垃圾等離子氣化技術試驗研究*

溫 冬，林延超，何 亮，張晨光

（北京環衛集團環境研究發展有限公司，北京 100101）

與傳統焚燒完全不同的等離子氣化技術，由于其高溫和高熱密度，等離子技術幾乎能將碳基廢物中的有機物完全轉化成合成氣（主要為CO和H2），而無機物則可變成無害灰渣（玻璃體）。對于處理固體廢物中的工業垃圾和有害廢物，等離子氣化技術在國外已有工程化應用。利用等離子氣化技術處理生活垃圾，不僅能起到減量化和無害化的效果，同時更能實現資源化的目的，利用等離子氣化技術將生活垃圾轉化為能源雖是新工藝，但它具有很大的潛力，比起其他熱處理方式，等離子技術能更有效地運行，具有更清潔、更穩定的優點［1-3］。我國城市生活垃圾的特點是含水率高、宜生化組分高、不可燃成分高于可燃成分，熱值低、水分高，還含有一定成分的硫、氯物質等，是一種很低品位的能源，且分選率低，成分波動很大。針對我國生活垃圾的特點，對生活垃圾等離子氣化技術在我國的工程化應用做了大量試驗研究。

1 工程化試驗平臺建設

1.1 工藝流程

如圖1所示，原生生活垃圾首先進入前處理系統，在前處理系統內原生生活垃圾經擠壓、篩分處理，分選為宜燃組分、宜生化組分和無機灰分，其中宜燃組分作為原料進入氣化爐進行氣化；在氣化爐內生活垃圾中的有機物轉化成粗合成氣，而無機物則可變成無害灰渣排出爐外；由氣化爐產生的粗合成氣隨后進入氣體重整室，通過等離子炬的高溫和高熱密度作用，使粗合成氣中的二惡英、焦油、重金屬等大鏈有毒有害分子充分裂解成小分子可燃氣體（如CH4、H2、CO等）；經氣體重整室出來的精合成氣隨后進入余熱鍋爐進行余熱回收利用；降溫后的精合成氣依次通過噴淋塔、袋式除塵器進行合成氣凈化處理；凈化后的精合成氣由羅茨風機送入儲氣罐；最后精合成氣進入火炬系統進行燃燒排放。

圖1 生活垃圾等離子氣化技術工藝流程

1.2 原料

本工程化試驗平臺所采用的原料為經前處理系統處理過的原生生活垃圾，其主要組分見表1。

表1 試驗原料元素分析結果%

1.3 氣化爐

氣化爐是生活垃圾氣化工藝中的核心設備，根據操作條件的差別，氣化爐可分為固定床氣化爐、流化床氣化爐、氣流床氣化爐。據統計，目前商業運行的裝置中，75%采用下吸式固定床，20%采用流化床，2.5%采用上吸式氣化爐，另外2.5%采用其他形式氣化系統。氣化介質可以是空氣、水蒸氣、富氧空氣等。

下吸式氣化爐的特征是氣體和有機物料混合向下流動通過高溫區，發生氣化反應。下吸式氣化爐在煤炭氣化方面是較成熟的技術，但在熱解氣化處理固體廢物方面的研究報道較少［4］。本工程化試驗平臺采用自制的下吸式氣化爐作為主要制氣設備，使用空氣作為氣化劑，處理能力為5 t/d。本工程化試驗平臺配置有空氣加熱器，氣化爐入爐空氣溫度可以在常溫至400℃范圍內調節。

1.4 等離子體發生系統

等離子體發生系統主要包括等離子炬系統、直流整流電源系統、高頻起弧系統、PLC控制系統4個子系統以及冷卻水、介質氣體供給系統其余輔助系統。等離子炬由陽極組件、陰極組件、進氣組件3部分組成，還有支撐托架配合現場安裝。陽極組件與陰極組件包括用來形成等離子電弧的2個金屬電極（陽極與陰極），它們均采用水冷方式，以承受電弧高溫沖擊。電源的正極與炬的陽極相連接，負極與炬的陰極相連接。空氣從炬體注入，形成于陰極和陽極之間的電弧將氣體電離形成具有高溫導電特性等離子體，其中帶正電的離子流向電源負極形成電弧的陰極，帶負電的離子及電子流向電源的正極形成電弧的陽極。此類炬具有結構合理、安裝方便、介質氣體消耗量小、熱效率高的特點，是一種良好的高溫加熱熱源。

