等離子氣化技術用于固體廢物處理的研究進展*

孫成偉 沈潔 任雪梅 陳長倫

(中國科學院合肥物質科學研究院等離子體物理研究所, 合肥 230031)

社會經濟的快速發展致使固體廢物的產量迅速增加, 傳統的處理工藝, 如填埋、焚燒和堆肥等方法, 不僅效率低下, 而且存在著二次污染和資源浪費等諸多問題, 因此, 急需探索新的固體廢物處理技術.等離子氣化技術因具有高效、環保和能源轉化率高等特點而被應用于固體廢物的處理.本文介紹了等離子氣化技術處理固體廢物的背景與意義, 綜述了等離子氣化技術在不同固體廢物處理中的應用, 就國內外等離子氣化技術水平與研究進展進行了詳細的闡述, 并對目前等離子氣化固體廢物應用中存在的問題進行了著重分析.綜合多方面因素指出等離子氣化技術是固體廢物資源無害化處理的有效方式.

1 引 言

人口的不斷增長和經濟的快速發展致使固體廢物的產量迅速增加, 據估計, 2050 年固體廢物產量將達到270 億噸[1].固體廢物具有來源廣、品種多、數量大、組成復雜等特點, 在自然界中會發生化學和物理的轉化, 對土壤和水質產生潛在破壞,最終危及生態環境和人類健康[2].

首先, 土壤是固體廢物傾倒的主要場所, 固體廢物中的重金屬、有機污染物和其他有毒元素在土壤中的不斷積累會對土質和植被造成破壞性影響[3]; 其次, 將海洋、湖泊作為固體廢物的排放地會直接污染水體, 造成水體生態環境的失衡, 不利于水中動植物的生長和繁殖[4]; 另外, 諸如飛灰等危險固體廢物含有大量的氯、重金屬、可溶性鹽等有害物質, 會直接對環境造成危害[5].

常見的固體廢物處理方法主要包括填埋[6]、固化封裝[7]、焚燒[8]、熱解[9]、生物堆肥[10]等.但這些處理技術在實際應用中存在諸多問題.如填埋法會占用土地資源, 產生的浸出液還會導致嚴重的污染問題[11]; 焚燒工藝易產生二噁英和重金屬等毒性物質; 而堆肥處理速度緩慢, 同時也會對空氣造成污染[12].總之, 這些處理工藝在實際應用中大多存在著處理量小、二次污染大和資源浪費等多種弊端.自20 世紀80 年代以來, 許多研究者致力于環境友好型固體廢物處理技術的深入研究, 并形成了一系列成熟的技術思路, 如光化氧化技術、熱解技術和熱等離子氣化技術等[13?15].其中, 熱等離子體對固體廢物的處理具有高溫(103—104K)、高焓值、高反應活性、可控性好等優點, 為固體廢物的無害化、減量化和資源化處理開辟了新途徑, 對實現經濟的可持續發展具有十分重要的現實意義.

2 等離子氣化技術簡介

等離子體是由電子、離子和中性粒子組成的物質的第四態[16], 具有化學性質活潑、高溫和高能量密度等特殊的物理化學性質.目前, 等離子體技術在機械加工、冶金、化工和表面處理領域得到了廣泛應用[17?20], 而在固體廢物的處理方面, 等離子氣化技術的研究也在不斷深入.固體廢物的處理利用了等離子體的高溫、高能量、高焓值的屬性.等離子炬是使廢物氣化的能量來源之一, 電極間的放電將氣體介質電離, 產生高溫電弧, 高溫電弧加熱流過的氣體介質, 從而產生高溫、離子化和傳導性的等離子體, 等離子體火焰的溫度一般在4000—7000 ℃, 最高可達上萬度, 這為固體廢物熱解成簡單的原子提供所需的能量.在高溫條件下, 固體廢物中的無機成分熔融, 經急冷固化形成玻璃體[21],可作為建筑材料; 有機成分被分解成合成氣(主要成分為CO 和H2)直接燃燒處理[22], 或作為優質燃料以及用于化學合成工業, 氣化過程中等離子體能夠加熱合成氣至1200—1300 ℃的高溫, 可以將復雜的有機物質徹底分解成簡單的小分子物質, 避免了二噁英和呋喃等有毒物質的產生.

3 等離子氣化固體廢物的應用

根據成分特性, 固體廢物可簡單分為城市廢物、危險廢物和工業廢物.城市廢物指城市日常生活中產生的各種廢棄物[23?25]; 而危險廢物包括放射性廢物、飛灰和醫療廢物等[26,27]; 第三類則是來自于工業生產中生成的廢物, 如冶金礦渣和化工廢物等[28].

3.1 城市固體廢物的處理

城市生活廢物成分復雜, 包括金屬、玻璃和塑料等各種廢棄物[29], 而且有機成分在其中占有很大比重.由于具有高熱值、不易運輸和難儲存等特點, 可將其制成垃圾衍生燃料(refuse derived fuel,RDF)來實現高效的等離子氣化處理.Agon 等[30]利用單級等離子體氣化技術將RDF 轉化為合成氣, 如圖1 所示.該裝置主要部件包括進料器、流化床反應器、泥渣收集器、淬火室和燃燒室.該反應器體積為0.22 m3, 并涂有特殊耐火材料, 厚度為400 mm 的絕緣材料將反應器的內表面與水冷的外墻隔開, 以減少反應器的熱損失.反應器的溫度由外置的熱電偶進行測量, 為了防止耐火涂層被破壞, 反應器在實驗之前預熱至大約1200 K 的溫度, 再用等離子炬進一步加熱.等離子體炬安裝在反應器的頂部, 炬的陽極是一個旋轉的水冷銅盤,位于電弧室外部, 這種結構產生的氧-氫-氬等離子體射流具有高電弧電壓、高等離子體溫度和高等離子體速度特性[31].廢料經變速螺旋進料器添加到流化床反應器中, 產生的合成氣通過氣化爐上方出口進入到淬火室中, 隨后通過濾袋過濾固體顆粒后在燃燒室中燃燒處理.

