热等离子体技术用于秸秆资源化的可行性分析

热等离子体技术用于秸秆资源化的可行性分析

随着我国经济、技术和环境保护的发展，农业废水固全化和回收已成为全面领域的重点。现阶段,中国的秸秆生物质能转化技术,主要包括秸秆气化、发电、裂解制油、厌氧消化制沼气等技术。其中秸秆气化、发电技术由于可大规模生产清洁的能源,已成为秸秆固废资源化的主要发展方向之一。同时,近年来国内外关于将热等离子体技术用于固体废弃物资源化方面的报道越来越多,其优点为固废资源化程度高、处理能力强、适用范围广。笔者认为,此技术也同样适用于秸秆固废的资源化处理,文中将就此展开讨论。1气体燃料利用应将c-o-h元素作为原料在图1的热等离子体反应炉中,反应温度可达5000℃以上,固废中无机成分熔化为熔浆,经水冷却后呈玻璃态,具有较好的强度,可用作建筑材料;有机成分(C-O-H元素为主)转化为气体,经冷却、净化后成为气体燃料(主要为CO和H2)和化工原料;冷却产生的蒸汽和气体燃料均可用来发电;有机物中含有的其他元素,会氧化为SO2、HCl、H2S等简单分子,易被清除或再利用。理论上,整个过程几乎不会产生任何的污染物和废弃物。2热悬浮液的基本原理2.1电子温度和温度等离子体可分为热等离子体和常温等离子体,两者间最主要的差异是电子温度Te(即电子能量)与气体温度Tg(即宏观表外温度)间的差距。热等离子体具有高气体温度,而常温等离子体的气体温度接近常温,但两者都有很高的电子温度。放电和核聚变都能产生等离子体,在放电等离子体中,放电形式是决定等离子体分类的最重要因素。总的来说,热等离子体需要大功率的电源(电弧放电),而常温等离子体则只需较低功率的电源或者脉冲电源。同时,由于气体温度的不同,也决定了这2种等离子体应用形式的差异。在热等离子体中,电子浓度可达1021~1026m-3,这些电子对其他粒子的非弹性碰撞产生等离子体,同时电子对其他粒子的弹性碰撞加热了整个气体;电子温度和气体温度可达几千至几万摄氏度。热等离子体的最大特点和优势是其极高的温度,在工业上有良好的应用。2.2热等离子体技术的应用热等离子体炬是应用最多的常压热等离子体发生装置,图2展示了一种较为成熟的现代等离子体炬设计。其基本原理为:操作气体从位于炬后部的入口吹入等离子体炬,使其被电极间的电弧电离化并加热,形成热等离子体,并在炬的出口处形成热等离子体射流;由于热等离子体的高温会对电极造成灼蚀,因此电极需要用循环冷却水进行冷却,同时利用外部磁场聚拢热等离子体,减少热等离子体与电极间的接触频率;另外,磁场的聚拢作用也抑制了热等离子体射流的扩散,提高了其效能。这种工作模式的热等离子体炬构造尺寸和电源功率可变范围很大(从1kW至6MW),广泛应用于焊接、切割、高温喷涂、焚烧、金属熔炼等方面。3等式中稻草的热悬浮液3.1玻璃化秸秆处理常压下,热等离子体炬产生的热等离子体温度可达5000℃以上,投料中的无机成分在短时间内与热等离子体反应,即被熔化为熔浆。熔浆冷却后呈玻璃状固体,可将对环境有害的固体物质固定在其中,防止其扩散到环境中去。同时,这种玻璃状固体具有优良的强度,可用作建筑材料。玻璃化处理现在主要应用于高危废物处理领域,如高重金属含量废物、放射性废物和医疗垃圾的处理等,以达到固定对环境、人体有害物质的目的,避免二次污染。对于秸秆来说,其灰分含量很低,也很少含有有毒有害物质,可以说其热等离子体处理中的玻璃化过程只属于附属过程。热等离子体处理秸秆更重要的作用是气化和发电。但值得指出的是,由于玻璃化过程的强大处理能力,因此这项技术允许秸秆原料含有更多杂质,诸如收运过程中混入的土壤、小石粒以及其他混杂物,这为秸秆原料的收运和预处理带来了便利。