[发明专利]一种等离子体气化生活垃圾与生物质发电的方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及生活垃圾或生物质处置与资源化再利用领域，尤其是一种等离子体气化生活垃圾与生物质发电的方法和装置。

背景技术

生活垃圾无害化、减容化和资源化处理是政府高度重视和公众热切关注的主要议题之一。目前广泛采用的垃圾处理技术包括堆肥、填埋和焚烧。堆肥减容比低、肥料养分含量低、长期使用后造成土壤板结。填埋会侵占大量土地，还污染地下水，是不得已而为之的选择。尽管如此，对于经济发达和人口密集的地区来说，土地资源非常紧张，已没有多少场地可用于填埋。焚烧尾气流量大、二次污染物（如SOx、NOx、飞灰、二噁英和呋喃等）浓度较高，为满足相关环保标准，必须配套庞大的脱酸除尘设备。另外，垃圾焚烧飞灰含有较高浓度的重金属，属于危险废物，还需要进一步处理。

为能更加洁净地处理垃圾，同时综合有效地回收利用垃圾能量，发展了等离子体气化技术。该技术一般是采用等离子体作为外加热源，通入一定量的气化剂（如水蒸气、二氧化碳、空气、富氧气体或它们的组合），将垃圾的有机组份裂解气化，转化成合成气（主要可燃成分是CO+H₂），无机组份经高温熔融处理后成为无害的渣体。合成气可利用内燃机发电，其发电效率可高达39%，而蒸汽轮机难以超过23%。该技术的环保效果远优于焚烧，污染物排放比焚烧低2-3个数量级。

等离子体技术最初主要用于处理危险废物，包括低放射性废物（如美国专利US005188649A和US005637127A）、多氯联苯（如美国专利No.4644877和No.4431612）、废农药（如中国专利No.93103682.8）、医疗废物（如中国专利No.01206033.X）及其它种类的危险废物（如美国专利No.5541386和No.6552295，中国专利No.89105527.4、No.200480004183.9和No.00128708.7等）。上述技术均是针对不同种类的危险废物而发展起来的，是以彻底摧毁废物毒性为首要目的，不注重能量回收，并且处理规模小、运行成本高。但生活垃圾的成分与热值、处理规模与危险废物相差很大，且要充分回收利用垃圾热值，因此这些专利技术并不适合用来处理城市生活垃圾。

卡尔特的美国专利US005280757A和卡马乔的美国专利US005634414A都是将水蒸气或水通入反应器中，在等离子体炬的加热作用下气化垃圾。空气只作为等离子体炬的工作气体进入或通过进料系统漏入反应器，但进入空气量很少（过量空气系数小于0.02）。电弧等离子体是唯一热源，没有利用废物本身热值，能量消耗高，并且限于等离子体炬的功率能力，其处理规模难以达到实用规模的程度。此外，为保证反应器内部温度场较为均匀，反应器壁必须相对靠近电弧等离子体，这使炉膛结构和进料器的设计受到很大限制。

泰特斯和苏尔玛的美国专利US006215678B1公开了一种熔融气化生活垃圾的技术，外加热源采用直流等离子体炬与交流焦耳热相结合的办法。垃圾中的灰分在反应器底部熔融后是良导体，石墨电极埋入熔体中，通入交流电利用焦耳热效应进行加热。有机组分热解生成合成气。反应器主要的工作模式是热解（无氧），而对于含碳量高的物料，也可工作在部分氧化气氛（用空气）。但石墨电极不耐氧化，在有氧气存在的条件下消耗过快。

Shyam V. Dighe和Ingo Krieg的美国专利US20090307974A1是在等离子体反应器底部布置炭床，从炭床底部通入CO₂（来自纯氧烧煤的火电厂）和水蒸气，用炬直接加热炭床，得到CO和H₂。生物质或其它可燃固态材料从侧面送入反应器，落在炭床之上。从炭床上升的热气流CO和H₂加热生物质，并与之反应，生成更多的CO和H₂，以及其它小分子量的化合物，形成合成气从顶部流出。该反应器最大特点是底部布置了炭床，通过炬加热还原CO₂，又加入水蒸气，同时达到CO₂减排和制合成气的目的。但该工艺比较复杂、技术难度高，同时由于只采用外加热源，输入的电功率很高。

现有的这些等离子体生活垃圾处理工艺缺少垃圾预处理系统，不适合处理厨余等含量高、含水率高、热值低的原生混合垃圾。在反应器中只输入电能，采用水蒸气或水做气化剂，不利用垃圾热值，导致单位质量垃圾消耗电能很高。由于现有等离子体炬功率有限，先前工艺的处理规模难以扩大到实用规模的程度。此外，只有电能输入，依靠等离子体射流加热热解或气化垃圾，造成反应器内温度场和流场很不均匀，导致对某些局部区域的废物没有加热到合适的温度和停留足够长的时间。