等离子体气化发电

1中科院力学所CAS-IMECH生活垃圾等离子体气化发电生活垃圾等离子体气化发电生活垃圾等离子体气化发电及国外先进垃圾发电技术及国外先进垃圾发电技术及国外先进垃圾发电技术中国科学院力学研究所环境力学重点实验室等离子体技术简介——概念™等离子体——物质第四态:固/液/气/等ƒ电离，体内/离子数相等—宏观电中性™等离子体分类：电子温度与重粒子温度平衡与否ƒ大气压-平衡-热：低温2千度-3万度，高温3万度-几亿度ƒ低气压-非平衡-冷：电子几万度、重粒子常温，气体除味消毒™1950年代，军工需求ƒ我国航天事业-再入，1960ƒ1960s，NASA支持西屋等离子体,3亿美元ƒ优点：反应气体成分可以控制ƒ冶金用、材料表面处理™低温热等离子体生成技术分类ƒ矩技术—国际通行，等离子体切割等ƒ弧技术—类似电焊/电弧炉，国外较少ƒ感应放电—洁净，特殊用途等离子体炬型号等离子体炬型号MACH3MACH3型号功率(千瓦)燃汽流量冷却水流量(立方英尺/分)(标立方/时)(加仑/分)(立方/小时)Marc375-30010-4510-2012-202Marc11300-2.5MW30-25050-4008015H.Z.Sheng5IMECHCAS电加热、自由基多™核心温度达6000ºC以上，炉内平均温度可达1000-1600ºC，电子/化学反应能力高，裂解彻底™高温使化学键断裂—无机化—温度差别ƒ前/后处理原理相同，气体成份不同，工艺参数不同™环保效益极好，低碳节能—二噁英排放极少ƒPOPs，含氯成分阻燃，破坏燃烧自由基—二噁英结构ƒ少量裂解气体，高热值可燃气体，可回收利用ƒ尾气洁净，洁净成本低，设备和运行成本低ƒ残渣为玻璃体：物理化学性质稳定ƒ合成气发电效率高——燃气发电机组（焦油问题少）H.Z.Sheng6IMECHCAS等离子体技术处理废物™国际上近20年—走向民用ƒ1979s，低放射性核废料、化学武器等ƒ危废：多氯联苯（PCBs）、废农药、焚烧飞灰、医废™替代焚烧的新一代技术—高端产业ƒ生活垃圾—替代焚烧ƒ生物质发电—洁净能源角度替代直燃、气化ƒ首先用于处理危废和POPsƒ替代生活垃圾焚烧，成本相近ƒ环保优异，特别二噁英排放优异250kW直流炬H.Z.Sheng7IMECHCAS等离子体技术简介—尾气洁净表中：CO、NOx、SO2是中科院生态中心为力学所试验测试的数据。PCDD是参考美国Startech公司提供的数据，等离子体炉的PCDD排放为美国焚烧炉排放新标准限制值的1/1250左右。种类单位等离子体GB18485美国标准德国标准荷兰标准PCDD/Fsng/Nm3（TEQ）~0.00011.00.14~0.210.10.1颗粒物mg/Nm380COmg/Nm31.25~1.75150NOxmg/Nm30.03~0.0540020020070SO2mg/Nm30.29~0.38260505040THCmg/Nm30.38~0.690.18~0.35H.Z.Sheng8IMECHCAS内容等离子体技术简介1处理危废和生活垃圾2结束语53国内外技术现状4力学所技术发展过程H.Z.Sheng9IMECHCAS危险废物处理™国家危险废物名录（巴塞尔公约）ƒ47类，HW01医疗ƒ高毒性、废机油™《中华人民共和国监控化学品管理条例》ƒ可作为化学武器；ƒ可作为生产化学武器前体；ƒ可作为生产化学武器主要原料；ƒ除炸药和纯碳氢化合物外的特定有机化学品™化武销毁—日本遗弃化武/1号工程™化工厂废料—全氟异丁烯™POPs—斯德哥尔摩公约—焚烧飞灰等H.Z.Sheng10IMECHCAS阻碍焚烧的二噁英问题-其他燃烧/冶金/化工排放™根据国际毒性当量因子表折算ƒPCDDs多氯代二苯并-对-二噁英75种ƒPCDFs多氯代二苯并呋喃135种ƒPCBs平面多氯联苯209种™850度2秒破坏,250-