分选和热处理非均质原料的工艺和设备制造技术

本发明专利技术提供了用于热分离非均质原料以制造一种金属产品、一种玻璃陶瓷产品和一种气相产品的新型工艺和设备。该工艺包括能够热处理如环境保护局（ＥＰＡ）所定义的有害废物以及通过处理制造一种稳定耐久的产品，这些有害废物在某些情况下也包括放射性同位素（如能源部所定义的混合废物）。更确切地，本发明专利技术涉及一种新型工艺和设备，通过该新型工艺和设备可以在一个具有连续热氧化反应器的直流或交流石墨电极电弧熔炼炉中处理一种在物理形态、可燃性、化学品含量、粒径方面具有非均质性并且污染有各种浓度的有害组分和／或放射性同位素的输入原料流，以便制成一种金属产品、一种玄武岩类玻璃陶瓷产品和一种完全燃烧的废气。所述设备包括一种废气骤冷构造（１７）以便最低地生成地二＊英以及下一步容易净化该废气流。（*该技术在2017年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术概括地涉及热处理一种非均质原料以及制造一种金属产品、一种玻璃陶瓷产品和一种气相产品。该工艺包括能够热处理如环境保护局(EPA)所定义的有害废物以及通过处理制造一种稳定耐久的产品，这些有害废物在某些情况下也包括放射性同位素(如能源部所定义的混合废物)。更确切地，本专利技术涉及一种新型工艺和设备，通过该新型工艺和设备可以在一个具有连续热氧化反应器的直流或交流石墨电极电弧熔炼炉中处理一种在物理形态、可燃性、化学物含量、粒径方面具有非均质性并且污染有不同浓度的有害组分或放射性同位素的进料流，从而制成一种金属产品、一种玄武岩类玻璃陶瓷产品和一种完全燃烧的废气。所述设备包括一种废气骤冷构造以便最低地生成二噁英以及下一步容易净化该废气流。传统地使用焦耳热熔炼炉来生产玻璃基产品。传统地使用石墨电极电弧熔炼炉把矿石还原成金属并且利用一种可控和明确定义的进料流生产附加值产品。电弧熔炼炉也用于利用明确表征和可控的进料生产附加值矿棉制品。传统地利用等离子弧喷射熔炼炉来生产更高价值的珍贵金属例如钛。工业中通常使用的各种类型的熔炼炉可以划分为低温熔炼炉(900℃～1200℃)、中温熔炼炉(1200℃～1500℃)和高温熔炼炉(1500℃～2000℃)，它们的用途由所要的产品和所需的工艺限定。生产玻璃(包括用于高含量放射性废物)所通常使用的焦耳热熔炼炉属于低温类。对于生产更高温度的玻璃例如铝硅酸盐玻璃和玻璃陶瓷则需要中温熔炼炉。高温熔炼炉用于把矿石还原成金属例如铁矿还原成铁以及在不需要加入稀释剂以降低粘度下生产玄武岩类玻璃陶瓷产品。电弧熔炼炉利用当电弧穿过气体时所产生的热。该气体被电离并形成一个超高温等离子体。该等离子体温度可超过几千摄氏度。该高温能够快速并强烈地加热所处理的材料，使得该技术成为高温金属加工的理想技术。政府和工业现正进行研究和开发，目的在于把电弧熔炼炉技术用于处理有害和/或放射性废物。把传统的熔炼技术和设备用于安全、有效和经济地处理非均质有害和/或放射性废物涉及进料流可允许补给的放大、工艺操作的放大并严格输出产品和废气的规格。现已有一些试验和开发项目利用电弧熔炼技术处理放射性废物、混合废物、城市废物和有害废物。在电弧熔炼炉中，废物材料被加热以便(a)挥发、热解和分解有机物并且(b)把无机材料熔化成熔融废渣或金属相。通过控制反应计量学、混合和其它工艺参数，可以利用该工艺来化学氧化或还原废物组分，或者使废物组分反应形成新的产品。在Leam的美国专利US4421037中讨论了一种废物处理炉。在Rackley等人的美国专利US5052312中讨论了一种用于有害废物焚烧和灰分玻化的旋风炉。在Alvi等人的美国专利US5541386中讨论了等离子弧分解有害废物为玻化固体和无害气体。所述的工艺和设备使得能够连续地或者间歇地喂进差异很大的各种非均质废物进料流、把进料流热分选成惰性部分和挥发性部分、把惰性部分熔化并氧化或还原成由氧化金属和低蒸气压材料所组成的玻璃陶瓷(废渣)相、把惰性金属部分熔化并还原成金属相、完全燃烧并氧化气相。进而，操作和工艺的灵活性使得能够控制高蒸气压材料的挥发并把这些材料强制分选为玻璃陶瓷相。该工艺和设备通过高温卸放技术和在最短时间内把废气从2000°F以上骤冷到150°F以下而提供该金属和玻璃陶瓷相的去除。进而，该工艺通过产品浇注技术提供有该玻璃陶瓷产物的回收并且通过隔热或加热提供有可控冷却以便控制最终冷却产品的晶相结构。能用所述专利技术进行处理的废物种类包括在含泥量、金属含量、可燃物含量、有机物含量和有害污染物含量方面组成差异很大的废物。