近一、二十年来，由於填坑的空间限制及与设置新焚化炉有关的问题，城市 固体废物和其它废物的处理已成为一个主要的议题。此外，日益增长的环境意识 已使许多大城乃至整个国家将主要关心放在确保固体废物能适当处理上。见：如 美国EPA，固体废物难题：行动备忘录，EPA/530-SW-89-01 9，华盛顿，哥伦比亚特区(1989)。
人们已经进行了通过焚化和废热发电来缩减城市固体废物的体积及使其所含 能量再生的尝试。标准的将废物转换成能量的焚化炉对废物流的固体可燃烧部份 进行处理，产生蒸汽以驱动蒸汽透平，并由于燃烧过程产生废物灰分。通常，灰 分被埋在城市填坑中。但目前的趋势和最近的法规可以要求将这样的物料运输到 准许埋危险废物的填坑去。这将大大增加处理灰分的成本。更有甚者，公众日益 关心从填坑产生气体泄出及对地下水可能污染的问题。另一与焚化炉系统有关的 缺点是产生大量气体泄放，因而需要有成本昂贵的空气污染控制系统，试图降低 气体泄放水平，以符合立法机构规定的要求。
为克服与焚化炉系统有关的缺点，在先前技术中，人们曾利用电弧等离子体 炬以消除有毒废物。在一定运行条件下，应用电弧等离子体炬要优于传统的焚化 炉或燃烧过程，因为由电弧等离子体矩产生的气体产物的体积要远小于典型焚化 或燃烧期间产生的体积，在气体产物中有毒物质较小，在某些情况下，废料能加 以气化。
例如，卡尔特等的美国专利No.5280757披露了在反应器中应用电 弧等离子体炬以气化城市固体废物这一专利。由此产生的产物包含中等质量的气 体和具有较低毒性元素析出性的熔渣。
巴顿等的美国专利No.4644877涉及采用电弧等离子体炬破坏聚氯 二苯(PCBs)这一专利。废料被电弧等离子体炬原子化和电离化，然后在反 应腔内被冷却和复合成气体和颗粒物体。，贝尔等的美国专利No.44316 12讨论了采用中空石墨电极转移电弧等离子体炉对诸如PCBs的危险废物的 处理。
在别特勒等的美国专利No.5284503中，披露了对铅污染土壤和废 电池材料进行改造的过程。由此土壤形成了陶瓷化的熔渣。由废电池壳产生的可 燃气体和陶瓷化铅最好运送至常规熔炼炉，作其燃料应用。
由巴顿等、贝尔等、卡尔特等及别特勒等建议的系统具有很多缺陷。例如， 这些缺陷包括对范围很广的废物进给没有足够的加热、混合和停留时间以确保产 生高质量、非浸析的玻璃状物质。此外，炉膛尺寸和进给器的设计也受到很大限 制，因为电弧等离子体是其唯一热源，因此炉壁必须相对靠近电弧等离子体。由 于对炉膛尺寸的限制，因而在炉壁上常常产生很高的热应力。
先前技术中具有金属电极的电弧等离子体炉，当它在较高的直流电流下使用 时，还受到电极寿命短促的限制。因此，为获得较高的功率输出，必须通过拉长 电弧来提高电弧的电位。这造成对炉子侧壁的辐射热损失，并导至金属电极(炬) 的效率不高。此外，在处理冷的、非导电物料时，常常会产生与先前技术中转移 电弧等离子体起动和重新起动这样电弧等离子体系统有关的困难。
这样，虽然先前技术的这些尝试曾是有用的，但在此技术中，仍然需要有一 个耐用的、易于操作的废物转换系统，它使危险气体泄出达到最小，而使范围很 广的固体废物成为有用能量的转换达到最大，并以安全、稳定的形式产生有商业 应用价值的产物流量，或者对处理不要求有特殊危险废物的考虑。因此希望提出 一种耐用、对用户友好的，且高度灵活的方法和设备，以便将种类繁多的废料转 换成有用的能量和稳定的产物，同时使危险气体的泄出达到最小，从而克服与先 前技术有关的缺陷。

本发明的目的是提出一种方法和设备，它能以增大的转换率将诸如城市和工 业废物的固体废料转换成有用的能量，而空气污染却大大减少。
本发明另一目的是提出一种方法和设备，用于将种类繁多的废料转换成具有 商业应用价值的产物，或安全、稳定、适于处理的产物。
本发明另一目的是提出一种方法和设备，它采用由独立可控电弧等离子体与 焦耳加热熔融室组合而成的一体型系统对废料进行转换。
本发明的再另一目的是提出一种方法和设备，它在直接联结的一体型系统中 采用电弧等离子体向焦耳加热熔融室提供加热的物料以便对废料进行转换。
本发明的又另一目的是提出一种方法和设备，它采用完全一体型的焦耳加热 熔融室与电弧等离子体组件以转换废物。
本发明的再另一目的是提出一种转换废料的方法和设备，其中在完全一体型 系统中的焦耳加热熔融室和电弧等离子体在具有公用熔池和相互独立的功率调节 状态下同时运转。
本发明的又另一目的是提出一种方法和设备，它采用由焦耳加热熔融室和电 弧等离子体组合而成的一体型系统以熔融废料。
本发明的再另一目的是提出一种方法和设备，它采用快速高温热解方法来转 换废料，从而能提供适于燃烧的高纯度气体。
本发明的又另一目的是提出一种方法和设备，它通过小型、高效燃气透平或 内燃机，高效地将废料转换成能产生电力的气体燃料。
本发明的再另一目的是提出一种废物转换组件，它在燃气透平或内燃机中采 用变化量的，诸如天然气、柴油或某些其它燃料的辅助燃料，因而是能自供能量， 或向外界提供一定水平电力的。
本发明的这些和其它目的是通过一个系统实现的，此系统能将城市固体废物、 工业废物或其它废物处理成稳定的、不可浸析的、适于商业用途或能对环境无危 害地加以处理的产物。此系统还能将空气析出降至最低，而能将对电力生产有用 的气体产物的生产量升至最高。
本发明提出一种紧凑的、废物至能量的处理系统，其优越性是能在单个部位 上，将废料完全或基本完全转换成有用的气体和产物流量。此外，该产物流量能 用于各种商业应用。或代之，该产物流量处于安全、稳定的废物形式，对其处理 不要求有特殊危险的考虑。
电弧等离子体炉和焦耳加热熔融室一体型系统与燃气透平或内燃机发电设备 的组合提供了一种自供能量的废物处理和电力生产设施，它能部署成相对小型的 组合式组件，并能按比例设置以处理大量城市固体废物。
主要处理组件最好包含对废料加热的直流或交流电极电弧等离子体，且它还 具有对熔池进行焦耳加热的能力。电极电弧或一些电极电弧最好是具有石墨电极 的直流电极电弧或一些直流电极电弧。直流电极电弧结合特殊电路的应用确保电 弧等离子体和焦耳加热熔融室的同时独立控制。电弧等离子体和焦耳加热熔融室 的主要运行模式是高温热解(贫氧运行)。在一个最佳实施例中，系统运行，使 快速高温热解发生，从而产生与其它高温热解方法相比有更高纯度的气体。
本发明的一个实施例应用电弧等离子体炉组合，它向与电弧等离子体炉联结 的焦耳加热熔融室提供加过热的物料。感应加热/或混合线圈可用于提供熔池中 附加的加热和/或混合。
在本发明的另一最佳实施例中，电弧等离子体和焦耳加热熔融室部件由公用 熔池进行完全结合，这使该系统能同时独立地可控，即这些部件的运行是可调节 的。电弧等离子体产生于石墨电极或一些不墨电极与熔融物料之间。石墨是优于 金属的电弧电极材料，因为石墨电极能简化处理，也因为石墨电极在等离子体炬 中具有比金属电极高得多的电流通过能力。此外，石墨电极相对金属电极等离子 体炬系统中经常的更换尖端，要求的维护更少。但是应看到，诸如钨或类似的其 它金属元素也可用作电极材料。
