本發(fā)明涉及一種用于廢棄物熔融的新型雙電極直流電弧系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
直流電弧熔融技術(shù)是目前比較常用的廢棄物熔融爐方式?，F(xiàn)有的單電極直流電弧(以下統(tǒng)稱為單電極電弧)繼承自直流煉鋼爐技術(shù)，存在爐底電極難以維護(hù)、單電極對(duì)熔池熔融能力不足等問題。雙電極直流電弧(以下統(tǒng)稱為雙電極電弧)熔融技術(shù)，如日立造船的jph08240306和jp2003336826，以及tetronics公司的us2010/0078409等專利，無需爐底電極，且在引弧、熔融等方面具有更好的工藝靈活性。另外，takuma公司的jph09243267a論述了使用雙電極系統(tǒng)防止排渣口冷卻的技術(shù)，也可以視為雙電極電弧技術(shù)的一個(gè)變種?？偟膩碚f，雙電極直流電弧技術(shù)擁有相較單電極電弧技術(shù)更優(yōu)越的技術(shù)能力，正在逐漸得到更多的應(yīng)用。
圖1是現(xiàn)有雙極電弧系統(tǒng)熔融飛灰的結(jié)構(gòu)示意圖。圖1中，電源15的陽極連接電極11b，電流從電極11b端部流出，經(jīng)陽極電弧弧柱14b進(jìn)入熔池，經(jīng)路徑11、12、13所示線路，流經(jīng)熔池16表面17附近幾個(gè)厘米的薄層，再流至陰極電弧弧柱14a，進(jìn)入電極11a端部，最終回到電源15的陰極。飛灰從進(jìn)料方向投入熔池，經(jīng)充分熔融后，從排渣方向溢流離開熔融爐1。注意，圖中只顯示了一種可能的構(gòu)型，電極11a也可為正極，電極11b為負(fù)極，電流經(jīng)與上述描述相反的路徑流通。
雙電極電弧技術(shù)，依靠電弧傳熱和電流流經(jīng)熔池表面的焦耳熱對(duì)飛灰熔池16加熱。實(shí)驗(yàn)證明，熔池的焦耳熱是飛灰熔融的主要熱源?，F(xiàn)有雙電極系統(tǒng)中，焦耳熱集中分布在兩極附近的熔池表面，難以對(duì)熔池邊緣(包括飛灰進(jìn)料區(qū)域)和接近爐底位置等區(qū)域有效加熱。這不利于提高和優(yōu)化飛灰的熔融速率，進(jìn)而影響熔融爐的處理能力和能耗。
該問題來源于沒有充分考慮作為溶融物的飛灰與鋼水的物性差別。物性差別帶給雙電極電弧系統(tǒng)的問題有：
1、熔池的焦耳熱，主要分布在熔池表層幾個(gè)厘米深度。由于飛灰的流動(dòng)性和導(dǎo)熱率較低，很難依靠熔池自身的傳導(dǎo)熱將熱源熱量輸送至遠(yuǎn)離電弧的區(qū)域和接近爐底的位置；
2、熔池電流在熔池表面附近集中分布。依靠弧電流和電極位置(通過升降裝置12a和12b)等參數(shù)做調(diào)整，將導(dǎo)致整個(gè)熔池的阻抗、電流分布和溫度分布的變化，很難精確調(diào)整熔池局部的受熱和溫度。
3、同2，由于電流橫向(平行于熔池表面)集中分布，電磁攪拌作用(圖1種用半圓箭頭標(biāo)識(shí))不明顯，對(duì)熔池的攪拌不充分。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：針對(duì)背景技術(shù)中提及的現(xiàn)有雙電極電弧技術(shù)存在的技術(shù)不足。
本發(fā)明的設(shè)計(jì)思想是，為解決上述問題，提出了一種用于廢棄物熔融的新型雙電極直流電弧系統(tǒng)；該技術(shù)針對(duì)上述不足，改善了熔池內(nèi)的電流分布，能更加有效的實(shí)現(xiàn)對(duì)飛灰熔池的熔融。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：
