專利名稱：用于玻璃化的采用兩種加熱方式的熔爐及方法
此處所述發(fā)明涉及用于玻璃化的采用兩種加熱方式的熔爐和方法；并涉及在冷卻金屬單元中通過燃燒和玻璃化對(duì)多種廢物的處理。該方法的功能是完全焚燒可燃物并將所處理產(chǎn)物的礦物成分限制在經(jīng)高溫熔煉所制的基質(zhì)中。所得廢物是玻璃(或玻璃-陶瓷體)，其包含限制在其原子結(jié)構(gòu)中的有毒組分。
多年來對(duì)于玻璃質(zhì)的、玻璃陶瓷的或結(jié)晶型的基質(zhì)中各種可燃廢物的有毒成分的固定已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究工作，有毒成分的毒性或者是化學(xué)的(包括重金屬)或者是放射性的。這些研究經(jīng)常也有若干優(yōu)點(diǎn)，例如廢物的穩(wěn)定化處理、經(jīng)檢驗(yàn)并持久的限制基質(zhì)的制造及廢物初始體積的減小等等。
顯然，對(duì)于一種在單個(gè)簡(jiǎn)單單元中又能燃燒又能玻璃化且僅生成少量二級(jí)廢物的工業(yè)方法的研究在經(jīng)濟(jì)上是有利的。
在實(shí)驗(yàn)室研究及工業(yè)規(guī)模上已經(jīng)探索了若干方法。基本上考慮使用熱等離子體法、其使用浸沒或不浸沒電極的變化形式以及經(jīng)由直接感應(yīng)的熔煉法。
對(duì)于等離子體處理已經(jīng)開發(fā)了若干過程，但是它們有難以工業(yè)應(yīng)用的缺點(diǎn)。熔堝由難熔材料制得，在與熔融玻璃接觸時(shí)很快耗損(在復(fù)雜的侵蝕性介質(zhì)中經(jīng)腐蝕)以及在強(qiáng)的等離子體輻射下也是如此。還要限制這些等離子體熔爐中可燃廢物的處理能力以保護(hù)由難熔材料制成的襯里。
最常用的等離子體發(fā)生氣體是氮?dú)夂涂諝?。在第一種情形下，產(chǎn)生的等離子體僅用作熱源而不作為燃燒成分，這引向有機(jī)分子的簡(jiǎn)單裂化。這使得含大量未燃物、灰、塵以及常常還有氮氧化物的煙氣的化學(xué)組成及處理非常復(fù)雜。用空氣作為等離子體發(fā)生氣體部分地克服了上述的缺點(diǎn)，但是80％的氣體隨后是無用的卻仍要被加熱，這意味著氣體處理單元過大。
已經(jīng)試驗(yàn)使用冷卻熔堝的等離子體熔化制造來克服難熔物的問題。已提議將銅作為構(gòu)建熔堝的材料，但是它同樣有對(duì)腐蝕敏感的缺點(diǎn)，在含氮介質(zhì)中尤其如此；惰性的不銹鋼比銅優(yōu)選。然而，從熔堝中熔融材料到壁的熱傳遞如此 使熔煉總是很困難，這使得制造充分延伸的熔融液以及清空熔堝都更為困難。
也已知高頻直接感應(yīng)技術(shù)用于金屬熔堝中的熔煉，金屬熔堝的至少某些部分對(duì)電磁場(chǎng)是可透過的。用此技術(shù)控制熔煉、足夠大的玻璃熔融液的生成以及鑄造。其已知的應(yīng)用包括高純度玻璃和瓷漆的生產(chǎn)，以及高活性放射性廢物的玻璃化在法國專利申請(qǐng)F(tuán)R9102596和FR9609382中有相關(guān)的描述。如果將它用于熔煉其上擲有可燃組分的限制基質(zhì)，這種方法也有缺點(diǎn)。詳細(xì)地說，待處理廢物與熔融材料之間有強(qiáng)的化學(xué)相互作用，引起其組成和均勻性的重大改變。例如，當(dāng)廢物含碳或氫或硫時(shí)，即使在熔融液中或其上采用空氣或氧氣鼓風(fēng)手段，將氧化物基材料還原至金屬相實(shí)際上也是不可避免的。這個(gè)結(jié)果改變了限灰基質(zhì)及該方法的標(biāo)準(zhǔn)電磁操作所需要的特性。就依賴于所處理廢物熱值的表面燃燒而言，熔融材料的表層溫度(由此熔煉)并不總是能夠得到保證，并且伴著保持固態(tài)的物質(zhì)的積聚可能發(fā)生冷卻。注意當(dāng)熔融材料在低溫下不導(dǎo)電時(shí)，在冷熔堝中啟動(dòng)直接感應(yīng)熔煉方法時(shí)總是需要特殊的步驟(感受器、金屬熱還原體等)，這種情形是對(duì)玻璃而言。
