專利名稱：熱等離子體處置固體廢棄物的裝置與方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用電弧熱等離子體高溫熔融熱解處置固體廢棄物的裝置及方
法領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
全球固體廢物產(chǎn)生量正在以驚人的速度增長，每年產(chǎn)生固體廢棄物數(shù)量巨大、種 類繁多、性質(zhì)復雜，污染相當嚴重，傳統(tǒng)的處置方法，如填埋，由于受填埋場空間的限制，已 經(jīng)越來越不適應環(huán)境發(fā)展的要求。固廢焚燒作為一個非常有前景的技術(shù)，由于其高減容比 并可利用焚燒產(chǎn)生的熱量進行發(fā)電，越來越多的應用于固廢的處置中，但是在焚燒過程中 產(chǎn)生的二次污染越來越引起人們的關(guān)注。如焚燒后會產(chǎn)生的大量的飛灰及灰渣，而這些飛 灰含有大量的鉛、鎘、汞等重金屬和劇毒二噁英類有機物，普通的填埋會造成毒素的滲透和 揮發(fā)，污染空氣及地下水。同時，焚燒過程所產(chǎn)生的大量煙氣如果處置不當同樣會造成對大 氣的二次污染。 等離子轉(zhuǎn)換處置是目前國際上最為先進的危險廢物處置技術(shù)、可對有毒化學品等 各類危險廢物進行安全處置，極少量產(chǎn)生二次污染，可有效的克服焚燒系統(tǒng)所帶來的缺陷。 在目前已有的國內(nèi)外專利中，公開了熱等離子體技術(shù)處置各種危險廢棄物。如中國專利 ZL89105527. 4中披露了采用水蒸汽等離子體和直流等離子體技術(shù)，但是該反應僅在陶瓷管 內(nèi)進行，反應空間小，還要求能處理固態(tài)廢物顆粒在300微米，這個工業(yè)化帶來困難。美國 專利5280757用電弧等離子體炬反應器氣化城市固體廢棄物；美國專利4644877同樣利用 等離子體炬技術(shù)熱解多氯聯(lián)苯(PCBs)，廢棄物在熱等離子體作用下原子化和離子化后，在 反應室中被急冷重組成氣體和特定的物質(zhì)。 上述的這些系統(tǒng)都有一些顯著的缺陷，例如，廢棄物在高溫環(huán)境下沒有足夠的混 合、熔融、駐留時間，針對多樣化的廢棄物無法確保無浸出毒性的玻璃熔渣的形成。同時，由 于采用了水冷非轉(zhuǎn)移弧炬的技術(shù)，極壽命短，需間歇性更換極，不能長時間連續(xù)運行，另外 由于工作氣體量大，同樣造成煙氣量大，增加尾氣處理費用。 中國專利ZL96192788. 7中采用在直流電弧發(fā)生爐旁增加交流電源的焦耳加熱熔
融室作為公用熔池，以熔池作為極間導電線路，但需兩套裝置給實際應用造成麻煩。 另外，上述專利的爐渣排出口與煙氣出口一般都為兩個獨立的出口，這樣不利于
能量的充分利用，同時，出渣口距離坩堝出口較遠，造成爐渣排出管道溫度下降較大，因此，
一般需要在出口處加裝電加熱裝置，以保證熔渣較好的流動性，這樣往往會大大增加系統(tǒng)
的能耗。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種熱等離子體處置固體廢棄物的裝置與方法， 采用電弧熱等離子體高溫熔融固體廢棄物，形成無浸出毒性的玻璃態(tài)熔渣，并使得熔渣與 金屬分層，回收廢棄物中的金屬成分；采用電弧熱等離子體在還原氣氛下熱解固體廢棄物，從而將種類繁多的固體廢棄物中的高分子有機物轉(zhuǎn)換成諸如C0、 H2、 CH4等氣體燃料；采用 電弧熱等離子體產(chǎn)生的高溫及紫外光等對諸如二噁英等劇毒物質(zhì)進行分解并阻止其再次 合成。 