一种等离子体熔融汽化工艺原料检测方法与流程

1.本发明涉及一种等离子熔融气化工艺原料检测，尤其涉及一种高温条件下热裂解固体液体富含有机物的废弃物并对各相产物进行分析和检测的方法。


背景技术：

2.等离子熔融气化技术通过等离子炬产生高达约5000k的热源，将气化炉保持在1300℃～1500℃高温，将固体废物中的有机成分转化为气体，经过滤器和脱硫器后产生的清洁合成气主要由氢、一氧化碳和少量的甲烷组成，二氧化碳仅占4.1％。几乎不含粉尘、二氧化硫、碳黑、氮氧化物、氨气、氰化氢等有害物质可用来生产乙醇、甲醇和生物柴油等产品；矿物质、重金属类物质高温熔融为玻璃态物质并回收利用。在高强度热源下，基本粒子的活动能量远大于任何分子间化学键的作用，物质的微观运动以原子热运动为主，原有物质被打碎为原子物质，以破坏有害成分或使其丧失活力，从而将复杂的物质转化为简单的无害物。二噁英等有害有机气体彻底瞬间裂解，实现废物的无害化处理。
3.目前国外等离子体气化熔融技术在处理固体废物的研究与应用上已经取得了较好的效果；而且,随着相关技术的不断成熟,国外研究已从基础研究阶段向大型商业应用过渡。美国等国家的主流关键技术正积极推动着该项技术的蓬勃发展, 生活垃圾等废物等离子体气化熔融技术发展已基本成形；目前，世界上最大的等离子体气化熔融炉位于美国(西屋g65炉)，处理规模在1000吨/天。我国贵州目前也引进了西屋公司的等离子气化熔融技术。
4.近年来，国内外学者在等离子反应器内流场特征、有害及可利用元素迁移规律、玻璃体物理化学稳定性等诸多基础课题上取得了实质性的研究进展。然而，等离子熔融汽化技术可利用原料较为广泛，包括生活垃圾，废旧轮胎，工业废物，污泥等等固体废物或其混合物，可以根据进料性质调整工艺参数，降低原料变化对等离子体气化熔融过程的影响，减少对原料的依赖，提高工艺的原料适应性。同时由于原料品质不稳定，不同批次原料反应性质差异较大，因此需要一种方法检测手段来预测原料在等离子体中的气化熔融效果，满足等离子气化熔融技术的发展及实践应用。
5.目前尚未有热等离子体气化熔融工艺的原料检测手段见诸报道，与这一过程较为接近的高温热处理固体废物的检测方法也较少。cn201820218449.9公开了一种危险废物检测型在线离子色谱，该装置无法耐受过高温度，检测温度较低，无法考察热等离子气化熔融工艺。由于热等离子体气化熔融过程温度较高，因此大部分热解检测手段不适用于此过程。实验室小试可以模拟热等离子气化熔融过程，在《二氧化碳热等离子体技术处理医疗废物典型组分的研究》、《旋转滑动弧等离子体裂解生活垃圾气化焦油化合物的基础研究》、《磁旋转弧等离子体技术处理高分子废物的研究》、《利用热等离子体熔融处理模拟医疗废物的实验研究》等文献中介绍的热等离子小试装置经过适当改造后可以进行等离子体气化熔融工艺的原料评价检测，但上述实验装置均为连续过程，检测周期较长，检测样品量较大，效率较低，不便于大量快速检测。


