等離子氣化技術(shù)在固體廢物處理中的應用

黃 耕

（北京環(huán)宇冠川等離子技術(shù)有限公司，北京 100142）

等離子氣化技術(shù)在固體廢物處理中的應用

黃 耕

（北京環(huán)宇冠川等離子技術(shù)有限公司，北京 100142）

針對近幾年來等a在國內(nèi)固體廢物處理中的應用情況，對該技術(shù)的先進性和經(jīng)濟性作了進一步分析；介紹了一些應用案例，認為等離子技術(shù)在許多方面，特別是在危險廢物處理方面具有應用推廣前景。

等離子氣化技術(shù)；固體廢物處理；經(jīng)濟性分析；應用案例

1 等離子氣化技術(shù)在固體廢物處理中的優(yōu)勢

采用等離子氣化技術(shù)處理固體廢物的設(shè)備是等離子氣化爐。氣化爐的爐體為鋼制直立式容器，爐體內(nèi)襯耐火材料。氣化爐的熱源是安裝在爐體下部沿壁均布的金屬電極等離子體火炬（也叫等離子體噴槍或等離子體電弧發(fā)生器）。金屬電極等離子體火炬需要的工作氣體（據(jù)此可噴出高溫氣體射流）可以是含氧氣體（空氣、富氧或純氧）和惰性氣體。等離子氣化爐所需的氧化劑氣體可從外部鼓入以充分利用固體廢物自身的熱值。在爐內(nèi)高溫條件下（爐內(nèi)上部可達900℃～1000℃，爐內(nèi)下部可達1600℃～1700℃），固體廢物中的有機成分發(fā)生部分氧化反應而生成可利用的合成氣（含有CO、H2和CH4等成分的低熱值燃氣）， 二英和呋喃等有害物質(zhì)基本被徹底摧毀；而固體廢物中的無機成分則在爐底部被熔化，以熔融態(tài)排出并形成無害的玻璃體材料，可作為建材原料。

還有另一類型用等離子技術(shù)處理固體廢物的設(shè)備是等離子熱解爐。多年來國內(nèi)外的小型試驗裝置都是這種爐型。其熱源是以成對方式安裝在爐體相應部位的石墨電極。因此，電極需要的工作氣體只能是惰性氣體，而且不能向爐內(nèi)鼓風（不能接觸氧）。熱解爐處理固體廢物需要完全依靠電熱來熔融其中的無機成分和裂解有機成分，雖也能達到處理效果和使尾氣量少一些，但耗能較高且不能利用固體廢物物料自身的熱值，加上石墨電極等離子弧爐的結(jié)構(gòu)又限制其不易放大。因此，等離子熱解爐的工程化和市場的推廣應用一直存在較多障礙。

綜上所述，屬于第三代“熔融氣化”技術(shù)范疇的等離子氣化爐處理固體廢物具有以下優(yōu)勢∶

（2）爐內(nèi)高溫可使固體廢物中的無機成分（灰分等）被熔化而形成無害的液態(tài)玻璃體排渣，減少填埋，更加環(huán)保也更具資源化利用價值。

（3）產(chǎn)生的飛灰（屬危險廢物）可返回爐內(nèi)作重熔處理并也形成玻璃體，可基本省去穩(wěn)定化/固化處理和填埋的繁瑣步驟。長遠看是可節(jié)省寶貴土地資源的最徹底的未端解決措施。

（4）規(guī)模和能力的設(shè)計彈性大，基本能處理各類固體廢物，特別是能解決當前許多危險廢物處理面臨的環(huán)保難題，適應性廣。

（5）等離子氣化爐為常壓固定層氣化爐，操作安全；等離子體火炬為電加熱設(shè)備，開啟和停車方便；布置緊湊，占地小。

（6）效率較高，具有經(jīng)濟竟爭性。

2 等離子氣化技術(shù)在固體廢物處理中的經(jīng)濟性

采用等離子氣化爐處理固體廢物可使裝置的環(huán)保水平上一個新臺階，但這卻是以增加處置成本來實現(xiàn)的。最突出的是固體廢物中的無機成分（灰分等）被熔化而形成液態(tài)排渣時需要較多的熔融熱；等離子體火炬向爐內(nèi)噴出高溫和高熱密度的氣體射流的作用就是維持爐底部熔渣熔池的溫度和保持爐內(nèi)的溫度條件。固體廢物中的無機成分（灰分等）含量越高，所需的熔融熱和等離子體火炬的耗電也就越多，處置成本就要增加。而傳統(tǒng)以干態(tài)排渣的處理設(shè)備則沒有這一問題（也需考慮爐渣的填埋成本）。

