專利名稱：一種利用高頻等離子體處理固體有機(jī)廢棄物的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及固體廢棄物處理技術(shù)領(lǐng)域，特別是利用電學(xué)范疇的高頻等離子體熱解氣化固體有機(jī)廢棄物的技術(shù)。
背景技術(shù)：
固體有機(jī)廢棄物包括城市生活垃圾、高分子廢棄物如塑料、橡膠、以及某些農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)廢棄物和工業(yè)廢棄物等。近年來國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，固體有機(jī)廢棄物產(chǎn)生量大為增加，2000年我國廢舊塑料的產(chǎn)生量達(dá)370萬噸，廢橡膠達(dá)85萬噸，引起日益嚴(yán)重的“白色污染”、“黑色污染”等問題。當(dāng)前國內(nèi)外有關(guān)固體廢棄物的處理技術(shù)主要以填埋、焚燒、機(jī)械或者化學(xué)回收為主。例如，目前我國有小部分廢塑料經(jīng)過回收進(jìn)行再生利用，但多數(shù)再生制品檔次低，市場需求不大。大部分垃圾中的廢棄塑料制品仍然與垃圾一起按填埋處理，由于塑料重量輕、體積大，填埋占地多，塑料大分子不能自行降解，長期不腐爛，不僅浪費資源，而且破壞土地，污染地下水。焚燒處理法有較好的減容、減量效果，但廢塑料焚燒常產(chǎn)生大量含有毒污染物的煙氣，引起嚴(yán)重的空氣污染。近來，化學(xué)回收法例如廢塑料催化裂解制汽油、柴油的方法也受到人們很大的重視。廢塑料裂解制油需要在壓力0.2-0.5MPa、溫度500-800℃和催化劑作用條件下進(jìn)行，廢塑料原料在催化劑和熱的作用下，通過熱裂解反應(yīng)和催化裂解反應(yīng)，碳?xì)湓亟M成的高分子材料向低分子燃油轉(zhuǎn)化，經(jīng)分餾冷凝后獲得類似汽油、柴油的產(chǎn)物。目前廢塑料裂解制油技術(shù)的主要問題是產(chǎn)品質(zhì)量難以控制達(dá)到生成符合國家標(biāo)準(zhǔn)的汽油和柴油的目的，催化劑的反應(yīng)效果差、出油率低、耗能高。
等離子體是被激發(fā)電離氣體，由帶負(fù)電的粒子如電子、帶正電的粒子如正離子和中性粒子如原子等組成，電離氣體內(nèi)正負(fù)電荷數(shù)相等，其總體保持電中性，并具有導(dǎo)電性。等離子體能夠提供一個能量集中、溫度很高的反應(yīng)環(huán)境，不僅可大幅度提高化學(xué)反應(yīng)速率，而且產(chǎn)生其它反應(yīng)體系下難以發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，因此最近等離子體技術(shù)逐漸應(yīng)用于許多工業(yè)領(lǐng)域如化工、冶金、電子、能源、材料等。在能源與環(huán)保方面，固體廢棄物的等離子體熱解氣化技術(shù)也有較多報道。
利用直流電弧等離子體處理固體有機(jī)廢棄物的技術(shù)可見于中國專利01129931和02250661等。通常在直流電弧等離子體發(fā)生器中工作氣體被電離成高溫等離子體，并噴射入等離子體氣化反應(yīng)器形成3000-10000K高溫環(huán)境；固體有機(jī)廢棄物經(jīng)螺旋進(jìn)料器被載氣攜帶噴入等離子體氣化反應(yīng)器熱解區(qū)，形成大量活性離子存在的高溫反應(yīng)環(huán)境；固體有機(jī)廢棄物在反應(yīng)器高溫區(qū)進(jìn)行快速熱解氣化反應(yīng)，生成有回收利用價值的化學(xué)合成氣。