垃圾等離子氣化技術研究

黃靜

摘要：簡要介紹了垃圾等離子氣化技術及其主要特點，總結了當前主流垃圾等離子氣化技術及國內(nèi)研究現(xiàn)狀，通過典型項目案例分析了我國垃圾等離子氣化技術工程應用存在問題及發(fā)展趨勢。

關鍵詞：等離子氣化技術;垃圾氣化技術;工程應用

Abstract： The plasma gasification technology for garbage and its main features are briefly introduced. The current mainstream plasma gasification technology and domestic research status are summarized. The problems and development trend of the application of plasma gasification technology in China are analyzed through typical project cases.

1? 垃圾等離子氣化技術

1.1 等離子氣化技術介紹

1.1.1 技術簡介

等離子氣化技術起源于20世紀60年代，通過等離子炬產(chǎn)生高達5000K的高溫環(huán)境，將垃圾加熱至高溫，有機成分轉化成合成氣，其他物質(zhì)則轉變?yōu)椴Ａw狀的熔渣，從而實現(xiàn)垃圾、危廢的有效處理。合成氣可用于轉化成各種能源產(chǎn)品，如電力、甲醇、乙醇、生物柴油等;熔渣則可以作為建筑材料的原料。

1.1.2 技術特點

①等離子體。

等離子體是一種高溫熱能，被稱為固、液、氣三態(tài)之外的第四態(tài)。等離子體可以由等離子炬產(chǎn)生，在炬內(nèi)產(chǎn)生類似于閃電的電弧，讓空氣流過電弧而產(chǎn)生等離子體。等離子體溫度高達5000度，可以被加以控制和引入氣化爐。

②等離子氣化。

等離子氣化爐是一種在高溫、缺氧狀態(tài)運行的容器，利用等離子炬作為氣化爐的熱源，提供用于維持爐內(nèi)高溫環(huán)境的能量，將爐內(nèi)原料有機部分分解成氫和一氧化碳等簡單化合物，即合成氣，而如金屬、玻璃、混凝土等無機成分則熔化為玻璃體熔渣，從氣化爐底部排出。

1.1.3 技術優(yōu)勢

①爐內(nèi)高溫一方面可破壞二噁英、呋喃等有害物質(zhì)的生成，有效保證凈化后排放尾氣無害化，另一方面可使固體廢物中的無機成分（如灰分）熔化，最終形成可資源化利用的液態(tài)玻璃體熔渣，減少填埋。

②規(guī)模靈活，設計彈性大，適應性廣，能處理各種類型的固體廢物，特別是危險廢物。

1.2 等離子氣化技術路線

目前垃圾等離子氣化技術由基礎研究逐漸轉向商業(yè)化應用，并形成了如下主流技術：

1.2.1 美國西屋公司等離子氣化技術

美國西屋公司等離子氣化技術主要由給料處理、等離子氣化、氣體冷卻、合成氣凈化和產(chǎn)品選擇5個過程組成，使得廢棄物轉化為各種有價值的能源產(chǎn)品。

美國西屋等離子氣化技術目前發(fā)展較好，美國和日本一些采用西屋等離子氣化技術的示范和中試裝置已成功運行，其業(yè)績見表1。

1.2.2 德國Bellwether公司等離子氣化技術

德國Bellwether公司等離子氣化技術采用氣化熔融+等離子重整工藝（IMG），主要經(jīng)過進料、干燥、氣化、灰渣玻璃化、等離子重整5個過程。氣化爐先將生活垃圾干燥，然后使其在缺氧、高溫環(huán)境下氣化，合成氣進入重整爐利用等離子弧加熱，使初級混合氣撕裂、分解，形成凈化后的清潔氣。經(jīng)重整后的清潔氣分兩部分，一部分返回氣化室維持氣化爐高溫熱解所需的溫度，另一部分用于發(fā)電、供熱等。

在應用方面，羅馬尼亞城市生活垃圾等離子氣化技術示范項目采用德國Bellwether公司技術，最大處理量12t/h，氣化效率80～85%，發(fā)電裝機1.4MW，已于2018年投產(chǎn)。

