CN216011777U - 一种用于回收处理废旧催化剂的等离子体熔融炉 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种用于回收处理废旧催化剂的等离子体熔融炉，等离子体熔融炉包括炉体以及用于等离子加热的等离子发生器，等离子发生器设置在炉体的炉顶壁上，炉体的侧炉壁上设置有进料口、出烟口、排渣口以及金属熔液排出口；使用等离子体熔融炉处理废旧催化剂，可以完全分解气化废旧催化剂中挟带的有害成分有机物，同时可以将废旧催化剂中的金属尤其是贵重金属如铂、铑、钯等金属高效回收，金属回收率在95％以上，而且将废旧催化剂中的非金属物质转化成无害化的玻璃体物质，作为建筑材料使用，整个过程不会产生固体废物，环保高效，且成本较低。

Description

一种用于回收处理废旧催化剂的等离子体熔融炉

技术领域

本实用新型涉及废旧催化剂回收利用窑炉技术领域，尤其是涉及一种用于回收处理废旧催化剂的等离子体熔融炉。

背景技术

世界上每年产生的废旧催化剂大约有70万吨，为制造这些催化剂耗用了大量贵金属、有色金属和其氧化物，催化剂中的有用金属的含量并不低于矿石中相应金属的含量。催化剂在使用过程中会因诸多原因导致其活性和选择性下降而从装置中卸出报废，报废的废旧催化剂含有钴、镍、钯、钛等多种金属元素及在催化过程中挟带的有害有机物质。如处置不当，废旧催化剂遇雨水或空气会转化为离子态进入水体和土壤，对水体、土壤以及植被等造成污染；此外，粒径较小的废旧催化剂，遇风会进入大气，形成可吸入颗粒物，进而危及人体健康。中国已明确将废旧催化剂列为危险废物(危废类别HW50)。目前，对于废旧催化剂绝大多数采用填埋方式进行处理，仅有约10％的废旧催化剂采用资源化方式处理。但目前所采用的资源化回收处理技术主要以湿法处理为主，湿法处理会使用大量的强酸或强碱进行溶浸、提取操作，因此产生的污水和固体废物等二次污染较为严重，且湿法处理的金属回收率通常不高于90％。

当前废旧催化剂主要带来的危害有如下：1).废旧催化剂本身具有污染性，严重影响周边环境，危害人类健康，被国家列为危险废物；2).废旧催化剂中富含大量有用金属，填埋会占用大量土地，且浪费大量的矿产资源；3).常规的湿法处理，金属回收率低，且产生严重的二次污染。

例如：钒催化剂中通常含五氧化二钒(V₂O₅)5wt％～10wt％，这是具有催化活性的主要成分。除五氧化二钒外，钒催化剂中还含有氧化钾(K₂O)或氧化钠(Na₂O)作为助催化剂以增加钒催化剂的活性。用硅藻土(成分中绝大部分是二氧化硅)作为五氧化二钒的载体，以增加催化剂的活性组分跟气体接触的表面积。有些钒催化剂还含有氧化锡、氧化锑、氧化铁和氧化铝之类的物质。钒催化剂之所以能加快二氧化硫氧化的速率，这除了吸附以外，有人认为反应过程中还产生一连串的中间化合物。

等离子炉(也称作等离子体熔融炉)是利用工作气体被电离时产生的等离子体来进行加热或熔炼的电炉。产生等离子体的装置通常叫作等离子枪，等离子枪也称等离子发生器、等离子炬等，有电弧等离子枪和高频等离子枪两种。等离子加热的特点：温度高，功率密度大，热量集中，等离子体一般呈中性，可避免物料的氧化和还原，还可在真空或控制气氛中加热。因为等离子加热的温度远高于普通的加热装置，能够使得废弃物得到彻底分解，因此现在通常采用等离子炉处理垃圾、危险废物等。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的是提供一种用于回收处理废旧催化剂的等离子体熔融炉。

为解决上述的技术问题，本实用新型提供的技术方案为：

一种用于回收处理废旧催化剂的等离子体熔融炉，所述等离子体熔融炉包括炉体以及用于等离子加热的等离子发生器；

所述等离子发生器设置在所述炉体的炉顶壁上；

所述炉体的侧炉壁的顶部设置有用于进废旧催化剂、捕集剂以及助熔剂混合后的混合物料的进料口：

所述炉体的侧炉壁的顶部设置有用于排出烟气的出烟口；

所述炉体的侧炉壁的底部设置有用于排出熔渣的排渣口；

所述炉体的侧炉壁的底部设置有用于排出金属熔液的金属熔液排出口。

优选的，所述等离子发生器包括两根石墨电极，其中一根石墨电极为阳极，另外一根石墨电极为阴极。

优选的，所述等离子体熔融炉包括熔炼炉体与烟气处理塔，所述熔炼炉体为水平卧式长箱状外形，所述烟气处理塔设置在所述熔炼炉体的长度方向的尾部的炉顶上，所述熔炼炉体内的炉腔与所述烟气处理塔中的空腔是连通的以构成烟气流通通道。

