CN204063061U - 一种用于处理生活垃圾焚烧炉烟气的等离子体炉 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于处理生活垃圾焚烧炉烟气的等离子体炉，包括第一燃烧室和第二燃烧室，两燃烧室均包括炉体外壳和高温耐火材料内壁，第一燃烧室通过缓冲通道与第二燃烧室连通，第一燃烧室下部设置有用于与焚烧炉出口封闭连通的烟气进口，第二燃烧室的上部设有合成气排出通道且下部设有排渣口，第一燃烧室内部设有至少两个第一等离子体发生器，第二燃烧室内部设有至少一个第二等离子体发生器。金属与无机物熔融后产生的硅石熔渣可以作为建筑材料，需要填埋的飞灰量几乎为零。排放的合成气(CO₂、CO、H₂)无黑烟、无毒害，烟气中二恶英等有毒有害物质全部裂解，达到真正污染零排放，可以从源头解决生活垃圾焚烧炉飞灰的危害。

Description

一种用于处理生活垃圾焚烧炉烟气的等离子体炉

技术领域

本实用新型涉及垃圾焚烧烟气处理技术领域，尤其涉及一种用于处理生活垃圾焚烧炉烟气的等离子体炉。

背景技术

由于我国城市生活垃圾是一种成份复杂的混合废物，热值低、含水率高、灰土含量大、成分多样，其中含有数量可观的重金属，大量的重金属由于高温而挥发到烟气中，并最终富集于飞灰中，因此，在现有生活垃圾焚烧炉炉膛内燃烧时会出现燃烧效率低、炉膛温度低、烟气成分复杂等现象，导致重要的二次污染的问题。另外，焚烧产生的严重损害人类健康的二恶英污染没有解决。减量化和无害化的垃圾焚烧项目则由于其潜在的二次污染而遭到公众的质疑。为此有必要对城市生活垃圾的焚烧处理工艺(主要包括焚烧炉和烟气净化两部分)进行深入改进。尤其是国家新的《生活垃圾焚烧污染控制标准》的公布，对垃圾焚烧尾气排放要求更高。基于这一背景，近年来发达国家都在研究新的垃圾处理方法。

现阶段生活垃圾焚烧炉出口的烟气通常有高度毒性，经过降温、净化后成为飞灰被除尘器收集处理。生活垃圾焚烧炉排放出的尾气俗称合成气，这些细小颗粒随尾气进入大气环境后成为PM2.5的重要来源。在通常情况下，烟气净化工艺主要针对酸性气体(HCl、SOx等)、颗粒物及重金属等进行控制，净化尾气量很大，工艺繁琐。

目前处理垃圾焚烧飞灰的几种技术方法，其处理后得到的产物都只是垃圾焚烧飞灰处理的中间产物，最终还是要将飞灰运到填埋场进行填埋处置。以每天1000吨处理量的垃圾焚烧厂为例，每天约有50吨的飞灰需要在固化后填埋，因此，填埋场的负担不能得到有效地减轻。另一方面，这几种处理技术主要只是固化飞灰中的重金属，但不能减少飞灰中有毒有害污染物的总量，飞灰中的二恶英也没有得到有效降解。

因此，如何减少生活垃圾焚烧炉烟气的飞灰生成量，并减少有毒有害污染物的排放量，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供一种用于处理生活垃圾焚烧炉烟气的等离子体炉，该等离子体炉可以减少生活垃圾焚烧炉烟气的飞灰生成量，并减少有毒有害污染物的排放量。

为了解决上述问题，本实用新型提供了一种用于处理生活垃圾焚烧炉烟气的等离子体炉，包括第一燃烧室和第二燃烧室，所述第一燃烧室和所述第二燃烧室均包括炉体外壳和高温耐火材料内壁，所述第一燃烧室通过缓冲通道与所述第二燃烧室连通，所述第一燃烧室下部设置有用于与焚烧炉出口封闭连通的烟气进口，所述第二燃烧室的上部设有合成气排出通道且下部设有排渣口，所述第一燃烧室内部设有至少两个第一等离子体发生器，所述第二燃烧室内部设有至少一个第二等离子体发生器。

