CN1754066B - 多级等离子体发生器危险废物处理系统 - Google Patents
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Abstract
一种废物处理系统，该废物处理系统需要使用至少一个用于初级处理的固定位置的等离子体电弧发生器(36)和至少一个可活动的等离子体电弧发生器(38)，所述可活动的等离子体电弧发生器(38)用于次级处理协助和/或炉渣终处理，之后将炉渣从反应器容器排出。通过对反应器容器构造的控制和处理特征的实时控制提供这种最优处理环境以保证最大处理效率。
Description
发明背景
发明领域
本发明涉及用于废物和/或危险物质废物处理的方法和系统。
现有技术描述
现代社会面临的一个主要问题就是以将对环境的危害作用最小化的方式对有毒废物和/或危险物质进行处理。这样一个处理系统可以将所述有毒和/或危险废物还原为适于环境处置的化合物。这种适当性当然是根据污染的可接受标准限定的，而且是由多个管理机构确定的。
按惯例，危险废物处理采取直接埋藏在垃圾中的形式，或者将废物简单热处理之后埋藏固体残余物，并将挥发性残余物排放至大气中。由于被释放入环境的物质仍倾向于保持为不可接受的污染源，这些方法无一被证明可接受。
另一个处理废物和/或危险物质的一般方法是，在假定处理系统的反应器容器内温度均匀的条件下，施加单一热源(single heat source)到一个设备的封闭空间中。这种假定并不知道在处理系统的反应器容器内有可能出现的潜在的冷点。这种系统一般使所有输入废物成分气化；然而，它们不能保证所有这些气态成分处于全部温度环境，该全部温度环境对保证废物和/或危险物质的完全和有效破坏是必须的。在反应器容器处理系统中心安置的单一热源能产生靠近处理系统的反应器容器耐火壁的通道(path)，气态成分可由此穿过，而不经历完全分解所需的温度/停留时间的结合。而且，在反应器容器内部，气化过程中气态成分的产生能非常显著地改变反应器容器内的气体流动模式。这可以致使气态危险化合物从反应器容器排出并且/或者将没有完全处理的废物成分转化为炉渣。下游的燃烧不能达到某种处理系统、也就是等离子体处理系统的完全的温度能力。因此，从处理系统的反应器容器排出的危险气态化合物通过气体处理和潜在的被排入大气的过量污染物导致反常的复杂性。在将炉渣从反应器容器中提取后，炉渣中没有被完全处理的废物会导致一些或全部这种危险物质残留在炉渣中。这可能意味着炉渣超出沥出物毒性限度，因此仍然需要继续特殊 处理或存储的危险废物。
用于处置废物和/或危险物质的其他处理系统通过使用等离子体电弧发生器显著地提高反应器容器总体温度，以尝试克服这些缺点，这样保证反应器容器处理室中的最小温度足以对所有废物成分进行充分的热分解。这种方法解决了一些废物成分不充分暴露在高温中的问题，而这是获得良好的热分解所需的。然而，这样做又产生其他问题，包括增加等离子体发生器电极腐蚀、降低反应器容器耐火材料寿命、增加热损耗、增加电消耗、增加气体处理系统的冷却载荷并且增加污染成分的挥发、尤其是重金属挥发的问题。得到的更高温度的产物气体排出不仅浪费等离子体电弧发生器电能，而且还很容易导致增加危险污染物。这些问题综合起来显著降低了系统处理总效率和成本效率。
已经开发出许多处理工业废产品的方法。本专利文献充分运用了所声称的这些解决方法。
1973年10月23日颁给Krum的美国专利No.3,766,866讲授了带有用于废料高温分解和燃烧的初级和次级室的热式废物转化器。因此，该专利提供了用于废料循环利用的设备，所述设备具有用于废料气化的高温分解室，包括废物入口及由其产生的气体的出口。一个独立的次级室具有来自高温分解室的气体入口和燃烧气体出口。装置将高温分解室的出口连接至次级室的入口。装置将来自高温分解室的固体残余物导入次级室。次级室中的燃烧器将高温分解室中产生的易燃气体燃烧以将残留在次级室中的固体残余物还原至熔融状态。
1984年3月27日颁给Boday的美国专利No.4,438,706提供了使用直流(DC)电弧放电型等离子体炬破坏废料的尝试。本专利结合用于某些类型废料的热化学分解的氧化剂讲授了DC电弧放电等离子体炬的使用。炬气体为空气，并且蒸汽形式的废料沿着等离子体电弧发生器的氧气下游被引入，在那里被炬气体加热。所述方法包括在等离子体反应器的一端将等离子体转化为等离子体炬。所述方法包括引入有机废物蒸汽和预热的氧气至炬内与等离子体相互作用。所述方法最后包括将来自等离子体反应器的与炬的位置相对的那一端部的相互作用的最终产物排放到洗气装置。
1984年10月30日颁给Faldt等人的美国专利No.4,479,443公开了用电弧放电等离子体炬热分解废料。固体颗粒形式的废料被引入 电弧的下游以避免因颗粒粘着引起炬的阻塞。在用炬气体加热废物之前、之中或者之后，将氧化剂，例如氧气和空气，与废物混合。需要足够的氧化剂来完全氧化废料。所述设备包括一个用于产生高温等离子体的等离子体发生器，其中的所有等离子体分子达到至少一个期望的最小温度。所述设备包括用于将危险废物供应给并且通过等离子体发生器的装置。所述设备包括用于将足够的氧化剂供应给危险废物以使危险废物完全分解为稳定产物的装置。所述设备包括用于控制等离子体温度和危险废物通过等离子体发生器的流动的装置，以便危险废物可以达到足够的高温一个足够长的时间以完全热分解为稳定的最终产物。
1984年10月30日颁给Barton等人的美国专利No.6,644,877公开了DC电弧等离子体燃烧器用于废物热分解。采取措施将废料供应到电弧电极的下游以防止干涉等离子体电弧的形成或产生。燃烧器之后的反应室用来结合气体和颗粒物质，其被碱性喷雾淬灭并中和。使用机械洗涤器分离用排气扇排出的气体。所述设备包括具有温度超过5000℃的等离子体燃烧器。所述设备包括一个反应器容器，所述反应器容器连接至等离子体燃烧器并且具有用以接收等离子体电弧的衬有耐火材料的反应室。所述设备包括直接将废料插入线性对应的电极空间(co-linear electrode space)中的等离子体电弧的装置，以在充分的热解条件下将废料雾化和离子化，之后在反应室内重新组合为重组产物。所述设备还包括用于从中排出重组产物的出口。
1989年12月12日颁给Chang等人的美国专利No.4,886,001提供了用于热分解废料的设备。所述设备包括等离子体炬以产生等离子体，所述等离子体具有至少5000℃的工作温度，用于破坏废料溶液以形成气体和固体颗粒的混合物。所述炬与以雾化态引入废料的装置结合。所述设备包括用于接收和分离气体和固体颗粒混合物的重组室。所述设备包括用于提供部分真空以从固体颗粒中除去所有载带气体(carryover gas)的固体分离器。
1994年2月22日颁给Bromberg等人的美国专利No.5,256,854讲授了同时以高能电子辐射和射频感应场轰击有毒气体以破坏汽化的有毒材料的方法和设备。因此，本专利提供破坏有毒废物的两室系统，其包括适于加热和汽化有毒废物的第一室和适于接收来自第一室的气 体的第二室。所述第二室通过在不小于大气压力和低于单独使用感应热破坏有毒废物所需温度的条件下同时并且持续的感应热和电子束辐射的可调结合来分解气体中的有毒分子。
1994年2月22日颁给Wong等人的美国专利No.5,288,969讲授了在大气压力下工作使危险废物发生分解(dislocation)的电感耦合射频等离子体炬技术。因此，本专利提供了包括待处理废料源的设备。所述设备包括激发到高温时能够形成等离子体中的自由电子的气体源。所述设备包括将废料和气体结合在一起的组合装置。所述设备包括一个反应室。所述设备包括通过反应室传送废料和气体的结合体的装置。所述设备包括在反应室中用电磁能激发气体以形成包括自由电子的等离子体的激发装置，其中所述激发装置包括一个射频等离子体炬。所述设备包括在反应室中保持自由电子在升高的温度水平足够时间以分离废料的计时装置。
1996年7月30日颁给Mui等人的美国专利No.5,541,386提供了包括水、挥发性组分和可玻璃化组分的废料的处理系统和方法。将废料在脱水器中加热以除去水，然后在高温干燥器中加热以蒸发液态烃，然后供应到初级等离子体反应器的焦点，在此等离子体电弧喷射聚焦到可玻璃化组分的池表面。在焦点处，可玻璃化组分被熔融，并且挥发性组分被蒸发。被熔融的组分被接收到淬火室中，固化在淬火辊子上，被分裂成碎屑并被传送到接收区域。淬火室中的热被传递到脱水器和高温干燥器。液态烃和挥发的组分被供应给次级等离子体反应器，在此被分离成它们的元素组分。将来自次级等离子体反应器的流出物洗涤以除去硫化氢和卤素，残余组分与过量水蒸汽一起在吸收器中被提取并被送回以在次级等离子体反应器中进一步处理。
