輕型緊湊的垃圾處理爐的制作方法

專利名稱：輕型緊湊的垃圾處理爐的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種輕型緊湊的用于處理垃圾的爐子。此外，本發明還包括了這種爐子結構中的各種構件，例如使用一種新穎輕質的多層耐火爐壁構件，這種構件采用了先進的材料，在提高工作溫度和能量效率的同時，具有結構的整體性和動態的冷卻控制。
軍艦和商船實際上在世界上所有的航道上運行。對于處理垃圾這個問題來說，這些船舶實際上可以看作是小小的漂浮的城市。美國海軍在國外對固體垃圾的調查表明，在海洋上每人每天大約要產生3.0磅(1.4千克)的固體垃圾。因此，一艘航空母艦上的人每天要產生9.9噸以上的固體垃圾。而在整個世界的航道上每天要產生幾千噸的固體垃圾。目前，這些垃圾的極大部分傾倒在海里，造成了嚴重的環境污染問題。
1987年，美國參議院一致批準了禁止向世界海洋的某些“特殊區域”傾倒固體垃圾的國際法。這項法律的施行遍及一切公用船只，包括美國海軍。1993年，眾議院規定了時限，美國海軍船只必須在2000年1月1日之前達到這一要求。
目前，美國海軍需要一種能夠安裝在船只的甲板上的垃圾處理設備。這種設備必須是輕型的、緊湊的、而且要模件化，這樣才能把它運進或運出船只而不需要改變船只的基礎結構。此外，這種設備必須具有高的能量效率和快速點火和熄火的潛力。本申請中所公開的技術能夠滿足美國海軍的全部要求。但是，本申請中所公開的技術也可以用于任何一種必須將重量和尺寸減到最小的裝備，例如可移動的或可運輸的銷毀垃圾的裝置。
用熱處理來銷毀固體垃圾是一種最萬能的技術。這種熱處理可以用焚化或者高溫分解來實現。
焚化時，固體垃圾基本上是在富氧的環境中燃燒。垃圾中的可燃成分，例如紙、塑料和其他有機物質可用作燃料，為了保持足夠旺的火焰，另外再添加一些碳氫化合物燃料。一般，焚化的特點是需要很大的爐子，燃燒不完全，產生過氧化物之類的污染環境的煙霧，還產生灰塵。因此，對于不得產生可察覺的煙霧的輕型緊湊的設備來說，普通的焚化不是實際可行的技術。
很多發明人公開了一些目的在于使得裝置更加緊湊和有效的焚化技術。美國專利U.S.5,353,720公開了一種焚化裝置，這種裝置采用加壓的氧氣和氫氣來代替普通的空氣和燃氣或油，以使燃燒室內的溫度至少達到4,000°F(2,250℃)。氫和氧的燃燒大大減少了所需要的氣體量，因而也就減小了裝置的尺寸。再者，由于燃燒的溫度極高，廢氣中的污染的煙霧也大大減少了。但是，很容易預料到，這種操作是十分危險的，而爆炸的風險很可能阻礙了這種技術在商業上的應用。另外，為使這種爐子運行，必須要有大量的氫氣和氧氣。
在美國專利4,627,365和4,579,067中分別公開了其他的以燃燒為基礎的技術。U.S.4,627,365中公開了一種可運輸的燃燒設備，這種設備安裝在兼作收集城市垃圾用的卡車上。焚燒裝置設計成只能處理很少量的固體垃圾，而且，這種方法是不是能滿意地銷毀垃圾，所產生的廢氣是不是清潔也是有疑問的。U.S.4,579,067公開了一種燃燒器的設計，它能提供較高的燃燒溫度，試圖減少污染的化合物。但，所有的焚化爐都要產生飛揚的灰塵，既有毒又很難處理，必須填埋在地下或進行進一步處理。
其他焚化型爐子有分別在美國專利4,479,443和4,848,250中公開的爐子。這兩種爐子都使用與附加的能源結合在一起的焚化技術，試圖改進爐子的性能。4,479,443中公開了一種使用等離子氣體和燃燒火焰的爐子來銷毀多氯聯苯(PCB)。等離子氣體用于提高燃燒溫度，使得消滅PCB的效率增加到大于99.99％。在4,848,250中，使用了一個感應圈來維持熔融的金屬浴槽，固體垃圾就扔進這個浴槽里進行處理。這種裝置把感應和焚化結合在一起，具有在高溫下燃燒垃圾和把灰塵玻璃化的兩種作用，從而減少了廢氣中的污染煙霧。
