摘要：本文從有機廢物氣化的特點出發(fā)，對常規(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要介紹，重點介紹了蒸汽等離子體高溫氣化的原理、方法以及特點，在此基礎上對常規(guī)氣化和等離子體氣化方式的特點和性能進行了詳細的對比。蒸汽等離子體氣化有機廢物具有碳轉化率高、燃氣質量高減容比大、可控性好以及無污染等優(yōu)勢。

一、前言

能源問題和環(huán)境問題是當今世界的兩大熱點問題。隨著我國社會經濟的發(fā)展,城市化進程的不斷加快以及人們物質生活的隨著我國社會工業(yè)化的發(fā)展,城市化進程的不斷加快以及人們物質生活的提高，一方面對一次性能源的需求持續(xù)增長，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。隨著各種熱處理技術在環(huán)境污染物處理上的日益廣泛應用和許多難處理或特殊的污染物對處理效率的更高的要求,常規(guī)的熱處理技術已逐漸顯現(xiàn)出其不足之處。例如安裝費用高、粉塵大、熱效率不高、體積龐大、不能經常開關以及資源化程度底,尤其是對于多氯聯(lián)苯類(PCB),氟里昂類等難消解含鹵化合物及生物技術產業(yè)、農藥、醫(yī)院等的特殊廢棄物處理,常規(guī)的燃料熱源技術的處理效率常不能達到國際規(guī)定的標準(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]污染問題一直是備受人們關注的焦點。焚化爐的燃燒產生的底灰（Bottom Ash）、尾氣（Emission）和飛灰(Fly Ash)均含有有毒物質二噁英，對生態(tài)環(huán)境及人體健康帶來危害。

二、有機廢物常規(guī)氣化的技術過程

2.1 有機廢物的氣化特點

利用有機廢物制取燃氣，通常采用氣化的方式。工業(yè)上的有機物氣化大都采用空氣作為氣化的工作介質，由于空氣中含有大量的氮氣，燃氣熱值低。此方法產生的燃氣熱值在 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燃機發(fā)電。該種氣化技術已經較為成熟，現(xiàn)有固定床、流化床及循環(huán)流化床的氣化方式，其氣化效率達到70～80。由于上述方法得到的低熱值燃氣中，含有50％左右的N2，如果將其中的N2 除去，其燃值將相應增加一倍，達到10000～15000kJ/m3，成為中等熱值燃氣。而中等熱值燃氣的用途將更加廣泛。中等熱值的燃氣通常采用不含N2 的氣化介質或改變氣化方式，使有機物進行熱解氣化。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特點

（1）水蒸氣氣化：利用高溫水蒸汽加熱有機物，先將有機物熱解，生成可燃氣體和焦炭，焦炭再進一步與水蒸氣反應，生成H2 和CO，因此水蒸氣氣化必須要有兩個關鍵設備，蒸汽發(fā)生器和氣化爐。由于有機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要求較高的溫度，因此只有水蒸氣的溫度達到700℃以上，氣化效果才比較理想，這對蒸汽發(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到較高的溫度，因此氣體產率較低。但是產生的燃氣H2、CH4 較多，CO、CO2 相對較少，有利于燃氣的進一步處理�？偟膩碚f，常規(guī)的水蒸氣氣化效果較差，目前工業(yè)上已經較少應用，主要用于實驗室研究。

（2）氧氣氣化：這是目前氣化技術較為成熟，應用較為廣泛的一種氣化方式，氣化過程中采用氧氣作為氣化介質，將部分有機物氧化產生熱量來維持氣化的能量。燃氣中CO2、H2 的含量較高，CH4 的含量低，氣化所得的燃氣熱值較高。該氣化方式燃氣產率較高，氣化效率相應提高，而且工藝簡單，技術成熟，運行穩(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，將氣化過程中兩種過程及燃燒和熱解分開，分別放在兩個流化床中獨立進行。有機廢物首先進入熱解床，進行熱解，產生熱解氣體和焦炭，經過氣固分離，焦炭進入燃燒床與空氣燃燒，加熱床中的熱載體，熱載體再循環(huán)到熱解床作為有機物發(fā)生熱解的能量。由于該氣化方式采用了先進的流化床技術，使得熱解產生的燃氣與燃燒過程中出現(xiàn)的CO2 和N2 分離，因而燃氣質量較好，而且不需要額外的熱源和制氧設備，相應的運行成本較低。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，否則浪費較大，因而需要較好的余熱回收裝置。另一方面，由于運行時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。由于上述問題的存在，限制了該項技術的應用，目前國內外還處于不斷的研究完善之中。