本工程化試驗平臺采用的等離子體發生系統配套有2支等離子炬，其具體參數：工作介質為空氣；功率范圍70～150 kW；電弧電流150～300 A；陰極壽命大于200 h（易更換）；陽極壽命大于200 h（易更換）。

等離子炬需配備空氣供應系統具體要求：①空氣潔凈而且能夠穩定持續供給；②空氣供氣管道在連接等離子炬軟管之前設置過濾器，過濾精度不低于0.1 mm；③等離子炬入口的空氣壓力范圍為0.4～0.7 MPa，壓力波動范圍小于20 kPa。

等離子炬需配備冷卻水系統的具體要求：①冷卻水要采用去離子水或純凈水，pH 7.0～8.5，堿度（CaCO3）小于1.2 mg/L。水質清潔，無焊渣、鐵銹、油污或其他雜質。②冷卻水壓力控制在0.6～0.9 MPa，冷卻水入口水溫不能高于40℃；

1.5 合成氣凈化系統

合成氣凈化工藝是按生活垃圾氣化產生的合成氣中污染物組分、濃度及需要執行的排放標準來確定，在通常情況下，合成氣凈化工藝主要針對酸性氣體（HCl、HF、SOx）、顆粒物及重金屬等進行控制［5］，其工藝設備主要由2部分組成，即酸性氣體脫除和顆粒物捕集。另外，合成氣中有機物、重金屬等污染物在這工藝過程中同時被加以捕集。

本工程化試驗平臺的合成氣凈化系統主要包括半干法脫酸子系統、袋式除塵器、羅茨風機、氣水分離器等。其中，半干法脫酸系統的主要設備是SDA旋轉噴霧塔和NaOH漿液制備設備。

由于氣化爐入爐原料中含有大量的水分以及合成氣在脫酸環節帶入的水分致使經凈化后的合成氣中水蒸氣含量較大，合成氣的熱值較低。故合成氣在脫酸、除塵后需進入氣水分離器進行脫水處理，以提高合成氣的熱值。

1.6 配套檢測設備

為了滿足生活垃圾等離子氣化技術工程化試驗的研究，在整套試驗平臺中主要使用如下檢測設備：數顯溫度傳感器；數顯壓力傳感器；高溫氣體流量計；便攜式煙氣分析儀（德國MRU Vario Plus）；露點分析儀；凝膠滲透色譜聯合光電二極管陣列檢測器（GPC-PDA）。

2 工程化試驗研究過程

2.1 生活垃圾等離子氣化技術機理［6］

原料進入氣化爐爐膛內的反應過程大致可分為4個區域：

1） 干燥區 （50～120 ℃）。

2） 熱分解反應器（120～600℃），干燥物料受熱釋放揮發分和焦油，形成焦炭。

3） 氧化反應區（600～900℃），主要有強烈放熱的焦炭氧化反應和一氧化碳氧化反應；同時，焦油受高溫作用部分發生裂解反應。

4） 還原反應區（500～800℃），主要有焦炭與水蒸氣和二氧化碳發生的還原反應，均為吸熱反應；焦油繼續發生裂解反應。

在氣化爐內生活垃圾氣化過程中主要發生的化學反應有：

在氣體重整室內等離子體發生系統產生的等離子體作用于粗合成氣，發生的化學反應主要有：

2.2 試驗條件及分析方法

1）試驗條件：試驗原料為經前處理后的生活垃圾，原料的組分如表1所示；氣化爐采用空氣（O2體積分數為21%）作為氣化劑，在氣化劑入爐前先通過空氣加熱器加熱，氣化爐入爐氣化劑的溫度可以在常溫至400℃范圍內改變。

2）分析方法：在試驗過程中通過便攜式煙氣分析儀和露點分析儀對合成氣的可燃組分及水分等進行檢測；通過凝膠滲透色譜聯合光電二極管陣列檢測器（GPC-PDA）對合成氣中的焦油進行檢測。

