固体垃圾无害处理等离子火炬气化技术.docx

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固体垃圾无害处理等离子火炬气化技术

固体垃圾无害处理

---等离子火炬气化技术

（PlasmaTorchGasfication）

1．前言

1．1．中国城市垃圾处理现状

垃圾处理是世界各国环境保护的焦点之一。

中国城镇民众生活和社会活动中面最大、分布最广的城市生活垃圾污染引起的生态安全问题已经十分严峻。

据主管部门的统计数据：

中国668个城市垃圾年清运量达1.15亿吨，处理率已达60%以上。

然而，在这比较乐观的数据下，掩盖着不乐观的现实：

即处理率不等于无害化达标率。

70%以上的垃圾填埋场缺少必须的防渗设施，90%以上的填埋场未有效地进行渗滤液处理，99%以上的填埋气体未经燃烧处理或回收利用；在垃圾焚烧处理方面，中国已运行的多数是50吨/日以下的小炉子，尾气处理程度距国家环境污染控制标准相距很远。

要知道，中国目前的垃圾填埋和焚烧污染控制标准不是高标准，而对目前中国经济承受能力和环保科技发展进行综合分析的基础上提出的环境污染控制底线，它大体上相当于发达国家80年代初的污染控制水平。

目前我国的城市垃圾处理主要是如下三种主要的处理方法：

（A）填埋处理

填埋是大量消纳城市生活垃圾的有效方法，也是所有垃圾处理工艺剩余物的最终处理方法，目前，我国普遍采用直接填埋法。

所谓直接填埋法是将垃圾填入已预备好的坑中盖上压实，使其发生生物、物理、化学变化，分解有机物，达到减量化和无害化的目的。

填埋处理方法是一种最通用的垃圾处理方法，它的最大特点是处理费用低，方法简单，但容易造成地下水资源的二次污染。

随着城市垃圾量的增加，靠近城市的适用的填埋场地愈来愈少，开辟远距离填埋场地又大大提高了垃圾排放费用，这样高昂的费用甚至无法承受。

（B）焚烧处理

焚烧法是将垃圾置于高温炉中，使其中可燃成分充分氧化的一种方法，产生的热量用于发电和供暖。

焚烧处理的优点是减量效果好（焚烧后的残渣体积减少90%以上，重量减少80%以上），处理彻底。

但是，由于垃圾含有某些金属，焚烧具有很高的毒性，产生二次环境危害。

焚烧处理要求垃圾的热值大于3.35MJ/kg，否则，必须添加助燃剂，这将使运行费用增高到一般城市难以承受的地步。

（C）堆肥处理

将生活垃圾堆积成堆，保温至70℃储存、发酵，借助垃圾中微生物分解的能力，将有机物分解成无机养分。

经过堆肥处理后，生活垃圾变成卫生的、无味的腐殖质。

既解决垃圾的出路，又可达到再资源化的目的，但是生活垃圾堆肥量大，养分含量低，长期使用易造成土壤板结和地下水质变坏，所以，堆肥的规模不易太大。

不论城市生活垃圾的填埋、焚烧或堆肥处理，都必须要有预处理

1.2.垃圾变能源等离子火炬气化技术

城市固体垃圾处理技术,垃圾变能源----“等离子火炬气化技术（PlasmaTorchGasfication）”。

1．2．1.技术来源简述

等离子火炬气化技术最早来源于美国NASA上世纪60年代用于材料的抗热实验，70年代开始用于冶金和材料热处理行业，80年代开始处理医学等固体废弃物，近年来开始有人研究用于处理城市和工业垃圾。

1.2.2.等离子火炬气化技术的主要优点

等离子火炬气化技术用于处理各类污染物具有处理流程短、效率高、适用范围广等特点，尤其是对于多氯联苯类（PCB）、氟里昂类等难消解含卤化合物及生物技术产业、农药、医院等的特殊废弃物处理，常规的燃料热源技术的处理效率常不能达到国际规定的标准（PCB的消解效率必须大于99.9999%），并且更高毒性的多氯二苯并二（PCDDs）与多氯二苯并呋喃（PCDFs）的二次污染问题日益引起人们的重视。

等离子火炬气化技术既可用于处理废气又可用于处理废水、固体废物、污泥、甚至放射性废物。

据初步推算，日处理750吨的垃圾处理场可以利用垃圾产生60MW的电能，除去垃圾处理本身花费的10MW的能量外，还可富裕50MW的电能并如电网提供给其他的用户。

2．等离子火炬气化技术的工作原理

Ithinkwemakethisassimpleaspossible.

2．1．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。

图1是气体通过加热或放电形成等离子体的示意图。

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），如图2所示。

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。

等离子体按离子的温度分

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热平衡等离子体（热）非热平衡等离子体（冷）

图2.离子体分类

2．2．等离子火炬

热等离子体的产生是在大气压下电极间的交流（AC）与直流（DC）放电。

下面是离子体火炬（plasmatorch）：

图3.等离子火炬

图4.项目结构

2．3．等离子火炬气华技术在处理固体废物的应用

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。

利用微波等离子体火炬可处理:

城市固态垃圾、淤泥、工业固废以及液态有机垃圾。

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。

图5是等离子火炬处理废物的流程示意图，在等离子火炬热处理系统中，主要设备是离子体火炬，即第一气化室和第二气化室。

在处理废物时，垃圾首先被切碎并注入第一气化器（如图5所示等离子体热处理系统）。

工作温度在2800－2900K，500KW。

减容比高：

90%甚至95%以上。

产生的等离子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（图5中的加力燃烧室）等离子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3000○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，最后排放到空气中。

