等离子技术在垃圾焚烧处理中的应用

等离子气化技术在垃圾处理中的应用摘要：等离子气化技术已经在国外成功应用多年，其用于解决日益增多的垃圾问题，可将废物转化成有用的资源。本文介绍了等离子气化技术的优点、经济性，以及其在垃圾处理中的应用。1前言目前中国各大城市都不同程度地出现垃圾围城现象。垃圾填埋由于占用大量空间和污染地下水而被公认为是垃圾处理的最后的选择，减量化和无害化的垃圾焚烧项目则由于其潜在的二次污染（如会产生二恶英）而遭到公众的质疑。等离子气化是一种新兴技术，它可以从垃圾中提取可回收的物品和转换碳基废物为合成气。这种类似于天然气的合成气是一种简单的一氧化碳和氢气组成的可燃气体，可以直接燃烧或用于提炼成更高等级的燃料和化学品。冷却后的灰渣是一种玻璃状物质，由于其紧密的结构，非常适合作为建筑材料使用。等离子技术已在如焚烧灰和化学武器等危险废物无害化处理中成功应用多年。利用等离子气化技术将城市固体废弃物转化为能源是一项新技术，具有很大的潜力。2等离子气化技术气化拥有悠久的工业历史，已被广泛用于将煤或生物质提炼出液体燃料、气体和化学品。现代清洁煤厂都是使用气化炉，就像19世纪初期的城市照明和电力系统也主要是使用气化炉一样。等离子气化是指利用等离子炬作为热源，而不是传统的点火和熔炉。等离子炬具有能产生高强度热源的优势，而且操作相对简单。等离子体是一种过热的导电气体，存在于自然界的闪电和太阳表面。等离子炬的温度可以达到5500℃（10,000°F）的高温，这足以摧毁地球上除核废料之外的任何材料。等离子炬用还可于铸造行业中的金属熔化及切割金属。当应用于废物处理时，等离子体的热量能非常有效地使其中的有机物蒸发成气体，使无机物熔化（冷却后形成玻璃状物质渣）。美国西屋公司早在20世纪60年代就开始为美国航天局建造等离子炬，用于阿波罗太空计划中的航空飞船的外壳材料在5500℃下的测试。在90年代末，第一个中试规模的等离子气化项目在日本建成，主要用于将生活垃圾、污水污泥，以及废旧汽车粉碎后的残留物转化成新能源。日本的中试工厂被证明是成功的。目前有一些公司（如AlterNRG公司）正在加拿大以及全球范围积极推进建设商业化规模的等离子体垃圾处理项目。等离子气化工艺是一个多阶段的过程，主要包括：（1）原料的预处理进料包括废物、煤、生物质，甚至可以有危险废物。应使原料均匀干燥，并分离出可回收的物品。（2）气化等离子炬在一个密封并控制进气的炉子里产生高温，这种热量能将有害物质完全分解和破坏。在气化过程中，原料中的有机物分解成气体，而无机物融化成液态渣，排放后被冷却。（3）合成气的净化和热回收去除合成气中的杂质而形成清洁燃料，并利用热交换器将余热转化成蒸汽回收利用。（4）产品可以是电能，或是各种化学品、氢和聚合物。3等离子气化的优点（1）高效由于等离子气化高温和高的热密度，等离子技术几乎能将碳基废物完全转化成合成气和无机物灰渣。比起其它热解和燃烧系统，等离子技术能更有效地运行。等离子气化的产电效率优于焚烧炉燃烧。通常焚烧炉燃烧的热量驱动汽轮机来产生电力，而气化系统可以使用效率高得多的燃气涡轮机，特别是当使用气化联合循环模式的配置时。由于气化联合循环是煤电行业中最先进的技术，所以同样也适用于垃圾发电行业。（2）环保垃圾气化不是垃圾焚烧。气化优于焚化，气化在环境影响和能源性能方面有着显著改善。在普通焚烧中，由于温度不够高，复杂的化学反应会导致氧分子结合形成污染物，如氮氧化物和二恶英，并且这些污染物将直接通过烟囱排放。相比之下，气化是一种低氧的过程，因而可减少氧化物的形成。而且等离子气化操作温度通常为1500℃左右，足以将所有的有机物完全分解，而且能将形成二恶英的有机物分子彻底打散，从而从源头上杜绝了二恶英的产生。焚烧炉的灰渣通常有高度毒性，需要进行卫生填埋。而经过熔化并形成紧密分子结构的等离子体灰渣通常是安全的。事实上，等离子炬已经广泛应用在工业危险废物行业中，将焚烧炉飞灰熔融固化成无害的玻渣。