在高溫分解方法中，把垃圾暴露在超過1000°F(540℃)的缺氧的環境中。諸如由等離子氣體的射流、電弧和感應爐的電能用作熱源。垃圾中的水份汽化了，而有機物則分解后形成簡單的易揮發的化合物，諸如H2、CO、CO2和C2H2。剩下的物料，絕大部分是灰塵、玻璃和金屬，可以進一步加熱到3500°F(1930℃)左右，把它們熔化并玻璃化成一種爐渣，這種爐渣非常穩定，不會對環境形成威脅。事實上，玻璃化的爐渣是如此的穩定，以致可以考慮用作最佳的儲存最危險物料(例如原子反應堆的廢棄物)的方法。但含有全部分解后的易揮發化合物的廢氣則必須進一步處理，以防止有害的煙霧。一般，這種處理包括在最低2000°F(1095℃)的溫度下燃燒2秒鐘。用空氣或氧氣進行燃燒。再用碳氫化合物的燃料來保證使溫度保持在2000°F(1095℃)。
過去的二十多年中，設計了許多高溫分解的爐子，并取得了專利。在雷得合公司研制的一種設計中(美國專利4,770,109)，使用了一種等離子炬為高溫分解提供能量。用空氣作為等離子氣體的形成氣體。整個爐子是轉動的，以使熔融的垃圾噴散在爐子的表面上。借助于把熔融的垃圾噴散開來，使得可用于處理的表面積增大了，并且，雷得合公司還聲稱，處理的質量也提高了。玻璃化了的爐渣，借助于降低轉速和適當的離心力，使爐渣通過位于該轉爐中心的一個孔流出來。
在授予等離子能量公司(PEC)的美國專利5,143,000中公開了另一種等離子氣體高溫分解爐子。在這種爐子中，送入爐子內的固體垃圾形成一種柱狀物，等離子炬插入上述具有被垃圾圍住的等離子氣體噴射端的柱狀物的下部。該柱狀物的高度始終保持高于等離子炬。等離子氣體的能量用來分解混合垃圾中的有機化合物，并把灰塵和金屬熔化成爐渣。易揮發的有機物通過爐子的頂部排出，而爐渣則從底部清除掉。在這種PEC爐子中等離子炬和爐壁都是固定的，任何移動都是由等離子氣體的噴射傳遞給垃圾的力矩的結果。但是，如果需要，估計也可以讓等離子炬移動，如美國專利4,982,410中對石墨電弧電極所描述的那樣。
加拿大專利申請2,076,199也公開了一種與雷得合爐和PEC技術相似的等離子高溫分解爐，但其中沒有設計的細節。該專利要求保護一種工藝方法，其中，在耐火襯里的爐子內部使用了一種等離子電弧，用來把城市的固體垃圾(MSW)加熱到超過2010°F(1100℃)。空氣進入爐子的入口減小到最低限度，盡量設法產生一種較高熱量的廢氣。在高溫分解時，廢氣中含有足夠的氫氣和碳氫化合物可進行燃燒，每立方米氣體能夠補償大約250 Btu/ft3(9315 KJ/m3)。
所有上面提到的專利中的爐子，無論是用焚化還是用高溫分解，都要用常用的耐火砌襯來覆蓋爐子的內表面，既防止過多的熱量損失，又防止損壞結構墻。此外，在這些設計中總是必須伴有二次燃燒室(SCC)來處理廢氣。一般，SCC的內表面也必須覆蓋普通的耐火砌襯。一般的砌襯，即使是用很先進的材料制作的，例如用美國專利4,823,359所公開的諾登公司所研制的材料，也要使爐子和SCC增加巨大的重量。例如，分別在美國專利4,770,109和5,143,000中所描述的等離子氣體爐，這種爐子的工作功率為500 KW，能夠處理的固體垃圾量為700 lb/hr(320kg/hr)，設有一適當的SCC裝置，就需要有足夠的耐火磚來覆蓋大約200 ft2(19m2)的爐壁。如果可接受的能量損失為20％，那么，普通氧化鋯耐火磚爐壁的厚度大約需要12英寸(30cm)，爐子和SCC總共需要重達40英噸(44公噸)的耐火磚。如果要求能量的損失更低些，那么耐火墻就要更厚，更重。另一個問題是，使用普通耐火砌襯的爐子，在它點火和熄火時加熱和冷卻所需要的時間太長。
如果爐子的運行可以不要使用SCC，那么所需要的耐火磚的量就能夠大大減少。在美國專利4,644,877中，使用了一種噴霧環來激冷和清理由等離子氣體解離垃圾而產生的廢氣。在加拿大專利申請2,135,204中，從等離子爐中排出的廢氣是在以后和在爐子中產生的爐渣并行地處理的。這兩種技術的處理廢氣的目的都是取消SCC裝置。但是，無論是在上面所提到的專利技術，還是在大多數專利申請中，都不能認為所提供的處理已經合格了，美國法律仍要求使用SCC裝置。
避免爐子的體積和重量因耐火磚砌襯而增大的最佳途徑是使用更輕的能量控制裝置。許多技術都集中在研制改良的耐火磚爐壁上。例如，美國專利4,802,425公開了一種耐火砌襯，它由兩種交替的纖維材料帶子所組成。第一種纖維材料是從抗收縮和抗腐蝕的材料中選擇的，而第二種纖維材料是考慮要有很好的機械強度。雖然這種設計能為在高腐蝕性環境中提供改進了的性能，但它在減少砌襯的體積和重量方面的效果很不明顯。
