等離子氣化技術在固(危)廢處理中的應用

1、#CHINA ENVIRONMENTAL PROTECTION INDUSTRY 2014.11#CHINA ENVIRONMENTAL PROTECTION INDUSTRY 2014.11#CHINA ENVIRONMENTAL PROTECTION INDUSTRY 2014.11#黃耕（北京環(huán)宇冠川等離子技術有限公司，北京100142）摘 要:針對近幾年來等離子氣化技術在國內固體廢物處理中的應用情況，對該技術的先進性和經濟性 作了進一步分析；介紹了一些應用案例，認為等離子技術在許多方面，特別是在危險廢物處理方面具有應 用推廣前景。關鍵詞：等離子氣化技術；固體廢物處理；經濟性分析；應用案

2、例中圖分類號：X705文獻標志碼:A文章編號:1006-5377（2015） 11-0000-04CHINA ENVIRONMENTAL PROTECTION INDUSTRY 2014.11#CHINA ENVIRONMENTAL PROTECTION INDUSTRY 2014.11#1 等離子氣化技術在固體廢物處理中的優(yōu)勢采用等離子氣化技術處理固體廢物的設備是等離子 氣化爐。氣化爐的爐體為鋼制直立式容器，爐體內襯耐 火材料。氣化爐的熱源是安裝在爐體下部沿壁均布的金 屬電極等離子體火炬（也叫等離子體噴槍或等離子體電 弧發(fā)生器）。金屬電極等離子體火炬需要的工作氣體（據(jù) 此可噴出高溫氣體射流）

3、可以是含氧氣體（空氣、富氧或 純氧）和惰性氣體。等離子氣化爐所需的氧化劑氣體可 從外部鼓入以充分利用固體廢物自身的熱值。在爐內高 溫條件下（爐內上部可達900 C1000 C,爐內下部可達1600 C1700 C）,固體廢物中的有機成分發(fā)生部分 氧化反應而生成可利用的合成氣（含有CO和HCH4等成分的低熱值燃氣），二鳥英和呋喃等有害物質基本 被徹底摧毀；而固體廢物中的無機成分則在爐底部被熔 化，以熔融態(tài)排出并形成無害的玻璃體材料，可作為建 材原料。還有另一類型用等離子技術處理固體廢物的設備是 等離子熱解爐。多年來國內外的小型試驗裝置都是這種 爐型。其熱源是以成對方式安裝在爐體相應部位的石墨 電

4、極。因此，電極需要的工作氣體只能是惰性氣體，而 且不能向爐內鼓風（不能接觸氧）。熱解爐處理固體廢 物需要完全依靠電熱來熔融其中的無機成分和裂解有機 成分，雖也能達到處理效果和使尾氣量少一些，但耗能 較高且不能利用固體廢物物料自身的熱值，加上石墨電 極等離子弧爐的結構又限制其不易放大。因此，等離子 熱解爐的工程化和市場的推廣應用一直存在較多障礙。綜上所述，屬于第三代“熔融氣化”技術范疇的等 離子氣化爐處理固體廢物具有以下優(yōu)勢：（1）爐內溫度高，可徹底摧毀二 取英和呋喃等有 害物質，可更有效保證凈化后排放尾氣的無害化效果。（2）爐內高溫可使固體廢物中的無機成分（灰分 等）被熔化而形成無害的液態(tài)玻璃

5、體排渣，減少填埋， 更加環(huán)保也更具資源化利用價值。（3）產生的飛灰（屬危險廢物）可返回爐內作重熔處理并也形成玻璃體，可基本省去穩(wěn)定化/固化處理和填埋的繁瑣步驟。長遠看是可節(jié)省寶貴土地資源的最徹底的未端解決措施。（4）規(guī)模和能力的設計彈性大，基本能處理各類 固體廢物，特別是能解決當前許多危險廢物處理面臨的CHINA ENVIRONMENTAL PROTECTION INDUSTRY 2014.11#CHINA ENVIRONMENTAL PROTECTION INDUSTRY 2014.11801研究I進展Research ProgressCHINA ENVIRONMENTAL PROTECTI

