等离子气化技术在垃圾处理中的应用

摘要：等离子气化技术已经在国外成功应用多年，其用于解决日益增多的垃圾问题，可将废物转化成有用的资源。本文介绍了等离子气化技术的优点、经济性，以及其在垃圾处理中的应用。
关键词：等离子气化；垃圾处理；废物资源化
中图分类号：X705文献标志码：A文章编号：1006-5377（2010）10-0059-03
1前言
目前中国各大城市都不同程度地出现垃圾围城现象。垃圾填埋由于占用大量空间和污染地下水而被公认为是垃圾处理的最后的选择，减量化和无害化的垃圾焚烧项目则由于其潜在的二次污染（如会产生二恶英）而遭到公众的质疑。
等离子气化是一种新兴技术，它可以从垃圾中提取可回收的物品和转换碳基废物为合成气。这种类似于天然气的合成气是一种简单的一氧化碳和氢气组成的可燃气体，可以直接燃烧或用于提炼成更高等级的燃料和化学品。冷却后的灰渣是一种玻璃状物质，由于其紧密的结构，非常适合作为建筑材料使用。等离子技术已在如焚烧灰和化学武器等危险废物无害化处理中成功应用多年。利用等离子气化技术将城市固体废弃物转化为能源是一项新技术，具有很大的潜力。
2等离子气化技术
气化拥有悠久的工业历史，已被广泛用于将煤或生物质提炼出液体燃料、气体和化学品。现代清洁煤厂都是使用气化炉，就像19世纪初期的城市照明和电力系统也主要是使用气化炉一样。等离子气化是指利用等离子炬作为热源，而不是传统的点火和熔炉。等离子炬具有能产生高强度热源的优势，而且操作相对简单。
等离子体是一种过热的导电气体，存在于自然界的闪电和太阳表面。等离子炬的温度可以达到5500℃（10,000°F）的高温，这足以摧毁地球上除核废料之外的任何材料。等离子炬用还可于铸造行业中的金属熔化及切割金属。当应用于废物处理时，等离子体的热量能非常有效地使其中的有机物蒸发成气体，使无机物熔化（冷却后形成玻璃状物质渣）。
美国西屋公司早在20世纪60年代就开始为美国航天局建造等离子炬，用于阿波罗太空计划中的航空飞船的外壳材料在5500℃下的测试。在90年代末，第一个中试规模的等离子气化项目在日本建成，主要用于将生活垃圾、污水污泥，以及废旧汽车粉碎后的残留物转化成新能源。日本的中试工厂被证明是成功的。
目前有一些公司（如AlterNRG公司）正在加拿大以及全球范围积极推进建设商业化规模的等离子体垃圾处理项目。
等离子气化工艺是一个多阶段的过程，主要包括：
（1）原料的预处理
进料包括废物、煤、生物质，甚至可以有危险废物。应使原料均匀干燥，并分离出可回收的物品。
（2）气化
等离子炬在一个密封并控制进气的炉子里产生高温，这种热量能将有害物质完全分解和破坏。在气化过程中，原料中的有机物分解成气体，而无机物融化成液态渣，排放后被冷却。
（3）合成气的净化和热回收
去除合成气中的杂质而形成清洁燃料，并利用热交换器将余热转化成蒸汽回收利用。
（4）产品
可以是电能，或是各种化学品、氢和聚合物。
3等离子气化的优点
（1）高效
由于等离子气化高温和高的热密度，等离子技术几乎能将碳基废物完全转化成合成气和无机物灰渣。比起其它热解和燃烧系统，等离子技术能更有效地运行。等离子气化的产电效率优于焚烧炉燃烧。通常焚烧炉燃烧的热量驱动汽轮机来产生电力，而气化系统可以使用效率高得多的燃气涡轮机，特别是当使用气化联合循环模式的配置时。由于气化联合循环是煤电行业中最先进的技术，所以同样也适用于垃圾发电行业。
（2）环保
垃圾气化不是垃圾焚烧。气化优于焚化，气化在环境影响和能源性能方面有着显著改善。在普通焚烧中，由于温度不够高，复杂的化学反应会导致氧分子结合形成污染物，如氮氧化物和二恶英，并且这些污染物将直接通过烟囱排放。相比之下，气化是一种低氧的过程，因而可减少氧化物的形成。而且等离子气化操作温度通常为1500℃左右，足以将所有的有机物完全分解，而且能将形成二恶英的有机物分子彻底打散，从而从源头上杜绝了二恶英的产生。
焚烧炉的灰渣通常有高度毒性，需要进行卫生填埋。而经过熔化并形成紧密分子结构的等离子体灰渣通常是安全的。事实上，等离子炬已经广泛应用在工业危险废物行业中，将焚烧炉飞灰熔融固化成无害的玻渣。这种玻渣经过毒性特性溶出程序测试，通过对8种有害元素的监测，数据表明，即使是高度危险废物经过处理，其结果也是远远低于规定限值的。
等离子气化的碳排放明显低于其他废物处理方法。实际上等离子气化的碳排放是负值，尤其是与填埋场排放的甲烷相比。由于其能将固体碳转化为气态碳，气化也是一个重要的新型碳分离技术。合成气主要由一氧化碳和氢气组成。氢很容易被分离从而被利用，同时使得碳也能被分离。美国能源部已确定将气化技术作为在清洁煤行业中的一个重要的碳捕获技术。