等离子气化处理固废 (HB)

等离子气化技术在固废处理中的应用

摘要:针对国内固体废物处理的经验和情况，从保证处理的无害化效果以及让固体废物的处理经济可行结合的角度，介绍了等离子气化技术的应用效果及优势，认为采用等离子气化技术进行固体废物处理的时机已经成熟。

关键词:等离子气化; 固体废弃物; 处理

1. 等离子气化技术

等离子气化技术是指利用等离子炬作为气化炉的热源，而不是传统的点火和熔炉。等离子炬有着能产生高强度热源的优势（约5500℃），而且操作相对简单，气化炉内的等离子体则是一种高度电离或者充电气体, 与焚烧完全不同的等离子技术是一种气化技术，由于其高温和高热密度，等离子技术几乎能将碳基废物中的有机物完全转化成合成气（主要为CO 和H2），而无机物则可变成无害灰渣（玻璃体）。对于固体废物中的工业垃圾和有害废弃物，等离子气化技术在国外已被证明是一种可靠的处理措施。利用等离子气化技术将城市固体废物转化为能源虽是新工艺，但它具有很大的潜力，比起其他热解和燃烧系统，等离子技术能更有效地运行。

2. 等离子气化技术处理固废系统

等离子气化技术处理固体废物是几个成熟子系统技术的组合。固体废物的等离子气化处理技术系统虽是一个新的应用，但都是由使用非常成熟的子系统组成的。

等离子体处理废物流程，在等离子体热处理系统中，主要设备是两台等离子体火炬，即第一气化室和第二气化室。

在处理废物时，固体废物经过粉碎成小块和分拣出金属和玻璃等预处理后，注入第一气化器（等离子体热处理系统）。工作温度在1800－1900K ，300KW 。减容比高：90%甚至95%以上。产生的等离子体火炬可以很快使有机物分解成一氧化碳和氢，无机物则变为玻璃状的硅石。

第二气化室（加力燃烧室）等离子体火炬可对第一气化室中合成气体中的一些残留微粒和一些碳氢化合物再进一步进行分解处理。

通过第二气化室处理后的混合气体经过净化系统后，成为只含H2和CO 的混合气体，加力燃烧室在1000○C 温度环境下对H2和CO 的混合气体进一步进行处理，以确保无有害的混合物产生，比如二氧芑和呋喃等，合成气再通过热回收器，一方面降低了温度，另一方面又产生了蒸汽。降温后的合成气又通过水激冷和其他净化过程，按不同用途，可直接用于燃气轮机发电，也可用于烧锅炉产生蒸汽，并与热回收器的蒸汽一并用于发电。如果不发电，合成气则可进行变换，并用于制取化学品如氨、甲醇、乙醇等。

在第一气化器中垃圾的无机物部分熔化成玻璃状的无污染的炉渣从炉底排出，炉渣可安全用于建筑材料，根据不同的用途，炉渣可复原为各种形式。

等离子气化炉出来的合成气的处理过程，与煤气化炉出来的合成气的处理过程基本相同。等离子炬现已被可靠用了数十年；合成气净化技术也是被煤气化行业很好掌握了的工艺；发电或制取化学品则与煤气化的下游加工是一样的。因此，将等离子气化技术用于固体废物处理，从工程和技术，以及项目建设的可靠性上讲，只需要做好子系统的结合和完善流程。这也充分显示了等离子气化技术用于固废处理有较强的适应性。从工艺和关键设备材料来看，除等离子气化炉的等离子炬及系统，以及气化炉的内衬耐火砖的供货及性能保证还要深入研究和消化外，其余气化炉出来合成气的高温热回收器、电除尘装置、水激冷洗涤设备和气体净化设备等，由于国内煤化工历史悠久，都具备了丰富的经验。

3. 等离子体火炬处理固体废物的工作原理

3.1等离子体的概念

等离子体是物质存在的第四态，它是气体电离后形成的，是由电子、离子、原子、分子或自由基等粒子组成的集合体，它具有宏观尺度内的电中性与高导电性。等离子体是极活泼的反应性物种，使通常条件下难以进行或速度很慢的反应变得快速，尤其有利于难消解污染物的处理。