本發(fā)明的目的是通過提供一種混合式方法克服所有這些缺點(diǎn)，該混合式方法能在同一單元中消除燃燒和玻璃化功能之間的相互影響。燃燒功能通過熔融材料表面上的氧等離子體隨對(duì)氧化氣氛的控制實(shí)現(xiàn)，而熔煉功能主要是通過熔融材料內(nèi)的直接感應(yīng)加熱實(shí)現(xiàn)。在該方法中這兩種功能變得互補(bǔ)。等離子體用于啟動(dòng)熔煉、表面上的完全燃燒、控制氧化氣氛、提高生產(chǎn)能力以及使廢物在表面上不積聚，而同時(shí)直接感應(yīng)提供冷卻設(shè)備中材料的均勻熔煉并使得能夠鑄造。如果必須將表面溫度調(diào)節(jié)適中(為揮發(fā)組分的再循環(huán))或者如果所提供的產(chǎn)品不需要燃燒，可將感應(yīng)加熱單獨(dú)用于特定的操作階段中。
本發(fā)明是一種用于可燃或礦物廢物的燃燒-玻璃化的裝置和方法，以下稱之為熔爐。該熔爐的特征在于采用了兩種或聯(lián)合或獨(dú)立的加熱方式。第一種加熱方式是氧熱等離子體。產(chǎn)生等離子體的設(shè)備在熔融材料表面之上，該熔融材料位于經(jīng)循環(huán)流體冷卻的熔堝內(nèi)。熱等離子體可由高頻噴槍、吹制電弧噴槍或傳遞電弧噴槍產(chǎn)生。在下述的優(yōu)選實(shí)施方式中，等離子體為在兩個(gè)可移動(dòng)頂置噴槍之間產(chǎn)生的等離子體弧，噴槍覆蓋全部或部分熔融材料的表面。
第二種加熱方式使用感應(yīng)器，該感應(yīng)器用于通過直接感應(yīng)加熱熔堝中所含的物質(zhì)。熔堝由外殼和底板構(gòu)成，二者都由循環(huán)流體冷卻。熔堝兩部件的至少一個(gè)必須是電磁輻射可穿透的(換句話說如果它由導(dǎo)電材料制成則是具有感應(yīng)扇區(qū)的)，從而能夠在它所含的熔融材料中建立感應(yīng)電流。感應(yīng)器可以是環(huán)繞殼外側(cè)的螺旋線圈或底板下的平板線圈。
將感應(yīng)器定位于底板之下并且熔堝包含不具有感應(yīng)扇區(qū)的殼。事實(shí)證明這樣設(shè)置是正確的，所述事實(shí)是燃燒期間可能在表面上形成導(dǎo)電灰塵，在隔離的扇區(qū)之間建立短的回路(能損害扇區(qū)的現(xiàn)象)；或形成擾亂電磁場(chǎng)形狀的不溶鹽層。而且，側(cè)殼上的感應(yīng)便于加熱玻璃熔融液的表面，而底板下的感應(yīng)便于加熱熔堝的底部。在本發(fā)明的情形中底部加熱是理想的，因?yàn)榈入x子體加熱玻璃表面。底板可以是具有感應(yīng)扇區(qū)的金屬，但是在優(yōu)選實(shí)施方式中，它是不具有感應(yīng)扇區(qū)的，因?yàn)樗山^緣但是是熱的良導(dǎo)體的材料制成。在此情形下，由于熔融液下底板的表面不受到等離子體及腐蝕性氣體和灰塵的侵蝕，這類難熔材料的耗損較小。與具有感應(yīng)扇區(qū)相反，結(jié)構(gòu)的連續(xù)性顯然是有利的，因?yàn)樗罱K也形成具有玻璃性質(zhì)的均勻熔融材料，即易于制造并有更好的耐磨性的性質(zhì)，這在一定程度上是由于扇區(qū)之間沒有任何密封。
熔爐內(nèi)的氧化氣氛大體上避免了熔融液中金屬相的形成，并能得到均勻的玻璃質(zhì)熔融材料，有機(jī)物充分燃燒，后續(xù)處理也更為簡(jiǎn)單。