6、ON INDUSTRY 2014.11#CHINA ENVIRONMENTAL PROTECTION INDUSTRY 2014.11#K 等的氯化項目應采用先進的等離子爐。環(huán)保難題，適應性廣。（5）等離子氣化爐為常壓固定層氣化爐，操作安 全；等離子體火炬為電加熱設備，開啟和停車方便；布 置緊湊，占地小。（6 ）效率較高，具有經濟竟爭性。2 等離子氣化技術在固體廢物處理中的經濟性采用等離子氣化爐處理固體廢物可使裝置的環(huán)保水 平上一個新臺階，但這卻是以增加處置成本來實現(xiàn)的。 最突出的是固體廢物中的無機成分（灰分等）被熔化而 形成液態(tài)排渣時需要較多的熔融熱；等離子體火炬向爐 內噴出高溫和高熱密度的

7、氣體射流的作用就是維持爐底 部熔渣熔池的溫度和保持爐內的溫度條件。固體廢物中 的無機成分（灰分等）含量越高，所需的熔融熱和等離 子體火炬的耗電也就越多，處置成本就要增加。而傳統(tǒng) 以干態(tài)排渣的處理設備則沒有這一問題（也需考慮爐渣 的填埋成本）。以需要耗電較多的垃圾焚燒飛灰為例，其主要成分 為含Si、Ca、Al、Fe等的氧化物和少量 Na、 廢物，必須要作穩(wěn)定化 /固化處理并要送安全填埋場, 因此爐渣處置成本高。這類項目應考慮采用先進的等離 子氣化爐。（2）如果危險廢物中含有金屬或貴金屬，處理過 程要求物料熔融，金屬和爐渣都以液態(tài)排出并能分層分 離和實現(xiàn)資源回收。這類項目應采用先進的等離子爐。（3

8、）如果危險廢物中含灰分不多但熱值較高，用 等離子氣化爐進行處理與傳統(tǒng)設備相比，更加安全環(huán)保 但處置成本增加不多。這類項目應考慮采用先進的等離 子爐。（4）如果用傳統(tǒng)設備處理危險廢物效果不好，這類 項目應考慮采用先進的等離子爐。（5 ）目前用傳統(tǒng)設備來焚燒污泥還存在一些問題 （污泥干化成本高和有機污泥處理困難），這類項目應 考慮采用先進的等離子爐。（6）對一些特定的危險廢物（如焚燒產生的飛灰、 廢石棉、有輕微放射性的固體廢物，以及有特殊安全要 求的危險廢物，如銷毀化武后的殘渣等）的處理，這類CHINA ENVIRONMENTAL PROTECTION INDUSTRY 2014.11#物以及鈣鹽

9、，還有被活性炭吸附的微量重金屬和二英等有害物質。飛灰中的殘?zhí)亢苌?，所以基本無熱值。用 等離子爐處理飛灰，是一種使飛灰再熔融和排出爐后形 成無害玻璃體（可牢牢固化有害重金屬）的過程，并有很 好的減容效果（玻璃體密度為 273.3減容比大于4。同 時，玻璃體經浸出毒性檢測，可鑒別為不屬危險廢物。因 此，這項處理措施既可使飛灰無害化也能使其資源化， 這能很好地解決飛灰處理的環(huán)保難題。但是，飛灰所需3 等離子氣化技術在固體廢物處理中的案例3.1 等離子氣化爐處理生活垃圾并帶發(fā)電的裝置以日處理1000噸垃圾的裝置為例。目前投運最多的以2臺爐排爐（2X 500噸/日）加2臺余熱鍋爐，并帶1 x 22MV汽

10、輪發(fā)電機組的整套工藝設備已十分成熟，煙氣凈化則多采用半干法流程。如果用等離子氣化爐來取代爐排爐，則整套工藝設備為2臺等離子氣化爐（2 X 500CHINA ENVIRONMENTAL PROTECTION INDUSTRY 2014.11#的熔融熱如折合電熱，每噸需每噸需8001000元。700900度電，處置成本噸/日）力口 2臺后燃室及處理其他有一定熱值的固體廢物（如污泥、醫(yī)療垃 圾、廢舊線路板和油漆渣等）時，等離子體火炬的耗電 就要少一些；處置成本也比處理飛灰要低。固體廢物的 熱值越高，處置成本就越低；所含灰分越少，處置成本 也越低。綜上所述，在當前處理固體廢物的處置費較緊的條 件下，考