优选的，所述熔炼炉体的炉腔包括熔炼区、沉降分离区以及排出区；

所述熔炼区、沉降分离区、排出区按照从熔炼炉体的炉头到炉尾的方向依次排列；

所述等离子发生器设置在所述熔炼炉体中的熔炼区的炉顶壁上；

所述进料口设置在所述熔炼炉体中的熔炼区的侧炉壁上：

所述出烟口设置在所述烟气处理塔的侧炉壁的顶部；

所述排渣口设置在所述熔炼炉体中的排出区的侧炉壁上：

所述金属熔液排出口设置在所述熔炼炉体中的排出区的侧炉壁上。

优选的，所述熔炼炉体的炉底的内表面是按照从熔炼炉体的炉头到炉尾的方向向下倾斜的斜面，以利于熔炼区中的熔液向下流入沉降分离区中进行沉降分离分层，然后再向下流入排出区等待外排。

优选的，所述熔炼炉体的炉底的内表面上设置有用于集聚金属熔液的集液槽，所述集液槽的长度方向为按照从熔炼炉体的炉头到炉尾的方向，所述集液槽的内槽底面按照从熔炼炉体的炉头到炉尾的方向向下倾斜，且所述熔炼炉体的炉底的且位于所述集液槽的左侧的内表面从左到右向下倾斜，且所述熔炼炉体的炉底的且位于所述集液槽的右侧的内表面从右到左向下倾斜，所述集液槽的尾端出口与所述金属熔液排出口连通，以利于所述熔炼炉体的炉底的内表面上的金属熔液向下向中间流动汇集在集液槽中。

优选的，所述熔炼区的两面长高向侧墙上设置有用于插入炉内熔液中且对炉内熔液进行电弧加热与电阻加热的电极；

所述沉降分离区的两面长高向侧墙上设置有用于插入炉内熔液中且对炉内熔液进行电弧加热与电阻加热的电极；

所述排出区的两面长高向侧墙上设置有用于插入炉内熔液中且对炉内熔液进行电弧加热与电阻加热的电极。

本实用新型提供了一种用于回收处理废旧催化剂的等离子体熔融炉，等离子体熔融炉包括炉体以及用于等离子加热的等离子发生器，等离子发生器设置在炉体的炉顶壁上，炉体的侧炉壁上设置有进料口、出烟口、排渣口以及金属熔液排出口；使用等离子体熔融炉处理废旧催化剂，可以完全分解气化废旧催化剂中挟带的有害成分有机物，同时可以将废旧催化剂中的金属尤其是贵重金属如铂、铑、钯等金属高效回收，金属回收率在95％以上，而且将废旧催化剂中的非金属物质转化成无害化的玻璃体物质，作为建筑材料使用，整个过程不会产生固体废物，环保高效，且成本较低。

附图说明

图1为本实用新型的实施例提供的一种用于回收处理废旧催化剂的等离子体熔融炉的剖面结构示意图；

图2为本实用新型的另一实施例提供的一种用于回收处理废旧催化剂的等离子体熔融炉的长高向剖面结构示意图；

图中：1炉体，101等离子发生器，1011等离子发生器中的石墨电极，102进料口，103出烟口，104排渣口，105金属熔液排出口，106熔渣，107金属熔液；

2熔炼炉体，201熔炼区，202沉降分离区，203排出区，204电极，205测温热电偶，206液位探针；

3烟气处理塔。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“轴向”、“径向”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“竖直”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”，可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征的的正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征的正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

参考图1—2，图中：炉体1，等离子发生器101，等离子发生器101中的石墨电极1011，进料口102，出烟口103，排渣口104，金属熔液排出口105，熔渣106，金属熔液107；熔炼炉体2，熔炼区201，沉降分离区202，排出区203，电极204，测温热电偶205，液位探针206；烟气处理塔3。