為解決上述問題，本發(fā)明的技術(shù)方案如下 —種熱等離子體處置固體廢棄物的裝置，其特征在于包括有等離子體熔融熱解 爐，所述的等離子體熔融熱解爐爐體包括有相扣合的爐身和爐蓋，所述爐身的中部設有導 電坩堝，所述的導電坩堝內(nèi)襯有高溫耐火材料，導電坩鍋與爐蓋之間的區(qū)域構(gòu)成爐膛，所述 爐蓋上設有多個和爐膛聯(lián)通的通孔，其中的兩個通孔中分別穿過有陰、陽極，所述的陰、陽 極分別由電極提升機構(gòu)牽引其上下運動，所述的陰、陽極的下端伸入到導電坩鍋的上方；所 述的陰極和陽極的上端分別外接等離子體放電電源負極和正極；所述的另外的通孔分別為 進料口、觀察及測量窗口 ；所述爐膛、導電坩堝與所述的爐身的外殼之間砌有隔熱保溫層， 所述爐膛下半部分的一側(cè)連通向下的緊貼坩堝的熔渣和煙氣排出通道，所述的熔渣和煙氣 排出通道向下穿過所述的爐身并延伸到所述的爐身的底端，所述的熔渣和煙氣排出通道在 底部分離為兩個出口，即垂直向下的排渣口和水平方向的排煙口，所述的排渣口的下方設 有水槽；排煙口側(cè)壁上連通有排氣管道并通向爐身外側(cè)；靠近熔渣和煙氣排出口一側(cè)的爐 膛中還設有擋板，其高度大于所述的熔渣和煙氣排出口的高度，擋板下端低于熔渣和煙氣 進口管道的底部；所述導電坩堝的底部放置有導電支撐管，所述的導電支撐管下方放置有 導電環(huán)，所述的導電坩鍋與導電支撐管、導電環(huán)電連接并外接等離子體放電電源的正極；所 述導電坩堝底部的中心位置有通孔，所述的通孔底端安裝有熱閥，所述熱閥內(nèi)設有中心排 放管，與所述導電坩堝底端的通孔對接，所述的熱閥的下方設有容器；所述的排氣管道通向 尾氣凈化處理系統(tǒng)。 所述的熱等離子體處置固體廢棄物的裝置，其特征在于所述爐蓋上設有3個孔， 分別為陰極、陽極穿過用孔以及進料口，所述的陰極帶有中心孔道，所述的中心孔道作為通 入惰性氣體的孔道；所述的陰極與陽極排成一定夾角，向下運動時，能相互接觸；根據(jù)需要 在所述的爐蓋上設置觀察或測量的窗口。 所述的熱等離子體處置固體廢棄物的裝置，其特征在于所述的陰極極材料選用 高功率石墨，其個數(shù)為1 3個。 所述的熱等離子體處置固體廢棄物的裝置，其特征在于所述的尾氣凈化處理系 統(tǒng)由旋風除塵室、二次燃燒室、熱交換室、堿液噴淋室、布袋除塵室、活性炭吸附室、引風機 以及煙閨組成。 所述的裝置處置固體廢棄物的方法，其特征在于所述的熱等離子體處置固體廢 棄物的處理方法為 (1)、首先開啟工作氣體制備供應裝置，將惰性氣體由惰性氣體孔道引入所述的等 離子體熔融熱解爐內(nèi)，進行空氣置換，并控制爐內(nèi)的氧氣量； (2)、然后開啟弧直流電源，啟動電極提升機構(gòu)，使得所述的陰極與所述的導電坩 堝進行接觸引弧，若坩堝底部被非導電物覆蓋而無法引弧時，可啟動所述的電極提升機構(gòu)， 將所述的陽極與陰極接觸進行引弧，此時在陰極與陽極之間產(chǎn)生了大量的電弧熱等離子 體，通過電弧產(chǎn)生的高溫將坩堝底部物質(zhì)熔融，再啟動所述的電極提升機構(gòu)，將電弧轉(zhuǎn)移至 陰極與坩堝之間，然后抬升陽極；
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(3)、當爐內(nèi)溫度達到140(TC左右，并且整個爐體達到熱平衡后，啟動進料裝置， 將經(jīng)過預處理的固體廢棄物從進料口投入所述的等離子體熔融熱解爐中，并且控制進料速 率，保持固體廢棄物在坩堝中一定的熔融時間，所產(chǎn)生的高溫煙氣在外接引風機的作用下， 經(jīng)所述擋板上端流入所述的熔渣和煙氣排出通道，然后經(jīng)過排煙通道進入尾氣凈化處理系 