一種利用高頻等離子體處理固體有機廢棄物的方法
2023-06-25 03:47:16
專利名稱：一種利用高頻等離子體處理固體有機廢棄物的方法
技術領域：
本發明涉及固體廢棄物處理技術領域，特別是利用電學範疇的高頻等離子體熱解氣化固體有機廢棄物的技術。
背景技術：
固體有機廢棄物包括城市生活垃圾、高分子廢棄物如塑料、橡膠、以及某些農林業生產廢棄物和工業廢棄物等。近年來國民經濟發展迅速，固體有機廢棄物產生量大為增加，2000年我國廢舊塑料的產生量達370萬噸，廢橡膠達85萬噸，引起日益嚴重的「白色汙染」、「黑色汙染」等問題。當前國內外有關固體廢棄物的處理技術主要以填埋、焚燒、機械或者化學回收為主。例如，目前我國有小部分廢塑料經過回收進行再生利用，但多數再生製品檔次低，市場需求不大。大部分垃圾中的廢棄塑料製品仍然與垃圾一起按填埋處理，由於塑料重量輕、體積大，填埋佔地多，塑料大分子不能自行降解，長期不腐爛，不僅浪費資源，而且破壞土地，汙染地下水。焚燒處理法有較好的減容、減量效果，但廢塑料焚燒常產生大量含有毒汙染物的煙氣，引起嚴重的空氣汙染。近來，化學回收法例如廢塑料催化裂解制汽油、柴油的方法也受到人們很大的重視。廢塑料裂解制油需要在壓力0.2-0.5MPa、溫度500-800℃和催化劑作用條件下進行，廢塑料原料在催化劑和熱的作用下，通過熱裂解反應和催化裂解反應，碳氫元素組成的高分子材料向低分子燃油轉化，經分餾冷凝後獲得類似汽油、柴油的產物。目前廢塑料裂解制油技術的主要問題是產品質量難以控制達到生成符合國家標準的汽油和柴油的目的，催化劑的反應效果差、出油率低、耗能高。
等離子體是被激發電離氣體，由帶負電的粒子如電子、帶正電的粒子如正離子和中性粒子如原子等組成，電離氣體內正負電荷數相等，其總體保持電中性，並具有導電性。等離子體能夠提供一個能量集中、溫度很高的反應環境，不僅可大幅度提高化學反應速率，而且產生其它反應體系下難以發生的化學反應，因此最近等離子體技術逐漸應用於許多工業領域如化工、冶金、電子、能源、材料等。在能源與環保方面，固體廢棄物的等離子體熱解氣化技術也有較多報導。
利用直流電弧等離子體處理固體有機廢棄物的技術可見於中國專利01129931和02250661等。通常在直流電弧等離子體發生器中工作氣體被電離成高溫等離子體，並噴射入等離子體氣化反應器形成3000-10000K高溫環境；固體有機廢棄物經螺旋進料器被載氣攜帶噴入等離子體氣化反應器熱解區，形成大量活性離子存在的高溫反應環境；固體有機廢棄物在反應器高溫區進行快速熱解氣化反應，生成有回收利用價值的化學合成氣。目前應用直流電弧等離子體處理固體有機廢棄物有一些技術上的局限性，例如(1)直流電弧放電為大電流強放電，電極容易燒蝕、壽命短，當使用惰性氣體(Ar，He)、還原性氣體(H2)或者中性氣體(N2)作為工作氣體時，電極壽命一般為600小時；當使用氧化性氣體(O2，空氣，H2O)，電極壽命僅有200小時左右。(2)直流電弧等離子體溫度高達3000-10000K，反應器壁材料難以長時間承受。(3)固體物料只能在等離子體射流的下遊引入，難以進入等離子體中心區，等離子體氣化反應器採用載流床形式，反應物的停留時間短(0.2~2ms)，導致熱解氣化不完全。
利用高頻等離子體處理固體有機廢棄物的技術則以中國專利93102963為代表。高頻等離子體是依靠高頻耦合無極放電產生等離子體的，根據耦合方式的不同，高頻等離子體分為容性耦合等離子體和感性耦合等離子體，如果等離子體中的能量耦合是主要由射頻天線/電極的電壓產生的(靜止電荷)產生的，該耦合方式為容性耦合，產生的等離子體為容性耦合等離子體(CCP)；如果等離子體中的能量耦合是主要由射頻天線/電極的磁場產生的(運動電荷)產生的，對應的耦合方式為感性耦合，所產生的等離子體為感性耦合等離子體(ICP)。高頻等離子體具有多方面的優越性，例如(1)其它等離子體炬必須使用惰性氣體作為工作氣體以防燒蝕電極，而高頻等離子體可在空氣或氧氣條件下工作，大大節約了運行成本。(2)高頻等離子體區域較大，氣流速度小，易於中心供粉，粉末在高溫區的停留時間較長，等離子體炬有很長的高溫射流尾焰。(3)由於高頻電流的趨膚效應，高頻等離子體可呈環狀，載氣能在等離子體中心形成一個通道，固體粉末在環狀高溫等離子體作用下迅速分解。
