本发明涉及固体废物处理领域，具体地本发明涉及用于固体废物处理的等离子体重整燃烧室和方法。
背景技术：
随着社会的发展，危险废物的排放也日益增多。据估计，全世界每年的危险废物产生量达三亿多吨。同时，附着环保意识的加强，对环保的标准要求也在不断提高，这对危险废物的处理产生了巨大的压力。
焚烧处理是固体废物处理的一种有效方式。焚烧处理时使用到焚烧炉，其通常设有两个燃烧室，即一燃室和二燃室。采用两级燃烧方式，一燃室燃烧固体，产生烟气进入二燃室，在此燃烧烟气从而进一步除去烟气中未燃烬的有害物质。
例如，cn107676795a公开了一种旋转窑炉二燃室熔融系统，其包括旋转窑炉，旋转窑炉连接二燃室，二燃室内设置有燃料喷头，二燃室内设置有进气头，二燃室下端设置有熔融装置，熔融装置下端设置有排料管，熔融装置包括保温座，保温座内设置有熔融釜，熔融釜设置在涡流加热装置内，熔融釜上端设置有开口斜向上的燃气喷管，燃气喷管连接进气控制阀，进气控制阀连接进气管，进气管通过连接装置连接外置的燃气罐，熔融釜下端设置有排料道，排料道上装有排料控制阀，排料道设置在排料管内，该结构稳固，运行稳定，节省能源，方便排料处理，环保可靠。
再如，cn206875445u公开了一种危险废物焚烧系统的二燃室，通过在二燃室本体内设置盘形风管，空气由盘形风管的小孔进入二燃室本体，保证了二燃室本体中的烟气与空气的充分接触，保证烟气燃烧更加彻底；二燃室本体中部和下部设置的二次风机与天然气燃烧器保证二燃室烟气温度达到标准以及烟气有足够的扰动形成旋流，从而充分燃烧；通过dcs控制系统、火焰检测器、氧化锆氧传感器以及温度传感器等组成自动控制系统，实现了燃料流量、风量的实时联动控制，让二燃室内的燃烧温度更稳定，控制更智能化；解决了传统焚烧系统中二燃室中烟气燃烧不彻底、燃烧过程不可控、智能化程度低的缺点。
如上所述，现有的二燃室虽然可以除去烟气中残留的有害成分，但是存在流动均匀性较差，有害成分去除不完全的问题。仍然需要更加彻底地去除有害成分的技术和设备。
技术实现要素：
为了解决上述问题，本发明在固体废物处理方法进行了深入研究，并提供一种新的用于固体废物处理的设备和方法。具体地，本发明包括以下内容。
本发明的一方面，提供一种用于固体废物处理的等离子体重整燃烧室，其包括自上而下设置的烟气进口、第一扩张段、第一等直段、第一收缩段、第二扩张段、拐角段、灰渣收集段和灰渣出口，在所述拐角段沿水平方向向外依次连接第二等直段、第二收缩段以及合成气或烟气出口；其中所述等离子体重整燃烧室包括上下设置的第一组接口和第二组接口，所述第一组接口用于连接等离子体炬，其设置于所述第一扩张段，所述第二组接口用于连接燃料喷嘴和/或等离子体炬，其设置于所述拐角段。
在某些实施方案中，所述第一扩张段的截面为圆形，且自上而下逐渐扩张，扩张半角为10～30度；所述第一等直段为等截面圆筒；所述第一收缩段的截面为圆形，且自上而下逐渐收缩，收缩半角为40～60度；所述第二扩张段的截面为圆形，且自上而下逐渐扩张，扩张半角为10～30度；所述拐角段为等径三通结构，上方与所述第二扩张段连接，下方与所述灰渣收集段连接，水平方向与第二等直段的一端连接；所述灰渣收集段为收缩锥，收缩半角为10～30度，用于收集烟气产生的灰渣；所述灰渣出口为圆截面管道，用于排除灰渣。
在某些实施方案中，所述第二等直段为等截面圆筒；所述合成气或烟气出口为收缩段，收缩半角为30～50度。
在某些实施方案中，所述第一组接口包括偶数个接口，其均匀设置于第一扩张段，且所述各接口与扩张锥面垂直。
在某些实施方案中，所述第二组接口包括第一接口、第二接口和第三接口，且所述第一接口与第三接口沿所述第二等直段的中心轴对称设置，所述第二接口沿所述第二等直段的中心轴设置，且所述第一接口与所述第二接口的夹角以及所述第二接口与所述第三接口的夹角分别为60度。
