摘要：應用熱等離子體處理危險廢物是一種創新性技術。與傳統焚燒爐相比，真正做到無害化、減量化和資源化的目的。著重介紹應用熱等離子體處理危險廢物的原理及優點、等離子體廢物處理系統以及國外應用這種技術處理危險廢物的研究現狀，以引起人們對這種新技術的認識和重視。

關鍵詞：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

隨著我國經濟高速發展，產生了大量危險廢物，包括醫療廢物、化學毒品等，這些危險廢物對于環境和經濟的可持續發展造成了嚴重的危害。應用等離子體技術來處理危險廢物是一種全新的方法。由氣體電離產生的等離子體在等離子體發生器中溫度可達5 000 ℃。電能通過等離子體轉化為熱能。選擇不同類型的工作氣體可使等離子體系統工作在氧化、還原或者惰性的環境下。不同的工作環境具有不同的功能，如氧化性環境通常用來破除有機危險廢物；還原性環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皆已達到商業化運轉階段。其他一些國家還處于一些基礎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行了相關的研究并取得了一定的成果[10]。

1  熱等離子體技術介紹

熱等離子體技術已從20世紀60年代主要用于空間相關的研究轉向材料處理，如今熱等離子體已經廣泛用于材料加工領域，如等離子切割和噴涂。近年來，應用熱等離子體處理危險廢物成為研究的熱點。大多數等離子體廢物處理系統采用等離子體炬來產生等離子體能量。另一種設計是利用直流（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）下達到107～109 A/m2的高電流密度。電弧的溫度可以達到5 000～50 000 K。

1.2  等離子體炬技術

人們已研制開發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型[13]，左側是使用金屬作為電極的，右側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，一種工作在轉移弧，一種工作在非轉移弧。其區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移弧，否則是工作在非轉移弧。

圖1  主要的等離子體炬構型

2  應用熱等離子體處理危險廢物的原理及其優點

2.1  原  理

熱等離子體放電產生的電弧具有極高的溫度，其產生輻射熱、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。在等離子體反應腔中，處于上部的是氣體，中部的是熔融玻璃體，下部是金屬單質。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。廢物經過等離子體化學反應完成轉化的時間在0.01～0.50 s。這個反應時間依賴于所處理的廢物種類以及溫度[12]。

2.1.1  等離子體化學反應過程能量的傳遞

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、游離基團等活性基團。

（3） 活性基團與分子（或原子）碰撞生成新的物質并放出一定的熱量。

（4） 活性基團與活性基團碰撞生成新的物質并放出一定的熱量。

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

2.1.2  等離子體氣化

幾乎人們所知的所有有機物和許多無機物在熱等離子體的高溫環境下都會發生氧化或者還原反應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穩定的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，這些有機物形成的氣體可以用來做化工原材料或者轉化成一種混合氣作為燃料。最重要的是其中的有毒有機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[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混合在熱等離子體的高溫作用下熔融形成一種穩定的玻璃態物質，原廢物中的有害金屬則包封在玻璃體中，即可達到穩定化、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行混合并加熱到非常高的溫度來產生熔融玻璃態混合物，當混合物冷卻時它就會變為一種堅硬且穩定的玻璃體，這種玻璃體將放射性元素包封在內部，并阻止其遷移到水和大氣中。一般其反應機制是利用SiO2網絡結構形成難溶物質，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、強度、空隙率、浸取毒性等。得到的玻璃體經過一定的或者不經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成分。圖4為美國IET公司經過PEM技術處理得到的玻璃體和用玻璃體加工的建筑材料。

圖3  網絡結構二維示意圖例

圖4   IET公司PEM技術玻璃體及加工的建筑材料

2.2.1 與傳統的焚燒爐相比的優點

（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,而一個直流轉移弧的熱量通量可以達到大約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率的等離子氣體。尤其是對于轉移弧來說，有一部分額外的熱量通量，即從電子轉移到所處理的作為陽極的物質。

