處理垃圾的新技術(shù)：電弧等離子體

劉文娟

當(dāng)所有人都在為堆積如山的垃圾煩惱時，Michiaki Shigehiro的煩惱可謂無人能解?！拔颐刻於荚谂ふ腋嗟睦?，Michiaki Shigehiro面情嚴(yán)肅地說。事實上，他每天平均能收購100噸的垃圾，但他希望越多越好。

Shigehiro是Eco Valley Utashinai公司的商業(yè)常務(wù)經(jīng)理。這個公司是以日本北海道一個小城市命名的。該公司利用電弧等離子體技術(shù)將垃圾轉(zhuǎn)化為能源，其實質(zhì)是依靠振蕩的電流體，在一個密閉空間使空氣電離，產(chǎn)生16000℃的超高溫，幾乎是太陽表面溫度的3倍。這項技術(shù)可以說是昂貴的，若要收回其5900萬美元的巨額投資，充足的垃圾供應(yīng)量是重要的影響因素。

僅Utashinai城所產(chǎn)生的垃圾是不能完全滿足EcoValleyUtashinai工廠需要的，但放眼日本、放眼全球，人類產(chǎn)生的垃圾就太多了。日本每年產(chǎn)生約5千萬噸垃圾，人均每天約1千克，包括紙張、食物、塑料和其他垃圾。這些垃圾統(tǒng)稱為城市固體廢物。美國的年人均產(chǎn)垃圾量更高，幾乎是日本的兩倍，僅2005年美國就產(chǎn)生了2.22億噸的城市固體廢物。通常，這些城市固體廢物不是被掩埋就是焚燒掉。不管那種方式，都是既費錢（納稅人的錢）又會對土地和大氣造成嚴(yán)重的污染。在美國不同的地區(qū)，掩埋一噸垃圾的直接成本是30－80美元，焚燒１噸約69美元，而像日本這樣土地資源極其珍貴的國家，掩埋或焚燒一噸垃圾則必須付出200－300美元的直接經(jīng)濟成本。另外，不管是掩埋處理還是焚燒處理都會沖擊經(jīng)濟的發(fā)展，降低垃圾處理場附近區(qū)域的物產(chǎn)價值，而且如果處理不當(dāng)，還有可能產(chǎn)生巨大的環(huán)境風(fēng)險。

Eco Valley Utashinai的設(shè)計者認為，只要利用電弧等離子體技術(shù)，這些問題都能得到很好的解決。理論上，通過氣化將垃圾轉(zhuǎn)成能源，垃圾處理將會是一個既環(huán)保又利潤豐厚的良性產(chǎn)業(yè)。從理論上計算，一噸固體垃圾蘊含的能量是同質(zhì)量煤的1/3至1/2，這足夠支撐一個垃圾處理場能量使用，剩余的也可以賣給國家電網(wǎng)。但是Utashinai等離子體垃圾處理廠作為世界上正在運行的一個大型的城市固體廢料能量回收處理廠，自2002年開始運營，只是勉強能夠做到收支平衡。

目前，一些公司正在設(shè)計他們自己的“電弧等離子體”處理廠。他們堅信，在日本的經(jīng)驗基礎(chǔ)上肯定能夠作一些改進。亞特蘭大公司Geoplasma已簽訂合同，準(zhǔn)備在佛羅里達州中部的ST Lucie 地區(qū)籌建一個10倍于Utashinai的垃圾處理廠。這個地區(qū)物產(chǎn)豐饒，但卻因為有一個巨大的垃圾掩埋場，該地物產(chǎn)已經(jīng)貶值。如果Geoplasma工廠能夠成功，到2009年，日均垃圾處理量將達到2700噸。2006年9月份，威爾頓的Startech環(huán)境公司Connecticut（康涅狄格），宣稱已經(jīng)簽訂了在巴拿馬建立一個日處理垃圾180噸的電弧等離子體垃圾處理場的合同。與此同時，安大略湖Plasco能源集團正在談判，計劃在渥太華和巴塞羅那也建立同樣規(guī)模的垃圾處理工廠。

這些工廠的建立，將是對電弧等離子體技術(shù)的極大支持，盡管這項技術(shù)還沒有實現(xiàn)“垃圾變金子”的承諾，但是，多數(shù)業(yè)內(nèi)人士對該技術(shù)的前途都很樂觀。隨著政府和公眾對環(huán)保污染問題的日益重視及能源價格的持續(xù)上漲，Geoplasma公司環(huán)境組的負責(zé)人Hiburn Hillestad相信這項技術(shù)的前途注定是光明的。

