CN108870399A - 用于热等离子体废物处理系统的蓄热式高温余热回收装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种用于热等离子体废物处理系统的蓄热式高温余热回收装置，包括回转式垃圾预热器、双层门密封进料器、锁料进料器、垃圾气化熔融炉、坩埚、等离子体炬、二次燃烧室、蓄热体、四通阀、布袋除尘器和烟囱等部件。本发明的有益效果：充分利用了余热来预热医疗废物，提高废物温度，同时去除大量水分，减少了干燥阶段所需要的电能；预热医疗废物后的气体由于含有H₂S、NH₃等污染性气体及可燃性气体CO，因此将污染性气体引入二次燃烧室作助燃气体，既强化了燃烧、降低了能耗，又减少了环境污染。

Description

用于热等离子体废物处理系统的蓄热式高温余热回收装置

技术领域

本发明涉及热等离子体废物处理技术领域，特别是涉及一种用于热等离子体废物处理系统的蓄热式高温余热回收装置。

背景技术

医疗垃圾是指医疗机构在治疗及病人活动过程中产生的废弃物，通常带有大量的细菌和病毒，是首要的危险废物。根据卫生部和国家环境保护总局制定的《医疗废物分类目录》，医疗废物包括感染性废物、病理性废物、损伤性废物、药物性废物和化学性废物。医疗废物的大量产生，给人类和环境带来很大危害，主要表现在：具有传染性的废物可通过大气、水、食物等进入人体，给人体造成不堪设想的后果，同时大量的固体废物给环境带来很大的危害，它的不当处置将造成大气、土壤和水体的污染，且侵占土地，一些国家对医疗废物中的塑料进行回收以减少对环境的二次污染，但是由于我国医疗废物的管理和处置处于刚刚发展的阶段，医疗废物没有从根本上进行分类收集，因而很难采取回收利用的途径。目前，国内外对医疗垃圾的处理主要有直接焚烧法、等离子体法、微波消毒法、高温蒸汽消毒法、填埋法、高温高压粉碎处理等方法。直接焚烧法严重污染环境，同时产生的二噁英严重危害人类的生命健康。微波消毒法处理前必须将医疗废物粉碎以确保蒸汽能穿透医疗废物、对含水率低的物质灭菌效果差、减容减重效果差。填埋法容易滋生各种有害病菌、病毒，污染土壤性质、地下水等。

传统的处理方法存在各种不足，近年来等离子体技术由于自动化程度高、处理流程短、效率高、温度高、适用范围广、处理成本低、运行环保、能够处理高危的固态、半固态、液态危险废物等优点受到人们的青睐。该方法是一种新型的高温处理技术，其原理为利用气体在被电离状态下的导电性，迅速把电能转化成热能，产生不同的高温。热等离子体处理技术把垃圾高温热解和灰渣熔融两个过程结合起来，能有效地处理的医疗垃圾，处理产物无害，其炉渣为玻璃化残渣，为惰性物质，其渗透性极低，在国外玻化渣均可作为路基材料来利用。但是，由于该技术以昂贵的电力为能量的最主要来源，在很多情况下，这种经济上的弊端已经成为制约热等离子技术发展的主要障碍。但尽管如此，到现在为止，针对热等离子体处理技术经济性方面的研究却非常缺乏。因此，对可能降低热等离子体处理技术运行费用的方法或技术方面展开研究是非常有必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于热等离子体废物处理系统的蓄热式高温余热回收装置，解决目前热等离子体废物处理技术存在耗电量过大的技术问题。