一種用于廢棄物熔融的新型雙電極直流電弧系統(tǒng)，包括熔融爐(2)，設(shè)置飛灰進(jìn)料口和排渣口的熔融爐體(23)，豎直插入到爐體(23)內(nèi)的雙電極(21a、21b)且豎直插入爐體的雙電極的間距大于熔池高度兩倍以上，，兩只電極的分別接在直流電源(25)的陰極和陽極上，一一對(duì)應(yīng)于雙電極(21a、21b)用來調(diào)節(jié)雙電極(21a、21b)相對(duì)于爐體高度的兩個(gè)升降系統(tǒng)(22a、22b)，在爐體(23)的底部設(shè)置爐底導(dǎo)電件(28)，爐底導(dǎo)電件(28)的電導(dǎo)率高于熔融廢棄物兩個(gè)量級(jí)以上。
本發(fā)明的技術(shù)方案，本電弧系統(tǒng)可以適應(yīng)不同組分和不同物性的廢棄物，更加有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)熔池熔渣的熔融，最大化熔融速率，并優(yōu)化單位能耗。
對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案的改進(jìn)，雙電極(21a、21b)沿熔融爐體(23)中軸線對(duì)稱布置或者沿熔融爐體(23)中軸線偏心布置。
對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案的改進(jìn)，雙電極(21a、21b)與飛灰進(jìn)料口和排渣口排布在同一個(gè)經(jīng)過中軸線的平面上。
對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案的改進(jìn)，飛灰進(jìn)料口和排渣口排至在一個(gè)經(jīng)過中軸線的平面上，雙電極(21a、21b)所在平面與飛灰進(jìn)料口和排渣口所在平面垂直。
對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案的改進(jìn)，熔融廢棄物為焚燒爐焚燒底灰和飛灰或無機(jī)廢棄物或危險(xiǎn)廢棄物或低放射性廢棄物。
對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案的改進(jìn)，雙電極(21a、21b)均由石墨制成的棒體，為中空石墨棒或?qū)嵭氖簟?/p>
對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案的改進(jìn)，雙電極(21a、21b)為中空石墨棒，在電極棒中空通道可以通入用于穩(wěn)定電弧的工作氣體；工作氣體為氬氣或氮?dú)狻?/p>
對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案的改進(jìn)，在熔融爐體(23)內(nèi)設(shè)置引弧劑。
對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案的改進(jìn)，引弧劑引弧劑為鋼球或焦炭。
對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案的改進(jìn)，爐底導(dǎo)電件(28)的厚度為200mm，采用導(dǎo)電耐火材料或石墨盤鋪制。
本新型雙電極電弧熔融方法的主要技術(shù)優(yōu)點(diǎn)概括如下：
1、本發(fā)明的用于廢棄物熔融的新型雙電極直流電弧系統(tǒng)，熔池焦耳熱加熱的深度和寬度擴(kuò)大，使熔池體積擴(kuò)大。
2、本發(fā)明的用于廢棄物熔融的新型雙電極直流電弧系統(tǒng)，更強(qiáng)的熔池?cái)嚢枳饔茫欣诮苟鸁嵯蛉鄢剡吘墔^(qū)域的輸送。
3、本發(fā)明的用于廢棄物熔融的新型雙電極直流電弧系統(tǒng)，熔池內(nèi)電流分布和熱量分布可以通過參數(shù)做局部調(diào)整——可以靈活調(diào)整熔池內(nèi)熱量分布和溫度分布。
4、本發(fā)明的用于廢棄物熔融的新型雙電極直流電弧系統(tǒng)，卷吸作用顯著加快了熔池對(duì)飛灰的熔融能力，降低單位能耗。
附圖說明
