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等离子技术在生活垃圾处理中的应用与探索

2015-11-10 10:42:11来源:论文网浏览:评论:0

  1.生活垃圾等离子气化技术生活垃圾等离子气化技术由生物质气化技术结合“低温”等离子体技术发展衍生而成,具有等离子体和气化的优点。等离子体技术将MSW中的有机物完全转化为合成气(主要为CO和H2),净化后进入内燃机发电;而无机物则可变成无害灰渣(玻璃体),可用来做建材。

  垃圾热处理包括热解、气化和焚烧三种方式,而热解与气化均是由垃圾焚烧技术衍生而成,与焚烧的区别在于焚烧供氧量大于化学当量,热解与气化供氧量均小于化学当量,即垃圾的不完全燃烧。供氧量较小意味着燃烧空气量少,对生活垃圾中小颗粒的淘析作用减弱,烟气挟带和扬析颗粒减少,排烟中烟尘浓度降低。因此,热解与气化过程的烟尘浓度低于焚烧过程,有利于环境保护。此外,气化产物外供,为生活垃圾热能综合利用提供了新方式。

  1.1生活垃圾等离子气化特点利用生活垃圾自身热量建立、稳定独立于焚烧的热解与气化过程,对生活垃圾的品质指标要求比较高。一般而言,含水量与含灰量较低,且热值高于8300kJ/kg的生活垃圾才有可能用独立的热解和气化方法处理。热解与气化的区别在于发生反应的温度不同,热解温度一般为200~400℃,而气化温度一般为600~1200℃。因此,生活垃圾热解和气化需要外界提供较大的能量,尤其是气化。这就必须有一种给予生活垃圾更多能量的发热源和较为适合的反应器来保证气化反应的发生。

  采用等离子体处理垃圾是目前减容效果最显着、无害化最彻底、资源化程度最高的绿色环保技术。与焚烧法相比,等离子体技术最突出的优点有:

  (1)生活垃圾气化产生的合成气经过等离子体高温处理,二恶英和焦油等有害物质彻底分解,而无机物则可变成无害灰渣(玻璃体)。

  (2)由于气化是在贫氧条件下进行,空气过量系数小于1,产生的合成气流量约为同等处理规模焚烧烟气量的5~10%,故污染物排放少,净化设备处理负担减轻,环保效果好。

  (3)气化产生的合成气中含有CO和H2等可燃组分,热值高于焚烧产生的烟气,合成气经过净化后,可直接用于内燃机发电或制成生物质燃料,资源化效果更好。

  1.2等离子气化工艺根据生活垃圾气化与灰渣熔融反应容器的异同以及不同的处理对象,可以将生活垃圾气化技术分为:两步法气化技术和直接气化熔融焚烧技术。而等离子垃圾气化即可采用两步法气化技术,又可采用直接气化熔融技术。

  两步法气化技术的工艺特点是:先将城市生活垃圾置于某一气化炉中并在还原性气氛和温度为450℃~600℃的条件下进行气化,形成易燃烧的可燃气体和易于铁、铝等金属回收的残留物,再在另一熔融炉中进行可燃气体焚烧和能扼制二恶英形成的气化残留物高温熔融处理。整个过程将城市生活垃圾气化过程和熔融过程分别置于两个相对独立的设备中进行,然后再将这两个设备有机地结合为一个整体形成一个完整的城市生活垃圾气化熔融工艺流程。

  直接气化熔融技术的工艺特点是:将城市生活垃圾的气化过程和熔融过程置于一个设备中进行,因此该技术的整个工艺过程设备简单,工程投资和运行费大大降低,操作比生活垃圾两步法气化熔融处理技术也要容易得多。

  等离子气化工艺主要包括原料的预处理、气化、合成气的净化、热回收以及产品利用。生活垃圾气化试验平台包括“接料系统、一级反应器系统、二级反应器系统、等离子炬系统、脱酸系统(包括值班火炬)及辅助系统”六个部分。

  生活垃圾筛上物或者经挤压装置挤压后的厨余垃圾进入一级反应器进行气化,温度在700℃左右;气化合成气进入二级反应器经两支等离子炬的高温与等离子体作用生成热值较高的气化合成气,温度在1200℃左右;高温的气化合成气经气气换热器冷却到600℃后进入半干式脱硫塔进行降温脱酸处理,温度在200℃左右;经脱酸处理后的合成气经引风机作用送入火炬燃烧后对空排放。它是常规气化和重整(等离子体作用在合成气上)反应的结合,即两步法气化技术。

  2.国内外技术进展等离子气化技术最早起源于20世纪60年代,近年来开始尝试用于处理城市和工业垃圾。目前国外研究已经从基础研究过渡到商业应用上,各个主流技术均在积极推动该项技术的商业化应用,而国内的等离子气化技术研究主要集中在煤、生物质及有机固体废弃物上,只有中科院力学所开始涉及城市生活垃圾,起步较晚,成果有待考证。

