等離子體處理危險(xiǎn)廢物技術(shù)
一、引言
將等離子體用于處理各類污染物具有處理流程短、效率高、適用范圍廣等特點(diǎn)，尤其是對(duì)于多氯聯(lián)苯類(PCB)、氟里昂類等難消解含鹵化合物及生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)、農(nóng)藥、醫(yī)院等的特殊廢棄物處理，常規(guī)的燃料熱源技術(shù)的處理效率常不能達(dá)到國(guó)際規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)(PCB的消解效率必須大于99.9999%)，并且更高毒性的多氯二苯并二(PCDDs) 與多氯二苯并呋喃(PCDFs) 的二次污染問(wèn)題日益引起人們的重視。等離子體既可用于處理廢氣又可用于處理廢水、固體廢物、污泥、甚至放射性廢物。本章主要介紹等離子體處理固體危險(xiǎn)廢物，如醫(yī)療垃圾等。
二、等離子體火炬處理固體廢物的工作原理
（一）等離子體的概念
等離子體是物質(zhì)存在的第四態(tài)，它是氣體電離后形成的，是由電子、離子、原子、分子或自由基等粒子組成的集合體，它具有宏觀尺度內(nèi)的電中性與高導(dǎo)電性。等離子體是極活潑的反應(yīng)性物種，使通常條件下難以進(jìn)行或速度很慢的反應(yīng)變得快速，尤其有利于難消解污染物的處理。
在人工生成等離子體的方法中，氣體放電法比加熱的辦法更加簡(jiǎn)便高效，諸如熒光燈、霓虹燈、電弧焊、電暈放電等等。圖1是氣體通過(guò)加熱或放電形成等離子體的示意圖。
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圖1 等離子體形成示意圖
（二）等離子體的分類
按粒子的溫度等離子體可分為兩大類，熱平衡等離子體(或熱等離子體) 與非熱平衡等離子體(或冷等離子體)，如圖2所示。
冷等離子體的特征是它的能量密度較低，重粒子溫度接近室溫而電子溫度卻很高，電子與離子有很高的反應(yīng)活性。相對(duì)地，熱等離子體的能量密度很高，重粒子溫度與電子溫度相近，通常為10000K 至20000K 的數(shù)量級(jí)，各種粒子的反應(yīng)活性都很高，本文后面所提到的等離子體如未特別說(shuō)明即指熱等離子體。
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圖2 等離子體的分類
（三）等離子體的產(chǎn)生方法
熱等離子體的產(chǎn)生方法，它包括大氣壓下電極間的交流(AC)與直流(DC)放電、常壓電感耦合等離子體、常壓微波放電等。下面介紹微波等離子體炬(microwave plasma torch)：
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圖3 微波等離子體火炬的工作原理示意圖
如圖3是所示，微波等離子體炬（MPT）是一種開(kāi)放結(jié)構(gòu)的等離子體源，是由金欽漢等于1985年首先提出來(lái)，目前實(shí)驗(yàn)室常用的微波源是2.45GHz，MPT炬管是一個(gè)直接耦合的同軸波導(dǎo)微波諧振腔，腔內(nèi)存在著固定的電場(chǎng)和磁場(chǎng)分布，而這種特定的能量分布維持了等離子體放電，將一段同軸線一端短路，另一端開(kāi)路，就構(gòu)成了同軸諧振腔。MPT炬管的內(nèi)管和中管是相連通的終端短路活塞的存在使其成為一個(gè)同軸微波諧振腔，同軸諧振腔有三種耦合方式：直接耦合，電容耦合和電感耦合。直接耦合又稱為電導(dǎo)耦合，其方法是在同軸腔外導(dǎo)體上開(kāi)孔，將同軸傳輸線（天線）的內(nèi)導(dǎo)體直接連接導(dǎo)同軸腔的內(nèi)導(dǎo)體上，MPT炬管就是采用的這種方式。當(dāng)炬管頂端到調(diào)諧活塞端面的距離是λ/4的奇數(shù)倍時(shí)（一般為3λ/4），頂端的電場(chǎng)為最強(qiáng)，就可在頂端形成和維持等離子體。圖4是電子科技大學(xué)高能所的微波等離子體火炬系統(tǒng)，微波的工作頻率為2.45GHz，磁控管產(chǎn)生的微波通過(guò)波導(dǎo)系統(tǒng)、三端調(diào)配和短路活塞耦合到同軸傳輸線（天線），并在離內(nèi)管端口幾厘米的地方形成特定的電磁場(chǎng)分布，從而使空氣等工作氣體電離形成等離子體火炬，圖中的等離子體火炬的火焰長(zhǎng)度只要幾厘米，它的主要應(yīng)用是金剛石薄膜、材料的表面改性、化學(xué)分析、納米材料制備、廢物處理等。