这一可调节的、完全一体型的系统应用电和机械械设计的特点使灵活性和有 效性达到最大。本发明这一实施例的优点是，但不限于是，能将多种物料熔融成 高质量、稳定、不可浸析的玻璃状物质的高处理速率，和由于此一体型系统因而 对体积的要求缩小。焦耳加热熔融室提供深度体积加热，并能以均匀混合特性将 整个熔池保持在恒定温度下，从而产生高质量、均匀的玻璃状产物。电弧等离子 体提供必要的辐射表面加热，以便用比其它工艺高很多的速率高效处理进给物料。 电弧等离子体和焦耳加热熔融室的同时、独立可控运行是由预定的电弧熔融室的 结构和电路提供的。虽然不企图限制于此，但电弧等离子体最好由直流电弧加以 运行，而焦耳加热熔融室由交流功率加以运行。直流电弧和交流供电焦耳加热熔 融室的布置确保有独立控制和运行每一部件的性能。
结合电弧等离子体来应用熔融室能进行比先前技术更均匀的加热。此外，由 焦耳加热玻璃状物质熔融室设施提供的深度体积加热又使运行更为容易。它也提 供了维持废物足够电导率以快速重新起动电弧等离子体所必须的恒定热源，这是 因为重新起动需应用通过废物的导电路线。此外，完全一体型系统使炉壁得以离 开电弧等离子体远一些，因为这里还设置一辅助热源。壁与电弧等离子体之间间 距的增大可增加进给，减少在炉子衬砌上的热应力。本发明也使电极具有长的使 用寿命，并能应用各种电弧等离子体和焦耳加热器的功率水平。
电弧等离子体和焦耳加热熔融室功率的独立控制保证了表面加热和深度体积 加热的配合比的连续可调节，这可在不同运行阶段进行优化。例如，为倾倒玻璃 状物质或维持玻璃状物质熔池的温度，可能要求辅助加热，而在进给的开始阶段， 可能必须有辅助表面加热。此外，对不同的废物流量要对应不同的表面加热和体 积加热配合比。例如对城市废物的表面与深度体积的加热比例可小于包含大量金 属和高温材料的工业废物。
根据本发明产生出的高质量、熔融产物可有各种用途。例如，熔融产物可压 碎，混入至沥青中用於路面或类似物。不然，熔融产物可用于替代炉渣或建筑用 板中的灰渣，从而使板中的吸水性达到最小。此外，熔融产物可固化成最终形体， 其体积要远小于先前的熔融产物。这种固化体适于处理，对健康和环境没有危害。
上述列出了本发明基本较为关键的目的。提出这些目的仅仅是为了展示发明 的某些突出特征和应用。许多其它有益的结果，如将要说明的那样，可以不同的 修正发明的方式应用所披露的发明而获得。因此，发明的其它目的和更全面的了 解可参考以下最佳实施例的详细说明而得到。
附图概述
为更全面地了解本发明，必须结合附图参考下述说明，其中：
图1(a)是适用于本发明的方法和设备的工艺流程示意图，其中在直接连 接一体型系统中，电弧等离子体向熔融室供应已加热的物料；
图1(b)是适用于本发明替代实施例的方法和设备的工艺流程示意图，其 中图1(a)中所示的燃烧室和燃气透平被火花点火或柴油内燃机所替换；
图2(a)-2(e)是本发明提出的直接连接的电弧等离子体炉和焦耳加 热熔融室；
图3(a)和3(b)是图2(a)-2(e)中所示的电弧炉和焦耳加热 熔融室设备的仅用于其电弧等离子体部分的直流功率系统设备；
图4(a)表示本发明提出的电弧等离子体和焦耳加热熔融室的替代最佳实 施例，其中炉子和熔融室采用公用熔池制作成完全一体的系统；
图4(b)表示完全一体型的电弧等离子体炉和熔融室，其中熔融室部分的 电极相对电弧等离子体-熔融室组件的垂直部分倾斜地设置；
图4(c)是图4(a)的完全一体型系统，它具有本发明提出的用于感应 加热和混合的磁场线圈；
图4(d)展示图4(a)的完全一体型系统，它具有本发明替代实施例提 出的次级增热器；
图5展示完全一体型的电弧等离子体炉和焦耳加热熔融室系统，它具有独立 可控的功率供应系统；
图6(a)和6(b)分别为用于图5所示完全一体型系统的交流功率系统 和直流功率系统；
图7(a)和7(b)为示于图5的完全一体系统的两种电极结构和几何形 状的平面图；而
图8展示了具有连结交流电极一部分能力的电路框图，按照图5所示的一体 型系统，交流电极将传导交流和直流电流。
在附图的若干视图中，对相似部件采用相似的标号。
最佳实施例的详细说明
现请参考图1(a)，图中展示了适用于本发明的方法和装置的示意图。系 统10包括具有电弧等离子体炉12和熔融室32的主要处理组件。如图2更详 细地所示，电弧等离子体炉12建造成，存在于炉中的氧气量是可以调节的。炉 12包括顶部12a、底部12b及侧面12c和12d。此外，炉12最好至 少包括四个口，图1中以14、16、18和20a表示。如在这里论述的那样， 开口14使形成电弧炉12中的气体能通过开口14排出，为气体线路30添加 燃料，并经处理作为燃料气体。开口或气体排出口14可由任何常规的、能控制 可燃气体排出量的任何常规器材构成。例如，但并不意味着限制于，气体从炉1 2的排出量可由开口14上的流量控制阀或类似物加以控制。气体排出品14最 好设置在炉12的顶部12a或顶部12a的附近。另一个办法是如图2所示， 可将气体排出口设置在室32中。
如图1(a)、1(b)和2(a)2(e)进一步所示，开口16使得在 炉12中形成的熔渣或玻璃状物质能流入至焦耳加热的熔融室32中。流过开口 或口16的流量最好通过将炉12建造成如图2所示具有倾斜壁12d来控制。 这样，在达到预定高度之前，熔渣物质36积聚在炉12中，然后迫使熔渣36 流过壁12d而入熔融室32中。同时，便并不意味着限制于，壁12d可如图 2所示地在约为45°的角度下形成。熔渣开始流过壁12d进入熔融室32的 高度根据所要求的废料在炉内的停留时间及进给速率来确定。这样的结构也使玻 璃状物质得以连续地去除，且同时防止气体的进入或外流。
开口或金属排出口18使得在炉12中形成和收集的金属能排出，并与在炉 12中形成的气体和熔渣分开。排出口18建造成能够控制熔融金属材料从炉1 2排出量的任何形式。例如，可采用流量控制阀和设备以控制通过排出口18流 至金属收集器28的流量。最好如图1和2所示，将开口16设置在炉12的侧 面12d，将金属排出口18设置在炉12的底部12b或靠近底部12b。同 时，但并不意味着限制于，炉12可如图2所示那样地设计成底部12b是倾斜 的。
废料进入口12a设置成，废料26以受控制的方式从废物进给系统20通 过口20a进给至炉12中。同时，口20a可包括，但并不限于包括流量控制 阀或类似物，以监控废料26的进给速率。进给系统20可以是任何通常类型的 进给系统，它能够将城市固体废物，或诸如危险废物、医院废物、焚化炉中的炉 灰或类似物进给至炉12中，只要此进给系统不允许空气通过进给系统进入炉中。
