溫 冬，林延超，何 亮，張晨光

（北京環(huán)衛(wèi)集團(tuán)環(huán)境研究發(fā)展有限公司，北京 100101）

與傳統(tǒng)焚燒完全不同的等離子氣化技術(shù)，由于其高溫和高熱密度，等離子技術(shù)幾乎能將碳基廢物中的有機(jī)物完全轉(zhuǎn)化成合成氣（主要為CO和H2），而無(wú)機(jī)物則可變成無(wú)害灰渣（玻璃體）。對(duì)于處理固體廢物中的工業(yè)垃圾和有害廢物，等離子氣化技術(shù)在國(guó)外已有工程化應(yīng)用。利用等離子氣化技術(shù)處理生活垃圾，不僅能起到減量化和無(wú)害化的效果，同時(shí)更能實(shí)現(xiàn)資源化的目的，利用等離子氣化技術(shù)將生活垃圾轉(zhuǎn)化為能源雖是新工藝，但它具有很大的潛力，比起其他熱處理方式，等離子技術(shù)能更有效地運(yùn)行，具有更清潔、更穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)［1-3］。我國(guó)城市生活垃圾的特點(diǎn)是含水率高、宜生化組分高、不可燃成分高于可燃成分，熱值低、水分高，還含有一定成分的硫、氯物質(zhì)等，是一種很低品位的能源，且分選率低，成分波動(dòng)很大。針對(duì)我國(guó)生活垃圾的特點(diǎn)，對(duì)生活垃圾等離子氣化技術(shù)在我國(guó)的工程化應(yīng)用做了大量試驗(yàn)研究。

1 工程化試驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)

1.1 工藝流程

如圖1所示，原生生活垃圾首先進(jìn)入前處理系統(tǒng)，在前處理系統(tǒng)內(nèi)原生生活垃圾經(jīng)擠壓、篩分處理，分選為宜燃組分、宜生化組分和無(wú)機(jī)灰分，其中宜燃組分作為原料進(jìn)入氣化爐進(jìn)行氣化；在氣化爐內(nèi)生活垃圾中的有機(jī)物轉(zhuǎn)化成粗合成氣，而無(wú)機(jī)物則可變成無(wú)害灰渣排出爐外；由氣化爐產(chǎn)生的粗合成氣隨后進(jìn)入氣體重整室，通過(guò)等離子炬的高溫和高熱密度作用，使粗合成氣中的二惡英、焦油、重金屬等大鏈有毒有害分子充分裂解成小分子可燃?xì)怏w（如CH4、H2、CO等）；經(jīng)氣體重整室出來(lái)的精合成氣隨后進(jìn)入余熱鍋爐進(jìn)行余熱回收利用；降溫后的精合成氣依次通過(guò)噴淋塔、袋式除塵器進(jìn)行合成氣凈化處理；凈化后的精合成氣由羅茨風(fēng)機(jī)送入儲(chǔ)氣罐；最后精合成氣進(jìn)入火炬系統(tǒng)進(jìn)行燃燒排放。

圖1 生活垃圾等離子氣化技術(shù)工藝流程

1.2 原料

本工程化試驗(yàn)平臺(tái)所采用的原料為經(jīng)前處理系統(tǒng)處理過(guò)的原生生活垃圾，其主要組分見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)原料元素分析結(jié)果%

1.3 氣化爐

氣化爐是生活垃圾氣化工藝中的核心設(shè)備，根據(jù)操作條件的差別，氣化爐可分為固定床氣化爐、流化床氣化爐、氣流床氣化爐。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前商業(yè)運(yùn)行的裝置中，75%采用下吸式固定床，20%采用流化床，2.5%采用上吸式氣化爐，另外2.5%采用其他形式氣化系統(tǒng)。氣化介質(zhì)可以是空氣、水蒸氣、富氧空氣等。

下吸式氣化爐的特征是氣體和有機(jī)物料混合向下流動(dòng)通過(guò)高溫區(qū)，發(fā)生氣化反應(yīng)。下吸式氣化爐在煤炭氣化方面是較成熟的技術(shù)，但在熱解氣化處理固體廢物方面的研究報(bào)道較少［4］。本工程化試驗(yàn)平臺(tái)采用自制的下吸式氣化爐作為主要制氣設(shè)備，使用空氣作為氣化劑，處理能力為5 t/d。本工程化試驗(yàn)平臺(tái)配置有空氣加熱器，氣化爐入爐空氣溫度可以在常溫至400℃范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。

