国内等离子气化技术研究背景介绍

与国外长期研究和应用等离子气化固体废物的技术相比,国内在该领域的应用研究相对较晚。国内科研机构进行了等离子气化固体废物的基础研究和相关示范装置的技术积累,并取得了一定的成果，国内还有一些能源公司也在积极研究和开发等离子体气化技术,并形成中试规模的等离子体固体废物处理装置。

中国科学院力学研究所等离子气化技术：从20世纪90年代开始,中国科学院力学研究

所便从事等离子气化医疗废物和城市生活垃圾的研究工作,目前,已建成了实验室规模的模拟医疗废物的处理装置,之后又与企业合作建成了两座危险废物的处理设备,设备的处理量达到5—10t/d。此外,中国科学院力学所正在建设处理50t/d的城市生活垃圾示范装置,该过程包括垃圾预处理、等离子体气化、气体冷却、脱酸除尘、发电。可见中国科学院力学所对城市生活垃圾等离子气化技术进行了有益的尝试,并形成了独立自主的等离子体气化技术和示范装置。

中国科学院等离子体物理研究所等离子气化技术：中国科学院等离子体物理研究所建成了一座了熔炉式等离子炉并用于飞灰的处理如图所示,炉体由进料系统、石墨坩埚、石墨阴极、石墨阳极等部分组成。该装置使用功率为100kW的直流弧等离子体炬,等离子体气体通过石墨阴极轴线上的通孔供给,通过放电产生高温等离子体,随后能量被转移到炉体的阳极上熔融飞灰,电弧产生的热量和紫外线能将二噁英等有害物分解成小分子,飞灰熔化后从熔炉中排出,同时在重力作用下,金属沉入炉底,并定期从炉中排出,废气通过污染消除装置进行处理。在无任何添加剂下,飞灰经热等离子体处理后转变成颗粒状熔渣,体积减小为原始的1/3,重量减小了2/3;在等离子体炉缺氧高温的环境下,复杂的废物被完全分解成简单的分子,有毒有害物质在这个过程中被高温彻底分解;飞灰经等离子体玻璃化后,熔渣中的重金属浸出值低于标准水平。

台湾研究所等离子气化技术：台湾核能研究所于1993年开始自行研发等离子体炬,在突破这一关键技术后,于1996年开发了功率为100kW的非转移弧等离子炬装置。反应器进行了特殊设计,能够获得最佳的温度分布,废物通过坩埚覆盖,避免在处理过程中溢出或扩散。该装置使用氩气作为等离子点火气体,处理过程中改用空气作为工作气体,等离子体中心区的温度可以达到10000℃,电子密度达到6×1022/m3,气化炉中心区的高温能够将医疗废物转变成玻璃态熔渣。浸出率分析结果表明,熔渣基质对含金属相的封装非常有效。台湾原子能研究所采用热等离子体熔融系统对飞灰无害化处理,灰渣在等离子焚化炉中玻璃化为无害的炉渣,可用作建筑和装饰材料,消除了无处存放的问题。

广西环境保护科学研究院等离子体气化技术：广西环境保护科学研究院采用30t/d的低温热解耦合等离子体工艺技术处理农村生活垃圾。两年的实际运行效果表明,低温热解耦合等离子体处理技术可有效实现农村生活垃圾的无害化与减量化,设备每年可处理生活垃圾9900t,热解碳化后废渣产率为12%,其中80%的废渣可综合利用;热解炉内温度保持在650℃左右,能有效抑制二噁英等有毒有害物质的生成,同时,烟气净化系统能有效控制烟气中的二噁英,SO2,NOx颗粒物等主要污染。

广州能源研究所等离子体气化技术：广州能源研究所在等离子气化废物领域进行了深入研究,建成了100kW直流弧等离子体热解气化系统。该装置使用氮气作为工作气体对有机固体废物和生物质进行气化处理,研究了不同废物的气化特性。另外,为了研究等离子体对废橡胶的热解过程,广州能源研究所通过直流弧等离子体反应器对废橡胶热解处理以生产气体燃料和回收炭黑,该研究对废橡胶的资源化利用具有积极的意义。

