1.本发明属于船舶建造与焚烧技术领域，涉及一种船用固废处理系统，具体涉及一种船用固废等离子气化熔融系统及方法，可以处理穿上多种混合废弃物。


背景技术：

2.据了解，船上生活垃圾的处理主要是采用焚烧的方式，传统的船用生活垃圾焚烧存在以下几点问题：一是传统船用生活垃圾焚烧炉需要消耗大量柴油等化石能源辅燃，比如中国专利cn2013103098789提供一种双燃烧室的船用焚烧炉燃烧系统，其中助燃剂就大量使用柴油，而化石燃料的燃烧一方面会增加烟气产生量，另一方面在化石能源告急的情形下，加剧了化石能源的紧缺情况。
3.二是根据mepc 244
‑
66中内容显示，船用焚烧炉只对排放烟气温度，co含量，排灰量，灰烬中未燃成分等进行规定，并没有对酸性气体，二噁英，重金属等进行规定。目前传统船用焚烧炉内的高温烟气经过空气混合降温后直接排放，并没有进行烟气净化。而船用焚烧炉的预热辅助燃油含硫量较高，辅助燃油和船上固废中的酸性气体、二噁英都会对大气产生二次污染。
4.三是传统船用生活垃圾焚烧炉的燃烧温度为850
°
～1000
°
c，燃烧时二噁英分解不完全，残碳和灰渣的燃烧也不完全，未燃尽组分约占据总量的10%。固废的燃烧性能较差，空气过量系数较大，一般为1.8～2.0，燃烧所产生的高温烟气直接混入2～5倍冷空气，会进一步增大烟气排放量。而可燃气体的清洁度和燃烧性能都优于固体垃圾直接焚烧。
5.等离子技术自1990年代进入民用后，关于等离子基础研究逐渐兴起。等离子体气化熔融通过引入热等离子体电弧以提高气化炉温度，等离子体气化中心温度可达6000℃，炉内均温1000～1600℃，炉内反应活性高，各类反应物完全裂解；有机物转化为合成气，无机物转变为玻璃体的灰渣。但是等离子技术一直没有在固危废处理工艺上得到广泛推广和应用，其主要原因是由于等离子矩的制造成本和能耗较高。同时由于船舶的特殊环境，船舶并不能存储气体，也不能采用等离子技术处理固体废弃物。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的缺点，提供一种船用固废等离子气化熔融系统及方法，该系统通过将气化技术与等离子矩结合，只需消耗电源即可解决燃烧化石燃料问题，等离子矩提供高温缺氧环境，将有机物生成合成气，无机物熔融成玻璃体，并且缺氧可抑制酸性气体和二噁英的产生，合成气具有良好的燃烧性能，可进一步减少烟气排放量少和污染物浓度，再通过回收利用部分合成气可减少等离子炬的能耗。
7.为了解决以上技术问题，本发明提供一种船用固废等离子气化熔融系统，包括进料装置、等离子气化熔融室、气化燃烧室和烟气换热器，所述进料装置的输出端与等离子气化熔融室的进料口相连，所述等离子气化熔融室的合成气出口与气化燃烧室的合成气入口
相连，所述气化燃烧室的烟气出口与烟气换热器的烟气入口相连；在所述等离子气化熔融室的侧壁上沿其周向均匀设置有一组第一等离子炬，并且所述等离子气化熔融室设有合成气循环回流装置，所述烟气换热器的预热空气出口通过预热空气管路与设置在进料装置外的外热式干燥装置相连，通过部分可燃气燃烧释放热量来补充系统气化熔融需要的能耗。
8.本发明的系统将热解气化技术与等离子炬的高热能相结合，将船上固体废弃物先气化成可燃合成气，合成气再进行充分燃烧，灰渣和残碳在等离子炬高温作用下熔融，通过合成气回流和等离子炬提供本发明所需要的能耗，减少柴油等化石能源的消耗。热解气化需要在空气当量系数为0～0.3的缺氧环境下进行反应，缺氧环境可以有效抑制no