2.3 試驗結果及討論

試驗結果見表2。

表2 生活垃圾等離子氣化試驗數據

1）經前處理后的生活垃圾經氣化爐氣化可以連續產生合成氣，通過調節氣化爐進風量、進風溫度、引風機風量等參數可以使所產生的合成氣具有較好的品質。

2）氣化爐爐溫在500℃以下時，生活垃圾中的大量揮發分析出，揮發分與通入氣化爐的氧氣發生反應生成大量CO2，由于通入有限的空氣量不能使揮發分完全燃燒，使得該階段有一定量的CO生成，并且CO的體積分數隨溫度的升高而升高；在500～700℃階段，由于生活垃圾中的揮發分逐漸析出完全，隨溫度升高使得CO、CO2的體積分數呈現出下降的趨勢；在700～850℃階段，生活垃圾熱分解殘留的固定碳開始與CO2發生碳還原反應并且焦油也發生一定的裂解反應，使得此階段CO2的體積分數迅速下降，CO的體積分數隨溫度的升高迅速增加；氣化爐爐溫在850℃以上時，由于焦油和固定碳的量隨反應進行逐漸降低，因此造成CO體積分數降低。

氣體產物H2在溫度超過500℃以后，其體積才開始緩慢增長；在700～850℃階段，部分熱解殘留的固定碳也開始與水蒸氣發生反應，使得H2的體積分數迅速增長；當爐溫超過850℃時，由于焦油和固定碳的量隨反應進行逐漸降低，H2的體積分數也有所降低。

氣體產物CH4在整個氣化過程中隨著溫度的升高其體積分數增加，但是體積分數一直都比較低；在700～850℃階段，由于生活垃圾熱分解產物中的大分子鏈物質開始發生裂解反應，使CH4的體積分數有明顯增加；當爐溫超過850℃后，隨著裂解反應的進行，CH4的體積分數逐漸降低。

3）氣化爐產生的合成氣在氣體重整室內經等離子體作用后，原合成氣中的大分子鏈物質，如焦油、二惡英/呋喃等被等離子體的高溫及高熱密度摧毀形成小分子可燃氣體（如CH4、H2、CO等），故合成氣組分中CO、H2、CH4等氣體的體積分數有所增加，使合成氣的熱值得以提高。

3 結論

生活垃圾等離子氣化技術融合了等離子技術和氣化技術的優點，由于高溫場和等離子體的存在，使焦油、二惡英等有害物質分解，無害化更徹底，且污染物排放少，環保效果好；同時，氣化產生的合成氣中含有一氧化碳、氫氣、甲烷等可燃氣體，可直接用于內燃機發電或制成生物質燃料，資源化效果更好；故該技術符合可持續發展的概念，實現了生活垃圾資源化、無害化、減量化，是未來生活垃圾處理的最佳途徑。

通過一個階段的工程化試驗研究，發現利用等離子技術凈化氣化爐產生的粗合成氣，其對除焦油的脫除十分明顯。但是在工程化試驗研究過程中，也發現了一些問題，有待進一步研究試驗：

1）由于生活垃圾組分復雜而且隨季節波動比較大，經氣化爐氣化產生的合成氣的組分及熱值也隨之波動。為了滿足后續合成氣綜合利用的目的，如何把合成氣的組分及熱值控制在一個合理的范圍內，是下一步工作的重點內容之一。

2）為了使生活垃圾等離子氣化技術能實現工程化應用，針對生活垃圾的特點，研究一種能夠實現連續進料、連續出渣、連續產氣、密封性好的生活垃圾氣化爐是下一步的重點工作。

3）生活垃圾等離子氣化技術的關鍵設備之一是等離子體發生系統，目前在國內只有小功率、電極短壽命的該類產品，為了使整套系統能夠實現連續運行，等離子體發生系統只能從國外進口。為了降低制造成本，目前研究效率高、電極壽命長并能實現在線更換的國產化等離子體發生系統十分必要。

［1］埃德·道奇，譚亞軍.等離子氣化技術在垃圾處理中的應用［J］.技術與工程應用，2010（10）：59-61.

［2］任兆杏，丁振峰.低溫等離子體技術［J］.自然雜志，1996，18（4）：201-207.

［3］馬競濤，周則飛，吳祖成，等.低溫等離子體處理惡臭廢氣技術的工業應用研究［J］.煉油技術與工程，2007，37（4）：50-54.

［4］黃海濤，熊祖鴻，吳創之.下吸式氣化爐處理有機廢物［J］.過程工程學報，2003，3（5）：477-480.

［5］賀永德.現代煤化工技術手冊［M］.2版.北京：化學工業出版社，2010.

［6］丁恩振，丁家亮.等離子體弧熔融裂解：危險廢棄物處理前沿技術［M］.北京：中國環境科學出版社，2009.