等離子氣化技術在固體廢物處理中的應用

黃 耕

(中國化學工程股份有限公司，北京 100007)

等離子氣化技術在固體廢物處理中的應用

黃 耕

(中國化學工程股份有限公司，北京 100007)

針對國內(nèi)固體廢物處理的經(jīng)驗和情況，從保證處理的無害化效果以及讓固體廢物的處理經(jīng)濟可行結合的角度，介紹了等離子氣化技術的應用效果及優(yōu)勢，認為采用等離子氣化技術進行固體廢物處理的時機已經(jīng)成熟。

等離子氣化;固體廢棄物;處理;技術應用

引言

目前，針對固體廢物（城市垃圾、工業(yè)垃圾和有害廢棄物等）的處理主要有三種方式，即衛(wèi)生填埋、堆肥和焚燒發(fā)電。但隨著我國城市垃圾年產(chǎn)生量的增加，許多地方已出現(xiàn)了垃圾無地可埋的尷尬局面。垃圾焚燒的減量化、占地少的優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)。因此我們既要依據(jù)國情，正視垃圾焚燒方式存在的必要，又要不斷總結這方面的經(jīng)驗，以及管理方面的不足和存在問題，完善垃圾焚燒工作。

垃圾焚燒無害化的效果及其經(jīng)濟性是垃圾焚燒需要解決的基本問題，二者必須較好地結合起來。不同于傳統(tǒng)的垃圾焚燒方式，一種采用等離子技術和將垃圾氣化生成清潔燃料的理念和做法，也是一種有意義和有價值的選擇。

1 等離子氣化技術

等離子氣化技術是指利用等離子炬作為氣化爐的熱源，而不是傳統(tǒng)的點火和熔爐。等離子炬有著能產(chǎn)生高強度熱源的優(yōu)勢（約5500℃），而且操作相對簡單，氣化爐內(nèi)的等離子體則是一種高度電離或者充電氣體。

與焚燒完全不同的等離子技術是一種氣化技術，由于其高溫和高熱密度，等離子技術幾乎能將碳基廢物中的有機物完全轉(zhuǎn)化成合成氣（主要為CO和H2），而無機物則可變成無害灰渣（玻璃體）。對于固體廢物中的工業(yè)垃圾和有害廢棄物，等離子氣化技術在國外已被證明是一種可靠的處理措施。

利用等離子氣化技術將城市固體廢物轉(zhuǎn)化為能源雖是新工藝，但它具有很大的潛力，比起其他熱解和燃燒系統(tǒng)，等離子技術能更有效地運行。

2 國外等離子氣化技術的發(fā)展

美國西屋公司（Westinghouse）的等離子體與等離子氣化已有30多年的應用經(jīng)驗，該公司早在20世紀60年代就開始為航天用途建造等離子炬。之后，等離子炬多年用于銷毀化學武器、印刷電路板和石棉等有毒廢物。20世紀90年代初，該公司在美國設置了一個處理固體廢物并帶有發(fā)電的試驗裝置；到20世紀90年代末，該公司又在日本建造了一個中試規(guī)模的等離子氣化裝置，主要將生活垃圾、污水污泥、廢舊汽車粉碎后的殘留物等進行處理。由于等離子氣化爐內(nèi)的操作溫度可達1200℃～1500℃，因此這個中試裝置的運行是成功的。試驗過的固體廢物包括城市固體垃圾、危險垃圾、工業(yè)垃圾、建筑垃圾、輪胎、地毯、汽車粉碎殘渣、液體與泥漿等，以及石油焦、劣質(zhì)煤和生物質(zhì)。2000年以來，擁有和掌握這項技術的加拿大阿爾特公司（ALter）在全球范圍內(nèi)積極推進建設商業(yè)化規(guī)模的等離子體垃圾處理項目，并且已有4個成功業(yè)績和正在運作多個類似項目（除發(fā)電外，還有一個項目是用合成氣生產(chǎn)乙醇）。

3 等離子氣化技術處理固廢系統(tǒng)

等離子氣化技術處理固體廢物是幾個成熟子系統(tǒng)技術的組合。固體廢物的等離子氣化處理技術系統(tǒng)雖是一個新的應用，但都是由使用非常成熟的子系統(tǒng)組成的。固體廢物經(jīng)過粉碎成小塊和分揀出金屬和玻璃等預處理后，進入等離子氣化爐，有機物氣化成合成氣并從氣化爐頂部排出，而熔融的爐渣則從爐底排出。合成氣再通過熱回收器，一方面降低了溫度，另一方面又產(chǎn)生了蒸汽。降溫后的合成氣又通過水激冷和其他凈化過程，按不同用途，可直接用于燃氣輪機發(fā)電，也可用于燒鍋爐產(chǎn)生蒸汽，并與熱回收器的蒸汽一并用于發(fā)電。如果不發(fā)電，合成氣則可進行變換，并用于制取化學品如氨、甲醇、乙醇等。等離子氣化爐出來的合成氣的處理過程，與煤氣化爐出來的合成氣的處理過程基本相同。