目前應(yīng)用直流電弧等離子體處理固體有機(jī)廢棄物有一些技術(shù)上的局限性，例如(1)直流電弧放電為大電流強(qiáng)放電，電極容易燒蝕、壽命短，當(dāng)使用惰性氣體(Ar，He)、還原性氣體(H2)或者中性氣體(N2)作為工作氣體時，電極壽命一般為600小時；當(dāng)使用氧化性氣體(O2，空氣，H2O)，電極壽命僅有200小時左右。(2)直流電弧等離子體溫度高達(dá)3000-10000K，反應(yīng)器壁材料難以長時間承受。(3)固體物料只能在等離子體射流的下游引入，難以進(jìn)入等離子體中心區(qū)，等離子體氣化反應(yīng)器采用載流床形式，反應(yīng)物的停留時間短(0.2~2ms)，導(dǎo)致熱解氣化不完全。
利用高頻等離子體處理固體有機(jī)廢棄物的技術(shù)則以中國專利93102963為代表。高頻等離子體是依靠高頻耦合無極放電產(chǎn)生等離子體的，根據(jù)耦合方式的不同，高頻等離子體分為容性耦合等離子體和感性耦合等離子體，如果等離子體中的能量耦合是主要由射頻天線/電極的電壓產(chǎn)生的(靜止電荷)產(chǎn)生的，該耦合方式為容性耦合，產(chǎn)生的等離子體為容性耦合等離子體(CCP)；如果等離子體中的能量耦合是主要由射頻天線/電極的磁場產(chǎn)生的(運動電荷)產(chǎn)生的，對應(yīng)的耦合方式為感性耦合，所產(chǎn)生的等離子體為感性耦合等離子體(ICP)。高頻等離子體具有多方面的優(yōu)越性，例如(1)其它等離子體炬必須使用惰性氣體作為工作氣體以防燒蝕電極，而高頻等離子體可在空氣或氧氣條件下工作，大大節(jié)約了運行成本。(2)高頻等離子體區(qū)域較大，氣流速度小，易于中心供粉，粉末在高溫區(qū)的停留時間較長，等離子體炬有很長的高溫射流尾焰。(3)由于高頻電流的趨膚效應(yīng)，高頻等離子體可呈環(huán)狀，載氣能在等離子體中心形成一個通道，固體粉末在環(huán)狀高溫等離子體作用下迅速分解。
中國專利93102963提出的無極等離子體噴射裝置主要用于離解有害廢料，采用了射頻等離子體噴管激勵自由電子，廢料與可控自由電子源相結(jié)合，利用電子、分子所產(chǎn)生的碰撞和紫外線輻射，使得自由電子能夠離解廢料，成為可安全排放，對環(huán)境無害的簡單化合物。尤其是離解過程采用非加熱方式，依靠受激電子的鍵裂解作用，廢料的離解程度受自由電子密度和溫度以及廢料在等離子體中的停留時間的影響，電子密度能夠通過運載氣體的流量進(jìn)行控制，改變射頻功率能夠?qū)囟冗M(jìn)行控制。發(fā)明者曾提出該裝置可以擴(kuò)大到射頻功率MW級，處理廢料速率500kg/h規(guī)模使用。但其有待改善的主要問題是(1)大氣壓下操作的射頻等離子體噴管溫度仍然偏高，需要外加水冷卻。(2)射頻等離子噴管對外界干擾敏感，當(dāng)增大固體物料供給量時，等離子體不穩(wěn)定而容易熄弧。(3)處理的固體物料必須為粉末狀，而大顆粒、塊狀物料難以處理。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的局限性，提供一種利用高頻等離子體熱解氣化固體有機(jī)廢棄物的方法，具有良好的運行穩(wěn)定性和連續(xù)性，能夠處理大顆粒和塊狀固體物料，并且能夠高效率地獲得有價值的合成氣。
首先，高頻等離子體狀態(tài)參數(shù)(如電子密度、電子溫度、氣體溫度)受操作壓力的影響很大，若放電在接近大氣壓的高氣壓條件下進(jìn)行，則電子、離子、中性粒子會通過激烈碰撞而充分交換能量，從而使等離子體達(dá)到或接近熱平衡狀態(tài)；反之，數(shù)百帕或者數(shù)千帕低氣壓等離子體常常處于非熱平衡狀態(tài)，此時，氣體粒子數(shù)密度低，電子與離子或中性粒子的碰撞幾率很小，電子溫度與重粒子溫度的差別較大，其電子溫度可高達(dá)上萬度，而重粒子溫度只有幾百度。我們的實驗結(jié)果顯示對于內(nèi)徑30mm的射頻等離子體炬管，當(dāng)炬管內(nèi)工作氣體壓力為50Pa(絕對壓力)時，等離子體點火所需高頻功率為50W，用熱電偶測得溫度為150℃；氣體壓力為3000Pa時，點火功率為700W，熱電偶測得溫度為500℃；氣體壓力為5000-10000Pa時，點火功率約為1-2kW，溫度為1000-1500℃。利用高頻等離子體熱解氣化固體有機(jī)廢棄物如塑料、橡膠時，較佳的操作壓力為5000-10000Pa，溫度為1000-1500℃。