微波等離子體的參數(shù)：
工作頻率： 2450±50MHz 輸出功率： 1.0－2.0kW
工作范圍： 100 Torr 至大氣壓 波導(dǎo)接口： BJ-26
微波等離子體炬設(shè)備組成：
磁控管提供能源 微波能從波導(dǎo)諧振腔引出
微波傳輸系統(tǒng) 噴嘴
微波等離子體火炬作為處理醫(yī)療垃圾系統(tǒng)可行性還值得進(jìn)一步研究，因?yàn)樗粌H可以利用等離子體火炬沖擊、分解垃圾，還可以利用微波高效的熱作用進(jìn)行醫(yī)療垃圾的熱解，達(dá)到高效的廢物處理。
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圖4 微波等離子體炬實(shí)物照片
二、等離子體技術(shù)在環(huán)境污染物處理上的應(yīng)用
（一）等離子體技術(shù)處理廢物的特點(diǎn)
利用大功率等離子體處理危險(xiǎn)有害的廢棄物和一般的焚燒方式大不一樣，等離子體火炬的中心溫度可高達(dá)攝氏2～3萬(wàn)度，火炬邊緣溫度也可達(dá)到3千度左右。當(dāng)高溫高壓的等離子體去沖擊被處理的對(duì)象時(shí)，被處理物的分子、原子將會(huì)重新組合而生成新的物質(zhì)，從而使有害物質(zhì)變?yōu)闊o(wú)害物質(zhì)，甚至能變?yōu)榭稍倮玫馁Y源。因此等離子體廢物處理是一個(gè)廢料分解和再重組過(guò)程，它可將有毒有害的有機(jī)、無(wú)機(jī)廢物轉(zhuǎn)成有價(jià)值的產(chǎn)品。等離子體高溫分解特性是：第一，溫度越高產(chǎn)生的分子的分子量越。磺褻/H比越高，炭沉積為煙灰；第二，高溫分解的許多產(chǎn)物的化學(xué)反應(yīng)隨溫度降低而降低。炭，氫，氯在300○C左右容易形成致癌物質(zhì)：二氧(雜)芑，呋喃等，由于等離子體在處理廢物時(shí)溫度高，不易形成致癌物質(zhì)，所以可以達(dá)到“零排放”。
等離子體分解有機(jī)廢物可得到氫氣及一氧化碳，并可通過(guò)一個(gè)附屬設(shè)備提取。它們可以用作化學(xué)原料去生產(chǎn)其它產(chǎn)品，如聚合物或其他化學(xué)產(chǎn)品。氫氣是十分有價(jià)值的商業(yè)氣體，可應(yīng)用在多種制造日用品的工藝中，例如：氨及塑料、藥物、維生素、食油等。它亦可為燃料電池提供能量。燃料電池被廣泛認(rèn)為是未來(lái)解決污染問(wèn)題的潔凈能源。從無(wú)機(jī)廢物中得到的可再用的產(chǎn)品包括可用于冶金工業(yè)的合成金屬，可用于建筑及研磨材料的玻璃狀的硅石。
幾乎所有廢料均可被等離子體處理并轉(zhuǎn)換成有用的產(chǎn)品。等離子體火炬處理廢物有如下特點(diǎn)：
a. 可以處理有毒、有害危險(xiǎn)及非危險(xiǎn)廢物，包括有機(jī)的、無(wú)機(jī)的、氣體、液體及固體。
b. 能夠完全地、安全地將有毒廢料轉(zhuǎn)化成無(wú)毒且有使用價(jià)值的產(chǎn)品。
c. 符合最嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，減容率高。
許多有毒有害的物質(zhì)是不能焚燒的，例如PCBs、農(nóng)藥、殺蟲(chóng)劑等等，而使用等離子系統(tǒng)則可以安全地處理并且可以隨時(shí)起動(dòng)和停機(jī)，而等離子設(shè)備的減容量非常高，其它處理設(shè)備做不到的。正因?yàn)槿绱，用電量方面較多，這是造成運(yùn)行成本較高的主要原因，因焚燒爐的減容量最大90%，以處理量1000噸/日為例，每天要有100噸的含有重金屬的底灰須填埋或再經(jīng)等離子系統(tǒng)處理(日本就專為焚燒爐的底灰處理購(gòu)置了等離子系統(tǒng))。
存在的問(wèn)題：
由于設(shè)備的特殊性，其制造成本較高，用電運(yùn)營(yíng)成本高。但如在大規(guī)模運(yùn)營(yíng)中可以收回氫氣，這是當(dāng)今和今后最需要的清潔能源，而且價(jià)值很高。下面三式是等離子體處理廢物時(shí)的主要反應(yīng)式。