中國專利93102963提出的無極等離子體噴射裝置主要用於離解有害廢料，採用了射頻等離子體噴管激勵自由電子，廢料與可控自由電子源相結合，利用電子、分子所產生的碰撞和紫外線輻射，使得自由電子能夠離解廢料，成為可安全排放，對環境無害的簡單化合物。尤其是離解過程採用非加熱方式，依靠受激電子的鍵裂解作用，廢料的離解程度受自由電子密度和溫度以及廢料在等離子體中的停留時間的影響，電子密度能夠通過運載氣體的流量進行控制，改變射頻功率能夠對溫度進行控制。發明者曾提出該裝置可以擴大到射頻功率MW級，處理廢料速率500kg/h規模使用。但其有待改善的主要問題是(1)大氣壓下操作的射頻等離子體噴管溫度仍然偏高，需要外加水冷卻。(2)射頻等離子噴管對外界幹擾敏感，當增大固體物料供給量時，等離子體不穩定而容易熄弧。(3)處理的固體物料必須為粉末狀，而大顆粒、塊狀物料難以處理。
發明內容
本發明的目的是克服現有技術的局限性，提供一種利用高頻等離子體熱解氣化固體有機廢棄物的方法，具有良好的運行穩定性和連續性，能夠處理大顆粒和塊狀固體物料，並且能夠高效率地獲得有價值的合成氣。
首先，高頻等離子體狀態參數(如電子密度、電子溫度、氣體溫度)受操作壓力的影響很大，若放電在接近大氣壓的高氣壓條件下進行，則電子、離子、中性粒子會通過激烈碰撞而充分交換能量，從而使等離子體達到或接近熱平衡狀態；反之，數百帕或者數千帕低氣壓等離子體常常處於非熱平衡狀態，此時，氣體粒子數密度低，電子與離子或中性粒子的碰撞機率很小，電子溫度與重粒子溫度的差別較大，其電子溫度可高達上萬度，而重粒子溫度只有幾百度。我們的實驗結果顯示對於內徑30mm的射頻等離子體炬管，當炬管內工作氣體壓力為50Pa(絕對壓力)時，等離子體點火所需高頻功率為50W，用熱電偶測得溫度為150℃；氣體壓力為3000Pa時，點火功率為700W，熱電偶測得溫度為500℃；氣體壓力為5000-10000Pa時，點火功率約為1-2kW，溫度為1000-1500℃。利用高頻等離子體熱解氣化固體有機廢棄物如塑料、橡膠時，較佳的操作壓力為5000-10000Pa，溫度為1000-1500℃。
第二，關於高頻等離子體穩定性問題，主要是等離子體工作氣體與被處理固體物料性質的差別對於高頻能量耦合過程的影響所引起的。本專利採用如下所述的雙級等離子體以改善高頻等離子體穩定性(1)使用較小直徑的第一等離子體炬管，內通等離子體工作氣體，通過第一電感耦合線圈產生第一等離子體區，其高溫射流尾焰由第一等離子體炬管出口進入第二等離子體區。(2)使用較大直徑的第二等離子體炬管，在第一等離子體炬管高溫射流尾焰的輔助作用下，通過第二電感耦合線圈產生第二等離子體區。(3)固體物料供給第二等離子體區，並在等離子體高溫反應氛圍中熱解氣化。在上述雙級等離子體中，第一等離子體區不受固體物料影響，易於保持穩定操作；當第二等離子體區受固體物料供給的影響，出現不穩定情況時，由於第一等離子體炬管高溫射流尾焰含有高能電子、離子、激發原子、分子和自由基等各種活性粒子，在第二電感耦合線圈的共同作用下可以保持第二等離子體炬管不容易熄弧。