在美國專利4,398,474中公開了一種不使用普通耐火材料的，絕熱的爐子的結構。這種結構由一個包圍著一系列耐火的，基本上平行的，互相隔開的薄板的殼體組成，其中的一塊或多塊薄板是反射的。這種絕熱墻的工作原理是把從熱源輻射出來的熱反射回到熱源去，從而減小熱量的損失。這種結構似乎是在理論研究的基礎上設計出來的，還有許多實際問題沒有解決。例如，在該專利中沒有說明可以用什么材料來獲得這些必要的性能。事實上，所描述的結構好像更適合用于較低的溫度(大約1000°F或540℃)，而且熱量要用干凈的能源來產生。按照本發明人所知，這種絕熱結構至今還沒有在垃圾處理爐中使用過。
在設計用于垃圾處理爐的輕型爐壁時，一個必須考慮的問題是垃圾中的成分是極為復雜的。有些垃圾含有大量有機物，在燃燒時，這些有機物會放出大量的能量來。另一些垃圾則很少或者沒有有機物，因此在處理時產生不了多少能量。由于垃圾中有機物的含量是經常變化的，所以加入到爐子中的能量也要變化，而爐壁的冷卻速率也必須相應地變化，以便保持恒定的爐壁溫度。這個問題對于要求快速加熱和冷卻的爐壁來說特別重要，因此，必須使它儲存的能量為最少，而普通的耐火墻卻儲存了大量的能量，并且盡管爐子里釋放的能量暫時減少了，仍然能維持它的高溫。
本發明的爐子是用于處理混合固體垃圾，生物醫學垃圾、危險的垃圾和報廢的軍火彈藥，而且是用于船舶的甲板上，以及拖車之類的設施上，需要重量輕，體積小而且是模件化的情況。這種輕型而緊湊的爐子能夠把垃圾中的有機物成分轉化為良性的氣體排放出去，而把無機材料轉化為可以廢棄或者用作建筑材料的，惰性的，玻璃化的固體產品(爐渣)。
本發明的爐子由三個主要腔室組成(1)主要的固體處理室(PSTC)，用于使有機成分分解和汽化，使無機成分玻璃化；(2)二級燃燒室(SCC)，用于保證使所有在PSTC中產生的易揮發化合物完全燃燒和對其進行處理；(3)爐渣加工和儲存室。因此，本發明的爐子從根本上包括(a)一個主要的固體處理室，它包括一個爐缸，垃圾在爐缸內轉變成熔融的爐渣和簡單的易揮發成分；(b)一個二級燃燒室，在上述主要的固體處理室內產生的易揮發化合物在這個燃燒室內進行進一步的處理，保證其完全燃燒；(c)一個爐渣加工和儲存室，在主要的固體處理室的爐缸內形成的爐渣在其中冷卻并從這個爐子內清除和運走；(d)其中，上述主要的固體處理室和二級燃燒室的壁包括一個用金屬制成的內壁構件，這種金屬在極高的工作溫度下具有良好機械性能，上述內壁構件的一面朝向熱腔室的內部，而在另一面是設有間隙，可調節的冷卻空氣能通過這個間隙，以便對上述內壁構件的冷卻進行動態控制。上述兩個室的壁在上述間隙外面還有一層外鋼板殼。通過上述間隙的可調的冷卻空氣可以有各種速度和/或冷卻空氣量，并且可以作為有間隙這一面的內壁上溫度的調節或控制因素(例如用CPU閥和速度可調節的鼓風機)。上述溫度可借助于熱電偶來測量。
根據在高溫腔室內部存在的溫度和其他條件，上述內壁構件可以用，例如，不銹鋼制作，或者，最好用超耐熱不銹鋼制作，并且還可以在朝向高溫腔室內部的一面上鍍復一層熱障，或者還有一層用耐腐蝕和耐氧化的材料制成的粘接鍍層，用于把上述熱障鍍層粘接在超耐熱不銹鋼或其他適當金屬制成的內壁構件上。
通常，PSTC和SCC這兩個腔室都由等離子體發生器供應能量，并且，根據需要，可以在實際上聯接成一個較大的容器。上述爐渣加工室不暴露在等離子體環境中，而是在低得多的溫度下工作。
上述PSTC等離子發生器可以是一個等離子炬，以傳遞的方式或者非傳遞的方式工作(傳遞的方式是指等離子弧的一端固定在等離子炬的電極上，而其另一端固定在熔融的爐渣池內，而非傳遞方式是指兩個電弧的固定電極都在等離子炬內部)。在本發明的另一個實施例中，用一個感應圈為PSTC提供所需的能源。
固體垃圾最好預先處理過(例如，可以用切碎進行分級，或者用常用技術進行處理)，再用輸送機或螺旋進料器送入爐子的PSTC部分。在PSTC中，混合垃圾裝入用導電材料制成的，例如用銅制成的爐缸內，爐缸可以用水或空氣冷卻，因為垃圾要加熱到2800°F(1540℃)以上。通常，都使用能以傳遞和非傳遞兩種方式工作的等離子炬來加熱爐缸內的垃圾。空氣用作等離子體形成氣體，但也可以使用氧氣或氮氣。感應熱也可以用作能源。