本发明提供一种用于热等离子体废物处理系统的蓄热式高温余热回收装置，包括回转式垃圾预热器、双层门密封进料器、锁料进料器、垃圾气化熔融炉、坩埚、等离子体炬、二次燃烧室、蓄热体、四通阀、布袋除尘器和烟囱，回转式垃圾预热器的上端密封连接双层门密封进料器，回转式垃圾预热器的下端密封连接锁料进料器，锁料进料器的下端密封连接垃圾气化熔融炉，垃圾气化熔融炉的下端设置坩埚，坩埚的侧壁设置若干个等离子体炬，垃圾气化熔融炉的一侧连接二次燃烧室，二次燃烧室经第一高温烟气管路连接回转式垃圾预热器的下端，回转式垃圾预热器的上端经热空气回风管路连接二次燃烧室，热空气回风管路上设置有第一鼓风机，二次燃烧室经第二高温烟气管路连接蓄热体，蓄热体经热空气送风管路分别连接回转式垃圾预热器的下端和垃圾气化熔融炉的下端，第二高温烟气管路、热空气送风管路上均设置有耐高温阀门，四通阀经第一支路、第二支路分别连接蓄热体，四通阀经第三支路连接第二鼓风机，四通阀经第四支路连接除尘器，布袋除尘器经第三鼓风机连接烟囱。

进一步的，回转式垃圾预热器包括外筒体、内筒体和电机，外筒体的上端密封连接双层门密封进料器，外筒体的上端连接用于连接热空气回风管路的回风接口，外筒体的下端密封连接锁料进料器，外筒体的下端连接有用于连接第一高温烟气管路、热空气送风管路的送风接口，内筒体转动连接于外筒体的内部，外筒体上设置电机，电机的转轴连接有齿轮，内筒体的外侧设置有与齿轮啮合的齿圈。

进一步的，内筒体的内壁设置有若干个刀片，刀片沿内筒体的轴向延伸布置。

进一步的，回风接口处设置有回风栅板，送风接口处设置有送风栅板。

进一步的，内筒体的外侧于齿圈的两侧均设置有若干个密封圈。

进一步的，外筒体的内壁铺设有保温层。

进一步的，二次燃烧室内壁上方悬空设置有挡烟板，挡烟板将二次燃烧室分隔成前燃烧室和后燃烧室，前燃烧室和后燃烧室的底部连通，第一高温烟气管路、第二高温烟气管路均连接后燃烧室，热空气回风管路连接前燃烧室。

进一步的，锁料进料器包括锁料筒，锁料筒的上端密封连接回转式垃圾预热器的下端，锁料筒的下端密封连接垃圾气化熔融炉，锁料筒的下端转动连接有转轴，转轴上设置多个锁料挡片。

进一步的，所述除尘器为布袋除尘器。

进一步的，蓄热体包括左蓄热体和右蓄热体，两蓄热体上均分别连接第二高温烟气管路、热空气送风管路。

与现有技术相比，本发明的用于热等离子体废物处理系统的蓄热式高温余热回收装置具有以下特点和优点：

1、本发明的用于热等离子体废物处理系统的蓄热式高温余热回收装置，充分利用了余热来预热医疗废物，提高废物温度，同时去除大量水分，减少了干燥阶段所需要的电能。

2、本发明的用于热等离子体废物处理系统的蓄热式高温余热回收装置，预热医疗废物后的气体由于含有H₂S、NH₃等污染性气体及可燃性气体CO，因此将污染性气体引入二次燃烧室作助燃气体，既强化了燃烧、降低了能耗，又减少了环境污染。

结合附图阅读本发明的具体实施方式后，本发明的特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例用于热等离子体废物处理系统的蓄热式高温余热回收装置的结构示意图；

图2为图1中回转式垃圾预热器的结构示意图；

图3为图2的A-A截面示意图；

其中，1、坩埚，2、垃圾气化熔融炉，3、锁料进料器，31、锁料挡片，4、回转式垃圾预热器，41、外筒体，42、内筒体，43、刀片，44、保温层，451、送风接口，452、回风接口，461、送风栅板，462、回风栅板，47、密封圈，51、第一高温烟气管路，52、热空气回风管路，53、第二高温烟气管路，54、热空气送风管路，6、双层门密封进料器，7、等离子体炬，8、二次燃烧室，81、挡烟板，9、第一鼓风机，10、耐高温蝶阀，11、蓄热体，12、第二鼓风机，13、四通阀，14、布袋除尘器，15、第三鼓风机，16、烟囱，17、电机，181、齿轮，182、齿圈。