另外,用于秸秆处理的等离子体设备也能轻易处理其他固废,换句话说,实用化的热等离子体秸秆处理厂也可同时处理其他来源的固废,成为一个综合性的固废处理厂。3.2研磨过程热等离子体技术的有机物气化过程与传统热解气化过程的反应原理类似:(1)氧化反应C+O2=CO2+ΔH ΔH=408.8kJ2C+O2=2CO+ΔH ΔH=246.44kJ(2)热等离子体技术是否可以减少焦油问题C+CO2=2CO+ΔH ΔH=-162.41kJH2O+C=CO+H2+ΔH ΔH=-118.82kJ但在热等离子体秸秆气化技术中,并不存在传统的热解过程,这主要是由其极高的反应温度决定的。在传统热解气化炉中,300~400℃时热解反应最为剧烈,解析出焦油、CO2、CO、CH4、H2等大量的气体。其中的焦油是传统热解技术的主要问题之一,其具有强烈的腐蚀性,所含能量占气化气总能量的5%~15%,如果直接排放焦油,这部分能量就会被白白浪费,同时会造成环境的污染。但在5000℃以上的热等离子体环境中,投料中的有机成分会瞬间裂解并气化,并与炉中空气、水分发生氧化还原反应,组成焦油的主要成分(苯、酚酸类、酯类、内酯、醇类、酮类和醛类)在高于1200℃时就会被分解。因此,热等离子体秸秆气化技术并不存在焦油问题。与传统热解相同,在热等离子体秸秆气化技术中,若想得到以CO和H2为主的产出气,关键技术即为控制含氧量(空燃比)和含水量(包括物料本身含水率、氧化反应生成水量以及必要情况下的外加水量)。此外,5000℃以上的反应温度也大幅降低了CO2、H2O和CH4在产气中的含量,国外研究表明,在高于1500℃、常压条件下,如果炉内含氧量和含水量控制得当,CO2、H2O和CH4将基本分解转化为CO和H2(图3),它们是热等离子体处理秸秆产生的混合气主要成分。由此可见,热等离子体秸秆气化技术相比于传统热解气化技术,可以得到成分更为单一、结构更为简单的燃料气体,为其后续利用提供了便利。4热稻草资源分析的优势4.1其中，热稻草回收技术的优势(1)氮肥回收率高由于无机成分被转化为玻璃态建材,有机成分被转化为气体燃料和化工原料,因此整个工艺从理论上说不会产生任何污染物和废弃物。(2)单位时间内处理量大、可集中处理技术由于高温反应所需时间很短,相对于现有的秸秆气化、发电技术来说,单位时间内处理量有质的优势,特别很适合集中大量处理,是我国秸秆气化站规模小、开工率低问题的良好解决方案。另外,玻璃化过程允许秸秆原料中含有更多的杂质,为原材料的收运、预处理带来很大的便利。(3)不存在传统热解气化技术在高于5000℃的反应温度下,热等离子体气化技术并不存在传统热解气化技术的焦油问题,同时也可提供更为成分单一、结构简单的燃料气体(主要为CO和H2),为其后续利用提供了便利。(4)固定、减量、限害原则热等离子体技术不仅针对秸秆的处理,同样的工艺可处理几乎所有的固体废弃物,以达到固定、减量、限害的作用。因此实用化的热等离子体处理厂可作为一个综合的固废处理厂,而秸秆可只作为其原料的一部分。4.2在热大学生中，稻草资源回收技术的劣势(1)原料收集困难由于其巨大的处理能力,必然要求集中大量处理秸秆来降低成本,秸秆的集中收运是国内现阶段的难题之一,也限制了热等离子体技术的优势发挥。(2)离子体气化技术相对于现有的秸秆技术,高能耗热等离子体炬在处理成本上先天不足。另外,由于热等离子体气化技术从化学原理上来说,只需1500~2000℃的反应温度,远低于现有的热等离子体炬产生的温度(5000℃以上),这势必会造成能量的浪费。但已有国外学者展开关于温度较低的热等离子体炬研究,有望为这个问题提供解决方案。5秸秆生物处理技术的进步热等离子体固废处理技术的优势决定了其非常适合用于秸秆处理,高度资源化、更好的处理能力和气化效果、良好