摘要：應(yīng)用熱等離子體處理危險廢物是一種創(chuàng)新性技術(shù)。與傳統(tǒng)焚燒爐相比，真正做到無害化、減量化和資源化的目的。著重介紹應(yīng)用熱等離子體處理危險廢物的原理及優(yōu)點、等離子體廢物處理系統(tǒng)以及國外應(yīng)用這種技術(shù)處理危險廢物的研究現(xiàn)狀，以引起人們對這種新技術(shù)的認(rèn)識和重視。

關(guān)鍵詞：危險廢物  熱等離子體  等離子體氣化/玻璃化過程  等離子體廢物處理

隨著我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，產(chǎn)生了大量危險廢物，包括醫(yī)療廢物、化學(xué)毒品等，這些危險廢物對于環(huán)境和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展造成了嚴(yán)重的危害。應(yīng)用等離子體技術(shù)來處理危險廢物是一種全新的方法。由氣體電離產(chǎn)生的等離子體在等離子體發(fā)生器中溫度可達(dá)5 000 ℃。電能通過等離子體轉(zhuǎn)化為熱能。選擇不同類型的工作氣體可使等離子體系統(tǒng)工作在氧化、還原或者惰性的環(huán)境下。不同的工作環(huán)境具有不同的功能，如氧化性環(huán)境通常用來破除有機(jī)危險廢物；還原性環(huán)境通常被用來提取金屬，固化含有毒重金屬的廢物如飛灰等[1]。

目前發(fā)展較成熟的國家包括美國、加拿大、法國、英國、瑞士、日本以及以色列等。其中，美國的Retech公司、IET公司、西屋環(huán)境公司（Westinghouse Environmental Service）、PEAT公司、Startech公司，法國的航太公司（Aerospatial Espace & Defence），英國的Tetronics公司以及以色列EER公司的等離子體處理技術(shù)皆已達(dá)到商業(yè)化運(yùn)轉(zhuǎn)階段。其他一些國家還處于一些基礎(chǔ)的可行性證明的實驗階段，如希臘正在研究用電弧等離子體處理廢物[2，3]；臺灣在這方面做了大量的工作，雖然處于研究階段,但取得了不小的成果[4-7]；韓國也正在研究用電弧處理放射性廢物[8]和液體有毒廢物PCB[9]；俄羅斯和瑞典等國家也進(jìn)行了相關(guān)的研究并取得了一定的成果[10]。

1  熱等離子體技術(shù)介紹

熱等離子體技術(shù)已從20世紀(jì)60年代主要用于空間相關(guān)的研究轉(zhuǎn)向材料處理，如今熱等離子體已經(jīng)廣泛用于材料加工領(lǐng)域，如等離子切割和噴涂。近年來，應(yīng)用熱等離子體處理危險廢物成為研究的熱點。大多數(shù)等離子體廢物處理系統(tǒng)采用等離子體炬來產(chǎn)生等離子體能量。另一種設(shè)計是利用直流（DC）電弧等離子體。另外，還有研究用射頻等離子體[11]和微波等離子體[12]處理危險廢物的，本文不做介紹。

1.1  電弧等離子體主要特征

大氣壓下的電弧是處于局域熱力學(xué)平衡（LTE）的熱等離子體。處于局域熱平衡的電弧等離子體中的電子、離子和其它中性基團(tuán)具有接近的溫度。電弧的能量密度以及電子的密度分別在107～109 J/m3和1022～1025 m-3。由于具有高的能量密度和電子密度使得電弧放電可以在相對低的電場（通常500～5 000 V/m）下達(dá)到107～109 A/m2的高電流密度。電弧的溫度可以達(dá)到5 000～50 000 K。

1.2  等離子體炬技術(shù)

人們已研制開發(fā)了各種各樣的等離子體炬。圖1畫出了兩種典型的等離子體炬構(gòu)型[13]，左側(cè)是使用金屬作為電極的，右側(cè)的是采用無電極的射頻等離子體。其中有電極的等離子體炬主要有兩種，一種工作在轉(zhuǎn)移弧，一種工作在非轉(zhuǎn)移弧。其區(qū)別在于是否將所要加工的工件作為一個電極，若將加工工件作為一個電極則是工作在轉(zhuǎn)移弧，否則是工作在非轉(zhuǎn)移弧。