所生成的玻璃陶瓷产品优于如在1989年3月29日在联邦注册局法发布的关于有害物质特性浸提程序(Toxic Characteristic LeachProcedure(TCLP))的现行要求，并达到了适于回收的更窄定义的产品规格。该规格可以包括更窄定义的组成范围和物理性能。从非放射性进料得到的该金属产品也适于回收作为工业废金属，从放射性污染的进料得到的该金属产品也适于回收作为核工业内的再循环金属。该废气在最短时间内从完全燃烧和氧化所需的温度(＞2000°F)骤冷到二噁英和呋喃的公认形成温度的温度以下，从而把二噁英的产生量降到最低限度。进一步的废气净化使得能够把该废气颗粒分选为挥发性金属部分和盐。在一个分选电弧熔炼炉内热处理一种均质或非均质进料以形成一个熔池和一种气相的工艺为把进料(1)切碎(2)到从亚微米到熔炼炉直径一半以下的颗粒尺寸；水平地输送该进料到熔炼室(4)内；把进料分选成熔融金属、废渣和废气；在热氧化器(5)内在2000°F以上的温度下氧化该废气2秒以上；在废气骤冷室(17)内把从该热氧化器排出的废气流在最短时间内骤冷到150°F以下的温度；净化该废气；去除最终熔融产品。标称进料(11)的特性是非均质，并且基质进料的总化学组成在下述范围内变化泥土0～100％、金属0～35％、可燃物0～90％、挥发性有机物0～60％、氯化有机物0～60％、氯 0～20％、碳0～40％、硝酸盐0～20％、氢氧化物0～100％。该进料(11)可含有根据美国环境保护局(US EnvironmentalProtection Agency)的分类被划分为有害或有毒的有机化合物和非有机化合物以及金属。该进料(11)可有发出α、β、γ辐射的放射性同位素。通过熔炼炉(4)的侧壁挤出或输送该进料(11)，可以利用冷帽(13)的可控深度来调节熔池(14，15)的表面以便促进挥发性材料分选成一种熔融玻璃陶瓷相。熔炼室的一部分可以在冷却外壁下运行以在内壁上冻结一层熔融产品以利于熔炼炉的安全长期运行。在其标称深径比小于1/2的熔炼室的一部分内可随着熔池(14，15)表面的上升一起升高电弧熔炼炉的电极(21)端，并且该熔炼室(4)本身不需要任何卸放机构就可像在批量操作中那样随时卸除。可以把氧气喷射到熔池(14，15)的表面内或附近以便控制熔池(14，15)内和其上方的氧化还原反应从而生成用于工艺进料的合成气体和燃气发生。可以把一种辅助热源(16)喷射到热氧化器(5)的底部内以便保持温度。可以调节气相的氧化还原反应以生成用于工艺进料的合成气体和用于发电的燃气。把富氧空气喷射到热氧化器(5)的底部内以便保持温度并提供氧化反应所需的氧，并生成用于工艺进料的合成气体和燃气发生。已净化的颗粒、挥发性金属、盐和空气污染控制系统维护材料例如过滤材料可以重新引入到进料(1)内并再一次通过该系统进行处理。以这样一种方式操作一个熔融产品卸放和浇注系统从而通过模具隔热或加热控制一种浇注熔融玻璃陶瓷的冷却速率以便控制最终产品的无定形/晶相结构。可以把液相吸收到进料(11)内或者喷射到冷帽(13)顶部或熔池(14，15)表面。根据本专利技术的热分选电弧熔炼设备包括标称深径比为1/4到1/2并具有多个侧出口(19，20)以卸放熔融金属和废渣的一个含有熔池(14，15)的耐火衬里熔炼室(4)。该耐火衬里熔炼室进一步包括与垂直方向成30°±10°的电极口(10)；与垂直方向成90°的进料口(9)、在熔炼室正上方的中心废气口；一个由并行轴向石墨电极(21)电流电压输送转换系统构成的并且在浸没或短弧焦耳热电阻模式或者长弧辐射本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种其中在一个分选电弧熔炼炉内热处理一种均质或非均质进料以形成一个熔池和一种气相的工艺，该工艺包括：ａ 把进料（１）切碎（２）到从亚微米到熔炼炉直径一半以下的颗粒尺寸；ｂ 水平地输送该进料到熔炼室（４）内；ｃ 把进料分选成熔融金 属、废渣和废气；ｄ 在热氧化器（５）内在２０００°Ｆ以上的温度下氧化该废气２秒以上；ｅ 在废气骤冷室（１７）内把从该热氧化器排出的废气流在最短时间内骤冷到１５０°Ｆ以下的温度；ｆ 净化该废气；ｇ 去除最终熔融产品。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：TL艾迪，
申请(专利权)人：梅尔特兰公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]