（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。據估計，對于給定數量的處理物質，等離子體系統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的尾氣處理系統能極大的簡化。

（3） 等離子系統的能量供給與系統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境是獨立于反應器的溫度的。而對于傳統的焚燒爐能量通量與氧氣的濃度不能獨立于反應器的溫度。這使得在極高的還原性或者惰性氣體環境下具有極高的能量通量成為可能。

（4） 與傳統焚燒技術相比，等離子體技術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。可以對反應過程的完全自動化的控制。高溫等離子體源的維修費用和時間相對較少。

（5） 最為重要的是，傳統的焚燒技術會產生二次污染，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。傳統的焚燒技術要達到各個國家有關環境標準就要花費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介紹

3.1  系統的主要構成

等離子體廢物處理系統主要由進料系統、等離子體主反應腔、金屬/玻璃體收集系統、熱能回收利用系統、尾氣凈化處理系統、二次燃燒室、自動控制系統等構成。

3.2  系統的工作流程

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

圖5  系統工作流程圖

3.3  系統所能處理的廢物種類
（1）有機溶劑廢棄物
（2）廢礦物油
（3）含多氯聯苯廢棄物
（4）醫院廢棄物、廢藥物、藥品
（5）農藥廢棄物
（6）有機樹脂類廢棄物
（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，所有能用傳統的焚燒爐處理的都可以用等離子體系統來處理。但是，實際中的等離子體系統都是針對某一種或者某一類物質而專門設計的，還沒有能夠處理所有種類的爐子問世。

4  國內外的研究現狀介紹

國外在用熱等離子體處理危險廢物方面已取得相當大成就，有的已經產業化，有的正從研究走向產業化階段。美國早于1986年即用熱等離子技術模擬處理放射性廢棄物，至今已有多家處理廠處于商業運轉階段，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。目前技術成熟且成功商業運轉的公司主要有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，積極著手開發熱等離子體熔融技術，并已獲得相當的成果。由日本KHI、KSC及東京電力共同開發的灰渣等離子體熔融爐已經在其千葉市設置一日處理量為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，開發石墨電極等離子體熔融爐以來，經過多次實驗于1998年達到每天處理25t焚化灰的規模。Mitsubishi公司也在用等離子體技術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、以色列等發達國家也開發了熱等離子體技術。法國的Europlasma公司開發的等離子炬技術除發展歐洲市場外，同時將技術轉移到日本。加拿大Resorption公司設計了一日處理量為24 t的等離子體熔爐，用以處理生物/感染性醫療廢物。瑞典的Scan Dust公司與B.U.S（Berzelius Umwelt-Service AG）共同開發設置了一年處理量為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年便成功開發直流電極等離子體熔融技術，并在最近幾年內協助日本各大廠商（如EBARA、KOBE、MHI等）設置等離子體熔融爐，以解決日本境內日益嚴重的焚化灰渣處理問題。澳大利亞的SRL公司開發的PLASCON等離子體技術能有效處理化學農藥及PCB等有毒廢物[17]。以色列EER公司運用其開發的PGM（Plasma Gasification Melting）技術，于俄羅斯莫斯科附近設置一日處理量2 t的等離子體熔融爐，主要用于處理低放射性廢物，并已運轉近10年。我國在用熱等離子體技術處理危險廢物方面起步比較晚，尚屬于研究階段，國內所應用的技術大多是從國外進口的。

5  展  望

等離子體處置危險廢物技術是環境界公認的無害化處置最先進技術，在發達國家已進入應用階段。熱等離子體處理危險廢物具有很多優點，在發達國家已經成為危險廢物處理研究領域的一個熱點，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，環境問題越來越嚴重，熱等離子體技術必將會在危險廢物處理方面發揮巨大的作用。我國應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理以支持自主知識產權的等離子體廢物處理爐的開發和應用轉化以解決越來越嚴峻的危險廢物處理處置問題。

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