具体实施方式

等离子体是指电离的气态物质，是物质存在的一种状态，与固态、液态和气态并列，俗称“第四态”，是由大量互相作用但仍处于非束缚状态下的带电粒子组成的宏观体系。由于大量带电粒子的存在，等离子体具有强导电性以及范围异常宽广的密度、温度、磁场强度等参数。同时等离子体中含有的离子、电子、激发态原子、分子、自由基等极活泼的化学反应粒子使得化学反应的能量水平特别高。等离子体发生化学反应时，电子从电场获得能量，通过碰撞将能量转移到分子或原子中去，这些分子或原子因获得能量而被激发，同时有部分分子被电离而成为活性基团，然后这些活性基团与分子或原子碰撞，或活性基团之间相互碰撞形成稳定产物和热。

如图1至图3所示，本实施例提供一种用于热等离子体废物处理系统的蓄热式高温余热回收装置，包括回转式垃圾预热器4、双层门密封进料器6、锁料进料器3、垃圾气化熔融炉2、坩埚1、等离子体炬7、二次燃烧室8、蓄热体11、四通阀13、布袋除尘器14和烟囱16等。

回转式垃圾预热器4的上端密封连接双层门密封进料器6，回转式垃圾预热器4的下端密封连接锁料进料器3。打开双层门密封进料器6投入医疗废物并关闭双层门密封进料器6，医疗废物经回转式垃圾预热器4进入锁料进料器3。医疗废物在回转式垃圾预热器4中被高温空气和烟气的混合气体预热。高温空气和烟气的混合气体温度较高，几乎等于垃圾气化熔融炉2内烟气的温度，二者温差缩小至50-100℃的极限换热水平。大部分高温空气与高温烟气混合后进入回转式垃圾预热器4预热医疗废物。在回转式垃圾预热器4内，混合高温气体与医疗废物逆流流动，加强预热效果，去除废物水分，提高废物温度，进一步减少后续等离子体炬7的耗电量。

等离子体炬7在垃圾气化熔融炉2的氧化区位置的温度高达1600℃以上，而一般医疗废物中含有30-40％的水分，将这些水分完全依靠等离子体炬7(也即电能)汽化并进一步加热到1600℃以上的高温时，电耗极高。但如果提前将水分采用其他方法预热蒸发成为蒸汽，则因为避开了能耗很高的垃圾气化熔融炉2内水分的汽化潜热(水分的汽化潜热比显热高的多)，就可以大幅度的降低其加热过程所需的电耗。本装置在回转式垃圾预热器4中对医疗废物预热，大幅度降低了医疗废物中水分的汽化需热，一定程度上降低了医疗废物熔融需热和分解需热，可以极大的降低等离子体炬7电能的消耗。粗估可知，医疗废物被预热到100℃时，电耗降低7.8％；医疗废物被预热到200℃时，电耗降低17.4％。

回转式垃圾预热器4包括外筒体41、内筒体42和电机17等部件。外筒体41的上端密封连接双层门密封进料器6，外筒体41的上端连接有回风接口452，回风接口452用于连接热空气回风管路52。外筒体41的下端密封连接锁料进料器3，外筒体41的下端连接有送风接口451，送风接口451用于连接第一高温烟气管路51和热空气送风管路54。送风接口451处设置有送风栅板461，回风接口452处设置有回风栅板462。第一高温烟气管路51的高温烟气经送风接口451吹入外筒体41，从回风接口452经热空气回风管路52回流的过程中，送风栅板461、回风栅板462可避免医疗废物进入第一高温烟气管路51、热空气回风管路52中。

内筒体42的两端转动连接于外筒体41的内部，外筒体41上设置电机支架，电机支架上装配电机17，电机17的转轴连接有齿轮181，内筒体41的外侧设置有齿圈182，齿轮181与齿圈182啮合。电机17驱动内筒体41在外筒体41内转动，使医疗废物在内筒体41中翻转。

内筒体41的外侧于齿圈182的两侧均设置有若干个密封圈47，以避免外筒体41中的高温烟气泄漏。

外筒体41的内壁铺设有保温层44，以减少外筒体41内的高温烟气热量散失。

内筒体41的内壁设置有若干个刀片43，刀片43沿内筒体41的轴向延伸布置。医疗废物在内筒体41中翻转时，医疗废物被刀片43切碎，使医疗废物更容易在后续的垃圾气化熔融炉2中充分熔融。刀片43同时支撑内筒体41内的医疗废物，使高温烟气经刀片43间的间隙流过，增强导热，使医疗废物预热均匀。