圖1 反應器示意圖(1, 料斗; 2, 反應器; 3, 泥渣收集桶;4, 淬火室; 5, 加力燃燒室)[30]Fig.1.Schematic diagram of reactor.1, material hopper;2, reactor; 3, slag collection bucket; 4, quenching chamber;5, afterburner [30].

該氣化系統具有很高的處理效率, 實驗結果表明碳轉化效率在80%—100%之間, 最大氣化效率達到95%; 與兩級等離子氣化系統相比, 單級反應器產生的合成氣質量更高, 但兩級等離子氣化系統在玻璃化爐渣等固體殘留物的回收方面更占優勢[32].

Shie 等[33]將一個10 kW 的射頻等離子體反應器用于氣化城市固體廢物中的生物質廢料.通過機械預處理工藝將生活垃圾/木材制成混合廢料,并以此為處理對象, 研究射頻等離子體炬氣化廢物的可行性和操作性能.結果表明: 該設備對廢物的處理迅速, 90%的氣體產物在處理2 min 內生成,合成氣的產率在88.59%—91.84%之間, 無機成分在處理過程中轉化為不可溶的無害玻璃熔巖.

3.2 危險廢物處理

核反應堆、醫院、工業生產和研究機構會產生大量低放射性廢物, 這些低放射性廢物由于體積龐大而難以儲存運輸, 長久的存放或不當的處理會對人體安全產生隱患.為便于放射性廢物的運輸、存放和處理, 巴西核動力研究機構研發了一種用于縮減放射性廢物體積的等離子氣化反應器[34].該裝置使用空氣作為工作氣體, 石墨電極固定在機械臂中作為放電陰極, 根據廢物的特性, 設計了一個碳基復合材料坩堝, 將樣品與反應器的處理室連接, 避免了反應器底部的熔化池干擾渣的收集, 而且碳基復合材料坩堝充當陽極.通過氣體比重瓶密度分析法測量了等離子氣化處理前后廢物的質量、密度和體積的變化.

結果表明, 石墨電極產生的等離子體電弧處理致密的放射性固體廢物具有很大的應用潛力.與常規壓縮放射性廢物的方法相比, 經過30 min 的熱等離子體處理, 廢物的體積減小系數達到1∶99.因此, 該技術可以安全且具有成本效益地對放射性廢物減容.

Trnovcevic 等[35]使用高頻微波發生器驅動的微波等離子體對放射性廢物固化處理.經微波等離子體高能效處理, 玻璃顆粒和放射性廢物熔化成非晶物質, 其中放射性物質被固化在玻璃體中, 從而形成穩定、不可浸出的玻璃化產品, 降低了放射性廢物對周圍環境的污染.

醫療廢物中含有化學品和醫療設備等多種危害物, 毒害程度不亞于放射性廢物, 在有害含碳廢物中占有特殊地位[36].圖2(a)為Messerle 等[21]研制的用于將醫療廢物在高溫下轉化為簡單的穩定物質的直流等離子體廢物處理設備.該裝置由電源系統、等離子控制系統、等離子體反應器和廢氣凈化系統組成.反應器呈立方體, 如圖2(b)所示, 內襯采用耐火材料制成, 厚度為0.065 m, 內側面積0.45 m2, 體積為0.091 m3, 配備76 kW 直流等離子體炬, 形成的等離子體流速達到600 L/min, 等離子體火焰溫度高達5000 K, 能夠為反應器提供1700 K 的高溫.醫療廢物通過進料口添加到廢物氣化區, 氣化生成的二噁英、呋喃等有毒物質在1400 ℃ 的高溫下徹底裂解成小分子物質, 其他氣態產物在冷卻裝置中冷卻, 然后在氣體清潔單元中過濾洗滌, 而熔渣產物積聚在反應器底部的爐渣形成區中.

該裝置的能源轉化率較常規焚燒更高, 最終的處理產物主要為高熱量的合成氣和中性爐渣等無害物質[37], 尾氣經過清潔后毒害大大降低.此外,等離子體產生的高溫破壞了潛在的致病結構(微生物、病毒、菌株), 實現了醫療廢物的無害化處理.

圖2 (a)等離子氣化醫療廢物裝置示意圖[21]; (b)等離子體氣化反應器示意圖[21]Fig.2.(a) Schematic diagram of plasma gasification medical waste equipment[21]; (b) schematic diagram of the plasma gasification reactor[21].

飛灰中含有銅、鉛和鉻等多種重金屬物質, 等離子體處理可以實現飛灰體積的減容, 從而降低重金屬物質對環境的污染[38].Ma 等[39]利用直流等離子體電弧對飛灰玻璃化處理.飛灰置于石墨坩堝中, 通過石墨蓋中孔對其加熱, 處理過程中, 飛灰轉化為玻璃化渣體, 二噁英在紫外線輻射和電弧的熱量下分解成無害的小分子物質[40].結果表明, 等離子體處理后, 飛灰體積減少率為68.7%—82.2%,質量減少率為23.8%—56.7%, 同時, 飛灰含有的重金屬經過玻璃化后浸出量遠低于排放標準.

