用于废物熔化和气化的DC电弧炉制造技术

一种用于废物的气化和玻璃化的设备包括设置有两个可移动石墨电极的等离子电弧炉。该炉包括空气冷却的底部电极，该空气冷却的底部电极适于转移电流通过渣熔体。该炉是完全密封的并且还设置有气密电极密封件，所述气密电极密封件适于控制炉内部的还原条件。还提供了一种电路，该电路适于从加热的转移模式切换至加热的非转移模式，从而使得在渣冻结的情况下能够重新启动炉。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于废物熔化和气化的DC电弧炉相关申请的交叉引用本申请要求于2017年10月13日提交的现在悬而未决的美国临时申请第62/572,412号的优先权，该美国临时申请通过引用并入本文。
本主题涉及用于废物玻璃化和气化的直流(DC)电弧炉，并且更具体地涉及用于点燃并重新启动在金属氧化物的非导电混合物例如在废物中找到的那些金属氧化物的非导电混合物上的DC电弧并用于提供完全熔化的方法和设备。
技术介绍
已经提出了用于将废物转化为能源材料和建筑材料的等离子电弧炉。更具体地，等离子炉已经用于使废物中的无机材料熔化并使有机化合物气化。等离子炉与常规的焚烧技术相比具有若干优势，例如处理材料的能力与材料固有热值无关、将废物的无机成分玻璃化为惰性渣的能力以及将废物的有机成分转化为主要由氢气和一氧化碳组成的被称作合成气的可燃气体从而使得从废物中能够产生清洁能源的能力。已经提出了与使用等离子炉用于将废物转化为熔渣和能量有关的若干设备和方法。例如，题为“MunicipalSolidWasteDisposalProcess”并且以Carter等人的名义于1994年1月25日发布的美国专利第5,280,757号公开了使用非转移等离子炬将城市固体废物、煤、木材和泥煤气化为中等质量气体以及具有大幅降低的毒性元素的可浸出性的惰性整体渣的设备。类似地，题为“ProcessandApparatusforTreatmentofExcavatedLandfillMaterialinaPlasmaFiredCupola”并且以Dighe等人的名义于1991年3月12日发布的美国专利第4,998,486号公开了如下设备，该设备也使用非转移等离子炬在冲天炉中处理有害废物，从而使有害材料例如PCB在后燃器中挥发并消耗，而包含重金属的有害材料在冲天炉内熔化并转化为不可浸出的固体产物。然而，使用非转移等离子炬来使废物和其他材料气化和玻璃化具有若干缺点。由于等离子气体的极端温度，因此需要对非转移等离子炬进行水冷却。在炬中使用水冷却降低了炬的热转换效率。在许多情况下，冷却水的能量损失可能达到输入至炬的电能的15％至35％之间。另外，由于炬通常需要穿过厚的耐火衬里壁伸出，因此从炬的水冷却体至这种耐火壁会发生额外的热损失。最终，在炬以非转移模式操作的情况下，大部分等离子气体逸出至炉废气中，而不是在炉中处理固体材料。因此，热的净效率通常小于50％。水冷却式非转移炬的另一缺点是水泄漏的风险。在一些情况下，当从故障炬逸出的高压水击中炉内部的过热的熔渣时，炬水泄漏可能导致蒸汽爆炸(Beaudet等，2000)。因此，已经提出了使用非水冷却式石墨电弧炉用于使废物气化和玻璃化的目的。与使用等离子炬的等离子炉相比，石墨电弧炉具有若干优势。与使用可能产生泄漏的炬的炉相比，由于不进行水冷却，石墨电极本质上是安全的。由于不进行水冷却，石墨电极也比水冷却式炬的效率高得多，在将能量从电弧转移至待处理的大量废物材料的过程中，石墨电极达到了接近100％的效率。石墨电弧炉可以是交流(AC)类型或直流(DC)类型。常规的三相AC电弧炉可能通常不能用于废物气化和玻璃化的目的。典型地，AC炉是敞开的顶部设计，从而由于大量空气进入炉中而限制了控制产生的合成气的质量的能力。三相AC炉不能容易地将电流转移至非导电材料例如冷废玻璃或燃烧灰烬残渣。