  2.1国外技术研究进展在生活垃圾处理方面,全球拥有商业化的等离子体设备的公司只有两家:(1)2003年原美国西屋等离子体公司WPC (Westinghouse Plasma Corporation,已被加拿大Alter NRG公司收购)在日本北海道歌志内市建成了两套世界上最大规模的设备,处理量为100t/d;(2)2008年6月加拿大的普拉斯科能源集团公司(Plasco Energy Group Inc.)在加拿大渥太华市建成了单台规模接近100t/d设备。

  此外,BellWether公司在德国、英国、罗马尼亚有自己建设、拥有并运营使用IMG技术的气化设施,用于生活垃圾、工业垃圾、生物质、RDF及污泥发电或再生。韩国“先进等离子技术公司”于2008年先后建成了位于青松县的生活垃圾等离子气化处理厂,以及一座核废料等离子融化处理厂。以色列EER公司/瑞典皇家工学院建立了处理量为12t/d的示范工程。

  2.2国内技术研究进展在国内等离子垃圾气化技术研究处于前列的是中科院力学所,近20年来进行了多方面等离子体废物处理的应用基础研究工作,如等离子体反应器内流场特征、有害/可利用元素迁移规律、玻璃体物理化学稳定性等。其建成了三条完整的等离子体处理危险废物的生产线:在实验室建成了一条3t/d的等离子体处理模拟医疗垃圾的实验线,与企业合作建成了两条工业规模(5~10t/d)的等离子体处理危险废物的生产线。这三条线是国内仅有的三条完整的有机废物处理线,具有完全自主的知识产权。这三条线都是针对危险废物设计的,处理能力定位在5~10t/d。西安电力电容器厂在2006年建立了国内第一套化工固体废物等离子体处理系统-2006;2009年并在礼泉基地建立了国内唯一处理PC2Bs-009的示范工程,示范工程为50t/d筛上物(30%含水率、干燥)的等离子垃圾气化,并获得了自有知识产权的6项发明专利。

  3.存在问题及解决措施垃圾气化考察指标主要包括二恶英、焦油含量和合成气品质三种。等离子气化过程中存在二恶英和焦油等有害物质的产生,因此避免或者降低二恶英和焦油的产生是优化垃圾气化工艺的重要标准,从而达到国家烟气排放和利用标准。

  3.1二恶英二恶英的产生有两个来源,一个是垃圾燃烧气化过程产生;另一个是烟气急冷降温过程再生。

  其产生主要取决于温度和停留时间,控制二恶英的产生可采取以下措施:采用“3T”(temperature turbulence time)技术,一般温度>850℃,停留时间>2s,采用二次风,使燃烧物与空气充分搅拌混合,减少二恶英前驱物质的生成。采用等离子二级反应器对合成气进行重整,使出口的合成气温度达到900~1200℃,研究表明,在此温度下二恶英去除率可达99.9999%。在二级反应器炉内设置多级错位挡板,延长烟气在炉内的停留时间。采用二次进风,保持空气与垃圾间混合均匀,降低二恶英前驱物质生成的风险。

  其再生主要取决于温度、停留时间和氧气浓度,故为了抑制二恶英的再生,我们对烟气采取急冷降温,使其迅速跨过500℃~200℃这一再生温区,控制烟气停留时间在1s内,严格控制进入气化炉内的空气量及整套系统的气密性,防止空气渗入。

  3.2焦油焦油的产生主要取决于转换温度和气相停留时间,随着温度升高和停留时间的增加,焦油的含量会明显地减少。为了降低焦油的产生,我们采取先将垃圾进行常规气化(650℃),然后再对合成气进行等离子体重整,使出口的合成气温度达到900~1200℃,在此温度下可将部分焦油裂解,提高合成气的品质。在二级反应器炉内设置多级错位挡板,延长烟气在炉内重整的停留时间。烟气中残留的焦油采用碱液喷淋洗涤和活性炭吸附,从而达到利用标准。

  3.3合成气品质垃圾气化工艺的关键是气化系统气密性要良好。目前已进行了处理量为15t/d的中试试验,从试验结果来看,气化效果并不理想,其中烟气中的可燃性气体含量较低,并且气化炉中的温度波动也较大,这是由于气化炉膛存在漏风等问题,引起垃圾气化当量比变化,从而改变垃圾气化工艺参数,影响合成气品质。

  4.结论等离子垃圾气化技术是一种新兴的气化技术,能将碳基废物中的有机物完全转化成合成气(主要为CO和H2),可直接燃烧或用于合成更高等级的燃料和化学品,而无机物则可变成无害灰渣,从而实现固体废弃物的无害化、减量化和资源化。气化工艺要严格控制二恶英、焦油含量和合成气品质三种指标,保持气化系统气密性良好。

 

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