1998年7月14日颁给Jenkins等人的美国专利No.5,779,991讲述了用圆柱形迷宫通道破坏气流中的危险化合物的设备，其中使用多个电场在气体迷宫内的不同区域产生和维持等离子体或电晕放电。因此，本专利提供包括分离的第一和第二区域的活动式废物焚烧炉，所述第一区域具有第一带电电极(live electrode)和接地电极，所述电极包括第一隔室和第二隔室。活动废物焚烧炉包括如下装置，该装置在第一电能标准激发第一带电电极以与第一隔室产生第一电场，并在废气流过第一气体通道时在废气中产生等离子体。活动式废物焚烧 炉包括第二区域，该第二区域具有固定在第二隔室内并与第二隔室间隔开的第二带电电极，并与所述第二隔室限定第二气体通道，该通道与第一气体通道的下游端相通。活动式废物焚烧炉包括在第二电能标准激发第二带电电极以与第二隔室产生第二电场的装置，所述第二电场能够在废气流过第二气体通道时维持废气中的等离子体。活动式废物焚烧炉包括在第二带电电极和第一带电电极之间产生第三电场的装置，以在第一和第二电场之间提供电能补充源来维持第一和第二区域之间的等离子体。
2003年4月22日颁给Eckhoff等人的美国专利No.5,798,496讲述了利用电弧炬等离子体技术处理工业废物的活动式的基于等离子体的废物处理系统。便携式反应器包括可旋转的干燥炉，该干燥炉包括上端和下端，上端用于引入废料，所述可旋转的干燥炉固定在活动车辆上。其包括安置于邻近干燥炉下端的尾部，尾部和下端中的至少之一形成经热解处理的废料的卸料出口。其包括至少两个附于所述尾部上并安置以将电弧导入干燥炉的等离子体枪。其包括至少两个与等离子体枪间隔开并附于干燥炉的尾部的至少之一上的靶电极。至少一个等离子体枪和至少一个靶电极是活动的。
2003年4月22日颁给Markunas等人的美国专利No.6,552,295提供了危险废料的等离子体废物处理方法和设备，所述废料在舱室内真空条件下被蒸发以产生预处理气体，输入到包括等离子体形成区域的等离子体炉，在该区域中产生等离子体形成磁场。预处理气体在低压力下且不绕行地穿过等离子体形成区域，并被直接通电至感应耦合等离子体状态，以使预处理气体中包含的危险废物反应物在运送通过等离子体形成区域过程中被完全分离。优选地，等离子体形成区域成型为真空环面，且其尺寸定成没有旁路能使预处理气体中的危险废物反应物能绕过等离子体形成区域。等离子体炉由输出基频电能的高频电源供电。所述电源包含寄生电能耗散机构(parasitic powerdissipation mechanisms)以防止非基频、寄生频率(parasiticfrequencies)使基频输出电能不稳定。
发明概要
上述现有技术等离子体废物分解系统具有多种缺点。一个缺点是由于废物材料通常不能被直接引入等离子体电弧而产生的，因为这样 的引入引起电弧电极污染和随后电弧的不稳定工作。因此，废料被引入电弧的下游并间接被炬气体加热。这种技术缩短了废料的高温停留时间，导致不完全分解。
此外，等离子体电弧的性能对废物和载带气体的流速高度灵敏。因此，流速必须被限制在窄的范围内，这就引起控制和维持系统性能的困难。使用中的电弧电极腐蚀进一步使得系统的维护、操作、稳定性和安全性复杂化。受擦燃和维持电弧所需的最小气体流速和电力需求的部分影响，直流电弧等离子体的小规模操作效率也很低。已经证明，为在不同的废物处理量标准和对多种废物材料进行操作，对现有技术系统进行按比例缩放是困难的，需要大的系统构造变化，其实现非常昂贵。
而且，对被现有系统中的废料限制的有机添加剂、氧化剂和/或还原剂的需要经常导致废物残渣中存在非常不希望有的化合物。
总之，现有技术的系统无一提供使所有类型和形式的危险废物还原为适于环境处理的化合物的一致方法。
因此，本发明的广义方面的一个目的是解决这些缺陷，并提供保证所有废物成分完全破坏同时维持低输入功率标准和长的耐火材料寿命的危险废物处理系统和方法。
发明陈述
本发明的一个广义的实施方案提供了用于废物和/或危险物质处理的设备。所述设备包括衬有耐火材料的反应器容器。所述设备包括在衬有耐火材料的反应器容器内的用于产生高温等离子体处理区的等离子体发生装置，该等离子体处理区具有遍及衬有耐火材料的反应器容器的整个周缘的基本均匀的高温。所述等离子体发生装置包括至少一个固定位置的等离子体电弧发生器和至少一个活动的等离子体电弧发生器。所述设备包括将废物和/或危险物质供应到并通过高温等离子体处理区的第一进料装置。所述设备包括供应足够的操作添加剂到高温等离子体处理区以导致废物和/或危险物质完全分解并形成稳定的非危险物质的第二进料装置。所述设备包括控制装置，用于控制等离子体电弧发生装置，并控制废物和/或危险物质通过高温等离子体处理区的流动，以保证所有废物和/危险物质达到足够高温，保持一段足够长的时间，以将废物和/或危险物质完全热分解为非常小的离子。可得 到足够的操作添加剂以建立最优化学平衡，这会将分解产物转化为稳定的非危险终产物。所述设备包括从反应器容器中去除产物气体的气体去除装置。所述设备包括监测气流以确定产物气流中颗粒物量的监测装置。所述设备包括从设备中去除熔岩状的固态的稳定非危险终产物的固体去除装置。
本发明的第二个广义的实施方案提供了用于废物和/或危险物质处理的方法。所述方法包括提供衬有耐火材料的圆柱形反应器容器，在该衬有耐火材料的反应器容器中带有等离子体发生装置，在该反应器容器中通过包括至少一个固定位置的等离子体电弧发生器和至少一个可活动的等离子体电弧发生器的等离子体发生装置产生高温等离子体处理区，该高温等离子体处理区具有遍及衬有耐火材料的反应器容器的整个周缘的基本均匀的高温。所述方法包括将固体和/或液体废物和/或危险物质供应、优选持续地供应至高温等离子体处理区并且使之通过高温等离子体处理区。所述方法包括选择地、优选持续地将足够的操作添加剂供应给高温等离子体处理区，用于将废物和/或危险物质完全分解并形成稳定的、非危险的物质。所述方法包括从衬有耐火材料的反应器容器中去除气体产物，优选持续地去除。所述方法包括监测、优选连续地监测气体产物以确定气体产物中的颗粒物质的量。所述方法包括从衬有耐火材料的反应器容器中去除固态的稳定的非危险终产物。
发明的其它特征
本发明的设备实施方案的第一个特征，至少一个固定位置的等离子体电弧发生器是多个、例如两个固定位置的等离子体电弧发生器，该等离子体电弧发生器从衬有耐火材料的反应器容器的相对两侧被置于该反应器容器内，将它们互成角度地相对布置以使它们的等离子体羽流(plasma plume)在焦点相交，所述焦点靠近向设备输入的废物和/或危险物质的中心。
本发明的设备实施方案的第二个特征，至少一个可活动的等离子体电弧发生器是单个可活动的等离子体电弧发生器，其被固定在衬有耐火材料的反应器容器的顶部，并且具有三个自由度以便能对准来自固定位置的等离子体电弧发生器的等离子体电弧羽流的焦点或者对准炉渣池。
本发明的设备实施方案的第三个特征，第一进料装置包括多个废物和/或危险物质进料口，每个进料口被构造为直接向来自固定位置的等离子体电弧发生器的等离子体电弧羽流的焦点进料。
本发明的设备实施方案的第四个特征，气体去除装置和固体去除装置是在直径方向与第一进料装置相对的口。
本发明的设备实施方案的第五个特征，所述设备还包括至少一个朝向一个点注入蒸汽的口，该点正好通过来自固定位置的等离子体电弧发生器的等离子体电弧羽流的交叉焦点，位于进料口的相对侧。它还包括遮盖气体出口区域的蒸汽注入口。
本发明的设备实施方案的第六个特征，所述进料装置包括多个以隔开关系布置在衬有耐火材料的反应器容器周围的空气入口。
本发明的设备实施方案的第七个特征，气体去除装置包括被构造成产生这样的气体出口速率的气体出口管道，该速率有助于使空气携带的固体回落到反应器容器中而不是被出口气流从反应器容器携带出去。
本发明的设备实施方案的第八个特征，将衬有耐火材料的反应器容器的下部分用法兰连接以使得可以将可拆卸的底部元件与衬有耐火材料的反应器容器的其余部分连接，以方便开启。
本发明的设备实施方案的第九个特征，耐火材料衬包括与A.P.Green G26LI、G23LI、G20LI和Insulblok 19相似的材料.
