一種含有機質廢棄物的兩級等離子體氣化熔融裂解方法及其裝置的製作方法

2023-10-19 19:25:47

專利名稱：一種含有機質廢棄物的兩級等離子體氣化熔融裂解方法及其裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種含有機質廢棄物的的處理方法，具體涉及一種含有機質廢棄物的 兩級等離子體氣化熔融裂解方法及其裝置，屬氣化熔融裂解技術領域。
背景技術：
中國發明專利竹田繁司等人CN 1935399A —種有機物垃圾的分解處理方法及有 機物垃圾熱分解器，介紹了釋電材料在一定溫度下釋放電子作不規則運動，在周圍設置的 永久磁場作用下，激勵加速螺旋運動，伴隨相互撞擊，轟擊有機物質產生正離子和電子，誘 發電暈等離子體反應，出現極不穩定電場。而新產生的正離子和電子，又隨機地倍增誘發電 暈等離子體反應，使臨近有機質產生正離子和電子，從而產生鏈式電暈熱等離子體反應。進 而將有機質氣化分解為水蒸氣、帶有負離子的氣體和少量帶有負離子的灰燼。經過空氣磁 化器，帶有負離子的空氣，進入電暈等離子體反應區域，在受擾動的原始磁場和不穩定電場 的共同激勵下，產生紊流，促進鏈式電暈等離子體反映擴散開來，加速有機質的氣化，取得 了較好的效果。但是出現的問題之一是，不便於處理含有大量無機質尤其是陶瓷和金屬廢 棄物，特別是危險廢棄物不能處理；問題之二是由於反應溫度一般在150 650°C，會不可 避免的產生焦油和二噁英；問題之三是使用得空氣磁化器，並沒有改變空氣的組分，大量的 氮氣帶入，只會加重後續尾氣處理系統的負擔；問題之四空氣磁化器磁性較弱，使得空氣離 子化較弱，反應器中有機質的熱解速度緩慢；問題之五是高磁能積永久磁鐵沒有設置冷卻 系統，顯然永久磁鐵由於居裡點溫度效應，長期處於較高溫度下，會發生退磁，直接會導致 磁控等離子體效果的衰退；問題之六，所產灰渣必需額外處理，特別是富集毒性灰渣更需特 殊處理。國際專利山本正一的WO 2009/084631、日本專利青木碩志等人的特開 2010-58103與河源武史等人的特開2008-175511、中國專利平久井健三的CN201069309Y和 原田義和等人的CN2860646Y基本原理與中國發明專利竹田繁司等人CN 1935399A相似，只 是反應器結構上有區別，仍都存在上述六大問題，即使經過結構上改進，可以處理一些帶有 少數量無機物質組分的廢棄物，但得到的含有金屬、陶瓷等混合灰渣仍需要後續工藝特別 處理。日本專利中島和也等人的特開2007-105703中介紹了一種磁流體和磁單元處理 器，主要利用了 HALBACH陣列的高磁能積永久磁體組合體內部通道形成的高場強磁場，將 流經此通道的流體進行磁化，得到含有離子特性的活性流體。比如，此流體是空氣，則可以 得到與其它物質反應活性高的空氣，但是空氣組分並沒有改變。如果應用到有機物質的熱 解方面，則佔有空氣的近3/4的氮氣幾乎沒有起到有效的作用，反而會給後續尾氣處理帶 來不必要的負擔。本人的中國專利CN 10108858UCN 101648200和CN 201496973U中注重的是將廢
棄物直接一步進入等離子體弧區熔融裂解，雖然可一步回收金屬、玻璃體和合成氣，但是電能消耗較高，而且飛灰量較大，如果後續燃氣發電，可能發出的電力不能自給自足。

發明內容
本發明的目的是為克服上述現有技術的不足之處，提供一種含有機質廢棄物的兩 級等離子體氣化熔融裂解方法及其裝置，以解決等離子體弧熔融裂解處理含有機質廢物的 能耗大、飛灰多的嚴重不足，從而徹底達到最大化的利用有機物質能和處理效率、徹底裂解 焦油、減少二噁英的生成機率、儘可能多的得到高品質高熱值合成氣，為後續氣化發電、氫 能回收或綠色液體燃料的生產提供保障，同時完成一步回收貴重金屬和可以直接利用建材 領域的玻璃體，為含有機質廢棄物質能大規模的商業化開發和應用打下基礎，同時徹底解 決有機質氣化特別是危險廢棄物氣化過程中可能的汙染物的排放問題。