第二，關(guān)于高頻等離子體穩(wěn)定性問題，主要是等離子體工作氣體與被處理固體物料性質(zhì)的差別對于高頻能量耦合過程的影響所引起的。本專利采用如下所述的雙級等離子體以改善高頻等離子體穩(wěn)定性(1)使用較小直徑的第一等離子體炬管，內(nèi)通等離子體工作氣體，通過第一電感耦合線圈產(chǎn)生第一等離子體區(qū)，其高溫射流尾焰由第一等離子體炬管出口進(jìn)入第二等離子體區(qū)。(2)使用較大直徑的第二等離子體炬管，在第一等離子體炬管高溫射流尾焰的輔助作用下，通過第二電感耦合線圈產(chǎn)生第二等離子體區(qū)。(3)固體物料供給第二等離子體區(qū)，并在等離子體高溫反應(yīng)氛圍中熱解氣化。在上述雙級等離子體中，第一等離子體區(qū)不受固體物料影響，易于保持穩(wěn)定操作；當(dāng)?shù)诙入x子體區(qū)受固體物料供給的影響，出現(xiàn)不穩(wěn)定情況時，由于第一等離子體炬管高溫射流尾焰含有高能電子、離子、激發(fā)原子、分子和自由基等各種活性粒子，在第二電感耦合線圈的共同作用下可以保持第二等離子體炬管不容易熄弧。
第三，為了處理大顆粒和塊狀固體物料，第一等離子體區(qū)和第二等離子體區(qū)構(gòu)成一種噴動床形式，方法如下在第二等離子體區(qū)下部配置半錐型布風(fēng)板，半錐型布風(fēng)板底部連接第一等離子體炬管出口，第一等離子體炬管高溫射流尾焰成為第二等離子體區(qū)噴動床的中心噴動氣流，半錐型布風(fēng)板上對應(yīng)的第二等離子體的那部分區(qū)域成為噴動床的向下回流區(qū)；固體物料供給第二等離子體區(qū)后，將被中心噴動氣流夾帶而向上噴動，然后粗大顆粒由于重力作用從射流中分離出來，返回向下回流區(qū)，再進(jìn)入下一噴動循環(huán)。這樣，大顆粒和塊狀固體物料在噴動床有足夠的停留時間，直至完成熱解氣化反應(yīng)，成為小顆粒灰分，隨氣流到達(dá)除灰系統(tǒng)。
第四，為了充分利用固體廢物的有機(jī)組分制取合成氣，等離子體工作氣體可以采用過熱水蒸氣、或者過熱水蒸氣與空氣、氧氣或者其它氣體的混合物。水蒸氣、氧氣在高頻等離子體作用下離解為O、OH自由基，因此在本方法中，固體廢物的熱解氣化反應(yīng)本質(zhì)上是氧化反應(yīng)性質(zhì)的。等離子體含有的高能電子、離子等活性粒子對于高分子有機(jī)物也有鍵裂解作用。固體廢物的有機(jī)組分與過熱水蒸氣反應(yīng)制取合成氣的總包反應(yīng)式為。當(dāng)?shù)入x子體工作氣體含有空氣、氧氣時，部分有機(jī)組分也參與氧化反應(yīng)，從而提供熱解氣化所需的部分能量。
基于以上要點，本專利提出一種利用高頻等離子體處理固體有機(jī)廢棄物的方法，由以下步驟構(gòu)成(1)在低壓條件下，通過第一電感耦合線圈產(chǎn)生第一等離子體區(qū)，其高溫射流尾焰進(jìn)入第二等離子體區(qū)；(2)第一等離子體高溫射流尾焰的輔助作用下，通過第二電感耦合線圈產(chǎn)生第二等離子體區(qū)；(3)第一等離子體區(qū)和第二等離子體區(qū)構(gòu)成一種噴動床，其中第一等離子體高溫射流尾焰為第二等離子體區(qū)的中心噴動氣流，第二等離子體的其它區(qū)域為噴動床的向下回流區(qū)；(4)固體物料供給第二等離子體區(qū)，在等離子體作用下完成熱解氣化反應(yīng)。