在某些实施方案中，本发明的等离子体重整燃烧室进一步包括空气进口组，其设置于所述第二扩张段。
在某些实施方案中，所述空气进口组包括偶数个空气进口，其均匀分布于所述第二扩张段，各所述接口与扩张锥面垂直。
本发明的另一方面，提供一种用于固体废物处理的方法，其包括使用本发明所述的等离子体重整燃烧室的步骤，其中所述第二组接口连接等离子体炬。可选地，本发明所使用的第二组接口连接燃料喷嘴，且开启所述空气进口组中的至少部分空气进口。
在某些实施方案中，本发明的方法中等离子体重整燃烧室内的温度为950℃以上，和高温烟气在炉内停留的时间为2.0秒以上。
本发明的等离子体重整燃烧室设置有等离子体炬接口，可使等离子体重整燃烧室内的温度达到950℃以上。本发明通过合理设计，使高温烟气在等离子体重整燃烧室内均匀流动，无低温死区，停留时间大于2秒。
在优选的实施方案中，等离子体重整燃烧室设置上下两层等离子体炬，通过两层等离子体炬的高温净化，在除去烟气中残留的有机成分的同时，彻底摧毁呋喃和二噁英等有害物质。
在其他优选的实施方案中，等离子体重整燃烧室上方设置一层等离子体炬，下方设置一层燃料喷嘴。通过此二次供风装置，保证烟气在高温下同氧气充分接触，同时保证烟气在等离子体重整燃烧室的滞留时间，并根据等离子体重整燃烧室出口烟气的含氧量进行调整供风量，使烟气在炉内充分分解焚烧，从而达到更高的分解率。同时，烟气中大粒径的粉尘落入等离子体重整燃烧室底部回收。
附图说明
图1为本发明一种示例性等离子体重整燃烧室的结构。
图2为本发明一种示例性第一扩张段等离子体炬接口的布置示意图。
图3为本发明一种示例性第二扩张段空气进口的布置示意图。
图4为本发明一种示例性拐角段燃料喷嘴或等离子体炬接口的布置示意图。
附图标记说明
烟气进口1、第一扩张段2、第一等直段3、第一收缩段4、第二扩张段5、拐角段6、灰渣收集段7、灰渣出口8、第二等直段9、第二收缩段10、合成气或烟气出口11、第一组接口12、空气进口组13、第二组接口14、耐火隔热材料15。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为具体公开了该范围的上限和下限以及它们之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
除非另有说明，否则“截面”是指水平方向的截面。关于本文中所使用的“和/或”，包括所述事物的任一或全部组合。
本发明所述的“固体废物”有时简称为“固废”，是指在生产、生活和其他活动过程中产生的丧失原有的利用价值或者虽未丧失利用价值但被抛弃或者放弃的固体、半固体。按来源分类，固体废物可包括工业固体废物、城市垃圾、农业废弃物和放射性固体。按化学成分分类，固体废物可包括有机废物和无机废物。按危害状况分类，固体废物可包括有害废物和一般废物。优选地，本发明的固体废物为有机废物。有机废物是指以有机物为主要成分的废物，但这并不意味着有机废物不包含任何无机成分。优选地，本发明的有机废物包含20重量％以下，优选15重量％以下的无机成分，例如无机盐类和灰尘等。
本发明的“等离子体重整燃烧室”属于固废焚烧或气化熔融烟气处理的一部分。本发明的等离子体重整燃烧室用于处理固废焚烧炉或气化熔融炉固体后产生的气体(通常称作烟气，对未充分氧化、co和h2含量较高的也称粗合成气)。固体垃圾进入固体焚烧炉或气化熔融炉焚烧或裂解，有效地控制了一部分剧毒气体(例如，二噁英)的生成。本发明的等离子体重整燃烧室用于进一步处理焚烧炉或气化熔融炉后得到的气体中的有害成分。传统固废焚烧系统中二燃室是焚烧炉的一部分，按gb18485-2014的规定焚烧炉温度只需850℃，停留2s以上即可。本发明的优势在于等离子炬产生的温度更高，内部温度可达到950℃以上，并且与第一扩张段、第一等直段、第一收缩段配合可以均匀且高效地除去二噁英等有害物质，去除效果远高于其它二燃室。