等離子炬現(xiàn)已被可靠用了數(shù)十年；合成氣凈化技術也是被煤氣化行業(yè)很好掌握了的工藝；發(fā)電或制取化學品則與煤氣化的下游加工是一樣的。因此，將等離子氣化技術用于固體廢物處理，從工程和技術，以及項目建設的可靠性上講，只需要做好子系統(tǒng)的結合和完善流程。這也充分顯示了等離子氣化技術用于固廢處理有較強的適應性。

從工藝和關鍵設備材料來看，除等離子氣化爐的等離子炬及系統(tǒng)，以及氣化爐的內(nèi)襯耐火磚的供貨及性能保證還要深入研究和消化外，其余氣化爐出來合成氣的高溫熱回收器、電除塵裝置、水激冷洗滌設備和氣體凈化設備等，由于國內(nèi)煤化工歷史悠久，都具備了豐富的經(jīng)驗。

4 等離子氣化技術處理固體廢棄物的經(jīng)濟可行性

固體廢物的等離子氣化處理的投資可能會高一些。但經(jīng)過分析，經(jīng)濟上是可行的。與垃圾焚燒發(fā)電比較，由于等離子氣化爐溫度高和固體廢物氣化徹底，產(chǎn)生蒸汽和發(fā)電的效率更高一些，可外售的電量也要多一些。初步比較一個日處理1000噸城市垃圾的焚燒發(fā)電廠和等離子氣化發(fā)電廠，后者總發(fā)電量為前者的150%，扣除后者工廠全部用電20%后，外售的電量也約為前者的150%。

需要說明的是，過去6年來等離子技術不斷改進的最大成果就是等離子炬自耗電的大幅度下降，已由過去的自耗電為總發(fā)電的35%以上降低到了現(xiàn)在的20%。如果等離子氣化后的合成氣用于制取化學品，經(jīng)濟效益會更明顯。

我國的中小規(guī)模合成氨和甲醇工廠中，還有約4000臺用優(yōu)質(zhì)無煙煤作原料的改良型UGI氣化爐，這種氣化爐間歇操作、CO2排放多、效率較低。如果其中部分嘗試用等離子氣化爐替代，不僅可利用劣質(zhì)煤，而且可大大提高煤氣化效率和減少CO2排放。同時，流程上的銜接也十分方便。

5 等離子氣化技術處理固體廢物的優(yōu)勢

等離子氣化技術處理固體廢物的無害化效果是該技術的優(yōu)勢。

ALterNRG采用等離子氣化技術在日本建設的日處理220噸城市垃圾和汽車廢渣的工廠，以及日處理20噸城市垃圾和4噸廢水污泥的工廠，運行6年多來，檢測的排放物氣體中的氮氧化物、二噁英和呋喃能滿足美國、加拿大、日本和歐盟的最嚴格要求。該公司提供了在日本的兩個業(yè)績工廠2008年的檢測數(shù)據(jù)報告（見下表）。

日本的兩個業(yè)績工廠2008年的檢測數(shù)據(jù)報告表

在印度建設的日處理68噸危險廢棄物的工廠效果同樣也是令人滿意的。這是因為：

（1）在等離子氣化技術的高溫下，廢棄物會經(jīng)歷一個分子解體的過程，所有的毒素和有機物都會被摧毀。

（2）氣化爐出來的合成氣溫度較高，要使其快速冷卻，以避免產(chǎn)生二噁英和呋喃。氣化爐產(chǎn)生的爐渣，由于一般焚燒爐的溫度原因，灰渣會具有相當?shù)亩拘裕枰M行衛(wèi)生填埋。而采用與等離子氣化技術配套的工藝設計，經(jīng)過熔化并形成緊密分子結構的等離子氣化爐灰渣，經(jīng)過專門的毒性特性溶出程序，對8種有害元素進行監(jiān)測，數(shù)據(jù)表明即使是高度危險廢物，經(jīng)過等離子氣化技術處理后，結果也是遠遠低于規(guī)定的限度的，包括砷、鋇、鎘、鉻、鉛、汞、硒、銀，測試結果都遠遠低于毒性特征溶出程序標準值，有的甚至未檢出。

除以上特點外，等離子氣化技術的碳排放量也明顯低于焚燒處理方式。

6 等離子氣化技術處理固體廢物的發(fā)展

據(jù)統(tǒng)計，全世界每年約產(chǎn)生4.9億噸垃圾，我國約占31%。據(jù)預測到2015年，我國的垃圾產(chǎn)量將達到2.1億噸，比2009年增加40%。在眾多的固體廢物處理技術中，等離子氣化技術具有相當?shù)母偁幜Α?/p>

