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处理垃圾的新技术:电弧等离子体
更新时间:2017-02-24 17:03:32 点击量:

当所有人都在为堆积如山的垃圾烦恼时,Michiaki Shigehiro的烦恼可谓无人能解。“我每天都在努力寻找更多的垃圾”,Michiaki Shigehiro面情严肃地说。事实上,他每天平均能收购100吨的垃圾,但他希望越多越好。

Shigehiro是Eco Valley Utashinai公司的商业常务经理。这个公司是以日本北海道一个小城市命名的。该公司利用电弧等离子体技术将垃圾转化为能源,其实质是依靠振荡的电流体,在一个密闭空间使空气电离,产生16000℃的超高温,几乎是太阳表面温度的3倍。这项技术可以说是昂贵的,若要收回其5900万美元的巨额投资,充足的垃圾供应量是重要的影响因素。

仅Utashinai城所产生的垃圾是不能完全满足Eco Valley Utashinai工厂需要的,但放眼日本、放眼全球,人类产生的垃圾就太多了。日本每年产生约5千万吨垃圾,人均每天约1千克,包括纸张、食物、塑料和其他垃圾。这些垃圾统称为城市固体废物。美国的年人均产垃圾量更高,几乎是日本的两倍,仅2005年美国就产生了2.22亿吨的城市固体废物。通常,这些城市固体废物不是被掩埋就是焚烧掉。不管那种方式,都是既费钱(纳税人的钱)又会对土地和大气造成严重的污染。在美国不同的地区,掩埋一吨垃圾的直接成本是30-80美元,焚烧1吨约69美元,而像日本这样土地资源极其珍贵的国家,掩埋或焚烧一吨垃圾则必须付出200-300美元的直接经济成本。另外,不管是掩埋处理还是焚烧处理都会冲击经济的发展,降低垃圾处理场附近区域的物产价值,而且如果处理不当,还有可能产生巨大的环境风险。

Eco Valley Utashinai的设计者认为,只要利用电弧等离子体技术,这些问题都能得到很好的解决。理论上,通过气化将垃圾转成能源,垃圾处理将会是一个既环保又利润丰厚的良性产业。从理论上计算,一吨固体垃圾蕴含的能量是同质量煤的1/3至1/2,这足够支撑一个垃圾处理场能量使用,剩余的也可以卖给国家电网。但是Utashinai等离子体垃圾处理厂作为世界上正在运行的一个大型的城市固体废料能量回收处理厂,自2002年开始运营,只是勉强能够做到收支平衡。

目前,一些公司正在设计他们自己的“电弧等离子体”处理厂。他们坚信,在日本的经验基础上肯定能够作一些改进。亚特兰大公司Geoplasma已签订合同,准备在佛罗里达州中部的STLucie地区筹建一个10倍于Utashinai的垃圾处理厂。这个地区物产丰饶,但却因为有一个巨大的垃圾掩埋场,该地物产已经贬值。如果Geoplasma工厂能够成功,到2009年,日均垃圾处理量将达到2700吨。2006年9月份,威尔顿的Startech环境公司Connecticut(康涅狄格),宣称已经签订了在巴拿马建立一个日处理垃圾180吨的电弧等离子体垃圾处理场的合同。与此同时,安大略湖Plasco能源集团正在谈判,计划在渥太华和巴塞罗那也建立同样规模的垃圾处理工厂。

这些工厂的建立,将是对电弧等离子体技术的极大支持,尽管这项技术还没有实现“垃圾变金子”的承诺,但是,多数业内人士对该技术的前途都很乐观。随着政府和公众对环保污染问题的日益重视及能源价格的持续上涨,Geoplasma公司环境组的负责人HiburnHillestad相信这项技术的前途注定是光明的。

虽然电弧等离子体技术在垃圾处理上大规模的应用才刚刚开始,其实它是一项很老的技术。自上个世纪60年代开始,美国国家宇航局(NASA)就利用该技术模拟航天飞机返回大气层时的超高温度。现在等离子体炬广泛应用于金属焊接或用来破坏各种危险的材料。但是,直到上个世纪90年代该技术才被一些公司用于垃圾处理,像威尔顿的Startech环境公司和美国宾西法尼亚州麦迪逊城市的Westinghouse公司等。

等离子体炬的工作原理是在一个密闭空间里,通过强大的电弧,使空气电离产生等离子体,然后在另一个缺氧的密闭空间里,城市固体废料(MSW)就在这里面,此外还有焦碳、石灰石,产生的等离子体对它们进行超高温加热。在无氧化的条件下,垃圾混合物中的无机物迅速玻璃化,最后产生的无害熔渣可作为建筑材料。最为重要的是,高温可分解固体废料中的有机分子。在有氧条件下,分解能产生大量的二氧化碳;若在无氧的条件下,固体废料中的有机物就会转化为氢气和一氧化碳的混和物,这种混合物,可以像天燃气一样作为一般汽轮引擎的能源,其中的氢气进一步纯化分离,则可以作为单独的燃料。对这种气体混合物作进一步的处理,降低其中污染物质的含量,如氮化物和二氧(杂)芑等直接进入涡轮机或释放到大气层中。

日本在这项技术上已有一些成功的例子。Utashinai工厂每年输出约30亿瓦特的电能,完全解决了该工厂运行使用能量的需求。但由于该城市的人口稀少,它的垃圾供应量在逐渐减少。Utashinai城目前只有5500居民,被认为是日本最小的城市。它之所以被称为城市,只因50年前这里有45000名居民。当初建立这个工厂,是期望通过征收垃圾处理费(已经实现)和出售电能及无害熔渣(还未实现)来实现自身的运行,而完全没有料到会出现垃圾供应不足的问题。这个工厂处理的垃圾量平均只达到预期的60%。各种设备也经常出现问题,虽然不是核心技术等离子体炬的问题,但两条生产线中,常有一条是处于维修检修状态。当两条线都能够全力运作时,垃圾量又不够,有时候两条线都处于停产状态。从其它地区引进垃圾是一个解决方法,但是没有哪个城市愿意成为其他地区的垃圾倾卸场。“大家对垃圾的印象都很糟糕”,Shigehiro说。美国的一些州计划进口垃圾,但要收取高额的倾卸费用。纽约和多伦多这样的大城市的大部分垃圾都是出口处理。日本的垃圾交易很少,当地政府更倾向于自己处理垃圾,而不是装载到其他地方。