3.3 工業廢物處理

工業生產過程不可避免地會產生大量的殘留物和廢棄物, 如礦渣、電鍍污泥和碎屑等.由于這些固體廢物含有較高的重金屬, 長期的積累和不當存放會對環境造成不良影響, 亦會對人類健康產生危害.Seftejani 和Schenk[41]使用氫等離子體熔煉還原鐵礦石, 研究還原過程中爐渣的形成和氧化鐵的還原行為.結果發現, 相較于其他鋼鐵制造工藝,氫等離子體對氧化鐵的還原處理能夠有效降低二氧化碳的排放, 在還原過程中, 氫氣可被視為氧化鐵的還原劑, 氫的利用率隨著液態渣中氧化鐵的含量減少而降低; 且氧化鐵的還原速率與等離子態下氫的種類有關, 其中離子化的氫H+是最強的還原劑.

Yugeswaran 等[42]研制了一種低功率轉移弧等離子炬, 利用其高能量密度、高溫和快速淬火等特點對鋯石進行分解[43].如圖3(a)所示, 炬由一個充當陽極的石墨坩堝(直徑為70 mm, 高度為100 mm)構成, 陽極的頂面直徑為60 mm, 底面直徑為40 mm, 底部連接到電源的正極.鋯石原料置于陽極坩堝中, 通過陰極尖端和石墨陽極之間產生的等離子弧對坩堝中的鋯石原料分解處理.研究發現, 等離子體炬功率和加工時間顯著影響鋯石解離程度和產物純度, 與空氣作為工作氣體相比, 氬氣能夠顯著提高鋯石解離百分比.

圖3 (a)低功率轉移弧等離子炬[42]; (b)非轉移弧與(c)轉移弧等離子炬反應器[47]Fig.3.(a) Low power transfer are plasma torch[42]; (b) nontransfer arc and (c) transfer arc plasma reactor[47].

電鍍工業產生的電鍍污泥含有多種重金屬元素, 如鉻、鐵、鎳、銅等, 是一種復雜而低結晶的混合物, 具有水溶性高、易流失和不穩定的特點[44,45].傳統的活性炭惰性化處理能夠使電鍍污泥呈惰性穩定, 但無法起到減容的效果[46].近年來, 等離子體技術被廣泛用于電鍍污泥的無害化處理, 該技術可以把電鍍污泥轉化為惰性渣.圖3(b)和圖3(c)所示為兩種處理電鍍污泥的等離子體炬反應器[47],分別為非轉移弧等離子體炬和轉移弧等離子體炬.通過向電鍍污泥中摻入玻璃顆粒, 使污泥中的金屬鋅、鉻、鐵和二氧化硅化學鍵合后生成惰性產物.對比電鍍污泥處理和浸出測試結果發現, 直流轉移弧等離子炬在電鍍污泥的惰性化處理方面表現出更高的效率.

4 等離子氣化技術研究現狀

4.1 國外等離子氣化技術

國外等離子體固體廢物處理技術起源于20 世紀60 年代, 但限于設備的高技術和高成本等原因,多用于低放射性廢物和醫療廢物等危害品的處理.自90 年代開始, 隨著技術的不斷完善和裝置成本的降低, 逐步涉及其他固體廢物的處理.目前, 國外等離子體廢物處理技術已經取得巨大進展, 有的開始商業化運行, 有的正處于形成產業化的階段.

4.1.1 美國西屋等離子體公司等離子氣化技術

美國有許多技術成熟且商業運作的等離子體技術公司, 如西屋等離子體公司、Phoenix Solutions 公司和Startech 公司[48,49].其中以西屋等離子體公司(后被加拿大Alter 公司收購)最具代表性,該公司幾十年來一直從事生活垃圾、污泥和廢舊物品的處理研究, 具有豐富的等離子氣化廢物的經驗.自2000 年開始, 西屋等離子體公司在全球推廣其氣化處理技術, 目前已有4 個成功運營業績,同時在日本建立了規模達220 t/d 的城市生活垃圾等離子體處理廠[50].圖4 是該公司研制的等離子氣化系統的示意圖[51].

圖4 等離子氣化系統的示意圖[51]Fig.4.Schematic of the plasma gasification system[51].

整個等離子體氣化系統主要包括等離子氣化爐和等離子炬.等離子炬由一對管狀水冷銅電極組成, 通過中間的通孔引入載氣.直流等離子炬的使用既提高了氣化爐內溫度, 又能將其他無機廢物轉變成玻璃化渣體.氣化過程主要包括四個工藝段:廢物氣化、等離子體處理、合成氣凈化和熔渣處理.將城市固體廢物通過位于氣化爐頂部的進料系統投入到氣化爐后, 在氧化劑(氧氣和蒸汽)和高溫下分解生成合成氣.隨后, 這些在氣化過程中產生的粗合成氣和熔渣落入下部的等離子體處理區, 粗合成氣在極高的溫度下轉化為精煉合成氣, 并從氣化爐頂部引出, 冷卻后通過凈化裝置以消除其中的空氣污染物.而所有的無機熔渣則逐漸下沉至底部形成支持床層, 隨后通過排渣口移出.在整個氣化過程中, 爐內產出的合成氣保留了原始廢料中大部分的化學能.而傳統的燃燒處理使得化學能以熱量的形式釋放, 造成了資源的浪費.同時, 廢料中的無機成分諸如玻璃和混凝土會以熔融爐渣的形式從底部流出, 經冷卻后得到玻璃化固體材料, 可作為無害的產品銷售, 也可以與底部流出的熔融金屬統一回收并進一步純化[52].