第三，為了處理大顆粒和塊狀固體物料，第一等離子體區和第二等離子體區構成一種噴動床形式，方法如下在第二等離子體區下部配置半錐型布風板，半錐型布風板底部連接第一等離子體炬管出口，第一等離子體炬管高溫射流尾焰成為第二等離子體區噴動床的中心噴動氣流，半錐型布風板上對應的第二等離子體的那部分區域成為噴動床的向下回流區；固體物料供給第二等離子體區後，將被中心噴動氣流夾帶而向上噴動，然後粗大顆粒由於重力作用從射流中分離出來，返回向下回流區，再進入下一噴動循環。這樣，大顆粒和塊狀固體物料在噴動床有足夠的停留時間，直至完成熱解氣化反應，成為小顆粒灰分，隨氣流到達除灰系統。
第四，為了充分利用固體廢物的有機組分製取合成氣，等離子體工作氣體可以採用過熱水蒸氣、或者過熱水蒸氣與空氣、氧氣或者其它氣體的混合物。水蒸氣、氧氣在高頻等離子體作用下離解為O、OH自由基，因此在本方法中，固體廢物的熱解氣化反應本質上是氧化反應性質的。等離子體含有的高能電子、離子等活性粒子對於高分子有機物也有鍵裂解作用。固體廢物的有機組分與過熱水蒸氣反應製取合成氣的總包反應式為。當等離子體工作氣體含有空氣、氧氣時，部分有機組分也參與氧化反應，從而提供熱解氣化所需的部分能量。
基於以上要點，本專利提出一種利用高頻等離子體處理固體有機廢棄物的方法，由以下步驟構成(1)在低壓條件下，通過第一電感耦合線圈產生第一等離子體區，其高溫射流尾焰進入第二等離子體區；(2)第一等離子體高溫射流尾焰的輔助作用下，通過第二電感耦合線圈產生第二等離子體區；(3)第一等離子體區和第二等離子體區構成一種噴動床，其中第一等離子體高溫射流尾焰為第二等離子體區的中心噴動氣流，第二等離子體的其它區域為噴動床的向下回流區；(4)固體物料供給第二等離子體區，在等離子體作用下完成熱解氣化反應。
其中，第一等離子體區和第二等離子體區較佳的操作壓力為5000-10000Pa，溫度為1000-1500℃；等離子體工作氣體採用過熱水蒸氣、或者過熱水蒸氣與空氣、氧氣的混合物或者其它氣體及其混合物。
與現有技術相比較，本發明有以下突出優點(1)由於採用低壓操作條件，高頻等離子體溫度可以控制在1500℃以下，使用常規材料(如鑄造陶瓷)即可製造等離子體反應器，並且有利於裝置的長時間連續運行。(2)由於採用雙級等離子體，高頻等離子體穩定性得到了很大改善，等離子體點火過程也更為容易。(3)由於採用噴動床形式，大顆粒和塊狀固體物料也能夠得到處理。(4)等離子體工作氣體主要採用水蒸氣，有利於從固體廢物的有機組分製取合成氣。
以下結合附圖
對本專利的實質內容進一步詳細說明。
圖一是本專利實施例示意圖。圖中1，第一等離子體區，2，第二等離子體區，3，第一電感耦合線圈，4，第一等離子體炬管，5，半錐型布風板，6，第二電感耦合線圈，7，第二等離子體炬管，8，水蒸氣發生器，9，螺旋進料器，10，料倉，11，第一匹配網絡，12，第一晶控RF高頻電源，13，第二匹配網絡，14，第二晶控RF高頻電源，15，除灰系統，16，灰倉，17，抽氣系統。
具體實施例方式
實施例一如圖一所示，水蒸氣發生器(8)產生過熱水蒸氣，經計量和調節後提供給第一等離子體區(1)，同時過熱水蒸氣通過均勻分布有多個系列進風小孔的半錐型布風板(5)提供給第二等離子體區(2)；第一晶控RF高頻電源(12)的型號為JG-2K-B，輸出功率0-2kW，輸出頻率為工業專用高頻13.56MHz；第一匹配網絡(11)型號為JG-2KW，配備正向功率計和反向功率計；第一電感耦合線圈(3)用銅管繞制，並且成螺旋狀環繞在用耐高溫陶瓷鑄造成的第一等離子體炬管(4)外壁；第二晶控RF高頻電源(14)型號為JG-10K-B，輸出功率0-10kW，頻率13.56MHz，以及第二匹配網絡(13)型號為JG-10KW，配備正向功率計和反向功率計；第二電感耦合線圈(6)用銅管繞制，並且成螺旋狀環繞在用耐高溫陶瓷鑄造成的第二等離子體炬管(7)外壁；抽氣系統(17)為水環式真空泵，抽氣速率12L/s，極限壓力4000Pa，經過除灰系統(15)抽取等離