垃圾等離子氣化技術(shù)研究

黃靜

摘要：簡要介紹了垃圾等離子氣化技術(shù)及其主要特點(diǎn)，總結(jié)了當(dāng)前主流垃圾等離子氣化技術(shù)及國內(nèi)研究現(xiàn)狀，通過典型項(xiàng)目案例分析了我國垃圾等離子氣化技術(shù)工程應(yīng)用存在問題及發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：等離子氣化技術(shù);垃圾氣化技術(shù);工程應(yīng)用

Abstract： The plasma gasification technology for garbage and its main features are briefly introduced. The current mainstream plasma gasification technology and domestic research status are summarized. The problems and development trend of the application of plasma gasification technology in China are analyzed through typical project cases.

1? 垃圾等離子氣化技術(shù)

1.1 等離子氣化技術(shù)介紹

1.1.1 技術(shù)簡介

等離子氣化技術(shù)起源于20世紀(jì)60年代，通過等離子炬產(chǎn)生高達(dá)5000K的高溫環(huán)境，將垃圾加熱至高溫，有機(jī)成分轉(zhuǎn)化成合成氣，其他物質(zhì)則轉(zhuǎn)變?yōu)椴Ａw狀的熔渣，從而實(shí)現(xiàn)垃圾、危廢的有效處理。合成氣可用于轉(zhuǎn)化成各種能源產(chǎn)品，如電力、甲醇、乙醇、生物柴油等;熔渣則可以作為建筑材料的原料。

1.1.2 技術(shù)特點(diǎn)

①等離子體。

等離子體是一種高溫?zé)崮?，被稱為固、液、氣三態(tài)之外的第四態(tài)。等離子體可以由等離子炬產(chǎn)生，在炬內(nèi)產(chǎn)生類似于閃電的電弧，讓空氣流過電弧而產(chǎn)生等離子體。等離子體溫度高達(dá)5000度，可以被加以控制和引入氣化爐。

②等離子氣化。

等離子氣化爐是一種在高溫、缺氧狀態(tài)運(yùn)行的容器，利用等離子炬作為氣化爐的熱源，提供用于維持爐內(nèi)高溫環(huán)境的能量，將爐內(nèi)原料有機(jī)部分分解成氫和一氧化碳等簡單化合物，即合成氣，而如金屬、玻璃、混凝土等無機(jī)成分則熔化為玻璃體熔渣，從氣化爐底部排出。

1.1.3 技術(shù)優(yōu)勢

①爐內(nèi)高溫一方面可破壞二噁英、呋喃等有害物質(zhì)的生成，有效保證凈化后排放尾氣無害化，另一方面可使固體廢物中的無機(jī)成分（如灰分）熔化，最終形成可資源化利用的液態(tài)玻璃體熔渣，減少填埋。

②規(guī)模靈活，設(shè)計(jì)彈性大，適應(yīng)性廣，能處理各種類型的固體廢物，特別是危險(xiǎn)廢物。

1.2 等離子氣化技術(shù)路線

目前垃圾等離子氣化技術(shù)由基礎(chǔ)研究逐漸轉(zhuǎn)向商業(yè)化應(yīng)用，并形成了如下主流技術(shù)：

1.2.1 美國西屋公司等離子氣化技術(shù)

美國西屋公司等離子氣化技術(shù)主要由給料處理、等離子氣化、氣體冷卻、合成氣凈化和產(chǎn)品選擇5個(gè)過程組成，使得廢棄物轉(zhuǎn)化為各種有價(jià)值的能源產(chǎn)品。

美國西屋等離子氣化技術(shù)目前發(fā)展較好，美國和日本一些采用西屋等離子氣化技術(shù)的示范和中試裝置已成功運(yùn)行，其業(yè)績見表1。

1.2.2 德國Bellwether公司等離子氣化技術(shù)

德國Bellwether公司等離子氣化技術(shù)采用氣化熔融+等離子重整工藝（IMG），主要經(jīng)過進(jìn)料、干燥、氣化、灰渣玻璃化、等離子重整5個(gè)過程。氣化爐先將生活垃圾干燥，然后使其在缺氧、高溫環(huán)境下氣化，合成氣進(jìn)入重整爐利用等離子弧加熱，使初級混合氣撕裂、分解，形成凈化后的清潔氣。經(jīng)重整后的清潔氣分兩部分，一部分返回氣化室維持氣化爐高溫?zé)峤馑璧臏囟?，另一部分用于發(fā)電、供熱等。

在應(yīng)用方面，羅馬尼亞城市生活垃圾等離子氣化技術(shù)示范項(xiàng)目采用德國Bellwether公司技術(shù)，最大處理量12t/h，氣化效率80～85%，發(fā)電裝機(jī)1.4MW，已于2018年投產(chǎn)。