在人工生成等离子体的方法中，气体放电法比加热的办法更加简便高效，诸如荧光灯、霓虹灯、电弧焊、电晕放电等等。

3.2等离子体的分类

按粒子的温度等离子体可分为两大类，热平衡等离子体(或热等离子体) 与非热平衡等离子体(或冷等离子体) 。

冷等离子体的特征是它的能量密度较低，重粒子温度接近室温而电子温度却很高，电子与离子有很高的反应活性。相对地，热等离子体的能量密度很高，重粒子温度与电子温度相近，通常为10000K 至20000K 的数量级，各种粒子的反应活性都很高，本文后面所提到的等离子体如未特别说明即指热等离子体。

3.3等离子体的产生方法

热等离子体的产生方法，它包括大气压下电极间的交流(AC)与直流(DC)放电、常压电感耦合等离子体、常压微波放电等。下面介绍微波等离子体炬(microwave plasma torch) ：微波等离子体炬（MPT ）是一种开放结构的等离子体源，是由金钦汉等于1985年首先提出来，目前实验室常用的微波源是2.45GHz ，MPT 炬管是一个直接耦合的同轴波导微波谐振腔，腔内存在着固定的电场和磁场分布，而这种特定的能量分布维持了等离子体放电，将一段同轴线一端短路，另一端开路，就构成了同轴谐振腔。MPT 炬管的内管和中管是相连通的终端短路活塞的存在使其成为一个同轴微波谐振腔，同轴谐振腔有三种耦合方式：直接耦合，电容耦合和电感耦合。直接耦合又称为电导耦合，其方法是在同轴腔外导体上开孔，将同轴传输线（天线）的内导体直接连接导同轴腔的内导体上，MPT 炬管就是采用的这种方式。当炬管顶端到调谐活塞端面的距离是λ/4的奇数倍时（一般为3λ/4），顶端的电场为最强，就可在顶端形成和维持等离子体。电子科技大学高能所的微波等离子体火炬系统，微波的工作频率为2.45GHz ，磁控管产生的微波通过波导系统、三端调配和短路活塞耦合到同轴传输线（天线），并在离内管端口几厘米的地方形成特定的电磁场分布，从而使空气等工作气体电离形成等离子体火炬，图中的等离子体火炬的火焰长度只要几厘米，它的主要应用是金刚石薄膜、材料的表面改性、化学分析、纳米材料制备、废物处理等。

微波等离子体的参数：

工作频率： 2450±50MHz 输出功率： 1.0－2.0kW

工作范围： 100 Torr 至大气压 波导接口： BJ-26

微波等离子体炬设备组成：

磁控管提供能源 微波能从波导谐振腔引出

微波传输系统 喷嘴

微波等离子体火炬作为处理医疗垃圾系统可行性还值得进一步研究，因为它不仅可以利用等离子体火炬冲击、分解垃圾，还可以利用微波高效的热作用进行医疗垃圾的热解，达到高效的废物处理。

4. 等离子气化技术处理固体废弃物的经济可行性

固体废物的等离子气化处理的投资可能会高一些。但经过分析，经济上是可行的。与垃圾焚烧发电比较，由于等离子气化炉温度高和固体废物气化彻底，产生蒸汽和发电的效率更高一些，可外售的电量也要多一些。初步比较一个日处理1000吨城市垃圾的焚烧发电厂和等离子气化发电厂，后者总发电量为前者的150%，扣除后者工厂全部用电20%后，外售的电量也约为前者的150%。需要说明的是，过去6年来等离子技术不断改进的最大成果就是等离子炬自耗电的大幅度下降，已由过去的自耗电为总发电的35%以上降低到了现在的20%。如果等离子气化后的合成气用于制取化学品，经济效益会更明显。我国的中小规模合成氨和甲醇工厂中，还有约4000台用优质无烟煤作原料的改良型UGI 气化炉，这种气化炉间歇操作、CO2排放多、效率较低。如果其中部分尝试用等离子气化炉替代，不仅可利用劣质煤，而且可大大提高煤气化效率和减少CO2排放。同时，流程上的衔接也十分方便。