优选地，在上述用于处理生活垃圾焚烧炉烟气的等离子体炉中，所述缓冲通道和所述第二燃烧室内部均设置有气体流速控制隔板。

优选地，在上述用于处理生活垃圾焚烧炉烟气的等离子体炉中，所述缓冲通道设置有所述高温耐火材料内壁。

优选地，在上述用于处理生活垃圾焚烧炉烟气的等离子体炉中，所述高温耐火材料内壁采用的耐火材料为锆刚玉或莫来石，所述炉体外壳为碳钢板。

优选地，在上述用于处理生活垃圾焚烧炉烟气的等离子体炉中，所述第一燃烧室内部设置有两支功率均为300kW的所述第一等离子体发生器，所述第二燃烧室内部设置有一支功率为30kW的所述第二等离子体发生器。

优选地，在上述用于处理生活垃圾焚烧炉烟气的等离子体炉中，所述第一等离子体发生器和所述第二等离子体发生器的工作气体均为过滤干燥后的空气。

优选地，在上述用于处理生活垃圾焚烧炉烟气的等离子体炉中，所述第一等离子体发生器的轴线与所述第一燃烧室的横截面的夹角为37°。

优选地，在上述用于处理生活垃圾焚烧炉烟气的等离子体炉中，所述烟气进口处设置有阀门。

优选地，在上述用于处理生活垃圾焚烧炉烟气的等离子体炉中，所述炉体外壳厚度为5mm，所述高温耐火材料内壁厚度为100mm。

本实用新型提供的一种用于处理生活垃圾焚烧炉烟气的等离子体炉，包括第一燃烧室和第二燃烧室，第一燃烧室和第二燃烧室均包括炉体外壳和高温耐火材料内壁，第一燃烧室通过缓冲通道与第二燃烧室连通，第一燃烧室下部设置有用于与焚烧炉出口封闭连通的烟气进口，第二燃烧室的上部设有合成气排出通道且下部设有排渣口，第一燃烧室内部设有至少两个第一等离子体发生器，第二燃烧室内部设有至少一个第二等离子体发生器。

本方案的工作原理如下：

在处理生活垃圾焚烧炉烟气时，焚烧炉出口的烟气首先通过烟气进口输入至等离子体炉的第一燃烧室。在密闭的缺氧的空间里，第一等离子体发生器产生强大的电弧，使第一燃烧室内的工作温度达到1400℃以上，并使第一燃烧室内富含极具反应活性的电子和重粒子，因此能够对烟气进行超高温裂解。烟气中的有机物的大分子链被撕裂成为小分子或单个原子，并重组转化为以CO₂、CO、H₂为主要成份的合成气，而烟气中的金属与无机物则迅速熔融进而玻璃化。在第二燃烧室中，第二等离子体发生器可以对第一燃烧室中合成气中的一些残留微粒和一些碳氢化合物进行进一步裂解处理，通过第二燃烧室处理后的合成气通过合成气排出通道进入原生活垃圾焚烧炉飞灰的净化系统，而金属和无害玻璃化的硅石熔渣等则通过排渣口排出。其中，缓冲通道可以保证烟气在等离子体炉中有充分的反应时间，保证了烟气能够被完全处理。

