等离子气化技术的应用及发展趋势

等离子气化技术的原理即利用等离子体的高温高能，在气化剂的辅助作用下，将垃圾废物进行高温气化和熔融，垃圾中的有机物气化形成以CO和H2为主的合成气，而无机物则熔融后急冷形成无害的玻璃体渣。

6.3.4.1　简述

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。集成等离子、气化技术使垃圾转化清洁燃料的理念是一种有价值的选择。

通过等离子火炬为气化炉提供热源，具有热强度高（约5 500℃）、操作相对简单等特点。它完全区别于焚烧热解方式，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、H2和CH4），彻底摧毁二英和呋喃等有害物质；无机物熔融为无害玻璃体灰渣。

美国西屋公司早在20世纪60年代就开始建造等离子火炬，等离子气化炉内的操作温度为1 200～1 500℃（炉上部900～1 000℃，下部1 600～1 700℃）。至今已有多台设备成功应用，包括发电、生产乙醇等。

该系统由几个应用成熟的子系统组成，包括合成气净化、煤气化下游加工系统、热回收、水激冷洗涤和烟气净化系统。

等离子气化炉的高温和固体废物彻底气化，摆脱了垃圾焚烧炉温度低、酸腐蚀以及产生二英的约束。等离子炉与焚烧炉相比较，就一套1 000 t/d垃圾处理规模电厂而言，扣除厂用电20%，前者可多发送电150%。

1）优点

采用等离子气化技术处理固体废物的设备是等离子气化炉。第三代“熔融气化”技术范畴的等离子气化炉（见图6-24）处理固体废物具有显著的优势。

图6-24　美国西屋公司等离子垃圾气化处理系统

（1）炉内温度高，无害化效果显著 灰渣回熔，包括砷、钡、镉、铬、铅、汞、硒、银，测试结果都远低于毒性特征溶出程序标准值，有的未检出。日本两家企业2008年的检测报告如表6-22所示。

表6-22　等离子气化垃圾炉的烟气排放限值与实测值

（2）碳排放低 按生产1 000度电产出的CO2排放比较，天然气发电碳排放为基数1，焚烧炉为2.63，煤炭发电为2.0；等离子气化处理为1.34。

（3）适宜处理各类固体废弃物，尤其是危险废物 炉内高温可使固体废物中的无机成分（灰分等）被熔化而形成无害的液态玻璃体排渣，减少填埋，更加环保，也更具资源化利用价值。

（4）安全性、经济性 等离子气化炉为常压固定式气化炉，操作安全；等离子火炬为电加热设备，开启和停车方便；布置紧凑，占地小；效率高，有经济竞争能力。

2）不足处

固体废物中的无机成分（灰分等）含量越高，等离子炉耗电量也越多，而焚烧炉灰渣无须熔融。若将飞灰熔融热折合用电量，则每吨飞灰用电700～900度，处置成本为800～1 000元/吨。所以，等离子气化炉的处理对象重点集中在各类危险废物上［52］。

3）装备

目前，国外主要有3家企业拥有商业化的等离子垃圾气化技术：美国西屋等离子公司（WPC，已被加拿大Alter NRG公司收购）、德国Bellwether公司和加拿大的普拉斯科（Plasco）能源集团公司。美国、德国、加拿大的等离子气化工艺如图6-24、图6-25和图6-26所示。

图6-25　德国Bellwether公司IMG气化工艺

国内城市生活垃圾处理以焚烧为主，常规气化技术尚未得到推广，仅少量的城市生活垃圾处理使用气化焚烧技术，而气化熔融技术尚未推广，等离子气化技术还处在研究阶段。

图6-26　加拿大Plasco公司等离子气化工艺

中科院力学所建立小规模的垃圾等离子气化试验装置；广州能源所等开展100 kW直流电弧等离子系统；复旦大学提出水蒸气作为有机废物的气化介质的等离子气化技术，控制蒸汽和废物量比调节合成气中H2和CO的比例；西南物理研究院消化吸收研制了30～300 kW等级的直流非转移弧等离子火炬并进行中试；浙江大学设计双阳直流热等离子体熔融用于处理垃圾飞灰等。上海也建立了处理30 t/d医疗废物和焚烧飞灰的等离子气化中试装置。

6.3.4.2　实绩

等离子体（plasma）技术最早是由美国科学家Langmuir于1929年在研究低气压下汞蒸气中放电现象时提出的。等离子技术应用于污染治理的研究开始于20世纪70年代。90年代，美国、加拿大、德国等发达国家将该技术应用于废物处理并取得了不俗的业绩。

1）废气排放

在废气排放方面，等离子气化技术的优势主要体现在该技术二英和呋喃的排放浓度比一般垃圾焚烧技术小，能够满足世界范围内最严格的环保排放标准要求。

研究表明，二英的生成需要3个必要条件：①反应催化剂（FeCl3和CuCl2等）；②氯源［聚氯乙烯（PVC）、氯气和HCl等］、苯环前体物；③适当的反应温度（主要生成温度区间为250～550℃）。二英生成过程受温度影响情况如图6-27所示。