雖然電弧等離子體技術(shù)在垃圾處理上大規(guī)模的應(yīng)用才剛剛開始，其實它是一項很老的技術(shù)。自上個世紀(jì)60年代開始，美國國家宇航局（NASA）就利用該技術(shù)模擬航天飛機返回大氣層時的超高溫度?，F(xiàn)在等離子體炬廣泛應(yīng)用于金屬焊接或用來破壞各種危險的材料。但是，直到上個世紀(jì)90年代該技術(shù)才被一些公司用于垃圾處理，像威爾頓的Startech環(huán)境公司和美國賓西法尼亞州麥迪遜城市的Westinghouse公司等。

等離子體炬的工作原理是在一個密閉空間里，通過強大的電弧，使空氣電離產(chǎn)生等離子體，然后在另一個缺氧的密閉空間里，城市固體廢料（MSW）就在這里面，此外還有焦碳、石灰石，產(chǎn)生的等離子體對它們進行超高溫加熱。在無氧化的條件下，垃圾混合物中的無機物迅速玻璃化，最后產(chǎn)生的無害熔渣可作為建筑材料。最為重要的是，高溫可分解固體廢料中的有機分子。在有氧條件下，分解能產(chǎn)生大量的二氧化碳；若在無氧的條件下，固體廢料中的有機物就會轉(zhuǎn)化為氫氣和一氧化碳的混和物，這種混合物，可以像天燃氣一樣作為一般汽輪引擎的能源，其中的氫氣進一步純化分離，則可以作為單獨的燃料。對這種氣體混合物作進一步的處理，降低其中污染物質(zhì)的含量，如氮化物和二氧(雜)芑等直接進入渦輪機或釋放到大氣層中。

日本在這項技術(shù)上已有一些成功的例子。Utashinai工廠每年輸出約30億瓦特的電能，完全解決了該工廠運行使用能量的需求。但由于該城市的人口稀少，它的垃圾供應(yīng)量在逐漸減少。Utashinai城目前只有5500居民，被認為是日本最小的城市。它之所以被稱為城市，只因50年前這里有45000名居民。當(dāng)初建立這個工廠，是期望通過征收垃圾處理費（已經(jīng)實現(xiàn)）和出售電能及無害熔渣（還未實現(xiàn)）來實現(xiàn)自身的運行，而完全沒有料到會出現(xiàn)垃圾供應(yīng)不足的問題。這個工廠處理的垃圾量平均只達到預(yù)期的60%。各種設(shè)備也經(jīng)常出現(xiàn)問題，雖然不是核心技術(shù)等離子體炬的問題，但兩條生產(chǎn)線中，常有一條是處于維修檢修狀態(tài)。當(dāng)兩條線都能夠全力運作時，垃圾量又不夠，有時候兩條線都處于停產(chǎn)狀態(tài)。從其它地區(qū)引進垃圾是一個解決方法，但是沒有哪個城市愿意成為其他地區(qū)的垃圾傾卸場?！按蠹覍挠∠蠖己茉愀狻?，Shigehiro說。美國的一些州計劃進口垃圾，但要收取高額的傾卸費用。紐約和多倫多這樣的大城市的大部分垃圾都是出口處理。日本的垃圾交易很少，當(dāng)?shù)卣鼉A向于自己處理垃圾，而不是裝載到其他地方。

佛羅里達州St Lucie地區(qū)的垃圾掩埋場的垃圾量已達到43萬噸的。清理完這些垃圾，不但可以開發(fā)出160英畝的土地，而且還能提高當(dāng)?shù)氐奈锂a(chǎn)價值。Geoplasma公司一旦建成，每天可以處理1800噸的新垃圾和900噸已掩埋的垃圾，不需20年就可以處理完這些垃圾，且能把4.25億美元的投資成本收回來。該公司負責(zé)人Hillestad說，其80%的收入都將來自能源的出售上。該公司計劃每天生產(chǎn)出1.6億瓦的電量，其中四分之三都會用來出售。