本发明通过采用等离子体高温技术，并通过合理设计等离子体重整燃烧室的结构，从而提高了烟气中残留有害成分的去除率，特别是彻底摧毁呋喃和二噁英等有毒有害物质。具体地，本发明包括用于固体废物处理的等离子体重整燃烧室和方法。下面进行详细说明。
用于固体废物处理的等离子体重整燃烧室
本发明的用于固体废物处理的等离子体重整燃烧室包括自上而下设置的烟气进口、第一扩张段、第一等直段、第一收缩段、第二扩张段、拐角段、灰渣收集段、灰渣出口，以及在拐角段处沿水平方向向外依次连接第二等直段、第二收缩段以及合成气或烟气出口。
本发明的烟气进口用于连接烟管道的一端，烟管道的另一端可连接一燃室，从而将一燃室产生的烟气导入等离子体重整燃烧室。烟气进口的形状不特别限定。优选地，烟气进口为圆截面管道。烟气进口与烟管道的连接方式不特别限定，例如，可通过法兰连接等。
本发明的第一扩张段的截面可为任何形状，例如，三角形、圆形、椭圆形、多边形等，优选为圆形。第一扩张段自上而下逐渐扩张，扩张半角为10～30度，优选15～25度，更优选16～24度，最优选20度。扩张半角过小或过大对于烟气进入的流向产生不利影响，不利于烟气的混合。第一扩张段具有最小截面和最大截面，最大截面的面积为最小截面的面积的2:5倍，优选3倍，从而更有利于烟气的混合。
本发明的第一等直段设置于第一扩张段的下方，优选沿垂直方向设置。其优选为一段等截面圆筒。在垂直方向上，第一扩张段的长度与第一等直段的长度之比为2.5～1.5:1，优选2:1。
本发明的第一收缩段设置于第一等直段下方，其水平方向的截面为圆形，且自上而下逐渐收缩，收缩半角为40～60度，优选43～55度，更优选45度。第一收缩段的截面不特别限定，可为三角形、圆形、椭圆形、多边形等，优选为圆形。第一收缩段具有最大截面积和最小截面积，且最大截面的面积为最小截面的面积的1.5:2.5倍，优选1.8倍，从而更有利于烟气的混合。
本发明的等离子体重整燃烧室中，在垂直方向上，第一等直段的长度与第一收缩段的长度之比为2.5～1.5:1，优选2:1。
本发明的第二扩张段设置于第一收缩段下方。第二扩张段自上而下逐渐扩张，扩张半角为10～30度，优选15～25度，优选20度。第二扩张段水平方向的截面不特别限定，可为三角形、圆形、椭圆形、多边形等，优选为圆形。第二扩张段具有最大截面积和最小截面积，且最大截面的面积为最小截面的面积的1.5:2.5倍，优选1.8倍，从而更有利于烟气的混合。
本发明的等离子体重整燃烧室中，在垂直方向上，第一收缩段的长度与第二扩张段的长度之比为1:2.5～3.5，优选1:3。
本发明中，第一扩张段、第一等直段、第一收缩段和第二扩张段构成扩张-收缩-扩张的结构，可以消除烟气通过等离子体炬区域的不均匀性，在第二扩张段形成均匀温度场；同时有效抑制大分离涡的产生，避免过多空气与等离子体炬高温区接触，大大降低氮氧化物的产生概率。
本发明的拐角段优选为等径三通，其上方设置第二扩张段，下方设置灰渣收集段，侧面设置第二等直段。
本发明的灰渣收集段优选为收缩段，用于收集等离子体重整燃烧室内产生的固体灰渣至灰渣出口。经等离子体重整燃烧室净化后的精合成气经由第二等直段由合成气或烟气出口排出，进入后续净化设备。
本发明的第二等直段优选为等截面圆筒，其长度不特别限定。合成气或烟气出口为收缩段，其收缩半角为30～50度，优选45度。优选地，合成气或烟气出口与烟气净化系统管道连接。