如图1(a)所示，炉12可包括诸如空气或气体进入口12e的辅助口。 空气或气体进入口12e包括诸如流量控制阀或类似物的流量控制器。口12e 最好位于如图1(a)所示的熔渣物质36高度的附近，通过炉子而进入。这样， 空气50b(它可包含预定量的蒸气80)在受控制的速率和时间下，在转换过 程期间被注入至炉12中以控制离开炉子的气体的成分。此外，可通过开口12 e引入空气和/或蒸气以确保进给物料中的任何碳都已被转换成诸如CO、CO2、 H2、CH4及类似物的含碳气体。这将减少由于处理过程期间碳没有完全转换 成含碳气体而造成的炭化量。
耐火材料24被用于衬砌炉12。耐火材料24可由能对付温度超过约30 00℃的任何合适材料构成。例如，但并不意味着限制于，耐火材料24的炉1 2及其部分可由陶瓷材料或石墨构成。
炉12包含电极或若干电极22，它们最好由石墨制成。最好应用石墨而不 是金属去作电极材料，因为石墨电极简化过程，且比在金属炬中应用的那些电极 具有更高的电流通过能力。此外，相对金属炬系统的经常的尖端更换，石墨电极 要求的维修要更少一些。由于炉子的充气空间中的预计条件既包括部分氧化气氛， 也包括促进水-气体反应的条件：
     C+H2O→CO+H2   在600-1000℃下 因此没有特殊措施，就可能有不可接受的石墨消耗。为此，石墨电极22最好涂 敷有氧化锆、碳化硅、氮化硼或其它保护性涂层以使石墨消耗达到最小，并延长 其使用寿命。例如，当向炉12进给含碳物质的城市固体废物时，会产生高的吸 热反应，为将可燃烧材料转换成燃烧气体，将不可燃烧材料转换成熔渣，约要求 600千瓦-小时/吨城市固体废物。
电极或若干电极22在炉12中可或以交流或以直流电流进行运行。但是在 炉12中，最好采用直流电弧而不是交流电弧，因为应用直流电弧会加强电弧的 稳定性，并能减少电极消耗。可能积聚在炉12底部的金属能通过金属排出口1 8而被取走。炉12还可包含一个或多个电极86a，86b，它们最好设置在 炉12的底部12b或其附近。
熔融室32包含顶部32a、底部32b和侧面32c及32d，它是焦耳 加热的，并最好直接与炉12相连接。焦耳加热的熔融室32或采用交流功率或 采用直流功率进行加热。在最佳实施例中，焦耳加热的熔融室32是采用交流功 率来加热的，而电弧电极22则应用直流功率。将熔渣36保持在适当温度所要 求的能量等于从熔融室外表面散走的热损失。已证明这十分低，即对于适当设计 的熔融室来讲，约为20-30千瓦/每平方米的熔渣或玻璃状物质的表面积。 熔融室32与电弧炉12紧密连接的一个优点是，熔融室32提供附加的熔融体 积，从而提供在处理过程中更长的停留时间，消除金属短接焦耳加热熔融室底部 上电极的现象。这造成通过熔渣排出口82从系统10排走的熔渣或玻璃状产物 更为均匀。
耐火材料34起焦耳加热熔融室32的衬垫作用，并可由能经住约1600℃ 温度的任何材料构成。例如，耐火材料34可由陶瓷材料或类似物构成。电极3 8a、38b最好这样地设置在熔融室32中，即当熔渣36进入熔融室32时， 电极38a和38b被淹没于其中。例如，如图1和2所示，电极38a可设置 在熔融室32的一个侧面32b上，而电极38b则设置在熔融室32的相对侧 面32c上，这样交流或直流电流能在其间流动。电极38a、38b最好设置 在熔融室32的底部32d或其附近。但应指出，只要有足够电流能够通过熔渣 36，电极38a、38b的任何布置都可适用于本发明。还应指出，熔融室3 2还可包括如图2(a)-2(e)所示的辅助电极38c。
熔融室32还可包括辅助加热系统90。如图2(a)-2(e)所示，辅 助加热系统90包含一个或多个加热器92、管道98、熔渣倒出管道94、口 96和熔渣收集器100。同时，构造不受此限制，在图2(a)-2(e)中 展示了若干在辅助加热系统90中设置管道98的替代结构。从熔融室32通过 管道98流动的熔渣36，受到加热器92的加热。然后熔渣36通过熔渣倒出 管道94流至口96，并由此排出至熔渣收集器100。口96可包含流量控制 阀或类似物以控制熔渣36从加热系统90的排出量。当需要减小熔渣的粘性以 保持熔渣在熔融室中的高度时，就应用辅助加热系统90。辅助加热系统也抵消 熔渣跌落至熔渣容器之前到达熔渣排出时的热损失。如图2所示，因此熔渣可收 集在容器84和/或100中。当处理危险废物时，容器28、84和100最 好相应地与口18、82和96密封地相连接，这样，空气和/或气体不会由此 进入系统或由系统排出。
现在将说明本发明的处理方法。废料26从进给系统20通过进入口20a 进给至炉12中。如上所述，电弧炉12最好包含采用直流电弧运行的石墨电极 或一些石墨电极22。该设备特别适于将固体废物材料加工成玻璃状物质或熔渣 及有用气体。
炉12中的电弧最好设计成直接接触进给的物料26。两种类型的电源设置 适用于本发明，以便将三相交流功率转换成直流功率以起动和维持电弧炉12中 稳定的直流电弧。
图3(a)和3(b)展示了仅用于图2中所示的电弧炉和焦耳加热熔融室 设备中等离子体部分的直流功率系统部分。此组合系统的焦耳加热熔融室部分可 应用常规的交流功率系统，诸如由太平洋西北实验室(Pacific Nor thwest Laboratories)或能源部(Department of Energy)应用的，并可买到的那些交流功率系统。如图3(a) 所示，所展示的是一台常规的三相闸流晶体管桥式整流器200，它具有“漂置” 或“箝压”二极管212。次级变压器绕组204向闸流晶体管206a、20 6b供应交流电压，它们对第一相202a进行整流。同样，次级变压器绕组2 04向闸流晶体管206c、206b供应交流电压，它们对第二相202b进 行整流，而次级变压器绕组204向闸流晶体管206e、206f供应交流电 压，它们对第三相202c进行整流。这样，图3(a)中以208表示的经整 流的相跨越点210a和210而供应。
“箝压”二极管212连接在桥式整流器的输出(+)218和(-)22 0之间。电感线圈214与不接地电缆串接在“箝压”二极管212和电弧炉1 2之间。电感线圈214用于供应瞬时电压，它是电弧炉12运行期间为维持稳 定电弧216而经常要求的。“箝压”二极管212的作用是在直流电弧216 的电压超过整流器开路电压时，为电流提供一条从电感线圈214流动的路线。
现请参考图3(b)，图中展示了适用本发明的将三相交流功率转换成直流 功率的另一常规电路230。这类电路适用于维持炉12中的直流电弧。并经常 用于直流电弧焊接系统。在图3(b)所示的电路中，饱和电抗器232a、2 32b和232c与三相交流次级变压器绕组和三相二级管整流器桥中的每一个 进行串联。饱和电抗器232a、232b和232c的作用是改变变压器和二 极管整流器交流输入之间交流电流线路的阻抗，从而提供了一种方法，即使电弧 电压改变相当快时，也能保持要求的电弧216中的直流电流量。
