等离子技术在垃圾焚烧处理中的应用

1、精选优质文档-倾情为你奉上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

2、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

3、离子炬的温度可以达到5500（10,000F）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

4、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

5、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

6、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。

7、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

8、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1.251.50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

9、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

10、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450550度电，而使用联合循环燃气涡轮机可能会产生9001200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

11、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

12、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

13、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

14、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

15、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

16、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20040

17、0，而气化温度一般为6001200。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，而无机物则可变成无害灰渣（玻璃体）。（2）由于气化是在贫氧条件下进行，空气过量系数小于1，产生的合成气流量约为同等处理规模焚烧烟气量的510%，故污染物排放少，净化设备处理负担减轻，环保效果好。（3）气化产生的

18、合成气中含有CO和H2等可燃组分，热值高于焚烧产生的烟气，合成气经过净化后，可直接用于内燃机发电或制成生物质燃料，资源化效果更好。1.2等离子气化工艺根据生活垃圾气化与灰渣熔融反应容器的异同以及不同的处理对象，可以将生活垃圾气化技术分为：两步法气化技术和直接气化熔融焚烧技术。而等离子垃圾气化即可采用两步法气化技术，又可采用直接气化熔融技术。两步法气化技术的工艺特点是：先将城市生活垃圾置于某一气化炉中并在还原性气氛和温度为450600的条件下进行气化，形成易燃烧的可燃气体和易于铁、铝等金属回收的残留物，再在另一熔融炉中进行可燃气体焚烧和能扼制二恶英形成的气化残留物高温熔融处理。整个过程将城市生活

19、垃圾气化过程和熔融过程分别置于两个相对独立的设备中进行，然后再将这两个设备有机地结合为一个整体形成一个完整的城市生活垃圾气化熔融工艺流程。直接气化熔融技术的工艺特点是：将城市生活垃圾的气化过程和熔融过程置于一个设备中进行，因此该技术的整个工艺过程设备简单，工程投资和运行费大大降低，操作比生活垃圾两步法气化熔融处理技术也要容易得多。等离子气化工艺主要包括原料的预处理、气化、合成气的净化、热回收以及产品利用。生活垃圾气化试验平台包括“接料系统、一级反应器系统、二级反应器系统、等离子炬系统、脱酸系统（包括值班火炬）及辅助系统”六个部分。生活垃圾筛上物或者经挤压装置挤压后的厨余垃圾进入一级反应器进行气

20、化，温度在700左右；气化合成气进入二级反应器经两支等离子炬的高温与等离子体作用生成热值较高的气化合成气，温度在1200左右；高温的气化合成气经气气换热器冷却到600后进入半干式脱硫塔进行降温脱酸处理，温度在200左右；经脱酸处理后的合成气经引风机作用送入火炬燃烧后对空排放。它是常规气化和重整（等离子体作用在合成气上）反应的结合，即两步法气化技术。2.国内外技术进展等离子气化技术最早起源于20世纪60年代，近年来开始尝试用于处理城市和工业垃圾。目前国外研究已经从基础研究过渡到商业应用上，各个主流技术均在积极推动该项技术的商业化应用，而国内的等离子气化技术研究主要集中在煤、生物质及有机固体废弃物

21、上，只有中科院力学所开始涉及城市生活垃圾，起步较晚，成果有待考证。2.1国外技术研究进展在生活垃圾处理方面，全球拥有商业化的等离子体设备的公司只有两家：（1）2003年原美国西屋等离子体公司WPC （Westinghouse Plasma Corporation，已被加拿大Alter NRG公司收购）在日本北海道歌志内市建成了两套世界上最大规模的设备，处理量为100t/d；（2）2008年6月加拿大的普拉斯科能源集团公司（Plasco Energy Group Inc.）在加拿大渥太华市建成了单台规模接近100t/d设备。此外，BellWether公司在德国、英国、罗马尼亚有自己建设、拥有并运

22、营使用IMG技术的气化设施，用于生活垃圾、工业垃圾、生物质、RDF及污泥发电或再生。韩国“先进等离子技术公司”于2008年先后建成了位于青松县的生活垃圾等离子气化处理厂，以及一座核废料等离子融化处理厂。以色列EER公司/瑞典皇家工学院建立了处理量为12t/d的示范工程。2.2国内技术研究进展在国内等离子垃圾气化技术研究处于前列的是中科院力学所，近20年来进行了多方面等离子体废物处理的应用基础研究工作，如等离子体反应器内流场特征、有害/可利用元素迁移规律、玻璃体物理化学稳定性等。其建成了三条完整的等离子体处理危险废物的生产线：在实验室建成了一条3t/d的等离子体处理模拟医疗垃圾的实验线，与企业合

23、作建成了两条工业规模（510t/d）的等离子体处理危险废物的生产线。这三条线是国内仅有的三条完整的有机废物处理线，具有完全自主的知识产权。这三条线都是针对危险废物设计的，处理能力定位在510t/d。西安电力电容器厂在2006年建立了国内第一套化工固体废物等离子体处理系统-2006；2009年并在礼泉基地建立了国内唯一处理PC2Bs-009的示范工程，示范工程为50t/d筛上物（30%含水率、干燥）的等离子垃圾气化，并获得了自有知识产权的6项发明专利。3.存在问题及解决措施垃圾气化考察指标主要包括二恶英、焦油含量和合成气品质三种。等离子气化过程中存在二恶英和焦油等有害物质的产生，因此避免或者降低

24、二恶英和焦油的产生是优化垃圾气化工艺的重要标准，从而达到国家烟气排放和利用标准。3.1二恶英二恶英的产生有两个来源，一个是垃圾燃烧气化过程产生；另一个是烟气急冷降温过程再生。其产生主要取决于温度和停留时间，控制二恶英的产生可采取以下措施：采用“3T”（temperature turbulence time）技术，一般温度850，停留时间2s，采用二次风，使燃烧物与空气充分搅拌混合，减少二恶英前驱物质的生成。采用等离子二级反应器对合成气进行重整，使出口的合成气温度达到9001200，研究表明，在此温度下二恶英去除率可达99.9999%。在二级反应器炉内设置多级错位挡板，延长烟气在炉内的停留时间。

25、采用二次进风，保持空气与垃圾间混合均匀，降低二恶英前驱物质生成的风险。其再生主要取决于温度、停留时间和氧气浓度，故为了抑制二恶英的再生，我们对烟气采取急冷降温，使其迅速跨过500200这一再生温区，控制烟气停留时间在1s内，严格控制进入气化炉内的空气量及整套系统的气密性，防止空气渗入。3.2焦油焦油的产生主要取决于转换温度和气相停留时间，随着温度升高和停留时间的增加，焦油的含量会明显地减少。为了降低焦油的产生，我们采取先将垃圾进行常规气化（650），然后再对合成气进行等离子体重整，使出口的合成气温度达到9001200，在此温度下可将部分焦油裂解，提高合成气的品质。在二级反应器炉内设置多级错位挡板，延长烟气在炉内重整的停留时间。烟气中残留的焦油采用碱液喷淋洗涤和活性炭吸附，从而达到利用标准。3.3合成气品质垃圾气化工艺的关键是气化系统气密性要良好。目前已进行了处理量为15t/d的中试试验，从试验结果来看，气化效果并不理想，其中烟气中的可燃性气体含量较低，并且气化炉中的温度波动也较大，这是由于气化炉膛存在漏风等问题，引起垃圾气化当量比变化，从而改变垃圾气化工艺参数，影响合成气品质。4.结论