以需要耗電較多的垃圾焚燒飛灰為例，其主要成分為含Si、Ca、Al、Fe等的氧化物和少量Na、K等的氯化物以及鈣鹽，還有被活性炭吸附的微量重金屬和二英等有害物質(zhì)。飛灰中的殘?zhí)亢苌伲曰緹o熱值。用等離子爐處理飛灰，是一種使飛灰再熔融和排出爐后形成無害玻璃體（可牢牢固化有害重金屬）的過程，并有很好的減容效果（玻璃體密度為2.7～3.3，減容比大于4）。同時，玻璃體經(jīng)浸出毒性檢測，可鑒別為不屬危險廢物。因此，這項處理措施既可使飛灰無害化也能使其資源化，這能很好地解決飛灰處理的環(huán)保難題。但是，飛灰所需的熔融熱如折合電熱，每噸需700～900度電，處置成本每噸需800～1000元。

處理其他有一定熱值的固體廢物（如污泥、醫(yī)療垃圾、廢舊線路板和油漆渣等）時，等離子體火炬的耗電就要少一些；處置成本也比處理飛灰要低。固體廢物的熱值越高，處置成本就越低；所含灰分越少，處置成本也越低。

綜上所述，在當前處理固體廢物的處置費較緊的條件下，考慮危險廢物成分復雜和危害性大，以及危險廢物處置費高一些的情況，等離子氣化爐的處理對象應重點集中在各類危險廢物上。項目決策時要兼顧國家規(guī)定和標準的要求，經(jīng)濟性以及危險廢物的處理條件等相關(guān)因素。

（1）如果危險廢物經(jīng)處理后產(chǎn)生的爐渣也屬危險廢物，必須要作穩(wěn)定化/固化處理并要送安全填埋場，因此爐渣處置成本高。這類項目應考慮采用先進的等離子氣化爐。

（2）如果危險廢物中含有金屬或貴金屬，處理過程要求物料熔融，金屬和爐渣都以液態(tài)排出并能分層分離和實現(xiàn)資源回收。這類項目應采用先進的等離子爐。

（3）如果危險廢物中含灰分不多但熱值較高，用等離子氣化爐進行處理與傳統(tǒng)設(shè)備相比，更加安全環(huán)保但處置成本增加不多。這類項目應考慮采用先進的等離子爐。

（4）如果用傳統(tǒng)設(shè)備處理危險廢物效果不好，這類項目應考慮采用先進的等離子爐。

（5）目前用傳統(tǒng)設(shè)備來焚燒污泥還存在一些問題（污泥干化成本高和有機污泥處理困難），這類項目應考慮采用先進的等離子爐。

（6） 對一些特定的危險廢物（如焚燒產(chǎn)生的飛灰、廢石棉、有輕微放射性的固體廢物，以及有特殊安全要求的危險廢物，如銷毀化武后的殘渣等）的處理，這類項目應采用先進的等離子爐。

3 等離子氣化技術(shù)在固體廢物處理中的案例

3.1 等離子氣化爐處理生活垃圾并帶發(fā)電的裝置

以日處理1000噸垃圾的裝置為例。目前投運最多的以2臺爐排爐（2×500噸/日）加2臺余熱鍋爐，并帶1×22MW汽輪發(fā)電機組的整套工藝設(shè)備已十分成熟，煙氣凈化則多采用半干法流程。如果用等離子氣化爐來取代爐排爐，則整套工藝設(shè)備為2臺等離子氣化爐（2×500噸/日）加2臺后燃室及2臺余熱鍋爐，并帶1×22MW汽輪發(fā)電機組。多了2臺后燃室的原因是從等離子氣化爐出來的爐氣是含可燃成分的合成氣，需要在后燃室中燒掉以產(chǎn)生高煙道氣才能進余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽。裝置的發(fā)電部分和煙氣凈化部分，以及公用工程部分則基本相同。兩相比較，采用等離子氣化爐的裝置投資比采用爐排爐要高約20%；每噸垃圾的處置成本，采用等離子氣化爐比采用爐排爐要增加約100元；增加的原因就是前述的干態(tài)排渣和液態(tài)排渣（需要較多熔融熱）的差別。也有人提出，等離子氣化爐由于液態(tài)排渣增加的處置成本可得到彌補，即從利用玻璃體材料（液態(tài)排渣所形成）來生產(chǎn)保溫磚（板）所創(chuàng)造的利潤來彌補。筆者建議對此要慎重決策，首先是用玻璃體材料生產(chǎn)保溫磚（板）時要添加大量石英砂，其次是這類建材產(chǎn)品多年來已經(jīng)在大量利用工業(yè)渣（如冶金渣等）且產(chǎn)能過剩。筆者還建議，如用等離子技術(shù)對接現(xiàn)有的垃圾電廠，最有效的措施是增加1臺小型等離子爐處理飛灰，既有經(jīng)濟效益又可使裝置水平得到提升。