其中，第一等離子體區(qū)和第二等離子體區(qū)較佳的操作壓力為5000-10000Pa，溫度為1000-1500℃；等離子體工作氣體采用過熱水蒸氣、或者過熱水蒸氣與空氣、氧氣的混合物或者其它氣體及其混合物。
與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明有以下突出優(yōu)點(1)由于采用低壓操作條件，高頻等離子體溫度可以控制在1500℃以下，使用常規(guī)材料(如鑄造陶瓷)即可制造等離子體反應(yīng)器，并且有利于裝置的長時間連續(xù)運行。(2)由于采用雙級等離子體，高頻等離子體穩(wěn)定性得到了很大改善，等離子體點火過程也更為容易。(3)由于采用噴動床形式，大顆粒和塊狀固體物料也能夠得到處理。(4)等離子體工作氣體主要采用水蒸氣，有利于從固體廢物的有機(jī)組分制取合成氣。
以下結(jié)合附圖
對本專利的實質(zhì)內(nèi)容進(jìn)一步詳細(xì)說明。
圖一是本專利實施例示意圖。圖中1，第一等離子體區(qū)，2，第二等離子體區(qū)，3，第一電感耦合線圈，4，第一等離子體炬管，5，半錐型布風(fēng)板，6，第二電感耦合線圈，7，第二等離子體炬管，8，水蒸氣發(fā)生器，9，螺旋進(jìn)料器，10，料倉，11，第一匹配網(wǎng)絡(luò)，12，第一晶控RF高頻電源，13，第二匹配網(wǎng)絡(luò)，14，第二晶控RF高頻電源，15，除灰系統(tǒng)，16，灰倉，17，抽氣系統(tǒng)。
具體實施例方式
實施例一如圖一所示，水蒸氣發(fā)生器(8)產(chǎn)生過熱水蒸氣，經(jīng)計量和調(diào)節(jié)后提供給第一等離子體區(qū)(1)，同時過熱水蒸氣通過均勻分布有多個系列進(jìn)風(fēng)小孔的半錐型布風(fēng)板(5)提供給第二等離子體區(qū)(2)；第一晶控RF高頻電源(12)的型號為JG-2K-B，輸出功率0-2kW，輸出頻率為工業(yè)專用高頻13.56MHz；第一匹配網(wǎng)絡(luò)(11)型號為JG-2KW，配備正向功率計和反向功率計；第一電感耦合線圈(3)用銅管繞制，并且成螺旋狀環(huán)繞在用耐高溫陶瓷鑄造成的第一等離子體炬管(4)外壁；第二晶控RF高頻電源(14)型號為JG-10K-B，輸出功率0-10kW，頻率13.56MHz，以及第二匹配網(wǎng)絡(luò)(13)型號為JG-10KW，配備正向功率計和反向功率計；第二電感耦合線圈(6)用銅管繞制，并且成螺旋狀環(huán)繞在用耐高溫陶瓷鑄造成的第二等離子體炬管(7)外壁；抽氣系統(tǒng)(17)為水環(huán)式真空泵，抽氣速率12L/s，極限壓力4000Pa，經(jīng)過除灰系統(tǒng)(15)抽取等離子體反應(yīng)器氣體，使得第一等離子體區(qū)和第二等離子體區(qū)壓力約為5000Pa；啟動第一晶控RF高頻電源(12)，調(diào)節(jié)第一匹配網(wǎng)絡(luò)(11)，使得第一等離子體區(qū)(1)起輝；然后啟動第二晶控RF高頻電源(14)，調(diào)節(jié)第二匹配網(wǎng)絡(luò)(13)，使得第二等離子體區(qū)(2)起輝；調(diào)節(jié)晶控RF高頻電源(12，14)輸出功率以及匹配網(wǎng)絡(luò)(11，13)，使得第一等離子體區(qū)和第二等離子體區(qū)溫度達(dá)1000℃以上；啟動螺旋進(jìn)料器(9)，將儲存于料倉(10)的聚丙烯PP塑料顆粒加入等離子體反應(yīng)器，在等離子體高溫作用下，聚丙烯PP塑料顆粒熱解氣化，氣體經(jīng)過除灰系統(tǒng)(15)和抽氣系統(tǒng)(17)排出，氣體取樣后用色譜分析，主要成分有H2、CO、CH4、C2H4、C2H2、CO2、C2H6、C3H6、C3H8等，氣體熱值約22MJ/Nm3，適合用作化工合成氣、原料氣或者燃料氣等?；覀}(16)可收集到極少量的灰分。