图3(b)中所示的电路230中的次级变压器绕组204可以是Y型或△ 形的。假如次级绕组204是Y形的，则初级绕组(在图3(b)中未表示)必 须是△形或是带中性回路或不带中性回路的Y形。
在图3(b)所示的这类电路中，“箝压”二极管不是必须有的，因为桥式 整流器中的二极管就提供了这一功能。电抗器214用于提供为维持炉12中稳 定的直流电弧216所必须的瞬时电弧电压。
重要的是闸流晶体管型或饱和电抗器型整流器具有通常超过直流电弧电压的 足够高的开路直流电压。还有重要的是，当电弧电压处于零至至少为正常开路整 流器电压90％的范围内时，即使电弧电压很快变化，任何一种类型的电源必须 能保持预置的直流电流值。
假如电弧炉12是由交流而不是直流电源供电的，则最好采用图3(b)所 示的饱和电抗器型电路，因为它比常规的闸流晶体管型交流开关能提供更高程度 的电弧稳定性。
与电弧的接触以及存在于废料26中的金属的比重造成在炉12中形成三个 相或三个层：金属层、熔渣层和气态层。电弧炉12在温度范围约为1400- 2000℃之间运行，而最好根据废物进给的成分，在约为1550-1600℃ 范围内运行。电弧等离子体在约为3500-4500℃的温度范围内运行。
金属层或相88直至收集到足够量之前，由于重力分离而积聚在炉膛12a 的底部。然后，金属88通过排出口18排入至单独的容器中。如上所述，口1 8可由能经住约为1400-2000℃温度范围的金属的任何合适材料构成。 口18还可包含控制阀或类似物以控制金属88从炉12的排出量。产生于电弧 炉12中的玻璃状物质或熔渣36在溢水孔之下通过，进入与炉12相连接的焦 耳加热熔融室32。虽然焦耳加热熔融室32的运行温度可根据熔渣成分和性能 而改变，但熔融室32最好在约为1200-1600℃之间运行。
在炉12和熔融室32中的重要运行模式是高温分解模式。但是，也可要求 在部分氧化模式下运行以协助进行大数量可燃物料的处理。
在图1中进一步展示，系统10还包括透平56、发电机60及用于将电弧 炉-熔融室组件连接于此所必须的设备。例如，系统10最好包括热气体清洁设 备40、废热回收组件72和空气及水注入系统48和68。虽然在图1(a) 中未表示，但在进给系统20中，对废料26在被进给至炉12之前还可应用进 给调节处理。除去图1(a)中所示的组件外，最好包含对离开清洁组件40或 燃气透平的气体进行洗涤的废气洗涤处理设备以由此去除任何酸性气体。对离开 电弧炉12的气体进行气体调节的唯一要求是在热气体清洁组件40中进行气固 分离以便将进入透平56的颗粒数量减至最少。
在炉12中产生的气体是由于快速高温热解结果形成的可燃气体。如这里讨 论的，快速高温热解通常至少使60％的废料转变成对燃烧有用的气体。这样， 应用本发明的电弧炉12提供的气体约包含：2％二氧化碳、44％一氧化碳、 43％氢气、2％甲烷，其余为轻质碳氢化合物。在炉12中生产的气体通过管 线30输送至热气体清洁组件40中，在那里灰分42被去除，从而从燃料气体 44中分出。
吸入空气48进入压缩机46，而离开压缩机46的空气50则可划分成若 干股排气流。例如，空气流50a进给至燃烧室52，而空气流50b可被进给 至炉12中。
燃料气体44进入燃烧室52，与空气50a组合。在燃烧室52中产生的 热气体和蒸汽54驱动透平56，它通过58与发电机60相连接，这样，从而 发出电能量64。透平56最好是高效的蒸汽注入的燃气透平。这样的透平在市 场上可买到。
为确保自供能量的运行，特别在启动阶段，可向燃烧室52(或如图1(b) 所示的内燃机55)进给变化数量的天然气或其它类型的燃料53。
水68通过泵66进入系统10，到达热再生蒸汽系统72，即热交换器， 在那里热从透平出口的热气体62中交换给水流70。废气74与热再生蒸汽系 统72中的蒸汽76分离开。蒸汽76如图1(a)所示，最好相应地作为透平 56的蒸汽78和供给空气流50b的蒸汽80进行再循环。
现请参考图1(b)，所示过程与图1(a)中所示的相似，除了压缩机4 6、燃烧室52和燃气透平56被内燃机55所代替。内燃机55比压缩机-燃 气透平更容易使用，成本更为经济，特别对小型可调节等离子体-熔融室电转换 组件更是如此。空气50a和辅助燃料53可根据燃料气体44的成分以预定方 式进给至内燃机55中。内燃机55的效率最好能为可调节等离子体-熔融电转 换组件所需的全部或基本全部的电功率提供足够的电力。
虽然不企图限制於此，但内燃机55最好在相当贫油的模式下运行，即高的 空气与燃料之比，以氢气-一氧化碳气体作为燃料。这样，可由富氢的气体中产 生电力。采用在约0.5-0.6范围的低当量比例(燃料/空气比例相对化学计 量比例)的运行，NOx的产量可大大降低，也即相对化学计量运行要减少至1 /100以下。碳氢化合物和一氧化碳的排出也将十分低。
火花点火内燃机的优越性在于，对于十分小的组件这样的内燃机比较便宜， 且比透平更容易起动和停止。为加速电力生产达到要求的水平，特别在启动阶段， 可应用诸如富氢气体、丙烷、天然气或柴油燃料的辅助能原以驱动内燃机。辅助 燃料的量可根据废物流的成分进行变化，也即引入废料的热值和废料中可燃物质 的数量以及对废物进行处理所需的电力。
在图4-8中展示了本发明的替代最佳实施例。在此实施例中，直流电弧和 交流焦耳加热电系统完全组合成一体，并同时在单一的玻璃状熔融液中运行，但 在电学上则通过采用特殊的功率输出电路互相隔离。这样，图4(a)-(c) 和5中所示的电弧等离子体-熔融室组合件在热学上和电学上都是结合成一体的， 而图1(a)、1(b)和2中所示的与焦耳加热熔融室相连接的电弧等离子体 炉则在一个方向上进行热学上的连接，也即焦耳加热熔融室中熔池中的热量没有 用于加热构成电弧等离子体炉中电流回路主要部分的熔池。
由本发明提出的完全结合为一体的等离子体-熔隔室系统的优越性是具有在 等离子体加热和玻璃状物质熔融室加热之间功率的连续可调性能。例如，当希望 应用系统的一个部分，如电弧等离子体或熔融室时，连续可调独立功率分配是有 用的。连续可调独立功率分配提供了变化条件下的耐用性和促进运行的简易性。 连续可调独立功率分配通过对固体废物产品，如玻璃状物质和废气的产生进行额 外的控制，还能额外地改进效率，并使对环境方面的吸引力达到最大。