圖1  主要的等離子體炬構(gòu)型

2  應(yīng)用熱等離子體處理危險廢物的原理及其優(yōu)點

2.1  原  理

熱等離子體放電產(chǎn)生的電弧具有極高的溫度，其產(chǎn)生輻射熱、對流傳熱以及電子引起的傳熱等。能夠用它來熔融危險廢物形成無害化產(chǎn)物。主要形成物為簡單的氣體分子（主要為CO、H2），玻璃體以及熔融的金屬單質(zhì)。在等離子體反應(yīng)腔中，處于上部的是氣體，中部的是熔融玻璃體，下部是金屬單質(zhì)。形成氣體分子是等離子體氣化的過程，形成玻璃體的過程是等離子體玻璃化的過程。廢物經(jīng)過等離子體化學(xué)反應(yīng)完成轉(zhuǎn)化的時間在0.01～0.50 s。這個反應(yīng)時間依賴于所處理的廢物種類以及溫度[12]。

2.1.1  等離子體化學(xué)反應(yīng)過程能量的傳遞

能量的傳遞大致如下：

（1） 電子在電場的加速作用下成為高能電子。

（2） 高能電子與分子（或原子）碰撞，形成受激原子、受激基團(tuán)、游離基團(tuán)等活性基團(tuán)。

（3） 活性基團(tuán)與分子（或原子）碰撞生成新的物質(zhì)并放出一定的熱量。

（4） 活性基團(tuán)與活性基團(tuán)碰撞生成新的物質(zhì)并放出一定的熱量。

（5） 高能電子被鹵素和氧氣等電子親和力特強(qiáng)的物質(zhì)所俘獲，成為負(fù)離子。這類負(fù)離子具有較好的化學(xué)活性，在等離子體化學(xué)反應(yīng)中起到重要的作用。

2.1.2  等離子體氣化

幾乎人們所知的所有有機(jī)物和許多無機(jī)物在熱等離子體的高溫環(huán)境下都會發(fā)生氧化或者還原反應(yīng)分解為原子和最簡單的分子。這些原子和分子在溫度較低的部位又會重新合成形成熱力學(xué)穩(wěn)定的2～3個原子的化合物（氧化物，氫化物，鹵族化合物等）。這些化合物的形成依賴于所處理的廢物的成分以及形成等離子體的氣體,另外，這些有機(jī)物形成的氣體可以用來做化工原材料或者轉(zhuǎn)化成一種混合氣作為燃料。最重要的是其中的有毒有機(jī)物尤其是二噁英和呋喃都被徹底的分解為了無毒的小分子物質(zhì)[14，15]。圖2以二噁英為例說明了等離子體氣化的原理。

圖2   二噁英的等離子體氣化示意圖

2.1.3  等離子體玻璃化

玻璃化將廢物與玻璃等物質(zhì)混合在熱等離子體的高溫作用下熔融形成一種穩(wěn)定的玻璃態(tài)物質(zhì)，原廢物中的有害金屬則包封在玻璃體中，即可達(dá)到穩(wěn)定化、減量化及資源化目的。玻璃化最初是用來處理放射性廢物，在這個過程中高放射性廢物的液體和泥漿與玻璃顆粒進(jìn)行混合并加熱到非常高的溫度來產(chǎn)生熔融玻璃態(tài)混合物，當(dāng)混合物冷卻時它就會變?yōu)橐环N堅硬且穩(wěn)定的玻璃體，這種玻璃體將放射性元素包封在內(nèi)部，并阻止其遷移到水和大氣中。一般其反應(yīng)機(jī)制是利用SiO2網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形成難溶物質(zhì)，見圖3。一般可從玻璃體的特性探討其處理效果，其特性項目包括灼燒減量、強(qiáng)度、空隙率、浸取毒性等。得到的玻璃體經(jīng)過一定的或者不經(jīng)過加工可以用來作為建筑材料或者陶瓷材料，這依賴于所處理的廢物的化學(xué)成分。圖4為美國IET公司經(jīng)過PEM技術(shù)處理得到的玻璃體和用玻璃體加工的建筑材料。

