有機(jī)廢物等離子體氣化技術(shù)分析與探討
摘要：本文從有機(jī)廢物氣化的特點(diǎn)出發(fā)，對(duì)常規(guī)的氣化方式中的水蒸汽氣化、氧氣氣化以及雙流化床氣化方法做了簡(jiǎn)要介紹，重點(diǎn)介紹了蒸汽等離子體高溫氣化的原理、方法以及特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上對(duì)常規(guī)氣化和等離子體氣化方式的特點(diǎn)和性能進(jìn)行了詳細(xì)的對(duì)比。蒸汽等離子體氣化有機(jī)廢物具有碳轉(zhuǎn)化率高、燃?xì)赓|(zhì)量高減容比大、可控性好以及無(wú)污染等優(yōu)勢(shì)。
一、前言
能源問(wèn)題和環(huán)境問(wèn)題是當(dāng)今世界的兩大熱點(diǎn)問(wèn)題。隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,城市化進(jìn)程的不斷加快以及人們物質(zhì)生活的隨著我國(guó)社會(huì)工業(yè)化的發(fā)展,城市化進(jìn)程的不斷加快以及人們物質(zhì)生活的提高，一方面對(duì)一次性能源的需求持續(xù)增長(zhǎng)，另一方面工業(yè)廢物以及城市生活廢物(MSW) 的數(shù)量也迅速增加，造成資源的巨大浪費(fèi)。隨著各種熱處理技術(shù)在環(huán)境污染物處理上的日益廣泛應(yīng)用和許多難處理或特殊的污染物對(duì)處理效率的更高的要求,常規(guī)的熱處理技術(shù)已逐漸顯現(xiàn)出其不足之處。例如安裝費(fèi)用高、粉塵大、熱效率不高、體積龐大、不能經(jīng)常開(kāi)關(guān)以及資源化程度底,尤其是對(duì)于多氯聯(lián)苯類(PCB),氟里昂類等難消解含鹵化合物及生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)、農(nóng)藥、醫(yī)院等的特殊廢棄物處理,常規(guī)的燃料熱源技術(shù)的處理效率常不能達(dá)到國(guó)際規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)(PCB 的消解效率必須大于99.9999%)。再者，焚燒中排放二噁英（dioxin） [1－2]污染問(wèn)題一直是備受人們關(guān)注的焦點(diǎn)。焚化爐的燃燒產(chǎn)生的底灰（Bottom Ash）、尾氣（Emission）和飛灰(Fly Ash)均含有有毒物質(zhì)二噁英，對(duì)生態(tài)環(huán)境及人體健康帶來(lái)危害。
二、有機(jī)廢物常規(guī)氣化的技術(shù)過(guò)程
2.1 有機(jī)廢物的氣化特點(diǎn)
利用有機(jī)廢物制取燃?xì)，通常采用氣化的方式。工業(yè)上的有機(jī)物氣化大都采用空氣作為氣化的工作介質(zhì)，由于空氣中含有大量的氮?dú)猓細(xì)鉄嶂档汀４朔椒óa(chǎn)生的燃?xì)鉄嶂翟?4000～6000kJ/m3，其成份主要是N2、CO、H2、CH4 以及CO2 等，適用于工業(yè)窯爐的輔助燃料或內(nèi)燃機(jī)發(fā)電。該種氣化技術(shù)已經(jīng)較為成熟，現(xiàn)有固定床、流化床及循環(huán)流化床的氣化方式，其氣化效率達(dá)到70～80。由于上述方法得到的低熱值燃?xì)庵，含?0％左右的N2，如果將其中的N2 除去，其燃值將相應(yīng)增加一倍，達(dá)到10000～15000kJ/m3，成為中等熱值燃?xì)狻６械葻嶂等細(xì)獾挠猛緦⒏訌V泛。中等熱值的燃?xì)馔ǔ２捎貌缓琋2 的氣化介質(zhì)或改變氣化方式，使有機(jī)物進(jìn)行熱解氣化。得到的氣體主要成份為CO、H2、CH4 和CO2，具體方法有三種，即水蒸汽氣化、氧氣氣化及雙流化床氣化。
2.2 中等熱值氣化方法的技術(shù)特點(diǎn)