本发明的设备实施方案的第十个特征，衬有耐火材料的反应器容器的下部分由热面耐火材料构成，所述热面耐火材料包括与RADEXCOMPAC-FLO V253或DIDIER RK30相似的材料。
本发明的设备实施方案的第十一个特征，所述设备包括用于衬有耐火材料的反应器容器的下部分的可选的水冷装置。
本发明的设备实施方案的第十二个特征，监测装置包括被构造成确定出口气流不透明性的传感器。
本发明的设备实施方案的第十三个特征，通过氮气净化元件保持所述传感器基本没有沉积物，所述氮气净化元件被构造成提供通过传感器的表面的氮气流。
本发明的设备实施方案的第十四个特征，通过被构造成在传感器的区域保持负压的元件来保持传感器基本没有沉积物。
本发明的设备实施方案的第十五个特征，所述设备还包括在衬有耐火材料的反应器容器中的可拆卸的预热燃烧器。
本发明的设备实施方案的第十六个特征，衬有耐火材料的反应器容器是圆柱形的。
本发明的方法实施方案的第一个特征，所述方法包括将至少一个活动的等离子体电弧发生器布置得邻近于将废物和/或危险物质供应给并且通过高温等离子体处理区的口。
本发明的方法实施方案的第二个特征，所述方法还包括向高温等离子体区和气体出口区域注入蒸汽。
本发明的方法实施方案的第三个特征，所述方法包括将空气入口以隔开关系布置在衬有耐火材料的圆柱形容器周围，并选择性地通过入口将操作添加剂供应到高温等离子体区。
本发明的方法实施方案的第四个特征，所述方法还包括产生有助于使空气携带的固体回落到反应器容器中而不是被出口气流从反应器容器携带出的气体产物出口速率。
本发明的方法实施方案的第五个特征，所述方法包括选择冷却衬有耐火材料的圆柱形容器的下部分。
本发明的方法实施方案的第六个特征，所述方法包括通过不透明性传感器确定气体产物的不透明性来监测气体产物。
本发明的方法实施方案的第七个特征，所述方法还包括通过穿过传感器元件表面的氮气流的流动来保持不透明性传感器元件上基本没有沉积物。
本发明的方法实施方案的第八个特征，所述方法还包括通过在传感器区域保持负压来保持不透明性传感器元件上基本没有沉积物。
本发明的方法实施方案的第九个特征，所述方法还包括通过可拆卸燃烧器系统预热衬有耐火材料的圆柱形容器的第一步骤。
发明概述
本发明优选需要使用多个、例如两个用于初级处理的固定位置的等离子体电弧发生器，和一个用于次级处理或处理协助和/或用于在将炉渣从设备、即反应器容器排出之前对其进行终处理的单一的可活动的等离子体电弧发生器。如下文所述，本发明提供了反应器容器的几何学控制以保证最大处理效率。除了在产物气体出口处获得最小可能的产物气体温度外，等离子体电弧发生器的定位和操作还在优选需要的位置处提供了高温处理区，并提供了足够的热密度以熔融炉渣并迫使其流动。
如果将高温处理区维持为遍及反应器容器整个周缘的实心壁，以保证所有输入废物和/或危险物质被迫从中通过，就会实现废物和/或危险物质的最完全分解。在本发明的各个方面，用于初级处理的固定位置的等离子体电弧发生器位于反应器容器中的相对两侧，互相成角度地相对放置，旨在使它们的等离子体羽流在焦点处相交，并提供对向反应器容器内开口的危险废物进料器的最完全的温度覆盖。来自等离子体电弧发生器的等离子体电弧羽流的焦点优选固定在输入废物的中心附近。它们还可以被调节为保证维持最佳高温处理区，并引起在整个反应器容器内的有利的气体流型。可活动的等离子体电弧发生器优选置于反应器容器的顶部并具有三个自由度，以允许将其等离子体电弧羽流对准来自固定位置的等离子体电弧发生器的等离子体电弧羽流的焦点处，或对准所述焦点周围以当出现需要时提供次级或协助处理。也可以为进行炉渣处理允许将其羽流在炉渣出口处或其周围对准炉渣池。在整个降低处理温度阶段，由于输入废物和/或危险物质的化学组分特性可能意外改变，来自可活动的等离子体电弧发生器的次级处理协助是有利的。为了保证炉渣出口在整个炉渣提取阶段保持敞开，并尽可能保持炉渣为均质以排除一些未完全处理的材料在炉渣提取阶段意外地从反应器容器排出的可能性，炉渣处理是必须的。可以根据操作员的判断使所有等离子体电弧发生器进行连续操作。
反应器容器结构设计特征由多个因素确定，即：
第一，待处理的废物和/或危险物质流的化学组分。反应器容器的内部构造和尺寸由对待处理的输入废物流的分析而得的工作特性确定。
第二，等离子体电弧发生器。为了将高温处理区集中在最高效的位置，同时将等离子体电弧发生器热损耗最小化，等离子体电弧发生器必须定位在反应器容器内的期望深度。
第三，等离子体电弧发生器的位置和方向。必须以保证所有产生的气体分子有足够的运行路径的方式将等离子体电弧发生器定位并对其等离子体热进行导向。这是为了在高温处理区保持足够的停留时间 以保证它们的完全分解并转化为最小和最没有污染性的分子。
第四，操作添加剂注入口的位置、方向和数目。操作添加剂必须从保证最高效反应以获得预期转换结果的位置注入。
废物供应位置、等离子体电弧发生器插入深度、它们的位置和方向以及操作添加剂口的位置、方向和数目都对确定期望的流动和温度分布特点很重要，所述期望的流动和温度分布特点是对最小化耐火材料腐蚀并尽可能兼顾温度分布，也就是极高温处理区，高温炉渣熔融/出渣区和中温气体出口的关键因素。本发明的概括说明可以由包括以下特征的实施方案来体现，其总体目标是：
1.为获得污染物最小化的废物全部分解；
2.炉渣的全部熔融及均质；和
3.废热损耗的最小化。
所述实施方案包括两个相对侧安装的等离子体电弧发生器，其中心线成角度放置，以及靠近输入废物和/或危险物质流中心的组合等离子体电弧羽流固定焦点。成角度放置在输入废物中提供了湍流，生成的产物气体相当有助于处理效率。所述固定焦点形成高温处理区的整个壁，输入废物的所有成分均被迫从中通过。
所述实施方案包括安装于顶部的具有三个自由度的等离子体电弧发生器，使来自这个发生器的等离子体电弧羽流能导向为提供支持侧面安装的处理等离子体电弧发生器的等离子体热，或者导向为聚集在炉渣出口处和其周围的炉渣池。该等离子体电弧发生器安装在反应器容器的后部，在直径方向与引入废物正面相对并接近副产物出口，以保证维持处理副产物所需的全部处理温度。
所述实施方案包括多个输入废物进料口以满足输入废物和/或危险废料的任何物理特性需要，其中每一个直接供料到来自侧面安装的等离子体电弧发生器的等离子体电弧羽流产生的高温处理区聚焦区域。
所述实施方案包括与进料口在直径方向上相对的炉渣出口和产物气体出口管道，以保证固体和气体处理副产物的最大可能通路，由此得到危险组分破坏的最高处理效率。该气体出口管道是竖直安置的，并且被构造成气体出口速率有助于空气携带的固体落回反应器容器中而不是被出口气体从反应器容器中带出。
所述实施方案包括多个、例如最高达3个用于蒸汽注入的操作添加剂输入口，这些口被定位在关键位置以引导蒸汽进入高温处理区并在从反应器容器排出之前进入产物气体集合。
所述实施方案包括多个、例如最高达5个用于空气注入的操作添加剂输入口，这些口被定位在反应器容器中和周围的关键位置以保证操作添加剂对处理区的完全覆盖。
所述实施方案包括反应器容器的用法兰连接的下部分，所述下部分连接至反应器容器的用法兰连接的主要部分，以在需要检查和修理耐火材料时方便反应器容器的打开。
所述实施方案包括最高达17英寸或者更多的遍布整个反应器容器的专门选择的耐火材料衬，以保证处理热的最大保留，同时保证不受输入废物流的化学反应和处理中间化学组分的影响。