锁料进料器3包括锁料筒，锁料筒的上端密封连接回转式垃圾预热器4的下端，锁料筒的下端密封连接垃圾气化熔融炉2，锁料筒的下端转动连接有转轴，转轴上设置多个锁料挡片31。锁料挡片31的转动以控制锁料筒中医疗废物间歇地进入垃圾气化熔融炉2。医疗废物经垃圾气化熔融炉2中的干燥层、热解层、氧化层、还原层产生可燃气体，残渣经下部等离子体炬7的高温氛围熔融玻化，形成无污染的玻化渣。可燃气体在二次燃烧室8内充分燃烧，其处理温度高达1400℃。

垃圾气化熔融炉2的下端设置坩埚1，坩埚1的侧壁环绕设置多个等离子体炬7。等离子体炬7的工作气体经电弧放电后，向坩埚1内喷出上万摄氏度高温的等离子体气体，在垃圾气化熔融炉2内形成高温氛围，熔融医疗废物残渣，同时为气化提供热量。

垃圾气化熔融炉2为上吸式，有利于大幅度降低烟气中携带的烟尘，从而可以有效降低蓄热体11内的灰沉积。

在垃圾气化熔融炉2内，医疗废物发生许多超高温化学反应如下：

a、等离子体裂解。易分解的物质在高温下裂解，分解成小分子物质。

b、等离子体气化。医疗废物在缺氧的条件下，经干燥、热解、氧化和还原过程，生成H₂、CO、及低分子的CmHn等可燃性气体。

c、等离子体固化。高温条件下无机材料在坩埚1内发生熔融，生成玻璃化残渣，为惰性物质，其渗透性极低，有害物质封闭在固体中。熔融的玻璃化渣经坩埚1一侧的渣排放口流出后落入水封渣坑，最后经水冲离开。

垃圾气化熔融炉2的一侧连接二次燃烧室8，二次燃烧室8内壁上方悬空设置有挡烟板81，挡烟板81将二次燃烧室8分隔成前燃烧室和后燃烧室，前燃烧室和后燃烧室的底部连通，第一高温烟气管路51、第二高温烟气管路53均连接后燃烧室，热空气回风管路52连接前燃烧室。经过回转式垃圾预热器4的气体含有可燃性气体及氮硫污染性气体。若直接将气体排入大气会造成环境污染，若进行脱硫脱硝处理会提高成本，因此将污染性气体经热空气回风管路52引入二次燃烧室8的前燃烧室做助燃气体，既强化了燃烧，又减少了环境污染。二次燃烧室8内，在平均燃烧温度提高，局部燃烧高温降低的情况下将二恶英等有害成分彻底燃尽、分解。

二次燃烧室8经第一高温烟气管路51连接回转式垃圾预热器4下端的送风接口451，回转式垃圾预热器4上端的回风接口452经热空气回风管路52连接二次燃烧室8。热空气回风管路51上设置有第一鼓风机9。

二次燃烧室8经第二高温烟气管路53连接蓄热体11，蓄热体11经热空气送风管路54分别连接回转式垃圾预热器4的下端和垃圾气化熔融炉2的下端。第二高温烟气管路53、热空气送风管路54上均设置有耐高温蝶阀10。通过控制耐高温蝶阀10，每间隔一段时间，左蓄热体和右蓄热体轮流进行吸收烟气热和加热空气的操作。

垃圾气化熔融炉2内气化生成的可燃气体进入二次燃烧室8，燃烧后产生的一部分高温烟气通过引射方法从后燃烧室经热空气回风管路51引出一小部分高温烟气进入回转式垃圾预热器4，同来自热空气送风管路54的高温空气混合后预热医疗废物。经热空气回风管路51引出的高温烟气的引入回转式垃圾预热器4，一是用来稀释助燃空气以便于降低二次燃烧室8内NOx的排放，二是烟气中的三原子气体可以增大回转式垃圾预热器4中烟气/空气混合气体对垃圾的辐射换热。

