生活垃圾等离子体气化及发电技术

生活垃圾等离子体气化及发电技术

1、相关背景

随着我国城市化、工业化的进程，城市生活垃圾数量不断增长，已经对我国环境安全构成了严重威胁。例如，目前北京市每天产生约1.8万吨生活垃圾，由于卫生填埋场地紧张且环保效果较差、焚烧易造成二次污染等问题而遭到群众反对，因而北京市生活垃圾处理面临巨大压力，急需发展新一代的环保、节能的焚烧替代技术。同样的问题在全国各大城市都有不同程度的体现。

等离子体技术是最有希望替代焚烧的先进技术。随温度升高，物质先经历固、液、气三态，若温度继续上升，气体电离导电，但在一定体积内（德拜半径之内），由于正负离子数目相等，宏观呈现电中性，此时物质成为等离子体态，为物质的第四态。放电产生的2,000~30,000ºC的等离子体，为低温热等离子体，工业应用比较广泛。

等离子体技术在上世纪60年代受益于航天事业的发展而飞速发展，用于处理废物则始于1970年代初，最初主要用于低放射性废物、化学武器和常规武器销毁，1990年代才进入民用领域。由于传统等离子体处理设备技术含量高，投资和运行成本相对较高，初期多用于销毁多氯联苯（PCBs）、POPs、废农药、焚烧飞灰和医疗废物等危险废物。近十年来，技术的不断进步和成熟带来了成本的逐渐降低，随着政府对垃圾处理问题的重视和公众环保意识不断提高，等离子体处理生活垃圾和生物质气化发电的技术逐渐成为国内外的热点。

2、技术特点及原理

生活垃圾气化处理一般采用电弧放电得到的低温热等离子体，弧区温度达6000ºC 以上。由于能量密度非常高，且富含大量极具反应活性的电子和重粒子，因此能够迅速使有机废物的化学键断裂、达到裂解的目的。生活垃圾中的有机成分在等离子体反应器内1000 ºC高温环境下充分裂解气化，转化成CO和H2等小分子可燃性气体（一般称为“合成气”），用于能源或资源回收，等离子体技术最主要的技术优势包括：

（1）处理温度高，环保效果好：等离子体核心温度可达6000ºC 以上，反应器内温度可根据需要控制在1000~2000ºC范围，有害物质摧毁彻底，二噁英前驱体被彻底破坏，二次污染物排放比焚烧低2~3个数量级。

（2）反应器尾气量少，便于洁净处理：采用还原性气氛时，约为焚烧法的5~10%；采用过量空气系数0.3的部分氧化气氛时，尾气量不到焚烧法的40%。

（3）不能回收利用的无机物以液态底渣形式排出，可形成玻璃体，无害化彻底，可以直接填埋或作为建材利用。

（4）经济效益好：合成气可用燃气内燃发电机发电，也可合成柴油。相对蒸汽发电循环，发电效率可从20%左右提高到32%以上，投资回报期可缩短2~3年；由于热值高，没有焦油问题，合成气品质优于常规气化技术。

（5）设备结构紧凑，占地面积少，设备高度低，可减少厂房建设成本。

大量实验数据表明，等离子体技术处理危险有机物的尾气中二噁英类物质含量极低，远远优于焚烧技术所能达到的排放控制能力。此外，酸性气体NOx和SOx排放也较焚烧法易于控制。

3、工程实践与应用前景

上世纪九十年代末以来，力学所开始采用等离子体技术进行销毁化学武器、裂解医疗废物、危险化工废物等的研究工作，先后承担过863项目等多项国家和科学院级项目和多项国家自然科学基金，进行了多方面的等离子体废物处理的基础研究、应用研究、设备研制和工程建设工作。力学所还在生活垃圾焚烧发电方面具有多年研究积累和工程实践经验，承担过国内首批垃圾焚烧项目的设计。

等离子体气化处理生活垃圾技术涉及七大行业中的“节能环保”和“高端装备制造”两类，作为一种极具环保优势又有产业化基础的高新技术，必将在促进我国产业升级、拉动国内需求、打造高端产业等方面发挥积极作用，可形成每年几十亿元人民币的经济效益。

我们愿与有志于此项事业的单位开展密切合作，将新技术进一步产业化及全面推广。