CN109282484A - 一种微波加热的高温高压水热脱毒连续运行装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微波加热的高温高压水热脱毒连续运行装置及方法。本发明通过连接器连接微波反应罐来达到连续进样的目的，独立的可密封的微波反应罐，实现了高温高压反应的安全运行。通过控制物料的传送速度来控制升温、控温时间，过渡腔分离微波升温与控温过程，实现反应温度的分段准确控制，以及微波的连续稳定运行。通过两个微波吸收腔以及微波反应罐表面的金属网，达到逐级衰减微波、防止泄露的目的。通过感应器对微波发生器启停控制，实现系统的自动启停。本发明利用微波体加热的原理，实现了垃圾焚烧飞灰(下面简称“飞灰”)高效连续脱毒降解处置，且处置产物具有很高的工业应用潜力，适用于飞灰连续微波水热的大型化、工业化应用。

Description

一种微波加热的高温高压水热脱毒连续运行装置及方法

技术领域

本发明涉及一种微波加热的高温高压水热脱毒连续运行装置及方法，属于微波加热应 用技术和飞灰处置技术领域。

背景技术

随着我国经济的持续高速增长，我国城市生活垃圾年产生量增长迅速。这意味着焚烧 将代替填埋，成为我国城市生活垃圾处理的主导技术。随着生活垃圾焚烧的快速发展，垃 圾焚烧飞灰产生量也越来越大，2016年我国的飞灰产量超过500万吨，今后几年还将快速 增长，到2018年将可能突破700万吨。城市生活垃圾焚烧厂的飞灰污染问题，其实质可以 归结为：飞灰产生量巨大，飞灰中富含重金属及二恶英有毒物，飞灰无害化处置技术不成 熟，飞灰的处置成本高，飞灰不合理处置导致的环境污染后果严重。因此，妥善、高效、低成本的进行城市生活垃圾焚烧飞灰的处置，已成为行业普遍和迫切的需求，也是制约垃圾焚烧行业发展的重要问题之一。

尽管我国生活垃圾焚烧取得了快速发展和长足进步，但垃圾焚烧飞灰的无害化处置却 进展缓慢，成为生活垃圾焚烧全过程污染控制和风险管理中最为薄弱的环节，飞灰无序堆 放、不规范处理及利用等问题严重。我国的飞灰处置技术仍然较为落后，主要的处置技术 方法是水泥固化法以及化学药剂稳定法。前者是最传统的飞灰处理方法，简单的工艺设备 和操作，以及低处置成本，是其最大的优势，但存在重金属固化效果欠佳、无法脱除二噁 英等缺点，尤其是最终填埋体积会增加1.5-2.0倍；而后者则由于城市生活垃圾焚烧飞灰 组分及重金属形态的复杂性，很难找到一种普遍适用的化学稳定剂，而且药剂固化对二噁 英的稳定作用较小，且极有可能造成二次污染，这些都是制约药剂稳定化规模化应用的主 要原因。而水热法在固定重金属以及二噁英的脱除方面都有很好的表现，其水热产物也具 有很大的资源化应用潜力，而微波水热法除了具有水热法的优势外，还可以大大降低飞灰 的处置成本。

目前微波水热处置垃圾焚烧飞灰仍然处于实验研究阶段，一般采用反应罐的形式进行 批量反应，且微波升温、维持、冷却阶段都在同一个反应室内进行。在这种形式下，严重 影响了飞灰的处置效率，此外还需要间歇性更换物料，操作繁琐，人力成本大大增加。因此积极开展微波水热连续化运行的工艺研发与设备制造，对我国未来垃圾焚烧飞灰的处置格局将产生至关重要的影响。