11、慮危險廢物成分復雜和危害性大，以及危險廢 物處置費高一些的情況，等離子氣化爐的處理對象應重 點集中在各類危險廢物上。項目決策時要兼顧國家規(guī)定 和標準的要求，經濟性以及危險廢物的處理條件等相關 因素。（1 ）如果危險廢物經處理后產生的爐渣也屬危險2臺余熱鍋爐，并帶 1 X 22MV汽輪 發(fā)電機組。多了 2臺后燃室的原因是從等離子氣化爐出 來的爐氣是含可燃成分的合成氣，需要在后燃室中燒掉 以產生高煙道氣才能進余熱鍋爐產生蒸汽。裝置的發(fā)電 部分和煙氣凈化部分，以及公用工程部分則基本相同。 兩相比較，采用等離子氣化爐的裝置投資比采用爐排爐 要高約20%;每噸垃圾的處置成本，采用等離子氣化爐 比采用爐排

12、爐要增加約100元；增加的原因就是前述的干態(tài)排渣和液態(tài)排渣（需要較多熔融熱）的差別。也有 人提出，等離子氣化爐由于液態(tài)排渣增加的處置成本可 得到彌補，即從利用玻璃體材料（液態(tài)排渣所形成）來 生產保溫磚（板）所創(chuàng)造的利潤來彌補。筆者建議對此 要慎重決策，首先是用玻璃體材料生產保溫磚（板）時 要添加大量石英砂，其次是這類建材產品多年來已經在CHINA ENVIRONMENTAL PROTECTION INDUSTRY 2014.11803大量利用工業(yè)渣（如冶金渣等）且產能過剩。筆者還建 議，如用等離子技術對接現(xiàn)有的垃圾電廠，最有效的措 施是增加1臺小型等離子爐處理飛灰，既有經濟效益又 可使裝置水平

13、得到提升。3.2 等離子氣化爐處理電子垃圾和工業(yè)危險廢物以及醫(yī) 療（醫(yī)藥）垃圾的裝置用等離子氣化爐處理廢舊電子元器件和線路板既安 全環(huán)保又利于金屬回收，可一舉扭轉這個“城市礦山” 行業(yè)的落后狀況并消除環(huán)境隱患。廢舊線路板有一定的 熱值，等離子氣化爐可充分利用其熱值。對其他電子垃 圾（如銅泥和感光膠渣等）采用等離子爐進行處理，同 樣既能保證無害化效果也能回收一些金屬。目前還存在一些以低溫熱解爐加二燃室處理工業(yè)危 險廢物（如油漆渣和涂料渣等）的情況，由于干態(tài)排出 的爐渣含有微量重金屬，因而有一定環(huán)境隱患。用等離 子爐進行處理，既可充分利用油漆渣等的熱值，又可實 現(xiàn)液態(tài)排渣并保證無害化的處理效果。采

14、用等離子氣化爐處理醫(yī)療垃圾與傳統(tǒng)的回轉爐加 二燃室的裝置相比，除占地小和流程簡捷，以及不需輔 助燃料外，同樣具有液態(tài)排渣并可形成無害的玻璃體材 料的顯著優(yōu)勢。可省去按規(guī)定要對爐渣作鑒別并還要作 后續(xù)處理的繁瑣步驟，可保證安全且有利于管理。醫(yī)藥抗生素生產會產生大量菌絲殘渣（屬危險廢 物），這是目前醫(yī)藥垃圾處理中的一個難題。菌絲殘渣 含水高，易腐敗，但灰分也少；將菌絲殘渣作預脫水或 預干燥后，可得半干物料（具有一定熱值）并送入等離 子氣化爐作處理。而利用氣化爐出來的合成氣又可制得 熱煙道氣，并正好用作菌絲殘渣預干燥的熱源。處理電子垃圾和工業(yè)危險廢物以及醫(yī)療（醫(yī)藥）垃爐出來的合成氣去制得熱煙道氣，然

15、后將熱道氣返回去 直接干燥濕污泥，這就能有效提高傳質傳熱效率并可降 低干化成本。對于石化和工業(yè)企業(yè)含油和有機質，以及 含重金屬的污泥和油泥（屬危險廢物），填埋有環(huán)境隱 患，做堆肥也不可行，采用等離子爐才能保證處理的無 害化效果和盡量減少填埋量。處理污泥的等離子爐的能 力可按處理濕污泥（含水約80%） 150200噸/日，折合預干燥后的半干污泥（含水約40%）為5067噸/日。半干污泥的形態(tài)已成小塊狀并可順利進料至等離子爐內。3.5等離子氣化爐處理農村垃圾和畜牧養(yǎng)殖固體廢物以及秸稈的裝置安全環(huán)保處理農村垃圾和加強新農村環(huán)境建設已提 上議事日程，但一些地方目前采取的措施為“村收集， 鄉(xiāng)鎮(zhèn)轉運和縣區(qū)