1.4 等離子體發(fā)生系統(tǒng)

等離子體發(fā)生系統(tǒng)主要包括等離子炬系統(tǒng)、直流整流電源系統(tǒng)、高頻起弧系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)4個(gè)子系統(tǒng)以及冷卻水、介質(zhì)氣體供給系統(tǒng)其余輔助系統(tǒng)。等離子炬由陽(yáng)極組件、陰極組件、進(jìn)氣組件3部分組成，還有支撐托架配合現(xiàn)場(chǎng)安裝。陽(yáng)極組件與陰極組件包括用來(lái)形成等離子電弧的2個(gè)金屬電極（陽(yáng)極與陰極），它們均采用水冷方式，以承受電弧高溫沖擊。電源的正極與炬的陽(yáng)極相連接，負(fù)極與炬的陰極相連接?？諝鈴木骟w注入，形成于陰極和陽(yáng)極之間的電弧將氣體電離形成具有高溫導(dǎo)電特性等離子體，其中帶正電的離子流向電源負(fù)極形成電弧的陰極，帶負(fù)電的離子及電子流向電源的正極形成電弧的陽(yáng)極。此類炬具有結(jié)構(gòu)合理、安裝方便、介質(zhì)氣體消耗量小、熱效率高的特點(diǎn)，是一種良好的高溫加熱熱源。

本工程化試驗(yàn)平臺(tái)采用的等離子體發(fā)生系統(tǒng)配套有2支等離子炬，其具體參數(shù)：工作介質(zhì)為空氣；功率范圍70～150 kW；電弧電流150～300 A；陰極壽命大于200 h（易更換）；陽(yáng)極壽命大于200 h（易更換）。

等離子炬需配備空氣供應(yīng)系統(tǒng)具體要求：①空氣潔凈而且能夠穩(wěn)定持續(xù)供給；②空氣供氣管道在連接等離子炬軟管之前設(shè)置過(guò)濾器，過(guò)濾精度不低于0.1 mm；③等離子炬入口的空氣壓力范圍為0.4～0.7 MPa，壓力波動(dòng)范圍小于20 kPa。

等離子炬需配備冷卻水系統(tǒng)的具體要求：①冷卻水要采用去離子水或純凈水，pH 7.0～8.5，堿度（CaCO3）小于1.2 mg/L。水質(zhì)清潔，無(wú)焊渣、鐵銹、油污或其他雜質(zhì)。②冷卻水壓力控制在0.6～0.9 MPa，冷卻水入口水溫不能高于40℃；

1.5 合成氣凈化系統(tǒng)

合成氣凈化工藝是按生活垃圾氣化產(chǎn)生的合成氣中污染物組分、濃度及需要執(zhí)行的排放標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定，在通常情況下，合成氣凈化工藝主要針對(duì)酸性氣體（HCl、HF、SOx）、顆粒物及重金屬等進(jìn)行控制［5］，其工藝設(shè)備主要由2部分組成，即酸性氣體脫除和顆粒物捕集。另外，合成氣中有機(jī)物、重金屬等污染物在這工藝過(guò)程中同時(shí)被加以捕集。

本工程化試驗(yàn)平臺(tái)的合成氣凈化系統(tǒng)主要包括半干法脫酸子系統(tǒng)、袋式除塵器、羅茨風(fēng)機(jī)、氣水分離器等。其中，半干法脫酸系統(tǒng)的主要設(shè)備是SDA旋轉(zhuǎn)噴霧塔和NaOH漿液制備設(shè)備。

由于氣化爐入爐原料中含有大量的水分以及合成氣在脫酸環(huán)節(jié)帶入的水分致使經(jīng)凈化后的合成氣中水蒸氣含量較大，合成氣的熱值較低。故合成氣在脫酸、除塵后需進(jìn)入氣水分離器進(jìn)行脫水處理，以提高合成氣的熱值。