发明内容

为实现微波加热的水热脱毒法的工业应用，本发明提供一种微波加热的高温高压水热 脱毒连续运行装置及方法。

本发明的微波加热的高温高压水热脱毒连续运行装置包括进样仓(1)、进样轨道(2)、 微波升温腔(7)、微波控温腔(10)、泄压降温腔(12)、收集仓(13)、微波吸收腔(15)、水热反应罐(17)、进样传送带(20)和出样传送带(21)；其中微波吸收腔(15)有两个， 分别为第一微波吸收腔和第二微波吸收腔；进样仓(1)出口设有进样轨道(2)，进样轨道 (2)下侧为进样传送带(20)；进样传送带(20)顺次穿过第一微波吸收腔、微波升温腔 (7)、微波控温腔(10)以及第二微波吸收腔；微波吸收腔(15)设有感应门(4)，感应 门(4)与微波吸收腔(15)内设置的红外感应器(14)连接；微波升温腔(7)与微波控 温腔(10)之间由阻隔壁(19)相连；泄压降温腔(12)内设有出样传送带(21)；进样传 送带(20)穿过第二微波吸收腔后和出样传送带(21)相连；泄压降温腔(12)与收集仓 (13)相连；水热反应罐(17)单侧表面设定距离处设有金属网覆盖层(18)；水热反应罐 (17)由进样传送带(20)和出样传送带(21)进行传输。

优选的，所述的金属网覆盖层(18)覆盖水热反应罐(17)一半的外表面；金属网覆盖层(18)与水热反应罐(17)表面的距离为3cm；金属网覆盖层(18)用于屏蔽微波， 防止微波泄露，且不影响反应罐内介质对微波的吸收。

优选的，所述的微波升温腔(7)上设置有第一红外控温装置(5)、第一微波发生器(6)； 微波控温腔(10)上设置有第二红外控温装置(8)、第二微波发生器(9)和操作面板(8)。

优选的，所述的第一微波吸收腔的进口侧设有第一感应门(4a)，出口侧设有第二感应 门(4b)；第二微波吸收腔的进口侧设有第三感应门(4c)，出口侧设有第四感应门(4d)； 每个感应门处均设置一个红外感应器，红外感应器与对应的感应门相连。更加优选的，在 阻隔壁处设有一个第五红外感应器(14n)，当第二感应门(4b)对应的红外感应器(14b) 与第五红外感应器(14n)同时未感应到水热反应罐时，第一微波发生器(6)关闭，反之 则开启；当第三感应门(4c)对应的红外感应器(14c)与第五红外感应器(14n)同时未感应到水热反应罐时，第二微波发生器(9)关闭，反之则开启。

优选的，所述的第一微波吸收腔的进口侧设有第一感应门(4a)，第二微波吸收腔的出 口侧设有第四感应门(4d)；每个感应门处均设置一个红外感应器，红外感应器与对应的感 应门相连；

所述的第一微波吸收腔的出口侧和第二微波吸收腔的进口侧设有检测水热反应罐、并 依据检测结果控制微波发生器进行启停的传感器。

优选的，所述的微波吸收腔(15)壁面设有微波吸收层(3)。

优选的，所述的水热反应罐(17)可以有多个，水热反应罐(17)之间通过连接器(16) 相连。

优选的，所述的水热反应罐(17)的材料为聚四氟乙烯。

本发明还公开了一种微波加热的高温高压水热脱毒连续运行方法，其步骤如下：

装有飞灰、溶剂的水热反应罐(17)，按照进样传送带(20)所设定的速率从进样仓(1) 沿着进样轨道(2)所限定的路线进入第一微波吸收腔；水热反应罐(17)之间由连接器(16) 串联，从而起到连续进样的作用，当水热反应罐(17)到达感应门(4)附近时，相应的红外感应器(14)发出信号控制感应门(4)打开，水热反应罐(17)依次进入第一微波吸收 腔(15)、微波升温腔(7)、微波控温腔(10)以及第二微波吸收腔；第二感应门(4b)的 开启，同时控制微波发生器(6)开启；其中，第二感应门(4b)或第三感应门(4c)中的 任意一个打开时，第一微波发生器(6)和第二微波发生器(9)就开启，仅当第二感应门 (4b)或第三感应门(4c)同时关闭时，第一微波发生器(6)和第二微波发生器(9)停 止工作；