所述实施方案包括多个、例如最高达4个闭路电视孔以保持操作员对处理的所有方面全部可见。
要非常仔细地选择操作添加剂的种类和量以使输入废物危险组分破坏最优化，同时遵守管理机构排放限度并最小化生产费用。蒸汽输入保证了足够的游离氧和氢以使输入废物的已分解成分向燃料气体和/或非危险化合物的转化最大化。空气输入有助于处理化学平衡以使碳向燃料气体的转化最大化(最小化游离碳)，并维持最优处理温度，同时使相对高成本的等离子体电弧输入热最小化。两种添加剂的量可由所处理的废物流的输出确定并严格控制。要非常仔细地确定空气注入的量以保证相对高成本的等离子体电弧输入热的最大折衷，同时保证全过程不接近与焚烧相关的不合需求的过程特性，并且同时符合且优于当地的排放标准。
通过多年的等离子体气化处理，已经发现产物气流中颗粒物质的量与污染成分的排放率有直接关系。污染物质易于粘附颗粒物质，这有助于它们从反应器容器并通过排气管道排出。已经发现将气流中的颗粒物质的量最小化也使大多数污染物质的排放率最小化。确定气流中颗粒物质的量的变化的一种方式就是检测气流不透明性，并根据处理地点内的管理机构限制设立可接受的浓度基准。其后，产物气体管道内的不透明度的实时反馈提供了将操作添加剂输入速率自动化的机 制，所述添加剂主要为蒸汽，以保持颗粒物质水平在最大可允许浓度之下。
为了使不透明性监测器的操作最优化，需要保持传感元件内没有沉积物以保证读数准确。防止传感元件上的沉积可以通过两种方法中的任何一种实现：第一，提供少量氮气横穿每个元件的表面以防止空气携带的颗粒沉积；第二，保持气体处理系统的这部分为轻微负压以保证空气携带的颗粒被吸引离开传感元件。一般使用氮气，除非它对气流的化学组分有害，这取决于被处理的废物流和出口气体的可能应用。
与用法兰固定的反应器主体上部分连接的用法兰固定的下部分提供了在需要时对耐火材料衬进行检查和修理的方便。因为反应器容器必须耐受来自运行的等离子体电弧发生器的高温，并且持续与热的熔渣接触，所以它的底部中的耐火材料衬非常容易磨损和变质。因此，下部的耐火材料被设计为由比反应器容器壁和顶上的耐火材料更耐用的“热面”耐火材料组成。例如，在壁和顶上的耐火材料可以由DIDIERRK30砖制成，下部分的不同的“热面”耐火材料可以由RADEX COMPAC-FLO V253制成。
在其它实施方案中，还可以对下部分进行水冷，优选通过外壳进行，以防止耐火材料衬的不正常变质。也可以制造出备用的下部分以方便在耐火材料修理时期使处理设施更快地回到工作状态或者提供替换结构以适应要求更苛刻的处理和/或腐蚀性输入废物流。
可以通过最高达三个工作特性对过程控制进行自动化，即：由非理想进料速率、输入废物流化学特性变化或者由固体沉积物的增加使得产物气体处理系统中收缩所引起的反应器容器压力变化；由非理想进料速率或者输入废物流化学特性变化引起的反应器容器和产物气体温度变化；以及由非理想处理和/或输入废物流化学特性变化引起的产物气体透明性读数增加。
本发明的其它实施方案可包括数目可变的等离子体电弧发生器、蒸汽注入口、空气注入口和闭路电视孔，这取决于所考虑的废物流和期望的工作特性。
附图简述
现在仅通过实施例并引用附图描述本发明的实施方案，其中：
图1是本发明的一个方面的一个实施方案的衬有耐火材料的反应器容器的中心纵向横截面；
图2是图1的衬有耐火材料的反应器容器的侧面和后面的立体图，特别示出了入口和出口；
图3是图1的衬有耐火材料的反应器容器的顶部平面视图；并且
图4是不透明性监测器的一个实施方案的侧视示意图，所述监视器形成本发明的各个方面实施方案的衬有耐火材料的容器的一部分；
图5是显示根据本发明的化学过程模拟的总体组织的方块图；
图6是更详细地显示图5中化学过程模拟器块的高级流程图；
图7是显示根据本发明的温度和动态模型模拟的总体组织的块流程图；并且
图8是更详细地显示图7中的动态模型模拟器块的高级流程图。
具体实施方式
如图1、图2和图3所示，本发明的一个方面的一个实施方案包括固定在具有斜顶的圆柱形的衬有耐火材料的反应器容器中的三个等离子体电弧发生器，将在下文详细描述。从中可以看出，圆柱形容器10包括由两个部分组成的壳12，即上部分16和下部分18，每个部分内都衬有耐火材料，上部分16中为14U，下部分18中为14L。合适的耐火材料的实例包括陶瓷垫、绝缘耐火砖和高铝热面砖，这些陶瓷垫、绝缘耐火砖和高铝热面砖可能含有少量氧化铬、氧化锆或氧化镁。
如前面所述，容器10的下部分18处于更为恶劣的环境中，所以耐火材料14L是更为耐用的耐火材料。这种更为耐用的耐火材料的实例包括DIDIER DIDOFLO 89CR和RADEX COMPAC-FLO V253。
容器10具有固体废物和/或危险物质入口进料口20，和两个隔开的液体废物和/或危险物质进料口22。容器10还具有衬有耐火材料的气体出口管道24。此外，容器10还具有炉渣池收集区26和从那里引出的排渣口28。
在这个实施方案中，入口还包括一组5个间隔开的空气入口30。将这些空气入口30定位于关键位置以保证为获得最大效率使空气操作添加剂的输入覆盖整个处理区。此外，在这个实施方案中，提供了一组3个蒸汽注入口32。将这些蒸汽注入口定位于关键位置以保证为获得最大处理效率使入口蒸汽操作添加剂覆盖处理区，并且在其从反应器容器的出口覆盖产物气体，以实现所有残留的未反应的碳的完全转化，附加结果是在从反应器容器将产物气体排出之前由吸热反应将其冷却到所需标准。此外，在这个实施方案中，提供了一组4个闭路电视(CCTV)视孔34。将这些闭路电视视孔34定位于关键位置以保证操作员对处理的所有方面均完整且持续可见。
提供了两套等离子体电弧发生器。在这个实施方案中，第一套是固定的，是两个直径方向相对的、安装于侧面的、固定的等离子体电弧发生器36，其中心线成角度地布置，使得将它们的等离子体电弧羽流指向焦点。第二套是一个固定于顶部的等离子体电弧发生器38，具有三个运动自由度，如箭头所示。
圆柱形容器10具有斜顶40。提供该斜顶40保证了固定于顶部的等离子体电弧发生器38通过反应器容器内的等离子体电弧发生器可以全面且有效地传递其热量到所需区域。如图所示，区域42组成极端高温的处理区。
反应器容器10的两个其它期望的特征包括：反应器容器的下部18可从反应器容器10的其余部分分离。这通过附件法兰44实现。提供一个预热燃烧器口46以使反应器容器内的区域42被预热到适合的初始工作温度。
反应器容器10支撑在横轨48上。
如图4所示，从气体出口管道24排出的出口气体通过装有不透明性监测器52的产物气体管道50。不透明性监测器52包括发射器54和接收器56。包容不透明性监测器52的管道部分在58处被水冷。在不透明性监测器52的末端是氮气净化元件60，以引导氮气流动来阻止空气携带的微粒沉积在不透明性监测器传感元件54和56的内面上。
可选择地，或者相结合，可在管道50中设置一个轻微的负压区64以阻止空气携带的微粒沉积在不透明性监测器传感元件54和56的内面上。
优选实施方案的操作