本申请提供了一种用于回收处理废旧催化剂的等离子体熔融炉，所述等离子体熔融炉包括炉体1以及用于等离子加热的等离子发生器101；

所述等离子发生器101设置在所述炉体1的炉顶壁上；

所述炉体1的侧炉壁的顶部设置有用于进废旧催化剂、捕集剂以及助熔剂混合后的混合物料的进料口102：

所述炉体1的侧炉壁的顶部设置有用于排出烟气的出烟口103；

所述炉体1的侧炉壁的底部设置有用于排出熔渣106的排渣口104；

所述炉体1的侧炉壁的底部设置有用于排出金属熔液107的金属熔液排出口105。

在本申请的一个实施例中，所述等离子发生器101包括两根石墨电极1011，其中一根石墨电极1011为阳极，另外一根石墨电极1011为阴极。

在本申请的一个实施例中，所述等离子体熔融炉包括熔炼炉体2与烟气处理塔3，所述熔炼炉体2为水平卧式长箱状外形，所述烟气处理塔3设置在所述熔炼炉体2的长度方向的尾部的炉顶上，所述熔炼炉体2内的炉腔与所述烟气处理塔3中的空腔是连通的，所述熔炼炉体2内的炉腔与所述烟气处理塔3中的空腔连通构成烟气流通通道。

在本申请的一个实施例中，所述熔炼炉体2的炉腔包括熔炼区201、沉降分离区202以及排出区203；

所述熔炼区201、沉降分离区202、排出区203按照从熔炼炉体2的炉头到炉尾的方向依次排列；

所述等离子发生器101设置在所述熔炼炉体2中的熔炼区201的炉顶壁上；

所述进料口102设置在所述熔炼炉体2中的熔炼区201的侧炉壁上：

所述出烟口103设置在所述烟气处理塔3的侧炉壁的顶部；

所述排渣口104设置在所述熔炼炉体2中的排出区203的侧炉壁上：

所述金属熔液排出口105设置在所述熔炼炉体2中的排出区203的侧炉壁上。

在本申请的一个实施例中，所述熔炼炉体2的炉底的内表面是按照从熔炼炉体2的炉头到炉尾的方向向下倾斜的斜面，以利于熔炼区201中的熔液向下流入沉降分离区202中进行沉降分离分层，然后再向下流入排出区203等待外排。

现有技术中，催化剂中的绝大部分质量是载体，有用金属含量很少，例如钒催化剂中通常含五氧化二钒(V₂O₅)5wt％～10wt％，这是具有催化活性的主要成分，其余的是硅藻土载体(90wt％～95wt％)，因此，在熔炼处理废旧催化剂时，炉内熔液中，熔渣106的质量占90wt％～95wt％，金属熔液107的质量占5wt％～10wt％，这就导致了金属熔液107的熔池深度很薄，甚至是金属熔液107不能形成一个完整的熔池，而是断断续续的类似于星罗棋布的小池塘一样，从而导致金属熔液107不易从金属熔液排出口105中排出。为此，在本申请的一个实施例中，所述熔炼炉体2的炉底的内表面上设置有用于集聚金属熔液107的集液槽，所述集液槽的长度方向为按照从熔炼炉体2的炉头到炉尾的方向，所述集液槽的内槽底面按照从熔炼炉体的炉头到炉尾的方向向下倾斜，且所述熔炼炉体2的炉底的且位于所述集液槽的左侧的内表面从左到右向下倾斜，且所述熔炼炉体2的炉底的且位于所述集液槽的右侧的内表面从右到左向下倾斜，所述集液槽的尾端出口与所述金属熔液排出口105连通，以利于所述熔炼炉体的炉底的内表面上的金属熔液107向下向中间流动汇集在集液槽中。

在本申请的一个实施例中，所述熔炼区201的两面长高向侧墙上设置有用于插入炉内熔液中且对炉内熔液进行电弧加热与电阻加热的电极204；

所述沉降分离区202的两面长高向侧墙上设置有用于插入炉内熔液中且对炉内熔液进行电弧加热与电阻加热的电极204；

所述排出区203的两面长高向侧墙上设置有用于插入炉内熔液中且对炉内熔液进行电弧加热与电阻加热的电极204；

上述电极204为石墨电极或二氧化锡电极；

本申请中，通电电极204浸没在炉内熔液中(优选的电极204浸没在液深更大的熔渣106中)，属内部加热，等离子发生器101在炉内熔液的上方加热，属于外部加热，二者结合形成内外共同加热，从而使得窑炉内热场更加均匀，提高了废旧催化剂、捕集剂以及助熔剂混合后的混合物料的熔化速率与冶炼反应速率，提高了金属熔液107的熔池的深度，使得熔渣106与金属熔液107的温度及成分更均匀，提高了单台等离子体熔融炉处理废旧催化剂的产能与质量，更有利于实现大规模工业化生产。