水热反应罐(17)在微波升温腔(7)和微波控温腔(10)中的反应时间由进样传送带(20)的速率控制；当水热反应罐(17)移动至微波控温腔(10)出口附近时，出口侧的 第三感应门(4c)受第三红外感应器(14c)控制开启；当水热反应罐(17)继续移动至第 二微波吸收腔出口处时，出口侧的第四感应门(4d)受第四红外感应器(14d)控制开启， 水热反应罐(17)通过出样传送带(21)进入泄压降温腔(12)；

泄压降温腔(12)中的停留时间由出样传送带(21)的速率控制调节，进入收集仓的水热反应罐(17)可以被安全开启卸载；当水热反应罐(17)依次通过第一微波吸收腔、 微波升温腔(7)、微波控温腔(10)、第二微波吸收腔以及降温泄压过程后，进入收集仓(13)；

当各处感应门(4)未感应到水热反应罐(17)时，自动关闭；当第二感应门(4b)和第三感应门(4c)均关闭后，第一微波发生器(6)和第二微波发生器(9)关闭；微波升 温腔(7)和微波控温腔(10)中的工作参数由操作面板(11)统一设置，第一红外控温装 置(5)和第二红外控温装置(8)用于实时监测微波升温腔(7)和微波控温腔(10)中水 热反应罐(17)内温度，当监测到温度即将达到设定的温度时，将信号反馈给对应的第一 微波发生器(6)或第二微波发生器(9)，进行微波功率微调。

本系统将微波升温、微波控温、泄压降温过程分离，不仅提高了飞灰处置的效率，而 且实现了连续化处置。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)与电加热的水热处置技术相比，本发明采用微波作为加热形式，具有加热速度快， 受热均匀、高效等优点。

(2)和管道式进样形式相比，本发明采用反应罐的形式，反应物的受热更加均匀，在 高温高压的水热条件下安全运行得以保证。

(3)与反应釜形式的水热处置相比，本发明采用反应罐串联的形式，实现了稳定可控 连续的运行处置。

(4)本系统将微波加热与控温单独控制，大大提高了对反应罐的温度控制精确度，同 时提高了处置效率。

附图说明

图1为微波加热的水热脱毒连续运行装置示意图；

图中：进样仓1、进样轨道2、微波吸收层3、第一感应门4a，第二感应门4b，第三感应门4c，第四感应门4d，第一红外控温装置5、第二红外控温装置8、第一微波发生器6、 第二微波发生器9、微波升温腔7、微波控温腔10、操作面板11、泄压降温腔12、收集仓 13、第一红外感应器14a,第二红外感应器14b,第三红外感应器14c、第四红外感应器14d， 第五红外感应器14n、微波吸收腔15、连接器16、水热反应罐17、金属网覆盖层18、阻 隔壁19、进样传送带20、出样传送带21。

具体实施方式

如图1所示，微波加热的水热脱毒连续运行装置包括进样仓1、进样轨道2、微波吸收 层3、感应门4(从左到右分别为第一感应门4a，第二感应门4b，第三感应门4c，第四感 应门4d)、第一红外控温装置5、第二红外控温装置8、第一微波发生器6、第二微波发生 器9、微波升温腔7、微波控温腔10、操作面板11、泄压降温腔12、收集仓13、红外感应 器(14)(与感应门对应分别为第一红外感应器14a,第二红外感应器14b,第三红外感应 器14c、第四红外感应器14d，、微波吸收腔15、连接器16、水热反应罐17、金属网覆盖 层18、阻隔壁19、进样传送带20和出样传送带21。

其中微波吸收腔(15)有两个，分别为第一微波吸收腔和第二微波吸收腔；进样仓(1) 出口设有进样轨道(2)，进样轨道(2)下侧为进样传送带(20)；进样传送带(20)顺次 穿过第一微波吸收腔、微波升温腔(7)、微波控温腔(10)以及第二微波吸收腔；微波吸 收腔(15)设有感应门(4)，感应门(4)与微波吸收腔(15)内设置的红外感应器(14) 连接；微波升温腔(7)与微波控温腔(10)之间由阻隔壁(19)相连；泄压降温腔(12) 内设有出样传送带(21)；进样传送带(20)穿过第二微波吸收腔后和出样传送带(21)相 连；泄压降温腔(12)与收集仓(13)相连；水热反应罐(17)单侧表面设定距离处设有 金属网覆盖层(18)；水热反应罐(17)由进样传送带(20)和出样传送带(21)进行传输。