在爐缸內發生下列過程(1)垃圾中所含的水份迅速汽化；(2)有機物都分解成比較小的易揮發分子，例如H2，CO，CO2，和C2H2；(3)無機成分，例如玻璃和金屬，被熔化，攪拌和氧化，形成一個熔融的陶瓷熔池，冷卻后凝固成非常穩定的爐渣。攪拌爐缸中熔融的熔池是由等離子體射流沖擊在熔池表面上，以及移動等離子炬來實現的，并且，這種等離子射流在爐缸各處表面上的沖擊通常是使用三軸液壓輔助機構來實現的。當使用感應加熱作為熔化爐渣的能源時，便在熔融液體中產生磁攪動，這種攪動能在熔池中產生所要求的攪拌。
爐缸周期地從它在PSTC中的正常工作位置下降到位于PSTC正下方的爐渣加工和儲存室，然后傾斜，把熔融的爐渣倒入放在一臺輸送機上的小鑄模中。或者，可以用一根感應棒在爐缸的底部打開一個孔，熔融的爐渣便能通過這個孔注入鑄模中。當鑄模中灌滿了熔融的爐渣之后，輸送機便移動，于是下一個鑄模便處在接受熔融爐渣的位置上。最后，輸送機把這些鑄模送入該爐子的冷卻部分中，讓爐渣冷卻并儲存起來。
易揮發的分子在離開爐缸中的熔融物后，一部分在PSTC中被氧化和處理，氣體在PSTC中的溫度保持在2000°F(1095℃)左右，而作為等離子體的形成氣體供入PSTC，或者通過爐壁上的孔供入PSTC中的空氣或氧氣可用于燃燒。上述這些分子的處理是在SCC中完成的。在SCC內，上述易揮發分子在大約2000°F(1095℃)的溫度下完全燃燒掉了。在正常情況下，使這些分子停留的時間超過兩秒鐘，以保證完全燃燒。使用了一種以非傳遞方式工作的等離子炬，以保證溫度不降低到低于規定的限度。用兩種方式把空氣或氧氣送入SCC內，用于易揮發混合物的燃燒(1)作為等離子形成氣體，通過等離子炬；以及(2)通過SCC壁上的小孔。或者，可以向PSTC中加入過量的空氣，這樣就減少或不需要向SCC內追加空氣了。
這種輕型緊湊的爐子的最具有創新意義的因素是取消了高溫爐子內部的作為爐壁構件的耐火磚砌襯。PSTC和SCC這兩個腔室的墻壁都由兩層材料構成。第一層，即朝向高溫燃燒區的內壁構件，可以用，例如，鎳基超耐熱不銹鋼制成，如那些由航天工業部門研制的用于噴氣發動機的高溫區的超耐熱不銹鋼。可以在這種超耐熱不銹鋼的高溫表面上先鍍復一層耐蝕和防氧化，例如以鈷—鎳—鉻—鋁為基材的合金(常稱為CoNiCrAl粘接層)，然后，再鍍復一層熱障鍍層，例如，適合于爐子的工作環境的部分穩定化了的鋯或者其他陶瓷熱障鍍層(TBC)。上述粘接鍍層和TBC都很薄，一般其總厚度不超過0.08英寸(0.2cm)，而普通的耐火磚砌襯一般都厚達12英寸(30cm)。然而，這兩層鍍層卻提高了需要在1300-1600°F(705-870℃)的高溫下工作的超耐熱不銹鋼內壁的穩定性和壽命。由于這層內壁暴露在爐子的高溫下，所以這種超耐熱不銹鋼必須從在這種工作條件下具有優良的機械性能和抗腐蝕性能的材料中選擇。
位于內壁構件較冷一面的爐壁的第二層或第二部分由冷卻空氣間隙和鋼制外殼構成。這一部分還可以在空氣間隙和鋼制外殼之間有一層陶瓷纖維絕熱材料，例如Fiberfrax。陶瓷纖維絕熱層具有上佳的低的導熱性能(大約是0.5Btu/(hr.ft2)(°F/in)〔0.72J/(s)(m)(℃)〕，而普通的耐火磚砌襯則超過10Btu/(hr.ft2)(°F/in)(1.4J/(s)(m)(℃)〕；還有很小的比重(大約10 lb/ft3或160 kg/m3)，而普通的耐火磚砌襯大約為450 lb/ft3(7200 kg/m3)。但是，陶瓷纖維絕熱層不能直接用作爐子的砌襯，因為它的機械性能很差，還有潛在的腐蝕問題。本發明中，上述陶瓷纖維絕熱層只用于降低溫度(由于存在著內壁構件和冷卻空氣間隙)，而不與爐子中的任何內容物接觸，也不暴露在有潛在腐蝕性的爐子的環境中。
上述冷卻空氣間隙通常是一條窄的間隙，大約為0.5英寸(1.3cm)，主要用于為內壁構件提供動態控制的冷卻，但，它也可以用于向PSTC和/或SCC輸送空氣或氧氣。通過上述間隙的空氣或氧氣使作為爐壁結構的一部分的內壁構件和陶瓷纖維絕熱層冷卻。然后，加熱后的空氣通過內壁構件上的一個或多個小孔，送入反應器內，可以用于燃燒過程，或者直接排入周圍的大氣中。因此，這些空氣能起四種作用(1)冷卻爐子的壁；(2)為易揮發分子的燃燒提供所需要的氧氣；(3)由于將爐子的冷卻裝置轉變成了空氣的預熱裝置，提高了爐子的熱效率；(4)從爐子中帶走過剩的熱量。