3.2 等離子氣化爐處理電子垃圾和工業(yè)危險廢物以及醫(yī)療（醫(yī)藥）垃圾的裝置

用等離子氣化爐處理廢舊電子元器件和線路板既安全環(huán)保又利于金屬回收，可一舉扭轉(zhuǎn)這個“城市礦山”行業(yè)的落后狀況并消除環(huán)境隱患。廢舊線路板有一定的熱值，等離子氣化爐可充分利用其熱值。對其他電子垃圾（如銅泥和感光膠渣等）采用等離子爐進行處理，同樣既能保證無害化效果也能回收一些金屬。

目前還存在一些以低溫熱解爐加二燃室處理工業(yè)危險廢物（如油漆渣和涂料渣等）的情況，由于干態(tài)排出的爐渣含有微量重金屬，因而有一定環(huán)境隱患。用等離子爐進行處理，既可充分利用油漆渣等的熱值，又可實現(xiàn)液態(tài)排渣并保證無害化的處理效果。

采用等離子氣化爐處理醫(yī)療垃圾與傳統(tǒng)的回轉(zhuǎn)爐加二燃室的裝置相比，除占地小和流程簡捷，以及不需輔助燃料外，同樣具有液態(tài)排渣并可形成無害的玻璃體材料的顯著優(yōu)勢?？墒∪グ匆?guī)定要對爐渣作鑒別并還要作后續(xù)處理的繁瑣步驟，可保證安全且有利于管理。

醫(yī)藥抗生素生產(chǎn)會產(chǎn)生大量菌絲殘渣（屬危險廢物），這是目前醫(yī)藥垃圾處理中的一個難題。菌絲殘渣含水高，易腐敗，但灰分也少；將菌絲殘渣作預脫水或預干燥后，可得半干物料（具有一定熱值）并送入等離子氣化爐作處理。而利用氣化爐出來的合成氣又可制得熱煙道氣，并正好用作菌絲殘渣預干燥的熱源。

處理電子垃圾和工業(yè)危險廢物以及醫(yī)療（醫(yī)藥）垃圾的等離子爐一般規(guī)模不大，處理能力可達50噸/日。

3.3 等離子爐處理垃圾焚燒飛灰的裝置

與1000噸/日的垃圾發(fā)電廠匹配，能力也可達50噸/日。

3.4 等離子氣化爐處理污泥的裝置

污泥的處理壓力已日漸加大，應積極推廣焚燒方式。但濕污泥的預干燥（干化）一直存在傳熱傳質(zhì)效率低和成本偏高的問題。一般采用循環(huán)流化床鍋爐焚燒預干燥后的半干污泥時，都是將鍋爐所產(chǎn)生的蒸汽返回去作濕污泥預干燥的熱源。但熱蒸汽是不能直接接觸濕污泥的，因此只能采用間接換熱方式且必然降低效率。采用等離子氣化爐處理預干燥后的半干污泥時，可用氣化爐出來的合成氣去制得熱煙道氣，然后將熱道氣返回去直接干燥濕污泥，這就能有效提高傳質(zhì)傳熱效率并可降低干化成本。對于石化和工業(yè)企業(yè)含油和有機質(zhì)，以及含重金屬的污泥和油泥（屬危險廢物），填埋有環(huán)境隱患，做堆肥也不可行，采用等離子爐才能保證處理的無害化效果和盡量減少填埋量。處理污泥的等離子爐的能力可按處理濕污泥（含水約80%）150～200噸/日，折合預干燥后的半干污泥（含水約40%）為50～67噸/日。半干污泥的形態(tài)已成小塊狀并可順利進料至等離子爐內(nèi)。

3.5 等離子氣化爐處理農(nóng)村垃圾和畜牧養(yǎng)殖固體廢物以及秸稈的裝置

安全環(huán)保處理農(nóng)村垃圾和加強新農(nóng)村環(huán)境建設(shè)已提上議事日程，但一些地方目前采取的措施為“村收集，鄉(xiāng)鎮(zhèn)轉(zhuǎn)運和縣區(qū)集中處理”。 筆者經(jīng)過調(diào)研認為，這一措施有較多弊端，主要是鄉(xiāng)鎮(zhèn)分布不平衡和有的距縣區(qū)較遠（超過50公里），因而垃圾轉(zhuǎn)運困難和容易造成二次污染。建議的方案是∶要結(jié)合農(nóng)村當?shù)氐膶嶋H情況因地制宜，在較遠的區(qū)塊以一個大鄉(xiāng)鎮(zhèn)或2～3個一般鄉(xiāng)鎮(zhèn)為集中點建1臺小型的等離子氣化爐，就地快捷解決該區(qū)塊范圍內(nèi)的各類固體廢物（垃圾、畜牧養(yǎng)殖糞便和秸稈等），并可結(jié)合當?shù)氐臈l件，合理利用氣化爐出來的合成氣（低熱值燃氣），如直接作燃氣、燒鍋爐或建小型發(fā)電裝置，在解決固體廢物處理難題的同時也一并發(fā)展了該農(nóng)村區(qū)塊式的綠色分布式能源。該方案有以下特點∶