蓄热体11经热空气送风管路54连接垃圾气化熔融炉2的下端，蓄热体11内的高温空气通入垃圾气化熔融炉2底部作气化剂，在垃圾气化熔融炉2底部形成高温氛围，减少了等离子体炬7需要转换的热量，进而减少了等离子体炬7的电耗。由于垃圾气化熔融炉2中气化需要将更多的能量保存在反应后得到的可燃气体中，因此气化空气当量比一般在0.28左右。经蓄热体11加热后的少部分空气经经热空气送风管路54引入垃圾气化熔融炉2作气化剂，同时，预热后的高达1050℃的空气在垃圾气化熔融炉2底部形成高温氛围。由于等离子体炬7原理为利用气体在被电离状态下的导电性，迅速把电能转化成热能，因此高温氛围大大降低了等离子体炬7消耗的电量。

蓄热体11包括左蓄热体和右蓄热体，左蓄热体上分别连接第二高温烟气管路53、热空气送风管路54，右蓄热体上分别连接第二高温烟气管路53、热空气送风管路54。剩余烟气经第二高温烟气管路53、耐高温蝶阀10进入蓄热体11放热。

四通阀13经第一支路、第二支路分别连接蓄热体11，四通阀13经第三支路连接第二鼓风机12，四通阀13经第四支路连接布袋除尘器14，布袋除尘器14经第三鼓风机15连接烟囱16。通过四通阀13的切换使高温烟气和冷空气交替流经蓄热体11并进行换热。当烟气流过蓄热体11时，烟气把自身的热量传给蓄热体11，蓄热体11存储热量，温度逐渐升高；下一个周期切换四通阀13后，从第二鼓风机12经四通阀13来的冷空气流过，冷空气从蓄热体11得到热量，蓄热体11的温度逐渐降低。如此反复，形成一个非稳态的传热过程。这样，通过蓄热体11的冷空气达到了预定高温，通过的烟气又下降到了预定低温，蓄热体11就把高温烟气中的显热转移到了冷空气中，最大限度地回收了高品质余热。低温烟气经布袋除尘器14除尘后，经第三鼓风机15、烟囱16排放至大气。

传统的无余热利用的等离子体医疗废物处理系统，医疗垃圾经破碎后直接落入垃圾气化熔融炉2。首先经过干燥阶段：在热量的作用下，析出表面水分。其中少部分热量来自氧化层的燃烧热，大部分来自等离子体炬7将电能转化成的热能，消耗大量电能。同时气垃圾气化熔融炉2底部需要高温氛围将炉渣熔融，也需要等离子体炬7将大量电能转化成热能。

本实施例的用于热等离子体废物处理系统的蓄热式高温余热回收装置，充分利用了余热来预热医疗废物，提高废物温度，同时去除大量水分，减少了干燥阶段所需要的电能。根据热量来源分析可得：医疗废物经预热后，一方面减少了垃圾气化熔融炉2内所需的热，将能量尽可能的保留在了反应后得到的可燃气体中，提高了可燃气体的热值。另一方面，大大减少了等离子体炬7所耗电能。就利用余热预热垃圾这一节能措施来说，可以粗略地认为，医疗废物预热过程能够利用多少废热，就能直接降低多少电耗。

Q_节能＝Q_未预热×(T_预热-T_环境)/(T_处理-T_环境)

上式中，当环境温度(T_环境)为20℃，最高处理温度(T_处理)为1050℃时，可以粗略估算出垃圾被预热到100℃(T_预热)时，电耗降低7.8％，垃圾被预热到200℃(T_预热)时，电耗降低17.4％，节省的电量非常可观。而医疗废物含水量较高，可达20％—40％，则由于水的气化潜热远大于显热，只要在预热阶段使水分汽化就能获得大幅度的节电效果。

预热后的少部分高达1050℃的空气通入垃圾气化熔融炉2的底部，形成了高温氛围。

用下列公式粗略估算因预热空气的引入而节省的电能

Q_节能＝Q_未预热×(T_预热-T_环境)/(T_氛围温度-T_环境)