等离子体气化反应器10的操作从矿物燃料燃烧器被插入反应器容器10的预热燃烧器口46中开始。在容器10中用该燃烧器获得最高温度(例如900℃)之后，卸下燃烧器，将允许预热燃烧器进入的口46密封，插入并打开等离子体电弧发生器36和38以使整个反应器容器温度为期望的工作温度(例如1100℃或1200℃，取决于处理的废物流)。这时，预定的操作添加剂蒸汽流通过蒸汽口32形成，预定的操作添加剂空气流通过空气口30形成。蒸汽口32和空气口30的预定位置由温度和流动动态模型(将在下文中描述)确定。此后，蒸汽和空气操作添加剂的预定流动由待处理废物和/或危险物质类型的化学模拟器(将在下文中描述)确定。之后，将废物和/或危险物质向容器10的供料通过固体废物口20和/或液体废物口22开始，这取决于处理的废物和/或危险物质的类型。输入废物或/危险物质在极高温度处理区内分解形成熔融固体产物和产物气体。熔融的固体产物，或称为炉渣，流到炉渣池收集区26，在此处停留直至通过排渣口28从容器10中排出。当输入废物和/或危险物质包含足够的产生炉渣的组分时，通过排渣口28的炉渣排放可以是连续的，或者可以是间歇性的。产物气体通过气体出口管道24排出容器10。衬有耐火材料的等离子体气化反应器容器10的优选的实施方案包括最高达3个蒸汽操作添加剂注入口32、最高达5个空气操作添加剂注入口30和最高达4个闭路电视视孔34。其它实施方案包括不同数目的操作添加剂输入口，这由温度和流动动态模型模拟器(将在下文中描述)确定，以保持光学工作特性。
固定的等离子体电弧发生器36提供了极高温度处理区的整合的前部，该极高温度处理区遍及衬有耐火材料的容器10的整个周缘，并处于输入废物口20、22和用于产物气体的处理副产物出口管道24以及用于熔渣的排渣口28之间。固定的等离子体电弧发生器36具有组合的等离子体电弧羽流焦点，以保证高温处理区的图形保持完整且最优。等离子体电弧发生器38具有三个自由度，使它可以在容器10内任何需要的地方提供高温处理协助，范围从热协助到由等离子体电弧发生器36生成的处理区图形，以保证炉渣池收集区26中的炉渣被充分处理，并且排渣口28在整个炉渣排出阶段保持敞开。
从反应器容器10中通过出口管道24排出的产物气体通过产物气体管道50并通过不透明性监测器52。不透明性监测器52通过在不透明性监测器发射器54和不透明性监测器接收器56之间的通信来提供产物气体中的空气携带的微粒的量的测量。容纳不透明性监测器52的管道的部分58被冷却，例如水冷，以保证不透明性监测器发射器54 和不透明性监测器接收器56不会过热，所述不透明性监测器52接触热产物气体管道50。氮气净化60防止任何空气携带的微粒沉积在不透明性监测器发射器54或不透明性监测器接收器56上，所述沉积妨碍不透明性监测器的灵敏度并因而妨碍其准确度。可选择地，代替氮气净化60，可以维持一个轻微的负压区64来防止空气携带的微粒沉积在不透明性监测器发射器54或者不透明性监测器接收器56上。来自不透明性监测器52的读数传递到控制台用于过程控制目的。通过蒸汽操作添加剂注入口32的蒸汽流速的调节实现过程控制，反过来，同时它也影响通过空气操作添加剂注入口30的空气输入。蒸汽或者空气操作添加剂注入过程的任何变化都影响产生的产物气体流速。
系统的操作员通过闭路电视孔34对容器10内的所有处理方面保持全面且持续的可见性。
通过拆开法兰44的方式拆卸衬有耐火材料的反应器容器10的下部分18，使得反应器容器的耐火材料衬14U和14L所需的检查和修理变得方便。
为了更有效地协助最终设计以保证最优反应器容器几何，将输入废物的物理特性和化学组分以及系统所需处理量纳入考虑。
因此，根据本发明的各个方面，过程控制通过连续的反应器容器压力和温度监测加上连续的产物气体流速和不透明性监测而实施。
进行废物和/或危险物质流的最佳毁坏所需的处理特性的详细评估包括下列各项，详细的评估由专有的化学模拟器提供：
最优工作特性，包括所需的处理温度；
产物气体的量和质量特性，包括可以从其中回收的能量的量；
组成产物气体的成分的化学组成；
所需的操作添加剂的量，例如蒸汽，用于将碳最完全地转化为一氧化碳燃料气体；
产物气体中水分的量；
对所考虑的特定废物流可达到的处理量；
总系统设计特性，包括为获得最低成本的最优设计；以及
可回收的副产品。
图5是化学过程模拟器的说明性的流程图，以可变的废物特性输入、用于优化的操作员交互输入和系统输出特性显示其功能。为了达到所考虑的特定废物流的最有效的处置过程，输入和/或处理特性可在化学过程模拟器内随意改变以使处理效果可视化。化学过程模拟器还起到了连续的监测工具的作用以确定工作特性变化，所述工作特性变化为输入废物和/或危险物质流的化学成分的变化所需要。
图6是图5的化学过程模拟器的高级流程图，显示了其计算方面。通常，所述模拟器由三个主要计算块组成：
(i)一个理想反应模型，通过使绝热等压平衡中产物化学物种的吉布斯自由能最小化，计算产物气体的理想的稳态平衡组成。
通过吉布斯自由能最小化获得简单化学系统的平衡反应产物的原理被很好地确定并经常在化学入门课程中讲述。在1960年代后期，研究人员在美国国家航空航天局开发了一种能适用于不需要写平衡反应而得到任意大系统的平衡组成的通用的吉布斯最小化方法，该方法在Gordon，S.和B.J.McBride的出版物中解释：用于复杂的化学平衡组成计算的计算机程序及应用；I.分析。美国国家航空航天局参考出版物1311(1994)。通过引用将该出版物纳入本说明书。理想反应模型使用该方法操作，以所考虑的每种反应产物的元素组成连同在当前反应温度下每种产物的吉布斯自由能填充一个解矩阵。然后通过高斯消去法对所述矩阵求解得到最小总吉布斯自由能(同时通过平衡元素输入和输出遵守质量守恒原理)。
(ii)一个碳沉积模型，计算形成的煤烟(固体碳C(s))的量，或者通过比较输入组分和平衡曲线来计算消除煤烟形成所需蒸汽的量。
已经实现的理想反应模型只能解决气相平衡。因此，由于已经观测到在等离子体气化过程的操作中有固体碳形成，所以开发了计算C(s)形成速率的独立模型。预测来自三相气体系统的C(s)升华量的曲线从Kyle，B.G.的书中获得-化学和过程热力学(Chemical and ProcessThermodynamics)，第二版，Prentice Hall，新泽西州，1992年，通过引用将其纳入本说明书。这些曲线被转化为预测固体碳的量的数值函数，所述固体碳在系统中在给定温度、氢摩尔百分比、氧摩尔百分 比的条件下形成。软件使用该函数计算所形成的C(s)的量-这个量被直接送到代码的再结合区，并从反应物的元素组分中减去。在随后的非理想反应模型中使用这个修改了的元素组分。
作为用户可选择的选项，该模型还可用来递归求解为消除固体碳的形成而必须向系统中加入的水量。水被用于这项应用是因为它包含氢和氧。相对于系统中的碳的量增加其一都会减少C(s)形成。因此，水分在限制形成C(s)的量方面极其有效，因为它相对氧和氢减少了系统中碳的量。
当选择这个选项时，所形成的C(s)的量总是零，所以它对随后的元素组分没有影响。然而，因为向反应添加了额外的水，根据这个步骤中计算的水量向净元素组分添加了氢和氧。这样计算的水量也被保留在内存中，使它可以与刚完成计算的结果的其余部分一起输出。
(iii)一个非理想反应模型，确定形成的超过理想模型的甲烷、乙炔、乙烯的量，所述量通过将系统中碳的量和实验所得的比率相乘来计算。它近似了长链碳氢化合物或聚合物的不完全分解的结果。实际上，在它们与其他化学种类反应之前，这样的分子就分解为小的碳氢化合物了(一般是1或2个碳的碳氢化合物)。由于等离子体气化反应器内的气态环境的高湍流特性，这些碳氢化合物的一小部分在它们被消耗以前就从主要反应区域携带出。对给定废物所选择的比率取决于材料的最接近的物理组分。