微波水热处置飞灰连续运行方法：装有一定比例飞灰/水(或氢氧化钠溶液、氢氧化钾 溶液、磷酸盐溶液、碳酸盐溶液等碱性试剂)混合物的耐腐蚀、耐高温高压的水热反应罐， 按照进样传送带所设定的速率从进样仓沿着进样轨道所限定的路线进入微波吸收腔。水热 反应罐之间由连接器串联，从而起到连续进样的作用，因此在不影响连接水热反应罐的前 提下，连接器的长度可尽量减小，以提高进样效率以及微波能利用率。当水热反应罐(到 达感应门附近时，红外感应器发出信号控制感应门打开，水热反应罐依次进入微波吸收腔、 微波升温腔、微波控温腔以及另一个微波吸收腔。第二感应门(4b)的开启，同时控制微 波发生器开启。第二感应门(4b)、第三感应门(4c)对微波发生器的启停逻辑是，第二感应 门(4b)或第三感应门(4c)打开时，微波发生器开启，仅当第二感应门感应门(4b)和 第三感应门(4c)同时关闭时，微波发生器停止工作。水热反应罐在微波升温腔和微波控 温腔中的反应时间由进样传送带的速率控制。当水热反应罐移动至微波控温腔出口附近时， 出口侧感应门(4c)受对应红外感应器控制开启。当水热反应罐继续移动至微波吸收腔出 口处时，出口侧感应门(4d)受对应红外感应器控制开启，水热反应罐通过出样传送带进 入泄压降温腔。在泄压降温腔)中的停留时间由出样传送带的速率控制调节，进入收集仓 的水热反应罐可以被安全开启卸载。当水热反应罐依次通过微波吸收腔、微波升温腔、过 渡腔、微波控温腔、微波吸收腔以及降温泄压过程后，进入收集仓，进而完成整个高温高 压水热处置程序。当各处感应门未感应到水热反应罐时，自动关闭；当第二感应门感应门 (4b)和第三感应门(4c)均关闭后，微波发生器关闭。微波发生器受到总电源以及感应 门处开关串联控制。微波升温腔和微波控温腔中的工作参数由操作面板统一设置，包括微 波工作功率、温度等。红外控温主要用于实时监测微波升温腔和微波控温腔中水热反应罐 内温度，当监测到温度即将达到设定的温度时，将信号反馈给微波发生器，进行微波功率 微调。

本发明中，水热反应罐是可密封的圆柱形的反应罐，由耐高温高压的材料制成，出于 安全考虑内容物总体积不超过水热反应罐体积的2/3。在其单侧(整个反应罐一半的面积) 表面一定距离处(推荐3cm)的金属网覆盖层可用于屏蔽微波，防止微波泄露，且不影响反应罐内介质对微波的吸收。为了更好地控制微波泄漏量，反应罐外径尺寸最大程度接近微波吸收腔的宽度与高度。微波吸收腔四周壁面均有微波吸收层(铁氧体粉、碳化硅粉、 碳化硅纤维、碳纤维、金属纤维等微波吸收材料)，从而进一步减少微波泄露量。各处感应 门均由可防止微波泄露的材料制成。此外微波吸收腔的长度越长，可同时容纳的水热反应 罐数量也越多，反应罐表面的金属网覆盖层也越多，可以实现对微波的多次衰减，从而实 现微波安全运行。另外，第二感应门感应门(4b)和第三感应门(4c)以及其对应的红外 感应器也可以不设置，改为对应位置装感应设备直接控制微波发生器的启停。亦或是，在 阻隔壁附近增加一个第五红外感应器(14n，未在示意图中指出)控制微波发生器，启停逻 辑为当第二红外感应器(14b)与第五红外感应器(14n)同时未感应到水热反应罐时，第一 微波发生器(6)关闭，反之则开启；当第三红外感应器(14c)与第五红外感应器(14n)同 时未感应到水热反应罐时，第二微波发生器(9)关闭，反之则开启；这种控制逻辑，可以 减少装置开始与停止运行时的微波能量浪费，提高微波利用效率。