1.6 配套檢測(cè)設(shè)備

為了滿足生活垃圾等離子氣化技術(shù)工程化試驗(yàn)的研究，在整套試驗(yàn)平臺(tái)中主要使用如下檢測(cè)設(shè)備：數(shù)顯溫度傳感器；數(shù)顯壓力傳感器；高溫氣體流量計(jì)；便攜式煙氣分析儀（德國(guó)MRU Vario Plus）；露點(diǎn)分析儀；凝膠滲透色譜聯(lián)合光電二極管陣列檢測(cè)器（GPC-PDA）。

2 工程化試驗(yàn)研究過(guò)程

2.1 生活垃圾等離子氣化技術(shù)機(jī)理［6］

原料進(jìn)入氣化爐爐膛內(nèi)的反應(yīng)過(guò)程大致可分為4個(gè)區(qū)域：

1） 干燥區(qū) （50～120 ℃）。

2） 熱分解反應(yīng)器（120～600℃），干燥物料受熱釋放揮發(fā)分和焦油，形成焦炭。

3） 氧化反應(yīng)區(qū)（600～900℃），主要有強(qiáng)烈放熱的焦炭氧化反應(yīng)和一氧化碳氧化反應(yīng)；同時(shí)，焦油受高溫作用部分發(fā)生裂解反應(yīng)。

4） 還原反應(yīng)區(qū)（500～800℃），主要有焦炭與水蒸氣和二氧化碳發(fā)生的還原反應(yīng)，均為吸熱反應(yīng)；焦油繼續(xù)發(fā)生裂解反應(yīng)。

在氣化爐內(nèi)生活垃圾氣化過(guò)程中主要發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)有：

在氣體重整室內(nèi)等離子體發(fā)生系統(tǒng)產(chǎn)生的等離子體作用于粗合成氣，發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)主要有：

2.2 試驗(yàn)條件及分析方法

1）試驗(yàn)條件：試驗(yàn)原料為經(jīng)前處理后的生活垃圾，原料的組分如表1所示；氣化爐采用空氣（O2體積分?jǐn)?shù)為21%）作為氣化劑，在氣化劑入爐前先通過(guò)空氣加熱器加熱，氣化爐入爐氣化劑的溫度可以在常溫至400℃范圍內(nèi)改變。

2）分析方法：在試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)便攜式煙氣分析儀和露點(diǎn)分析儀對(duì)合成氣的可燃組分及水分等進(jìn)行檢測(cè)；通過(guò)凝膠滲透色譜聯(lián)合光電二極管陣列檢測(cè)器（GPC-PDA）對(duì)合成氣中的焦油進(jìn)行檢測(cè)。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果及討論

試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 生活垃圾等離子氣化試驗(yàn)數(shù)據(jù)

1）經(jīng)前處理后的生活垃圾經(jīng)氣化爐氣化可以連續(xù)產(chǎn)生合成氣，通過(guò)調(diào)節(jié)氣化爐進(jìn)風(fēng)量、進(jìn)風(fēng)溫度、引風(fēng)機(jī)風(fēng)量等參數(shù)可以使所產(chǎn)生的合成氣具有較好的品質(zhì)。

2）氣化爐爐溫在500℃以下時(shí)，生活垃圾中的大量揮發(fā)分析出，揮發(fā)分與通入氣化爐的氧氣發(fā)生反應(yīng)生成大量CO2，由于通入有限的空氣量不能使揮發(fā)分完全燃燒，使得該階段有一定量的CO生成，并且CO的體積分?jǐn)?shù)隨溫度的升高而升高；在500～700℃階段，由于生活垃圾中的揮發(fā)分逐漸析出完全，隨溫度升高使得CO、CO2的體積分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)；在700～850℃階段，生活垃圾熱分解殘留的固定碳開(kāi)始與CO2發(fā)生碳還原反應(yīng)并且焦油也發(fā)生一定的裂解反應(yīng)，使得此階段CO2的體積分?jǐn)?shù)迅速下降，CO的體積分?jǐn)?shù)隨溫度的升高迅速增加；氣化爐爐溫在850℃以上時(shí)，由于焦油和固定碳的量隨反應(yīng)進(jìn)行逐漸降低，因此造成CO體積分?jǐn)?shù)降低。