現(xiàn)有技術(shù)包括文獻(xiàn)US5750822，其也披露了借助環(huán)繞側(cè)殼的感應(yīng)線圈和等離子體噴槍的兩種加熱設(shè)備。與本發(fā)明不同，這兩種加熱方式用于促使熔融液中具有不同性質(zhì)的兩相(金屬的和玻璃的)的出現(xiàn)和分離，其用兩種獨(dú)立的方法加熱和熔融，等離子體指定用于玻璃相，感應(yīng)指定用于金屬相。
已提到的法國專利FR9609382描述了一種置于玻璃化熔爐底板下的感應(yīng)器，僅用作加熱設(shè)備。
因此，本發(fā)明所述的兩種加熱方式的結(jié)合以及氧等離子(已證實(shí)以不同的形式引進(jìn)氧是不充足的)的使用可以得到單一的無金屬相的熔融液以及適于該單一相的非常均勻的加熱。
現(xiàn)在將參照

圖1描述本發(fā)明，圖1為圖解說明而非限制的目的所附，并代表本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式。
本發(fā)明所述的熔爐包括六個(gè)主要部件，即殼1、底板2、頂冠3、感應(yīng)器4、陰極等離子體噴槍5、陽極等離子體噴槍6和排水閥7。
冷熔堝由殼1、底板2和冠頂3構(gòu)成。殼1包含接近底部的由排水閥7堵塞的排水口8，排水閥7是可調(diào)整的并且是經(jīng)過冷卻的。在一個(gè)變化形式中，將排水孔8置于底板2上。殼1和底板2都不是有感應(yīng)區(qū)的，這意味著繞它們的整個(gè)周邊都是連續(xù)的；并且底板2由絕緣材料制成，殼1是金屬的。也可以使用金屬的并具有感應(yīng)扇區(qū)的底板2，由此可透過磁場(chǎng)。
熔堝的頂部由冠頂3、由其加入待熔化材料的孔口9以及加入待處理廢物的孔口10構(gòu)成，冠頂3上裝有與陽極等離子體噴槍6配對(duì)的陰極等離子體噴槍5。設(shè)定燃燒氣體經(jīng)由接近冷卻的熔堝1頂部的孔口11流向后續(xù)處理。在一個(gè)變化形式中，可使孔口11位于冠頂3上。
熔堝的內(nèi)金屬表面可涂以薄的陶瓷型涂層。
在這個(gè)實(shí)施方式中，感應(yīng)器4位于底板下并包含至少一個(gè)平板線圈。
在所述的實(shí)施方式中，熔堝以及特別是殼1和底板2是圓形的，伴有中央感應(yīng)器4，但它們可以有其它的形狀，特別是橢圓形。在此具體實(shí)施方式
中，感應(yīng)器4并非必須在等離子體噴槍5和6的正下方，但它隨后可能向側(cè)邊偏移而對(duì)熔爐中的兩個(gè)區(qū)域優(yōu)先一個(gè)較熱，有等離子體噴槍并在氧化氣氛中；而另一個(gè)具有更為溫和的例如更適于揮發(fā)組分連續(xù)循環(huán)的溫度。
在此處所述的優(yōu)選實(shí)施方式中，采用具有兩個(gè)成對(duì)的等離子體噴槍的系統(tǒng)生成等離子體；也可以通過單噴槍系統(tǒng)例如單個(gè)傳遞電弧型和氧化電弧型系統(tǒng)生成等離子體。
構(gòu)造等離子體噴槍5和6以成對(duì)操作，在接受適當(dāng)?shù)碾姌O化后，一個(gè)作為陰極，另一個(gè)作為陽極。兩個(gè)噴槍都由冷卻的金屬電極構(gòu)成，該冷卻的金屬電極被第一內(nèi)套和第二外套包圍，第一內(nèi)套由源等離子體發(fā)生氣體提供，保護(hù)電極不被氧化；第二外套由覆層等離子體發(fā)生氣體提供。在此情形下，覆層等離子體發(fā)生氣體是氧氣。噴槍安裝在球窩接頭12和13上，球窩接頭穿過冠頂3的壁安裝，這使噴槍能夠在熔堝內(nèi)自由移動(dòng)，這樣就能調(diào)整它們之間的距離。也可使用任何機(jī)械設(shè)備例如調(diào)節(jié)螺釘來改變等離子體噴槍5和6在熔堝中的深度，通過使它們垂直滑動(dòng)(或接近垂直)從而讓它們離熔融材料的表面更近或更遠(yuǎn)。顯然，噴槍5和6這些可能的移動(dòng)能提供有利的方法調(diào)節(jié)中間電弧的形狀和位置。