x
的生成，等离子炬在高压下起弧释放热能，为气化熔融室提供1100
°
～1600
°
c高温。在此高温下，有机物裂解成可燃合成气，无机物熔融成玻璃体，二噁英在此高温下全部瞬间分解，灰渣热灼减小率远小于船用标准的10%。产生的合成气燃烧性能良好，空气过量系数较小，约为1.2～1.4，可在气化燃烧室充分燃烧。本系统的全部能耗来自电能，无化石能源消耗。
9.本发明的船用固废处理装置是以洁净处理为主要目的，回收部分合成气和高温烟气余热，其合成气热值高达6000～15000kj/m3，因此可以通过高热值合成气的燃烧和高温烟气的余热的利用，减少等离子炬系统能耗。
10.本发明进一步优化的技术方案如下：进一步的，所述等离子气化熔融室分为气化区和灰渣熔融区两部分，所述进料装置、合成气循环回流装置设置在气化区，所述灰渣熔融区的底部设有排渣口。
11.上述结构中，等离子气化熔融室上部的合成气通过合成气循环回流装置，分为两部分，一部分回流到等离子气化熔融室的气化区，其中的co、h2、ch4燃烧释放反应所需热量，能够减少热解气化所需电耗，而回流合成气中的水蒸气作为气化剂补充到气化区，相较于纯的空气作为气化剂，水蒸气无氮气带入，可以提高合成气的热值和纯度；另一部分合成气通入气化燃烧室进行二次完全燃烧。本发明的系统所需能耗来自等离子炬电加热和合成气部分燃烧热量，无需采用柴油、煤、天然气等其他辅助热源，减少了化石能源消耗和由此产生的烟气量。
12.进一步的，在所述灰渣熔融区与气化区之间的交接处倾斜安装有2～4个第一等离子炬，在所述气化区的侧壁上倾斜安装有2～4个一次空气入口。
13.上述结构中，第一等离子炬和一次空气入口均切向安装，使得空气和等离子炬电流充分混合，形成更好的气旋。
14.进一步的，所述第一等离子炬、一次空气入口的倾斜安装角度均为35
°
，并且所述第一等离子炬的输出功率为50～500kw，所述一次空气入口设有第一调节阀门。
15.进一步的，所述合成气循环回流装置包括合成气回流管，所述合成气回流管上设有比例流量阀，所述合成气回流管连接合成气回流泵，所述合成气回流管的进口与气化区的上部合成气出口相连，出口与气化区的下部合成气进口相连。
16.这样，气化区上部的部分合成气通过合成气回流管流向气化区下部进行氧化反应，以释放气化熔融需要的部分热量，并提供气化剂—水蒸气。气化区剩余的合成气通过合成气出口进入气化燃烧室进行焚烧。在热解气化反应中，水和空气混合作为气化剂所产生的合成气在品质、洁净度、合成效率等方面都优于只用空气作为气化剂，因为空气气化剂会带入79%的n2，稀释合成气的热值和洁净度。
17.进一步的，所述进料装置包括料仓、螺旋推料器和进料溜槽，所述料仓的下部连接螺旋推料器，所述螺旋推料器的尾部连接进料溜槽，所述螺旋推料器外设有外热式干燥装置，推料器采用外热方式对物料进行干燥，加热所采用的高温烟气的温度约为600℃，高温烟气来自烟气换热器，所述进料溜槽与气化熔融室之间具有35～55
°
的夹角。
18.进一步的，所述外热式干燥装置包括呈圆筒状的壳体，所述壳体设置在螺旋推料器外部，所述壳体的进口通过预热空气管路与烟气换热器的预热空气出口相连，出口与等离子气化熔融室的内部相连，所述预热空气管路与高温泵连接。
19.进一步的，所述气化燃烧室的顶部设有第二等离子炬，所述第二等离子炬的输出功率为35～50kw，所述气化燃烧室的侧壁上倾斜安装有2～4个二次空气入口，所述二次空气入口设有第二调节阀门，二次空气入口的倾斜安装角度为35