已经提出了用于减轻这种问题的若干方法，并且特别是一些DC炉提供了从非转移电弧操作模式切换至转移电弧操作模式的方法，例如，在题为“PlasmaGasificationandVitrificationofAshes”并且以Tsantrizos等人的名义于1999年9月28日发布的美国专利第5,958,264号中提出的。其他炉可以在AC操作模式和DC操作模式两者下操作，其中，AC用于渣的焦耳加热并且DC电弧用于在熔融物上方产生电弧，例如，在题为“ARCPlasma-MelterElectroConversionSystemforWasteTreatmentandResourceRecovery”并且以Titus等人的名义于1997年9月16日发布的美国专利第5,666,891号中提出的。在上述美国专利第5,666,891号中，描述了一种用于将各种废物流转化为有用气体和稳定的不可浸出的固体产物的目的的废物-能量转化系统和设备。在一个实施方式中，该炉将废物的熔融无机部分的AC焦耳加热与气相中的DC等离子电弧结合使用。在该系统中，等离子电弧炉和焦耳加热的熔化器形成为完全集成的单元，该完全集成的单元具有使该单元的电弧等离子体和焦耳加热的部分两者同时操作而不会彼此干扰的电路布置。然而，该设计是复杂的，需要多个电力供应和复杂的电路布置。还存在一个风险是，AC电极可能在渣中冻结，这使得重新启动炉变得非常困难。例如，上述美国专利第5,958,264号公开了一种用于使灰烬例如在热燃料锅炉中产生的那些灰烬气化和玻璃化的设备。该设备是使用可以在水平位置或竖直位置操作的两个或三个可倾斜电极的竖炉。通过将电极的位置从水平改变至竖直，可以使电弧从非转移模式改变为转移模式。然而，该设计具有若干缺点。例如，电极通道没有完全密封并且可能导致炉内部的不受控制的气化。此外，在非转移模式下渣的加热效率很低并且渣可能冻结：如果渣水平太高，则等离子热量不能有效地转移至下层。此外，电弧电压非常不稳定，这取决于炉内部的合成气的变化的组成。此外，由于电极成一定角度，因此电极可能产生指向耐火材料的电弧射流，这可能导致耐火材料过度磨损。因此，将期望提供一种确保渣基本上完全熔化、基本上避免渣冻结并且改善从等离子电弧至正被处理的废物的能量转移的用于废物的气化和玻璃化的设备。
技术实现思路
因此，将期望提供一种用于废物的气化和玻璃化的新型设备。在一方面，本文所描述的实施方式提供了一种用于废物的气化和玻璃化的设备，该设备包括设置有两个可移动石墨电极的等离子电弧炉，该炉包括空气冷却的底部电极，该空气冷却的底部电极适于转移电流全部通过渣熔体，该炉在所述炉的线轴和坩埚的接合处被密封并且还设置有气密电极密封件，所述气密电极密封件适于控制炉内部的还原条件。此外，在另一方面，本文所述的实施方式提供了一种等离子电弧炉，该等离子电弧炉包括：线轴和坩埚；一对可移动电极，所述一对可移动电极例如由石墨制成；空气冷却的底部电极，该空气冷却的底部电极适于转移电流全部通过渣熔体，该炉在所述炉的线轴和坩埚的接合处被密封并且还设置有气密电极密封件，所述气密电极密封件适于控制炉内部的还原条件。此外，在另一方面，本文所描述的实施方式提供了一种DC电弧炉，包括：线轴和坩埚；一对可移动电极，所述一对可移动电极例如由石墨制成；空气冷却的底部电极，该空气冷却的底部电极适于转移电流全部通过渣熔体，该炉在所述炉的线轴和坩埚的接合处被密封并且还设置有气密电极密封件，所述气密电极密封件适于控制炉内部的还原条件。具体地，还提供了一种电路，该电路适于从加热的转移模式切换至加热的非转移模式，从而使得在本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于废物的气化的炉，所述炉完全封闭并且密封以控制气化环境。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20171013 US 62/572,4121.一种用于废物的气化的炉，所述炉完全封闭并且密封以控制气化环境。