1.2.3 加拿大Plasco能源等離子氣化技術(shù)

加拿大Plasco能源等離子氣化技術(shù)是基于燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電的氣化工藝，垃圾需預(yù)先處理除去其中金屬類物質(zhì)，預(yù)處理后的垃圾進(jìn)入氣化爐進(jìn)行2級熱解，第一級利用廢物自身熱值熱解，第二級利用等離子電弧的高能量重整生成合成氣，合成氣進(jìn)入內(nèi)燃發(fā)電機(jī)中轉(zhuǎn)化為電能;一級裂解室產(chǎn)生的爐渣送入熔融床經(jīng)等離子體炬處理后轉(zhuǎn)化成玻璃體。

1.3 國內(nèi)研究進(jìn)展

國內(nèi)城市生活垃圾與發(fā)達(dá)國家城市生活垃圾存在較大差異，國內(nèi)城市生活垃圾目前尚未建成有效的分類體系，垃圾中廚余含量較高、含水率高，熱值較低，而等離子氣化爐及其系統(tǒng)主要依據(jù)原料性質(zhì)設(shè)計(jì)，因此單純引進(jìn)國外技術(shù)可能出現(xiàn)“水土不服”的情況。目前國內(nèi)垃圾等離子氣化技術(shù)處于實(shí)驗(yàn)研究階段，僅在小規(guī)模危廢處理領(lǐng)域有等離子氣化技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用：

中科院力學(xué)所在等離子廢物處理的應(yīng)用基礎(chǔ)研究方面成果頗豐，實(shí)驗(yàn)室建成1條處理模擬醫(yī)療垃圾的等離子氣化實(shí)驗(yàn)線，處理規(guī)模為3t/d;與企業(yè)合作建成了2條處理危險(xiǎn)廢物的等離子氣化工業(yè)生產(chǎn)線，處理規(guī)模達(dá)10t/d;此外正在建設(shè)城市生活垃圾處理示范裝置，處理規(guī)模達(dá)50t/d，此示范裝置由預(yù)處理、等離子體裂解、尾氣降溫凈化、發(fā)電等工藝流程組成。

廣州能源研究所致力于等離子氣化的機(jī)理研究，與中科大合作在實(shí)驗(yàn)室建立了1套直流電弧等離子體熱解系統(tǒng)，規(guī)模為100kW，處理生物質(zhì)和有機(jī)固體廢棄物，工作氣體采用N2，用于分析不同物質(zhì)的等離子氣化特性。

復(fù)旦大學(xué)針對有機(jī)廢物，提出了1種采用低溫水蒸汽作為等離子體炬工作氣體的氣化技術(shù)，等離子炬可將150～250℃水蒸汽加熱至平均溫度5000℃，生成的合成氣中H2和CO占?xì)怏w組成的99%，且不含焦油等有害成分。

在等離子體氣化技術(shù)的國內(nèi)工程應(yīng)用方面，2018年西安航天源動(dòng)力工程有限公司在江蘇鹽城自主研發(fā)建成等離子體爐渣氣化熔融固廢處理示范工程，日處理量達(dá)10噸，連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行超30天。

2? 典型垃圾等離子氣化項(xiàng)目分析

2.1 典型600噸/天垃圾等離子氣化發(fā)電項(xiàng)目

某等離子垃圾氣化發(fā)電項(xiàng)目擬處理生活垃圾600噸/天，其它固體廢棄物200噸/天，裝機(jī)容量15MW，預(yù)計(jì)產(chǎn)出電力7420萬度/年，泡沫玻璃1萬噸/年，玻璃粉8.95萬噸/年。項(xiàng)目財(cái)務(wù)分析如表2所示。

該項(xiàng)目擬利用等離子氣化爐的玻璃態(tài)爐渣制成泡沫玻璃和玻璃粉，可實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目盈利。

2.2 與傳統(tǒng)垃圾焚燒發(fā)電對比

垃圾等離子發(fā)電技術(shù)與傳統(tǒng)垃圾焚燒發(fā)電技術(shù)對比如表3所示。

垃圾等離子發(fā)電技術(shù)可將物料中有機(jī)物完全轉(zhuǎn)化為合成氣，無機(jī)物轉(zhuǎn)化成無害灰渣，實(shí)現(xiàn)零排放，具有很大的發(fā)展?jié)摿Α５壳袄入x子發(fā)電技術(shù)商業(yè)化運(yùn)行的單機(jī)規(guī)模較小，投資成本較高，設(shè)備噸產(chǎn)能受物料熱值影響較大，副產(chǎn)品爐渣的利用對項(xiàng)目運(yùn)營盈利起關(guān)鍵性作用，未來垃圾等離子發(fā)電技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展亟需相關(guān)激勵(lì)政策引導(dǎo)促進(jìn)。

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