电弧等离子体和熔融室的连续可调独立运行使用户得以选择多种类型的加热。 例如，电弧等离子体(或一些等离子体)提供辐射性的表面加热。大量等离子体 功率可在进给起始阶段应用。稍少一些，但仍为相当量的等离子体功率可在连续 进给期间使用。高的废物表面温度加热促进高的通过量处理以及快速高温热解以 产生高质量的可燃气体。高表面加热在那些材料难于熔融，或材料是高导电的处 理中，从而在不存在电弧等离子体情况下，限制了玻璃状物质焦耳加热有效性时 也是需要的。
应用玻璃状物质熔融室电极进行焦耳加热提供了深度体积加热。这类加热通 过促进整个熔池中的混合，确保产生高质量的玻璃状物质。它也为更为稳定的转 移电弧运行提供了导电材料。体积加热的独立应用还可被用于在没有进给时，以 低的功率要求将废物保持于熔融状态。体积加热对玻璃状物质的倾倒也很重要。
等离子体加热和玻璃状熔融室加热的连续可调独立功率分配促使为了玻璃状 物质倾倒或改进的玻璃状物质生产使用额外的体积加热，而不会增加只有等离子 体加热时的诸如材料的过度挥发和炉壁热应力的负面效应。
除去给定类型废物流处理期间的连续可调独立功率分配外，一体式等离子体 熔融室组件的可调特征还可用于对不同类型的废物流的处理进行优化。例如，城 市废物流要求的等离子体功率相对量通常比具有高温度熔点材料和大量金属的， 诸如由大量无机物物体构成的危险和工业废物流要低。
熔融室体积加热的应用也促使等离子体电极结构有更大的选择范围。因为融 室体积加热将材料保持在基本为融和导电的状态，因此可容易地应用一个以上的 等离子体电极。这部分是由于熔融材料提供了电极间的导电线路。这样，为应用 一个或多个等离子体电极可能容易地进行连续调节运行。增大的灵活性可用于优 化可燃气体的生产、使颗粒排出达到最小和减少电极磨损。
等离子体和熔融室加热系统的连续可调独立功率分配提供了大为增加的温度 控制量。温度的空间和时间控制，这在以前是未曾有过的，可用于改进组合式的 电弧等离子体和熔融室熔浆化系统的实用性和环境吸引力。
如这里讨论的，本发明提出的焦耳加热熔融室和电弧等离子体的完全结合也 促使采用具有两个电弧等离子体电极的长条的熔融室。熔融的材料能在两个电弧 等离子体电极之间提供导电或电流线路。这一结构大大增加了废物进给和熔渣泄 放的灵活性，也增加了电弧等离子体电极的寿命和耐用性。双电弧等离子体电极 一长条室的布置由于焦耳加热熔融室而得到促进，因为焦耳加热熔融室能在炉子 闭置周期期间提供必需的热量以保持两个电弧等离子体电极之间的导电路线，也 在长条熔融室内提供均匀的加热。
示于图4-8中的本发明的实施例包含电路布置，如在标准的常规焦耳加热 熔融室中那样，它就用浸没式电极使要求的交流功率得以通过熔融体，它也使直 流电弧等离子体电路得以通过可移动的上电极之间的，或者，如需要，通过这些 电极和/或浸没的反向电极之间的熔融体同时运行。废物的类型和熔融熔渣的特 性将确定最佳运行模式。
示于图4(a)-4(d)的一体型电弧等离子体-熔融室组体300包3 含反应槽302。焦耳加热熔融室促进了对过程输入最小能量，生产高质量高温 热解气体，因而受到赞赏。这一情况之所以能存在是因为，输入至电弧的能量不 需大于高温热解和熔融电弧区中材料所要求的能量。与只采用电弧等离子体炉的 情况相反，应用焦耳加热将未熔融的进给材料之下的熔池保持于要求的温度。加 入空气/氧气和/或空气与蒸汽的组合以消除熔融表面的炭化，并调节玻璃状物 质的氧化还原状态。焦耳加热熔融室向气体/蒸汽混合物引入的熔池侧面附近提 供能量(即热的玻璃状物质)。一体型组件300还可包含辅助加热器320。
反应槽302包括顶部302a、底部302b和侧面302c及302d。 通常，底部302b具有如图4所示的V字形结构。反应槽302还至少包括一 个口或开口304a，用于将废料330引入至反应槽302中。在最佳实施例 中，反应槽302如图4(a)-4(d)所示，包括若干口或开口304a和 304b。口304a和304b可包括流量控制阀或类似物以控制废料330 进入槽302的流量，并防止空气由此进入槽302。最好这些口304a和3 04b也是能被控制的，这样，能有选择地单独或同时使用一个或多个口。反应 槽302还包含气体口或开口306及金属/熔渣倾倒口或开口310。如以上 参考图1(a)所讨论的那样，由口306排出的气体最好进入线路30(如图 1(a)和1(b)所示)，并将送入至洗涤室、透平或类似物以便进一步处理。 口306设置有流量控制阀或类似物，这样，在反应槽302中生成的气体可有 选择地排放进入至线路30中。金属/熔渣口310的运行方式与图1(a)中 所示的口28的运行方式相似。特别地，口310设计成具有流量控制阀或类似 物，这样，在处理期间，金属和/或熔渣能按预定的时间间隔卸除，并引入至金 属/熔渣参集器312中。当处理危险废物时，收集器312最好密封地与口3 10相连接，这样，空气和/或玻璃状物质不会由此进入系统或从系统排出。
室320的作用与图2所示的辅助加热器90相似。特别地，由于比重的差 异，金属/熔渣层332中的金属向槽302的底部302b移动。金属/熔渣 层332中的熔渣则通过开口或口326a排入至管道326中。管道326的 设置最好参考图2(a)-(b)，与所示及说明的管道98相似。熔渣334 被腔322a和322b继续加热足够时间，以提供均匀的熔渣产物。然后，熔 渣334通过熔渣倾倒管道324和328，从而离开室320进入熔渣收集器 336。在处理危险废物时，收集器336最好密封地与口328相连接，这样， 空气和/或气体就不会由此进入系统，或由系统排出。
反应槽302还包含若干交流焦耳加热电极308a和308b。图4(a) 还展示，电极308a和308b可相应地在侧面302c和302d上从一个 至另一个地加以设置。此外，电极308a-308b设置成，当进行处理时， 电极308a-308b浸没在熔渣332的混合物中。
图4(b)展示了本发明提出的电极308a和308b设置的替代布置。 图4(b)所示的电极308a和308b的设置能便于电极的更换。特别是， 这种类型的布置得以更换电极而不必排空炉膛。排空炉膛是不希望有的，因为它 常常会恶化炉衬。因此，将电极308a和308b相应放置在一角度309a 和309b上，在防止气体逸出或排出的同时，还在要时便于电极的更换。虽然 并不想将结构限制于此，但电极308a和308b相对炉子相应内侧面的角度 309a和309b最好在约30°-45°之间。对于焦耳加热熔融室还最 好使用金属电极或涂层的石墨电极。电极338可设置在任意角度上，只要它们 是设置在炉膛的内表面上。电弧等离子体电极或一些电极最好由石墨制成。正好 在电极底部以上部分的电极长度可加以涂层以减少腐蚀率。