統(tǒng)；隨著體廢棄物的不斷熔融，高溫熔融體從擋板下端流入到所述的熔渣和煙氣排出通道， 并掉入設置于排渣口下的水槽中，經(jīng)水淬冷后再由外接的輸運機構(gòu)運走；固體廢棄物中含 有的有毒有害物質(zhì)二噁英類等有機物則被徹底銷毀，熔融過程中產(chǎn)生的高溫煙氣經(jīng)所述的 熔渣和煙氣排出通道、排氣管道進入尾氣凈化處理系統(tǒng)，經(jīng)處理后達標排放；所述坩堝底部 的液態(tài)熔融金屬經(jīng)其底部的通孔和設置于其底端的熱閥的中心排放管，并在所述的熱閥的 控制下流入到設置于熱閥下方的容器中。 所述的等離子體熔融熱解爐為全密閉裝置，所述的爐膛運行在微負壓工作狀態(tài)， 所述的排渣口下端伸入到所述的水槽中；所述的中心排放管由高功率石墨制成。
所述的固體廢棄物經(jīng)熱等等離子體高溫熔融處置后產(chǎn)生的熔渣為玻璃態(tài)，可有效 捕集廢棄物中的重金屬或其它有毒有害物質(zhì)，且無浸出毒性；有機物在無氧或缺氧條件下 發(fā)生裂解，產(chǎn)生CO、 H2、 CH4以及輕質(zhì)的碳氫化合物等可燃氣體。所述坩堝中產(chǎn)生的熔渣為 玻璃態(tài)，可有效捕集廢棄物中的重金屬或其它有毒有害物質(zhì)，且無浸出毒性；有機物在無氧 或缺氧條件下發(fā)生裂解，產(chǎn)生CO、 H2、 CH4以及輕質(zhì)的碳氫化合物等可燃氣體。熱閥采用中 頻感應或高頻感應加熱原理制成，感應加熱線圈為水冷銅管，與中頻電源或高頻電源連接。
利用電弧熱等離子體作為產(chǎn)生熱量的熱源，通過高溫及紫外光將固體廢棄物中的 有毒有害物質(zhì)如二噁英等有機污染物徹底銷毀并阻止其再次合成。 坩堝中產(chǎn)生的熔渣為玻璃態(tài)，可有效捕集廢棄物中的重金屬或其它有毒有害物 質(zhì)，且無浸出毒性。 有機物在無氧或缺氧條件下發(fā)生裂解，產(chǎn)生CO、 H2、 CH4以及輕質(zhì)的碳氫化合物等 可燃氣體。 本發(fā)明的有益效果 本發(fā)明能將各種固體廢棄物中的有毒有害的有機成分徹底銷毀，并杜絕其再次合 成，同時將廢棄物基本轉(zhuǎn)換為有用的氣體，穩(wěn)定的、無浸出毒性的玻璃態(tài)熔渣以及可回收的 金屬成分；且在處置過程中產(chǎn)生的煙氣量非常小，可用氣體的純度更高，尾氣凈化的成本更 低，尾氣經(jīng)凈化處理能滿足空氣質(zhì)量標準的排放要求。


圖1為本發(fā)明的設備的工藝流程示意圖。 圖2為本發(fā)明的等離子體熔融熱解爐主視圖。 圖3為本發(fā)明的等離子體熔融熱解爐坩堝部位的仰視剖面圖。
具體實施例方式
參見圖1、2、3，一種熱等離子體處置固體廢棄物的裝置包括有等離子體熔融熱解 爐，爐體包括有相扣合的爐身10和爐蓋23，爐身10的中部設有導電坩堝12，導電坩堝12內(nèi) 襯有高溫耐火材料13，形成下半部分呈圓柱狀、上半部分呈倒圓錐狀的爐膛11，爐蓋23上設有多個延伸到爐膛上方的通孔，其中的兩個通孔中分別穿過有陰極1、陽極3，并由電極 提升機構(gòu)牽引其上下運動，陰、陽極1、3的下端伸入到爐膛11內(nèi)，上端通過電纜分別連接到 弧直流電源的負極與正極，陰極1的中心有自上而下貫穿的孔道21，中心孔道21通過管道 外接有工作氣體制備供應裝置，爐蓋23上的另外一個通孔作為進料口 2，與進料裝置相連 接；爐膛11、導電坩堝12與爐身10的外殼之間砌有隔熱保溫層14，爐膛11下半部分的一 側(cè)包括有橫向延伸的熔渣和煙氣排出通道4，熔渣和煙氣排出通道4 一部分18再向下穿過 爐身并延伸到爐身10的底端，插入盛有水的水槽7，另一部分9在爐身10的底部穿過其側(cè) 