳实施例

用于高温分解和玻璃化混杂垃圾的装置，包括一反应炉，该反应炉具有一垃圾处理腔，该腔底部为一炉膛，炉膛上方是一包围结构，该包围结构具有侧壁和至少一面局部成角度的顶面；还包括一用于将混杂垃圾送到反应炉中的装置，包括一用于容纳松散混杂物的存贮槽，与该槽配合的压实器以容纳和压实连续的混杂垃圾，该垃圾中有最少量的空气，该压实器还将混杂垃圾作为基本上均匀截面的细长压实物质传送到靠近顶面的第一位置，靠近第一位置处的第二位置上有一垃圾入口以将要处理的压实垃圾容纳在反应炉中，垃圾入口构成为可容纳由细长压实物质上卸下的具有均匀尺寸的一部分压实垃圾，在第一位置处的细长压实垃圾形成的同时有一传送操作装置以将选定部分的压实细长物质经过垃圾入口传送到腔室内；以及一枢转安装的细长等离子弧火炬，该火炬安装在腔室内并且在其输出端处提供指向炉膛的等离子热源以高温分解和玻璃化垃圾；该装置还包括用于使受控量的空气进入的装置、使受控量的蒸汽进入的装置、一用于测量腔室中垃圾高度并与压实空气进入同步的感应器、一用于在高温分解过程中使产生的气体从装置排出的周边设置的出口。

Claims (16)

1．一种用于高温分解和玻璃化例如城市固体垃圾的混杂垃圾的装置，包括：

(a)一反应炉，提供一垃圾处理腔，在其底部有一炉膛，在炉膛上方有包围顶面和侧壁结构；

(b)用于将所述混杂垃圾输送到所述反应炉的输送装置，包括：

(ⅰ)用于存放要处理的松散混杂垃圾的存贮槽；

(ⅱ)一与所述存贮槽有关的并且可容纳和压实来自所述存贮槽的所述混杂垃圾的压实装置，使进入的空气最少并且将所述混杂垃圾以横截面基本上均匀地细长压实物质传送到靠近所述顶面结构的第一位置；

(ⅲ)在靠近所述第一位置的第二位置上的垃圾入口，用于容纳所述反应炉内的要处理的压实垃圾，所述垃圾入口构造成用于一部分所述压实垃圾可从所述细长压实物质上卸下；以及

(ⅳ)在所述第一位置上与所述垃圾的细长压实物质成形同步操作的传送装置，用于将一部分所述压实细长物质经过所述垃圾入口移到所述腔室中；以及

(c)一安装在所述腔室中的细长等离子弧火炬，并且可以在其排出端提供一指向所述炉膛的等离子热源，用于高温分解和玻璃化输送到所述反应炉中的垃圾。

2．如权利要求1所述的用于高温分解和玻璃化混杂垃圾的装置，其特征在于，由所述传送装置移动的所述选定部分的垃圾基本上是尺寸均匀的并且作为基本上均匀的压实垃圾块从所述垃圾入口进入所述腔室。

3．如权利要求1所述的用于高温分解和玻璃化混杂垃圾的装置，其特征在于，包括用于使受控量的空气与所述选定部分的垃圾移动同步地经过所述垃圾入口进入的装置。

4．如权利要求1所述的用于高温分解和玻璃化混杂垃圾的装置，其特征在于，包括用于使受控量的蒸汽与所述选定部分的垃圾移动同步地经过所述垃圾入口进入的装置。

5．如权利要求2所述的用于高温分解和玻璃化混杂垃圾的装置，其特征在于，包括用于测量所述腔室内的垃圾高度的传感器，并且使所述压实垃圾均匀块与所述高度协调地进入。

6．如权利要求1所述的用于高温分解和玻璃化混杂垃圾的装置，其特征在于，所述等离子弧火炬枢转地安装到所述腔室的所述顶面结构上。

7．如权利要求1所述的用于高温分解和玻璃化混杂垃圾的装置，其特征在于，至少一部分顶面结构相对水平方向呈锐角。

8．如权利要求1所述的用于高温分解和玻璃化混杂垃圾的装置，其特征在于，还包括用于在高温分解过程中使所产生的气体从位于其上部的所述装置中除去的出口。

9．如权利要求8所述的用于高温分解和玻璃化混杂垃圾的装置，其特征在于，所述出口包括用于收集和引导来自所述装置的气体的沿周边设置的集气管。

10．一种用于高温分解和玻璃化混杂固体垃圾的工艺，包括以下步骤：

(a)建立一直立反应炉用于处理垃圾，具有：

(ⅰ)用于容纳经过其上壁部的混杂固体垃圾的入口；

(ⅱ)安装在所述反应炉上的等离子火炬，用于在所述反应炉低部提供一热源；

(ⅲ)用于将燃料气体经所述反应炉的上壁部排出的第一出口；以及

(ⅳ)用于经过所述反应炉下壁部排出渣滓的第二出口：

(b)输送松散的未压实混合固体垃圾；

(c)将所述松散的未压实固体垃圾转换成压实的块状城市垃圾；

(d)将一选定量的所述压实固体垃圾块经过所述入口送入所述反应炉；

(e)发动所述等离子火炬以产生所述热源；

(f)将所述等离子火炬的操作保持足够一段时间，以将所述反应炉中的所述固体垃圾块转换成燃料气体和渣滓；

(g)将所述燃料气体经过所述第一出口排出；以及

(h)将所述渣滓经过所述第二出口排出。

11．如权利要求10所述的工艺，其特征在于，还包括以下步骤：在第一位置提供所述输入物、在所述第二位置将所述垃圾转换成所述压实块、以及将所述压实块传送到第三位置上的所述入口。

12．如权利要求10所述的工艺，其特征在于，还包括以下步骤：监测所述反应炉中的垃圾高度，并且与其同步地经过入口重复送入选定量的所述压实块，从而保持所述反应炉中的所述垃圾的高度，并且基本上连续地生成所述燃烧气体和渣滓。

13．如权利要求10所述的工艺，其特征在于，还包括将一定量的空气引入所述反应炉以在其中保持一受控的燃烧程度的步骤。

14．如权利要求10所述的工艺，其特征在于，还包括使经过所述反应炉入口进入所述反应炉、由所述压实块所产生的正在进入的未压缩垃圾通过燃料气体上升通过所述正在进入的垃圾中而预热的步骤，由于预热而使所述正在进入的垃圾中的湿气变成蒸汽。

15．如权利要求14所述的工艺，其特征在于，包括经过所述反应炉中一个区域收集和循环所述蒸汽的步骤，在其中产生所述燃料气体和渣滓。

16．如权利要求10所述的工艺，其特征在于，还包括将所述松散的未压缩固体垃圾块转变成压缩块的步骤，该步骤包括形成一块细长的压缩垃圾并且从中卸成多块以形成单独的所述压缩块。

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