本說明書中公開的上述爐壁結構中一個非常重要的特點是，能在極短的時間內點火和熄火。為了讓爐子能正常工作，在PSTC和SCC這兩部分中的爐壁必須加熱到很高的溫度。在普通的耐火磚砌襯的爐子中，爐子的預熱需要6小時之多。此外，一當垃圾已經完全處理完畢，而必須打開爐子進行清理或維修時，還需要好幾個小時去除儲存在耐火磚砌襯內部的熱量來進行冷卻。而本發明所公開的輕型緊湊的爐子卻能夠在幾分鐘之內預熱完畢，因為內壁的溫度幾乎能立刻就提高到正常的工作溫度。爐子的冷卻也能借助于用處理空氣來冷卻內壁而在若干分鐘之內完成。
本發明的爐子的另一個重要的特點是它的模件化。一座輕型緊湊的，能夠處理675lb/hr混合垃圾的爐子，每分鐘產生大約1200標準立方英尺(scf/min或0.6m3/s)的廢氣，所需要的處理氣體的裝置的容積超過150ft3(4.2m3)。如果這種爐子是安裝在船舶的內部，那么在安裝過程中船的基礎結構將受到很大的破壞。但，在本發明的爐子中，PSTC，爐渣的加工部分和SCC部分都制造成若干模件，這些模件能夠通過不經改造的標準的船門。在運送到船舶內部后，再把這些模件裝配起來，形成所需要的處理容積。
總之，本發明所公開的爐子具有下列重要的創造性和優點(1)由于引進了一種獨特的爐壁能量控制裝置，爐子很輕；(2)由于在主要(固體垃圾處理部分)和二級(氣體處理)部分都使用了等離子炬或感應加熱，而沒有使用能使廢氣容積大大增加的碳氫化合物燃料，爐子很緊湊；(3)由于巧妙地把爐壁的冷卻裝置轉化成了空氣預熱裝置，爐子的效率很高；(4)爐子為模件式的，所以安裝時不需要對安裝的場地作任何改動；(5)由于取消了儲存大量熱能的耐火磚砌襯，所以爐子能很快地預熱和冷卻；(6)借助于采用了動態的爐壁冷卻裝置，無論爐內釋放的熱量如何變化，也能夠使爐壁保持基本上恒定的溫度。
本發明還提供了新穎的輕型爐壁構件，它能使用于任何一種內部具有加熱腔室的爐子。
下面，參照附圖詳細說明本發明的實施例。附圖中

圖1是按照本發明的一個實施例的爐子結構的示意側視圖；圖2是圖1中的結構的示意頂視圖；圖3是按照本發明的另一個實施例的爐子結構的示意側視圖；圖4是適合于本發明的爐子的輕型爐壁的斷面圖；以及圖5是具有冷卻空氣控制裝置的爐壁構件的另一個斷面圖。
請參閱圖1和圖2，圖中分別表示了一座用于處理垃圾的輕型緊湊的爐子的側視圖和頂視圖，該爐子有一個將垃圾裝入其中的料斗10，垃圾通過該料斗進入主要的固體處理室(PSTC)內。借助于一臺振動板輸送器14，能增大垃圾的通過能力。
PSTC12有一個爐缸16，從料斗10輸送來的垃圾掉入該爐缸內，并利用等離子炬18使爐缸內的垃圾熔化。爐缸16一般用水來冷卻。上述等離子熔化炬18在需要時能夠通過樞軸20進行轉動，以便在爐缸內進行適當的攪拌。除了等離子炬18之外，也可以用一個感應圈(圖中未示出)為PSTC 12提供所需的能源，把爐缸中的垃圾加熱到超過1800°F(1540℃)，從而使垃圾中所含有的水份汽化，并把有機物分解成諸如H2、CO、CO2、和C2H2的分子，并且把無機物成分，諸如玻璃和金屬攪拌和熔化成十分穩定的爐渣。攪拌是利用一種由液壓驅動的三軸旋轉機構，使等離子體射流22沖擊在爐缸16的熔池表面上，以及讓等離子炬18通過樞軸20移動到爐缸表面的各個部位來實現的。
在PSTC 12中產生的氣體，按照箭頭24所示，通過通道后流入二級燃燒室(SCC)26，該燃燒室可由一個或者多個二級燃燒區段28、30組成。這種燃燒區段的數量決定于整個爐子的大小和它處理垃圾的能力。在本實施例中是兩個區段。
等離子炬32用于把SCC 26中的氣體加熱到超過2000°F(1095℃)，從而保證它完全燃燒。還向SCC中送入空氣或氧氣，用于燃燒易揮發化合物，這種燃燒是通過等離子炬和SCC爐壁上的小孔來完成的，下面將詳細描述。廢氣通過孔口34排出。
水冷的爐缸16周期地從其在PSTC 12內部的工作位置下降到位于PSTC下方的爐渣加工和儲存室36內。然后，爐缸傾斜過來，把熔融的爐渣倒入位于輸送機40上的小鑄模38中。當一個挨一個的鑄模中充滿了爐渣之后，最后移動到較冷的區段42內，爐渣在那里凝固，再從門44清理出去。
