垃圾等离子气化技术研究

黄静

摘要：简要介绍了垃圾等离子气化技术及其主要特点，总结了当前主流垃圾等离子气化技术及国内研究现状，通过典型项目案例分析了我国垃圾等离子气化技术工程应用存在问题及发展趋势。

关键词：等离子气化技术;垃圾气化技术;工程应用

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  垃圾等离子气化技术

1.1 等离子气化技术介绍

1.1.1 技术简介

等离子气化技术起源于20世纪60年代，通过等离子炬产生高达5000K的高温环境，将垃圾加热至高温，有机成分转化成合成气，其他物质则转变为玻璃体状的熔渣，從而实现垃圾、危废的有效处理。合成气可用于转化成各种能源产品，如电力、甲醇、乙醇、生物柴油等;熔渣则可以作为建筑材料的原料。

1.1.2 技术特点

①等离子体。

等离子体是一种高温热能，被称为固、液、气三态之外的第四态。等离子体可以由等离子炬产生，在炬内产生类似于闪电的电弧，让空气流过电弧而产生等离子体。等离子体温度高达5000度，可以被加以控制和引入气化炉。

②等离子气化。

等离子气化炉是一种在高温、缺氧状态运行的容器，利用等离子炬作为气化炉的热源，提供用于维持炉内高温环境的能量，将炉内原料有机部分分解成氢和一氧化碳等简单化合物，即合成气，而如金属、玻璃、混凝土等无机成分则熔化为玻璃体熔渣，从气化炉底部排出。

1.1.3 技术优势

①炉内高温一方面可破坏二噁英、呋喃等有害物质的生成，有效保证净化后排放尾气无害化，另一方面可使固体废物中的无机成分（如灰分）熔化，最终形成可资源化利用的液态玻璃体熔渣，减少填埋。

②规模灵活，设计弹性大，适应性广，能处理各种类型的固体废物，特别是危险废物。

1.2 等离子气化技术路线

目前垃圾等离子气化技术由基础研究逐渐转向商业化应用，并形成了如下主流技术：

1.2.1 美国西屋公司等离子气化技术

美国西屋公司等离子气化技术主要由给料处理、等离子气化、气体冷却、合成气净化和产品选择5个过程组成，使得废弃物转化为各种有价值的能源产品。

美国西屋等离子气化技术目前发展较好，美国和日本一些采用西屋等离子气化技术的示范和中试装置已成功运行，其业绩见表1。

1.2.2 德国Bellwether公司等离子气化技术

德国Bellwether公司等离子气化技术采用气化熔融+等离子重整工艺（IMG），主要经过进料、干燥、气化、灰渣玻璃化、等离子重整5个过程。气化炉先将生活垃圾干燥，然后使其在缺氧、高温环境下气化，合成气进入重整炉利用等离子弧加热，使初级混合气撕裂、分解，形成净化后的清洁气。经重整后的清洁气分两部分，一部分返回气化室维持气化炉高温热解所需的温度，另一部分用于发电、供热等。

在应用方面，罗马尼亚城市生活垃圾等离子气化技术示范项目采用德国Bellwether公司技术，最大处理量12t/h，气化效率80～85%，发电装机1.4MW，已于2018年投产。

1.2.3 加拿大Plasco能源等离子气化技术

加拿大Plasco能源等离子气化技术是基于燃气轮机发电的气化工艺，垃圾需预先处理除去其中金属类物质，预处理后的垃圾进入气化炉进行2级热解，第一级利用废物自身热值热解，第二级利用等离子电弧的高能量重整生成合成气，合成气进入内燃发电机中转化为电能;一级裂解室产生的炉渣送入熔融床经等离子体炬处理后转化成玻璃体。

1.3 国内研究进展

国内城市生活垃圾与发达国家城市生活垃圾存在较大差异，国内城市生活垃圾目前尚未建成有效的分类体系，垃圾中厨余含量较高、含水率高，热值较低，而等离子气化炉及其系统主要依据原料性质设计，因此单纯引进国外技术可能出现“水土不服”的情况。目前国内垃圾等离子气化技术处于实验研究阶段，仅在小规模危废处理领域有等离子气化技术的工业应用：

中科院力学所在等离子废物处理的应用基础研究方面成果颇丰，实验室建成1条处理模拟医疗垃圾的等离子气化实验线，处理规模为3t/d;与企业合作建成了2条处理危险废物的等离子气化工业生产线，处理规模达10t/d;此外正在建设城市生活垃圾处理示范装置，处理规模达50t/d，此示范装置由预处理、等离子体裂解、尾气降温净化、发电等工艺流程组成。

广州能源研究所致力于等离子气化的机理研究，与中科大合作在实验室建立了1套直流电弧等离子体热解系统，规模为100kW，处理生物质和有机固体废弃物，工作气体采用N2，用于分析不同物质的等离子气化特性。

复旦大学针对有机废物，提出了1种采用低温水蒸汽作为等离子体炬工作气体的气化技术，等离子炬可将150～250℃水蒸汽加热至平均温度5000℃，生成的合成气中H2和CO占气体组成的99%，且不含焦油等有害成分。

在等离子体气化技术的国内工程应用方面，2018年西安航天源动力工程有限公司在江苏盐城自主研发建成等离子体炉渣气化熔融固废处理示范工程，日处理量达10吨，连续稳定运行超30天。

2  典型垃圾等离子气化项目分析

2.1 典型600吨/天垃圾等离子气化发电项目

某等离子垃圾气化发电项目拟处理生活垃圾600吨/天，其它固体废弃物200吨/天，装机容量15MW，预计产出电力7420万度/年，泡沫玻璃1万吨/年，玻璃粉8.95万吨/年。项目财务分析如表2所示。

该项目拟利用等离子气化炉的玻璃态炉渣制成泡沫玻璃和玻璃粉，可实现项目盈利。

2.2 与传统垃圾焚烧发电对比

垃圾等离子发电技术与传统垃圾焚烧发电技术对比如表3所示。

垃圾等离子发电技术可将物料中有机物完全转化为合成气，无机物转化成无害灰渣，实现零排放，具有很大的发展潜力。但目前垃圾等离子发电技术商业化运行的单机规模较小，投资成本较高，设备吨产能受物料热值影响较大，副产品炉渣的利用对项目运营盈利起关键性作用，未来垃圾等离子发电技术产业发展亟需相关激励政策引导促进。

参考文献：

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