技术实现要素：

6.为解决热等离子体气化熔融固体废物的原料检测问题，经过多次尝试和实验，发明了一种等离子体气化熔融原料检测方法，对热等离子体装置进行重新设计，简化装置结构的同时保留了关键参数，将连续反应改为间歇反应，利用红外测温测量热等离子体与样品作用时的温度。将反应后的气体产物全部收集于气袋中，进入色谱检测氢气、一氧化碳和气态烃等目标气体产物浓度，同时检测二氧化碳、硫化氢、氮氧化物、氨气、氰化氢等副产物的浓度。氩气作为等离子体的工作气体的同时，也作为内标气体，从而计算出上述气体产物和副产物的收率。固体产物收集后进行进一步分析。从而实现对热等离子体气化熔融固体废物的原料快速检测和操作条件调试。
7.为达到上述目的，本发明提供一种等离子体熔融汽化工艺原料检测方法，包括以下步骤：
8.s1：将定量待检测样品装入样品盘中，放置于热等离子体反应装置内；
9.s2：在热等离子体反应装置中，待检测样品与热等离子体射流混合发生气化熔融，获得气相产物和固相产物；
10.s3：固相产品存留于样品盘中，气相产物经过过滤后收集，而后进入气相色谱中进行检测。
11.在一实施例中，所用待检测原料为为固体废物和部分有机原料，包括且不限于煤、重油、残渣油、油泥、木质素、和包括生活垃圾、工业废物等的固体废物。
12.在一实施例中，热等离子体反应装置内部的反应温度为1300℃～1500℃，反应获得的气相产物和固相产物混合物的温度为800℃～1500℃，随后该混合物进入气冷腔，气冷腔内的温度为100℃～500℃。
13.在一实施例中，需要检测的气相产物包括氢气、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、乙烯、乙炔、乙烷、硫化氢、氮氧化物、氨气、氰化氢，所述固相产物正常情况下为熔融冷却后形成的玻璃态物质。
14.在一实施例中，等离子体工作气的组成需包括氢气、氩气、氮气、水蒸气、甲烷、乙烷等气体的一种或几种，其中必须含有一定量的氩气作为检测中的内标气。
15.在一实施例中，等离子体工作气体，尤其是氩气，需要用流量计准确计量从通气开始至结束过程中的气体流量，并积分得到进入等离子体反应器内的全部氩气量。
16.在一实施例中，根据热等离子体气化熔融工艺设计，可以在反应结构后部加入淬冷，淬冷为物理淬冷，例如喷淋冷却水等。
17.在一实施例中，所用样品盘为氮化硼、碳化硼、氧化铝等高熔点且高温还原条件下化学性质稳定的材料制成，内径16mm，外径20mm，深3mm。
18.在一实施例中，所用样品需经过初步预处理，高含水量原料需经过脱水，大颗粒物料需要磨碎和搅拌均匀，而后与工艺所需设定比例添加剂混合，装入样品盘内。
19.在一实施例中，所述污泥和添加剂的混合比例为污泥:添加剂的质量比＝100:(10～25)。
20.在一实施例中，所述添加剂为硅藻土、b
203
、al
203
按照20:(5～10):(1～3) 质量比配置而成的均匀粉末,且硅藻土、b
203
和al
203
粒度均在30目以上。
21.在一实施例中，热等离子体反应装置为直流电弧激发的直流电弧等离子体、高频
等离子体或微波等离子体中的至少一种，可以为单一或多段等离子体反应器，热等离子体反应装置的激发方式、等离子体装置种类、等离子体发生器排布方式应与工艺所用等离子体激发方式和等离子体装置种类相同。热等离子体反应装置为低温热局域热力学平衡等离子体装置。
22.在一实施例中，热等离子体气化熔融过程产生的气体尾气用一大型气袋全部收集，并混合均匀，待系统冷却后输入相应的气相色谱进行定量检测。
23.在一实施例中，热等离子体反应装置的功率范围为0.5～20kw。
24.在一实施例中，热等离子体反应装置的工作气流量范围为1～30l/min。
25.在一实施例中，检验结束后拆卸反应器取出样品盘，倒出固体产物进行固体检测。
26.在一实施例中，采用红外测温仪测量样品盘内样品及产物温度，所用红外测温仪为双色红外测温仪，测温范围为1000℃～3000℃，测温频率高于10/s，测温误差小于3％，有配套的电子设备记录全部裂解过程中的温度曲线。