1.2.3 加拿大Plasco能源等離子氣化技術

加拿大Plasco能源等離子氣化技術是基于燃氣輪機發(fā)電的氣化工藝，垃圾需預先處理除去其中金屬類物質(zhì)，預處理后的垃圾進入氣化爐進行2級熱解，第一級利用廢物自身熱值熱解，第二級利用等離子電弧的高能量重整生成合成氣，合成氣進入內(nèi)燃發(fā)電機中轉化為電能;一級裂解室產(chǎn)生的爐渣送入熔融床經(jīng)等離子體炬處理后轉化成玻璃體。

1.3 國內(nèi)研究進展

國內(nèi)城市生活垃圾與發(fā)達國家城市生活垃圾存在較大差異，國內(nèi)城市生活垃圾目前尚未建成有效的分類體系，垃圾中廚余含量較高、含水率高，熱值較低，而等離子氣化爐及其系統(tǒng)主要依據(jù)原料性質(zhì)設計，因此單純引進國外技術可能出現(xiàn)“水土不服”的情況。目前國內(nèi)垃圾等離子氣化技術處于實驗研究階段，僅在小規(guī)模危廢處理領域有等離子氣化技術的工業(yè)應用：

中科院力學所在等離子廢物處理的應用基礎研究方面成果頗豐，實驗室建成1條處理模擬醫(yī)療垃圾的等離子氣化實驗線，處理規(guī)模為3t/d;與企業(yè)合作建成了2條處理危險廢物的等離子氣化工業(yè)生產(chǎn)線，處理規(guī)模達10t/d;此外正在建設城市生活垃圾處理示范裝置，處理規(guī)模達50t/d，此示范裝置由預處理、等離子體裂解、尾氣降溫凈化、發(fā)電等工藝流程組成。

廣州能源研究所致力于等離子氣化的機理研究，與中科大合作在實驗室建立了1套直流電弧等離子體熱解系統(tǒng)，規(guī)模為100kW，處理生物質(zhì)和有機固體廢棄物，工作氣體采用N2，用于分析不同物質(zhì)的等離子氣化特性。

復旦大學針對有機廢物，提出了1種采用低溫水蒸汽作為等離子體炬工作氣體的氣化技術，等離子炬可將150～250℃水蒸汽加熱至平均溫度5000℃，生成的合成氣中H2和CO占氣體組成的99%，且不含焦油等有害成分。

在等離子體氣化技術的國內(nèi)工程應用方面，2018年西安航天源動力工程有限公司在江蘇鹽城自主研發(fā)建成等離子體爐渣氣化熔融固廢處理示范工程，日處理量達10噸，連續(xù)穩(wěn)定運行超30天。

2? 典型垃圾等離子氣化項目分析

2.1 典型600噸/天垃圾等離子氣化發(fā)電項目

某等離子垃圾氣化發(fā)電項目擬處理生活垃圾600噸/天，其它固體廢棄物200噸/天，裝機容量15MW，預計產(chǎn)出電力7420萬度/年，泡沫玻璃1萬噸/年，玻璃粉8.95萬噸/年。項目財務分析如表2所示。

該項目擬利用等離子氣化爐的玻璃態(tài)爐渣制成泡沫玻璃和玻璃粉，可實現(xiàn)項目盈利。

2.2 與傳統(tǒng)垃圾焚燒發(fā)電對比

垃圾等離子發(fā)電技術與傳統(tǒng)垃圾焚燒發(fā)電技術對比如表3所示。

垃圾等離子發(fā)電技術可將物料中有機物完全轉化為合成氣，無機物轉化成無害灰渣，實現(xiàn)零排放，具有很大的發(fā)展?jié)摿?。但目前垃圾等離子發(fā)電技術商業(yè)化運行的單機規(guī)模較小，投資成本較高，設備噸產(chǎn)能受物料熱值影響較大，副產(chǎn)品爐渣的利用對項目運營盈利起關鍵性作用，未來垃圾等離子發(fā)電技術產(chǎn)業(yè)發(fā)展亟需相關激勵政策引導促進。

參考文獻：

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