本發明是以如下技術方案實現的一種含有機質廢棄物的兩級等離子體氣化熔融 裂解方法及其裝置，其特徵是所述的方法包括磁控等離子體氣化、脈衝強化旋風效應自主 捕獲飛灰玻璃化和等離子體弧熔融裂解，生成合成氣、回收貴重金屬和玻璃體；所述的磁控 等離子體氣化是在磁控等離子體氣化室的三層爐殼的內層空間設置熱釋電礦物材料如電 氣石和或紫水晶等物質以及水冷高磁能積永久磁體建立原始磁場，同時通入含有低密度等 離子體的富氧空氣，熱釋電礦物材料發射電子，轟擊有機質，誘發和或倍增誘發鏈式電暈等 離子體反應；含有低密度等離子體的富氧空氣輸入強化鏈式電暈等離子體反應，氣化溫度 區間150°C 950°C ；所述的脈衝強化旋風效應自主捕獲飛灰玻璃化區域溫度區間950°C 12500C ；所述的等離子體弧熔融裂解溫度區間1250°C 1550°C，物料通過可控布料式料倉 均勻進入磁控等離子體氣化室內，氣化得到的氣化氣及殘餘物穿過多功能脈衝強化旋風效 應室，捕獲飛灰玻璃化，最後進入等離子體弧熔融裂解室，得到的熔融玻璃體和液態金屬通 過通道排出體外，得到的合成氣穿過通道進入合成氣水冷器，排入可傾轉中空軸，進而在密 封條件下，引入合成氣淨化系統回收利用。所述的含有低密度等離子體的富氧空氣是由含有低密度等離子體的富氧空氣發 生器產生，所述的富氧空氣發生器是由磁場處理器和或多級磁場處理器串聯而成，每個磁 場處理器又由4個磁場處理單元MpM2、M3、M4按照磁場螺旋式布置串接而成，每個磁場處理 單元之間又有抗磁質隔離板相互進行隔離每個磁場處理單元由8塊兩種尺寸規格的高磁 能積永久磁體按照HALBACH方式排列，在內部氣體通道內設置的山形磁極頭上有N2溢出通 道，抗磁質山形結構體上有N2溢出通道，高磁能積永久磁體上的有N2溢出通道孔，外面的抗 磁材料方管的N2溢出通道，對應貫通。所述的磁控等離子體氣化室在爐殼的內層空間設置熱釋電礦物材料以及豎條 形水冷高磁能積永久磁體建立原始磁場，所述的內層爐膽材料採用無磁不鏽鋼，其上設 置有豎條狀柵形孔，柵形孔長度10CM-30CM，柵形孔寬度0. 1CM-1CM，每兩個柵形孔間距 1CM-10CM ；水冷高磁能積永久磁體按S、N極相間而設，相鄰S、N極相距20-40CM ；相鄰S、N 極之間設置一個通孔，並與爐殼外面的含有低密度等離子體的富氧空氣發生器相連接。所述的多功能脈衝強化旋風效應室在其內部上方設置有可旋轉大齒輪，可旋轉大 齒輪附著有爐箅子；外部氣囊中設置有多個文丘裡噴嘴，功能脈衝強化旋風效應室外殼為 層中空蒸氣產生器，多功能脈衝強化旋風效應室外殼上還設置有左中空旋轉軸、右中空旋 轉軸，形成合成氣排出通道。
所述的等離子體弧熔融裂解室的外殼上設置至少1個直流等離子體弧發生器及 其拖動系統，所述等離子體弧熔融裂解室的合成氣出爐通道通過出爐合成氣水冷器與多功 能脈衝強化旋風效應室上設置的右中空旋轉軸進行密封對接，可靠的把等離子體弧熔融裂 解室產生的合成氣對外輸出；金屬熔體和或熔融玻璃體經通道順利排出體外；後續的合成 氣淨化得到的飛灰可以返回重新進行等離子體弧熔融裂解，回收玻璃體。所述的磁控等離子體室內區域受到下部等離子體弧熔融裂解熱量輻射，對於含有 機質較少的危險廢棄物如垃圾焚燒飛灰和或合成氣淨化飛灰，經過造球制粒，進入磁控等 離子體室內預熱iocrc 50(rc，經過旋轉爐箅子調控處理，進入等離子體弧熔融裂解區域 玻璃化及其金屬熔融。本發明的優點是(1)兩級等離子體氣化熔融裂解，使得含有機物廢棄物、含碳物 質等得到徹底氣化，能耗最小化，合成氣產能最大化，同時回收可供建材領域直接利用的玻 璃體以及貴重金屬，物盡其用，徹底無汙染物排放和轉移，能滿足任何嚴格的環保標準，是 一項非焚燒的環保型技術。(2)磁控等離子體氣化反映連續運行設計，特別是低密度等離子體富氧空氣的通 入，使得氣化反應達到高效化。(3)氣化氣下行快速升溫持續分解，脈動強化旋風效應設計，使得煙氣中的飛灰類 留在爐內完成玻璃化，未完成氣化物質、中間產物包括焦油類物質繼續分解。(4)所有上述兩步處理未徹底的物質，徹底裂解為對環境友善的小分子氣體，熔融 玻璃化，金屬熔融化，殘碳徹底氣化，都能在下部高溫等離子體弧熔融裂解區域，得到圓滿 解決；進而使得到的合成氣能量最大化，最大化地提高有機質的氣化效率。在此需要特別指 出的是，合成氣中由原料裂解而得到的恥1、502等酸性氣體分子，可以很輕鬆的在後續合成 氣淨化中通過鹼性中和處理而轉化為鹽類回收；後續淨化合成氣產生的飛灰可以返回等離 子體弧二次熔融裂解，從而徹底達到汙染物零排放。(5)整個反應裝置無需添加輔助燃料，可實現快速啟動快速停止；規模可大可小， 不影響效率。(6)資源化利用程度高，排出物全部是有價值產品。(7)項目實施周期短，方便選址，易於大規模的商業化普及。(8)應用領域廣闊，可廣泛處理生物質、含碳物料包括能源物質、含有機質廢棄 物及危險廢棄物等，對相對溼度大，物料來源複雜或者各類高危險如醫療垃圾和難分解的 廢棄物如含有12種持久性有機汙染物(POPs)的廢棄物，同樣可以高效處理。


