解讀 | 等離子氣化技術(shù)如何破解危廢圍城
導(dǎo)讀:2017年,我國城市生活垃圾焚燒總量約為9468萬噸,約占垃圾處理總量的40%,垃圾焚燒中產(chǎn)生的二次污染(二噁英)是制約焚燒規(guī)模的最大因素。本文介紹的等離子體氣化技術(shù)始于20世紀(jì)60年代,如今已經(jīng)廣泛應(yīng)用于材料加工、環(huán)保等領(lǐng)域,可從廢棄物中提取可回收物品,轉(zhuǎn)換碳基廢物為合成氣。在危險廢物處理領(lǐng)域應(yīng)用等離子體氣化技術(shù),已逐漸成為研究熱點(diǎn)。
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等離子氣化技術(shù)簡介
1. 等離子體:并非一般物質(zhì)的常見的氣、液、固三態(tài),它屬于物質(zhì)的第四種狀態(tài),是一種高溫,離子化和傳導(dǎo)性的氣體,在氣體電離后形成,具有宏觀尺度內(nèi)的電中性與高導(dǎo)電性。
2. 等離子體氣化技術(shù):通過等離子炬產(chǎn)生高達(dá)約5000K的熱源,將氣化爐保持在1300℃~1500℃高溫(1200℃以上的溫度能使二噁英的主要成分——苯環(huán)徹底瞬間裂解),將垃圾中的有機(jī)成分轉(zhuǎn)化為合成氣,其他物質(zhì)則變成類似玻璃體的熔渣。合成氣可進(jìn)行發(fā)電,也可用來生產(chǎn)乙醇、甲醇和生物柴油;熔渣可加工成為建筑材料。
3. 等離子體氣化工藝:包括預(yù)處理裝置+等離子氣化爐+合成氣凈化裝置等。
按照工藝流水線劃分,可分成以下幾個組成部分:①危險化學(xué)廢棄物儲存及送料系統(tǒng);②等離子氣化爐;③控制中心;④合成氣凈化及檢測系統(tǒng);⑤爐渣處理系統(tǒng);⑥熱量回收系統(tǒng)。
4. 等離子氣化產(chǎn)物:
(1)合成氣
經(jīng)過濾器和脫硫器后產(chǎn)生的清潔合成氣主要由氫、一氧化碳和少量的甲烷組成,這三種物質(zhì)均為可燃物(占合成氣的95.9%),二氧化碳僅占4.1%。幾乎不含粉塵、二氧化硫、碳黑、氮氧化物等有害物質(zhì),接近零排放。
(2)玻璃化渣
等離子氣化爐產(chǎn)生玻璃化渣作為副產(chǎn)品,這些副產(chǎn)品可安全用作建材等應(yīng)用,不會污染土壤或者飲用水。
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核心設(shè)備介紹
等離子氣化爐
等離子氣化爐中產(chǎn)生的等離子體,由等離子火炬采用380V交流電產(chǎn)生。等離子體的發(fā)生裝置功率在5kW~300kW,溫度可達(dá)4000℃~7000℃,射流速度超過200m/s,工作氣體為氮?dú)?、空氣、氫氣等。在高?qiáng)度熱源下,基本粒子的活動能量遠(yuǎn)大于任何分子間化學(xué)鍵的作用,物質(zhì)的微觀運(yùn)動以原子熱運(yùn)動為主,原有物質(zhì)被打碎為原子物質(zhì),以破壞有害成分或使其喪失活力,從而將復(fù)雜的物質(zhì)轉(zhuǎn)化為簡單的無害物。
目前,世界上最大的等離子體氣化熔融爐位于美國(西屋G65爐),處理規(guī)模在1000噸/天。設(shè)備的關(guān)鍵部件主要是等離子體棒和熱解爐隔溫材料,等離子體氣化設(shè)備之所以造價高,主要不在于材料成本,而是技術(shù)壟斷。
03 — 等離子氣化技術(shù)優(yōu)勢
1)極少的進(jìn)料預(yù)處理要求
– 極少的粉碎要求
– 極少的分類要求
2)處理原料種類廣泛
– 生活垃圾,廢舊輪胎,工業(yè)廢物,污泥等混合進(jìn)料
– 根據(jù)進(jìn)料可供性來優(yōu)化,減少對原料的依賴
3)可靠性強(qiáng)
– 可在惡劣的工業(yè)環(huán)境下操作
4)能耗低
5)低污染
– 凈化后的合成氣燃燒類似天然氣
– 玻璃化的底渣為惰性,不會污染土壤和地下水
–減少的溫室氣體排放
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等離子體氣化技術(shù) VS 回轉(zhuǎn)窯焚燒技術(shù)
國內(nèi)外大多危廢處置企業(yè)采用的回轉(zhuǎn)窯焚燒技術(shù),并不能徹底解決危廢的無害化處置難題:揮發(fā)性金屬隨著煙塵排除形成新的污染物,非揮發(fā)性金屬則沉積在爐渣中增加了處理成本。種種現(xiàn)實(shí)難題促使人們將原本應(yīng)用于航天領(lǐng)域的等離子體氣化技術(shù),應(yīng)用到危廢和城市垃圾處理領(lǐng)域。
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等離子氣化技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
1. 國外發(fā)展現(xiàn)狀