圖1是現(xiàn)有雙極電弧系統(tǒng)熔融飛灰的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明雙電極直流電弧系統(tǒng)熔融飛灰的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是第二種實(shí)施方式所述的雙電極布置示意圖。
具體實(shí)施方式
下面對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明，但是本發(fā)明的保護(hù)范圍不局限于所述實(shí)施例。
為使本發(fā)明的內(nèi)容更加明顯易懂，以下結(jié)合附圖1-圖3和具體實(shí)施方式做進(jìn)一步的描述。
為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
如圖2所示，用于廢棄物熔融的新型雙電極直流電弧系統(tǒng)，包括熔融爐2，設(shè)置飛灰進(jìn)料口和排渣口的熔融爐體23，豎直插入到熔融爐體23內(nèi)的雙電極21a、21b且豎直插入爐體的雙電極的間距大于熔池高度兩倍以上，，兩只電極的分別接在直流電源25的陰極和陽極上，一一對(duì)應(yīng)于雙電極21a、21b用來調(diào)節(jié)雙電極21a、21b相對(duì)于爐體高度的兩個(gè)升降系統(tǒng)22a、22b，在熔融爐體23的底部設(shè)置爐底導(dǎo)電件28，爐底導(dǎo)電件28的電導(dǎo)率高于熔融廢棄物兩個(gè)量級(jí)以上。如圖2所示，雙電極21a、21b沿熔融爐23中軸線對(duì)稱布置，并與飛灰進(jìn)料口和排渣口排布在一個(gè)經(jīng)過中軸線的平面上。兩只電極21a、21b分別接在直流電源25的陰陽極，由于爐底導(dǎo)電件28的電阻率比飛灰熔渣小數(shù)個(gè)量級(jí)，電流從第一電極21b端部流出，經(jīng)陽極電弧24b、路徑一21、路徑二22、路徑三23和陰極電弧24a的回路流至電極21a的端部，最終回到直流電源25的陽極。
本實(shí)施例，熔池內(nèi)的電流并不像現(xiàn)有雙電極直流電弧系統(tǒng)那樣，直接連通兩只電極的電弧弧柱。而是通過爐底導(dǎo)電件28實(shí)現(xiàn)電流的連續(xù)。相較現(xiàn)有雙電極電弧熔融技術(shù)，該布局帶來以下幾個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)：
1、電流和焦耳熱貫穿整個(gè)熔池26，有效增加了熔融區(qū)域的深度。
2、電流在熔池內(nèi)分布呈上小下大的喇叭口型分布，形成強(qiáng)烈的電磁攪拌作用(如圖2中半圓箭頭所示)。其作用分布于電極外側(cè)和電極之間，使焦耳熱輸送至熔池邊緣區(qū)域(包括進(jìn)料附近區(qū)域和排渣口附近區(qū)域)，增加了熔融區(qū)域的寬度。
3、熔池內(nèi)電流等效于兩個(gè)串聯(lián)電阻。對(duì)路徑一21所做的調(diào)節(jié)不會(huì)影響路徑三23附近區(qū)域的物理場(chǎng)(包括電流場(chǎng)、速度場(chǎng)和溫度場(chǎng))。比如，調(diào)節(jié)第一電極21b的高度會(huì)改變路徑一21的電流分布，但幾乎不影響路徑三23。表1是調(diào)整第一電極21b弧長(zhǎng)引起的熔池內(nèi)電壓分布變化。可見改變某支電極的工藝參數(shù)只會(huì)影響該電極路徑下的物理場(chǎng)分布——這就為我們靈活調(diào)整熔池內(nèi)局部區(qū)域的熱量和溫度分布提供了可能；
表1.3000a電流條件下調(diào)整弧長(zhǎng)對(duì)不同路徑電壓和焦耳熱分布的影響
4、另外，由于進(jìn)料口更靠近電極(也即熱源)，因受由電磁攪拌引起的卷吸作用，飛灰原料被快速輸送至電弧24與熔池表面27相交位置附近的高溫區(qū)，并長(zhǎng)時(shí)間停留在兩極之間區(qū)域，充分熔融。這顯著加快了熔池對(duì)飛灰的熔融能力，降低單位能耗。