氣體產(chǎn)物H2在溫度超過(guò)500℃以后，其體積才開(kāi)始緩慢增長(zhǎng)；在700～850℃階段，部分熱解殘留的固定碳也開(kāi)始與水蒸氣發(fā)生反應(yīng)，使得H2的體積分?jǐn)?shù)迅速增長(zhǎng)；當(dāng)爐溫超過(guò)850℃時(shí)，由于焦油和固定碳的量隨反應(yīng)進(jìn)行逐漸降低，H2的體積分?jǐn)?shù)也有所降低。

氣體產(chǎn)物CH4在整個(gè)氣化過(guò)程中隨著溫度的升高其體積分?jǐn)?shù)增加，但是體積分?jǐn)?shù)一直都比較低；在700～850℃階段，由于生活垃圾熱分解產(chǎn)物中的大分子鏈物質(zhì)開(kāi)始發(fā)生裂解反應(yīng)，使CH4的體積分?jǐn)?shù)有明顯增加；當(dāng)爐溫超過(guò)850℃后，隨著裂解反應(yīng)的進(jìn)行，CH4的體積分?jǐn)?shù)逐漸降低。

3）氣化爐產(chǎn)生的合成氣在氣體重整室內(nèi)經(jīng)等離子體作用后，原合成氣中的大分子鏈物質(zhì)，如焦油、二惡英/呋喃等被等離子體的高溫及高熱密度摧毀形成小分子可燃?xì)怏w（如CH4、H2、CO等），故合成氣組分中CO、H2、CH4等氣體的體積分?jǐn)?shù)有所增加，使合成氣的熱值得以提高。

3 結(jié)論

生活垃圾等離子氣化技術(shù)融合了等離子技術(shù)和氣化技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，由于高溫場(chǎng)和等離子體的存在，使焦油、二惡英等有害物質(zhì)分解，無(wú)害化更徹底，且污染物排放少，環(huán)保效果好；同時(shí)，氣化產(chǎn)生的合成氣中含有一氧化碳、氫氣、甲烷等可燃?xì)怏w，可直接用于內(nèi)燃機(jī)發(fā)電或制成生物質(zhì)燃料，資源化效果更好；故該技術(shù)符合可持續(xù)發(fā)展的概念，實(shí)現(xiàn)了生活垃圾資源化、無(wú)害化、減量化，是未來(lái)生活垃圾處理的最佳途徑。

通過(guò)一個(gè)階段的工程化試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)利用等離子技術(shù)凈化氣化爐產(chǎn)生的粗合成氣，其對(duì)除焦油的脫除十分明顯。但是在工程化試驗(yàn)研究過(guò)程中，也發(fā)現(xiàn)了一些問(wèn)題，有待進(jìn)一步研究試驗(yàn)：

1）由于生活垃圾組分復(fù)雜而且隨季節(jié)波動(dòng)比較大，經(jīng)氣化爐氣化產(chǎn)生的合成氣的組分及熱值也隨之波動(dòng)。為了滿足后續(xù)合成氣綜合利用的目的，如何把合成氣的組分及熱值控制在一個(gè)合理的范圍內(nèi)，是下一步工作的重點(diǎn)內(nèi)容之一。

2）為了使生活垃圾等離子氣化技術(shù)能實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用，針對(duì)生活垃圾的特點(diǎn)，研究一種能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)進(jìn)料、連續(xù)出渣、連續(xù)產(chǎn)氣、密封性好的生活垃圾氣化爐是下一步的重點(diǎn)工作。

3）生活垃圾等離子氣化技術(shù)的關(guān)鍵設(shè)備之一是等離子體發(fā)生系統(tǒng)，目前在國(guó)內(nèi)只有小功率、電極短壽命的該類產(chǎn)品，為了使整套系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)運(yùn)行，等離子體發(fā)生系統(tǒng)只能從國(guó)外進(jìn)口。為了降低制造成本，目前研究效率高、電極壽命長(zhǎng)并能實(shí)現(xiàn)在線更換的國(guó)產(chǎn)化等離子體發(fā)生系統(tǒng)十分必要。

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