圖1是兩級等離子體氣化熔融裂解裝置結構示意圖；圖2與圖3是可控布料式料倉正視及其俯視結構示意圖；圖4與圖5是磁控等離子體氣化室橫截面和縱剖面結構示意圖；圖6是含有低密度等離子體富氧空氣發生器磁場處理單元橫截面結構示意圖圖7是含有低密度等離子體富氧空氣發生器磁場處理器結構示意圖；圖8是含有低密度等離子體富氧空氣發生器磁場處理器的4個磁場處理單元Mp m2、M3、M4的螺旋式磁場布置示意圖9是含有低密度等離子體富氧空氣發生器多級磁場處理器串聯示意圖；圖10與圖11多功能脈衝強化旋風效應室正視俯視結構示意圖；圖12與圖13等離子體弧熔融裂解室正視與俯視結構示意圖；圖1中，1、可控布料式料倉，2、磁控等離子體氣化室，3、多功能脈衝強化旋風效應 室，4-1與4-2分別是整體裝置可傾轉左右中空軸支座，5、等離子體弧熔融裂解室，6-1與 6-2分別是整體裝置支柱。圖2與圖3中，101、引風機，102、布料輥，10201、星型布置組合撥料齒，10202、萬向 節式聯軸器，10203、變頻減速機及其驅動電機。圖4與圖5中，201、中空外殼，202、內膽，203、含有低密度等離子體富氧空氣發生 器，204、低密度等離子體富氧空氣進氣管，205、水冷永久磁體，206、熱電偶，207、釋電礦物 材料，208、磁控等離子體氣化氣化區域，209、磁控等離子體氣化室底座法蘭，210、氣化劑補 給口，211、磁控等離子體氣化室頂部法蘭，212、密封式瞭望窗口，213、柵形孔，214、密封式 檢修孔，215、熱電偶。圖6、7、8、9中，20301、無孔永久磁體，20302、有孔(隊溢出通道)永久磁體， 203021、N2溢出通道，20303、抗磁有孔(N2溢出孔)方管，203031、N2溢出孔，20304、抗磁方 管，20305、有孔(隊溢出通道)山形磁極頭，203051、N2溢出通道，20306、有孔(隊溢出通道) 抗磁質山形結構體，203061N2溢出通道，20307、抗磁質進氣管，20308、有孔(隊溢出通道)抗 磁質封堵板，203081、N2溢出通道，20309、抗磁質隔離板，20310、氣閥，20311、抗磁質連接彎 管，20312、抗磁質出氣管。圖10與圖11中，301、中空水冷十字齒輪支持架，302、齒輪支持輪(共4個)，303、 大齒輪，304、齒輪中心定位銷，305、小齒輪，306、水蒸氣出口管，307、雙層中空蒸汽產生器， 308、氣囊，309、脈衝電動文丘裡噴嘴(4套)，310、中空軸法蘭，311、右中空軸(合成氣通 道)，312、水冷垂直合成氣通道，313、法蘭，314、液位計，315、熱電偶，316、左中空軸，317、小 齒輪驅動減速電機，318、氣化氣重整用氣入口，319、冷水補入口，320、爐箅子，321、熱水排 出口。圖12與圖13中，501、直流等離子體弧發生器，50101、直流等離子體弧發生器拖動 系統，502、出爐合成氣水冷器，50201、合成氣水冷器密封蓋，50202、合成氣水冷器出水口， 50203、合成氣水冷器進水口，503、爐底電位測試引出極，504、檢修孔，50401、檢修孔密封 蓋，505、合成氣出爐通道，506、觀測孔通道，50601、觀測孔密封蓋，507、高溫攝像系統，508、 水口 /渣口通道，509、水/渣咀，510、合成氣水冷器對接法蘭，511、耐火材料，512、熔池， 513、測溫熱電偶，514、測溫熱電偶。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明如圖1所示，該發明裝置包括4個主體單元有頂部的可控布料式料倉1、磁控等離 子體氣化室2、多功能脈衝強化旋風效應室3、等離子體弧熔融裂解室5，和1個輔助單元為 整體裝置的支撐結構，它又包括可供整體裝置可傾轉左右中空軸的支座4-1及4-2、整體裝 置支柱6-1及6-2，4個主體單元之間通過法蘭密封可靠連接。