等离子气化技术在固体废物处理中的应用

黄 耕

(中国化学工程股份有限公司，北京 100007)

等离子气化技术在固体废物处理中的应用

黄 耕

(中国化学工程股份有限公司，北京 100007)

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。

等离子气化;固体废弃物;处理;技术应用

引言

目前，针对固体废物（城市垃圾、工业垃圾和有害废弃物等）的处理主要有三种方式，即卫生填埋、堆肥和焚烧发电。但随着我国城市垃圾年产生量的增加，许多地方已出现了垃圾无地可埋的尴尬局面。垃圾焚烧的减量化、占地少的优势逐渐显现。因此我们既要依据国情，正视垃圾焚烧方式存在的必要，又要不断总结这方面的经验，以及管理方面的不足和存在问题，完善垃圾焚烧工作。

垃圾焚烧无害化的效果及其经济性是垃圾焚烧需要解决的基本问题，二者必须较好地结合起来。不同于传统的垃圾焚烧方式，一种采用等离子技术和将垃圾气化生成清洁燃料的理念和做法，也是一种有意义和有价值的选择。

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 国外等离子气化技术的发展

美国西屋公司（Westinghouse）的等离子体与等离子气化已有30多年的应用经验，该公司早在20世纪60年代就开始为航天用途建造等离子炬。之后，等离子炬多年用于销毁化学武器、印刷电路板和石棉等有毒废物。20世纪90年代初，该公司在美国设置了一个处理固体废物并带有发电的试验装置；到20世纪90年代末，该公司又在日本建造了一个中试规模的等离子气化装置，主要将生活垃圾、污水污泥、废旧汽车粉碎后的残留物等进行处理。由于等离子气化炉内的操作温度可达1200℃～1500℃，因此这个中试装置的运行是成功的。试验过的固体废物包括城市固体垃圾、危险垃圾、工业垃圾、建筑垃圾、轮胎、地毯、汽车粉碎残渣、液体与泥浆等，以及石油焦、劣质煤和生物质。2000年以来，拥有和掌握这项技术的加拿大阿尔特公司（ALter）在全球范围内积极推进建设商业化规模的等离子体垃圾处理项目，并且已有4个成功业绩和正在运作多个类似项目（除发电外，还有一个项目是用合成气生产乙醇）。

3 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。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，进入等离子气化炉，有机物气化成合成气并从气化炉顶部排出，而熔融的炉渣则从炉底排出。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。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。

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。

5 等离子气化技术处理固体废物的优势

等离子气化技术处理固体废物的无害化效果是该技术的优势。

ALterNRG采用等离子气化技术在日本建设的日处理220吨城市垃圾和汽车废渣的工厂，以及日处理20吨城市垃圾和4吨废水污泥的工厂，运行6年多来，检测的排放物气体中的氮氧化物、二噁英和呋喃能满足美国、加拿大、日本和欧盟的最严格要求。该公司提供了在日本的两个业绩工厂2008年的检测数据报告（见下表）。

日本的两个业绩工厂2008年的检测数据报告表

在印度建设的日处理68吨危险废弃物的工厂效果同样也是令人满意的。这是因为：

（1）在等离子气化技术的高温下，废弃物会经历一个分子解体的过程，所有的毒素和有机物都会被摧毁。

（2）气化炉出来的合成气温度较高，要使其快速冷却，以避免产生二噁英和呋喃。气化炉产生的炉渣，由于一般焚烧炉的温度原因，灰渣会具有相当的毒性，需要进行卫生填埋。而采用与等离子气化技术配套的工艺设计，经过熔化并形成紧密分子结构的等离子气化炉灰渣，经过专门的毒性特性溶出程序，对8种有害元素进行监测，数据表明即使是高度危险废物，经过等离子气化技术处理后，结果也是远远低于规定的限度的，包括砷、钡、镉、鉻、铅、汞、硒、银，测试结果都远远低于毒性特征溶出程序标准值，有的甚至未检出。