非理想反应的结果从理想反应可获得的元素组分中减去。这些结果被传递到软件的再组合阶段，而元素组分的余额被传递到理想反应模型。因此，软件在元素基础上计算总输入；在三个计算模型之间分割输入；将来自三个计算模型的结果结合；将结果列表；并将结果存储在数据库中。
参照图6中单独的块：
输入参数101：包括废物组分(元素摩尔百分比，水分含量和热值)和流速，处理温度和添加剂，包括指定来自几个通道的空气、氧、水、蒸汽和任何处理输入的迭代范围的能力；
分解组分102：向等离子体气化反应器的每个输入被转化为元素摩尔流。每种元素的总摩尔流被用做前面描述的三个基本计算程序的 初始变量；
碳沉积模型103：理想反应模型只能求解气相反应。因此执行独立的计算模块(如上所述)以确定固体碳C(s)的形成率。为执行此运算而设计的数学函数可选择性地用于递归循环中以确定防止固体碳的形成所需的水量；
非理想反应模型104：计算由不完全反应形成的化合物。简单的碳氢化合物与系统中碳的量以用户定义的比率成比例。基于废物的近似组成和当前操作条件选择这些比率。因为很少能对最初的废物流进行充分分析以允许它们的使用，所以标准的动力学模型不能在这种应用中胜任。因此，用相似的材料进行实验推导的值用于该模型。这些反应中使用的元素从理想反应阶段可获得的元素组成中减去。将在这个阶段形成的化合物传给再组合阶段，在再组合阶段它们与结果的其他部分结合；
理想反应模型105：计算在理想的、稳态条件下形成的化合物；
结果合成器106：将来自碳沉积模型103、非理想反应模型104和理想反应模型105的结果合成；以及
制表机和格式器107：将所有计算的数据以方便向大多数其它软件输出的格式制成表格。实际上，数据被输出到微软Excel工作表，在此确定了每种产物的质量、体积％、显热、气体热值、电热输入需要量以及基于比热和环境考虑的等离子体气化过程最优操作点的选择。所述最优操作点是达到环境排放要求所需的最小处理能量。
化学过程模拟器的开发过程中，第一步是开发处理模型并使用吉布斯自由能最小化原理来实现软件和热化学数据库，以使得可以对特定温度和输入参数特定组合的产物气体成分进行预言。实现C-H-O系统以确定碳沉积区域。开发用于等离子体气化处理的能量平衡计算方法以确定用于城市固体废物气化的等离子体电弧发生器的电力需求。
对于纯物质，元素组成和热力学性质很容易得到。然而，大多数废料不是均质的，结构复杂并且通常化学式不可知。在这些情况下，废物的摩尔组成从其通过试验室分析很容易得到的质量组成确定。类似地，废料的标准生成热也必须知道。通常，标准生成热在实验室中通过弹式量热法确定，虽然对于大多数均质材料来说，其值通常可能 从文献中找到。
等离子体电弧发生器功率需求基于等离子体反应器容器输入和输出以及等离子体气化条件计算。进入等离子体反应器容器的能量是等离子体电弧发生器提供的能量和向等离子体反应器容器中输入废物的总焓之和。能量输出是等离子体反应器的输出成分的总焓和通过等离子体反应器容器壁的热损耗之和。等离子体电弧发生器的总需求功率是两者之差，并考虑等离子体电弧发生器自身的效率。
因为其开发整合了现有广泛的实用的数据库结果，所以化学过程模拟器提供了废物的等离子体气化的性能数据。完整的模拟器是在两个分立模块中，使用前面描述的软件得到系统的质量/元素平衡，而列表的结果和系统的能量平衡是使用Excel(TM)工作表而得到的。保持结果工作表为单独模块有三个主要原因：
(a)便于减少开发时间；
(b)便于能够快速改变热力学模型而不需要对软件做出实质性变动；和
(c)便于将数据移植入Excel支持的文件/电子数据表/报告书，而不需要将这些能力编码到模拟器本身。
这种Excel工作表使用Shomate方程计算相关化合物的热力学性质。这些方程式的常数从与前述理想反应方法相关的NASA热力学数据库中得到，提供在Bonnie J.McBride和Sanford Gordon的出版物中-用于复杂的化学平衡组成计算的计算机程序及应用(ComputerProgram for Calculation of Complex Chemical Equilibriumcompositions and Applications)：II.用户手册和程序说明；美国国家航空航天局参考出版物1311，1996年6月；通过引用方式将其纳入本说明书。将这些热力学性质与标准热力学计算一起用于确定气化反应的总能量平衡，并通过推导确定驱动过程所需的净补充热。
认识到反应器容器并不处于均一的温度，模拟器在若干不同温度的范围内计算气体成分和流速。通过根据平均值等于平均反应温度的泊松概率给每个不同模拟温度情形(scenarios)一个权重，气体成分被插入电子数据表中得到所需容器温度。然后将减轻重量的情形(weight-reduced scenarios)之和归一化，提供“平均”结果。正 是这个“平均”结果反过来用于计算系统的能量平衡。
进一步的改良是在模拟器内数学模拟CHO边界系统。因此，现在模拟器能自动计算对给定的情形产生的C(s)量。因为C(s)形成对产物气体的清洁有害，所以开发一种自动将蒸汽注入速率调整到完全排除这种碳形成所需的最小标准的程序。已经发现，这种方法给出了比严格的单一温度模型更接近于实验数据的气体组成。以下表格显示城市固体废物结果的对比：
对MSW的模拟和实验结果的对比
为了开发一种更可靠和详细的操作费用评估，化学过程模拟器还计算与等离子体气化系统相联系的寄生载荷的功率消耗，以及通过蒸 汽轮机、结合循环燃气轮机和内燃机设备产生的电功率。单个设备的性能数据默认由基准设备设计(baseline facility design)依比例决定。然而，由于计算是在电子数据表(spreadsheet)上执行，可快速调节设备性能以反映不同构造。
由于化学过程模拟器对输入条件和流动范围产生数据的能力已提高，有可能通过在用户选择的范围内变化蒸汽和空气流、然后选择具有优选的气体组分和功率特性的情形以快速产生最优的情形。这个代码被设计为具有多种用途。它正好满足了RCL设计者(严格来说仅止于此，所以不会危及速度)的需要。PLUS允许非常快的迭代以选择“最优”操作点的RCL定义。这正是我们的代码和已建立的平台例如ASPEN和HYSYS的不同之处。
因为与电能的使用和产生相关的效率，对于可燃废物，它将不可避免地具有更高的能量效率以增加允许进入反应器容器的空气的量。添加足量的空气通常减少将反应保持在稳态所需的补充等离子体热，或使其低于零。等离子体热减少到零以下(对于这些目的，意味着反应器温度升高)通常通过增加气流到接近燃烧的化学计量速率来实现。与热解/气化反应相关的固有的清洁和强化的过程控制通常决定操作参数的选择，不允许空气过量，而要求补充热的加入。
因此，为了对给定的废物设计基准气化系统的目的，开发了一种对给定的废物输入选择最小功率需求的方法。执行关于空气排放、能量效率、资本成本和生产费用的过程最优化。由于资本成本中最大的变量是等离子体炬的大小和功率供应，生产费用也直接与炬功率相关，所以能量效率和空气排放成为主要优化标准。工作温度和输入组分影响污染物形成。由于废物流不变，所以仅通过空气和蒸汽输入的变化来改变输入组分。这些参数可类似地影响功率消耗。