該氣化技術處理的固體廢物廣泛, 無需進行任何預分揀即可直接對固體廢物處理; 其次, 氣化產生的合成氣經過凈化后可直接排放[53]; 另外, 由于爐內的操作溫度可達1200—1500 ℃, 較高的氣化溫度和缺氧的環境避免了二噁英和呋喃等有毒物質的生成.

4.1.2 韓國等離子氣化技術

近幾十年來, 韓國在等離子體氣化固體廢物方面的研究也在不斷發展, 實際上, 韓國核環境技術研究所在20 世紀90 年代初就已利用等離子體技術處理低放射性廢物, 并開發了商業化的放射性廢物處理裝置[54].位于韓國大田的韓國原子能研究所建造了處理低放射性廢物的熔化器設備.該設備不僅可以處理放射性土壤、金屬以及混凝土, 而且無需對廢物分類和壓縮[55].

韓國浦項科技大學開發了一種熱等離子體廢物處理工藝[56], 裝置如圖5 所示.該設備可用于食品、金屬和玻璃等城市廢物的處理, 經熱等離子體熔融處理后廢物轉化為無毒熔渣, 尾氣經清潔處理后不含氮氧化物和硫化物等污染氣體.

圖5 熱等離子體工藝處理城市廢物示意圖[56]Fig.5.Schematic diagram of thermal plasma process for municipal solid waste treatment[56].

裝置的核心是配備了兩個非轉移弧等離子體炬的氣化爐[56], 如圖6 所示, 氣化爐由爐體、非轉移弧等離子體炬、輔助燃燒器、廢料供給系統、熔渣出口等部分組成.輔助燃燒器的作用是點燃廢料, 預熱爐溫(最初12 h 達到600 ℃).200 kW 的等離子體炬以30°角嵌入氣化爐, 熱效率能夠達到70%, 工作電壓和電流分別約為571 V 和293 A,爐內的工作壓力保持在101 kPa, 氬氣作為載氣以500 L/min 的流速通入熱等離子體炬.通過輔助燃燒器點燃廢物并預熱熔爐, 使得爐內的溫度保持在1400 ℃, 隨后在等離子體炬作用下廢物全部被熔化.另外, 爐內的等離子流可在爐內產生離心力,使氣化后的飛灰和未燃燒的廢物附著在熔爐壁上,防止排放到外部環境中.

圖6 集成爐示意圖[56]Fig.6.Schematic of the integrated furnace[56].

4.1.3 英國Advanced Plasma Power (APP)公司等離子體氣化技術

英國APP 公司在斯溫頓建有一個RDF 處理工廠, 日處理規模達到2.4 t, 該裝置采用兩級等離子體氣化技術.來自氣化爐的粗合成氣通過耐火襯里的管道流向等離子轉換器.等離子轉換器呈圓柱形, 由焊接的鋼結構和耐火材料構成.石墨電極及電極密封組件位于頂部中央, 密封組件提供氣密性以防止氣體進入或流出電極周圍.在氣化過程中,通過控制等離子弧的功率, 在石墨電極和礦渣池間(大約150—200 mm)形成穩定的電弧, 以保持爐渣處于熔化狀態, 并將出爐氣體的溫度維持在所需的溫度(通常為1050—1150 ℃).等離子轉換器可以使內部合成氣進行旋轉, 使渣體快速掉落, 從而除去合成氣中的顆粒物.如圖7 所示, RDF 通過變速螺旋進料器以100 kg/h 的速度添加到氣化爐中, 在高溫下RDF 轉化為粗合成氣.在等離子體轉換室中, l000 ℃的高溫能夠實現粗合成氣的精煉, 氣化器中攜帶的灰粒和無機物在等離子轉換室內沉降, 并在熔體內吸收[57].在熱回收系統中, 經過精煉的合成氣冷卻至200 ℃以下, 然后通過干式過濾器和濕式洗滌器去除殘留的顆粒物和酸性氣體污染物(主要是HCl 和H2S).

圖7 APP 公司等離子氣化工藝示意圖[57]Fig.7.Schematic diagram of APP company plasma gasification process[57].

該工藝能夠最大限度地實現焦油和揮發性有機化合物的消除, 使合成氣適用于燃氣輪機發電;另外, 在處理過程中, 碳的轉化效率達到97%, 能源的轉化率超過87%[58].

4.1.4 英國Tetronics 公司等離子體氣化技術

Tetronics 等離子體公司是一家由英國鋼鐵和煤炭研究委員會資助的等離子體技術供應商, 對等離子技術的研究處于世界領先地位, 特別是其直流等離子體技術已用于眾多工業領域, 最成功的是對貴重金屬的回收.自1989 年以來, Tetronics 利用直流等離子熔煉技術每年從8000—23000 t 的不銹鋼粉塵中回收鎳、鉻、錳和鐵等金屬, 除此之外,利用該技術還每年從1000—3000 t 的汽車和工業催化劑中回收鉑族金屬.