三、有機廢物蒸汽等離子體氣化

熱等離子體技術由于其高溫（溫度可達到10000K-20000K）與高熱傳導效率首先在冶金和切割和噴涂等領域得到廣泛應用,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，近來在有機廢物的處理和資源化方面，尤其是在危險廢物的處理領域，越來越受到人們的關注。

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廢物的氣化介質，經等離子體炬加熱后的水蒸汽，平均溫度高達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，它為氣化反應提供了一個高溫、高能環(huán)境，物料加熱速率快，反應速率快，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；尤其是對難處理危險廢物及特殊要求廢物,其先進性與優(yōu)越性進一步顯現(xiàn)出來, 成為有機廢物處理領域中最有發(fā)展前途,最引人關注的一項高科技技術。圖1 為聚乙烯與蒸汽反應C/O 為1 時不同溫度下的氣體成份。圖2 為不同C/O 比1500K 時的氣體成份和H2、 CO 摩爾比。

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、有機廢物氣化方法比較

表 1 對常規(guī)氣化方法和等離子體氣化方法進行了綜合對比。從表中可以看出，氣化結果主要取決于氣化的反應溫度，溫度越高，氣體產量越大，氣化效率越高，但是氣體的熱值相對降低[3]。從氣化產生燃氣的組分來看，蒸汽等離子體的氣化燃氣質量最高，幾乎完全由H2 和CO 組成，占氣體組分的99％，而且H2 和CO 的比例，可通過控制蒸汽和廢物的量來達到調節(jié)，這樣可以直接滿足某些化學合成的需要，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物中不含焦油成份，便于氣體進一步處理。例如，可將氣體中的 CO 濾去或在適當溫度和催化劑作用下將CO 氧化成CO2 得到純凈的H2，也可將燃氣直接用于燃料電池發(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60～70%，其理論能量轉換效率可達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氣輪機發(fā)電，輔助余熱鍋爐及蒸汽輪機發(fā)電總效率最亦可達到50％，均高于廢物燃燒蒸汽輪機發(fā)電效率20～25％。由于燃氣輪機對燃氣的質量要求高，常規(guī)的氣化燃氣在未經進一步處理之前是無法應用的。

從有機廢物碳的轉化效率來看，蒸汽等離子體氣化也是占有明顯的優(yōu)勢，這樣可以最大限度地利用廢物資源。

從有機廢物的氣化溫度來看，常規(guī)氣化方法溫度在550℃～950℃之間，如果廢物中含有氯元素，將無可避免的產生二惡英和呋喃，它是一種無色無味劇毒物質，這是造成焚燒爐在西方國家很難被公眾接受的主要原因，同時由于常規(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，需要進一步的處置。這樣以來，常規(guī)氣化方式對有機廢物必須進行嚴格的篩選，盡可能避免含氯元素的有機物，廢物中的無機物含量盡量低，這使得常規(guī)氣化方式對有機廢物的適應性差。對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被完全破壞，廢物中的金屬和無機物被熔化，因而具有很大的減容比。排出的熔融金屬可回收再利用，而熔融的無機物類似于玻璃體結構，實驗表明，它具有不浸出性，可作為建筑材料�？梢钥闯�，蒸汽等離子體對廢物具有廣泛的適應性，完全基于廢物資源化這一思路，在廢物得到處理的同時，將廢物轉化成可以在利用的產品，同時對環(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，在技術水平上也有一定的不同�？偟膩碚f，常規(guī)水蒸氣氣化相對較差，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，但是技術也最復雜，運行成本也最高，目前，主要應用于有毒廢物的氣化領域，具有獨特的優(yōu)勢。

參考文獻

[1] AmTest 2000c, “Integrated Environmental Technology, LLC PEMTM System Genset Stack EvTEC Tests,April 12-13, 2000,” AmTest Air Quality, LLC, Preston, WA, July 26.

[2] Bastian, R. 2002, “What is New in the HWC MACT,” 2002 International Conference on Incineration and Thermal Treatment Technologies, Advanced Tutorial, May 13.

[3] 吳創(chuàng)之 徐冰嬿 羅曾凡等,“生物質中熱值氣化技術的分析及探討”, 煤氣與熱力，vol. 3, 1995.

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