氛围温度(T_氛围温度)为3000℃左右(估算取3000℃)，环境温度(T_环境)为20℃，预热温度(T_预热)取1050℃，则电耗降低34.6％，数量可观。

此外，预热医疗废物后的气体由于含有H₂S、NH₃等污染性气体及可燃性气体CO，因此将污染性气体引入二次燃烧室8做助燃气体，既强化了燃烧、降低了能耗，又减少了环境污染。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于热等离子体废物处理系统的蓄热式高温余热回收装置，其特征在于：包括回转式垃圾预热器、双层门密封进料器、锁料进料器、垃圾气化熔融炉、坩埚、等离子体炬、二次燃烧室、蓄热体、四通阀、布袋除尘器和烟囱，回转式垃圾预热器的上端密封连接双层门密封进料器，回转式垃圾预热器的下端密封连接锁料进料器，锁料进料器的下端密封连接垃圾气化熔融炉，垃圾气化熔融炉的下端设置坩埚，坩埚的侧壁设置若干个等离子体炬，垃圾气化熔融炉的一侧连接二次燃烧室，二次燃烧室经第一高温烟气管路连接回转式垃圾预热器的下端，回转式垃圾预热器的上端经热空气回风管路连接二次燃烧室，热空气回风管路上设置有第一鼓风机，二次燃烧室经第二高温烟气管路连接蓄热体，蓄热体经热空气送风管路分别连接回转式垃圾预热器的下端和垃圾气化熔融炉的下端，第二高温烟气管路、热空气送风管路上均设置有耐高温阀门，四通阀经第一支路、第二支路分别连接蓄热体，四通阀经第三支路连接第二鼓风机，四通阀经第四支路连接除尘器，布袋除尘器经第三鼓风机连接烟囱。

2.根据权利要求1所述的用于热等离子体废物处理系统的蓄热式高温余热回收装置，其特征在于：回转式垃圾预热器包括外筒体、内筒体和电机，外筒体的上端密封连接双层门密封进料器，外筒体的上端连接用于连接热空气回风管路的回风接口，外筒体的下端密封连接锁料进料器，外筒体的下端连接有用于连接第一高温烟气管路、热空气送风管路的送风接口，内筒体转动连接于外筒体的内部，外筒体上设置电机，电机的转轴连接有齿轮，内筒体的外侧设置有与齿轮啮合的齿圈。

3.根据权利要求2所述的用于热等离子体废物处理系统的蓄热式高温余热回收装置，其特征在于：内筒体的内壁设置有若干个刀片，刀片沿内筒体的轴向延伸布置。

4.根据权利要求2所述的用于热等离子体废物处理系统的蓄热式高温余热回收装置，其特征在于：回风接口处设置有回风栅板，送风接口处设置有送风栅板。

5.根据权利要求2所述的用于热等离子体废物处理系统的蓄热式高温余热回收装置，其特征在于：内筒体的外侧于齿圈的两侧均设置有若干个密封圈。

6.根据权利要求2所述的用于热等离子体废物处理系统的蓄热式高温余热回收装置，其特征在于：外筒体的内壁铺设有保温层。

7.根据权利要求1所述的用于热等离子体废物处理系统的蓄热式高温余热回收装置，其特征在于：二次燃烧室内壁上方悬空设置有挡烟板，挡烟板将二次燃烧室分隔成前燃烧室和后燃烧室，前燃烧室和后燃烧室的底部连通，第一高温烟气管路、第二高温烟气管路均连接后燃烧室，热空气回风管路连接前燃烧室。

8.根据权利要求1所述的用于热等离子体废物处理系统的蓄热式高温余热回收装置，其特征在于：锁料进料器包括锁料筒，锁料筒的上端密封连接回转式垃圾预热器的下端，锁料筒的下端密封连接垃圾气化熔融炉，锁料筒的下端转动连接有转轴，转轴上设置多个锁料挡片。

9.根据权利要求1所述的用于热等离子体废物处理系统的蓄热式高温余热回收装置，其特征在于：所述除尘器为布袋除尘器。

10.根据权利要求1所述的用于热等离子体废物处理系统的蓄热式高温余热回收装置，其特征在于：蓄热体包括左蓄热体和右蓄热体，两蓄热体上均分别连接第二高温烟气管路、热空气送风管路。