可见，本方案能充分裂解各式生活垃圾焚烧炉出口烟气中的有机物成分与熔融无机物以及重金属等成分。烟气中的有毒有害物质全部裂解，二恶英也被分解破坏，排放的气体无黑烟、无毒害，达到真正的污染零排放。等离子体气化重组后的合成气以CO₂、CO、H₂为主要成分，而金属与无机物熔融后产生的无害玻璃化的硅石熔渣可以作为建筑材料，不污染空气、水及周边环境，需要填埋的飞灰量几乎为零，因此可以从源头根本解决生活垃圾焚烧炉飞灰的危害。高温裂解可使焚烧炉的烟气减容比高达90％甚至95％以上。本方案中的等离子体炉结构简单、制造成本低且工业运行维护方便，只需将该等离子体炉加装在焚烧炉烟气出口即可实现对烟气的裂解处理。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型具体实施例方案中的用于处理生活垃圾焚烧炉烟气的等离子体炉的结构示意图；

图2为本实用新型具体实施例方案中的用于处理生活垃圾焚烧炉烟气的等离子体炉的工作原理图；

图3为本实用新型具体实施例方案中的等离子体炉裂解处理的工艺流程图；

图4为本实用新型具体实施例方案中的等离子体炉处理烟气的工艺流程图；

图1至图4中：

第一燃烧室-1、第一通道口-2、缓冲通道-3、第二燃烧室-4、合成气排出通道-5、排渣口-6、第二通道口-7、第二等离子体发生器-8、第一等离子体发生器-9、烟气进口-10、高温耐火材料内壁-11、炉体外壳-12、气体流速控制隔板-13、电弧-14、烟气-15、合成气-16。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参照图1至图4，图1为本实用新型具体实施例方案中的用于处理生活垃圾焚烧炉烟气的等离子体炉的结构示意图，图2为本实用新型具体实施例方案中的用于处理生活垃圾焚烧炉烟气的等离子体炉的工作原理图，图3为本实用新型具体实施例方案中的等离子体炉裂解处理的工艺流程图，图4为本实用新型具体实施例方案中的等离子体炉处理烟气的工艺流程图。

在一种具体实施例方案中，本实用新型提供了一种用于处理生活垃圾焚烧炉烟气的等离子体炉，包括第一燃烧室1和第二燃烧室4，第一燃烧室1和第二燃烧室4均包括炉体外壳12和高温耐火材料内壁11，第一燃烧室1通过缓冲通道3与第二燃烧室4连通，第一燃烧室1下部设置有用于与焚烧炉出口封闭连通的烟气进口10，第二燃烧室4的上部设有合成气排出通道5且下部设有排渣口6，第一燃烧室1内部设有至少两个第一等离子体发生器9，第二燃烧室4内部设有至少一个第二等离子体发生器8。

为了使烟气有足够充分的反应时间，烟气在等离子体炉内必须有至少2秒的停留时间。为此在第一燃烧室1与第二燃烧室4间设有缓冲通道3。优选地，缓冲通道3和第二燃烧室4内部均设置有气体流速控制隔板13。如此设置，气体可以从控制隔板之间的间隙流过，由于受到隔板的阻碍作用，所以能够延长烟气的停留时间，保障烟气有足够充分的反应时间，从而保证了烟气能够被完全处理。

更加优选地，本方案中的缓冲通道3也设置有高温耐火材料内壁11。需要说明的是，本方案中的高温耐火材料内壁11采用的耐火材料可以为锆刚玉或莫来石，本领域技术人员也可采用其他高温耐火材料。炉体外壳12为碳钢板。

具体的，第一燃烧室1设置有与缓冲通道3连通的第一通道口2，第二燃烧室4设置有与缓冲通道3连通的第二通道口7。第一燃烧室1的下部也可以设置有出渣口。第二燃烧室4的合成气排出通道5用于连接到原生活垃圾焚烧炉飞灰的净化系统。优选地，第一燃烧室1下部的烟气进口10配置有可控的阀门，烟气进口10配置有封闭式烟气负压进气系统装置，可以实现烟气不泄漏。