这种玻渣经过毒性特性溶出程序测试，通过对8种有害元素的监测，数据表明，即使是高度危险废物经过处理，其结果也是远远低于规定限值的。等离子气化的碳排放明显低于其他废物处理方法。实际上等离子气化的碳排放是负值，尤其是与填埋场排放的甲烷相比。由于其能将固体碳转化为气态碳，气化也是一个重要的新型碳分离技术。合成气主要由一氧化碳和氢气组成。氢很容易被分离从而被利用，同时使得碳也能被分离。美国能源部已确定将气化技术作为在清洁煤行业中的一个重要的碳捕获技术。灵活等离子气化技术除了应用于城市生活垃圾收取垃圾处理费外，还有一些工业废物因为有毒而可以收取更高的垃圾处置费，而且这些工业废物还具有良好的燃烧性。这些能够获得高额处理费和提供良好热值的废物包括石油、化学工厂的炼油废物、医疗废物、汽车切碎后残留物、建筑垃圾、轮胎和电线杆等。此外，大量的劣质煤也能够用于气化处理。单一的气化炉可以生产多种产品，比如热、蒸汽、电能、乙醇或氢，这样可以最大限度地利用资源。合成气中的氢可以很容易地与碳和氧气分离，而且如果提升合成气中甲烷的含量就可以制成合成天然气。合成气通常可以通过催化转化过程而生成液体燃料，这在第二次世界大战以来已被广泛用于煤液化中。使用酶或微生物进行转换的生物技术方法来生产液体燃料的方法也正在开发。许多关于更有选择性的催化剂和生产酶的研究正在进行，将可提高效率而使整个系统更具有竞争力。目前，气化乙醇的成本大约是每加仑2美元，估计通过进一步的开发，生产成本将可接近每加仑1.25～1.50美元。乙醇生产示范厂显示，美国的1吨垃圾约可产生100加仑乙醇（相当于0.9吨垃圾生产出380升的乙醇），浮动范围为20％。乙醇的生产成本很难估算，但粗略计算表明，产生乙醇有可能比产生电能的利润更大。4等离子气化的成熟性城市生活垃圾等离子气化是一个新的应用，但它是由一些使用非常成熟的子系统组成的，比如废物分拣系统、等离子体处理、烟气净化和能源生产。这些系统的整合正在迅速发展，只是尚未在大型工业系统中应用。示范和中试规模的系统已经在日本和加拿大成功运行，而且也逐渐开始在美国和欧洲应用。发达国家废物回收的分类和处理现已非常成熟，其干化和分离设备已经广泛商业化。垃圾预处理的目标是把垃圾切碎成均匀的小块，分离出金属、玻璃和没有热价值的无机物。有价值的物品应该分离并出售。废物经过预处理后，利用等离子炬的高温被气化，从顶部排出，熔融后的熔渣从气化炉的底部排出。气体冷却下来需要通过一系列的净化过程，以调整到下游工序的要求并要符合环境排放标准。电力主要是通过锅炉、发动机和燃气涡轮机来产生的。燃气发动机和涡轮机需要非常干净的气体，而直接燃烧的蒸汽锅炉可以接受相对脏的气体，而且成本极低。每吨生活垃圾经过蒸汽系统可能产生450～550度电，而使用联合循环燃气涡轮机可能会产生900～1200度电。联合循环燃气涡轮机是目前最先进和最有效的发电方法，已经在现代清洁煤发电厂中得到广泛使用。在与燃气轮机组合汽轮机联合循环燃气发电系统中，合成气在涡轮机里燃烧而发电。同时热涡轮废气通过一个余热蒸汽锅炉来推动汽轮机发电。除了涡轮排气外，热交换器还可以回收合成气的冷却的热量。从气化炉出来的合成气温度约在1200℃，含有大量的热能。理论上，等离子炬和整个工厂的设施只消耗约25％的电能，剩下75％是可以销售的净产电能。5等离子气化的经济性城市生活垃圾的等离子气化工艺尽管比较复杂，但是从经济上是可行的。垃圾处理设施可以对被处理的废物收取一定的垃圾处理费用，同时还拥有销售电能的收入；目前的产出主要是电能，但液体燃料、氢气、合成天然气等在将来都是有可能销售的；从城市生活垃圾中分拣回收一些有价值的商品，如金属和高价值的塑料也是收入的来源；还有一个收入来源包括销售炉渣和硫，炉渣有可能回收作为建筑材料，制岩棉和建筑砖等；而且由于避免了垃圾填埋和减少了废物运输，等离子技术还可以节省一些额外费用。此外，采用等离子气化技术处理城市生活垃圾还可享受政府对于可再生能源和碳排放额度的补贴。