本发明中，阻隔壁的存在，很好的分割了微波水热的升温过程与控温过程，也使得微 波对微波反应罐内温度的控制更为准确。微波反应罐从进入微波升温腔开始升温，通过微 波功率的调节，使得当其到达微波升温腔出口时恰好达到设定温度。理论上进入微波控温 腔的微波反应罐内的介质温度都是相同的，因此可以实现各个微波反应罐的均匀受热，微 波功率的程序控制也更为简单，从而实现微波分段控制，一段从室温升温至设定温度(例 如，25-200℃)，一段控制反应罐内温度维持在设定温度(200℃)。另外，阻隔壁的高度、宽度与微波吸收腔一致，尽可能与微波反应罐尺寸接近，阻隔壁与微波升温腔和微波控温腔的高度差，可以更好地隔离两个微波腔。且阻隔壁中微波反应罐的存在，也可以逐级衰减微波，从而将两个微波腔之间的影响。在控制微波泄露的前提下，可以尽量减小微波吸收腔与阻隔壁的长度，从而提高处置效率。本系统将微波升温、微波控温、泄压降温过程 分离，不仅提高了飞灰处置的效率，而且实现了连续化处置。

因此本发明提供的微波加热的高温高压水热脱毒连续运行装置及方法，实现了飞灰的 高效处置以及连续化运行。同时所得到的高品质产物，具备很高的工业利用价值，实现处 置成本的大量回收。该装置运行操作简单、运行稳定安全，适用于飞灰连续水热的大型化、 工业化应用，满足了我国日益增长的飞灰处置的需求。

Claims (10)

1.一种微波加热的高温高压水热脱毒连续运行装置，其特征在于，包括进样仓(1)、进样轨道(2)、微波升温腔(7)、微波控温腔(10)、泄压降温腔(12)、收集仓(13)、微波吸收腔(15)、水热反应罐(17)、进样传送带(20)和出样传送带(21)；其中微波吸收腔(15)有两个，分别为第一微波吸收腔和第二微波吸收腔；进样仓(1)出口设有进样轨道(2)，进样轨道(2)下侧为进样传送带(20)；进样传送带(20)顺次穿过第一微波吸收腔、微波升温腔(7)、微波控温腔(10)以及第二微波吸收腔；微波吸收腔(15)设有感应门(4)，感应门(4)与微波吸收腔(15)内设置的红外感应器(14)连接；微波升温腔(7)与微波控温腔(10)之间由阻隔壁(19)相连；泄压降温腔(12)内设有出样传送带(21)；进样传送带(20)穿过第二微波吸收腔后和出样传送带(21)相连；泄压降温腔(12)与收集仓(13)相连；水热反应罐(17)单侧表面设定距离处设有金属网覆盖层(18)；水热反应罐(17)由进样传送带(20)和出样传送带(21)进行传输。

2.如权利要求1所述的一种微波加热的高温高压水热脱毒连续运行装置，其特征在于，所述的金属网覆盖层(18)覆盖水热反应罐(17)一半的外表面；金属网覆盖层(18)与水热反应罐(17)表面的距离为3cm；金属网覆盖层(18)用于屏蔽微波，防止微波泄露，且不影响反应罐内介质对微波的吸收。

3.如权利要求1所述的一种微波加热的高温高压水热脱毒连续运行装置，其特征在于，所述的微波升温腔(7)上设置有第一红外控温装置(5)、第一微波发生器(6)；微波控温腔(10)上设置有第二红外控温装置(8)、第二微波发生器(9)和操作面板(8)。