本具体实施例方案中的炉体外壳12为5mm厚的碳钢板(第一燃烧室1和第二燃烧室4相同)，炉体内部设有厚度为100mm的高温耐火材料内壁11。优选地，炉体外壳12与高温耐火材料内壁11之间还可以设置有50mm厚的保温层。缓冲通道3的直径为600mm。第一燃烧室1与第二燃烧室4的容积不同，具体的，本实施例方案中的第一燃烧室1的容积(直径×高)＝0.8×2.2m³，第二燃气室12的容积(直径×高)＝1.0×1.10×2.2m³。第二燃烧室4的下面设有排渣口6(直径300mm)与炉体下部贯通，用于清渣之用。烟气进口10直径为400mm，合成气排出通道5直径为400mm。

优选地，第一燃烧室1的内部相对设置有两个功率均为300kW的且等离子体弧为宽胖型的第一等离子体发生器9，2只等离子体弧交汇成为处理焚烧炉烟气的热源，第二燃烧室4内部设置有一支功率为30kW的且等离子体弧为长型的第二等离子体发生器8，作为第二燃烧室4合成气补助点火备用。优选地，第一等离子体发生器9和第二等离子体发生器8的工作气体均为过滤干燥后的空气。第二燃烧室4的合成气进口处放置一个第二等离子体发生器8对进入第二燃烧室4的高温形态合成气体再一次电离，使之进一步加快分解。优选地，第一等离子体发生器9的轴线与第一燃烧室1的横截面的夹角为37°，这个安装角度可以使电弧14达到最佳状态。

等离子体发生器(或称等离子体炬)是一种能产生高强度热源的专门设备。常温气体借助等离子体发生器的电极电弧能产生高温和高热密度的导电气体射流等离子体(正负离子)，温度可达7500℃上，以此来承担裂解烟气的能量源。等离子体发生器由无氧铜材料制成，包括阴极与阳极，形状大致呈长约400mm、直径约300mm的圆柱形。与等离子体发生器配套的电源为等离子体弧开关电源。本方案中的等离子体发生器外围温度达3000℃，炉膛内温度高达1700℃。制成的样机经测试，等离子体炉排放的尾气已基本上实现了真正意义上的污染物“零排放”。

用于处理生活垃圾焚烧炉烟气的等离子体炉，是由等离子体炉炉体系统(等离子体裂解炉)、烟气负压输入系统、等离子体发生器、等离子体弧开关电源、合成气输出系统、控制系统等组成。而原生活垃圾焚烧炉生产线主体系统中的骤冷系统、螺旋涡流除尘器系统、活性焦吸收系统等几大单元共用。

请参照图2和图3，图2为本实用新型具体实施例方案中的用于处理生活垃圾焚烧炉烟气的等离子体炉的工作原理图，图3为本实用新型具体实施例方案中的等离子体炉裂解处理的工艺流程图。接通等离子体弧开关电源后，等离子体发生器开始产生电弧14，工作气体和保护气体充满等离子体炉内部，冷却水用于冷却炉体，送料系统将烟气15送至等离子体炉内部，烟气15被裂解完后产生合成气16和硅石熔渣。

参见图4，图4为本实用新型具体实施例方案中的等离子体炉处理烟气的工艺流程图。生活垃圾焚烧炉烟气出口排出的烟气15进入等离子体炉内部进行裂解，阀门可以控制烟气15的输送过程，另外还有检测、控制系统来监测烟气出口的状态。等离子体炉排放的合成气输送至原合成气排放净化系统进行进一步处理。焚烧炉烟气进入等离子体炉用等离子体发生器使烟气大分子碳氢化合物裂解，裂解后产生的合成气以CO₂、CO、H₂为主要成分。可作为热源直接加以发电利用，之后进入尾气处理生产线系统。