核工业西南物理研究院等离子体气化技术：大体积和不稳定的低放射性废树脂的处置为一大难题,为了实现安全妥善处理,核工业西南物理研究院研制了等离子体高温焚烧实验装置并用于低放射性废树脂的处理研究。等离子体高温焚烧系统主要包括废物预处理、一燃室、二燃室、尾气处理单元。其中一燃室安装3套等离子体炬,单炬最大功率为100kW,二燃室安装了1套等离子体炬,单炬最大功率为50kW,等离子体炬均采用直流非转移弧方式,使用氮气作为载气。经电弧放电后产生高温等离子体,在反应器中形成1400℃的均匀高温区。在这个反应区里,高温等离子体对废物直接进行高温气化处理,有机物质被分解气化,生成可燃性气体,无机物熔化形成熔渣。放射性废物处理结果表明:等离子体技术可以实现低放射性废树脂减容和稳定化的效果,经等离子体处理后,树脂中的有机成分和无机成分分别被高温分解和熔融,低放射性废树脂的减质比达到13。95,尾气中氮氧化物质量浓度为20—300mg/m3,二氧化硫质量浓度为0—95mg/m³均低于国家排放标准。浸出实验表明,放射性核素被包容在玻璃体中,固化体性能稳定。

除此之外,华中科技大学、清华大学以及中山大学等机构对固体废物的等离子气化研究也取得了进展。另外,国内还有一些能源公司也在积极研究自主的等离子气化固体废物技术,并形成中试规模的等离子体处理装置。由此可见,国内在等离子气化废物的研究方面对象较为单一,主要致力于医疗废物、飞灰和生物质等固体废物的研究,对城市生活废物和工业废物的气化研究仍然缺乏;而且不同固体废物在含水率和组成成分方面差异较大,并且没有加以分类,因此,需要根据废物特性,研究出适合国内固体废物处理的等离子气化技术。

我国利用等离子体技术处理“三废”的研究与应用工作始于上世纪九十年代，但由于国内一直没有自主制造的主要设备，国外引进设备又是价格奇昂，再加上以往人们的环保意识较差，所以发展十分缓慢。直到最近几年，由于环境恶化造成的危害日益严重，国家对环保工作的高度重视，国内外对有害物排放标准的严格要求，促进了我国对“三废”处理技术的研究和处理设备的研制工作，特别是在年我国自行研制成功了第一台“等离子体特种垃圾焚烧炉”并成功用于医疗废物的焚烧处理以后，这方面的工作才进入实质性的应用阶段，据目前收集到的资料来看，国内已有深圳坪山人民医院、天津泰达心血管医院、深圳环保局固废处理中心、南京净之杰固废处理中心等单位利用国产等离子体设备处理医疗垃圾。沈阳东郊固体废物处理中心则计划引进了日本设备，浙江巨璧化工有限公司与俄罗斯合作利用等离子体设备处理含氟废物并回收氟，四川晨光化工研究院则与清华大学合作利用等离子体焚烧处理化工残液，而国内从事等离子体焚烧设备的研制和生产的单位也只有三、四家，上述情况说明了在我国利用等离子体技术处理“三废”的工作还只是处于刚刚起步的阶段。

然而由于等离子体特有的优越性能在处理医疗、危险废物时不仅有其技术方面的优点，同

样在经济方面与其它焚烧工艺相比也具有较强的竞争力首先本工艺焚烧比较彻底，残渣量少残渣与垃圾之比≤3%，且无毒性省却了残渣的处理费用和安全填埋场的建设费用尾气产生量少也可减少尾气净化系统的设备投资费用第二处理厂房所需面积很少，以200吨/日的处理规模为例包括垃圾贮存库在内厂房面积仅需不足500平方米。等离子焚烧设备技术比较先进，可频繁地开启和关停，并能很快地稳定运行，操作比较灵便第四可以很容易地达到常规焚烧设

备难以达到的高温如可以用来处理除汞以外的一切危险废弃物第五焚烧时不需消耗辅助燃料弥补了本工艺耗电较大的缺点,以日处理吨日规模为例建设总投资仅需几百万元左右。

根据以上诸点，随着人们对该工艺优越性的认识不断加深和经过应用实践后工艺技术和设备性能将会日臻成熟和完备，可以预期等离子裂解焚烧技术必定会在今后的医疗危险废物处理方面得到越来越广泛的应用，在环境保护事业中发挥出日益显著的作用。