圖8 所示為該公司研制的直流等離子體處理飛灰的工藝流程圖[59].該等離子體系統由安裝在爐頂上的直流空心石墨陰極以及底部爐體組成, 氬氣注入到陰極中心, 在陰極和爐體陽極間產生穩定的等離子弧, 使爐體中待處理物熔融氣化.處理過程中, 爐體的運行功率保持在100 kW, 溫度維持在1600 ℃.

圖8 等離子玻璃化飛灰的示意圖[59]Fig.8.Schematic diagram of plasma vitrification fly ash[59].

Tetronics 公司研制的金屬回收裝置能夠實現對多種粉狀廢料一起處理而無需壓塊, 反應條件和爐溫的可變性使廢料轉化為爐渣和金屬產物, 從而最大程度地提高了廢物的回收價值, 并使次要廢物最小化, 實現了較低的空氣和水排放.

4.1.5 俄羅斯科學院電物理與電力研究所等離子氣化技術

在過去的20 年中, 俄羅斯科學院電物理與電力研究所在等離子氣化領域進行了深入研究, 開發了多種工作時長達數小時的交流等離子體炬.這些設備的功率在5—500 kW 之間, 熱效率達到90%—95%, 多應用于塑料廢物、煤炭和木材的處理[60,61].

該裝置的主要部件是豎井式氣化爐, 氣化爐為圓柱形, 外殼直徑為1.6 m, 高度為4.2 m, 氣化爐內徑為0.6 m, 采用下流氣化方式運行, 并配備帶有棒狀電極的三相等離子體炬[62,63], 如圖9 所示,電極通常選用銅或鎢基材料制成, 底部有一個尖端幾何形狀, 選用高溫耐火材料(一般為純硅)作為電極注入氣體導管.該電源基于兩個串聯部件:1)輸入電壓為380 V 的感應調節器, 輸出電壓在0—760 V 之間可調; 2)輸出電壓在0—2000 V 范圍內可調的第二變壓器, 最大電流為200 A, 通常使用移動電極進行等離子點火.廢料從頂部投入到豎井式氣化爐中, 在爐內的低氧高溫環境下, 廢料氣化產生大量的合成氣體, 然后通過燃燒室燃燒處理, 燃燒生成的廢氣經清潔系統去除顆粒物和酸性氣體后由煙囪排出.

圖9 三相交流等離子體炬示意圖[63]Fig.9.Scheme of the three-phase AC plasma torch[63].

三相交流等離子體炬的使用彌補了直流等離子體技術的一些關鍵缺陷, 能夠減輕由熱、機械甚至化學效應所導致的電極腐蝕, 大大延長了電極壽命; 與直流相比, 三相交流等離子體系統可以使用簡易的變壓器運行, 從而顯著降低成本支出.但該工藝在穩定性和高效性方面仍需提高.

4.1.6 以色列環境能源公司等離子氣化技術

以色列環境能源公司于2007 年在以色列北部建造了一座中試規模的等離子氣化熔融(plasma gasification melting, PGM)工廠[64], 并配備了使之商業化運作的相應設備, 隨后該示范工廠進行了長期運行以研究PGM 技術的工藝特性, 圖10(a)為PGM 的設備示意圖.城市固體廢物通過氣化爐上部的進料系統添加到氣化爐內, 氣化產生的合成氣流入燃燒室中燃燒處理, 這個過程中產生的余熱可以通過汽輪機用于發電, 產生的電能不僅為等離子體炬和系統的其余部分提供電力, 還可以出售給外部用戶.煙氣中的飛灰和SOx分別通過洗滌蒸發器和反應吸收器除去, 氣化后的固體殘渣通過等離子體炬熔融, 并由收集器收集.

PGM 設備的核心是等離子體氣化爐[65], 是一種典型的固定床氣化反應器.結構如圖10(b)所示, 等離子體炬嵌入反應器底部, 功率可由中央控制系統調節.空氣和高溫蒸汽(1000 ℃)作為氣化劑, 通過噴嘴注入氣化爐中, 一部分空氣作為載氣通入等離子體炬中, 電弧在等離子體炬尖端的電極之間形成, 這樣流過電弧的空氣被電離, 形成高溫等離子體, 溫度可高達6000 ℃.

圖10 (a) PGM 設備示意圖; (b) PGM 氣化爐示意圖[64]Fig.10.(a) Schematic diagram of PGM equipment; (b) schematics of PGM gasifier[64].

PGM 技術相較于傳統氣化技術具有更高的能源轉化效率, 合成氣的最低熱值可達10 MJ/(N·m3),最大能源效率達58%.可使固體廢物的體積減少95%以上[66], 大多數重金屬被封裝在熔渣中, 冷卻后可作為建筑材料使用, 從而降低了污染物的排放.

以色列北部的示范工廠的運行證實, 該技術非常適合將醫療廢物轉化為高產率的合成氣和無害固體熔渣.該公司隨后與位于圣地亞哥的Envitech公司合作, 利用PGM 技術為不斷增長的醫療廢物提供一個良好的處理方式, 而Envitech 公司的空氣污染控制系統用于廢氣的清潔處理, 從而實現廢氣的安全排放.