在本實施例中，爐子的高度A為74”(1.85m)，底部長度B為53”(1.325m)，底部寬C為37”(0.925m)，容積為84ft3(2.27m3)。
圖3表示按照本發明的爐子的另一個實施例，其中，與上面的附圖相同構件都用同樣的標號表示。如圖3所示，垃圾通過料斗10和送料機構14裝入設有爐缸16A的主要的固體處理室(PSTC)12中，在本實施例中，爐缸是固定不動的。爐缸16A中設置了一根用于將爐渣注入鑄模38中的感應棒17。主要的等離子炬18可以是一個雙重方式的等離子炬，能以傳遞和非傳遞兩種方式工作。當等離子炬以傳遞方式工作時，非常希望把熔融液槽用作陽極，因為等離子炬以這種方式工作的效率非常高，一般在90％左右。但是，在剛起動時，凝固的爐渣是不導電的，因此需要使用非傳遞式的工作方式。這種主要的等離子炬18借助于把等離子炬的噴咀和熔融液并聯在電源上，然后斷開與等離子炬的觸點以轉移電弧，就能從非傳遞方式轉換到傳遞方式。
在PSTC 12中產生的氣體按照箭頭24所示的那樣流過通道后，流入二級燃燒室(SCC)26內。在上述通道24內可以設置一個高溫捕集器25，以防止任何大的顆粒在離開PSTC 12后進入廢氣中。這個捕集器25起過濾大顆粒的過濾器的作用，通常由一個圓筒形構件做成，里面裝有幾排交錯排列的桿27。包括桿27在內的整個捕集器25都用具有良好的抗熱沖擊性能的材料，例如碳化硅，制成。在SCC 26中帶有一個輔助等離子炬32，用于把氣體加熱到所要求的溫度，以保證完全燃燒。廢氣則通過孔口34排出。
本實施例中的爐缸16A是具有圓形橫斷面的半橢圓形的爐缸。爐缸的殼體可以用諸如鍍銅的不銹鋼或者鎳等材料制成。在爐缸內鋪設了一層爐缸壁15，并且在該爐缸壁15與爐缸的外殼之間留有一條通道。
上述爐缸用通過進口19A、19B噴射出來的空氣冷卻；空氣的出口設置在爐缸的上部。在上述通道內還可以設置多孔的金屬襯墊，以促進從爐缸壁向空氣的傳熱。試驗表明，用這種方式，260 scfm的空氣能夠從爐缸上除掉22，200 Btu/hr.ft2(70 kw/m2)的熱能，從而將爐缸的表面冷卻到930°F(500℃)。
爐渣加工室36基本上是一個水冷的矩形腔室，可以讓爐渣錠在里面冷卻10個小時。熔融的爐渣通過感應棒17注入位于感應棒下方的鑄模38內。可以每隔12分鐘向鑄模注入一次爐渣。每一個爐渣錠的重量用校正載荷傳感器(圖中未示出)來控制，以保證爐渣錠的重量不超過預定的重量，即50lb。鑄模可以做成兩半，能夠分開。在鑄模的兩半被液壓驅動的活塞(圖中未示出)拉開，讓爐渣錠39從鑄模中掉出來之前，爐渣可以在鑄模內冷卻大約10分鐘。一當爐渣錠出模之后，它就被推過冷卻室，最后停止在托板上，這塊托板支承著許多這種爐渣錠，并且可以根據需要把它們從托板上移走。爐渣加工室不僅有水冷卻的側壁，而且還可以有水冷的底部，這樣將減少冷卻所需要的時間。
為了使以上所描述的爐子盡可能的輕，上述PSTC 12和SCC 26的壁可以做成如圖4或圖5所示的結構。朝向高溫腔室內部的材料是一層超耐熱不銹鋼46，例如，是在很高的工作溫度下具有優良機械性能的鎳基超耐熱不銹鋼。
這塊超耐熱不銹鋼可以在它朝向腔室內部的高溫表面上鍍復一層熱障鍍層(TBC)48，例如一層鋯基的TBC。在超耐熱不銹鋼46與TBC 48之間，可以有一層用耐腐蝕和耐氧化的材料，例如一種以鈷—鎳—鉻—鋁為基體的合金制成的粘接鍍層47。這樣的組合構成了爐子的內壁構件，并且跟著設置了一層窄的間隙50，用于控制爐壁構件的冷卻，并且用于將空氣或氧氣通過開在內壁上的小孔52送入PSTC和SCC腔室內部。還有，借助于通過上述間隙50的空氣的流速和/或容積的變化，就能夠達到對內壁46冷卻的動態控制。因此，如圖5所示，例如可以在內壁46的冷卻面上安裝熱電偶53，用以連續測量這面壁上的溫度，并且使用控制器CPU57通過控制閥55變化流過間隙50的冷卻空氣，于是鼓風機59所鼓出來的冷空氣便能使上述內壁維持在預定的溫度。圖4中所示的爐壁構件的第二部分包括在鋼殼體56上的一層陶瓷纖維絕熱材料。可以敷設若干層這樣的絕熱材料54。如圖中的箭頭所示，流過間隙50的空氣或氧氣使得超耐熱不銹鋼壁46和陶瓷纖維絕熱層54兩者都冷卻；因此，空氣或氧氣在通過小孔52流入腔室內部之前就變熱了，從而提高了腔室內的熱效率。上述絕熱材料54是供選擇的，也可以象圖5那樣省略掉。