因此，为了最优化情形(scenario)，根据污染物最小化选择工作温度，改变空气流和蒸汽流以将工作功率减小至最小功率情形(scenario)。已经发现虽然增加蒸汽将减小工作功率，但效果不如增加相当质量的空气明显。然而，加入蒸汽会引起产物气体热值增加。
化学过程模拟器模拟由不完全反应和反应动力学引起的非理想反应效果。这些说明了在实验产物气体化学中观测到的偏离。它还包括煤烟(碳黑)形成的模型，其为二恶英形成的前体。除了最小化二恶 英形成之外，避免碳形成方式(regime)也显著减少了焦油和其它多芳环烃的形成，其通常为一般气化过程的严重复杂化。
化学过程模拟器允许不同操作情形的快速生成和探查。因此，能快速确定没有碰到技术障碍的最经济的操作情形。化学过程模拟器也用于开发用于极不均质废物(如多种废物流)的过程控制逻辑。因为在使用过程仿真之前已经开发了许多“假设”情形，所以控制系统能从尾气组分中推断当前废物组分，并将过程化学(process chemistry)调节至“理想”操作点。此外，RCL代码的通用性以及数据采集和操作的相对容易和速度使之变为可能。
温度和流动动力学模型模拟器提供了遍及反应器容器任何截面的温度分布和气流特性的等角打印输出(isometric printouts)。这些特征为反应器容器设计最优化提供了基本工具，以保证在反应器容器内没有能允许气态成分在不承受全部所需处理温度和停留时间的情况下而排出的气体通道，并保证避免了耐火材料腐蚀、热点和冷点。来自该模拟器的打印输出决定输入添加剂口的最优物理定位，并且监测由化学模拟器识别的输入操作添加剂流的全部影响。这些口的物理位置变化与操作添加剂流速结合的影响能被非常容易地估定，并且可确定最优位置。
图7是温度和流动动态模型模拟器的说明性流程图，用可变的废物特性输入、用于优化的操作员交互式输入以及系统输出设计特征显示其功能。
图8是示出了其计算方面的温度和流动动态模型模拟器的高级流程图。参照图8，流程图中每个块的功能如下：
容器几何111：输入等离子体气化反应器容器的几何尺寸以产生计算范畴(domain)，在该计算范畴上计算数学模型的数值结果；
运行Gambit112：在运行Fluent之前，需要运行Gambit以建立求解范畴并产生计算网格。可以在通过反应器容器外围的任何平面上选择网格，并且网格密度的选择取决于几何尺寸和结果打印输出的操作需要；
初始条件113：假定的初始条件包括要计算的所有量，例如速率、温度等。需要这些量的初始值是为了启动迭代过程；
边界条件114：定义操作条件的输入数据，包括流速、来自等离 子体电弧发生器的组分和温度、空气喷射、蒸汽喷射，是为CFD代码(Fluent)限定足够的边界条件所需的，所述边界条件尽可能接近地模拟等离子体气化反应器容器的操作条件；
输入115(包括在模拟中的种类和反应的数目)：这是为了控制模拟化学反应的复杂程度。将主要种类包括在内对得到正确的温度和密度很重要。将次要种类包括在内对预言污染物排放很重要；
模型选择116(用户选择模型以模拟湍流和湍流式燃烧)：Fluent提供多种数学模型以模拟湍流和湍流式燃烧；
Fluent代码执行117：一旦生成计算网格并定义了边界和初始条件，就可以执行Fluent代码直至满足预定的收敛准则。代码本质上是描述质量、动量、能量和物种的收敛的方程的系统的非线性求解器；以及
结果后处理118：产生绘图以显示用于分析和可视化的数值结果。将产生的数据存储为正常数据文件。
计算流体力学(CFD)方法是评价和改进新的等离子体气化反应器容器设计的非常有用的工具，该方法是Fluent的基础。CFD允许流动、热传递和燃烧流动领域内创新的计算机建模和数值分析技术。这些技术是改进多种工业系统的设计和操作的强大工具。为了评价反应器容器的使用性能，对等离子体气化反应器容器中的湍流混合和热传递进行数值模拟。包括等离子体电弧发生器的速率和焓、空气喷射和蒸汽喷射的入口条件被指明作为输入。假定在反应器容器壁处为绝热热传递条件。通过低温和低速气流流入反应器容器模拟固体废物的连续进料。固体废物排放区域用所需标准的固定温度区模拟。对反应器容器出口的所有变量都假定为零梯度。
能量守恒方程与动量和湍流方程同时求解。尽力模拟速率和温度分布曲线以尽可能接近现实。得到的结果提供了反应器容器中的流场和温度场的定性到半定量信息。这些速率和温度分布提供了对改进等离子体气化反应器设计和操作的指导。
进行反应器容器的流动建模以保证过程输入的正确混合，并保证动力学效应不明显。在正常的设计进程中，将来自流动建模的结果递归使用以对化学模拟中的动力学效应进行微调，也在模拟器中调整反应温度分布曲线。由于在耐火材料表面处的所有工作特性容易确定， 所以流动建模结果还用于协助耐火材料设计。
仔细观察速率和温度网格分布曲线打印输出，以确定对特定废物流操作的可接受性。次于最优方面的任何方面可通过多个操作和/或尺寸设计变化解决，例如：
(a)反应器容器的物理形状和/或大小；
(b)等离子体电弧发生器的物理定位、方向和/或功率级；
(c)多种操作添加剂口的物理定位和/或方向；
(d)影响操作添加剂入口速率变化的操作添加剂口的尺寸；或者
(e)多种操作添加剂的输入水平。
然后可以重新运行模拟器，新结果可用来评估操作改进。这种迭代可被重复任意多次直至发现找到用于正被所考虑的废物流的最优操作最优情形。该程序的好处是明显的，因为可以快速得到最优操作情形，然后操作系统可以最大的成功可能性开始。
为了所考虑的特定废物流达到最大效率和有效处理过程，可以在化学模拟器内随意改变输入和/或过程特性以使操作影响可视化。化学模拟器还充当连续的监测工具，以确定输入废物和/或危险物质流的化学组分的变化所可能要求的运行特性变化。
温度和流动动态模型模拟器提供了遍布反应器容器任何截面的温度分布和气体流动特性的等角打印输出。这些特征为反应器容器设计最优化提供了基本工具，以保证在反应器容器内没有允许气态成分不承受全部所需处理温度和停留时间而排出的气体通道，又保证避免了耐火材料腐蚀、热点和冷点。来自该模拟器的打印输出确定输入添加剂口的最优物理定位，并监测由化学模拟器识别的输入操作添加剂流的全部影响。这些口的物理位置变化与操作添加剂流速结合的影响能非常容易地评估，并且可确定最优位置。
虽然已对本发明作了这样的说明、描述和示例，所属技术领域技术人员应当理解的是，可在其中做形式和细节上的等同变化。形式上的一个这样的变化是为了容易制造，所述圆柱形反应器容器可以由具有低轮廓侧面和对应的多级斜顶面的多侧面构成，所述多级斜顶面会聚于气体出口，并带有通过顶部斜面插入容器的等离子体电弧发生器。在这个多侧面反应器容器的另一个实施方案中，对应的多级斜顶面可以会聚于反应器容器中心剖面的气体出口。
本领域技术人员可以从以上描述中轻易地确定本发明的本质特征，在不背离其主旨和范围的情况下能做出本发明的多种变化和改动，以使其适应多种用途和条件。因此，这样的变化和改动是完全地、合理地并“旨在”处于下列权利要求的全部等同范围之内。
Claims (27)
1.一种用于废物和/或危险物质处理的装置，包括：
衬有耐火材料的反应器容器；