4.1.7 德國Bellwether 公司等離子體氣化技術

Bellwether 公司于2007 年在羅馬尼亞建立了一座處理規模為12 t/h 的等離子體廢物處理廠[50],主要用于城市生活廢物和工業廢物的處理, 可以實現80%—85%氣化效率, 氣化過程中產生的合成氣輸送至當地的發電廠, 能夠替代28000 t 的煤炭, 大大緩解了當地的能源危機.Bellwether 公司隨后以該技術為依托, 在全球范圍內積極推廣其等離子氣化技術, 力求實現固體廢物處理的商業化應用.

實驗組學生內科出科理論成績，與對照組對比，差異不具有統計學意義（P＞0.05）。實驗組學生內科病房表現和內科出科技能考試成績與對照組對比，差異具有統計學意義（P＜0.05），見表1。

Bellwether 公司使用氣化熔融與等離子重整工 藝(integrated multifuel gasification, IMG)相結合的方式對城市固體廢物進行處理[67], 裝置主要由進料系統、熱解干燥室、等離子反應器、灰渣處理系統組成.廢料通過進料系統添加到氣化爐中干燥熱解, 然后在高溫環境下氣化形成粗合成氣;隨后送入等離子反應器, 在等離子弧下進一步重整為精合成氣, 而二噁英和呋喃等有害物質被等離子弧徹底分解, 最終形成高質量、清潔的合成氣.經重整后的合成氣體可直接用于發電, 無機廢物經熔融后在處理器中急冷成固態渣體, 方便處理和回收.

IMG 氣化技術能夠提高氣化效率, 減少在氣化過程中所需能耗, 經氣化熔融后, 二次重整工藝中所需的能耗減少, 通過能量循環再利用, 系統整體效率顯著提升, 總能量轉化效率達到80%, 且監測到的污染排放也符合環保標準.

4.1.8 法國Europlasma 公司等離子體氣化技術

Europlasma 公司采用CHO-Power 多級氣化工藝在法國建造了一座示范性質的等離子廢物處理裝置[68], 該工藝采用非轉移弧等離子體炬, 裝置的設計主要是為了處理工業廢料和生物質, 該工廠已于2015 年11 月達到運行狀態.

圖11 所示為氣化過程示意圖, 城市固體廢物在200 ℃下進行干燥, 然后在650—950 ℃的溫度下轉化為合成氣, 其中涉及部分的廢物燃燒, 燃燒產生的熱量可以將廢物的有機部分轉化為所需的粗合成氣, 合成氣主要由CO, H2和H2O 組成,但也包含一定量的焦油和粉塵.粗合成氣隨后在等離子體炬1 的高溫(1100 ℃)處理下除去其中的雜質, 形成精煉的合成氣.廢物中的無機成分則從氣化器中排出, 通過飛灰熔化單元進一步處理, 在等離子體炬2 的高溫作用下形成熔渣.

圖11 氣化過程示意圖[68]Fig.11.Schematic diagram of gasification process[68].

4.1.9 印度等離子體氣化技術

紅泥是鋁土礦在堿浸過程中產生的一種不溶性渣, 生產1 t 氧化鋁的同時, 會產生大約1.0—1.5 t 紅泥, 目前印度產生近3106 t 紅泥, 紅泥處理面臨嚴重問題.印度礦產與技術研究所將等離子體技術用于紅泥廢物的處理[69], 該研究的目的是從紅泥廢料中生產生鐵.圖12 所示為直流轉移弧等離子體反應器, 反應器的爐膛使用氧化鋁材料隔熱, 并在上部開有排氣口.爐膛上設有出鐵口, 用于從爐體中排出金屬和爐渣.石墨電極以垂直方式放置, 石墨陽極固定于爐體底部.陽極和陰極的末端裝有水冷設施.爐膛上的石墨套管帶有陶瓷絕緣層, 避免電極短路.

圖12 直流等離子體反應器示意圖[69]Fig.12.Schematic diagram of direct current plasma reactor[69].

從上面的研究進展可以看出, 等離子氣化固體廢物的研究與應用在國外取得了不錯的進展, 并且已從基礎研究階段逐漸地向產業化邁進, 氣化技術的發展已經基本成熟, 多個主流公司正積極推進著該項技術產業化應用的快速發展.然而該技術的核心部分仍具有一定的壟斷性, 想要實現廣泛的應用尚需時日.

4.2 國內等離子體氣化技術

與國外長期研究和應用等離子氣化固體廢物的技術相比, 國內在該領域的應用研究相對較晚.國內科研機構進行了等離子氣化固體廢物的基礎研究和相關示范裝置的技術積累, 并取得了一定的成果[70?72], 國內還有一些能源公司也在積極研究和開發等離子體氣化技術, 并形成中試規模的等離子體固體廢物處理裝置.

4.2.1 中國科學院力學研究所等離子氣化技術

從20 世紀90 年代開始, 中國科學院力學研究所便從事等離子氣化醫療廢物和城市生活垃圾的研究工作[67], 目前, 已建成了實驗室規模的模擬醫療廢物的處理裝置, 之后又與企業合作建成了兩座危險廢物的處理設備, 設備的處理量達到5—10 t/d.此外, 中國科學院力學所正在建設處理50 t/d 的城市生活垃圾示范裝置, 該過程包括垃圾預處理、等離子體氣化、氣體冷卻、脫酸除塵、發電.可見中國科學院力學所對城市生活垃圾等離子氣化技術進行了有益的嘗試, 并形成了獨立自主的等離子體氣化技術和示范裝置.