壁并從其外殼伸出，這部分伸出的排煙通道9再通過管道依次外接有由旋風除塵室23、二 次燃燒室24、熱交換室25、堿液噴淋室26、布袋除塵室27、活性炭吸附室28、引風機29以及 煙囪30組成的尾氣凈化處理系統(tǒng)；靠近熔渣和煙氣排出通道4 一側(cè)的爐膛11中還設有擋 板8，其高度大于排煙通道4進口的高度，并在熔渣和煙氣排出通道4進口處形成擋板8下 端的熔渣16出口通道及擋板8上端的煙氣出口通道；導電坩堝12的底部連接有導電支撐 管19，導電支撐管19向下穿過爐身10并延伸到其底端，爐身10的底端還設有金屬環(huán)20， 與導電支撐管19連接；導電坩堝12底部的中心位置有通孔15，通孔15底端連接有向下穿 過爐身10并伸出其底端的熱閥5，熱閥5的內(nèi)設有中心排放管22，與導電坩堝12底端的通 孔對接，熱閥5的下方設有容器6。
權(quán)利要求
一種熱等離子體處置固體廢棄物的裝置，其特征在于包括有等離子體熔融熱解爐，所述的等離子體熔融熱解爐爐體包括有相扣合的爐身和爐蓋，所述爐身的中部設有導電坩堝，所述的導電坩堝內(nèi)襯有高溫耐火材料，導電坩鍋與爐蓋之間的區(qū)域構(gòu)成爐膛，所述爐蓋上設有多個和爐膛聯(lián)通的通孔，其中的兩個通孔中分別穿過有陰、陽極，所述的陰、陽極分別由電極提升機構(gòu)牽引其上下運動，所述的陰、陽極的下端伸入到導電坩鍋的上方；所述的陰極和陽極的上端分別外接等離子體放電電源負極和正極；所述的另外的通孔分別為進料口、觀察及測量窗口；所述爐膛、導電坩堝與所述的爐身的外殼之間砌有隔熱保溫層，所述爐膛下半部分的一側(cè)連通向下的緊貼坩堝的熔渣和煙氣排出通道，所述的熔渣和煙氣排出通道向下穿過所述的爐身并延伸到所述的爐身的底端，所述的熔渣和煙氣排出通道在底部分離為兩個出口，即垂直向下的排渣口和水平方向的排煙口，所述的排渣口的下方設有水槽；排煙口側(cè)壁上連通有排氣管道并通向爐身外側(cè)；靠近熔渣和煙氣排出口一側(cè)的爐膛中還設有擋板，其高度大于所述的熔渣和煙氣排出口的高度，擋板下端低于熔渣和煙氣進口管道的底部；所述導電坩堝的底部放置有導電支撐管，所述的導電支撐管下方放置有導電環(huán)，所述的導電坩鍋與導電支撐管、導電環(huán)電連接并外接等離子體放電電源的正極；所述導電坩堝底部的中心位置有通孔，所述的通孔底端安裝有熱閥，所述熱閥內(nèi)設有中心排放管，與所述導電坩堝底端的通孔對接，所述的熱閥的下方設有容器；所述的排氣管道通向尾氣凈化處理系統(tǒng)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱等離子體處置固體廢棄物的裝置，其特征在于所述爐蓋 上設有3個孔，分別為陰極、陽極穿過用孔以及進料口，所述的陰極帶有中心孔道，所述的 中心孔道作為通入惰性氣體的孔道；所述的陰極與陽極排成一定夾角，向下運動時，能相互 接觸；根據(jù)需要在所述的爐蓋上設置觀察或測量的窗口。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱等離子體處置固體廢棄物的裝置，其特征在于所述的陰 極極材料選用高功率石墨，其個數(shù)為1 3個。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱等離子體處置固體廢棄物的裝置，其特征在于所述的尾 氣凈化處理系統(tǒng)由旋風除塵室、二次燃燒室、熱交換室、堿液噴淋室、布袋除塵室、活性炭吸 附室、引風機以及煙囪組成。