如图4(b)进一步表示的，交流供电的焦耳加热电极308(a)和30 8b)最好相应地通过炉子302的侧面302c和302d而插入。如上所述， 电极相对炉子相应内侧的角度309a和309b最好在约30°-45°之间。 每一电极的顶端最好在金属炉壳之外延伸，并用与电接地炉壳电绝缘的电连接件 加以覆盖。每一电极的底端浸没在熔池紧下方至要求的深度。通过对电极至熔融 体表面下进入点位置的适当选择，电极将没有一部分是曝露在直流电弧或由此电 弧发出的辐射之下，从而增加了该电极的寿命。
当必须更换电极308a和/或308b时，将已用过的电极从熔池抽出。 如果插入至熔池中的新电极未经电极预热，则在电极与溶池接触处，冷电极会引 起溶池的粘性增加，从而造成难于将此新电极插入至熔池中。最好应用特殊的、 电绝缘的、限定电流的电源对此电极进行通电，它将在熔池与电极的联接处安全 地提供附加的热量，从而使新电极能充分地浸没在熔池中。在最佳实施例中，还 可对每一电极设置适当的电和热的绝缘，这样，在正常运行期间，每一电极将在 热和电两方面与金属炉壳隔绝。
图4(c)展示了本发明的另一实施例，其中采用了磁场线圈315a和3 15b以进行感应加热和/或混合。为达到与引入至组合式直流电弧等离子体- 熔融室中的特定废物流相匹的最优熔融率，除去通常由炉子的熔融室部分和炉子 的直流电弧部分产生的搅拦和混合之外，最好还有附加的搅拦和混合。这可通过 在关键位置添加诸如线圈315a和315b的磁场线圈，以产生更大的J×B 力，它转而又引起熔池中的附加混合物和/或加热来完成。线圈315a和31 5b可设置在金属炉壳内，但在熔池的耐火材料衬之后。可替换的是，假如炉壳 是由诸如304L或316牌号的非磁性不锈钢制成的，则线圈可放置在壳的外 侧。线圈315a和315b与交流电源相联。电源的频率可根据物料而改变。 熔池混合的加强是“调整”类型的一个例子，它可以增加炉子电极的寿命和废物 的通过量。
适合于应用焦耳加热熔融室的表面和体积加热的混合可调节性的特点同样适 合于结合等离子体的感应加热熔融室的应用。在最佳实施例中，如图4(c)所 示，感应加热性能是设置在电弧等离子体-焦耳加热熔融室系统中的。对某些类 型的废物处理，最好只用电弧等离子体和感应加热来运行。该实施例的代表性系 统将与图4(c)中所示的，没有焦耳加热电极的系统相同。磁场线圈可结合图 1(a)和1(b)中所示的电弧等离子体-熔融室组件用于感应加热和/或混 合，这也将是受到赞赏的。在那些实施例中，电弧等离子体炉和焦耳加热熔融室 各自都设置线圈。这样，与电弧等离子体炉一起使用的线圈可独立于与焦耳加热 熔融室结合使用的线圈而运行和调节。
图4(d)展示了本发明的另一实施例，其中等离子体熔融室过程的替代结 构包含一个次级增强系统307。此系统可以是室内的电弧等离子体，用以提供 进一步热解离开初级等离子体-熔融室过程的可冷凝碎块所必须的热能。例如， 如图4(d)所示，次级热增强系统307可放置在口306附近，或在其内部。
等离子体熔融室过程中废物向电能的转换取决于固体和液体废物向气态产品 气体的最大转换。在高温热解过程中，部分排出气体可能包含轻于中重油的可冷 凝物。假如离开初级等离子体-熔融室的气体得到冷却，由于在炉温下存在可冷 凝物，可能造成部分废气的液化。次级等离子体废气室确保这些油转换成不可冷 凝的可燃气体，形成由加入的废料中得到能量值的强化再生。
当次级等离子体室307如图4(d)所示那样地设置时，由于初级炉室和 次级等离子体室307是直接相连的，因此离开初级炉室的气体在进入次级等离 子体室307之前，其温度没有降低。这使热解和气化过程所要求的总能量达到 最小。
除了强化电弧等离子体熔融室过程的气体废物中的能量再生外，等离子体废 气腔307再进一步除在初级炉室中没有摧毁的有毒品种。这强化了摧毁所有形 成诸如呋喃和dioxins的先驱品种的过程的有效性。此外，在处理挥发性 的和半挥发性的毒性有机物时，次级等离子体室能有效地摧毁所有有毒的品种。 因为所有离开炉子的可冷凝品种都在次级等离子体室中转换成可燃气体，二次废 物生成达到最小。应意识到，等离子体废气室可能不是一直需要的，但在处理期 间，可单独地加以调节。
如图4(a)或4(b)所示，直流电极314a和314b设置在反应槽 内。如图5所示，电极314a和314b提供接触进给物料330的电弧34 4。可如图4或图5所示的那样，设置一个或多个辅助电极338，从而形成正 的(+)340和负的(-)342输出。
一体型系统300的一种结构涉及功率分配中的电容器356和特殊设备的 应用。如图5所示，单相焦耳加热电弧等离子体一熔融室302具有电弧344 的单对电极314和338。熔融室302的焦耳加热部分最好应用交流电源3 46，而熔室302的电弧部分最好应用直流电源348。
图5所示的最佳实施例应用直流和交流电源348、346的组合，它们分 别向单槽或熔融体槽302中的电极供电，废料330则在其中经受转换过程的 处理，包括浆化。特殊电路是必须的，因为直流电弧电流314、338将与焦 耳加热交流电极308a、308b相互作用，除非采取特殊步骤以防止这样的 相互作用，及向焦耳加热电极供电的变压器的失灵。该电路使电弧等离子体和焦 耳加热熔融室得以进行独立的控制。
假如应用单相、双相或三相交流起弧电极来替代直流起弧电极，仍然可能有 交流电弧电路和焦耳加热交流电路之间的相互作用。同时交流-交流相互作用相 当复杂，能产生许多从属的相互作用，在这些情况下，常常难于控制局部加热和 电极腐蚀。因此，最好采用与焦耳加热交流电路相结合的直流电弧电路。
直流电源348包括电感器360、初级绕组362、次级绕组366a、 366b，以及饱和电抗器364a、364b和364c。初级绕组362最 好是△形连接的。饱和电抗器364a、364b和364c则相应地与次级绕 组366a、366b和366c进行串联。
假如直流电流348通过废料330和具有淹没式焦耳加热交流电极308 a、308b的熔渣/金属熔332，交流电极308a、308b直接与变压 器352的端点相联而没有阻塞直流电流348流过变压器352绕组的装置， 则变压器352的芯会饱和。这造成变压器352的初级绕组350中的电流增 大，使变压器352在十分短的时期内失灵。为了同时运行槽302中的电弧等 离子体和焦耳加热熔融室，因此必须使交流电流346持续通过熔池332以进 行焦耳加热，而同时阻断直流电流348流动。电容器356被用于阻断直流电 流348，通过交流电流346。最好电容器356与每一变压器的次级绕组进 行串联，以便在炉子运行条件的很宽的范围内平衡每一相中的电流。如图5进而 表示的，电容器356与次级绕组354相联，而此次级绕组354则和饱和电 抗器358相联。