4.2.2 中國科學院等離子體物理研究所等離子氣化技術

中國科學院等離子體物理研究所建成了一座熔爐式等離子爐并用于飛灰的處理[40].如圖13 所示, 爐體由進料系統、石墨坩堝、石墨陰極、石墨陽極等部分組成.該裝置使用功率為100 kW 的直流弧等離子體炬, 等離子體氣體通過石墨陰極軸線上的通孔供給, 通過放電產生高溫等離子體, 隨后能量被轉移到爐體的陽極上熔融飛灰, 電弧產生的熱量和紫外線能將二噁英等有害物分解成小分子, 飛灰熔化后從熔爐中排出, 同時在重力作用下, 金屬沉入爐底, 并定期從爐中排出, 廢氣通過污染消除裝置進行處理.在無任何添加劑下, 飛灰經熱等離子體處理后轉變成顆粒狀熔渣, 體積減小為原始的1/3, 重量減小了2/3; 在等離子體爐缺氧高溫的環境下, 復雜的廢物被完全分解成簡單的分子,有毒有害物質在這個過程中被高溫徹底分解; 飛灰經等離子體玻璃化后, 熔渣中的重金屬浸出值低于標準水平.

圖13 玻璃化爐的示意圖[40]Fig.13.Schematic diagram of vitrification furnace[40].

4.2.3 臺灣研究所等離子氣化技術

臺灣核能研究所于1993 年開始自行研發等離子體炬, 在突破這一關鍵技術后, 于1996 年開發了功率為100 kW 的非轉移弧等離子炬裝置[73].如圖14 所示, 反應器進行了特殊設計, 能夠獲得最佳的溫度分布, 廢物通過坩堝覆蓋, 避免在處理過程中溢出或擴散.該裝置使用氬氣作為等離子點火氣體, 處理過程中改用空氣作為工作氣體, 等離子體中心區的溫度可以達到10000 ℃, 電子密度達到6 × 1022/m3, 氣化爐中心區的高溫能夠將醫療廢物轉變成玻璃態熔渣.浸出率分析結果表明, 熔渣基質對含金屬相的封裝非常有效.臺灣原子能研究所采用熱等離子體熔融系統對飛灰無害化處理,灰渣在等離子焚化爐中玻璃化為無害的爐渣, 可用作建筑和裝飾材料, 消除了無處存放的問題[74].

圖14 等離子體玻璃化系統的示意圖[73]Fig.14.Schematic of the plasma vitrification system[73].

4.2.4 廣西環境保護科學研究院等離子體氣化技術

廣西環境保護科學研究院采用30 t/d 的低溫熱解耦合等離子體工藝技術處理農村生活垃圾[75].兩年的實際運行效果表明, 低溫熱解耦合等離子體處理技術可有效實現農村生活垃圾的無害化與減量化, 設備每年可處理生活垃圾9900 t, 熱解碳化后廢渣產率為12%, 其中80%的廢渣可綜合利用;熱解爐內溫度保持在650 ℃左右, 能有效抑制二噁英等有毒有害物質的生成, 同時, 煙氣凈化系統能有效控制煙氣中的二噁英, SO2, NOx顆粒物等主要污染物.

4.2.5 廣州能源研究所等離子體氣化技術

廣州能源研究所在等離子氣化廢物領域進行了深入研究, 建成了100 kW 直流弧等離子體熱解氣化系統.該裝置使用氮氣作為工作氣體對有機固體廢物和生物質進行氣化處理[76,77], 研究了不同廢物的氣化特性.另外, 為了研究等離子體對廢橡膠的熱解過程, 廣州能源研究所通過直流弧等離子體反應器對廢橡膠熱解處理以生產氣體燃料和回收炭黑, 該研究對廢橡膠的資源化利用具有積極的意義[78].

4.2.6 核工業西南物理研究院等離子體氣化技術

大體積和不穩定的低放射性廢樹脂的處置為一大難題, 為了實現安全妥善處理, 核工業西南物理研究院研制了等離子體高溫焚燒實驗裝置并用于低放射性廢樹脂的處理研究[79].流程如圖15 所示, 等離子體高溫焚燒系統主要包括廢物預處理、一燃室、二燃室、尾氣處理單元.其中一燃室安裝了3 套等離子體炬, 單炬最大功率為100 kW, 二燃室安裝了1 套等離子體炬, 單炬最大功率為50 kW,等離子體炬均采用直流非轉移弧方式, 使用氮氣作為載氣.經電弧放電后產生高溫等離子體, 在反應器中形成1400 ℃的均勻高溫區.在這個反應區里, 高溫等離子體對廢物直接進行高溫氣化處理,有機物質被分解氣化, 生成可燃性氣體, 無機物熔化形成熔渣.放射性廢物處理結果表明: 等離子體技術可以實現低放射性廢樹脂減容和穩定化的效果, 經等離子體處理后, 樹脂中的有機成分和無機成分分別被高溫分解和熔融, 低放射性廢樹脂的減質比達到13.95, 尾氣中氮氧化物質量濃度為20—300 mg/m3, 二氧化硫質量濃度為0—95 mg/m3,均低于國家排放標準.浸出實驗表明, 放射性核素被包容在玻璃體中, 固化體性能穩定.

圖15 等離子體焚燒工藝流程圖[79]Fig.15.Process flow diagram of plasma incineration[79].