如果外殼56仍然太熱，也可能還需要冷卻外殼。最好在皮膚接觸到外殼時它的溫度不會燙傷皮膚。可以用在外殼56的內部設置一條通道60，并讓水流過該通道的內部，或者設置里面有水在循環的外套(圖中未示出)，借助于用水冷卻外殼56來達到這一點。
上述新穎的爐壁構件的整個深度或厚度D通常在4英寸(10cm)左右，與一般現有的12英寸(30cm)厚的耐火磚砌襯相比，這樣的厚度就很有利了。
采用圖4或圖5所示的爐壁構件，圖1和2中所示的爐子大約重5000lb(2250kg)，除了PSTC和SCC本身的重量之外，還包括振動板輸送器和等離子炬的重量。此外，再加上電源和諸如控制器之類的其他裝置的重量，整個裝置的總重量大約是11000 lb(5000 kg)，而它處理垃圾的能力可達183 lb/hr(82 kg/hr)。很明顯，處理垃圾的能力越大，就需要更大和更重的裝置，但是，已經經過計算，例如，處理能力為676 lb/hr(300 kg/hr)時，所需要裝置的重量將小于20000 lb(9000kg)，這與現有的已知的具有這樣大能力的裝置相比，是相當的輕了。很明顯，按照本發明設計的具有較小的尺寸和重量的裝置，就能夠滿足較小的處理量。
應該理解，本技術領域的技術人員能在不脫離本發明的構思的前提下，對本發明作出各種改進。
權利要求
1.一種用于處理垃圾的輕型緊湊的爐子，它包括(a)一個主要的固體處理室，它包含一個爐缸，垃圾在爐缸內轉變成熔融的爐渣和簡單的易揮發化合物；(b)一個二級燃燒室，在上述主要的固體處理室內產生的易揮發化合物在這個燃燒室內進行進一步的處理，保證其完全燃燒；(c)一個爐渣加工和儲存室，在主要的固體處理室的爐缸內形成的爐渣在其中冷卻并從這個爐子內清除和運走；以及(d)其中，上述主要的固體處理室和二級燃燒室的壁包括一個用金屬制成的內壁構件，這種金屬在極高的工作溫度下具有良好機械性能，上述內壁構件的一面朝向高溫腔室的內部，而在另一面設有間隙，可調節的冷卻空氣能通過這個間隙，以便對上述內壁構件的冷卻進行動態控制，上述兩個室的壁在上述間隙外面還有一層鋼板外殼。
2.如權利要求1所述的爐子，其特征在于，上述爐缸能夠傾斜和垂直地移動，使得它能周期地從它在主要的固體處理室中的工作位置下降到爐渣加工和儲存室，并在該室內傾斜，把熔融的爐渣注入鑄模內，上述爐渣便在鑄模內凝固，然后爐渣便成為爐渣錠從鑄模中運走。
3.如權利要求1所述的爐子，其特征在于，上述爐缸是固定的，并在其底部設有一根感應插管，上述熔融的爐渣通過該插管注入位于爐渣加工和儲存室中的鑄模內，并在鑄模內凝固，然后以爐渣錠的形式從鑄模中運走。
4.如權利要求1或2或3所述的爐子，其特征在于，其中設有一個等離子炬，以便把爐缸中的垃圾加熱到超過2800°F(1540℃)的溫度，從而使上述垃圾中所含有的水份汽化，把有機物分解成諸如H2、CO、CO2和C2H2等的分子，并且把玻璃和金屬之類的無機物攪拌和熔化成爐渣。
5.如權利要求4所述的爐子，其特征在于，上述等離子炬既能以傳遞的方式工作，也能以非傳遞的方式工作。
6.如權利要求1或2或3所述的爐子，其特征在于，其中還設有一個感應圈來加熱爐缸中的垃圾，使它的溫度超過2800°F(1540℃)，從而使上述垃圾中所含有的水份汽化，把有機物分解成諸如H2、CO、CO2和C2H2等的分子，并且把玻璃和金屬之類的無機物攪拌和熔化成爐渣。
7.如上述權利要求中任何一項權利要求所述的爐子，其特征在于，上述爐缸是用水冷卻的。
8.如權利要求1-6中任何一項權利要求所述的爐子，其特征在于，上述爐缸是用空氣冷卻的。
9.如權利要求1-8中任何一項權利要求所述的爐子，其特征在于，其中設有一個適當的等離子炬，以使二級燃燒室的溫度保持在2000°F(1095℃)左右。
10.如權利要求1或9所述的爐子，其特征在于，在上述主要的固體處理室與二級燃燒室之間有一條通道，在主要的固體處理室中產生的易揮發化合物通過這條通道流入二級燃燒室，以便進一步處理，上述通道中有一個高溫捕集器，其結構能防止任何大顆粒在離開主要的固體處理室時隨著易揮發化合物進入二級燃燒室。