5. 利用權(quán)利要求1所述的裝置處置固體廢棄物的方法，其特征在于所述的熱等離子 體處置固體廢棄物的處理方法為(1) 、首先開啟工作氣體制備供應裝置，將惰性氣體由惰性氣體孔道引入所述的等離子 體熔融熱解爐內(nèi)，進行空氣置換，并控制爐內(nèi)的氧氣量；(2) 、然后開啟弧直流電源，啟動電極提升機構(gòu)，使得所述的陰極與所述的導電坩堝進 行接觸引弧，若坩堝底部被非導電物覆蓋而無法引弧時，可啟動所述的電極提升機構(gòu)，將所 述的陽極與陰極接觸進行引弧，此時在陰極與陽極之間產(chǎn)生了大量的電弧熱等離子體，通 過電弧產(chǎn)生的高溫將坩堝底部物質(zhì)熔融，再啟動所述的電極提升機構(gòu)，將電弧轉(zhuǎn)移至陰極 與坩堝之間，然后抬升陽極；(3) 、當爐內(nèi)溫度達到140(TC左右，并且整個爐體達到熱平衡后，啟動進料裝置，將經(jīng)過 預處理的固體廢棄物從進料口投入所述的等離子體熔融熱解爐中，并且控制進料速率，保 持固體廢棄物在坩堝中一定的熔融時間，所產(chǎn)生的高溫煙氣在外接引風機的作用下，經(jīng)所 述擋板上端流入所述的熔渣和煙氣排出通道，然后經(jīng)過排煙通道進入尾氣凈化處理系統(tǒng)；隨著體廢棄物的不斷熔融，高溫熔融體從擋板下端流入到所述的熔渣和煙氣排出通道，并 掉入設置于排渣口下的水槽中，經(jīng)水淬冷后再由外接的輸運機構(gòu)運走；固體廢棄物中含有 的有毒有害物質(zhì)二噁英類等有機物則被徹底銷毀，熔融過程中產(chǎn)生的高溫煙氣經(jīng)所述的熔 渣和煙氣排出通道、排氣管道進入尾氣凈化處理系統(tǒng)，經(jīng)處理后達標排放；所述坩堝底部的 液態(tài)熔融金屬經(jīng)其底部的通孔和設置于其底端的熱閥的中心排放管，并在所述的熱閥的控 制下流入到設置于熱閥下方的容器中。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于所述的等離子體熔融熱解爐為全密閉裝 置，所述的爐膛運行在微負壓工作狀態(tài)，所述的排渣口下端伸入到所述的水槽中；所述的中 心排放管由高功率石墨制成。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于所述的固體廢棄物經(jīng)熱等等離子體高溫 熔融處置后產(chǎn)生的熔渣為玻璃態(tài)，可有效捕集廢棄物中的重金屬或其它有毒有害物質(zhì)，且 無浸出毒性；有機物在無氧或缺氧條件下發(fā)生裂解，產(chǎn)生C0、4、C4以及輕質(zhì)的碳氫化合物 等可燃氣體。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種熱等離子體處置固體廢棄物的裝置與方法，包括有等離子體熔融熱解爐、熱等離子體發(fā)生裝置、工作氣體制備供應裝置、進料裝置、熔渣排放及金屬熔液排放裝置、尾氣凈化處理系統(tǒng)以及相應的測量控制系統(tǒng)。本發(fā)明能將各種固體廢棄物中的有毒有害有機成分徹底摧毀，并杜絕其再次合成，同時將廢棄物基本轉(zhuǎn)換為有用的氣體，穩(wěn)定的、無浸出毒性的玻璃態(tài)熔渣以及可回收的金屬成分；且在處置過程中產(chǎn)生的煙氣量非常小，可用氣體的純度更高，尾氣凈化的成本更低，尾氣經(jīng)凈化處理能滿足空氣質(zhì)量標準的排放要求。
文檔編號B09B3/00GK101695704SQ20091018497
公開日2010年4月21日 申請日期2009年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月23日
發(fā)明者倪國華, 匡靖安, 孟月東 申請人:中國科學院等離子體物理研究所;