图6(a)和6(b)是适用于本发明的电路布置图。具体讲，在图6(a) 中展示的是三相交流电源346，而在图6(b)中展示的是直流电源348。 电路包括反映通过整个交流功率系统346在槽或熔融室302中每个交流电流 路线的电感、通过熔池或溶融池332的电流路线的非线性电阻、电极交界面、 功率进给电缆、和变压器376的次级绕组372a、372b和372c，以 及作为联结在焦耳加热炉电路中的串联元件的电容器370a、370b和37 0c的电容量的值。交流电源346还包括初级绕组350、饱和电抗器374 a、374b和374c以及电极368-368f。饱和电抗器374a-3 74c相应地与次级绕组372a-372c相联结。
由于在与非线性电阻串联的电路，例如焦耳加热炉电路中，交流电流很少是 正弦形的，因而可能激发若干不同于60赫的谐波频率，它们叠加在公用事业公 司供给的60赫的正弦上。在此电路中，重要的是说明非线性电阻的原因，确定 电元件以获得合适的阻尼，从而获得稳定的运行。还有重要的是，电容器的电压、 电流和电容量的额定值应为，使得在炉子电极上的整个系统电感的串联共振频率 是，当观察炉子时，在这些相同电极上查看到的电阻加上有效60赫电阻的最小 值等于或大于(L/C)1/2的1.5倍，最好是大于(L/C)1/2的两 倍，这里L是电源系统的总电感，而C是电容器370a、370b和370c 的电容量。总有效电阻R应为(L/C)1/2的两倍，但如果是(L/C)1/2的 1.5倍，则任何电流的共振上升可忽略。
如图6(b)所示，直流电源系统348可包含带有Y或△形连接的次级绕 组384a-384c的电源变压器。初级绕组382则最好是△形连接的。还 如图6(b)所示，电源整流器最好是三相全波整流器。整流器可以是如图3( a)所示的电流控制的闸流晶体管整流器，即硅控整流器，其中阳级-阴级电流 是受施加于第三电极上的信号所控制的。可替代的是，整流器可以是如图3(b) 所示的，三相全波二极管整流器，它具有直流电流控制以维持要求的直流电流。 假如采用闸流晶体管整流器，重要的是跨越直流输出端点378a、378b设 置全额定的电流漂置二级管。当采用三相整流器时，由于整流器中的二级管足够 了，就不必要加置直流“漂置”或“箝压”二级管。
对直流电弧炉，最好采用带饱和电抗器控制386a-386c的三相全波 二极管整流器。不管采用那种类型的电源，重要的是与不接地的直流电源线串接 一个电感器。此电抗器是必须的，以便在直流电弧电压突然增加的炉子状态下， 能快速供应能量。
假如炉子或熔融室302内侧的底部是由诸如陶瓷材料或类似物的适当耐火 材料制成的，且是不良的导电体，则可通过将炉子302底部在焦耳加热电极3 68a-368f之间的部分压下，然后稍稍抬高熔融金属排放管以形成热的、 反向电极380，这样，即使金属被排放后，金属坑仍日留在炉子底部的这一凹 陷中。此金属可用作交流焦耳加热电路的反向电极380，也同时用作直流电弧 电路的电极。
金属炉底电极380可采用诸如图6(b)的电路方框图所示的各种结构加 以联结。在任何情况下，最好有一个或多个通过炉子或熔融室底部的电极。电极 可是石墨或金属的。应注意，图6(b)和图8中的电路分别包含与金属电极3 80和426进行串联电联结的开关388和436。这些开关的作用是使直流 电弧或一些直流电弧得以或在转移模式或在非转移模式，或在两个模式同时组合 下运行。
假如炉子302(图4-5所示)的实际结构适用两个独立放置的可控电极， 则直流电弧电极和交流焦耳加热电极可同时运行，没有有害的电相互作用，而有 对所有类型的废物，包括危险废物和医院废物，的溶浆化都有有利的相互作用。
图7(a)和7(b)中所示的本发明的实施例的炉子或槽400的电极结 构适用于对装置进行遥控。图7展示了两种不同形状炉子的示意平面图。图7( a)展示了长条形形状，而图7(b)展示了圆形形状。虽然两种形状都能采用 一个、两个或更多的固体石墨电极，但最好对长条形状应用两个电极(如图7( a)所示)，因为此结构将其本身导至两个分离的小直径电极提升系统，每一都 设置在其自身的圆筒形壳内。任一或所有的焦耳加热电极402a-402f可 与串联电容器相联结，而反向电极404a-404b用於直流电弧系统。焦耳 加热电极402a-402f也可与电极406串联。这时，如图6(b)所示 的那样，也包含开关388。通过对交流电流量进行调节，使其峰值超过由焦耳 加热电极404a-404f携带的直流电弧电流，则这里总是有一个电流换向， 它将趋于使这些电极上的极化达到最小。
根据所处理废料的类型，可能最好如图8所示那样，将直流电源412系统 中性点436与交流焦耳加热电极422a、422e和422c相联结，它们 是相应与交流电容器416a-416c联结的电极，并用于阻断直流电流通过 变压器次级绕组418a-418c的流动。直流电源412和交流电源410 的联结在图8中用线438表示。应用此联结的理由是为了在炉子升温期间，设 置三个更靠近熔池332表面的辅助直流反向电极，这样，在直接处于炉膛上反 向电极之上的物料变成热得足以传导足够的直流电流以促进直流电弧的稳定之前， 中性的直流转移电流428可以流动，并促进稳定正(+)的和负(-)的直流 电弧。
最好还有三个开关434a-434c，它们与中性点及电极422a、4 22b、422c串联，以控制在电极422a-422f之间的直流和交流电 流的量。交流电源系统410包括分别与饱和电抗器420a-420c相联的 初级绕组414的次级绕组418a-418c。直流电源412包括电感器4 24a、424b及分别与饱和电抗器432a-432c相联的次级绕组43 0a-430c。
玻璃状物质溶池的焦耳加热交流电源在整个玻璃状物质熔池中提供近于不变 的熔融温度，从而使电弧的尺寸制约，即电弧功率、电极直径及类似物达到最小。 在炉子-熔融室中存在直流电弧主要是为了强化进给速率。这使得此新构造的熔 融室工艺比任何其它已有的熔浆化系统要更为灵活。电弧将能量供应给输入进给 物的未熔化超载部分，而熔融室系统的焦耳加热部分则将灼热的玻璃熔体池加以 保持，以确保玻璃状物质混合的充分融化和混合。
假如单独应用电弧工艺，则电极炉膛直径比必须加大，以确保炉膛内的东西 不仅在炉膛中心，而且在炉膛的壁处也能充分熔化。由于电极直径的实际限制， 因而炉膛的直径也受到限制。但是，当炉膛或玻璃状物质熔池受到焦耳加热时， 这一限制不再存在，而熔池的尺寸能做成以确保有适当的停留时间，使所有玻璃 状物质的组分能完全混合和熔化。
假如采用没有电弧的溶融室工艺，由于从熔池至熔融玻璃装物质之上的未熔 进给物的传热限制，进给速率将大大降低。为适应大通过量的需求，标准的做法 是加大熔体的表面面积。因此，对于给定的通过速率，焦耳加热熔融室要比本发 明的组合式的电弧熔融室系统大很多。本发明利用直流电流电弧和交流焦耳加热 熔融室这两种工艺的优点，并在单一的优化系统内进行。