2C+O2=2CO+58.86kcal/mol
C+H2O=CO+H2-28.36kcal/mol
CO+H2O=CO2+H2+10.41kcal/mol
（二）等離子體火炬處理固體廢物的應(yīng)用
等離子體火炬，尤其是電弧等離子體火炬在醫(yī)療垃圾的應(yīng)用已經(jīng)開(kāi)始，美國(guó)、日本、加拿大等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)進(jìn)行等離子體處理廢物的研制和商品化進(jìn)程已經(jīng)進(jìn)行幾年時(shí)間，并已經(jīng)開(kāi)始了商品化應(yīng)用。
下面是微波等離子體火炬處理固體廢物的應(yīng)用設(shè)想，利用它可處理:城市固態(tài)垃圾、淤泥、工業(yè)固廢以及液態(tài)有機(jī)垃圾等。等離子體分解有機(jī)廢物可得到氫氣及一氧化碳，并可通過(guò)一個(gè)附屬設(shè)備提取。它們可以用作化學(xué)原料去生產(chǎn)其它產(chǎn)品，如聚合物或其他化學(xué)產(chǎn)品。氫氣是十分有價(jià)
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圖5 等離子體處理廢物的系統(tǒng)框圖
值的商業(yè)氣體，可應(yīng)用在多種制造日用品的工藝中，例如：氨及塑料、藥物、維生素、食油等。它亦可為燃料電池提供能量。燃料電池被廣泛認(rèn)為是未來(lái)解決污染問(wèn)題的潔凈能源。從無(wú)機(jī)廢物中得到的可再用的產(chǎn)品包括可用于冶金工業(yè)的合成金屬，可用于建筑及研磨材料的玻璃狀的硅石。
圖5是等離子體處理廢物的流程示意圖，在等離子體熱處理系統(tǒng)中，主要設(shè)備是兩臺(tái)等離子體火炬，即第一氣化室和第二氣化室。
在處理廢物時(shí)，垃圾首先被切碎并注入第一氣化器（如圖5所示等離子體熱處理系統(tǒng)）。工作溫度在1800－1900K，300KW。減容比高：90%甚至95%以上。產(chǎn)生的等離子體火炬可以很快使有機(jī)物分解成一氧化碳和氫，無(wú)機(jī)物則變?yōu)椴Ａ畹墓枋?/p>
第二氣化室（圖5中的加力燃燒室）等離子體火炬可對(duì)第一氣化室中合成氣體中的一些殘留微粒和一些碳?xì)浠衔镌龠M(jìn)一步進(jìn)行分解處理。
通過(guò)第二氣化室處理后的混合氣體經(jīng)過(guò)凈化系統(tǒng)后，成為只含H2和CO的混合氣體，加力燃燒室在1000○C溫度環(huán)境下對(duì)H2和CO的混合氣體進(jìn)一步進(jìn)行處理，以確保無(wú)有害的混合物產(chǎn)生，比如二氧芑和呋喃等，最后排放到空氣中。當(dāng)然也可以取消加力燃燒室而利用這些混合氣體去驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。
在第一氣化器中垃圾的無(wú)機(jī)物部分熔化成玻璃狀的無(wú)污染的爐渣如圖6，爐渣可安全用于建筑材料，根據(jù)不同的用途，爐渣可復(fù)原為各種形式。
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圖6 第一氣化室處理后的玻璃化爐渣
三、等離子體處理廢物的前景
與其他有競(jìng)爭(zhēng)力的廢物處理過(guò)程相比，熱等離子體處理廢物比較昂貴。而在一些特殊類型的有毒廢物處理問(wèn)題上熱等離子體處理具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，因此等離子體主要用于焚燒爐難于處理的廢物，包括被污染的陶瓷廢物、高熔點(diǎn)金屬、需要治理的含有毒揮發(fā)成分的廢氣等。
等離子體進(jìn)行廢物處理的主要缺點(diǎn)在于以電力作為能源，經(jīng)濟(jì)成本高。此外，與傳統(tǒng)廢物處理方式相比，等離子體過(guò)程具有更多的過(guò)程控制參數(shù)，從而在過(guò)程控制中要求自動(dòng)化程度很高？磥(lái)對(duì)于這種大規(guī)模的設(shè)備仍然缺乏一個(gè)堅(jiān)實(shí)的工程基礎(chǔ)。
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