（1）水蒸氣氣化：利用高溫水蒸汽加熱有機(jī)物，先將有機(jī)物熱解，生成可燃?xì)怏w和焦炭，焦炭再進(jìn)一步與水蒸氣反應(yīng)，生成H2 和CO，因此水蒸氣氣化必須要有兩個(gè)關(guān)鍵設(shè)備，蒸汽發(fā)生器和氣化爐。由于有機(jī)物熱解比較理想的溫度區(qū)間在700℃以上，而且焦炭與水蒸汽的反應(yīng)要求較高的溫度，因此只有水蒸氣的溫度達(dá)到700℃以上，氣化效果才比較理想，這對(duì)蒸汽發(fā)生器性能提出了較高的要求。通常情況下，由于水蒸汽氣化難以達(dá)到較高的溫度，因此氣體產(chǎn)率較低。但是產(chǎn)生的燃?xì)釮2、CH4 較多，CO、CO2 相對(duì)較少，有利于燃?xì)獾倪M(jìn)一步處理？偟膩(lái)說(shuō)，常規(guī)的水蒸氣氣化效果較差，目前工業(yè)上已經(jīng)較少應(yīng)用，主要用于實(shí)驗(yàn)室研究。
（2）氧氣氣化：這是目前氣化技術(shù)較為成熟，應(yīng)用較為廣泛的一種氣化方式，氣化過(guò)程中采用氧氣作為氣化介質(zhì)，將部分有機(jī)物氧化產(chǎn)生熱量來(lái)維持氣化的能量。燃?xì)庵蠧O2、H2 的含量較高，CH4 的含量低，氣化所得的燃?xì)鉄嶂递^高。該氣化方式燃?xì)猱a(chǎn)率較高，氣化效率相應(yīng)提高，而且工藝簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟，運(yùn)行穩(wěn)定，是目前在工業(yè)上較常用的一種氣化方式。氧氣氣化的主要缺點(diǎn)是需要一套制氧裝置，一次性投資較大。
（3）雙流化床氣化：該方法充分利用了流化床的特點(diǎn)，將氣化過(guò)程中兩種過(guò)程及燃燒和熱解分開(kāi)，分別放在兩個(gè)流化床中獨(dú)立進(jìn)行。有機(jī)廢物首先進(jìn)入熱解床，進(jìn)行熱解，產(chǎn)生熱解氣體和焦炭，經(jīng)過(guò)氣固分離，焦炭進(jìn)入燃燒床與空氣燃燒，加熱床中的熱載體，熱載體再循環(huán)到熱解床作為有機(jī)物發(fā)生熱解的能量。由于該氣化方式采用了先進(jìn)的流化床技術(shù)，使得熱解產(chǎn)生的燃?xì)馀c燃燒過(guò)程中出現(xiàn)的CO2 和N2 分離，因而燃?xì)赓|(zhì)量較好，而且不需要額外的熱源和制氧設(shè)備，相應(yīng)的運(yùn)行成本較低。但是，由于熱載體數(shù)量上和溫度的限制，通常情況下熱解床的溫度都不能很高，因而有機(jī)廢物的氣化率較低。由于燃燒床排出的尾氣溫度較高、熱焓值較高，需要回收，否則浪費(fèi)較大，因而需要較好的余熱回收裝置。另一方面，由于運(yùn)行時(shí)焦炭和熱載體都在較高溫下循環(huán)，難以定量控制，較易引起爐溫的起伏變化和不穩(wěn)定，因此需要輔助的加熱裝置。由于上述問(wèn)題的存在，限制了該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用，目前國(guó)內(nèi)外還處于不斷的研究完善之中。
三、有機(jī)廢物蒸汽等離子體氣化
熱等離子體技術(shù)由于其高溫（溫度可達(dá)到10000K-20000K）與高熱傳導(dǎo)效率首先在冶金和切割和噴涂等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,基于熱等離子體高溫、高能量密度以及高活性豐富自由基的存在，近來(lái)在有機(jī)廢物的處理和資源化方面，尤其是在危險(xiǎn)廢物的處理領(lǐng)域，越來(lái)越受到人們的關(guān)注。
采用低溫水蒸汽（150℃～250℃）作為等離子體炬的工作氣體，即采用水蒸汽作為有機(jī)廢物的氣化介質(zhì)，經(jīng)等離子體炬加熱后的水蒸汽，平均溫度高達(dá)5000℃，與常規(guī)的水蒸汽氣化相比，蒸汽等離子體氣化具有一系列優(yōu)點(diǎn)，它為氣化反應(yīng)提供了一個(gè)高溫、高能環(huán)境，物料加熱速率快，反應(yīng)速率快，有很高的處理效率，還能發(fā)生一些在普通氣化條件下不能發(fā)生的反應(yīng)；尤其是對(duì)難處理危險(xiǎn)廢物及特殊要求廢物,其先進(jìn)性與優(yōu)越性進(jìn)一步顯現(xiàn)出來(lái), 成為有機(jī)廢物處理領(lǐng)域中最有發(fā)展前途,最引人關(guān)注的一項(xiàng)高科技技術(shù)。圖1 為聚乙烯與蒸汽反應(yīng)C/O 為1 時(shí)不同溫度下的氣體成份。圖2 為不同C/O 比1500K 時(shí)的氣體成份和H2、 CO 摩爾比。