11.如權利要求10所述的爐子，其特征在于，上述捕集器用一個圓筒形構件做成，其中有若干排用具有良好的抗熱沖擊性的材料制成的交錯的桿。
12.如權利要求11所述的爐子，其特征在于，上述圓筒形構件和桿是用碳化硅制成的。
13.如權利要求1-12中任何一項權利要求所述的爐子，其特征在于，上述爐渣加工和儲存室有一段具有水冷壁的爐渣冷卻區段。
14.如權利要求13所述的爐子，其特征在于，上述爐渣冷卻區段還有水冷的底部。
15.如權利要求2或3所述的爐子，其特征在于，上述鑄模是由分開的兩半組成的，這兩半可以拉開，放出爐渣錠。
16.如權利要求2或3或5所述的爐子，其特征在于，其中還設置了一個荷載平衡傳感器，以控制每一個鑄模中爐渣錠的重量。
17.如權利要求1-16中任何一項權利要求所述的爐子，其特征在于，在上述內壁構件的朝向通過空氣來冷卻上述內壁構件的一面上，安裝了若干熱電偶來測量上述內壁的溫度，并且設置了把上述溫度測量裝置與一個控制器連接的裝置，上述控制器控制一個閥，以便讓足夠的冷卻空氣進入上述間隙，把上述溫度維持在預定的值上。
18.如權利要求1或17所述的爐子，其特征在于，在上述內壁構件上設置了若干小孔，以便讓空氣穿過上述小孔流入上述主要的固體處理室和/或二級燃燒室內，在其中作為處理用的空氣。
19.如權利要求1-18中任何一項權利要求所述的爐子，其特征在于，在上述間隙與鋼制外殼之間還設置了至少一層陶瓷絕緣材料。
20.如權利要求1或19所述的爐子，其特征在于，上述鋼制外殼是水冷的。
21.如權利要求1所述的爐子，其特征在于，上述主要的固體處理室與二級燃燒室組合成單獨一個容器。
22.如權利要求1-21中任何一項權利要求所述的爐子，其特征在于，它具有模件式的結構。
23.一種內部有高溫腔室的爐子用的輕型爐壁，其特征在于，該爐壁包括一個用在高的工作溫度下具有良好機械性能的金屬制成的內壁構件，上述內壁構件的一面朝向高溫腔室的內部，并且在上述內壁構件的另一面上有一層間隙，可調節的冷卻空氣能通過這層間隙，以便對上述內壁構件進行動態控制的冷卻。
24.如權利要求23所述的輕型爐壁，其特征在于，上述內壁構件用超耐熱不銹鋼層制成，在朝向高溫腔室內部的一面上鍍復了熱障，并且在上述超耐熱不銹鋼層與熱障鍍層之間有一層粘接層粘接。
25.如權利要求24所述的輕型爐壁，其特征在于，上述超耐熱不銹鋼層是一層鎳基的超耐熱不銹鋼。
26.如權利要求24或25所述的輕型爐壁，其特征在于，上述熱障鍍層是一層鋯基的熱障鍍層。
27.如權利要求24或25或26所述的輕型爐壁，其特征在于，上述粘接鍍層是一層鈷鎳鉻鋁合金的粘接鍍層。
28.如權利要求24-27中任何一項權利要求所述的輕型爐壁，其特征在于，上述熱障鍍層和粘接鍍層總共的厚度不超過0.08英寸(0.2cm)。
29.如權利要求26所述的輕型爐壁，其特征在于，它還在上述內壁構件上有若干小孔，以便讓流過上述間隙的空氣再流入上述高溫腔室的內部，在里面用作加工用的空氣。
30.如權利要求24-28中任何一項權利要求所述的輕型爐壁，其特征在于，它還具有一個鋼制外殼。
31.如權利要求30所述的輕型爐壁，其特征在于，在上述內壁構件與鋼制外殼之間還設置了至少一層陶瓷纖維的絕熱材料。
32.如權利要求30或31所述的輕型爐壁，其特征在于，上述鋼制外殼是水冷的。
全文摘要
本發明公開了一種用于處理垃圾的輕型緊湊的爐子。它特別設計成用于要求爐子的重量最輕,而安裝的空間有限的地方。該爐子由三個主要腔室組成:第一腔室,水和有機化合物在其中分解和汽化,而金屬和陶瓷在其中玻璃化,輕變成熔融的爐渣,用等離子炬或感應圈來提供工作用的能量。第二腔室,用等離子炬使得分解的化合物在空氣或氧氣中燃燒。第三腔室,用于接受和儲存玻璃化了的爐渣。這種爐子使用了一種輕型的、多層的,用先進材料制成的,高溫腔室內壁構件,其能量的效率高,還能進行冷卻的動態控制。
文檔編號F23M5/08GK1207060SQ96199027
公開日1999年2月3日 申請日期1996年12月10日 優先權日1995年12月14日
發明者彼得·G·燦德列左斯, 肖多拉·阿副克賽克斯, 朱契爾·G·德羅特, 布拉東·馬諾里阿迪斯, 愛德華·L·拉德馬起, 鐵木賽·J·拉浮斯 申請人:索爾德克工程股份有限公司