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等离子垃圾处理技术现状
   

研发中心---吕溥   发布日期2015-07-15
1、等离子体原理与分类
常压下将冰加热至0ºC时融化为水,继续升温至100ºC则沸腾成为水蒸气,这是我们熟知的常压下、温度较低时物质三态随温度的转化过程,即固态→液态→气态。那么继续升温,水蒸气将会有何新的变化?温度越高,水蒸气分子的热运动越剧烈,其平均运动动能也越大,当此平均运动动能大于电离能时,剧烈的碰撞会使电子脱离水分子束缚而成为自由电子,此时水变为由电子、正离子和中性粒子组成的混合气体。这种混合气体传热传质特性和运动规律与其它三态截然不同,称之为物质第四态,即等离子体态。
等离子体在自然界中分布甚广,根据印度天体物理学家沙哈(M. Saha)的计算,宇宙中99.9%以上的物质处于等离子体态,如蜡烛火焰、大气中的电离层、北极光、闪电、太阳和星云等。
等离子体的分类方法有多种,常用的有三种:(1)按等离子体产生方法分类,如人工等离子体和自然等离子体;(2)按电离度或粒子密度分,如完全电离等离子体或部分电离等离子体;(3)按温度分,这种分类方法一般要考虑等离子体内部是否达到平衡状态,根据电子温度Te、正离子温度Ti和中性粒子温度Tn 是否达到平衡而将等离子体分为冷等离子体和热等离子体,再根据温度将热等离子体分为高温热等离子体和低温热等离子体。
   2、等离子体垃圾及废物处理技术
等离子体处理废物的过程十分复杂,它涉及到等离子体的产生、传热传质和动量传递、物理相变和化学反应等过程。等离子体处理废物的总包反应过程可由下述反应表示:
废物+添加剂+气化剂+等离子体工作气体+输入电能
 →玻璃体+尾气+金属块+少量飞灰+反应热
   公式 1
   垃圾成份十分复杂且不固定,一般由灰份、水份和有机成份组成。有时会加入添加剂(如SiO2、Na2O等)和气化剂(如H2O、O2等)来调整处理产物。公式 1表明产物主要是玻璃体、等离子体尾气、金属块和少量飞灰,不过具体产物视废物成份而定。等离子体尾气一般是合成可燃气体。
上述一般为吸热反应,由公式 1可看出能量是如何转化的:输入的电能和废物化学能最终大部分转化为产物的化学能以及提升产物的焓,另一部分为反应器散热损失掉。如果将等离子体合成气燃烧发电,产出的电能将高于输入的电能。从能量转化与利用的角度来说,等离子体处理废物可以创造经济价值。
在等离子体气化炉中,首先,等离子枪的电极通过电弧放电将常温下的等离子体工作气体,如Ar、H2、N2、H2O、空气等,转化为等离子体。与此同时,电能转化为等离子体的热能。而后,有机废物迅速被热解、气化,在等离子体气氛中发生反应,最后转化为简单的小分子量物质。灰份则与添加剂一起被熔融玻璃化,反应足够长时间后经快速冷却形成玻璃体。整个气化炉中为还原性气氛,可能有部分金属氧化物被还原成金属块沉留在熔体底部。经过这样的处理,通过一系列化学反应将原本有毒有害的危险废物重组成无害的甚至是有再利用价值的产物。
   等离子体垃圾处理技术可用于处理包括有机溶剂废物、废矿物油、含多氯联苯废物、医院废药物及其它废物、农药废物、有机树脂类废物、爆炸性废物、含金属羰基化合物废物、含有色金属及重金属的废物、石棉废物、放射性废物在内的数千种有毒有害废物,具有技术先进性和不可替代性,市场前景宽广等优势。
   3、等离子体废物处理技术特点
  (1)等离子体处理技术优点:
 多功能——可以处理所有种类的有毒有害危险及非危险废物,包括有机的、无机的、气体、液体及固体。
 性能卓越——能够完全地、安全地将有毒废料转化成无毒有使用价值的产品。
 超高易胜博公司指标——在高温还原性气氛中彻底摧毁二噁英前驱体,不会排出有毒物质及产生二次污染,符合最严格的排放标准,灰渣中的重金属含量低于标准,可以直接制作建筑材料,减少填埋费用。
 资源循环——废物可转换成具有循环使用价值的产品。
 减容比高——减小废物体积高达百分之九十以上。
 占地面积小——气化炉可以采用纯氧气气化技术,使得处理相同规模的物料产生的合成气量大大减少,可削减尾气处理设备的一次投资成本及设备占地面积,同时又减少烟气造成的热量损失。
  (2)等离子体处理技术缺点:
 电极寿命——采用高压电源作为等离子体电源,电极寿命可达2000小时,如果采用工业380V三相电源,电极寿命可达300小时;