等离子体火炬，尤其是电弧等离子体火炬在医疗垃圾的应用已经开始，美国、日本、加拿大等发达国家和地区进行等离子体处理废物的研制和商品化进程已经进行几年时间，并已经开始了商品化应用。下面是微波等离子体火炬处理固体废物的应用设想，利用它可处理:城市固态垃圾、淤泥、工业固废以及液态有机垃圾等。等离子体分解有机废物可得到氢气及一氧化碳，并可通过一个附属设备提取。它们可以用作化学原料去生产其它产品，如聚合物或其他化学产品。氢气是十分有价值的商业气体，可应用在多种制造日用品的工艺中，例如：氨及塑料、药物、维生素、食油等。它亦可为燃料电池提供能量。燃料电池被广泛认为是未来解决污染问题的洁净能源。从无机废物中得到的可再用的产品包括可用于冶金工业的合成金属，可用于建筑及研磨材料的玻璃状的硅石。

5. 等离子体处理废物的前景

与其他有竞争力的废物处理过程相比，热等离子体处理废物比较昂贵。而在一些特殊类型的有毒废物处理问题上热等离子体处理具有独特的优势，因此等离子体主要用于焚烧炉难于处理的废物，包括被污染的陶瓷废物、高熔点金属、需要治理的含有毒挥发成分的废气等。

等离子体进行废物处理的主要缺点在于以电力作为能源，经济成本高。此外，与传统废物处理方式相比，等离子体过程具有更多的过程控制参数，从而在过程控制中要求自动化程度很高。看来对于这种大规模的设备仍然缺乏一个坚实的工程基础。

参考文献：

[1] 钱汉成, 周从直. 浅谈医院固体废弃物的处理[J]. 江苏预防医学 , 2002,(04)

[2] 马晓茜. 固体废弃物处理数据库管理系统设计[J]. 上海环境科学 , 2000,(01)

[3] 孙立志. 城市固体废弃物处理系统优化决策方法研究[J]. 环境卫生工程 , 2002,(01)

[4] 李恩斯，杨学富，彭登富，胡晓鹿. 固体废弃物的处理和再利用[J]. 北京轻工业学院学报 , 1994,(02)

[5] 冯有胜, 王敏斌, 傅仕俊. 生物技术与环境保护及进展[J]. 重庆工商大学学报(自然科学版) , 2003,(02)

[6] 李恩斯，杨学富. 固体废弃物的处理和再利用[J]. 四川环境 , 1994,(01)

[7] 靳宝安, 崔华, 刘选秀. 固体废弃物回收与再生利用标准化研究[J]. 再生资源研究 , 1996,(06)

[8] 李传统. 医院固体废弃物热选实验研究[J]. 南京师范大学学报(工程技术版) , 2005,(01)

[9] 高树婷，张慧勤. 我国工业固体废弃物污染控制初探[J]. 环境科学研究 , 1994,(01)

[10] 杨建民. 固体废弃物再生利用的有效方式[J]. 经营管理者 , 2002,(04)

[11] 苏瑞 , 张晶晶. 垃圾处理真是赚钱金矿[J]. 科技信息 , 2004,(05)

[12] 钱星博. 垃圾处理公司的历程[J]. 国际市场 , 1998,(02)

[13] BPY——垃圾处理新理念[J]. 中国矿业 , 2000,(02)

[14] 垃圾处理政策有三变[J]. 再生资源研究 , 2000,(06)

[15] 刘先银. 垃圾处理要从源头治理[J]. 中国林业 , 1998,(10)

[16] 邵月正, 张桂玲. 城市生活垃圾处理的困惑[J]. 河南科技 , 1999,(06)

[17] 我国垃圾处理政策有三个变化[J]. 中国人口. 资源与环境 , 2000,(S1)

[18] 黄居薇. 环保助手——家用垃圾处理机[J]. 中小企业科技 , 2006,(08)

[19] 需要全社会重视垃圾处理问题[J]. 甘肃环境研究与监测 , 1987,(01)

[20] 孙玉辉. 垃圾处理学要讯——美国垃圾处理的新进展[J]. 环境与可持续发展 , 1988,(10)