[發明專利]基于強等離子體的電子廢棄物高效裂解系統

有效

• 申請號: 201110340327.X
• 申請日: 2011-11-01
• 公開（公告）號: CN102402216A
• 公開（公告）日: 2012-04-04
• 發明（設計）人: 王振民;張芩;唐少杰;潘成熔;闕福恒
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: G05B19/418
• 分類號: G05B19/418;H05H1/24
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 羅觀祥

技術領域

本發明涉及電子廢棄物處理技術領域，具體是指一種基于強等離子體的電子廢棄物高效裂解系統。

背景技術

對電子廢棄物的資源化處理，已成為非常重要的、關切民生的重大環境保護問題。“電子廢棄物”處理得好就是“綠色礦山”，否則就是危險品。我國已成為世界電器電子產品的制造基地，約承擔了全球家電市場80％的產量，與此同時，也承受了廢棄電器電子產品造成的嚴重污染后果。傳統的焚燒處理方式可排放致癌的劇毒物二噁英，并帶來嚴重的重金屬污染，危及生態安全。與傳統處理方式不同，基于等離子體的電子廢棄物資源化處理技術利用熱等離子體所具有的高能量密度、高溫度和良好的化學可控性來實現對電子廢棄物的資源化裂解，獲得金屬+清潔氣體+體積大為減量化的固態玻璃體(重金屬浸出率極低)，二次污染排放幾乎為零，清潔環保。利用等離子體的高溫還可以處理含多氯聯苯廢物；醫院廢物、廢藥物、藥品；農藥廢物；有機樹脂類廢物；含金屬羰基化合物廢物；含有色金屬、重金屬廢物；石棉廢物；有機溶劑廢物及放射性廢物、爆炸性廢物、生化武器的銷毀等數千種有毒有害廢物。此外，等離子體點火還可以應用于冶煉行業，用于冶煉爐內代替重油點火。據專家保守計算，等離子體技術若能替代十分之一的焚燒處理能力，僅銷售設備的年產值便可達10億元以上，并能夠形成一個高達數千億元產值的產業鏈，經濟前景和環保效益均不可限量。

目前，等離子體裂解的能耗較高(目前約為1kWh/kg)，如何提高裂解系統的熱效率以最大限度地降低其應用成本已成為這種清潔環保技術推廣應用的瓶頸。等離子體裂解系統主要由熱解爐，等離子體電源，等離子體發生器，氣體處理裝置等構成，其中等離子體電源的電能變換效率和等離子體發生器與熱解爐之間的熱交換效率直接決定了等離子體裂解過程的能效水平。

為提高生產效率和處理能力，裂解系統功率高達幾百kW甚至兆瓦級。據檢索，國外整流式等離子體裂解系統已可做到兆瓦級，電能變換效率可達80％，逆變式的也已達到200kW功率級別；國內與此相比還有較大差距，在加熱、點火、廢物處理等領域，雖已有300kW硬開關逆變式系統的研究報道，但還沒有100kW以上級別的效率更高、成熟可靠的軟開關等離子體技術的報道。等離子體電源直接給等離子體發生器提供電能，是等離子體裂解系統的關鍵環節。由于強等離子體能量高達幾百千瓦甚至兆瓦級，需要100％負載持續率長時間高壓、大電流工作，可靠性成為首要條件。長期以來，可靠性較好的整流式乃至于交流工頻變壓器成為大功率等離子體電源的首選，但效率較低(很難超過80％，工頻變壓器更低)，對網電沖擊大，動特性不佳。節能省材的大功率逆變式等離子體電源還面臨著因并聯均流、溫升、電磁干擾、復雜結構、寄生參數等因素造成的強能量傳遞可靠性問題。盡管高效節能的軟開關高頻逆變技術已在焊接等領域應用，但在嚴酷的等離子體裂解工藝應用環境下，還有很多問題需要深入研究和解決。“大功率等離子體電源的研制和開發是國內大功率等離子體系統發展的瓶頸”。

等離子體發生器與熱解爐的熱交換效率較低。根據最小Joule熱原理和自磁壓縮效應，等離子體射流通常表現為能量高度集中、體積小、參數梯度大，直接導致等離子體發生器的能量利用率較低，電極燒蝕嚴重，工作壽命較短。為提高效率，國內外有采用雙炬射流/電弧、三炬射流/電弧、多電極電弧等技術來產生大體積的等離子體射流的報道。但這些技術方法均以物理累積方式通過多個電弧同時放電來擴大放電區間，未能從根本上解決等離子射流的發散問題。由于等離子體的導電性，等離子體與磁場的可作用性是不言而喻的。利用強外磁力作用來削弱等離子弧自身的自磁壓縮效應，導致熱電弧高溫區擴張來獲得大體積均勻等離子體的方法，可從本質上解決等離子體射流的勻質發散問題，成為近年來的研究熱點，但主要集中在同軸弧室結構的等離子體發生器方面，結構復雜，射流長度和輸出功率很難進一步提高，難以滿足大功率高效裂解生產的需求。

此外，要提高裂解生產效率，必須要提高裂解系統的自動化程度。在強磁場作用下，等離子體熱裂解過程的控制參數更多，只有在能夠精確控制可控參數，并能準確傳感和處理相關參數變化對裂解加熱過程的影響，才有可能實現對等離子體裂解過程的自動化控制。由于等離子體熱解過程，存在溫度，電流，電極間距，磁場等的工藝參數，還存在各種開關量信息，而熱解環境下的電磁干擾比較嚴重，存在高頻甚至其他電磁噪聲，如何保證各種動作的準確執行以及信息的準確而快速的傳遞非常重要。