同時，在考慮固體廢物減量化和無害化處理的同時，還應該努力降低溫室氣體的排放。據(jù)介紹，按每生產(chǎn)1000度電來比較CO2的排放，如果以清潔能源天然氣發(fā)電的CO2排放量為基數(shù)1，則城市垃圾焚燒發(fā)電方式的CO2排放為2.63，以煤炭為原料的電廠的CO2排放為2.0，而利用等離子氣化處理固體廢棄物并發(fā)電的CO2排放為1.34。

國內(nèi)對于固體廢物的處理方式一直存有爭議，而北美和歐洲對于等離子氣化技術則日益看好。他們認為：氣化優(yōu)于垃圾填埋的原因是環(huán)境保護部門對于填埋場的空氣及滲透液的檢測要求太過復雜，并且也沒有回收可用物質(zhì)和生成清潔燃料的意義；氣化也優(yōu)于垃圾焚燒，原因是焚燒的氣體排放物即使達標排放，也是令人擔憂的，排放氣體的凈化系統(tǒng)完全是為了達到環(huán)境排放標準而設置，沒有任何其他的工藝作用。而氣化則是一個低氧的過程，排放是極低的，氣體的凈化系統(tǒng)是生成干凈的合成氣，以滿足下游工序的要求，是整個工程系統(tǒng)的一部分，而不僅僅是為了達標排放。

分析國內(nèi)垃圾堆肥處理項目的經(jīng)驗，也有一個規(guī)模與氣體異味大小的問題；而對于垃圾收集分類和焚燒廠的運行監(jiān)管，要完全到位也需要有一個過程。同時，即使是規(guī)模較大和運行較好的垃圾焚燒廠，排放標準要進一步嚴格化也有很大難度，而對于危險固體廢物的處理，會越來越得到重視，并且也期待更好的技術和設備。用等離子氣化技術處理固體廢棄物，可達到減量化、無害化、資源化的綜合效果，且運用方式靈活，日益受到業(yè)界重視。

近幾年采用等離子氣化技術處理固體廢物的技術不斷得到進步，也使其經(jīng)濟性大為改觀。國內(nèi)的一些專家已關注這項技術多年，基于煤氣化的經(jīng)驗，他們對這項技術有較深入的分析和理解，并且針對國內(nèi)業(yè)界人士對這項技術的一些疑慮，正在做著最大限度減少引進成本和盡可能多地采用國內(nèi)成熟可靠的設備材料和配套技術的各種方案。專家們認為：

（1）垃圾焚燒發(fā)電是適應目前我國國情的一項有效的垃圾處理方式， 應引導其健康發(fā)展。

（2）垃圾焚燒發(fā)電的原料目前仍是未經(jīng)嚴格分揀、水分較大且熱值較低，以現(xiàn)有的焚燒技術和設備來處理上述垃圾原料，要嚴格達標并提高到國際水準，是有一定困難的，提高其質(zhì)量需要一個過程。

（3）應借鑒國外經(jīng)驗，嘗試采用等離子氣化技術建設垃圾焚燒發(fā)電廠（包括其他工業(yè)垃圾和危險固體廢物的處理裝置），以取得其他技術所不能達到的無害化效果和綜合效益。

（4）采用等離子氣化技術建設垃圾焚燒發(fā)電廠，關鍵設備氣化爐等的投資比現(xiàn)有的焚燒爐會高一些。但由于氣化效率高于焚燒方式，所產(chǎn)生的外售電量也會多于焚燒方式。經(jīng)初步計算，垃圾焚燒發(fā)電廠增加的經(jīng)濟效益足以補償初始投資的差額，投資垃圾焚燒發(fā)電廠將會有更好的回報。

（5）我國的現(xiàn)代煤化工發(fā)展在世界上首屈一指，等離子氣化技術的工藝過程與煤氣化十分相似，我國工程界和裝備業(yè)運用這項技術并使之適應國情應該沒有什么障礙。

（6）我國有巨大的垃圾焚燒發(fā)電廠的社會需求和提高固體廢物處理水平的強勁驅(qū)動力，在國內(nèi)采用等離子氣化技術處理固體廢棄物的時機已經(jīng)成熟。

Abstract:Based on the experiments and development on solid wastes treatment in the country and from the points of view on harmless result in the treatment and the economic possibility of solid wastes treatment, the article introduces the application effect and superiority of plasma gasification technology and considers that the opportunity for introducing plasma gasification technology to treat solid wastes has been grown up.

Key words:plasma gasification; solid waste; treatment; technical application

Application of Plasma Gasification Technology in Solid Wastes Treatment

HUANG Geng

(China National Chemical Engineering Co., LTD., Beijing 100007, China)

X705

A

1006-5377（2010）06-0043-03

黃耕，中國化學工程集團專家委員會主任，教授級高級工程師，部省中青年專家，享受國務院政府津貼，從事化工工程設計和設計院管理工作近30年。