等离子气化技术能够有效防止和控制二英的生成和排放，主要基于以下措施：①垃圾气化反应温度高达1 600℃以上，生成气在1 200℃以上温度区间停留时间一般超过2 s，足以使二英完全分解；②采用欠氧燃烧，生成以CO和H2为主的合成气，二英在还原性气氛下的分解速率大于合成速率，可防止二英再次生成；③高温合成气在气化炉出口处被水激冷至90℃，避开二英再生成的区间温度；④合成气净化洗涤中除去Cl-，去除二英再生的条件。

图6-27　二英生成量-温度曲线图(www.xing528.com)

通过以上4个主要措施，等离子气化技术可以完全破坏和分解二英，同时避免二英的二次生成，可满足最严格的环保排放要求。

表6-23［51］为采用等离子垃圾气化技术在日本建设的两个垃圾气化发电厂的废气排放情况。从表6-23可以看出，采用等离子气化技术，其实际尾气排放中的SOx、NOx和二英均低于环保排放标准，特别是二英的排放低于最严格环保排放标准的1/10，结果表明，等离子气化技术具有优异的废气排放指标。

表6-23　等离子垃圾气化发电厂的废气排放情况

2）固体废物排放

等离子气化技术的另一主要优势在于其排放的废固灰渣为玻璃体，为非重金属浸出性的灰渣，无毒无害，可以进一步综合利用。

日本的等离子垃圾气化工厂对其排出的固体灰渣进行了重金属浸出实验检测，结果如表6-24所示。由表可知，能满足重金属非浸出性要求。

表6-24　等离子垃圾气化发电厂的熔渣重金属浸出检测结果　单位：mg/L

说明：TCLP为毒性特征溶出程序，ND为未检出。

3）应用情况

等离子气化技术目前已在美国、日本、英国等少数发达国家建立了一定规模的示范工厂，我国上海也建立了一套日处理30 t的医疗废物和焚烧飞灰的等离子气化中试装置。

美国西屋公司等离子气化技术是目前世界上发展最好的等离子垃圾气化技术，其示范和中试装置已在美国和日本成功运行，目前正逐渐在全世界范围内推广应用，美国西屋公司等离子气化技术应用情况如表6-25所示。

表6-25　美国西屋公司等离子气化技术应用情况

（续表）

2008年底，加拿大决定建造北美地区规模最大的气化垃圾焚烧发电厂，采用Plasco公司的等离子气化技术，整个项目投资1.25亿美元，处理规模400 t/d，每吨城市生活垃圾的处理价格预计低于60美元，发电量可达21 MW，可满足19 000户当地居民每日所需。

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），主要包含进料、干燥、气化和灰渣玻璃化4个步骤。德国Bellwether公司在罗马尼亚建设了1个城市生活垃圾等离子气化技术的示范项目，2008年11月投产，最大处理量为12 t/h，气化效率为80%～85%，发电量为1.4 MW，等离子能耗为400 kW，污染物排放满足环保排放要求。Bellwether公司目前正在世界各地推广其等离子垃圾气化技术。

国内城市生活垃圾处理以焚烧为主，城市垃圾常规气化技术在我国尚未得到推广，我国仅部分地区的城市垃圾处理使用了较先进的气化焚烧技术，并且垃圾处理量有限，并未得到大规模的工业应用。

6.3.4.3　经济性

对于等离子气化技术的应用，研究者利用净现值法（NPV=0时）探讨城市生活垃圾等离子体辅助热解气化发电的经济性［53］。

项目净现值计算：NPV=未来报酬总现值-建设投资总额。

式中，NPV为净现值；NFC（t）为第t年的现金净流量；K为折现率；I为初始投资额；n为项目预计使用年限。

以1 000 t/d城市生活垃圾等离子体热解气化发电厂为例，当垃圾处理价为212元/吨时收支平衡，投资额和电价对垃圾处理价格的影响较大，要比一般的垃圾焚烧发电厂的垃圾处理费高1.4～3.0倍［54］。

对于2台炉排炉（2×500 t/d）、2台余热锅炉，并带1×22 MW汽轮发电机组的垃圾电厂而言，若用等离子气化炉则还需要增加2台后燃尽炉，投资增加20%。换言之，垃圾处理的费用要比炉排炉贵100元/吨［52］。

6.3.4.4　问题

等离子气化技术具有效率高、安全、无二次污染的特点，我国在等离子垃圾气化方面的研究起步较晚，但技术先进，发展迅速，工业化应用目前仍处于前期阶段，存在的主要问题如下。

1）垃圾收集与分类

国外等离子气化技术的应用经验表明，通过有效的垃圾收集与分类，提高垃圾热值，是采用等离子气化技术处理垃圾的一项重要保障措施，但我国在这方面做得还远远不够。能否有效进行垃圾收集与分类，提高垃圾热值，对于等离子气化技术的应用和发展将有重要的影响。

2）技术的成熟度和可靠性

日本已投产的项目经过一系列的技术改造和优化后，运行才稳定。据调查，武汉的100 t/d生物质的气化装置和上海的30 t/d医疗废物和飞灰装置受多因素影响，前者尚不能长周期连续稳定运行，后者主要处理医疗废物和飞灰的试验研究。

3）项目的经济性

同等规模下，垃圾气化发电项目的总投资是垃圾焚烧发电项目的1.5～2.5倍。虽然垃圾气化技术能量利用效率较高，但操作成本相应较高，导致项目的经济性差于垃圾焚烧发电项目。