圖2、圖3分別是可控布料式料倉1的正視及其俯視結構示意圖。在可控布料式料倉1的頂端側面，設置1個引風機101，其功能是將可控布料式料倉1進料和落料時出現的 廢氣和粉塵吸入引風機101，並將之送入磁控等離子體氣化室2中，在可控布料式料倉1的 中上部堆積要處理的含有機廢棄物，在可控布料式料倉1的下部，設置有可控速度的布料 輥102，其上設置有星型布置組合撥料齒10201，用於將袋裝廢棄物的包裝勾刺破袋，同時 兼有撕碎撕散功能並完成均勻布料。由於布料輥102根據物料的不同，要求它具有一定的 退讓和訪卡死功能，因此可以將布料輥102兩端正支撐軸承座可以設計成可退讓結構，為 了滿足其相對柔性運轉，特別在布料輥102與變頻減速機及其驅動電機系統10203之間設 置萬向節式聯軸器10202。圖4與圖5是磁控等離子體氣化室2橫截面和縱剖面結構示意圖。中空外殼201 和內膽202共同組成三層爐殼，在中空外殼201和內膽202之間填充有釋電礦物材料207， 內膽202在釋電礦物材料207填充高度以下部位設置柵形孔213，便於釋電礦物材料207溢 出的電子進入磁控等離子體氣化氣化區域208。在中空外殼201和內膽202之間設置高磁 能積的水冷永久磁體205，並且水冷永久磁體205在內膽202的內側N、S極相間而設，N、S 極間距20 40CM，從而使得進入磁場區域的離子、電子在洛侖茲力作用下，呈螺旋式運動， 便於多次轟擊有機質，有機質在離子、電子的轟擊下，產生正、負離子及電子，同時這些正、 負離子及電子，在磁場控制下，又繼續在洛侖茲力作用下，呈螺旋式運動，再次轟擊有機質， 再次產生正、負離子及電子，形成倍增誘發電暈等離子體反應。磁控等離子體氣化室2，通過 磁控等離子體氣化室底座法蘭209、磁控等離子體氣化室頂部法蘭211用螺栓分別與多功 能脈衝強化旋風效應室3和可控布料式料倉1相連接，連接處保證良好的密封效果。在磁 控等離子體氣化室2的上部側面設置氣化劑補給口 210，根據需要添加氣化劑，氣化劑可以 使氧氣、水蒸汽和或空氣等。在磁控等離子體氣化室2的中部和底部分別設置熱電偶206 和215，以便對磁控等離子體氣化區域的不同位置進行測溫監控，進而可以調節氣化劑的加 入量和或廢棄物的加入高度和進料速度。在磁控等離子體氣化室2的上、下部分別設置有 密封式瞭望窗口 212、密封式檢修孔214，對於設備維護和廢棄物氣化狀況觀察都起到了重 要作用。磁控等離子體氣化區域內，氣化溫度從上至下可以控制在室溫 950°C範圍內。在由中空外殼201和內膽202共同組成三層爐殼上連接有含有低密度等離子體富 氧空氣發生器203，該發生器根據需要可以是圖6中所示的，也可以是圖9中所示多級磁場 處理器，每個磁場處理器，又由4個磁場處理單元M1、M2、M3、M4按照圖7、圖8所示螺旋式前 進狀磁場布置而成。圖6含有低密度等離子體富氧空氣發生器磁場處理單元橫截面結構示 意圖，圖7含有低密度等離子體富氧空氣發生器磁場處理器結構示意圖，圖8含有低密度等 離子體富氧空氣發生器磁場處理器的4個磁場處理單元禮234的螺旋式磁場布置示意 圖，圖9是含有低密度等離子體富氧空氣發生器多級磁場處理器串聯示意圖。如圖7所示， 每個磁場處理單元磁極由兩種高磁能積永久磁體組合而成，分別是無孔永久磁體20301、有 孔(N2溢出通道)永久磁體20302，無孔永久磁體20301分布在磁場處理單元的4個角部， 有孔(隊溢出通道)永久磁體20302分布在正方形的4個邊的中部，但這些有孔(N2溢出通 道)永久磁體20302的充磁方向與所處的位置有關，同樣4個角部的無孔永久磁體20301 的充磁方向及其布置也並非隨便，8塊永久磁體組合是按照HALBACH方式排列的。為了使 磁場單元處理器內部通道中磁場達到最強，一般使得內部空氣通道磁場強度比常規排列方式磁場強度增至1. 5 3倍，在此通道內設置有孔(N2溢出通道)山形磁極頭20305，和有 孔(隊溢出通道)抗磁質山形結構體20306，更加增大了此區域的磁場梯度值，在此處梯度 磁場作用，順磁性氧氣聚集於通道之中，而抗磁性氮氣則通過設置在永久磁體上N2溢出通 道203021與磁極頭貫穿的小孔隊溢出通道203051和有孔(隊溢出通道)抗磁質山形結構 體20306上小孔N2溢出通道203061順利溢出，從而完成氧氣的聚集；溢出的氮氣匯集通過 有孔(N2溢出通道)抗磁質封堵板20308的N2溢出通道203081溢出磁場處理器。