4.如权利要求1所述的一种微波加热的高温高压水热脱毒连续运行装置，其特征在于，所述的第一微波吸收腔的进口侧设有第一感应门(4a)，出口侧设有第二感应门(4b)；

第二微波吸收腔的进口侧设有第三感应门(4c)，出口侧设有第四感应门(4d)；

每个感应门处均设置一个红外感应器，红外感应器与对应的感应门相连。

5.如权利要求1所述的一种微波加热的高温高压水热脱毒连续运行装置，其特征在于，所述的第一微波吸收腔的进口侧设有第一感应门(4a)，第二微波吸收腔的出口侧设有第四感应门(4d)；每个感应门处均设置一个红外感应器，红外感应器与对应的感应门相连；

所述的第一微波吸收腔的出口侧和第二微波吸收腔的进口侧设有检测水热反应罐、并依据检测结果控制微波发生器进行启停的传感器。

6.如权利要求4所述的一种微波加热的高温高压水热脱毒连续运行装置，其特征在于，

在阻隔壁处设有一个第五红外感应器(14n)，当第二感应门(4b)对应的红外感应器(14b)与第五红外感应器(14n)同时未感应到水热反应罐时，第一微波发生器(6)关闭，反之则开启；当第三感应门(4c)对应的红外感应器(14c)与第五红外感应器(14n)同时未感应到水热反应罐时，第二微波发生器(9)关闭，反之则开启。

7.如权利要求1所述的一种微波加热的高温高压水热脱毒连续运行装置，其特征在于，所述的微波吸收腔(15)壁面设有微波吸收层(3)。

8.如权利要求1所述的一种微波加热的高温高压水热脱毒连续运行装置，其特征在于，所述的水热反应罐(17)可以有多个，水热反应罐(17)之间通过连接器(16)相连。

9.如权利要求1所述的一种微波加热的高温高压水热脱毒连续运行装置，其特征在于，所述的水热反应罐(17)的材料为聚四氟乙烯。

10.一种微波加热的高温高压水热脱毒连续运行方法，其特征在于步骤如下：

装有飞灰、溶剂的水热反应罐(17)，按照进样传送带(20)所设定的速率从进样仓(1)沿着进样轨道(2)所限定的路线进入第一微波吸收腔；水热反应罐(17)之间由连接器(16)串联，从而起到连续进样的作用，当水热反应罐(17)到达感应门(4)附近时，相应的红外感应器(14)发出信号控制感应门(4)打开，水热反应罐(17)依次进入第一微波吸收腔(15)、微波升温腔(7)、微波控温腔(10)以及第二微波吸收腔；第二感应门(4b)的开启，同时控制微波发生器(6)开启；其中，第二感应门(4b)或第三感应门(4c)中的任意一个打开时，第一微波发生器(6)和第二微波发生器(9)就开启，仅当第二感应门(4b)或第三感应门(4c)同时关闭时，第一微波发生器(6)和第二微波发生器(9)停止工作；

水热反应罐(17)在微波升温腔(7)和微波控温腔(10)中的反应时间由进样传送带(20)的速率控制；当水热反应罐(17)移动至微波控温腔(10)出口附近时，出口侧的第三感应门(4c)受第三红外感应器(14c)控制开启；当水热反应罐(17)继续移动至第二微波吸收腔出口处时，出口侧的第四感应门(4d)受第四红外感应器(14d)控制开启，水热反应罐(17)通过出样传送带(21)进入泄压降温腔(12)；

泄压降温腔(12)中的停留时间由出样传送带(21)的速率控制调节，进入收集仓的水热反应罐(17)可以被安全开启卸载；当水热反应罐(17)依次通过第一微波吸收腔、微波升温腔(7)、微波控温腔(10)、第二微波吸收腔以及降温泄压过程后，进入收集仓(13)；

当各处感应门(4)未感应到水热反应罐(17)时，自动关闭；当第二感应门(4b)和第三感应门(4c)均关闭后，第一微波发生器(6)和第二微波发生器(9)关闭；微波升温腔(7)和微波控温腔(10)中的工作参数由操作面板(11)统一设置，第一红外控温装置(5)和第二红外控温装置(8)用于实时监测微波升温腔(7)和微波控温腔(10)中水热反应罐(17)内温度，当监测到温度即将达到设定的温度时，将信号反馈给对应的第一微波发生器(6)或第二微波发生器(9)，进行微波功率微调。