2.一种炉，所述炉是完全空气冷却的以避免由于水冷却回路故障而造成水泄漏和蒸汽爆炸的任何风险。


3.一种电路，所述电路使得炉能够在非转移电弧操作模式和转移电弧操作模式两者下操作，并且使得能够在非转移模式与转移模式之间切换。


4.一种在过程异常的情况下重新启动电弧的操作方法。


5.一种等离子电弧炉，所述等离子电弧炉包括：线轴和坩埚；一对可移动电极，所述一对可移动电极例如由石墨制成；空气冷却的底部电极，所述空气冷却的底部电极适于转移电流全部通过渣熔体，所述炉在所述炉的所述线轴和所述坩埚的接合处被密封并且还设置有气密电极密封件，所述气密电极密封件适于控制所述炉内部的还原条件。


6.根据权利要求5所述的等离子电弧炉，其中，提供了电路，所述电路适于从加热的转移模式切换至加热的非转移模式，从而使得在渣冻结的情况下能够重新启动所述炉。


7.一种DC电弧炉，所述DC电弧炉包括：线轴和坩埚；一对可移动电极，所述一对可移动电极例如由石墨制成；空气冷却的底部电极，所述空气冷却的底部电极适于转移电流全部通过渣熔体，所述炉在所述炉的所述线轴和所述坩埚的接合处被密封并且还设置有气密电极密封件，所述气密电极密封件适于控制所述炉内部的还原条件。


8.根据权利要求7所述的DC电弧炉，其中，所述线轴和所述坩埚两者为耐火衬里以在高温下操作；所述坩埚中使用的耐火材料例如与熔融硅酸盐类材料相容并且通常能够由高氧化铝或氧化铝铬材料制成；所述线轴中使用的耐火材料例如与潜在腐蚀性的高温气体相容并且通常能够由高氧化铝或氧化铝-二氧化硅材料制成。


9.根据权利要求7和8中任一项所述的DC电弧炉，其中，通过位于所述线轴顶部处的至少一个进料口通常连续地将待气化和熔化的材料引入所述炉中。


10.根据权利要求7至9中任一项所述的DC电弧炉，其中，所述正被处理的材料适于积聚在所述坩埚中，从而在此处形成经部分处理的废物的顶层。


11.根据权利要求7至10中任一项所述的DC电弧炉，其中，通常高于1400℃的所述坩埚中的高温以及气化空气、氧气和/或蒸汽的注入将所述废物中的有机部分与无机部分分离，其中，无机部分熔化为浮置在熔融金属层顶部上的液态渣层；并且其中，有机部分转化为主要包含一氧化碳和氢气的合成气或者主要包含二氧化碳和水蒸气的燃烧气体，所述合成气适于通过排气口离开所述炉。


12.根据权利要求7至11中任一项所述的DC电弧炉，其中，所述坩埚的外壳体装配有鳍片和强制空气冷却，所述强制空气冷却适于使渣冻结线在所述液态渣层5的层内部很好地移动并且远离所述耐火衬里。


13.根据权利要求7至12中任一项所述的DC电弧炉，其中，在所述炉内部保持有一对电弧，并且所述一对电弧被部分地浸没在大量的经部分处理的废物中并且被转移至所述液态渣层，电流通过所述熔融金属层和所述底部阳极。


14.根据权利要求7至13中任一项所述的DC电弧炉，其中，一对电力供应部适于提供电流以保持所述电弧，所述电力供应部是直流(DC)单元，例如电流控制型的直流(DC)单元；其中，电流被馈送至通常由石墨制成的所述一对电极。


15.根据权利要求7至14中任一项所述的DC电弧炉，其中，使用一对电极夹将电流馈送至所述两个电极。


16.根据权利要求7至15中任一项所述的DC电弧炉，其中，所述电极包括连接销，通常为螺纹连接器，以使得能够将两段长度的电极连接在一起，从而一旦已经侵蚀了一段长度的电极，就可以使用上述连接销从所述炉外部旋入新的长度。


17.根据权利要求7至16中任一项所述的DC电弧炉，其中，所述电极安装在各自的移动机构上，所述移动机构适于随着所述电极逐渐被所述电弧侵蚀在所述炉F中缓慢地向下移动所述电极。


18.根据权利要求17所述的DC电弧炉，其中，所述移动机构提供向上/向下的特征，所述向上/向下的特征还使得能够...

【专利技术属性】
技术研发人员：皮埃尔·卡拉宾，威廉·克雷克勒韦茨，阿里·沙威迪，胡戈·福廷布兰切特，
申请(专利权)人：加拿大派罗杰尼斯有限公司，
类型：发明
国别省市：加拿大;CA