目前等離子體氣化技術(shù)發(fā)展較成熟的國家包括美國、加拿大、法國、英國、瑞士、日本以及以色列等。美國的Westing house Plasm公司、Retech公司、IET公司、PEAT公司、Startech公司,法國的航太公司,英國的Tetronics公司以及以色列EER公司的等離子體處理技術(shù)均已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)轉(zhuǎn)。
其中,美國西屋等離子炬公司是世界上最早發(fā)明和利用等離子火炬進(jìn)行航天試驗(yàn)和民用推廣的公司,前身由美國國家宇航局和美國西屋電氣公司聯(lián)合投資設(shè)立。根據(jù)西屋采用MSW等離子氣化系統(tǒng),采用1個氣化爐+合成氣冷卻凈化裝置(包括合成氣冷卻余熱鍋爐),大型項(xiàng)目處理規(guī)模1000噸/日;中型項(xiàng)目處理規(guī)模250噸/日;小型項(xiàng)目處理規(guī)模100噸/日。
2. 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀
國內(nèi)處理城市生活垃圾的方式以填埋和焚燒為主,由于國內(nèi)等離子體氣化技術(shù)發(fā)展時間較短,缺乏運(yùn)營經(jīng)驗(yàn),等離子體氣化技術(shù)在我國尚未得到廣泛的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。國家已將醫(yī)療垃圾等離子體無害化處理裝備納入《國家鼓勵發(fā)展的重大環(huán)保技術(shù)裝備目錄2014版》中:
目前,國內(nèi)采用等離子體氣化技術(shù)處理城市生活垃圾及危廢的時機(jī)已經(jīng)成熟,有少數(shù)工程案例已經(jīng)開始得到實(shí)踐,但整體規(guī)模不超過100噸/天,還存在很大的發(fā)展空間。以下為部分采用等離子技術(shù)進(jìn)行垃圾處理的企業(yè):
1)西安航天源動力工程有限公司
2018年3月,公司自主研發(fā)建設(shè)的等離子體爐渣氣化熔融固廢處理示范工程項(xiàng)目,在江蘇鹽城連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行超30天,有機(jī)污染物焚毀率可達(dá)99.99%。其等離子體氣化爐在設(shè)計(jì)中依托液體火箭發(fā)動機(jī)仿真模擬優(yōu)勢技術(shù)及合理的結(jié)構(gòu)布局,可實(shí)現(xiàn)有機(jī)氣化與無機(jī)熔融的完美結(jié)合。等離子體炬提高了使用空氣作為工作氣體的電極壽命(>600小時),高于國內(nèi)平均水平的3倍;熱效率達(dá)到80%,高于國內(nèi)平均水平的20%,使用成本較國內(nèi)平均水平降低1/3。
2)吉天師能源科技(上海)有限公司
2012年開始設(shè)計(jì)、制造了國內(nèi)首套30噸/天的工業(yè)化規(guī)模的等離子體氣化熔融系統(tǒng),并于2013年完成安裝調(diào)試。2014年和上海市固體廢物處置中心及上海大學(xué)在上海市科委立項(xiàng),2017年5月23日通過上海市科委組織的驗(yàn)收。該系統(tǒng)的處置規(guī)模為30噸/天,處置對象為危險廢棄物(醫(yī)廢/飛灰綜合處理示范工程),系統(tǒng)最長連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行90天,玻化渣浸出性檢測完全達(dá)標(biāo),各項(xiàng)尾氣排放參數(shù)均達(dá)到歐盟2000標(biāo)準(zhǔn),直接運(yùn)行成本低于2000元/噸。
3)中國光大國際有限公司
2016年12月,光大國際與安徽省定遠(yuǎn)縣人民政府簽署投資協(xié)議,投資建設(shè)定遠(yuǎn)危廢處理項(xiàng)目,項(xiàng)目處理規(guī)模為50000噸/年,以BOO模式分兩期投資建設(shè),投資額3.54億元,經(jīng)營期30年,主體工藝采用等離子強(qiáng)化氣化技術(shù)。
4)山東魯抗中和環(huán)保科技有限公司
公司設(shè)有處理規(guī)模為20000噸/年的危險廢物等離子氣化爐處理系統(tǒng),自2017年6月試運(yùn)行以來運(yùn)行情況穩(wěn)定,主要處理其所在園區(qū)產(chǎn)生的抗生素菌渣、污泥、廢活性炭、廢藥品、廢溶劑、精餾殘?jiān)?、廢催化劑等十多種危險廢物。系統(tǒng)各項(xiàng)污染物排放能滿足相應(yīng)排放標(biāo)準(zhǔn)。
5)江蘇遠(yuǎn)創(chuàng)環(huán)保公司
2017年3月,遠(yuǎn)達(dá)環(huán)保(600292)與南京創(chuàng)能電力科技開發(fā)有限公司以現(xiàn)金方式共同出資成立江蘇遠(yuǎn)創(chuàng)環(huán)保科技有限公司,負(fù)責(zé)等離子氣化熔融技術(shù)開發(fā)及應(yīng)用,實(shí)施等離子氣化熔融技術(shù)治理危廢項(xiàng)目的開發(fā)、投資、建設(shè)和運(yùn)營等。