°
，气化燃烧室的下部设置有合成气入口，上部设置有烟气出口，并在气化燃烧室的上部位于烟气出口处设置有引风机，气化燃烧室采用下进上出的方式，高温烟气在顶部通过引风机排出。
20.进一步的，所述烟气换热器包括外壳和安装在外壳内的换热管，所述外壳具有烟气入口和烟气出口，所述换热管具有空气入口和预热空气出口。
21.本发明采用列管式气
‑
气换热器对空气进行预热，其烟气进、出口的温度为1200
°
/700
°
，空气进、出口的温度为常温/650
°
，高温烟气经过急冷后排出以避免二噁英的再次合成，被预热的空气再通过间接换热方式对物料进行干燥。这样，通过烟气换热器回收的部分高温烟气热量不仅用来干燥固废，还可减少出口烟气急冷需要的冷空气量。
22.本发明还提供一种船用固废等离子气化熔融方法，包括以下步骤：第一步、启炉——第一等离子炬在高压下起弧放电，将载气空气电离成高密度电离气体，所产生的热能将等离子气化熔融室内的温度升至1000～1600℃；第二步、进料——船上的固体废弃物被输送至料仓，在螺旋推料器的作用下进入到气化熔融室内部进行热解气化；第三步、热解气化——调节等离子气化熔融室一次空气当量比在0.2～0.3之间，调节第一等离子炬的功率以及合成气回流泵的功率，使得等离子气化熔融室中气化区的温度为1100～1300℃，灰渣熔融区的温度为1400～1600℃，通过合成气回流泵为等离子气化熔融室提供包含气化剂的回流合成气，气化剂的主要成分为水蒸气（还含有少量空气），其中水蒸气在回流合成气中所占的体积比为16%～34%；第四步、合成气燃烧——气化区的合成气通入气化燃烧室进行充分燃烧，启动第二等离子炬的点火器，调节气化燃烧室二次空气当量比为1.3，以维持气化燃烧室温度在1200℃以上；第五步、烟气换热——气化燃烧室的高温烟气经烟气入口通入烟气换热器，烟气入口处温度为1200℃，烟气出口处温度为200℃，空气入口处温度为常温，预热空气出口处温度为700℃，预热后的空气在高温泵的作用下通过预热空气管路通入进料装置的外热式干燥装置对物料进行间接干燥，而烟气换热器的烟气经过换热急冷后降温到200℃，经烟气出口直接排放。
23.本发明通过将气化熔融室的部分合成气回流，减少了等离子炬的电耗，再通过回用高温烟气的热量干燥物料和作为空气，减少了气化所需热量，提高了处理效率。在减少烟气排放量的同时，减少了烟气污染物以及等离子能耗，提高了燃烧效率，减少了灰渣热灼减
率。
24.本发明的优点是等离子气化熔融室的缺氧环境有效抑制了二噁英和no
x
的生成，等离子炬提供的1100～1600℃高温环境，使得二噁英全部分解，灰渣彻底无害化，有机物分解成可燃合成气，热解气化生成的可燃气的燃烧性能优于船上传统固废处理装置。本发明的系统所需能耗全部来自电能，并通过部分合成气回流以及烟气换热器的热交换，减缓了等离子炬的能耗，解决了传统船用焚烧炉需要消耗大量化石能源辅燃，加剧能耗紧缺和化石燃烧焚烧排放烟气等问题。另外，本发明经烟气换热器换热后的烟气急冷到200℃，避免了二噁英再合成，解决了船用固废焚烧炉燃烧不充分，烟气二次污染，灰渣热灼减率高，烟气量大等问题，并减缓等离子系统高能耗问题。
附图说明
25.图1为本发明的结构示意图。