第一實(shí)施例：
作為一種實(shí)施方式，雙電極沿熔融爐中軸線對(duì)稱布置，并與飛灰進(jìn)料口和排渣口排布在一個(gè)經(jīng)過中軸線的平面上，如圖2所示。
雙電極的典型材料為石墨，形態(tài)為棒狀?？梢圆捎弥锌帐?，也可采用實(shí)心石墨棒。采用中空石墨棒時(shí)，電極棒中空通道可以通入工作氣體，用于穩(wěn)定電弧。典型的工作氣體為氬氣、氮?dú)?；采用?shí)心石墨電極時(shí)，無需工作氣體。底導(dǎo)電件28采用導(dǎo)電耐火材料或石墨盤鋪制，典型厚度為200mm。爐體內(nèi)放入一定量的引弧劑(典型的為鋼球或者焦炭)，通過升降系統(tǒng)22a、22b將兩只電極21a、21b與引弧劑接觸起弧。拉起電極維持電弧，待引弧劑完全熔化形成熔池后，不斷投入飛灰原料使其熔融。待熔池升高至排渣口水平位置時(shí)，充分熔融的飛灰熔渣經(jīng)溢流流出排渣口并被冷卻。
第二實(shí)施例：
作為第二種實(shí)施方式，雙電極21a和21b沿熔融爐中軸線對(duì)稱布置，飛灰進(jìn)料口和排渣口排至在一個(gè)經(jīng)過中軸線的平面上。雙電極所在平面與飛灰進(jìn)料口、排渣口所在平面垂直，如圖3所示。雙電極和底導(dǎo)電件28同實(shí)施方式一。不同于實(shí)施方式一，通過升降系統(tǒng)22a、22b與石墨盤接觸起弧，拉起電極維持電弧，待石墨紅熱后投入飛灰原料，使其熔融。待熔池升高至排渣口水平位置時(shí)，充分熔融的飛灰熔渣經(jīng)溢流流出排渣口并被冷卻。
根據(jù)上述的兩個(gè)實(shí)施方案所述，本系統(tǒng)可以更加有效的實(shí)現(xiàn)對(duì)飛灰熔池的熔融，最大化熔融速率，并優(yōu)化單位能耗。
綜上所述，相比現(xiàn)有技術(shù)，本文所述新型雙電極電弧熔融方法的主要技術(shù)優(yōu)點(diǎn)概括如下：
1、熔池焦耳熱加熱的深度和寬度擴(kuò)大，使熔池體積擴(kuò)大；
2、更強(qiáng)的熔池?cái)嚢枳饔?，有利于焦耳熱向熔池邊緣區(qū)域的輸送；
3、熔池內(nèi)電流分布和熱量分布可以通過參數(shù)做局部調(diào)整——可以靈活調(diào)整熔池內(nèi)熱量分布和溫度分布；
4、卷吸作用顯著加快了熔池對(duì)飛灰的熔融能力，降低單位能耗。
在本文敘述的框架下，弧長(zhǎng)，電流共同決定爐子的工藝參數(shù)。并且，改變弧長(zhǎng)可以有效改變?nèi)鄢貎?nèi)的功率分布，調(diào)整電流和弧長(zhǎng)組合，可以找到最合適的工藝參數(shù)點(diǎn)，使整個(gè)爐體的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)分布達(dá)到最佳。
應(yīng)當(dāng)理解，上述實(shí)施方式只是用于舉例和說明之目的，而非將本發(fā)明限制于所描述的實(shí)施方式范圍內(nèi)。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，本發(fā)明并不局限于上述實(shí)施例，根據(jù)本發(fā)明思路還可衍生更多的變形和修改，這些變形和修改均在本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。
本發(fā)明未涉及部分均與現(xiàn)有技術(shù)相同或可采用現(xiàn)有技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)。
如上所述，盡管參照特定的優(yōu)選實(shí)施例已經(jīng)表示和表述了本發(fā)明，但其不得解釋為對(duì)本發(fā)明自身的限制。在不脫離所附權(quán)利要求定義的本發(fā)明的精神和范圍前提下，可對(duì)其在形式上和細(xì)節(jié)上作出各種變化。