本申请的工作原理为：首先将待处理的废旧催化剂与一定量的助熔剂及捕集剂混合；

然后送入等离子体熔融炉内加热至1400℃-1500℃，在此高温下，废旧催化剂中的有害有机物将会迅速气化、分解，转化成水蒸汽及二氧化碳作为烟气进一步处理后排放；

而废旧催化剂中的无机物及金属则在高温下形成熔融液态物质，在熔融状态下，废旧催化剂中的金属和非金属因为密度不同发生分离；

同时在捕集剂的作用下，废旧催化剂中的金属被捕集剂收集、熔合并富积在捕集剂中，逐渐沉积在等离子体熔融炉的底部；

废旧催化剂中的非金属物质(主要成分为Al₂O₃、SiO₂等)，这些非金属物质将与助熔剂反应，形成玻璃态物质；

等反应充分后，将等离子体熔融炉内的熔融态物质批次倒出炉外，上层的玻璃态熔融物经过冷却后形成玻璃态固化体，因玻璃体的致密结晶结构，可确保玻璃态固化体的性质稳定，使得玻璃态固化体可作为优质的建筑材料，等离子体熔融炉底部的金属物质出炉后成为富含贵金属的合金，富含贵金属的合金送至专业单位根据需要进一步提纯回收；

综上，整个回收处理过程实现了废旧催化剂的完全无害化资源化的利用。

本申请中，处理废旧催化剂中的使用的主要装置为等离子体熔融炉，使用方法为高温处理，不同于传统湿法处理；等离子体熔融炉用于处理废旧催化剂，分解气化废旧催化剂中的有害有机物质，回收废旧催化剂中的金属物质，并将废旧催化剂中的其它无机物质转化成玻璃体建筑材料。

本申请中，等离子体熔融炉使用两根石墨电极1011(其中一根为阳极，另一根为阴极)产生等离子体进行加热；常规的等离子炉通常采用等离子矩加热，缺点是电极寿命短，价格高，维修复杂；本申请采用的双石墨电极1011的等离子体炉，电极由石墨组成，价格便宜，电极使用寿命长，结构简单易于维护。

本申请中，使用的捕集剂为金属铜，其特点为金属铜的熔点低，对其它金属的熔合性好，捕集剂金属铜的添加量为5wt％—10wt％，金属铜可以和其它金属相熔合较快，可以高效捕集催化剂中的金属，金属铜的添加量为5wt％—10wt％为经验数据，太高会影响回收金属的纯度，太低会造成捕集效率下降。

本申请中，使用的助熔剂为碳酸钠和石灰石，碳酸钠是形成玻璃的重要元素，石灰石可以降低废旧催化剂的熔点，保证熔融温度在1500度以下，碳酸钠的添加比例为8wt％-12wt％，石灰石的添加比例为5wt％-10wt％，加入碳酸钠和石灰石可以保证形成玻璃体的品质和较低的熔点。

本申请采用等离子体熔融炉回收处理废旧催化剂的工艺过程：

1)将废旧催化剂按比例与捕集剂、助熔剂混合均匀得到混合物料，然后再分批次将混合物料送入等离子体熔融炉；

2)混合物料输送完毕后，通过电力控制系统，给等离子体熔融炉中的等离子发生器通入高压直流电，等离子发生器在高压直流电的作用下产生高温等离子电弧，开始对废旧催化剂、捕集剂以及助熔剂混合成的混合物料快速加热，同时因废旧催化剂存在一定的电阻，当高压直流电通过时废旧催化剂自身也会发热；