電弧由噴槍5和6之間的高壓和高頻放電引發(fā)。之后的維持可以或者通過沿路徑15穿過熔融材料循環(huán)，或者沿路徑14僅在空氣中循環(huán)。正是噴槍5和6之間的相對(duì)幾何位置、電弧的電參數(shù)以及等離子體發(fā)生氣流量，能被用于施加這些操作模式之一的影響。如果電弧流穿過熔融材料循環(huán)，則對(duì)熔煉有強(qiáng)大的貢獻(xiàn)；但是當(dāng)在空氣中循環(huán)時(shí)，等離子體僅用于熔融材料的化學(xué)功能。
開動(dòng)設(shè)備時(shí)，使噴槍5和6與熔堝中所含的材料足夠接近從而能夠啟動(dòng)熔煉。一有少量金屬熔融并變得可導(dǎo)電，就調(diào)節(jié)參數(shù)迫使電弧流穿過熔融液，這樣熔融液就更快地?cái)U(kuò)展。當(dāng)可能性取決于所形成的熔融液的尺寸時(shí)，將高頻電流施于感應(yīng)器4并可代之以采用直接感應(yīng)熔煉金屬。
然后可以或者共同或者獨(dú)立地使用兩種加熱模式，這取決于應(yīng)用。在玻璃質(zhì)基質(zhì)的精煉階段期間，例如在鍛造前，可能不需要等離子體，準(zhǔn)確地說似乎有一個(gè)時(shí)期，其間熔融液上的氣氛必須是弱氧化的。通過連續(xù)使用兩種加熱方式，試圖防止形成施加氧化還原電位的金屬相，該電位會(huì)增加待限制組分的揮發(fā)。
現(xiàn)在描述本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方式所提供的優(yōu)點(diǎn)
-用等離子體弧啟動(dòng)，不管待熔化材料的狀態(tài)(導(dǎo)電或不導(dǎo)電)；-浸入熔融材料的無電流收集的反電極(無污染和浸沒可消耗的材料)；-操作靈活性，緣于該電弧模式的各種可能性(完全在空氣中或部分在材料中循環(huán))；-等離子體弧的構(gòu)造比簡(jiǎn)單的等離子體柱更適于燃燒、更大的等離子體體積、更多的輻射；-由于到壁的熱損失，有機(jī)物在冷設(shè)備所裝玻璃熔融液表面的燃燒-玻璃化的應(yīng)用被限于很小的熔堝直徑。通過加入另一種加熱方式，本發(fā)明提供了一種形成很大熔融材料液的方法，完全由冷設(shè)備制造，同時(shí)保持氧等離子體的優(yōu)點(diǎn)(好的燃燒)及限制揮發(fā)的負(fù)面影響(等離子體在啟動(dòng)后不再用于熔融，而僅用于燃燒)；-基于以上同樣的原因，也解決了材料的不均勻熔煉及清空熔堝冷壁的問題；-氧等離子體在熔融材料表面的應(yīng)用限制甚至消除了該材料與已處理廢物的組分之間的相互作用(氧化-還原、夾雜等)；-該方法的兩種功能的獨(dú)立控制提供了前所未見的操作靈活性，從而通過調(diào)整每種加熱方式的參數(shù)，可以構(gòu)想混合的燃燒-玻璃化循環(huán)或單獨(dú)的玻璃化循環(huán)(對(duì)不同性質(zhì)廢物的應(yīng)用、揮發(fā)物的再循環(huán)等)；-“經(jīng)等離子體燃燒-經(jīng)感應(yīng)加熱”組合也提供了獲得玻璃熔煉的方法，在冷玻璃熔堝中啟動(dòng)而無需使用相關(guān)手段(金屬熱還原體、感受器等)。
僅作為實(shí)施例，將簡(jiǎn)要地描述本發(fā)明的一個(gè)試驗(yàn)應(yīng)用為放射性元素所污染的離子交換樹脂(IER)在霞石族(SiO2、Na2O、Al2O3)玻璃上的燃燒-玻璃化。所處理的(IER)是等量的酸性離子交換樹脂(amberlite)IRN77與含50質(zhì)量％水的堿性IRN78(質(zhì)量組成C＝69％、G＝7％、O＝14％、N＝3％)的混合物。試驗(yàn)裝置分批操作用直徑60cm內(nèi)裝50kg燒結(jié)玻璃的熔堝供料；并在約25kW等離子體功率和50kW感應(yīng)電功率的額定條件下運(yùn)轉(zhuǎn)。在上述條件下所處理的廢物平均流量在進(jìn)料期間大約為10kg/h，表面無廢物積聚，廢物立即被結(jié)合。操作參數(shù)和處理能力的這些值不代表本試驗(yàn)裝置的最高限。樹脂的完全燃燒由氧過量20％獲得。