4個磁 場處理單元按照內部空氣呈現旋流方式組合為磁場處理器，在每個磁場處理單元之間採用 抗磁質隔離板20309進行隔離，儘量避免各單元磁場的相互幹擾。磁場處理器的採用外殼 抗磁方管20304，內殼採用抗磁有孔(N2溢出孔)方管20303，其上有203031N2溢出孔，這些 設計均是為氮氣的順利外排的結構上的保證。為了得到較好的處理效果，我們還可以將多 個磁場處理器用抗磁質出氣管20312及抗磁質連接彎管20311相互連接，形成多級磁場處 理器。多級磁場處理器抗磁質進氣管20307連接有氣閥20310，可以對空氣的進入量進行有 效的控制。由於氧氣順磁性和氮氣等氣體的抗磁性，在梯度磁場中，聚集氧氣，排斥氮氣，而 且磁場越強，磁場梯度越大，越有利於氧氣的聚集，科技界已成共識，在此不再重複介紹其 機理。但是在磁場中可以使氧氣得到活化，產生低密度等離子體，還鮮為人知。將高磁能積 永久磁體按照HALBACH陣列排列成方形管段狀磁場處理單元Ml、M2、M3、M4，使得內部空氣 通道磁場強度比常規排列方式磁場強度增至1. 5 3倍，在此通道內設置山形磁極頭，更加 增大了此區域的磁場梯度值；4個磁場處理單元按照內部空氣呈現旋流方式組合為磁場處 理器，在每個磁場處理單元之間採用抗磁質隔離板20309進行隔離，儘量避免各單元磁場 的相互幹擾。為了得到較好的處理效果，我們還可以將多個磁場處理器串聯形成多級磁場 處理器。由於構成物質的基本粒子——電子自旋(自稟)運動，導致自旋電子產生電磁以 太蝸旋形成磁偶極和磁矩，因此所有化學元素的原子進入一定強度的磁場中，當電子自旋 磁極和外磁場的方向相反時，在磁力作用效應達到或超過該元素的電離能時，電子就可以 掙脫原子核的吸引成為光電子，即產生量子躍遷現象。電子受激發使原子的基態進入激發 態，實現了從磁能到電離能的轉化，顯然，磁的電離效應與磁的穿透作用有密切的聯繫。磁場磁能的計算公式是V_'」/h B ，其中W表示磁場磁能，H、B分別為磁場強度和磁 感應強度，積分遍及磁場存在的空間，這表明可以將磁場存在的空間分成無數體積元，即每 個體積元的磁能為t H'Bdv,總的磁能則是他們的求和(積分)。磁場能量密度 、 _._ = t H B，由於高 磁能積釹鐵硼材料，隨著金屬釹的含量增加，磁能積從260kJ/M3已經可以增到500kJ/M3以 上，再加上HALBACH陣列的特殊性，這裡的磁場處理單元通道內的磁場能量密度已可高達 650kJ/M3以上。又由於氧元素和氮元素的第一電離能分別為13. 618eV和14. 53eV，換算可 得氧元素和氮元素的第一電離能分別為1313. 95kJ/mol和1401. 95kJ/mol，如不考慮其它 因素，氧元素和氮元素的第一電離能又可分別換算為58685. 5kJ/NM3和62486. 4kJ/NM3。顯 然該磁場處理單元通道內可以為空氣中氧氣和氮氣電離提供了足夠的磁能，也就是說，在 該磁場處理單元通道內可以電離約的空氣，其中氧氣電離能力是氮氣電離能力的1.07 倍。如果考慮多級處理，在加上氧氣的逐級含量數值增加，小部分電離後的富氧空氣，出現 了低密度等離子體和活性氧。
作為氣化反應基本熱量的保證，通過獨創的含有低密度等離子體的富氧空氣發 生器，為鏈式電暈等離子體反應提供含有低密度等離子體的富氧空氣，富氧空氣中的低密 度等離子體中的正負離子、自由電子在進入磁場後，在洛倫茲力作用下，作螺旋式運動，轟 擊有機質，強化了已有的電暈等離子體反應；低密度等離子體的富氧空氣中活性氧，如單 線態氧(singlet oxygen)，它是基態氧接受了磁能而轉變成的。單線態氧有兩種1 A g02 狀態比基態氧的能量高出93.7kJ(22.4kcal) ；1 E g+狀態則更活潑比基態氧的能量高出 156. 9kJ(37. 5kcal)，從而更使得等離子體氣化進程加快了速度。—般情況下，該磁場處理器可以富集增加氧氣近1 3個百分點，而燃燒反應中參 與反應空氣中每增加1個百分點氧氣，就可以增加反應溫度約50°C，所以根據氣化反應所 需控制溫度，選擇磁場處理器的串聯級數，這也就是此處根據需要設置多級磁場處理器的 主要原因。