在所述衬有耐火材料的反应器容器内用于产生高温等离子体处理区的等离子体发生装置，所述等离子体处理区具有遍及所述衬有耐火材料的反应器容器的整个周缘的基本均匀的高温，所述高温等离子体处理区表示衬有耐火材料的反应器容器内的聚焦区域，所有输入废物和/或危险物质都被迫通过所述高温等离子体处理区，所述等离子体发生装置包括多个用于初级处理的固定位置的等离子体电弧发生器和至少一个用于在所述村有耐火材料的反应器容器内选择性地提供次级处理、协助处理或炉渣处理的可活动的等离子体电弧发生器；
第一进料装置，用于将所述废物和/或危险物质供应到并通过所述高温等离子体处理区；
第二进料装置，用于将足够的操作添加剂供应到所述高温等离子体处理区以使所述废物和/或危险物质基本完全分解并转变为稳定的非危险物质；
控制装置，用于控制所述等离子体发生装置以及所述废物和/或危险物质通过所述高温等离子体处理区的流动，以保证所有所述废物和/或危险物质达到足够高的温度，保持足够长的时间，以将所述废物和/或危险物质热分解并将其转变为所述稳定的非危险终产物；
气体去除装置，用于以有助于使空气携带的固体回落到反应器容器而不是被出口气体从反应器容器携带出的气体出口速率从所述衬有耐火材料的反应器容器中去除产物气体；
监测装置，用于监测所述产物气体以确定所述产物气体中颗粒物质的量并调节所述气体出口速率；以及
炉渣去除装置，用于从所述设备中去除稳定的非危险炉渣。
2.权利要求1的设备，其特征在于所述多个固定位置的等离子体电弧发生器包括一对固定位置的等离子体电弧发生器，所述一对固定位置的等离子体电弧发生器互相成角度地从所述衬有耐火材料的反应器容器的相对两侧置于该反应器容器中，以使其等离子体羽流相交于焦点，所述焦点靠近所述废物和/或危险物质输入的中心。
3.权利要求1的设备，其特征在于所述至少一个可活动的等离子体电弧发生器包括单个可活动的等离子体电弧发生器，所述单个活动的等离子体电弧发生器置于所述衬有耐火材料的反应器容器的顶部并具有三个自由度，以允许对准由固定位置的等离子体电弧发生器的等离子体电弧羽流相交产生的焦点或对准炉渣出口处或炉渣出口附近的炉渣池。
4.权利要求1的设备，其特征在于所述多个固定位置的等离子体电弧发生器包括一对固定位置的等离子体电弧发生器，所述一对固定位置的等离子体电弧发生器互相成角度地从所述衬有耐火材料的反应器容器的相对两侧置于该反应器容器中，以使其等离子体羽流相交于焦点，所述焦点靠近所述废物和/或危险物质输入的中心；所述至少一个可活动的等离子体电弧发生器包括单个可活动的等离子体电弧发生器，所述单个活动的等离子体电弧发生器置于所述衬有耐火材料的反应器容器的顶部并具有三个自由度，以允许对准由固定位置的等离子体电弧发生器的等离子体电弧羽流相交产生的所述焦点或对准炉渣出口处或其附近的炉渣池。
5.权利要求1的设备，其特征在于所述第一进料装置包括多个废物和/或危险物质进料口，每个进料口被构造成直接向来自固定位置的等离子体电弧发生器的等离子体电弧羽流的焦点进料。
6.权利要求1的设备，其特征在于所述气体去除装置和所述炉渣去除装置是在直径方向与所述第一进料装置相对的出口。
7.权利要求1的设备，其特征在于所述至少一个可活动的等离子体电弧发生器包括单个可活动的等离子体电弧发生器，所述单个可活动的等离子体电弧发生器置于所述衬有耐火材料的反应器容器的顶部并具有三个自由度，以便对准来自固定位置的等离子体电弧发生器的等离子体电弧羽流的焦点或炉渣池；所述气体去除装置和所述炉渣去除装置是在直径方向与所述第一进料装置相对的出口；所述可活动的等离子体电弧发生器靠近所述出口放置。
8.权利要求1的设备，包括至少一个用于朝向来自固定位置的等离子体电弧发生器的等离子体电弧羽流的焦点注入蒸汽的口。
9.权利要求1的设备，其特征在于所述第二进料装置包括多个以隔开关系置于所述衬有耐火材料的反应器容器周围的空气操作添加剂入口。
10.权利要求1的设备，其特征在于所述气体去除装置包括被构造成产生有助于使空气携带的固体回落到反应器容器而不是被出口气体从反应器容器携带出的所述气体出口速率的气体出口。
11.权利要求1的设备，其特征在于所述衬有耐火材料的反应器容器的下部分用法兰连接以便于所述下部分的拆卸。
12.权利要求1的设备，其特征在于所述耐火材料衬包括从陶瓷垫、绝缘耐火砖和高铝热面砖的材料中选出的一种材料，所述材料可选择性地包含少量氧化铬、氧化锆或氧化镁。
13.权利要求1的设备，包括用于所述衬有耐火材料的反应器容器的下部分的水冷装置。
14.权利要求1的设备，其特征在于所述监测装置包括被构造成确定所述出口气体不透明性的传感器。
15.权利要求14的设备，其特征在于通过氮气净化元件保持所述传感器基本没有沉积物，所述氮气净化元件被构造为提供通过所述传感器表面的氮气流。
16.权利要求14的设备，其特征在于通过在所述传感器的区域保持负压的元件来保持所述传感器基本没有沉积物。
17.权利要求1的设备，还包括所述衬有耐火材料的反应器容器内的可拆卸的预热燃烧器。
18.权利要求1的设备，其特征在于所述衬有耐火材料的反应器容器是圆柱形的。
19.一种用于废物和/或危险物质处理的方法，包括：
提供一个衬有耐火材料的圆柱形反应器容器，所述衬有耐火材料的反应器容器内具有等离子体发生装置，并通过使用包括多个用于初级处理的固定位置的等离子体电弧发生器和至少一个用于在所述衬有耐火材料的反应器容器内选择性地提供次级处理、协助处理或炉渣处理的可活动的等离子体电弧发生器的等离子体发生装置在该衬有耐火材料的反应器容器中产生在遍及该反应器容器的整个周缘具有基本均匀高温的高温等离子体处理区；所述高温等离子体处理区表示衬有耐火材料的反应器容器内的聚焦区域，所有输入废物和/或危险物质都被迫通过所述高温等离子体处理区；
将所述废物和/或危险物质供应至并且通过所述高温等离子体处理区；
选择性地将足够的操作添加剂供应至所述高温等离子体处理区，用于将所述废物和/或危险物质完全分解并转变为稳定的非危险气体和炉渣料；
从所述高温等离子体处理区去除气体产物；
监测所述气体产物以确定所述气体产物中的颗粒物质的量；
从所述衬有耐火材料的反应器容器中去除稳定的非危险炉渣终产物；以及
将蒸汽作为操作添加剂在产物气体出口注射。
20-权利要求19的方法，包括将所述可活动的等离子体电弧发生器布置成邻近于将所述废物和/或危险物质连续供应至所述高温等离子体处理区并且使之通过该高温等离子体处理区的口。
21.权利要求19的方法，还包括向所述高温等离子体处理区注入蒸汽操作添加剂。
22.权利要求19的方法，包括将操作添加剂口以隔开关系置于所述衬有耐火材料的圆柱形反应器容器的周围，并选择性地通过所述操作添加剂口将所述操作添加剂供应到所述高温等离子体处理区。
23.权利要求19的方法，包括调节气体出口速率以使其有助于空气携带的固体回落到反应器容器而不是被出口气体从反应器容器携带出。
24.权利要求19的方法，包括冷却所述衬有耐火材料的圆柱形反应器容器的下部分。
25.权利要求19的方法，其特征在于所述监测包括通过不透明性传感器确定所述气体产物的不透明性。
26.权利要求25的方法，包括由穿过所述不透明性传感器表面的氮气流的流动来保持所述不透明性传感器基本没有沉积物。
27.权利要求25的方法，包括通过在所述传感器的区域保持负压来保持所述不透明性传感器基本没有沉积物。
28.权利要求19的方法，包括用一可拆卸燃烧器来对衬有耐火材料的圆柱形反应器容器进行预热的第一步骤。
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