圖3  網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)二維示意圖例

圖4   IET公司PEM技術(shù)玻璃體及加工的建筑材料

2.2.1 與傳統(tǒng)的焚燒爐相比的優(yōu)點

（1） 熱等離子體具有較高的溫度和能量密度。一個氧氣-燃料火焰的最大熱量通量大約為0.3 kW/cm2,而一個直流轉(zhuǎn)移弧的熱量通量可以達(dá)到大約16.0 kW/cm2。具有如此高的熱量通量是因為其有較高的溫度、較高的氣體流動速度以及較高熱導(dǎo)率的等離子氣體。尤其是對于轉(zhuǎn)移弧來說，有一部分額外的熱量通量，即從電子轉(zhuǎn)移到所處理的作為陽極的物質(zhì)。

（2） 維持等離子體弧所需要的氣體體積比靠燃料燃燒的焚燒爐要少很多。據(jù)估計，對于給定數(shù)量的處理物質(zhì)，等離子體系統(tǒng)所需的氣體體積僅為燃料焚燒爐所需氣體的10%左右。這也意味著對于等離子體系統(tǒng)的尾氣處理系統(tǒng)能極大的簡化。

（3） 等離子系統(tǒng)的能量供給與系統(tǒng)中氧氣的濃度是能夠獨立控制的，即氧化性、還原性以及惰性氣體環(huán)境是獨立于反應(yīng)器的溫度的。而對于傳統(tǒng)的焚燒爐能量通量與氧氣的濃度不能獨立于反應(yīng)器的溫度。這使得在極高的還原性或者惰性氣體環(huán)境下具有極高的能量通量成為可能。

（4） 與傳統(tǒng)焚燒技術(shù)相比，等離子體技術(shù)能夠完全的破除有毒有害廢物，裝置的體積和尺寸要小的多�？梢詫Ψ磻�(yīng)過程的完全自動化的控制。高溫等離子體源的維修費(fèi)用和時間相對較少。

（5） 最為重要的是，傳統(tǒng)的焚燒技術(shù)會產(chǎn)生二次污染，如形成包含有毒重金屬的飛灰、氫氧化物、硫化物、氮的氧化物、含氯化合物如二噁英和呋喃。傳統(tǒng)的焚燒技術(shù)要達(dá)到各個國家有關(guān)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)就要花費(fèi)大量的錢在二次污染物的去毒化上面。

3  等離子體廢物處理系統(tǒng)介紹

3.1  系統(tǒng)的主要構(gòu)成

等離子體廢物處理系統(tǒng)主要由進(jìn)料系統(tǒng)、等離子體主反應(yīng)腔、金屬/玻璃體收集系統(tǒng)、熱能回收利用系統(tǒng)、尾氣凈化處理系統(tǒng)、二次燃燒室、自動控制系統(tǒng)等構(gòu)成。

3.2  系統(tǒng)的工作流程

一般而言，其工作流程如下：首先是進(jìn)料系統(tǒng)將廢物輸進(jìn)等離子體主反應(yīng)腔，然后在主反應(yīng)腔中經(jīng)歷等離子體氣化/玻璃化過程，其中金屬和玻璃體經(jīng)金屬玻璃體收集系統(tǒng)得到收集，如果存在二次燃燒室氣體進(jìn)入二次燃燒室，然后氣體進(jìn)入尾氣處理系統(tǒng)，最后排放的氣體達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。如果有能量回收利用系統(tǒng)，氣體還要通過能量回收利用。圖5為系統(tǒng)工作流程圖。

圖5  系統(tǒng)工作流程圖

3.3  系統(tǒng)所能處理的廢物種類
（1）有機(jī)溶劑廢棄物
（2）廢礦物油
（3）含多氯聯(lián)苯廢棄物
（4）醫(yī)院廢棄物、廢藥物、藥品
（5）農(nóng)藥廢棄物
（6）有機(jī)樹脂類廢棄物
（7）含金屬羰基化合物廢棄物
（8）含有色金屬、重金屬的廢棄物
（9）石棉廢棄物
（10）放射性廢棄物
（11）從理論上講，所有能用傳統(tǒng)的焚燒爐處理的都可以用等離子體系統(tǒng)來處理。但是，實際中的等離子體系統(tǒng)都是針對某一種或者某一類物質(zhì)而專門設(shè)計的，還沒有能夠處理所有種類的爐子問世。