圖10與圖11是多功能脈衝強化旋風效應室3正視俯視結構示意圖。之所以稱之 為多功能，是因為，在這裡作為「爐腰」，它不僅對上部的磁控等離子體氣化室2和下部等離 子體弧熔融裂解室5起到承上啟下的作用，而且在這個區域還完成了另外3項功能，具體說 明如下在多功能脈衝強化旋風效應室3的外殼雙層中空蒸汽產生器307上設置了與其相 貫通的中空水冷十字齒輪支持架301，在這個中空水冷十字齒輪支持架301之上通過設置4 個齒輪支持輪302支撐著可以旋轉的大齒輪303，在小齒輪驅動減速電機317和小齒輪305 的驅動下，大齒輪302得以旋轉。大齒輪302的輪輻上設置有帶有爐箅子320。在齒輪中心 定位銷304上根據需要，可以設置與大齒輪302同步旋轉的撥料器，以防止上部廢棄物在氣 化過程中結塊。磁控等離子體氣化室2產生的氣化氣在下部等離子體弧熔融裂解室5內負 壓牽引下下行，灰燼及其它金屬等無機物通過爐箅子320，落入下部等離子體弧熔融裂解室 5，未徹底氣化成小分子的有機物殘物及中間長鏈焦油、殘碳也隨之進入等離子體弧熔融裂 解室5，這是作為「爐腰」起到的承上啟下的重要的爐箅子隔離作用。雙層中空蒸汽產生器307上設置的氣囊308上，布置有脈衝電動文丘裡噴嘴(4 套)309，脈衝氣體可以採用氮氣、水蒸氣、和或空氣，在脈衝氣體作用下，使得多功能脈衝強 化旋風效應室3中呈現脈衝強化旋風效應，使得氣化氣攜帶的大量粉塵滯留於耐火材料爐 壁上，同時增長了氣化氣在裝置內的停留路徑，達到一定厚度或熔化、軟化點，沿爐壁流下 進入等離子體弧熔融裂解室5熔池512。這稱之為脈衝強化旋風效應完成爐內攔截飛灰主 要作用，同時延長氣化氣的爐內停留時間。上部磁控等離子體氣化室產生的氣化氣往往需要重整，作為重整用過熱水蒸氣的 產生便在雙層中空蒸汽產生器307裡，所以其上設置必須的液位計314、水蒸氣出口管306、 冷水補入口 319、調整產氣量用熱水排出口 321，氣化重整用水蒸氣入口 318。由於本裝置為了使等離子體弧熔融裂解室5熔池512中的金屬熔體和玻璃體出爐 順暢，整個裝置設置旋轉機構，旋轉軸就設置在多功能脈衝強化旋風效應室3的外殼雙層 中空蒸汽產生器307上，為了使合成氣順利與合成氣淨化系統對接，又由於對接位置要相 對靜止，將合成氣出口設置在中空旋轉軸內，左右中空軸的端部均設有中空軸法蘭310。左 中空軸316內設置熱電偶315，用於測量多功能脈衝強化旋風效應室3內溫度，作為合成氣 通道右中空軸311附近又設置水冷垂直合成氣通道312並與之貫通，而水冷垂直合成氣通道312下方與等離子體弧熔融裂解室5上設置的出爐合成氣水冷器502實現密封對接。圖12與圖13是等離子體弧熔融裂解室5正視與俯視結構示意圖，在此室內，金屬 重熔，其他無機物玻璃化，殘餘有機物包括中間有機物焦油等徹底裂解為對環境友善的小 分子氣體CO、H2、HC1等，殘碳在水蒸氣等離子體弧作用下，完成徹底轉化和或煤氣化反應， 得到可回收的貴重金屬、可直接用於建材領域的玻璃體、富氫高能合成氣，這也是本發明的 基本點之一。在等離子體弧熔融裂解室5上設置有直流等離子體弧發生器501及其拖動系統 50101，為室內反應提供3000°C 10000°c的等離子體弧高溫區，保障等離子體弧熔融裂解 室5「爐膛」溫度在1250°C 1550°C，保證合成氣出爐溫度為1250°C。直流等離子體弧發生 器501可以使用中心帶孔通入水蒸汽等載氣的石墨電極，也可以使用轉移弧或非轉移弧水 冷金屬等離子體弧炬，直流等離子體弧發生器501數量至少1個，為了調節多個直流等離子 體弧發生器與熔池的距離，在爐底耐火材料中設置爐底電位測試引出極503，用於取出電位 信號。合成氣出爐通道505設置在熔池上方側面耐火材料511爐壁上，與之密封對接的是的 出爐合成氣水冷器502，其上設有合成氣水冷器密封蓋50201、合成氣水冷器出水口 50202、 合成氣水冷器進水口 50203、合成氣水冷器對接法蘭510。為了設備運行時便於控制，在等 離子體弧熔融裂解室5上還分別設置有觀測孔通道506，觀測孔密封蓋50601，高溫攝像系 統507。熔池512中玻璃體以及金屬熔體通過508水口 /渣口通道和水/渣咀509允許渣 金同流出爐澆注，在錠模中完成自然分層，也可以分別設置渣口和水口，分別澆注。