当然也可以取消加力燃烧室而利用这些混合气体去驱动汽轮机发电。

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，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。

3.一个世界性的大难题

随着工业化，都市化及近代科技的发展，废物处理，酸雨，臭氧层消失及温室效应已成为威胁全世界人类生命和环境卫生的四个大问题。

从墨西哥市恶臭的雨水，纽约及洛杉矶污染的海滩，到第三世界穷人检破烂的垃圾山，全世界到处都碰到废物处理的问题。

工业发达的国家，尤其是美国，用了就丢的生活习惯，制造了全球第一的垃圾。

据统计，美国每年人均产固态垃圾达600Kg，欧洲是280-350Kg，而亚洲平均是200Kg左右。

中国经济飞速发展，也会提升消费数量及改变消费方式，垃圾的增长也是可以预见的。

加之人口密集度大，50万以上人口的城市多。

垃圾问题也已成为市政管理的一个大课题。

上海浦西地区每天面对垃圾9,000多吨，广州每天6,000多吨，武汉5,000吨，南昌也有1,500吨，大成都地区有4，000吨之多。

城市管理者用过很多方法处理垃圾：

有的把垃圾倾倒河水里（如芝加哥）；有的把垃圾抛到荒岛上，大海里；1870年欧洲出现了专用的垃圾焚化炉，把垃圾烧掉，余下约30%的灰渣埋掉；也有的城市，采取长途运输的方法，把垃圾送得远离市区，甚至跨州过郡，去人烟稀少的山地。

最普遍的方法是在市郊设垃圾场，倾倒掩埋。

但是年复一年堆放的垃圾成了山。

自然腐烂的垃圾经雨水冲刷，污水横流，不仅污染了地面，河流及湖泊，也污染了地下水源；大风一刮，垃圾的灰尘，垃圾的臭气更是无所不在；垃圾山产生的沼气也污染整个大气层，还导致许多火灾，爆炸事故。

据调查，美国佛州杰克斯威尔市沼气之多可替代每年143,000桶原油的能量（杰市有人口63万）。

佛州迈阿密市（人口35万）原在20公里外设的垃圾场，随都市发展，该垃圾场已成为市区边缘地，所在的达德郡人口发展到193万，垃圾每年有3百万吨之巨，郡里已再没地方去建垃圾山了。

处理垃圾成了市政管理一个回避不了的难题，一个清洁，文明的现代化都市不能不解决好垃圾问题。

开放改革，经济迅速发展的中国也开始面临垃圾问题的挑战。

人口大量涌入大、中、小城市里，居住密度却远高于美国，而垃圾管理装备设施极待改善，使这一挑战更显得越加严峻与急迫。

我们计划引进外资，采用世界最新技术，不仅处理，消化掉人人头痛的垃圾，而且化废为宝。

变垃圾为能源，发出电力，供应煤气、蒸汽。

甚至燃烧后残留的垃圾灰渣（约10%）也可变为筑路用’水泥’（强度比波特南水泥高出一倍），实现无污染排放。

这就是我们向各位领导与同仁们推荐的“垃圾变能源工厂”。

4.垃圾综合利用的大突破

早在1870年就出现了专用垃圾的焚化炉。

1950年美国工程师布朗杰设计出更新的焚化炉，用在纽约威廉堡大桥侧垃圾场，每天处理175吨从曼哈顿（纽约市中心）运来的垃圾.每小时可发180千瓦的电能，供给大桥照明。

尽管存在着燃烧不完全，热效率很低,空气污染严重，但变废为宝的思路一直为后来所追索。

技术的进步，特别是燃烧工程的研究与发展，使完全自动化的现代垃圾变能源的热电厂，在高效率,低排放，综合利用等方面，达到较完美的阶段。

80年代末在西方开始广为采用，成为80年代解决都市垃圾问题的最佳选择。

现代生活的发展，钢铁制品,易拉罐，饮料塑胶桶，车用轮胎及旧报纸杂志等，也成了垃圾一大成份。

全美国，每三个月丢出的铝废料可用于制造一架商用飞机；每三个月丢出的钢铁废料可供全国汽车用料；每三周丢出的玻璃瓶罐可填满纽约世界贸易中心（二栋百多层的大楼）。

真是触目惊心！

可是钢铁等不能放到焚化炉去烧，因为它们不光不可燃烧而且吸收掉很大的热能，降低了系统的热效率。

世界各国都有回收再生制度：

从古老的挑担串巷，鸡毛换火柴，到大型专用的回收车辆。

可惜现代人的急性子生活步调，随手就扔的习惯。

使传统的回收方式已不能适应。

在美国，人工昂贵,回收的收入不足以抵消劳力，设备，车辆及管理的支出。

不得不在居民头上加收垃圾及回收的费用。

佛罗里达州每户每月平均交$25元垃圾处理费，$1元回收再生费，而且回收率并不高，因为很多可回收再生的物品也混在普通的垃圾里，加上有些物品，如铁木旧家具，可回收与不可回收的混在一起,回收变得更难了。

垃圾变能源的综合利用电热厂（MartinBoiler炉排式锅炉的焚烧技术），就是针对能源与回收二个目标设计的，处理过程全自动化，99%的钢铁，55%的铝材可以回收，旧轮胎充作部份燃料消化掉，现简介美国佛州迈阿密市垃圾资源回收工程（MontenayPower公司负责运行管理）于下。

平均日处理垃圾:

3,000吨,每日24小时运行,每周七天

年处理垃圾:

919,930吨（占全郡总