26.图中：1为料仓，2为螺旋推料器，3为进料溜槽，4为等离子气化熔融室，5为一次空气入口，6为第一等离子炬，7为合成气输送管路，8为合成气回流管，9为灰渣熔融区，10为气化区，11为气化燃烧室，12为第二等离子炬，13为二次空气入口，14为高温烟气输送管路，15为烟气换热器，16为预热空气管路。
具体实施方式
27.实施例1本实施例提供一种船用固废等离子气化熔融系统，如图1所示，包括进料装置、等离子气化熔融室4、气化燃烧室11和烟气换热器15，其中进料装置的输出端与等离子气化熔融室4的进料口相连，等离子气化熔融室4的合成气出口通过合成气输送管路7与气化燃烧室11的合成气入口相连，气化燃烧室11的烟气出口通过高温烟气输送管路14与烟气换热器15的烟气入口相连。进料装置包括料仓1、螺旋推料器2和进料溜槽3，料仓1的底部设置双辊破碎装置，料仓1的下部连接螺旋推料器2，螺旋推料器2的尾部连接进料溜槽3，螺旋推料器2及进料溜槽3外设有外热式干燥装置，螺旋推料器2采用外热方式对物料进行干燥，加热所采用的高温烟气的温度约为600℃，高温烟气来自烟气换热器15。外热式干燥装置包括呈圆筒状的壳体，该壳体设置在螺旋推料器2及进料溜槽3的外部，壳体的进口通过预热空气管路16与烟气换热器15的预热空气出口相连，出口与等离子气化熔融室4的内部相连，同时预热空气管路16还与高温泵连接。进料溜槽3与等离子气化熔融室4之间具有35～55
°
的夹角。
28.等离子气化熔融室4分为上部气化区10和下部灰渣熔融区9两部分，气化区10采用厚度为0.070m莫来石耐火砖和厚度为0.03m莫来石浇注料作为绝热材料，灰渣熔融区9采用刚玉材料进行隔热保温，厚度为0.05m。气化区10设置进料装置和合成气循环回流装置，灰渣熔融区9的底部设有排渣口。在灰渣熔融区9与气化区10之间交接处的侧壁上倾斜安装有4个第一等离子炬6，第一等离子炬6采用输出功率为100kw的变频直流非转移电弧等离子炬（购自龙源科技公司，型号为dlz型），在气化区10的侧壁上倾斜安装有4个一次空气入口5，第一等离子炬6、一次空气入口5的倾斜安装角度均为35
°
，一次空气入口设有第一调节阀门。合成气循环回流装置包括合成气回流管8，合成气回流管8上设有比例流量阀，并且合成气回流管8连接合成气回流泵，合成气回流管8的进口与气化区10的上部合成气出口相连，
出口与气化区10的下部合成气进口相连。等离子气化熔融室4在工作过程中，焦炭和灰渣在灰渣熔融区9进行熔融处理，合成气在气化区10通过设置在等离子气化熔融室4顶部的引风机分流，一部分通过合成气回流管8回流到气化区10的下部进行燃烧，一部分通过合成气输送管路7直接进入气化燃烧室11。
29.气化燃烧室11的隔热保温材料采用硅酸铝盐浇注料和高铝耐火砖作为绝热材料，硅酸铝盐浇注料的厚度为0.05m，高铝耐火砖的厚度为0.065m。气化燃烧室11的顶部设有一个第二等离子炬12，第二等离子炬12的输出功率为35～50kw。气化燃烧室11的侧壁上倾斜安装有4个二次空气入口13，二次空气入口13的倾斜安装角度为35
°
，二次空气入口13设有第二调节阀门。气化燃烧室11的下部设置有合成气入口，上部设置有烟气出口，并在气化燃烧室11的上部位于烟气出口处设置有引风机，气化燃烧室11采用下进上出的方式，高温烟气在顶部通过引风机排出。气化燃烧室11工作过程中，第二等离子炬12点火，其内部的合成气在二次空气入口13供应的空气助燃下充分燃烧。气化燃烧室11燃烧后的高温烟气通过高温烟气输送管路14进入到烟气换热器15中，对空气进行预热。
