等离子气化技术在固危废处理中的应用

800中国环保产业2014.11研究进展ResearchProgress黄耕（北京环宇冠川等离子技术有限公司，北京100142）摘要:针对近几年来等离子气化技术在国内固体废物处理中的应用情况，对该技术的先进性和经济性作了进一步分析；介绍了一些应用案例，认为等离子技术在许多方面，特别是在危险废物处理方面具有应用推广前景。关键词:等离子气化技术；固体废物处理；经济性分析；应用案例中图分类号:X705文献标志码:A文章编号:1006-5377（2015）11-0000-04等离子气化技术在固体废物处理中的应用1等离子气化技术在固体废物处理中的优势采用等离子气化技术处理固体废物的设备是等离子气化炉。气化炉的炉体为钢制直立式容器，炉体内衬耐火材料。气化炉的热源是安装在炉体下部沿壁均布的金属电极等离子体火炬（也叫等离子体喷枪或等离子体电弧发生器）。金属电极等离子体火炬需要的工作气体（据此可喷出高温气体射流）可以是含氧气体（空气、富氧或纯氧）和惰性气体。等离子气化炉所需的氧化剂气体可从外部鼓入以充分利用固体废物自身的热值。在炉内高温条件下（炉内上部可达900℃～1000℃，炉内下部可达1600℃～1700℃），固体废物中的有机成分发生部分氧化反应而生成可利用的合成气（含有CO、H2和CH4等成分的低热值燃气），二英和呋喃等有害物质基本被彻底摧毁；而固体废物中的无机成分则在炉底部被熔化，以熔融态排出并形成无害的玻璃体材料，可作为建材原料。还有另一类型用等离子技术处理固体废物的设备是等离子热解炉。多年来国内外的小型试验装置都是这种炉型。其热源是以成对方式安装在炉体相应部位的石墨电极。因此，电极需要的工作气体只能是惰性气体，而且不能向炉内鼓风（不能接触氧）。热解炉处理固体废物需要完全依靠电热来熔融其中的无机成分和裂解有机成分，虽也能达到处理效果和使尾气量少一些，但耗能较高且不能利用固体废物物料自身的热值，加上石墨电极等离子弧炉的结构又限制其不易放大。因此，等离子热解炉的工程化和市场的推广应用一直存在较多障碍。综上所述，属于第三代“熔融气化”技术范畴的等离子气化炉处理固体废物具有以下优势：（1）炉内温度高，可彻底摧毁二英和呋喃等有害物质，可更有效保证净化后排放尾气的无害化效果。（2）炉内高温可使固体废物中的无机成分（灰分等）被熔化而形成无害的液态玻璃体排渣，减少填埋，更加环保也更具资源化利用价值。（3）产生的飞灰（属危险废物）可返回炉内作重熔处理并也形成玻璃体，可基本省去稳定化/固化处理和填埋的繁琐步骤。长远看是可节省宝贵土地资源的最彻底的未端解决措施。（4）规模和能力的设计弹性大，基本能处理各类固体废物，特别是能解决当前许多危险废物处理面临的801CHINAENVIRONMENTALPROTECTIONINDUSTRY2014.11研究进展ResearchProgress环保难题，适应性广。（5）等离子气化炉为常压固定层气化炉，操作安全；等离子体火炬为电加热设备，开启和停车方便；布置紧凑，占地小。（6）效率较高，具有经济竟争性。2等离子气化技术在固体废物处理中的经济性采用等离子气化炉处理固体废物可使装置的环保水平上一个新台阶，但这却是以增加处置成本来实现的。最突出的是固体废物中的无机成分（灰分等）被熔化而形成液态排渣时需要较多的熔融热；等离子体火炬向炉内喷出高温和高热密度的气体射流的作用就是维持炉底部熔渣熔池的温度和保持炉内的温度条件。固体废物中的无机成分（灰分等）含量越高，所需的熔融热和等离子体火炬的耗电也就越多，处置成本就要增加。而传统以干态排渣的处理设备则没有这一问题（也需考虑炉渣的填埋成本）。以需要耗电较多的垃圾焚烧飞灰为例，其主要成分为含Si、Ca、Al、Fe等的氧化物和少量Na、K等的氯化物以及钙盐，还有被活性炭吸附的微量重金属和二英等有害物质。飞灰中的残炭很少，所以基本无热值。