本发明的等离子体重整燃烧室包括上下设置的第一组接口和第二组接口，第一组接口用于连接等离子体炬，其设置于第一扩张段。在某些实施方案中，第一组接口包括偶数个接口，例如2个、4个、6个、8个、10个、12个、14个、16个、18个或20个接口。这些接口均匀设置于第一扩张段，且每个接口与扩张锥面垂直。在某些实施方案中，第一组接口中的各接口可全部连接等离子体炬，或仅其中部分接口连接等离子体炬。在某些实施方案中，第一组接口中的各接口全部连接等离子体炬，且以部分或全部等离子体炬能够被关闭的方式设置。
本发明中，第二组接口用于连接燃料喷嘴和/或等离子体炬，其设置于拐角段。在某些实施方案中，第二组接口包括多个接口，例如包括第一接口、第二接口和第三接口。优选地，第一接口与第三接口沿第二等直段的中心轴对称设置，第二接口沿第二等直段的中心轴设置，且第一接口与第二接口的夹角以及第二接口与第三接口的夹角分别为60度。即，第二组接口设置3个接口，呈扇形布置，布置夹角60度。在某些实施方案中，第二组接口中的多个接口均连接燃料喷嘴。在某些实施方案中，第二组接口中的多个接口均连接等离子体炬。在某些实施方案中，第二组接口的多个接口中的一部分连接等离子体炬，一部分连接燃料喷嘴。在某些实施方案中，第二组接口的多个接口中的一部分未连接任何燃料喷嘴或等离子体炬。
本发明中，优选地，等离子体重整燃烧室进一步包括空气进口组。优选地，其设置于第二扩张段。优选地，空气进口组包括偶数个空气进口，例如，4个、6个、8个、10个、12个、14个、16个、18个、20个空气进口。优选地，这些接口均匀分布于第二扩张段，且各接口与扩张锥面垂直。
本发明的等离子体重整燃烧室整体长度、口径以及各构成部分的长度比例的选取有利于确保烟气在等离子体重整燃烧室内停留2s以上的时间
本发明的等离子体重整燃烧室用于处理烟气。本发明的等离子体重整燃烧室用于处理固废焚烧炉或气化熔融炉固体后产生的气体(通常称作烟气，对未充分氧化、co和h2含量较高的也称粗合成气)。对粗合成气，本发明的方法具有二次燃烧和净化两种功能，即功能1，第一层等离子体高效净化有害成分，富氧燃烧合成气，合成气含量少则只通空气，不加燃料，合成气含量高，则需要通空气，加燃料(合成气含量高则需要通过更多空气，大量空气会使烟气温度降低，因此要加燃料燃烧补充热量)。功能2，两层等离子体高效净化有害成分，产生精合成气。其它烟气是固废前端处理采用富氧热处理方式，本发明主要是净化功能，即通过两层等离子体炬高效净化有害成分。针对合成气的功能是其它等离子体重整燃烧室不具备的，针对其它烟气，本发明效率更高。
虽然如上所述，描述了等离子体重整燃烧室的各构成部分，但本领域技术人员已知，上述各构成部分可一体成形，或预制为独立的部分，然后通过连接手段连接为一体。连接手段的实例包括焊接、螺纹连接等。
本发明的等离子体重整燃烧室内部可设置耐火隔热材料，外壳可为20g制作的钢结构壳体。
用于固体废物处理的方法
本发明所述的用于固体废物处理的方法，有时简称为本发明的方法，是指使用本发明所述等离子体重整燃烧室作为其步骤的方法。本发明的等离子体重整燃烧室可有利地控制内部温度为950℃以上，例如1000℃以上，1200℃以上，和高温烟气在内部停留的时间为2.0秒以上，从而有利于有害成分的彻底去除。本发明的方法可针对不同的烟气处置要求(合成气回收或不回收)，对烟气中的合成气部分进行焚烧或净化。
在某些实施方案中，本发明的方法使用的等离子体重整燃烧室不包括空气进口组，且第二组接口中的至少部分连接等离子体炬。可选地，本发明的方法使用的等离子体重整燃烧室包括空气进口组，且关闭空气进口组和第二组接口中的至少部分连接等离子体炬。在某些实施方案中，本发明的方法使用的等离子体重整燃烧室包括空气进口组，且第二组接口中的至少部分连接燃料喷嘴和开启空气进口组。
