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。現(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、單電極對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附近幾個厘米的薄層，再流至陰極電弧弧柱14a，進入電極11a端部，最終回到電源15的陰極。飛灰從進料方向投入熔池，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飛灰熔池16加熱。實驗證明，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，難以對熔池邊緣(包括飛灰進料區(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厘米深度。由于飛灰的流動性和導(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)不明顯，對熔池的攪拌不充分。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：針對背景技術(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)針對上述不足，改善了熔池內(nèi)的電流分布，能更加有效的實現(xiàn)對飛灰熔池的熔融。

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，一一對應(yīng)于雙電極(21a、21b)用來調(diào)節(jié)雙電極(21a、21b)相對于爐體高度的兩個升降系統(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量級以上。

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，更加有效地實現(xiàn)對熔池熔渣的熔融，最大化熔融速率，并優(yōu)化單位能耗。

對本發(fā)明技術(shù)方案的改進，雙電極(21a、21b)沿熔融爐體(23)中軸線對稱布置或者沿熔融爐體(23)中軸線偏心布置。

對本發(fā)明技術(shù)方案的改進，雙電極(21a、21b)與飛灰進料口和排渣口排布在同一個經(jīng)過中軸線的平面上。

對本發(fā)明技術(shù)方案的改進，飛灰進料口和排渣口排至在一個經(jīng)過中軸線的平面上，雙電極(21a、21b)所在平面與飛灰進料口和排渣口所在平面垂直。

對本發(fā)明技術(shù)方案的改進，熔融廢棄物為焚燒爐焚燒底灰和飛灰或無機廢棄物或危險廢棄物或低放射性廢棄物。

對本發(fā)明技術(shù)方案的改進，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>

對本發(fā)明技術(shù)方案的改進，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氣。

對本發(fā)明技術(shù)方案的改進，在熔融爐體(23)內(nèi)設(shè)置引弧劑。

對本發(fā)明技術(shù)方案的改進，引弧劑引弧劑為鋼球或焦炭。

對本發(fā)明技術(shù)方案的改進，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大，使熔池體積擴大。

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)，更強的熔池攪拌作用，有利于焦耳熱向熔池邊緣區(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是第二種實施方式所述的雙電極布置示意圖。

具體實施方式

下面對本發(fā)明技術(shù)方案進行詳細說明，但是本發(fā)明的保護范圍不局限于所述實施例。

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和具體實施方式做進一步的描述。

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實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，一一對應(yīng)于雙電極21a、21b用來調(diào)節(jié)雙電極21a、21b相對于爐體高度的兩個升降系統(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量級以上。如圖2所示，雙電極21a、21b沿熔融爐23中軸線對稱布置，并與飛灰進料口和排渣口排布在一個經(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)個量級，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顯著優(yōu)勢：

1、電流和焦耳熱貫穿整個熔池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)電流等效于兩個串聯(lián)電阻。對路徑一21所做的調(diào)節(jié)不會影響路徑三23附近區(qū)域的物理場(包括電流場、速度場和溫度場)。比如，調(diào)節(jié)第一電極21b的高度會改變路徑一21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弧長引起的熔池內(nèi)電壓分布變化?？梢姼淖兡持щ姌O的工藝參數(shù)只會影響該電極路徑下的物理場分布——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)整弧長對不同路徑電壓和焦耳熱分布的影響

4、另外，由于進料口更靠近電極(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)，并長時間停留在兩極之間區(qū)域，充分熔融。這顯著加快了熔池對飛灰的熔融能力，降低單位能耗。

第一實施例：

作為一種實施方式，雙電極沿熔融爐中軸線對稱布置，并與飛灰進料口和排渣口排布在一個經(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?，也可采用實心石墨棒。采用中空石墨棒時，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、氮氣；采用實心石墨電極時，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，充分熔融的飛灰熔渣經(jīng)溢流流出排渣口并被冷卻。

第二實施例：

作為第二種實施方式，雙電極21a和21b沿熔融爐中軸線對稱布置，飛灰進料口和排渣口排至在一個經(jīng)過中軸線的平面上。雙電極所在平面與飛灰進料口、排渣口所在平面垂直，如圖3所示。雙電極和底導(dǎo)電件28同實施方式一。不同于實施方式一，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，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)上述的兩個實施方案所述，本系統(tǒng)可以更加有效的實現(xiàn)對飛灰熔池的熔融，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)點概括如下：

1、熔池焦耳熱加熱的深度和寬度擴大，使熔池體積擴大；

2、更強的熔池攪拌作用，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飛灰的熔融能力，降低單位能耗。

在本文敘述的框架下，弧長，電流共同決定爐子的工藝參數(shù)。并且，改變弧長可以有效改變?nèi)鄢貎?nèi)的功率分布，調(diào)整電流和弧長組合，可以找到最合適的工藝參數(shù)點，使整個爐體的溫度場和流場分布達到最佳。

應(yīng)當(dāng)理解，上述實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)加以實現(xiàn)。

如上所述，盡管參照特定的優(yōu)選實施例已經(jīng)表示和表述了本發(fā)明，但其不得解釋為對本發(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，可對其在形式上和細節(jié)上作出各種變化。