用等离子炉处理飞灰，是一种使飞灰再熔融和排出炉后形成无害玻璃体（可牢牢固化有害重金属）的过程，并有很好的减容效果（玻璃体密度为2.7～3.3，减容比大于4）。同时，玻璃体经浸出毒性检测，可鉴别为不属危险废物。因此，这项处理措施既可使飞灰无害化也能使其资源化，这能很好地解决飞灰处理的环保难题。但是，飞灰所需的熔融热如折合电热，每吨需700～900度电，处置成本每吨需800～1000元。处理其他有一定热值的固体废物（如污泥、医疗垃圾、废旧线路板和油漆渣等）时，等离子体火炬的耗电就要少一些；处置成本也比处理飞灰要低。固体废物的热值越高，处置成本就越低；所含灰分越少，处置成本也越低。综上所述，在当前处理固体废物的处置费较紧的条件下，考虑危险废物成分复杂和危害性大，以及危险废物处置费高一些的情况，等离子气化炉的处理对象应重点集中在各类危险废物上。项目决策时要兼顾国家规定和标准的要求，经济性以及危险废物的处理条件等相关因素。（1）如果危险废物经处理后产生的炉渣也属危险废物，必须要作稳定化/固化处理并要送安全填埋场，因此炉渣处置成本高。这类项目应考虑采用先进的等离子气化炉。（2）如果危险废物中含有金属或贵金属，处理过程要求物料熔融，金属和炉渣都以液态排出并能分层分离和实现资源回收。这类项目应采用先进的等离子炉。（3）如果危险废物中含灰分不多但热值较高，用等离子气化炉进行处理与传统设备相比，更加安全环保但处置成本增加不多。这类项目应考虑采用先进的等离子炉。（4）如果用传统设备处理危险废物效果不好，这类项目应考虑采用先进的等离子炉。（5）目前用传统设备来焚烧污泥还存在一些问题（污泥干化成本高和有机污泥处理困难），这类项目应考虑采用先进的等离子炉。（6）对一些特定的危险废物（如焚烧产生的飞灰、废石棉、有轻微放射性的固体废物，以及有特殊安全要求的危险废物，如销毁化武后的残渣等）的处理，这类项目应采用先进的等离子炉。3等离子气化技术在固体废物处理中的案例3.1等离子气化炉处理生活垃圾并带发电的装置以日处理1000吨垃圾的装置为例。目前投运最多的以2台炉排炉（2×500吨/日）加2台余热锅炉，并带1×22MW汽轮发电机组的整套工艺设备已十分成熟，烟气净化则多采用半干法流程。如果用等离子气化炉来取代炉排炉，则整套工艺设备为2台等离子气化炉（2×500吨/日）加2台后燃室及2台余热锅炉，并带1×22MW汽轮发电机组。多了2台后燃室的原因是从等离子气化炉出来的炉气是含可燃成分的合成气，需要在后燃室中烧掉以产生高烟道气才能进余热锅炉产生蒸汽。装置的发电部分和烟气净化部分，以及公用工程部分则基本相同。两相比较，采用等离子气化炉的装置投资比采用炉排炉要高约20%；每吨垃圾的处置成本，采用等离子气化炉比采用炉排炉要增加约100元；增加的原因就是前述的干态排渣和液态排渣（需要较多熔融热）的差别。也有人提出，等离子气化炉由于液态排渣增加的处置成本可得到弥补，即从利用玻璃体材料（液态排渣所形成）来生产保温砖（板）所创造的利润来弥补。笔者建议对此要慎重决策，首先是用玻璃体材料生产保温砖（板）时要添加大量石英砂，其次是这类建材产品多年来已经在802中国环保产业2014.11研究进展ResearchProgress大量利用工业渣（如冶金渣等）且产能过剩。笔者还建议，如用等离子技术对接现有的垃圾电厂，最有效的措施是增加1台小型等离子炉处理飞灰，既有经济效益又可使装置水平得到提升。3.2等离子气化炉处理电子垃圾和工业危险废物以及医疗（医药）垃圾的装置用等离子气化炉处理废旧电子元器件和线路板既安全环保又利于金属回收，可一举扭转这个“城市矿山”行业的落后状况并消除环境隐患。废旧线路板有一定的热值，等离子气化炉可充分利用其热值。对其他电子垃圾（如铜泥和感光胶渣等）采用等离子炉进行处理，同样既能保证无害化效果也能回收一些金属。目前还存在一些以低温热解炉加二燃室处理工业危险废物（如油漆渣和涂料渣等）的情况，由于干态排出的炉渣含有微量重金属，因而有一定环境隐患。用等离子炉进行处理，既可充分利用油漆渣等的热值，又可实现液态排渣并保证无害化的处理效果。