4  國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀介紹

國外在用熱等離子體處理危險廢物方面已取得相當(dāng)大成就，有的已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化，有的正從研究走向產(chǎn)業(yè)化階段。美國早于1986年即用熱等離子技術(shù)模擬處理放射性廢棄物，至今已有多家處理廠處于商業(yè)運(yùn)轉(zhuǎn)階段，處理廢棄物種類甚廣，包括放射性廢物、焚化爐灰渣、重金屬污泥及土壤以及有毒廢液等危險廢物。目前技術(shù)成熟且成功商業(yè)運(yùn)轉(zhuǎn)的公司主要有Westinghouse Electric公司、Retech公司、IET公司、Startech 公司、EPI公司等。日本近來為解決垃圾焚化灰渣的問題，積極著手開發(fā)熱等離子體熔融技術(shù)，并已獲得相當(dāng)?shù)某晒�。由日本KHI、KSC及東京電力共同開發(fā)的灰渣等離子體熔融爐已經(jīng)在其千葉市設(shè)置一日處理量為24 t的廢物處理中心。TAKUMA公司自1992年著手于底灰和飛灰的混合灰渣為對象，開發(fā)石墨電極等離子體熔融爐以來，經(jīng)過多次實驗于1998年達(dá)到每天處理25t焚化灰的規(guī)模。Mitsubishi公司也在用等離子體技術(shù)處理飛灰方面取得了很大的成就[16]。除了美國和日本之外,法國、加拿大、澳大利亞、瑞典、英國、以色列等發(fā)達(dá)國家也開發(fā)了熱等離子體技術(shù)。法國的Europlasma公司開發(fā)的等離子炬技術(shù)除發(fā)展歐洲市場外，同時將技術(shù)轉(zhuǎn)移到日本。加拿大Resorption公司設(shè)計了一日處理量為24 t的等離子體熔爐，用以處理生物/感染性醫(yī)療廢物。瑞典的Scan Dust公司與B.U.S（Berzelius Umwelt-Service AG）共同開發(fā)設(shè)置了一年處理量為55 t的等離子體熔融爐，主要是處理金屬冶煉塵灰，并回收有價金屬。英國的Tetronics公司于1990年便成功開發(fā)直流電極等離子體熔融技術(shù)，并在最近幾年內(nèi)協(xié)助日本各大廠商（如EBARA、KOBE、MHI等）設(shè)置等離子體熔融爐，以解決日本境內(nèi)日益嚴(yán)重的焚化灰渣處理問題。澳大利亞的SRL公司開發(fā)的PLASCON等離子體技術(shù)能有效處理化學(xué)農(nóng)藥及PCB等有毒廢物[17]。以色列EER公司運(yùn)用其開發(fā)的PGM（Plasma Gasification Melting）技術(shù)，于俄羅斯莫斯科附近設(shè)置一日處理量2 t的等離子體熔融爐，主要用于處理低放射性廢物，并已運(yùn)轉(zhuǎn)近10年。我國在用熱等離子體技術(shù)處理危險廢物方面起步比較晚，尚屬于研究階段，國內(nèi)所應(yīng)用的技術(shù)大多是從國外進(jìn)口的。

5  展  望

等離子體處置危險廢物技術(shù)是環(huán)境界公認(rèn)的無害化處置最先進(jìn)技術(shù)，在發(fā)達(dá)國家已進(jìn)入應(yīng)用階段。熱等離子體處理危險廢物具有很多優(yōu)點，在發(fā)達(dá)國家已經(jīng)成為危險廢物處理研究領(lǐng)域的一個熱點，甚至成為一些危險廢物處理如垃圾焚燒飛灰的最有效的處理方法。隨著，環(huán)境問題越來越嚴(yán)重，熱等離子體技術(shù)必將會在危險廢物處理方面發(fā)揮巨大的作用。我國應(yīng)該加大投資和人員力度研究用熱等離子體處理危險廢物的機(jī)理以支持自主知識產(chǎn)權(quán)的等離子體廢物處理爐的開發(fā)和應(yīng)用轉(zhuǎn)化以解決越來越嚴(yán)峻的危險廢物處理處置問題。

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