測溫熱 電偶513可以準確反饋出等離子體弧室平均溫度，測溫熱電偶514可以準確反饋出合成氣 的出爐溫度。為了便於檢修，在等離子體弧熔融裂解室5上還設置有檢修孔504，其上通過 檢修孔密封蓋50401進行可靠密封。特別說明，由於下部等離子體弧熱量輻射和傳導，在上部的磁控等離子體氣化室 的物料還可以接受預熱，因此對於含有機質較少的危險廢棄物如垃圾焚燒飛灰和或合成氣 淨化飛灰，經過造球制粒，可以進入裝置預熱100°c 500°C，經過旋轉爐箅子調控處理速 度，進入等離子體弧熔融裂解區域玻璃化及其金屬熔融。實施例1、醫療廢棄物，熱值HHV (高位熱值)15MJ/kg，處理量500kg/hr，成份(％ wt) 50C，7H，25. 70，1N，0. 5S，0. 8C1，15ASH(灰分)，35Moisture (溼度)；直流等離子體弧功 率100kW;得到玻離體約75kg/hr ；產生合成氣1200°C，1550NM7hr，合成氣化學熱幹基 HHV4. 14MJ/匪3，溼基 HHV3. 39MJ/匪3，顯熱 2932MJ/hr ；合成氣摩爾比(% mol) 0. 01CH4, 0. 00C2H2，0. 00C2H4，13. 76C0，7. 82C02,15. 17H2，0. 12HC1,18. 19H20，0. 08H2S，44. 87N2 ；合成 氣淨化利用後尾氣二噁英排放量< 0. lng I-TEQ/NM3。實施例2、稻殼，熱值HHV(高位熱值)10. 2MJ/kg，處理量，1000kg/hr,成份(% wt) 32. 4C， 4. 6H，38. 50,0. 6N,0. 2S，23. 7ASH, 15Moisture ；直流等離子體弧功率 200kW ；得到玻璃體約 240kg/hr ；產生合成氣12001，2211匪7虹，合成氣化學熱幹基冊￥(高位熱值)3. 72MJ/NM3, 溼基 HHV3. 02MJ/W3，顯熱 4329MJ/hr ；合成氣摩爾比(%mol) 0. 01CH4，0. 00C2H2，0. 00C2H4， 14. 33C0,11. 02C02,11. 57H2，0. 00HC1,18. 83H20，0. 04H2S，44. 20N2。實施例3、
帶元器件的廢棄電腦主板，有機物主要是溴化環氧樹脂40% wt，無機氧化物 30% wt，金屬30% wt，經兩級等離子體氣化熔融裂解處理，直流等離子體弧功率消耗約 為750kWh/T，可得到混合金屬錠295kg/T，金屬回收率98. 5%，玻璃體約320kg/T，需要約 40kg/T含K和或Na的碳酸鹽類稀渣劑。實施例4、生活垃圾焚燒飛灰，經制粒3-10mm，制粒時加入適量鹼金屬和或鹼土金屬的化 合物稀渣劑，經本裝置處理後，飛灰中的二噁英類有機物裂解去除率99. 9999%,電耗約 650kWh/T。綜上所述，僅為本發明的較佳實施方案及實施例，並不能以此限定本發明實施範 圍，依照本發明的技術方案及說明書內容所作的等效變化與修飾，皆屬於本發明涵蓋的範圍。
權利要求
1.一種含有機質廢棄物的兩級等離子體氣化熔融裂解方法及其裝置，其特徵是所述 的方法包括磁控等離子體氣化、脈衝強化旋風效應自主捕獲飛灰玻璃化和等離子體弧熔融 裂解，生成合成氣、回收貴重金屬和玻璃體；所述的磁控等離子體氣化是在磁控等離子體氣 化室(2)的三層爐殼的內層空間設置熱釋電礦物材料如電氣石和或紫水晶等物質以及水 冷高磁能積永久磁體建立原始磁場，同時通入含有低密度等離子體的富氧空氣，熱釋電礦 物材料發射電子，轟擊有機質，誘發和或倍增誘發鏈式電暈等離子體反應；含有低密度等離 子體的富氧空氣輸入強化鏈式電暈等離子體反應，氣化溫度區間150°C 950°C ；所述的脈 衝強化旋風效應自主捕獲飛灰玻璃化區域溫度區間950°C 1250°C ；所述的等離子體弧熔 融裂解溫度區間1250°C 1550°C，物料通過可控布料式料倉(1)均勻進入磁控等離子體 氣化室(2)內，氣化得到的氣化氣及殘餘物穿過多功能脈衝強化旋風效應室(3)，捕獲飛 灰玻璃化，最後進入等離子體弧熔融裂解室(5)，得到的熔融玻璃體和液態金屬通過通道 (508)排出體外，得到的合成氣穿過通道(505)進入合成氣水冷器(502)，排入可傾轉中空 軸(311)，進而在密封條件下，引入合成氣淨化系統回收利用。