（1）結(jié)合農(nóng)村實際，可減少垃圾轉(zhuǎn)運困難和二次污染風險。

（2）等離子爐先進可靠，可保證農(nóng)村固體廢物處理從開始就有先進適用及安全環(huán)保的標準。

（3）等離子爐規(guī)模靈活（處理固體廢物能力可按30～50噸/日），又是“通吃”爐，能較好適應農(nóng)村的固體廢物處理要求。

（4）按目前的價格水平，鄉(xiāng)鎮(zhèn)建固體廢物處理點可承受等離子爐的投資與運行成本。

（5）既可綜合處理固體廢物又可促進農(nóng)村區(qū)塊式的綠色分布式能源發(fā)展。

需要說明的是，農(nóng)村畜牧養(yǎng)殖業(yè)的糞便（如萬頭養(yǎng)牛場的糞便等）長期以來都是用作生產(chǎn)沼氣，沼氣可就地直接利用或發(fā)電，沼渣可做肥料，沼液可就地作灌溉。但經(jīng)調(diào)研，也發(fā)現(xiàn)其中存在一些不足之處（特別是在缺水的北方）∶1）做沼氣耗水多。雖然產(chǎn)生的大量沼液可就地作灌溉（因管道條件限制也只能就地利用），但就地且長期在某處施用也意義不大。而等離子氣化爐幾乎不耗水。2）沼氣投資較大、占地大、流程復雜，成本也不低。而等離子氣化爐在這些方面都更有競爭力。3）做沼氣資源利用率低。得到的沼渣肥效低，做肥料時還需要配優(yōu)質(zhì)肥。但等離子爐的充分氣化過程可保證較高的資源利用率。

以萬頭養(yǎng)牛場的牛糞為例，等離子爐的處理能力可按300噸/日（含水約80%），折合壓濾過的半干牛糞（含水約20%）為70噸/日。處理同樣數(shù)量的牛糞，從氣化爐出來的合成氣量比沼氣要多（折合到同熱值作比較），合成氣同樣可用作燃氣、燒鍋爐或發(fā)電，但整個流程比做沼氣簡捷得多，且投資小、占地少。

綜上，采用等離子氣化爐處理畜牧養(yǎng)殖業(yè)的糞便與用做沼氣相比，有明顯優(yōu)勢，因此建議因地制宜加以應用推廣。

3.6 等離子爐處理冶煉廢渣和灰（泥）以及尾礦渣的裝置

利用等離子技術(shù)熔煉爐的優(yōu)勢（等離子熔煉爐效率較高，并允許以粉狀進料），安全環(huán)保處理冶煉渣和尾礦渣并“變廢為寶”的方案包括∶（1）利用高爐灰（泥）富含硅、鐵和碳元素的特點，用等離子爐冶煉硅鐵合金產(chǎn)品；（2）利用鋼渣富含鐵元素的特點，用等離子爐作還原冶煉并回收鐵；（3）利用一些鐵礦選礦后的尾礦富含硅和鐵元素的特點，用等離子爐冶煉硅鐵合金產(chǎn)品；（4）根據(jù)一些有色礦選礦后的尾礦還有金屬（如鎳錫等）回收價值的情況，用等離子爐熔融處理尾礦，回收金屬并將熔融渣（玻璃體）用于建材。

近幾年來，等離子技術(shù)已應用于傳統(tǒng)工業(yè)爐窯的節(jié)能減排技術(shù)改造和新材料開發(fā)，如研發(fā)等離子技術(shù)鎂合金冶煉爐、等離子技術(shù)煤氣化爐（可利用劣質(zhì)煤）、等離子技術(shù)高純石墨制備爐和高純氧化鋯制備爐等；國內(nèi)已建起了第一臺等離子技術(shù)硅鐵合金冶煉試驗（示范）爐和第一臺等離子技術(shù)“海綿鐵” 渣鐵熔融分離試驗（示范）爐，應用效果均良好。

Application of Plasma Gasifcation Technique in Solid Wastes Treatment

HUANG Geng
(Universal Plasmatek Environment Holdings Ltd, Beijing 100142, China)

Based on the application of plasma gasifcation technique in solid wastes treatment of the country in recent years, the paper makes the analysis on the technical advance and economy; presents a number of application cases. The plasma technique has a prospect of application and popularization in many felds, especially in the feld of hazardous wastes treatment.

plasma gasifcation technique; solid wastes treatment; economic analysis; application case

X705

A

1006-5377（2015）05-0029-04