采用等离子气化炉处理医疗垃圾与传统的回转炉加二燃室的装置相比，除占地小和流程简捷，以及不需辅助燃料外，同样具有液态排渣并可形成无害的玻璃体材料的显著优势。可省去按规定要对炉渣作鉴别并还要作后续处理的繁琐步骤，可保证安全且有利于管理。医药抗生素生产会产生大量菌丝残渣（属危险废物），这是目前医药垃圾处理中的一个难题。菌丝残渣含水高，易腐败，但灰分也少；将菌丝残渣作预脱水或预干燥后，可得半干物料（具有一定热值）并送入等离子气化炉作处理。而利用气化炉出来的合成气又可制得热烟道气，并正好用作菌丝残渣预干燥的热源。处理电子垃圾和工业危险废物以及医疗（医药）垃圾的等离子炉一般规模不大，处理能力可达50吨/日。3.3等离子炉处理垃圾焚烧飞灰的装置与1000吨/日的垃圾发电厂匹配，能力也可达50吨/日。3.4等离子气化炉处理污泥的装置污泥的处理压力已日渐加大，应积极推广焚烧方式。但湿污泥的预干燥（干化）一直存在传热传质效率低和成本偏高的问题。一般采用循环流化床锅炉焚烧预干燥后的半干污泥时，都是将锅炉所产生的蒸汽返回去作湿污泥预干燥的热源。但热蒸汽是不能直接接触湿污泥的，因此只能采用间接换热方式且必然降低效率。采用等离子气化炉处理预干燥后的半干污泥时，可用气化炉出来的合成气去制得热烟道气，然后将热道气返回去直接干燥湿污泥，这就能有效提高传质传热效率并可降低干化成本。对于石化和工业企业含油和有机质，以及含重金属的污泥和油泥（属危险废物），填埋有环境隐患，做堆肥也不可行，采用等离子炉才能保证处理的无害化效果和尽量减少填埋量。处理污泥的等离子炉的能力可按处理湿污泥（含水约80%）150～200吨/日，折合预干燥后的半干污泥（含水约40%）为50～67吨/日。半干污泥的形态已成小块状并可顺利进料至等离子炉内。3.5等离子气化炉处理农村垃圾和畜牧养殖固体废物以及秸秆的装置安全环保处理农村垃圾和加强新农村环境建设已提上议事日程，但一些地方目前采取的措施为“村收集，乡镇转运和县区集中处理”。笔者经过调研认为，这一措施有较多弊端，主要是乡镇分布不平衡和有的距县区较远（超过50公里），因而垃圾转运困难和容易造成二次污染。建议的方案是：要结合农村当地的实际情况因地制宜，在较远的区块以一个大乡镇或2～3个一般乡镇为集中点建1台小型的等离子气化炉，就地快捷解决该区块范围内的各类固体废物（垃圾、畜牧养殖粪便和秸秆等），并可结合当地的条件，合理利用气化炉出来的合成气（低热值燃气），如直接作燃气、烧锅炉或建小型发电装置，在解决固体废物处理难题的同时也一并发展了该农村区块式的绿色分布式能源。该方案有以下特点：（1）结合农村实际，可减少垃圾转运困难和二次污染风险。（2）等离子炉先进可靠，可保证农村固体废物处理从开始就有先进适用及安全环保的标准。（3）等离子炉规模灵活（处理固体废物能力可按30～50吨/日），又是“通吃”炉，能较好适应农村的固体废物处理要求。（4）按目前的价格水平，乡镇建固体废物处理点可承受等离子炉的投资与运行成本。（5）既可综合处理固体废物又可促进农村区块式的绿色分布式能源发展。需要说明的是，农村畜牧养殖业的粪便（如万头养牛场的粪便等）长期以来都是用作生产沼气，沼气可就地直接利用或发电，沼渣可做肥料，沼液可就地作灌溉。但经调研，也发现其中存在一些不足之处（特别是在缺水的北方）：1）做沼气耗水多。虽然产生的大量沼液可就地作灌溉（因管道条件限制也只能就地利用），803CHINAENVIRONMENTALPROTECTIONINDUSTRY2014.11研究进展ResearchProgress但就地且长期在某处施用也意义不大。而等离子气化炉几乎不耗水。2）沼气投资较大、占地大、流程复杂，成本也不低。而等离子气化炉在这些方面都更有竞争力。3）做沼气资源利用率低。得到的沼渣肥效低，做肥料时还需要配优质肥。但等离子炉的充分气化过程可保证较高的资源利用率。以万头养牛场的牛粪为例，等离子炉的处理能力可按300吨/日（含