除以上特点外，等离子气化技术的碳排放量也明显低于焚烧处理方式。

6 等离子气化技术处理固体废物的发展

据统计，全世界每年约产生4.9亿吨垃圾，我国约占31%。据预测到2015年，我国的垃圾产量将达到2.1亿吨，比2009年增加40%。在众多的固体废物处理技术中，等离子气化技术具有相当的竞争力。

同时，在考虑固体废物减量化和无害化处理的同时，还应该努力降低温室气体的排放。据介绍，按每生产1000度电来比较CO2的排放，如果以清洁能源天然气发电的CO2排放量为基数1，则城市垃圾焚烧发电方式的CO2排放为2.63，以煤炭为原料的电厂的CO2排放为2.0，而利用等离子气化处理固体废弃物并发电的CO2排放为1.34。

国内对于固体废物的处理方式一直存有争议，而北美和欧洲对于等离子气化技术则日益看好。他们认为：气化优于垃圾填埋的原因是环境保护部门对于填埋场的空气及渗透液的检测要求太过复杂，并且也没有回收可用物质和生成清洁燃料的意义；气化也优于垃圾焚烧，原因是焚烧的气体排放物即使达标排放，也是令人担忧的，排放气体的净化系统完全是为了达到环境排放标准而设置，没有任何其他的工艺作用。而气化则是一个低氧的过程，排放是极低的，气体的净化系统是生成干净的合成气，以满足下游工序的要求，是整个工程系统的一部分，而不仅仅是为了达标排放。

分析国内垃圾堆肥处理项目的经验，也有一个规模与气体异味大小的问题；而对于垃圾收集分类和焚烧厂的运行监管，要完全到位也需要有一个过程。同时，即使是规模较大和运行较好的垃圾焚烧厂，排放标准要进一步严格化也有很大难度，而对于危险固体废物的处理，会越来越得到重视，并且也期待更好的技术和设备。用等离子气化技术处理固体废弃物，可达到减量化、无害化、资源化的综合效果，且运用方式灵活，日益受到业界重视。

近几年采用等离子气化技术处理固体废物的技术不断得到进步，也使其经济性大为改观。国内的一些专家已关注这项技术多年，基于煤气化的经验，他们对这项技术有较深入的分析和理解，并且针对国内业界人士对这项技术的一些疑虑，正在做着最大限度减少引进成本和尽可能多地采用国内成熟可靠的设备材料和配套技术的各种方案。专家们认为：

（1）垃圾焚烧发电是适应目前我国国情的一项有效的垃圾处理方式， 应引导其健康发展。

（2）垃圾焚烧发电的原料目前仍是未经严格分拣、水分较大且热值较低，以现有的焚烧技术和设备来处理上述垃圾原料，要严格达标并提高到国际水准，是有一定困难的，提高其质量需要一个过程。

（3）应借鉴国外经验，尝试采用等离子气化技术建设垃圾焚烧发电厂（包括其他工业垃圾和危险固体废物的处理装置），以取得其他技术所不能达到的无害化效果和综合效益。

（4）采用等离子气化技术建设垃圾焚烧发电厂，关键设备气化炉等的投资比现有的焚烧炉会高一些。但由于气化效率高于焚烧方式，所产生的外售电量也会多于焚烧方式。经初步计算，垃圾焚烧发电厂增加的经济效益足以补偿初始投资的差额，投资垃圾焚烧发电厂将会有更好的回报。

（5）我国的现代煤化工发展在世界上首屈一指，等离子气化技术的工艺过程与煤气化十分相似，我国工程界和装备业运用这项技术并使之适应国情应该没有什么障碍。

（6）我国有巨大的垃圾焚烧发电厂的社会需求和提高固体废物处理水平的强劲驱动力，在国内采用等离子气化技术处理固体废弃物的时机已经成熟。

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

黄耕，中国化学工程集团专家委员会主任，教授级高级工程师，部省中青年专家，享受国务院政府津贴，从事化工工程设计和设计院管理工作近30年。