Geoplasma公司和日本Utashinai工廠的一個不同點就在氣體渦輪機的使用上。這種渦輪機能將氫氣和一氧化碳混合氣體轉(zhuǎn)化為電能。Utashinai工廠使用的是一個較便宜的蒸汽渦輪機，轉(zhuǎn)化率僅為15%，而Geoplamsa將使用價值4000萬美元的氣體渦輪機，轉(zhuǎn)化率可達到40%。高效的轉(zhuǎn)化率是獲得更多的能源的保障。曾為Utashinai工廠安裝設(shè)備的日本日立金屬環(huán)境系統(tǒng)部門的領(lǐng)導(dǎo)Shinichi Osada認為：“這會沖擊氣體渦輪機的使用”。蒸汽渦輪機工作原理是通過氣體加熱水，用蒸汽推動渦輪機產(chǎn)生電能。氣體渦輪機則直接用氣體本身來推動渦輪機的轉(zhuǎn)動，這明顯是更高效的能量轉(zhuǎn)換過程。但由于混合氣體中含有少量的氫氯化物和硫氧化物，渦輪機不可避免地要接觸這些腐蝕性氣體，因而耗損比較厲害。事實上，Utashinai在以前的計劃方案中也計劃使用氣體渦輪機，但考慮到機器磨損的情況，又換成了蒸汽渦輪機。Geoplamsa公司負責(zé)人Hillestad則說：“預(yù)處理混合氣體能將腐蝕氣體的含量降到能接受的水平范圍內(nèi)，St Lucie 垃圾處理場的規(guī)模，允許我們做更高的技術(shù)投資，從而避免這樣的問題”。

每次投標(biāo)當(dāng)?shù)卣嘘P(guān)垃圾處理的項目時，電弧等離子體技術(shù)都要面臨其它處理垃圾方法的挑戰(zhàn)，這些方法也保證說能把垃圾轉(zhuǎn)為能源，或降低污染物的含量。“我們仔細研究過焚燒、厭氧消化、氣化、電弧等離子體、生物反應(yīng)和掩埋方式等方案”，St Lucie地區(qū)垃圾處理廠指導(dǎo)中心助手Ron Roberts說。通過一份6000頁的研究報告得出的結(jié)論：結(jié)束對垃圾掩埋場的依賴，解決城市固體廢料，電弧等離子體技術(shù)是唯一被證明行之有效的方式。徹底擺脫垃圾掩埋場是St Lucie 地區(qū)選擇電弧等離子體的一個關(guān)鍵因素。 Geoplasma公司也需要有掩埋垃圾場來保證充足的垃圾供應(yīng)。一旦垃圾掩埋場的“資源”用完了，而常規(guī)的垃圾供應(yīng)又得不到足夠的保障，那公司就不得不選擇關(guān)閉工廠，但到那時它們的投資成本也肯定早回收了。缺少穩(wěn)定的垃圾供應(yīng)是Geoplasma公司在夏威夷建立工廠計劃失敗的原因之一，當(dāng)?shù)卣荒鼙ＷC每天300噸的供應(yīng)量，“這就是我們競爭不過那些現(xiàn)存的垃圾焚燒廠的原因”，Hillestad解釋道。

盡管沒人會反對對垃圾掩埋場的清理，但是，環(huán)境部門仍然警惕一氧化碳和氫氣混合物中的污染物。在2006年的一份“城市固體垃圾廢料的熱量轉(zhuǎn)化策略”報告中，加利福尼亞州健康與環(huán)保正義的綠色行動組織，宣稱電弧等離子體技術(shù)和其他高溫氣化技術(shù)實質(zhì)上是“偽裝的焚燒爐”。Utashinai 工廠已經(jīng)達標(biāo)日本所有最苛刻的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)（盡管還沒有通過當(dāng)?shù)卣膶彶椋?，但該公司的Shigehiro卻仍懷疑這項技術(shù)的前景：許多外國人來我們工廠參觀考察，卻沒有行動去建立這樣的垃圾處理場。Geoplasma公司的Robert則相當(dāng)樂觀，他曾參觀過Utashinai工廠，他說“我對這項技術(shù)的優(yōu)勢和前途毫不擔(dān)心，我們已看到它取得的成果。付出那么多，我們當(dāng)然也迫切希望自己的辛勤努力換來必要的經(jīng)濟回報”。那就讓Geoplasma公司來證明電弧等離子體技術(shù)的優(yōu)勢和美好的前景吧！

（本文譯自2006年出版的《自然》雜志，作者為亞洲記者David Cyranoski）

(責(zé)編：張國棟)