本方案的工作原理如下：

在处理生活垃圾焚烧炉烟气时，焚烧炉出口的烟气15首先通过烟气进口10输入至等离子体炉的第一燃烧室1。在密闭的缺氧的空间里，第一等离子体发生器9产生强大的电弧14，使第一燃烧室1内的工作温度达到1400℃以上，并使第一燃烧室1内富含极具反应活性的电子和重粒子，因此能够对烟气15进行超高温裂解。烟气15中的有机物的大分子链被撕裂成为小分子或单个原子，有机物成分迅速脱水、热解、裂解，并重组转化为以CO₂、H₂、CO为主要成份的合成气16，而烟气15中的金属与无机物则迅速熔融进而玻璃化。在第二燃烧室4中，第二等离子体发生器8可以对第一燃烧室1中合成气中的一些残留微粒和一些碳氢化合物进行进一步裂解处理，通过第二燃烧室4处理后的合成气16通过合成气排出通道5进入原生活垃圾焚烧炉飞灰的净化系统，而金属和无害玻璃化的硅石熔渣等则通过排渣口6排出。其中，缓冲通道3可以保证烟气15在等离子体炉中有充分的反应时间，保证了烟气15能够被完全处理。

烟气经过等离子体炉后需要通过一系列的骤冷、热交换器、除尘设备、活性炭吸附等过程，以到达气体排放的最高指标。金属以及其它不能转化为气体的无机物材料会落在第一燃烧室1或第二燃烧室4的底部，形成无害硅酸盐玻璃体熔渣，金属层位于反应器的底部，位于熔化的玻璃下面，如果有必要就可以排出。玻璃层和金属层通过受控的阀门流向残渣收集系统。阀门与残渣处理系统直接相连，以便在操作人员的指令下使残渣自动去除。去除熔融的残渣对操作人员无任何伤害，不需要特殊的器材，也不打断正常的操作过程。无害玻璃体熔渣由于其紧密的结构可用于制作高价值副产品，有非常好的经济效益。

可见，本实用新型涉及的是一种以等离子体发生器为能源的新型炉体。等离子体技术是指利用等离子体发生器作为裂解炉的热源，而不是传统的点火和熔炉。处理生活垃圾焚烧炉烟气时，等离子体发生器的中心温度可高达万摄氏度，边缘温度也可达到3千摄氏度左右。

确切的说，本方案是以等离子体发生器所产生的巨大能量源，使炉体内温度达到1400℃或以上，能充分裂解各式生活垃圾焚烧炉出口烟气中的有机物成份与熔融无机物(包括重金属等)成份。烟气中的有毒有害物质全部裂解，二恶英也被分解破坏，排放的气体无黑烟、无毒害，达到真正的污染零排放。等离子体气化重组后的合成气以CO₂、CO、H₂为主要成分。生活垃圾焚烧炉烟气也减少约4/5，二恶英几乎检测不出。而无机物(重金属、玻璃体等)在等离子体强大的电弧作用下熔融，无机物迅速玻璃化，最后产生出一种坚固的，类似黑曜石的无害玻璃化的硅石熔渣，可以用作建筑材料。不污染空气、水及周边环境，需要填埋的飞灰量几乎为零，因此可以从源头根本解决生活垃圾焚烧炉飞灰的危害。高温裂解可使焚烧炉的烟气减容比高达90％甚至95％以上，合成气量只有原有尾气量的1/10。

本方案中的等离子体炉结构简单、制造成本低且工业运行维护方便，不用破坏原各式生活垃圾焚烧炉装置结构，只需对生活垃圾焚烧系统做局部改动，将该等离子体炉加装在焚烧炉烟气出口即可实现对烟气的裂解处理。等离子体焚烧炉关键技术的研发和成套设备的批量生产，可以使现阶段我国生活垃圾焚烧发电所存在的二次污染的问题得到良好解决。

本方案的优点在于：

(1)洁净：由于等离子气化高温和高的热密度，等离子技术能将焚烧炉烟气碳基废物几乎完全转化成合成气和无机物灰渣。可以将形成二恶英的有机物分子彻底打散，从而从源头上杜绝了二恶英的产生。真正达到污染物“零”排放。不污染空气、水及周边环境。二次污染物排放比焚烧低2～3个数量级。