實施例二與實施例一相同，調(diào)節(jié)抽氣系統(tǒng)(17)，使得第一等離子體區(qū)和第二等離子體區(qū)壓力約為10000Pa；調(diào)節(jié)晶控RF高頻電源(12，14)輸出功率以及匹配網(wǎng)絡(luò)(11，13)，使得第一等離子體區(qū)和第二等離子體區(qū)溫度約為1300℃；聚丙烯PP塑料顆粒熱解氣化，氣體取樣后用色譜分析，主要成分種類與實施例一相同。
實施例三與實施例一相同，當(dāng)固體物料進(jìn)料為廢輪胎粉碎顆粒，產(chǎn)氣主要成分有H2、CO、CH4、C2H4、C2H2、CO2、C2H6、C3H6、C3H8等、以及硫化氫H2S，氣體熱值約20MJ/Nm3。灰倉(16)可收集到固體產(chǎn)物，即熱解碳黑，其元素分析為85％C，0.5％H，12％O，0.4％N，1.9％S；工業(yè)分析其灰分為16.2％，熱值28500kJ/kg，BET比表面積70m2/g；掃描電鏡分析(SEM)表明熱解碳黑顆粒形成一種原生粒子聚集體結(jié)構(gòu)，大小為50-2000μm；光電子能譜分析(XPS)顯示熱解碳黑中的碳主要以石墨結(jié)構(gòu)碳存在，硫的形態(tài)與FeS2和ZnS類似；核磁共振波譜分析(NMR)表明熱解碳黑的主體化學(xué)性質(zhì)為芳香碳C＝C鍵結(jié)構(gòu)。因此，這些固體產(chǎn)物可用作工業(yè)半補(bǔ)強(qiáng)碳黑，還可以經(jīng)過進(jìn)一步處理后作為活性炭使用。
權(quán)利要求
1.一種利用高頻等離子體處理固體有機(jī)廢棄物的方法，其特征是包括了由雙級等離子體區(qū)構(gòu)成的噴動床。
2.權(quán)利要求1所述的利用高頻等離子體處理固體有機(jī)廢棄物的方法，其特征在于由第一等離子體區(qū)和第二等離子體區(qū)構(gòu)成一種噴動床，其中第一等離子體高溫射流尾焰為第二等離子體區(qū)的中心噴動氣流，第二等離子體的其它區(qū)域為噴動床的向下回流區(qū)。
3.權(quán)利要求2所述的利用高頻等離子體處理固體有機(jī)廢棄物的方法，其特征在于固體物料供給第二等離子體區(qū)。
4.權(quán)利要求2所述的利用高頻等離子體處理固體有機(jī)廢棄物的方法，其特征在于在低壓條件下產(chǎn)生第一等離子體區(qū)和第二等離子體區(qū)。
5.權(quán)利要求4所述的利用高頻等離子體處理固體有機(jī)廢棄物的方法，其特征在于工作氣體壓力為5000-10000Pa。
6.權(quán)利要求2所述的利用高頻等離子體處理固體有機(jī)廢棄物的方法，其特征在于等離子體工作氣體主要采用水蒸氣。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種利用高頻等離子體處理固體有機(jī)廢棄物的方法，其特征是包括了由雙級等離子體區(qū)構(gòu)成的噴動床。該方法步驟包括在低壓條件下產(chǎn)生第一等離子體區(qū)和第二等離子體區(qū)，由第一等離子體區(qū)和第二等離子體區(qū)構(gòu)成一種噴動床，主要采用水蒸氣為等離子體工作氣體，并且將固體物料供給第二等離子體區(qū)。該發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)的局限性，具有良好的運行穩(wěn)定性和連續(xù)性，能夠處理大顆粒和塊狀固體物料，并且能夠高效率地獲得有價值的合成氣。
文檔編號C10J3/20GK1683828SQ20041002685
公開日2005年10月19日 申請日期2004年4月14日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月14日
發(fā)明者黃海濤, 唐蘭 申請人:中國科學(xué)院廣州能源研究所