注意到熔爐內(nèi)沒有乳白色的煙，僅生成極少量的一氧化碳并且沒有煙灰。所得的玻璃是未還原的并包含幾乎所有廢物所含的礦物組分。
這種方法是密集型的并簡(jiǎn)化了處理廢物中的步驟，它減少了設(shè)備的數(shù)目并減小了設(shè)備的尺寸，它的許多應(yīng)用都將是在可燃輻射性廢物的處理中。由于靈活性以及少量二級(jí)廢物的生成，該靈活性由如此使用的加熱方式的互補(bǔ)性所提供，本發(fā)明對(duì)各種B型廢物(纖維素、塑料、IER、污泥、瀝青、石墨等)的處理無疑是有利的。
通過引伸，可以構(gòu)想本發(fā)明對(duì)特殊工業(yè)廢料的應(yīng)用。
權(quán)利要求
1.玻璃化熔爐，包括熔堝(1，2，3)和加熱設(shè)備，加熱設(shè)備包括熔堝的上部的至少一個(gè)等離子體噴槍(5)和熔堝外部的至少一個(gè)感應(yīng)線圈(4)，特征在于感應(yīng)線圈布置在熔堝之下。
2.權(quán)利要求1所述的玻璃化熔爐，特征在于熔堝包括由難熔材料制成的底板(2)和豎立置于底板(2)上的殼(1)，殼(1)繞其周邊具有連續(xù)的結(jié)構(gòu)并由金屬材料制成。
3.權(quán)利要求1或2所述的玻璃化熔爐，特征在于加熱設(shè)備包括第二等離子體噴槍，等離子體噴槍經(jīng)電極化在相互之間產(chǎn)生電弧。
4.權(quán)利要求3所述的玻璃化熔爐，特征在于噴槍在熔堝中是可移動(dòng)的。
5.權(quán)利要求4所述的玻璃化熔爐，特征在于噴槍可自由地垂直滑動(dòng)。
6.權(quán)利要求1至5任一項(xiàng)所述的玻璃化熔爐，特征在于噴槍側(cè)向偏移于感應(yīng)線圈。
7.采用前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述熔爐的玻璃化方法，特征在于等離子體是氧等離子體，在熔爐內(nèi)造成氧化氣氛。
8.權(quán)利要求7所述的玻璃化方法，特征在于氧化氣氛防止在熔爐所裝物中形成金屬相。
9.前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的玻璃化方法，特征在于它包括專由噴槍加熱的啟動(dòng)步驟；并在噴槍和感應(yīng)線圈的同時(shí)加熱下連續(xù)操作。
10.權(quán)利要求7所述的玻璃化方法，采用權(quán)利要求5所述的熔爐，特征在于使噴槍接近熔爐所容之物以進(jìn)行連續(xù)操作步驟。
全文摘要
用于廢物燃燒和玻璃化的方法，其中至少一股氧等離子體流聯(lián)合通過高頻直接感應(yīng)連續(xù)熔煉的設(shè)備(4)。熔堝由連續(xù)的外殼(1)和底板(2)構(gòu)成，二者都由在內(nèi)部通道中循環(huán)的液體冷卻。感應(yīng)器置于底板之下。熔蝸的底部或側(cè)面上有重力排放閥。
文檔編號(hào)F27D11/06GK1659105SQ03813293
公開日2005年8月24日 申請(qǐng)日期2003年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月8日
發(fā)明者C·吉羅爾德, L·布魯古伊雷, R·博恩, A·邦內(nèi)蒂爾, L·博賈特 申請(qǐng)人:法國原子能委員會(huì), 核燃料公司