 运行要求——气化炉为还原性氛围,对氧量控制严格,因此对运行人员水平要求较高;
 防爆要求——气化炉出口为高温合成气,在后面的工艺过程中对防爆要求高。
   4、等离子废物处理案例:
目前全球范围内采用该项技术建成并投入运行的等离子垃圾处理发电厂约有二十多个个,其技术路线各有千秋,但它们的共性是将利用等离子体的高温特性将其作为辅助热源来进行气体重整或熔渣处理。下面是一些案例的基本情况:
 日本,Yoshii,Utashinai,以及Mihama-Mikata,三个等离子体垃圾处理站
这三个垃圾处理站由美国西屋等离子体公司与日立金属有限公司联合研制开发而成。2000年在Yoshii城内建成第一个,日处理量为151吨;2002年分别在Utashinai以及Mihama-Mikata建成第二个和第三个等离子垃圾处理站,其日处理量分别为150吨和25吨。
 加拿大,渥太华,Plasco Energy公司等离子垃圾处理示范工程
我们对这家公司的技术特点比较了解。该工程建成于2007年10月,垃圾日处理量设计值为85吨,其对物料热值要求比较高,热值需在4000kCal/kg左右,气化气体的热值大约1000kCal/kg左右。采用燃气机发电,设计功率为700KW,燃气机效率设计值为38%。燃气机对来气的洁净度较高,含尘量及焦油量必须小于30mg/Nm3。物料的预热及预处理的热量由燃烧部分物料来完成,必然带入大量不可燃气体,这是造成产品气体热值低的原因。整个系统配备三套等离子装置,每套装置的设计功率为150KW,其中两套用于气体重整,另一套为固体废弃物玻璃体化热源。用于气体重整的等离子枪电极寿命在500-600小时之间,用于固体废弃物玻璃体化等离子枪电极寿命在180-200小时之间。反应室采用三层保温材料,其中气体重整室反应温度为1200度,固体废弃物处理室反应温度为1400度,没有采用水冷方式。尾气采用水洗及布袋除尘技术,NOx及二恶英排放水平很低。
 英国,牛津郡, Advanced Plasma Power 公司生产
APP公司采用等离子炬处理动物粪便及生物质来产生氢气、合成气以及玻璃砂等。日处理量50吨。
 英国,威尔特郡,Advanced Plasma Power 公司生产
该工程的核心就是等离子处理过程,其工艺流程包括可燃物气化、等离子处理、合成气重整、燃气轮机发电以及气体净化等。年处理量设计值为91000吨市政生活垃圾,如果一年按300个工作日计算,其日处理量为300吨。系统所发电量能满足10000户用电要求,所供热量能满足700户要求。该系统长约150米、宽约50米、高约11米,整个系统置于室内,与一个大型超市的占地面积相当。
 台湾,国力成功大学,PEAT国际公司研制生产
该系统建于2004年年底,日处理量为3吨(125公斤/小时),主要用于处理生物医学废物和焚化扬尘,这是台湾第一个授权的商业等离子体固体废物处理回收系统。PEAT(等离子体能源应用科技)还在高雄拥有一个日处理量为10吨的设备,用来处理工业和实验室溶剂液体废物。PEAT国际公司的环境净化程序利用等离子体热量将废物转化为无毒的综合气体,可以用来发电和生产其他有用的产品。
 美国,弗罗里达州,GeoPlasma公司生产(西屋技术)
美国第一套大型等离子垃圾处理系统于2006年在弗罗里达州开始兴建,并于2009年开始投产,该系统预计将解决垃圾继续填满的问题,同时将处理掉自1978年来已经填满的390万吨垃圾。然而由于公众对如此大系统的安全性担忧而暂缓投入使用。
 加拿大,安大略省,Sunbay Energy Corporation研制生产
该公司采用欧洲等离子技术在距离多伦多西部45分钟车程的小城Port Hope建成一个日处理量为360吨的垃圾处理站,其原料为生活垃圾及废弃轮胎。
 美国 弗罗里达州 Green Power公司(西屋技术)
该系统日处理量为910吨,发电容量是35MW,预计2010年10月投产。
 英国 威尔士郡 Enviroparks 公司
该系统年处理量为25万吨。
 印度 Maharastra Enviro Power 公司(西屋技术)
这是美国西屋等离子公司在印度的一个示范工程。该系统是世界上目前最大的危险废弃物处理系统,其设计出力是68吨/天,发电容量是1.6MW。