(2)高效：等离子气化的产电效率优于焚烧炉燃烧。通常焚烧炉燃烧的热量驱动汽轮机来产生电力，而气化系统可以使用效率高得多的燃气涡轮机进行发电。等离子体气化的热转换效率比焚烧工艺高50％左右，在焚烧、气化过程中，热能可回收并转换成电能。

(3)反应器尾气量少，便于洁净处理：采用还原性气氛时，尾气量约为焚烧法的5～10％。

(4)不能回收利用的无机物以玻璃体渣形式排出，玻璃体渣的浸出率远远低于检测极限，测试还证明，玻璃体渣的浸滤液是惰性物质，重金属浸出质量浓度均远低于现有的国际毒性标准。玻璃体渣彻底无害化，可以作为建筑材料利用。

(5)经济效益好：合成气可用于燃气内燃发电机进行发电，也可合成柴油。相对蒸汽发电循环，发电效率可从20％左右提高到32％以上，投资回报期可缩短2～3年；由于热值高，没有焦油问题，合成气品质优于常规技术。

(6)设备结构紧凑、高度低，占地面积少，可减少厂房建设成本。

(7)酸性气体NOx和SOx排放也较焚烧法易于控制。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种用于处理生活垃圾焚烧炉烟气的等离子体炉，其特征在于，包括第一燃烧室(1)和第二燃烧室(4)，所述第一燃烧室(1)和所述第二燃烧室(4)均包括炉体外壳(12)和高温耐火材料内壁(11)，所述第一燃烧室(1)通过缓冲通道(3)与所述第二燃烧室(4)连通，所述第一燃烧室(1)下部设置有用于与焚烧炉出口封闭连通的烟气进口(10)，所述第二燃烧室(4)的上部设有合成气排出通道(5)且下部设有排渣口(6)，所述第一燃烧室(1)内部设有至少两个第一等离子体发生器(9)，所述第二燃烧室(4)内部设有至少一个第二等离子体发生器(8)。

2.根据权利要求1所述的用于处理生活垃圾焚烧炉烟气的等离子体炉，其特征在于，所述缓冲通道(3)和所述第二燃烧室(4)内部均设置有气体流速控制隔板(13)。

3.根据权利要求1所述的用于处理生活垃圾焚烧炉烟气的等离子体炉，其特征在于，所述缓冲通道(3)设置有所述高温耐火材料内壁(11)。

4.根据权利要求1或3所述的用于处理生活垃圾焚烧炉烟气的等离子体炉，其特征在于，所述高温耐火材料内壁(11)采用的耐火材料为锆刚玉或莫来石，所述炉体外壳(12)为碳钢板。

5.根据权利要求1所述的用于处理生活垃圾焚烧炉烟气的等离子体炉，其特征在于，所述第一燃烧室(1)内部设置有两支功率均为300kW的所述第一等离子体发生器(9)，所述第二燃烧室(4)内部设置有一支功率为30kW的所述第二等离子体发生器(8)。

6.根据权利要求5所述的用于处理生活垃圾焚烧炉烟气的等离子体炉，其特征在于，所述第一等离子体发生器(9)和所述第二等离子体发生器(8)的工作气体均为过滤干燥后的空气。

7.根据权利要求5所述的用于处理生活垃圾焚烧炉烟气的等离子体炉，其特征在于，所述第一等离子体发生器(9)的轴线与所述第一燃烧室(1)的横截面的夹角为37°。

8.根据权利要求1所述的用于处理生活垃圾焚烧炉烟气的等离子体炉，其特征在于，所述烟气进口(10)处设置有阀门。

9.根据权利要求1所述的用于处理生活垃圾焚烧炉烟气的等离子体炉，其特征在于，所述炉体外壳(12)厚度为5mm，所述高温耐火材料内壁(11)厚度为100mm。