可应用多电弧电极起动或重新起动这一组合式系统，但一旦熔体被加热，在 长期的闭置期间，可用焦耳加热保持熔融池。这意味着在转移模式下，可立即触 发电弧以起动或重新起动电弧工况。
本发明提出的电弧等离子体炉和焦耳加热熔融室的组合提供了一种快速加热 进给的废料的方法，对给定尺寸的过程形成较高的处理率。快速加热速率也产生 高质量的高温热解气体。再生更多的能量，较少由于气体析出造成的污染。此外， 本发明的焦耳加热熔融室提供了一种具有示范性混合性能的更大的贮槽，以十分 高的稳定性生产均匀的玻璃状产品。因为熔浆化的玻璃状物质产品在地质时代框 架是稳定的，因而是有利的。见，如布尔特(Buelt)等，“铀后废物的就 地熔浆化：系统进化和应用评估”，PNL-4800增补1，太平洋西北实验 室，Richland，WA.(1987)。此外，和单独从焚化炉中产生灰 尘相比，本发明通过对灰尘的熔浆化进一步减小了体积。见去普曼，西.“城市 焚化炉灰尘熔浆化的进化，难熔的核废物管理IV”，陶瓷学会刊，奇.奇.怀克编 辑，23卷，223-231页，美国陶瓷协会(1991)。
如上所述，本发明提出了一种促进快速高温热解的方法。快速高温热解的结 果使高温热解气体比其它高温热解方法有更高的纯度。高纯度的气体又促进近期 发展的高效小型燃气透平工艺的应用，从而与通常的蒸汽透平相比大大地提高了 效率，并减小了透平要求的组件尺寸。直流电弧提供一种高温热源以有效地完成 快速高温热解。在格雷夫等著的“在用于生产乙炔的生物体/木质素的快速高温 热解中的产品分布”，生物体作为非矿物燃料源，美国化学协会(1981)， 已指出，在诸如等离子体炉中得到的那些条件下，城市固体废物能高温热解成气 态产品，其成分如表1所示。
  表1.城市固体废物在等离子体炉中进行高温热解获得的气体成份   快速高温热解    常规高温热解     转换成燃烧有用气体的百分比     ＞65％     45％-50％     气体种类     快速高温热解     常规高温热解     CO2     CO     H2     CH4     轻质碳化合物     HHV(BTU(英制热量单位)/     SCF(标准立方英尺))     2％     44％     43％     2％     其余       350-400     10％     50％     微量     38％     其余       300-500
着重指出，将常规高温热解与快速温热解相比较，更大一部分输入废物被转 换成气体。热力或常规高温热解引起的液化作用只给出45-50％的高温热解 气体的转换率，而快速高温热解的气体产量大于65％。城市废物的快速热解已 采用水冷、金属等离子体炬进行了示范。见：卡尔等，“应用等离子体电弧进行 城市固体废物气化的现实性，等离子体的工业及环境应用”，第一届国际EPR I等离子体会议论文集(1990年5月)。在部分氧化模式运行中，两种技术 中的残余物都进行氧化以补偿高温热解的能量要求。
按本发明生产的高温热解气体相当适合于现今技术的高效燃气透平发电机的 燃烧。当现代燃气透平组合循环系统的效率接近50％时，本废物至能量的转换 方法为常规废物焚化炉提供了一个有效的替代物。在有利的条件下，焚化炉-蒸 汽发电机系统获得15-20％的废物所含潜能转换至有用电能的转换效率。
在表2中总结了本发明完全废物转换系统与常规焚化炉-蒸汽发电机系统的 示例性比较。
         表2.电弧炉和焦耳加热熔融室相对常规焚化炉-蒸汽发电机技术的相对能
                     量平衡和净成本信息(基础＝1吨城市固体废物)    电弧炉-熔融室       焚化炉 系统运行要求的能量 2.1×106BTU(其制热量单位) --- 输入城市固体废物中的热值 1×107BTU(英制热量单位) 1×107BTU(英制热量单位) 损失 3.1×106BTU(英制热量单位) 8.8×106BTU(英制热量单位) 排出气体中的热值 9×106BTU(英制热量单位) --- 电转换效率 0.4 0.15 净能量(产生的电力) 1.5×106BTU(英制过量单位) 1.5×106BTU(英制热量单位) 电力值($0.05/千瓦小时)($) 22.00 22.00 包括运输的处理成本($) --- 15.00-75.00 净成本/收入($) (+)22.00 (+)7.00-(-)53.00
HV＝热值；MSW＝城市固体废物。
进行两种工艺的比较时，做了一个假设，即本发明电弧炉中生产的玻璃状物 质或熔渣产品是有用的产品，虽然对这一比较并没有给玻璃状物质规定价值。但 至少此材料是稳定、非危险材料，它可以容易地在任何非危险填坑中加以处理。 还假定城市固体废物荧化炉是在堵如美国东北部人口众多的地区应用的，其产生 的炉灰或必须运载至标准填坑或是危险废物填坑。能量和成本是根据现有可使用 数据对每吨要处理的城市固体废物给出的。
系统运行要求的能量是在相对基础上给出的，即作为“系统运行要求的能量” 所示的对电弧炉-熔融室的值是超过荧化炉要求的值。输入废物的热值是取自多 种参考物的综合值。见：卡尔特等，“应用等离子体电弧进行城市固体废物气化 的现实性，等离子体的工业及环境应用”，第一届国际EPRI等离子体会议论 文集(1990年5月)；“燃料和能量的可再生能源”，约翰逊编辑，Isl and出版社，华盛顿哥伦比亚特区(1993)；和“从废物和煤得到干净能 量”，可汗编辑，美国化学协会会议系列集，美国化学协会，华盛顿哥伦比亚特 区(1991年8月，1993年出版)。两种方案产生的净能量对电弧炉-熔 融室-燃透平发电机方案和荧化炉-锅炉-蒸汽透平发电机方案分别采用40％ 和15％效率来确定。见：“从废物和煤得到干净能量”，可汗编辑，美国化学 协会会议系列集，美国化学协会，华盛顿哥伦比亚特区(1991年8月，19 93年出版)；和佩里的“化学工程师手册”，第6版，26章。出现于表2中 的损失是输入废物的热值和能量输入减去净能量输出。焚化炉方案的损失较高， 这是由于与高温热解气体燃气透平发电机相反，锅炉和蒸汽发电机组合的效率不 高。见：佩里的“化学工程师手册”，第6版，26章。炉灰处理成本体现了从 废物处理装置获得的目前文献和数据值。见如“再循环和荧化”，戴逊等编辑， Island出版社，华盛顿哥伦比亚特区(1990)。假如考虑将炉灰作为 危险废物处理的新规则和目前趋热将继续下去，则处理成本将处于表2给出范围 的高端。在这些情况下，应用电弧炉-熔融室组合件的本发明提供了胜过先前技 术的附加优势。
应理解到，上文公开的特定实施例可容易地作为修正方案和设计其它结构以 实现本发明同一目的的基础。本领域技术人员还应意识到，这些等同结构物不偏 离在所附权利要求中提出的本发明精神和范围。