27.在一实施例中，在等离子体反应器侧上方是一3mm厚的硒化锌等二氧化碳激光及红外测温波长段透过率较高的透镜，透镜与反应器外壳连接处用硅橡胶o 型密封圈密封，用来透过激光和红外测温，透镜表面镀增透膜，实际测量透光率要求大于90％。
28.在一实施例中，红外测温仪应在实验前进行较准使准确测量样品温度，并且样品辐射的红外光可以准确进入双色红外测温仪探头。如果红外测温仪受透镜影响，通过标准温度调整红外测温仪内置参数抵消透镜的影响。
29.图1为一种等离子体气化熔融原料检测方法的流程示意图。
30.接通直流电源，热等离子体反应装置中阴阳极击穿固定流量的等离子体载气，产生高温等离子体射流，进入样品盘中与称量质量后的待检测样品混合发生气化熔融，获得气相产物和固相产物，气体产物淬冷后经过滤器过滤，进入气相色谱检测，冷却后取出存留于样品盘中的固相产品。
31.其中，附图标记：
32.直流电源1
33.气体质量流量计2
34.过滤器3
35.气相色谱系统4
36.等离子体载气5
37.热等离子体射流6
38.冷却水循环系统7
39.样品盘8
40.气体产物9
41.阳极10
42.阴极11
43.淬冷气12
44.本发明技术方案,具有如下优点
45.1.本发明提供了一种等离子体气化熔融工艺的原料检测方法，相比于目前常见的原料工业分析手段，此方法能够直接准确得到等离子体气化熔融工艺的气体产物组成和熔
融玻璃体状态，而不需要根据经验进行预计，提高了原料分析的准确性。
46.2.本发明提供了一种等离子体气化熔融工艺的原料检测方法，将热等离子体气化熔融装置小型化，简化了检测操作复杂性，减少了检测原料用量，提高了检测准确性。
47.3.本发明提供了一种等离子体气化熔融工艺的原料检测方法，将生产工艺中的连续过程改为间歇间歇过程，避免了等离子体气化熔融过程中产出不稳定的问题，缩短了检测周期，提高了检测效率，避免装置小型化后进料均匀的问题。
具体实施方式
48.下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域的技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。下列实施例中未注明具体条件的工艺参数，通常按照常规条件。
49.实施例1
50.选用一种生活垃圾作为本实施例原料，将样品干燥磨碎后与添加剂混匀后装入样品盘，所述添加剂为硅藻土、b
203
、al
203
按照20:5:1质量比配置而成的均匀粉末,粒度为40目以上，样品盘中样品质量约10g，添加剂质量约1g。等离子体炬载气组成为氩气3l/min和氢气20l/min，热等离子体反应装置的功率为 10kw。双色红外测温仪测得最高温度超过1300℃。熔融后样品盘内玻璃态物质为2.63g。气相中间产品进入急冷装置，得到以合成气为主的气相产品。其中一氧化碳体积分数为37.8％，氢气体积分数为36.0％，烷烃体积分数约为7.5％。
51.实施例2
52.选用一种医疗废物作为本实施例原料，将样品干燥磨碎后与添加剂混匀后装入样品盘，所述添加剂为硅藻土、b
203
、al
203
按照20:5:1质量比配置而成的均匀粉末,粒度为40目以上，样品盘中样品质量约10g，添加剂质量约0.3g。等离子体炬载气组成为氩气3l/min和氢气30l/min，热等离子体反应装置的功率为20kw。双色红外测温仪测得最高温度为1492℃。熔融后样品盘内玻璃态物质为0.59g。气相中间产品进入急冷装置，得到以合成气为主的气相产品。其中一氧化碳体积分数为27.3％，氢气体积分数为46.1％，烷烃体积分数约为23.9％。
53.实施例3
54.选用一种油泥作为本实施例原料，将样品干燥磨碎后与添加剂混匀后装入样品盘，所述添加剂为硅藻土、b
203
、al
203
按照20:5:1质量比配置而成的均匀粉末, 粒度为40目以上，样品盘中样品质量约10g，添加剂质量约0.1g。等离子体炬载气组成为氩气3l/min和水蒸气10l/min，热等离子体反应装置的功率为 10kw。双色红外测温仪测得最高温度超过1327℃。熔融后样品盘内玻璃态物质为0.92g。气相中间产品进入急冷装置，得到以合成气为主的气相产品。其中一氧化碳体积分数为73.3％，氢气体积分数为6.1％，烷烃体积分数约为10.5％。