30.烟气换热器15包括外壳和安装在外壳内的换热管，外壳具有烟气入口和烟气出口，换热管具有空气入口和预热空气出口。
31.本实施例的固废物料为船上imo 02级生活垃圾，垃圾含水率50%，灰分7%，低位热值10000kj/kg，处理量为5吨t/d。在系统工作前，预先船上的固体废弃物输送至料仓1，并在料仓1的底部通过双辊破碎装置进行破碎。
32.本实施例船用固废等离子气化熔融系统的工作过程包括启炉、进料、热解气化、合成气燃烧和烟气换热等五个步骤。首先启炉时，打开第一等离子炬6对等离子气化熔融室4进行预热，第一等离子炬6在高压下起弧放电，将载气空气电离成高密度电离气体，所产生的热能可将等离子气化熔融室内的温度升至1000～1600℃。同时，第一等离子炬6切向斜向下35
°
布置，形成均匀高温电离气流，通过第一调节阀门打开一次空气入口5，调节等离子气化熔融室4内的空气当量比为0.3。待第一等离子炬6工作所产生的热能将等离子气化熔融室4的温度升高到1000℃后进入进料步骤，启动螺旋推料器2开始进料，船上的固体废弃物被破碎后输送至料仓，在螺旋推料器2的作用下连续均匀地进入到气化熔融室4进行热解气化，进料时螺旋进料器2采用外热式方式对垃圾进行干燥。开启系统约30分钟后等离子气化熔融室4的产气稳定。
33.热解气化时，调节等离子气化熔融室4的一次空气当量比在0.2～0.3之间，并调节第一等离子炬6的功率以及合成气回流泵的功率，使得等离子气化熔融室4中气化区10的温度为1100～1300℃，灰渣熔融区9的温度为1400～1600℃，通过合成气回流泵为等离子气化熔融室4提供包含气化剂在内的回流合成气，气化剂由大部分水蒸气和少部分空气组成，其中水蒸气在回流合成气中所占的体积比为16%～34%。具体地，调整合成气回流管8上的合成气回流泵使得合成气回流比例为20～35%，回流的合成气中可燃成分co、h2、ch4回到气化区10下部进行合成气的燃烧。其中，将回流合成气中的水蒸气作为气化剂补充到气化区10，回流合成气中水蒸气的量约为10kg/h。传统方法中利用空气做气化剂会带入79%的氮气，进而会降低合成气的热值和纯度，本实施例利用水蒸气作为气化剂能够提高合成气的热值和纯度。然后调节第一等离子炬6的功率，使得气化区10的平均温度为1100～1300℃（一般在1250℃左右），灰渣熔融区9的温度1400～1600℃（一般在1500℃）。焦炭和灰渣在高温下进
行熔融，灰渣残碳反应完全，可以作为建筑材料回收利用，真正实现了无害化处理。在高温高密度缺氧氛围中，碳基瞬间完全裂解，二噁英彻底分解，而还原性氛围有效遏制no
x
，so2形成。
34.在合成气燃烧步骤，等离子气化熔融室4的气化区10内剩余的合成气通过合成气输送管路7进入气化燃烧室11进行充分燃烧，启动第二等离子炬12的点火器，调节气化燃烧室11的二次空气当量比为1.3，燃烧时维持气化燃烧室11的温度在1200℃以上，进一步去除烟气中的颗粒物、焦油等。通过第二调节阀门调节气化燃烧室11的空气过量系数为1.3左右，通过二次空气入口13对气化燃烧室11进行二次空气的补充。燃烧后所产生的合成烟气的热值约5000kj/kg，合成烟气的热值可以满足自持燃烧，因此气化燃烧室11只需安装功率较小的第二等离子炬12进行辅助燃烧和点火启动，本实施例安装1个输出功率为45kw的等离子炬（购自龙源科技公司，型号为dlz型）。高温烟气出口设置在气化燃烧室11的上部，通过高温烟气输送管路14连接烟气换热器15。