2.根據權利要求1所述的一種含有機質廢棄物的兩級等離子體氣化熔融裂解方法及 其裝置，其特徵是所述的含有低密度等離子體的富氧空氣是由含有低密度等離子體的富 氧空氣發生器(203)產生，所述的富氧空氣發生器(203)是由磁場處理器和或多級磁場處 理器串聯而成，每個磁場處理器又由4個磁場處理單元禮121314按照磁場螺旋式布置串 接而成，每個磁場處理單元之間又有抗磁質隔離板(20309)相互進行隔離；每個磁場處理 單元由8塊兩種尺寸規格的高磁能積永久磁體(20301)、(20302)按照HALBACH方式排列， 在內部氣體通道內設置的山形磁極頭(20305)上有隊溢出通道(203051)，抗磁質山形結構 體(20306)上有N2溢出通道(203061)，高磁能積永久磁體(20302)上的有N2溢出通道孔 (203021)，外面的抗磁材料方管(20303)的N2溢出通道(203031)，對應貫通。
3.根據權利要求1所述的一種含有機質廢棄物的兩級等離子體氣化熔融裂解方法及 其裝置，其特徵是所述的磁控等離子體氣化室(2)在爐殼的內層空間設置熱釋電礦物材 料(207)以及豎條形水冷高磁能積永久磁體(205)建立原始磁場，所述的內層爐膽(202) 材料採用無磁不鏽鋼，其上設置有豎條狀柵形孔(213)，柵形孔長度10CM-30CM，柵形孔寬 度0. 1CM-1CM，每兩個柵形孔間距1CM-10CM ；水冷高磁能積永久磁體(205)按S、N極相間而 設，相鄰S、N極相距20-40CM ；相鄰S、N極之間設置一個通孔(204)，並與爐殼外面的含有 低密度等離子體的富氧空氣發生器(203)相連接。
4.根據權利要求1所述的一種含有機質廢棄物的兩級等離子體氣化熔融裂解方法及 其裝置，其特徵是所述的多功能脈衝強化旋風效應室(3)在其內部上方設置有可旋轉大 齒輪(303)，可旋轉大齒輪(303)附著有爐箅子(320)；外部氣囊(308)中設置有多個文丘 裡噴嘴(309)，功能脈衝強化旋風效應室(3)外殼為層中空蒸氣產生器(307)，多功能脈衝 強化旋風效應室(3)外殼上還設置有左中空旋轉軸(316)、右中空旋轉軸(311)，形成合成 氣排出通道。
5.根據權利要求1所述的一種含有機質廢棄物的兩級等離子體氣化熔融裂解方法及 其裝置，其特徵是所述的等離子體弧熔融裂解室(5)的外殼上設置至少1個直流等離子體 弧發生器(501)及其拖動系統(50101)，所述等離子體弧熔融裂解室(5)的合成氣出爐通道 (505)通過出爐合成氣水冷器(502)與多功能脈衝強化旋風效應室(3)上設置的右中空旋轉軸(311)進行密封對接，可靠的把等離子體弧熔融裂解室(5)產生的合成氣對外輸出；金 屬熔體和或熔融玻璃體經通道(508)順利排出體外；後續的合成氣淨化得到的飛灰可以返 回重新進行等離子體弧熔融裂解，回收玻璃體。
6.根據權利要求1所述的一種含有機質廢棄物的兩級等離子體氣化熔融裂解方法及 其裝置，其特徵是所述的磁控等離子體室(2)內區域(208)受到下部等離子體弧熔融裂解 熱量輻射，對於含有機質較少的危險廢棄物如垃圾焚燒飛灰和或合成氣淨化飛灰，經過造 球制粒，進入磁控等離子體室(2)內預熱IOCTC 50(TC，經過旋轉爐箅子(320)調控處理， 進入等離子體弧熔融裂解區域玻璃化及其金屬熔融。
全文摘要
本發明涉及一種含有機質廢棄物的的處理方法，具體涉及一種含有機質廢棄物的兩級等離子體氣化熔融裂解方法及其裝置，屬氣化熔融裂解技術領域。以解決等離子體弧熔融裂解處理含有機質廢物的能耗大、飛灰多的嚴重不足，從而徹底達到最大化的利用有機物質能和處理效率、徹底裂解焦油、減少二噁英的生成機率、儘可能多的得到高品質高熱值合成氣，為後續氣化發電、氫能回收或綠色液體燃料的生產提供保障，同時完成一步回收貴重金屬和可以直接利用建材領域的玻璃體，為含有機質廢棄物質能大規模的商業化開發和應用打下基礎，同時徹底解決有機質氣化特別是危險廢棄物氣化過程中可能的汙染物的排放問題。
文檔編號F23G5/027GK102000691SQ201010505509
公開日2011年4月6日 申請日期2010年9月28日 優先權日2010年9月28日
發明者丁家亮, 丁恩振 申請人:徐州市潤博等離子體環保設備有限公司