除此之外, 華中科技大學、清華大學以及中山大學等機構對固體廢物的等離子氣化研究也取得了進展[80?82].另外, 國內還有一些能源公司也在積極研究自主的等離子氣化固體廢物技術, 并形成中試規模的等離子體處理裝置.

由此可見, 國內在等離子氣化廢物的研究方面對象較為單一, 主要致力于醫療廢物、飛灰和生物質等固體廢物的研究, 對城市生活廢物和工業廢物的氣化研究仍然缺乏; 而且不同固體廢物在含水率和組成成分方面差異較大, 并且沒有加以分類, 因此, 需要根據廢物特性, 研究出適合國內固體廢物處理的等離子氣化技術.

5 等離子氣化廢物技術的優勢及存在的問題和解決措施

5.1 等離子氣化廢物技術的優勢

高效處理: 在等離子體的作用下, 可以提供極高的溫度條件, 高效轉化固體廢物為合成氣和無機熔渣.而傳統的焚燒工藝由于無法提供高溫條件,仍會有大量的未燃盡廢物存在.

環保、資源化處理: 焚燒處理工藝可以實現固體廢物的減量化, 但不可避免地會產生大量二噁英和呋喃等毒害物質.而在低氧高溫條件下, 等離子氣化工藝能夠將大分子有機物徹底裂解成小分子物質, 這在很大程度上避免了有毒污染物的生成.另外, 在氣化處理的過程中, 氣化產生的可燃氣體可以通過燃氣輪機產生電力, 無機成分生成的熔渣可用于路基材料, 實現了廢物的無害化、資源化利用.

廣泛、靈活處理: 等離子氣化技術不僅可以處理復雜的城市固體廢物, 還可以對工業廢物和一些危險廢物無害化處理, 如化工廢物、醫療廢物、飛灰等; 而且等離子氣化裝置采用自動化工藝, 表現出良好的靈活性[83].

5.2 等離子氣化廢物技術應用存在的問題和解決措施

等離子氣化技術在工藝設計、特殊材料、熱等離子源方面需要較大的成本, 使用過程中等離子源系統和一些組件的更換也需要一定的開支[84].由于等離子氣化工藝在技術和設備方面需要保持更先進、更高效, 才能在固體廢物處理領域與傳統技術相競爭, 因此難以降低其初始成本, 但可以通過合理的資金運用建立高效和功能性的等離子廢物處理設施.另外, 等離子氣化過程可以將固體廢物轉化為高附加值的產品, 如高純氫、合成氣和其他有價值的化合物[85,86], 這些可以補貼等離子氣化設施高昂的運行成本.

等離子氣化是一個高能量密集型的過程, 這會消耗大量電力, 給電網帶來額外的容量負荷, 并增加運營成本.可以通過優越的工藝設計來提高能量利用, 制定合理的工藝方案來處理能量密集型氣化并改善其經濟性, 例如使用隔熱材料避免能量的損失; 也可以與其他工序結合, 產生附加產品或對廢熱進行回收利用, 如將氣化過程與蒸汽輪機集成,用以回收額外的熱能; 將等離子氣化過程從批量處理模式轉換為連續處理, 縮短升溫和降溫時間、改善原料裝載和處理量, 從而大大降低對未來應用的挑戰.

等離子體氣化爐通常工作溫度范圍為1200—1700 ℃, 瞬間高溫對耐火材料性能提出了較高的要求, 且垃圾氣化后會產生大量水蒸氣, 會對上部爐襯耐火材料產生腐蝕.針對氣化爐的高溫環境,需要開發耐高溫和抗熱應力損毀的耐火材料.而且等離子炬工作過程中存在著強烈的熱輻射, 這就需要研制抗溫度梯度和熱應力的耐火材料, 另外, 水蒸氣對氣化爐的腐蝕也需要相應的應對措施.

等離子氣化技術的商業應用需要相應的配套設施的支持, 如廢料預處理系統、廢氣清潔設備等.這些問題通過將固體廢物制成RDF 來解決, 理想的等離子氣化裝置進料是均質的含有較高可燃成分的廢物, 而過多的金屬和玻璃渣土會降低RDF的熱值并可能引起一些操作問題.因此, 可以配備完善的廢料預處理裝置對廢物分揀優化, 從而提高等離子氣化進料的質量, 改善其氣化工藝.

此外, 采用標準化的等離子廢物處理設施和生產工藝, 能夠使等離子體廢物處理更為經濟.因此,需要制定嚴格的工藝設計、工藝安全和操作標準.各國政府還應鼓勵等離子氣化廢物的研究和應用,以應對能源危機和不斷增加的固體廢物問題.

6 結 論

等離子氣化技術對固體廢物的處理廣泛, 包括城市廢物、危險廢物和工業廢物, 氣化過程可以將碳基廢料轉化為合成氣和燃料, 這個過程中既解決了環境污染問題又緩解了能源緊張.

等離子氣化固體廢物處理技術在國外取得了不錯的成果, 成熟的技術正在逐步形成并由實驗室研究向產業化發展, 各個主流公司都在積極推動該技術在全球的蓬勃發展.國內等離子氣化技術也實現了中試規模的處理裝置, 并具有一定的產業化應用.

等離子體氣化是一種可行的資源無害化廢物處理技術, 但在應用過程中也存在一些亟待解決的問題, 如成本高昂、能耗巨大、基礎研究缺乏等.這些問題可以通過處理工藝中獲得的高附加值的產品或與其他裝置結合提高能源利用率的方式得到解決.