实施例
实施例1等离子体重整燃烧室的第一种结构
图1为本发明一种示例性等离子体重整燃烧室的结构。如图1所示，本实施例的等离子体重整燃烧室包括自上而下设置的烟气进口(1)、第一扩张段(2)、第一等直段(3)、第一收缩段(4)、第二扩张段(5)、拐角段(6)、灰渣收集段(7)、灰渣出口(8)，还包括在拐角段沿水平方向向外依次连接第二等直段(9)、第二收缩段(10)以及合成气或烟气出口(11)。本实施例的等离子体重整燃烧室还包括上下设置的第一组接口(12)、第二组接口(14)和空气进口组(13)。
本实施例的等离子体重整燃烧室中，烟气进口(1)为圆截面管道，通过法兰与进烟管道(未示出)连接。第一扩张段(2)截面为圆形，自上而下逐渐扩张，扩张半角为20°。第一等直段(3)为一段等截面圆筒。第一收缩段(4)截面为圆形，自上而下逐渐收缩，收缩半角为40°。第二扩张段(5)截面为圆形，自上而下逐渐扩张，扩张半角为20°。拐角段(6)为等径三通。灰渣收集段(7)为一收缩锥，收缩半角为20°左右，用于收集烟气产生的灰渣。灰渣出口(8)为圆截面管道，用于排除灰渣。第二等直段为一段等截面圆筒。合成气或烟气出口(11)为收缩段，收缩半角为45°。出口(11)与烟气净化系统管道(未示出)连接。
图2为本发明一种示例性第一扩张段等离子体炬接口的布置示意图。如图2所示，第一组接口(12)设置在第一扩张段(2)中部，共设置6个接口，均匀布置，接口与扩张锥面垂直。
图3为本发明一种示例性第二扩张段空气进口的布置示意图。如图3所示，空气进口组(13)设置在第二扩张段(5)中部，共设置12个接口，均匀布置，接口与扩张锥面垂直。
图4为本发明一种示例性拐角段燃料喷嘴或等离子体炬接口的布置示意图。如图4所示，燃料喷嘴或等离子体接口(14)设置在拐角段中部，共设置3个接口，呈扇形布置，布置夹角60°。
本实施例的等离子体重整燃烧室内部设置耐火隔热材料(15)，外壳为20g制作的钢结构壳体。
实施例2等离子体重整燃烧室的第二种结构
除了不包括空气进口组以外，其余结构与上述实施例1相同。
实施例3用于固体废物处理的方法(烟气中合成气需净化收集)
使用实施例1的等离子体重整燃烧室。第一组接口(12)根据烟气成分和烟气量安置6个等离子体炬，空气进口组(13)关闭，燃料喷嘴或等离子体接口(14)根据烟气成分和烟气量安装3个等离子体炬。烟气从烟气进口(1)进入后，分别通过上下两层等离子体炬高温净化，去除烟气中残留的有机成分，同时彻底摧毁呋喃和二噁英等有毒有害物质，灰渣由灰渣收集段(7)收集，并由灰渣出口(8)排出，净化后的精合成气由合成气或烟气出口(11)排出，进入后续净化设备。
实施例4用于固体废物处理的方法(烟气中合成气不收集)
使用实施例1的等离子体重整燃烧室，第一组接口(12)根据烟气成分和烟气量安置6个等离子体炬，空气进口组(13)根据烟气成分和烟气量开启12个，燃料喷嘴或等离子体接口(14)根据烟气成分和烟气量安装3个燃料喷嘴。烟气从烟气进口(1)进入后，在第一扩张段通过等离子体炬高温净化，去除烟气中残留的有机成分，同时彻底摧毁呋喃和二噁英等有毒有害物质，后在第二扩张段掺混空气，使合成气富氧燃烧，若燃烧温度低于950℃，需要开启燃料喷嘴喷入辅助燃料进行燃烧加温，防止温度较低二噁英重组。燃烧后的灰渣由灰渣收集段(7)收集，并由灰渣出口(8)排出，充分燃烧后的烟气由合成气或烟气出口(11)排出，进入后续净化设备。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。