.jpg) 圖1 不同溫度下聚乙烯蒸汽氣化的氣體組分 |
 圖 2 不同碳氧比下產(chǎn)生氣體成份及H2、CO 摩爾比 |
表1 常規(guī)氣化與等離子體氣化方法比較 |
4、有機(jī)廢物氣化方法比較
表 1 對(duì)常規(guī)氣化方法和等離子體氣化方法進(jìn)行了綜合對(duì)比。從表中可以看出，氣化結(jié)果主要取決于氣化的反應(yīng)溫度，溫度越高，氣體產(chǎn)量越大，氣化效率越高，但是氣體的熱值相對(duì)降低[3]。從氣化產(chǎn)生燃?xì)獾慕M分來(lái)看，蒸汽等離子體的氣化燃?xì)赓|(zhì)量最高，幾乎完全由H2 和CO 組成，占?xì)怏w組分的99％，而且H2 和CO 的比例，可通過(guò)控制蒸汽和廢物的量來(lái)達(dá)到調(diào)節(jié)，這樣可以直接滿足某些化學(xué)合成的需要，例如合成甲醇，將H2 和CO 的比例控制在2 比1 最為合適。
蒸汽等離子體氣化產(chǎn)物中不含焦油成份，便于氣體進(jìn)一步處理。例如，可將氣體中的 CO 濾去或在適當(dāng)溫度和催化劑作用下將CO 氧化成CO2 得到純凈的H2，也可將燃?xì)庵苯佑糜谌剂想姵匕l(fā)電，燃料電池的發(fā)電效率高，而燃料電池的有效能效可達(dá)60～70%，其理論能量轉(zhuǎn)換效率可達(dá)90%，特別是氫燃料電池可做到零污染。也可將氣體直接用于燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電，輔助余熱鍋爐及蒸汽輪機(jī)發(fā)電總效率最亦可達(dá)到50％，均高于廢物燃燒蒸汽輪機(jī)發(fā)電效率20～25％。由于燃?xì)廨啓C(jī)對(duì)燃?xì)獾馁|(zhì)量要求高，常規(guī)的氣化燃?xì)庠谖唇?jīng)進(jìn)一步處理之前是無(wú)法應(yīng)用的。
從有機(jī)廢物碳的轉(zhuǎn)化效率來(lái)看，蒸汽等離子體氣化也是占有明顯的優(yōu)勢(shì)，這樣可以最大限度地利用廢物資源。
從有機(jī)廢物的氣化溫度來(lái)看，常規(guī)氣化方法溫度在550℃～950℃之間，如果廢物中含有氯元素，將無(wú)可避免的產(chǎn)生二惡英和呋喃，它是一種無(wú)色無(wú)味劇毒物質(zhì)，這是造成焚燒爐在西方國(guó)家很難被公眾接受的主要原因，同時(shí)由于常規(guī)的氣化方式溫度較低，氣體中飛灰的含量較大，而飛灰中含有重金屬和二惡英，需要進(jìn)一步的處置。這樣以來(lái)，常規(guī)氣化方式對(duì)有機(jī)廢物必須進(jìn)行嚴(yán)格的篩選，盡可能避免含氯元素的有機(jī)物，廢物中的無(wú)機(jī)物含量盡量低，這使得常規(guī)氣化方式對(duì)有機(jī)廢物的適應(yīng)性差。對(duì)于蒸汽等離子體氣化方式，由于高溫以及氣化爐的還原性氣氛，二惡英和呋喃等有毒物質(zhì)被完全破壞，廢物中的金屬和無(wú)機(jī)物被熔化，因而具有很大的減容比。排出的熔融金屬可回收再利用，而熔融的無(wú)機(jī)物類似于玻璃體結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)表明，它具有不浸出性，可作為建筑材料。可以看出，蒸汽等離子體對(duì)廢物具有廣泛的適應(yīng)性，完全基于廢物資源化這一思路，在廢物得到處理的同時(shí)，將廢物轉(zhuǎn)化成可以在利用的產(chǎn)品，同時(shí)對(duì)環(huán)境非常友好。
另外一方面，從表中可以看出，除了氣化參數(shù)和氣體成份有較大差別以外，在技術(shù)水平上也有一定的不同？偟膩(lái)說(shuō)，常規(guī)水蒸氣氣化相對(duì)較差，而氧氣氣化和雙流化床氣化各有千秋，蒸汽等離子體的氣化效果最佳，但是技術(shù)也最復(fù)雜，運(yùn)行成本也最高，目前，主要應(yīng)用于有毒廢物的氣化領(lǐng)域，具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。
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