500度再合成H.Z.Sheng11IMECHCAS二噁英毒性™毒性与氰化钾相当ƒ荷兰猪对氰化钾极不敏感•二噁英半致死计量几千倍ƒ一般动物二者相当，灵长类实验ƒ乌克兰总统尤先科：大剂量，氯痤疮，几年后养好了™致癌、致畸、致基因突变ƒ自然界含量极低，达不到致死计量，氰化物不同ƒWHO允许：1~4pg/kg/d，丹麦10ƒ日本：4//欧洲：2//中国：1//六里屯分析-30年，0.1%ƒ我国主要来源：铁矿石培烧、电炉炼钢、有色冶金回收、垃圾焚烧（15%）ƒ医疗垃圾焚烧绝对值高于大型垃圾焚烧厂H.Z.Sheng12IMECHCAS北京六里屯二噁英问题结论™垃圾与生物质含氯量较低，二噁英生成的量有限，只要严格控制工艺流程，不会对环境带来大的影响。™北京六里屯焚烧项目的评估，采用国际通行的方法，运行30年后，在下风向的二噁英主要沉降区，会增加二噁英浓度千分之一。™二噁英在人体内的代谢99%以上是通过食物摄入，只要不在二噁英主要沉降区饲养牲畜、家禽和种植食物，就不会对人类带来显著影响。H.Z.Sheng13IMECHCAS二噁英形成机理—喷水急冷-能源利用™炉内：3T+E，温度、时间、湍流、过量空气ƒPVC千亿分之一以下，10kgPVC不到0.1ngƒ10kg纯PVC至少需要30Nm3燃烧空气，还要过量ƒ无机氯盐几乎没影响™降温过程ƒ前驱体合成•含氯苯环—PCBs！ƒDeNovo，量级小百倍ƒ碱性环境保护（水泥窑），无氧环境？™结论：注重技术，降温过程可以利用热能H.Z.Sheng14IMECHCAS垃圾焚烧——主流技术，需新技术™国际上，主流的是炉排炉——历史原因™国内，循环流化床—循环床优势明显ƒ高速床：减少煤用量ƒ高温分离器ƒ外置式过热器ƒ蒸汽温度：450度，或更高，效率较高™针对国内反对焚烧，新一代技术—终极技术ƒ等离子体气化ƒ发电（燃气机、燃气轮机、联合循环）ƒ制造液体燃料—要求合成气品质有保障H.Z.Sheng15IMECHCAS垃圾处理与生物质制能—市场广阔™成本控制：垃圾处理和生物质制能发电ƒ环保优势极大，可替代焚烧，免除二噁英困扰ƒ工程实践，有成本控制经验，实用化门槛ƒ生物质能源，节能减排，高端产业，造福百姓™参考对比ƒ焚烧发电：800T/D生活垃圾（少量掺煤），发电12MW，自耗3MW，输出9MW，发电效率21%（采用450度蒸汽），投资3-6亿(国产/引进)，占地20-30亩ƒ等离子体气化：240T/D秸秆（或800吨/日生活垃圾的筛上物），发电16MW，自耗5MW，输出11MW，发电效率30%，投资3.5亿人民币(引进等离子体炬)，占地10亩H.Z.Sheng16IMECHCAS内容等离子体技术简介1处理危废和生活垃圾2结束语53国内外技术现状4力学所技术发展过程H.Z.Sheng17IMECHCAS国外主流技术—热处理技术+发电技术™直接等离子体气化（纯热解电耗过高），1000度ƒ等离子体直接作用在垃圾上，电耗较高ƒ加入部分氧（空气或水蒸气）ƒ产生的气体为合成气（H2/CO为主）™气化650度+等离子体重整900度/部分解决焦油ƒ常规气化+重整（等离子体作用在合成气上），电耗低ƒ加入较多的氧（维持温度）ƒ合成气质量较差，二氧化碳及氮较多™发电ƒ蒸汽循环（效率较低，燃烧彻底）ƒ燃气轮机/燃气机（效率较高，有机大分子排放问题）H.Z.Sheng18IMECHCAS国内外生活垃圾等离子体处理现状™生活垃圾ƒ美国西屋业绩6个，加拿大AlterNRG收购，Geoplasmaƒ加拿大Plasco能源/渥太华85吨/日ƒ中国50吨/日筛上物(30%含水率，干燥)，其他ƒ以色列EER公司/瑞典皇家工学院12吨/日示范™其他废物ƒ美国PEAT,InEnTec,StarTech——小型ƒ四川/咸阳ƒ英国APP，Faringdon，Swinton275t/d?RDFƒ韩国浦项大学