在中国，一个典型的小城市或地区大约需要一个日处理能力为750吨的垃圾气化厂，估计需要花费0.8亿美元兴建。该城市投入到整个项目的资金，应当能在几年后通过收取垃圾处理费、可回收物质和电能销售，以及销售灰渣和硫磺的收入实现正的现金流。这些变量的波动范围非常大，任何拟建项目都需要进行认真调查，以确定每个变量的实际值。因为不同项目的垃圾处理费、电费、回收品价格，以及利率和税收都会相差很大。从垃圾中回收可用物质对于垃圾气化很有利。如金属和玻璃的无机物没有作为燃料的价值，尽管等离子炬有能力融化他们，但这只能使气化过程效率降低。一些可以很容易被分离的高价值塑料和纸类是比生成的燃料更有价值的物质。某些塑料可以卖到每吨300美元，而某些类型的纸张可以赚取每吨75美元。相比之下，1吨废物可能产生0.8兆瓦的电能也就大约值70美元。显然，上述任何可以分离和销售的物质都比作为燃料更有价值。冷却后的灰渣是一种玻璃状物质，由于其结构紧密，因而非常适合作为建筑材料使用。6结论目前，全世界都正面临搜寻新能源的挑战，同时还要面对环境持续退化的问题。而垃圾的等离子气化可以成为同时解决这两个问题的一个方案。使用有害废料，生产出可再生燃料。作为一个市政资助的系统，一个垃圾气化厂可以帮助平衡预算，而且可以应付将来能源可能的价格上升。但是，由于系统的复杂性和昂贵费用使得等离子气化对于私人投资者和市政府来说也是一个挑战。幸运的是，垃圾等离子气化系统的发展非常迅速。最令人鼓舞的是每个子系统都是非常成熟的工艺，等离子气化系统只不过是它们之间的结合，只是需要进一步完善而已。所有的垃圾分类和预处理设备现在也非常成熟，等离子炬已被可靠运用了数十年，气体净化系统也是已被很好掌握了的工艺。利用合成气发电现在已经可以做到盈利，并有希望在将来能经济地产生乙醇，经济地生成氢气和合成天然气也只是一个时间早晚的问题。在今后10年内是完全有可能利用目前送去填埋的垃圾产生大量可再生燃料，而且同时能减少环境污染。等离子气化在中国进行垃圾处理的时机已经成熟。等离子技术在生活垃圾处理中的应用与探索【摘要】城市生活垃圾等离子气化技术融合了等离子体和气化的优点，能实现真正的垃圾无害化处理，是垃圾焚烧最具潜力的一种替代技术。本文重点介绍了生活垃圾等离子体气化技术、国内外技术进展，论述了生活垃圾等离子气化过程中存在的问题及其解决措施。【关键词】等离子气化；生活垃圾；处理1.生活垃圾等离子气化技术生活垃圾等离子气化技术由生物质气化技术结合“低温”等离子体技术发展衍生而成，具有等离子体和气化的优点。等离子体技术将MSW中的有机物完全转化为合成气（主要为CO和H2），净化后进入内燃机发电；而无机物则可变成无害灰渣（玻璃体），可用来做建材。垃圾热处理包括热解、气化和焚烧三种方式，而热解与气化均是由垃圾焚烧技术衍生而成，与焚烧的区别在于焚烧供氧量大于化学当量，热解与气化供氧量均小于化学当量，即垃圾的不完全燃烧。供氧量较小意味着燃烧空气量少，对生活垃圾中小颗粒的淘析作用减弱，烟气挟带和扬析颗粒减少，排烟中烟尘浓度降低。因此，热解与气化过程的烟尘浓度低于焚烧过程，有利于环境保护。此外，气化产物外供，为生活垃圾热能综合利用提供了新方式。1.1生活垃圾等离子气化特点利用生活垃圾自身热量建立、稳定独立于焚烧的热解与气化过程，对生活垃圾的品质指标要求比较高。一般而言，含水量与含灰量较低，且热值高于8300kJ/kg的生活垃圾才有可能用独立的热解和气化方法处理。热解与气化的区别在于发生反应的温度不同，热解温度一般为200～400℃，而气化温度一般为600～1200℃。因此，生活垃圾热解和气化需要外界提供较大的能量，尤其是气化。这就必须有一种给予生活垃圾更多能量的发热源和较为适合的反应器来保证气化反应的发生。采用等离子体处理垃圾是目前减容效果最显著、无害化最彻底、资源化程度最高的绿色环保技术。与焚烧法相比，等离子体技术最突出的优点有：（1）生活垃圾气化产生的合成气经过等离子体高温处理，二恶英和焦油等有害物质彻底分解，而无机物