3)随着混合物料的温度升高，废旧催化剂内的有害有机物被快速气化、分解成二氧化碳和水等小分子物质随烟气排出炉外；

4)当混合物料升温到1400度左右时会逐渐变成熔融物质，其中的金属和非金属因为密度差异开始分层；

捕集剂会对废旧催化剂中的金属产生团聚、熔合作用，助熔剂则与废旧催化剂中的非金属产生反应形成玻璃态熔融物；

待反应一定时间后，高温熔融物分别从等离子体熔融炉的不同排放口排出，炉底部密度较高的金属合金物质被排放到收集槽内，冷却后根据需要进一步进行提纯得到不同金属产品；

上部密度较低的玻璃态物质排出后，经快速冷却，形成质地良好、无害的玻璃态物质作为建材使用。

本申请中，工作时，电极204的内端埋在炉料内起弧，除电极204与炉料间的电弧发出热量外，电流通过炉料时炉料电阻也产生相当大的热量，加热原理同炼钢电弧炉相似。

本申请中，熔炼炉体2的尾部连通烟气处理塔3，废旧催化剂中的有机物等受热分解气化后的烟气进入烟气处理塔3中，通过烟气处理塔3上的补风口向烟气处理塔3中补充空气或者富氧空气，补充的空气或者富氧空气与烟气反应或者二次燃烧，生成更高品质、更环保、更稳定的合成烟气，最后由烟气处理塔3上的排烟口排出，然后进入后续烟气处理工序。

本实用新型未详尽描述的方法和装置均为现有技术，不再赘述。

本文中应用了具体实施例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种用于回收处理废旧催化剂的等离子体熔融炉，其特征在于，所述等离子体熔融炉包括炉体以及用于等离子加热的等离子发生器；

所述等离子发生器设置在所述炉体的炉顶壁上；

所述炉体的侧炉壁的顶部设置有进料口：

所述炉体的侧炉壁的顶部设置有用于排出烟气的出烟口；

所述炉体的侧炉壁的底部设置有用于排出熔渣的排渣口；

所述炉体的侧炉壁的底部设置有用于排出金属熔液的金属熔液排出口。

2.根据权利要求1所述的一种用于回收处理废旧催化剂的等离子体熔融炉，其特征在于，所述等离子发生器包括两根石墨电极，其中一根石墨电极为阳极，另外一根石墨电极为阴极。

3.根据权利要求1所述的一种用于回收处理废旧催化剂的等离子体熔融炉，其特征在于，所述等离子体熔融炉包括熔炼炉体与烟气处理塔，所述熔炼炉体为水平卧式长箱状外形，所述烟气处理塔设置在所述熔炼炉体的长度方向的尾部的炉顶上，所述熔炼炉体内的炉腔与所述烟气处理塔中的空腔是连通的以构成烟气流通通道。

4.根据权利要求3所述的一种用于回收处理废旧催化剂的等离子体熔融炉，其特征在于，所述熔炼炉体的炉腔包括熔炼区、沉降分离区以及排出区；

所述熔炼区、沉降分离区、排出区按照从熔炼炉体的炉头到炉尾的方向依次排列；

所述等离子发生器设置在所述熔炼炉体中的熔炼区的炉顶壁上；

所述进料口设置在所述熔炼炉体中的熔炼区的侧炉壁上：

所述出烟口设置在所述烟气处理塔的侧炉壁的顶部；

所述排渣口设置在所述熔炼炉体中的排出区的侧炉壁上：

所述金属熔液排出口设置在所述熔炼炉体中的排出区的侧炉壁上。

5.根据权利要求4所述的一种用于回收处理废旧催化剂的等离子体熔融炉，其特征在于，所述熔炼炉体的炉底的内表面是按照从熔炼炉体的炉头到炉尾的方向向下倾斜的斜面，以利于熔炼区中的熔液向下流入沉降分离区中进行沉降分离分层，然后再向下流入排出区等待外排。

6.根据权利要求4所述的一种用于回收处理废旧催化剂的等离子体熔融炉，其特征在于，所述熔炼炉体的炉底的内表面上设置有用于集聚金属熔液的集液槽，所述集液槽的长度方向为按照从熔炼炉体的炉头到炉尾的方向，所述集液槽的内槽底面按照从熔炼炉体的炉头到炉尾的方向向下倾斜，且所述熔炼炉体的炉底的且位于所述集液槽的左侧的内表面从左到右向下倾斜，且所述熔炼炉体的炉底的且位于所述集液槽的右侧的内表面从右到左向下倾斜，所述集液槽的尾端出口与所述金属熔液排出口连通，以利于所述熔炼炉体的炉底的内表面上的金属熔液向下向中间流动汇集在集液槽中。

7.根据权利要求4所述的一种用于回收处理废旧催化剂的等离子体熔融炉，其特征在于，所述熔炼区的两面长高向侧墙上设置有用于插入炉内熔液中且对炉内熔液进行电弧加热与电阻加热的电极；

所述沉降分离区的两面长高向侧墙上设置有用于插入炉内熔液中且对炉内熔液进行电弧加热与电阻加热的电极；

所述排出区的两面长高向侧墙上设置有用于插入炉内熔液中且对炉内熔液进行电弧加热与电阻加热的电极。

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