35.在烟气换热步骤，气化燃烧室11的高温烟气经烟气入口通入烟气换热器15，烟气换热器15通入高温烟气和冷空气两种介质进行热交换，烟气换热器15的进口烟气温度为1200℃，出口烟气温度为200℃，进入的冷空气温度为常温（一般是20℃），预热空气出口温度为700℃。被预热后的空气对含水率50%的生活垃圾进行干燥，并通过一次空气入口5为等离子气化熔融室4提供氧气，通过合成气回流循环装置为等离子气化熔融室4提供气化剂。预热后的空气在高温泵的作用下通过预热空气管路通入进料装置的外热式干燥装置对物料进行间接干燥，而烟气换热器的烟气经过换热急冷后降温到200℃，经烟气出口直接排放。
36.采用本发明所提供的船用固废等离子气化熔融系统及方法，经干燥后的固废通过推料器连续均匀投加进入等离子气熔融室。在气化熔融室内部高温缺氧条件下，无机物熔融所产生的玻璃体产品可作为建材使用；固废中有机物在高温缺氧条件下瞬间气化生成低分子可燃气，可燃气进入气化燃烧室进行充分燃烧，可燃气燃烧释放的热能经由烟气换热器回用到物料干燥部分，尾气经急冷系统处理后避免了二噁英的二次生成。气化燃烧室内的缺氧环境（空气当量系数0.2～0.3）可以抑制no
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生成，可燃气洁净优良的燃烧特性比固废直接焚烧减少了烟气量和污染物产生量。与常规船用固废处理系统相比，本发明不需要化石燃料助燃，减轻了能源消耗，同时减少了化石燃烧燃烧产生的烟气量以及空气污染物（见表1、表2和表3）。常规船用焚烧炉，焚烧温度多控制在850℃，在此温度下无法将固废中带入的二噁英分解，甚至固废中有机物的燃烧都彻底，灰渣中含有10%未燃尽组分。本发明中，通过等离子炬高压起弧加热，在 1100～1500℃高温缺氧条件下，将带入的二噁英分解的同时，尾气处理端采用急冷工艺避免了二噁英的再次生成。在灰渣熔融区1500℃高温环境下，无机物彻底无害化，形成玻璃体。
37.表1等离子气化熔融系统的烟气浓度
表2 船用等离子气化熔融系统和传统船用焚烧炉烟气量对比方式烟气量熔融区温度等离子气化熔融系统3.4356（nm3/kg垃圾）1400～1600℃传统船用焚烧炉6.2～7.8（nm3/kg垃圾）850～1200℃表3 船用等离子气化熔融系统熔浸出结果检测（mg/l)
重金属cdpbcr
6+
asbebani氰化物crzncu氟化物hg熔渣＜0.003＜0.05＜0.004＜0.009＜0.0003＜0.004＜0.01＜0.004＜0.01＜0.014＜0.01＜0.050.6排放标准0.330.050.010.1100101.5105050500.05
由表1至表3可知，等离子气化熔融系统所排出的烟气浓度远优于国家标准，其中二噁英和no
x
的排放量达到国际先进水平；等离子气化熔融系统的烟气排放量约是传统焚烧炉排放量的50%；等离子气化熔融系统的灰渣完全无害，其浸出率低于国际规范要求，灰渣热灼减率可达0.92%，远低于船用焚烧炉的10%；200kg/h船用等离子直接气化熔融系统的能耗约150kw，能源全部来自电能。等离子炬选型120～150kw,合成气热值8590kj/m3,通过回流38%的合成气，节省了36%的电耗。
38.除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。