16、集中處理”。筆者經過調研認為，這一措施有較多弊端，主要是鄉(xiāng)鎮(zhèn)分布不平衡和有的距縣 區(qū)較遠（超過 50公里），因而垃圾轉運困難和容易造成 二次污染。建議的方案是：要結合農村當?shù)氐膶嶋H情況 因地制宜，在較遠的區(qū)塊以一個大鄉(xiāng)鎮(zhèn)或23個一般鄉(xiāng)鎮(zhèn)為集中點建1臺小型的等離子氣化爐就地快捷解決該 區(qū)塊范圍內的各類固體廢物（垃圾、畜牧養(yǎng)殖糞便和秸稈 等）,并可結合當?shù)氐臈l件，合理利用氣化爐出來的合成氣（低熱值燃氣），如直接作燃氣、燒鍋爐或建小型發(fā)電裝 置，在解決固體廢物處理難題的同時也一并發(fā)展了該農 村區(qū)塊式的綠色分布式能源。該方案有以下特點：（1）結合農村實際，可減少垃圾轉運困難和二次 污染風險。（2）等離

17、子爐先進可靠，可保證農村固體廢物處理 從開始就有先進適用及安全環(huán)保的標準。（3）等離子爐規(guī)模靈活（處理固體廢物能力可按CHINA ENVIRONMENTAL PROTECTION INDUSTRY 2014.11#50噸/日。3050噸/日），又是“通吃”爐，能較好適應農村的固 體廢物處理要求?；牡入x子爐一般規(guī)模不大，處理能力可達3.3 等離子爐處理垃圾焚燒飛灰的裝置與1000噸/日的垃圾發(fā)電廠匹配，能力也可達 50噸/日。3.4 等離子氣化爐處理污泥的裝置污泥的處理壓力已日漸加大，應積極推廣焚燒方 式。但濕污泥的預干燥（干化）一直存在傳熱傳質效率 低和成本偏高的問題。一般采用循環(huán)流化床鍋爐

18、焚燒預 干燥后的半干污泥時，都是將鍋爐所產生的蒸汽返回去 作濕污泥預干燥的熱源。但熱蒸汽是不能直接接觸濕污 泥的，因此只能采用間接換熱方式且必然降低效率。采 用等離子氣化爐處理預干燥后的半干污泥時，可用氣化（4）按目前的價格水平，鄉(xiāng)鎮(zhèn)建固體廢物處理點可 承受等離子爐的投資與運行成本。（5）既可綜合處理固體廢物又可促進農村區(qū)塊式的 綠色分布式能源發(fā)展。需要說明的是，農村畜牧養(yǎng)殖業(yè)的糞便（如萬頭養(yǎng) 牛場的糞便等）長期以來都是用作生產沼氣，沼氣可就 地直接利用或發(fā)電，沼渣可做肥料，沼液可就地作灌 溉。但經調研，也發(fā)現(xiàn)其中存在一些不足之處（特別是 在缺水的北方）：1）做沼氣耗水多。雖然產生的大量沼液可

19、就地作灌溉（因管道條件限制也只能就地利用）,CHINA ENVIRONMENTAL PROTECTION INDUSTRY 2014.11805I研I究I進I展Research ProgressCHINA ENVIRONMENTAL PROTECTION INDUSTRY 2014.11#CHINA ENVIRONMENTAL PROTECTION INDUSTRY 2014.11#但就地且長期在某處施用也意義不大。而等離子氣化爐 幾乎不耗水。2）沼氣投資較大、占地大、流程復雜，成本 也不低。而等離子氣化爐在這些方面都更有競爭力。3） 做沼氣資源利用率低。得到的沼渣肥效低，做肥料時還 需要配優(yōu)質肥。但等離子爐的充分氣化過程可保證較高 的資源利用率。以萬頭養(yǎng)牛場的牛糞為例，等離子爐的處理能力可按 300噸/日（含水約80%