10吨/日试验炉ƒ台湾成功大学3-5吨/日—美国PEATH.Z.Sheng19IMECHCAS西屋-WestinghousePlasma™商业化装置ƒ日本美滨&三方MihamaMikata，20t/d+4t/d污泥，2002ƒ日本歌志内市Utahinai,世界昀大,220t/d，2003,后加200t/dƒ麦迪逊市WPC&AlterNRG，Coskata乙醇，2003-今ƒ印度Pune,68t/d危废，2008ƒ印度Nagpur,68t/d危废，2008™示范,2000ƒ日本群马县吉井町，151t/d™宾州中试,1990,48t/dƒ麦迪逊市WaltzMillSiteH.Z.Sheng20IMECHCASWPC-WaltzMillSiteH.Z.Sheng21IMECHCAS加拿大Plasco能源，源于NASA人员™Ottawa85吨/日（94短吨/日，号称100吨）™5台燃气机，排放未达标ƒ有机挥发份-等离子体炬功率太小ƒNOx超标ƒ1.5亿加元-10亿人民币™渥太华市ƒ400吨/日合约，12万吨/年ƒ年补贴5100多万RMB•每吨425元RMB™北京100吨/日X2试验™与中国节能集团合资H.Z.Sheng22IMECHCAS等离子体转换技术PCSƒ星科-STARTECHƒ空气等离子体ƒ非转移弧技术ƒ化学武器ƒ200-2000kWƒ转换气—发电ƒ未商业化ƒ2000年在中国宣传H.Z.Sheng23IMECHCASPEM—美InEnTec—道康宁20吨/日H.Z.Sheng24IMECHCASPEAT-PlasmaEnergyAppliedTechnology™PTDR-100–Sacramento,CAH.Z.Sheng25IMECHCAS内容等离子体技术简介1处理危废和生活垃圾2结束语53国内外技术现状4力学所技术发展过程H.Z.Sheng26IMECHCAS相关基础—等离子体研究™中国力学学会等离子体专业委员会主任委员™国际等离子体化学委员会委员（1987-1995年）™13届国际等离子体化学会议大会主席（1997年）学科带头人——吴承康院士钱学森同志1956年建立中科院力学所后，为了航天器再入大气，安排由吴承康院士领导研究导弹防热烧蚀和通讯中断问题。吴承康院士采用电弧风洞作为研究手段，开创了我国等离子体技术的事业。该方法先于NASA的工作。H.Z.Sheng27IMECHCAS技术发展路线™始于航天、冶金—等离子体应用的基础及实践™九五——转为环保ƒ首先基础性研究，包括等离子体技术本身•配合实验室实验，探出发展方向ƒ小型设备——医废/电子/化学战剂/危废ƒ中试/工业化设备（危废-规模小/腐蚀性强/环保难度大）ƒ积累经验后，生活垃圾与生物质气化——示范工程ƒ坚持基础研究配合，解决应用需求•等离子体发生器、反应器内过程•尾气处理、玻璃体渣•前处理及系统优化，提高经济效益H.Z.Sheng28IMECHCAS高温冶金铌/钨/钼-环保好™三相交流（150kW）H.Z.Sheng29IMECHCAS多种等离子体炬20kW120kW250kW大气压滑动弧产生装置™热阴极H.Z.Sheng30IMECHCAS等离子体处理废物—力学所10年—针对有机/高含氯,技术难度大,规模较小PCBs-中昊晨光样品浓度（mg/kg）PCBs废渣1号废渣2号一氯联苯1.2612.80.0002二氯联苯0.02170.1220.0002三氯联苯ND0.01310.0002总多氯联苯1.2812.90.0002检测限（mg/kg）医疗垃圾-8633吨/日的模拟医疗废物处理系统,该系统采用H2还原气氛，消耗量很小，尾气量也很小，每小时仅200-300Nm3。H.Z.Sheng31IMECHCAS基础科学研究布局，配合工程实践™针对国内外研究不足，布置：™等离子体反应器内温度、成份分布及流场特征™有害