子體反應器氣體，使得第一等離子體區和第二等離子體區壓力約為5000Pa；啟動第一晶控RF高頻電源(12)，調節第一匹配網絡(11)，使得第一等離子體區(1)起輝；然後啟動第二晶控RF高頻電源(14)，調節第二匹配網絡(13)，使得第二等離子體區(2)起輝；調節晶控RF高頻電源(12，14)輸出功率以及匹配網絡(11，13)，使得第一等離子體區和第二等離子體區溫度達1000℃以上；啟動螺旋進料器(9)，將儲存於料倉(10)的聚丙烯PP塑料顆粒加入等離子體反應器，在等離子體高溫作用下，聚丙烯PP塑料顆粒熱解氣化，氣體經過除灰系統(15)和抽氣系統(17)排出，氣體取樣後用色譜分析，主要成分有H2、CO、CH4、C2H4、C2H2、CO2、C2H6、C3H6、C3H8等，氣體熱值約22MJ/Nm3，適合用作化工合成氣、原料氣或者燃料氣等。灰倉(16)可收集到極少量的灰分。
實施例二與實施例一相同，調節抽氣系統(17)，使得第一等離子體區和第二等離子體區壓力約為10000Pa；調節晶控RF高頻電源(12，14)輸出功率以及匹配網絡(11，13)，使得第一等離子體區和第二等離子體區溫度約為1300℃；聚丙烯PP塑料顆粒熱解氣化，氣體取樣後用色譜分析，主要成分種類與實施例一相同。
實施例三與實施例一相同，當固體物料進料為廢輪胎粉碎顆粒，產氣主要成分有H2、CO、CH4、C2H4、C2H2、CO2、C2H6、C3H6、C3H8等、以及硫化氫H2S，氣體熱值約20MJ/Nm3。灰倉(16)可收集到固體產物，即熱解碳黑，其元素分析為85％C，0.5％H，12％O，0.4％N，1.9％S；工業分析其灰分為16.2％，熱值28500kJ/kg，BET比表面積70m2/g；掃描電鏡分析(SEM)表明熱解碳黑顆粒形成一種原生粒子聚集體結構，大小為50-2000μm；光電子能譜分析(XPS)顯示熱解碳黑中的碳主要以石墨結構碳存在，硫的形態與FeS2和ZnS類似；核磁共振波譜分析(NMR)表明熱解碳黑的主體化學性質為芳香碳C＝C鍵結構。因此，這些固體產物可用作工業半補強碳黑，還可以經過進一步處理後作為活性炭使用。
權利要求
1.一種利用高頻等離子體處理固體有機廢棄物的方法，其特徵是包括了由雙級等離子體區構成的噴動床。
2.權利要求1所述的利用高頻等離子體處理固體有機廢棄物的方法，其特徵在於由第一等離子體區和第二等離子體區構成一種噴動床，其中第一等離子體高溫射流尾焰為第二等離子體區的中心噴動氣流，第二等離子體的其它區域為噴動床的向下回流區。
3.權利要求2所述的利用高頻等離子體處理固體有機廢棄物的方法，其特徵在於固體物料供給第二等離子體區。
4.權利要求2所述的利用高頻等離子體處理固體有機廢棄物的方法，其特徵在於在低壓條件下產生第一等離子體區和第二等離子體區。
5.權利要求4所述的利用高頻等離子體處理固體有機廢棄物的方法，其特徵在於工作氣體壓力為5000-10000Pa。
6.權利要求2所述的利用高頻等離子體處理固體有機廢棄物的方法，其特徵在於等離子體工作氣體主要採用水蒸氣。
全文摘要
本發明提供了一種利用高頻等離子體處理固體有機廢棄物的方法，其特徵是包括了由雙級等離子體區構成的噴動床。該方法步驟包括在低壓條件下產生第一等離子體區和第二等離子體區，由第一等離子體區和第二等離子體區構成一種噴動床，主要採用水蒸氣為等離子體工作氣體，並且將固體物料供給第二等離子體區。該發明克服了現有技術的局限性，具有良好的運行穩定性和連續性，能夠處理大顆粒和塊狀固體物料，並且能夠高效率地獲得有價值的合成氣。
文檔編號C10J3/20GK1683828SQ20041002685
公開日2005年10月19日 申請日期2004年4月14日 優先權日2004年4月14日
發明者黃海濤, 唐蘭 申請人:中國科學院廣州能源研究所