電子廢棄物等離子體裂解技術(shù)現(xiàn)狀及展望*

王振民 張芩 佘欣仁 方小鑫

（華南理工大學(xué)）

1 前言

電子廢棄物的資源化處理，已成為關(guān)切民生的重大環(huán)境保護(hù)問題[1～3]。電子廢棄物處理得好就是“綠色礦山”，否則就是危險(xiǎn)品。我國已成為世界電器、電子產(chǎn)品的制造基地，承擔(dān)了全球家電市場約80%的產(chǎn)量。與此同時(shí)，也承受了廢棄電器、電子產(chǎn)品造成的嚴(yán)重污染后果[2～4]。國家和地方對節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)具有龐大的技術(shù)和市場需求，國務(wù)院《關(guān)于加快培育和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的決定》的第一個(gè)重點(diǎn)支持領(lǐng)域就是“節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)—高效節(jié)能環(huán)保技術(shù)裝備及產(chǎn)品”；而《國家重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)調(diào)整和振興規(guī)劃綱要》和廣東省十二五重點(diǎn)布局發(fā)展的培育戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)均將節(jié)能環(huán)保技術(shù)裝備作為重要內(nèi)容。電子廢棄物的資源化處理又是節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)中的重要內(nèi)容，對資源的再生利用、環(huán)境保護(hù)以及生態(tài)安全都具有重要意義。

目前，電子廢棄物資源化處理方法主要有化學(xué)法、物理法和生物技術(shù)法三大類[2～4]?；瘜W(xué)法應(yīng)用較普遍，包括火法冶金、濕法冶金、電解法提取等工藝技術(shù)；物理法主要有機(jī)械破碎、空氣分選和磁性吸附等多種方法，一般作為輔助手段使用；生物技術(shù)方法目前應(yīng)用較少。在化學(xué)法中，火法冶金利用冶金爐高溫加熱剝離非金屬物質(zhì)，然后對金屬物質(zhì)進(jìn)行分離，金屬提取簡單、方便和回收率高。存在的主要問題為處理過程存在有機(jī)物焚燒，產(chǎn)生有害氣體（如二噁英）造成二次污染，且處理設(shè)備昂貴。濕法冶金目前應(yīng)用最廣泛，它是利用貴金屬能溶解在硝酸、王水和其他苛性酸中的特點(diǎn)來進(jìn)行回收處理，有廢氣排放少、經(jīng)濟(jì)效益顯著、工藝流程簡單等優(yōu)點(diǎn)，但很多有害物質(zhì)如鉛、汞、鉻、鎘等重金屬由于難分離、回收效益不高而被廢棄，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，危及生態(tài)安全[2～4]。

與傳統(tǒng)處理方式不同，電子廢棄物等離子體裂解處理技術(shù)是在無氧或者缺氧環(huán)境下，利用熱等離子體所具有的高能量密度、高溫度和良好的化學(xué)可控性來實(shí)現(xiàn)對電子廢棄物的資源化熱裂解，獲得金屬、清潔氣體以及體積大為減量化的固態(tài)玻璃體（重金屬浸出率極低），二次污染排放幾乎為零，清潔環(huán)保[2]。這種資源化處理技術(shù)具有典型的“資源化、無害化和減容化”的特點(diǎn)，減容比高達(dá)97%以上，并且具有廣泛的適應(yīng)性，可處理危險(xiǎn)廢物、工業(yè)廢物、醫(yī)療垃圾、市政垃圾、廢棄輪胎、鉛酸電池等。2000年12月第五屆國際間政府協(xié)商委員會達(dá)成的全球性協(xié)議文件中，已經(jīng)將焚燒列為二噁英的主要來源，并考慮將廢棄物焚燒改用其他方法，如等離子體裂解等先進(jìn)技術(shù)。由于電子廢棄物等離子體裂解技術(shù)是一個(gè)多學(xué)科深度交叉的新興尖端技術(shù)，還有很多問題需要深入研究和解決[2,3]。

2 等離子體裂解系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

圖1是一種等離子體裂解系統(tǒng)，它主要由電子廢棄物饋入設(shè)備、氣流式密封擠料器、高溫裂解爐、等離子體電源、等離子體發(fā)生器、半干吸收塔、布袋除塵器、活性炭吸附塔以及其他一些輔助設(shè)備構(gòu)成。

圖1 等離子體裂解系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電子廢棄物等離子體資源化裂解處理的原理如下：① 電子廢棄物饋入設(shè)備將已粉碎的電子廢棄物饋入到氣流式密封擠料器，通過擠料器進(jìn)入高溫裂解爐，同時(shí)保證良好的氣密性，使高溫裂解爐內(nèi)處于無氧或者缺氧狀態(tài)；② 等離子體電源給等離子體發(fā)生器供電，使該發(fā)生器產(chǎn)生高溫、高能流密度的等離子體射流，對裂解爐內(nèi)已粉碎的電子廢棄物進(jìn)行高溫裂解（非燃燒），將廢物中的長鏈有機(jī)物分解成對環(huán)境友善的小分子、原子等富氫氣體以及少量酸性氣體，經(jīng)氣體排放通道進(jìn)入尾氣凈化工藝流程，而熔化的液態(tài)金屬則經(jīng)過裂解爐的金屬排放口排出到定型槽，得到金屬錠，浮在熔化金屬上面的玻璃體則經(jīng)過渣口排放至其它定型槽，獲得固態(tài)玻璃體；③ 尾氣經(jīng)熱交換器冷卻到500℃左右，進(jìn)入半干吸收塔，噴淋霧化的堿液與酸性氣體中和，同時(shí)溫度急劇降低到200℃，抑制了二噁英低溫再生反應(yīng)；④ 接著進(jìn)入布袋除塵器，夾帶的粉塵被收集，吸附的堿性分成進(jìn)一步脫除酸性物質(zhì)；⑤ 最后進(jìn)入活性炭吸附塔吸附殘余的重金屬及其它有害物質(zhì)。

等離子體裂解技術(shù)與火法冶金處理方式最大的區(qū)別在于：它是非燃燒技術(shù)，是在無氧或缺氧環(huán)境下的高溫處理過程[2]，因此產(chǎn)生的氣體量很少，主要是由有機(jī)物裂解產(chǎn)生的富氫氣體，而裂解產(chǎn)物金屬、玻璃體和清潔氣體從各自通道排出，因而可以高效且潔凈的處理，二次污染排放幾乎為零，實(shí)現(xiàn)了“減量化”、“資源化”和“無害化”目的。

3 國內(nèi)外研究和應(yīng)用現(xiàn)狀

相對于傳統(tǒng)處理工藝，等離子體裂解技術(shù)在清潔生產(chǎn)、減排環(huán)保等方面具有得天獨(dú)厚的技術(shù)優(yōu)勢，日益受到工業(yè)發(fā)達(dá)國家的重視，國內(nèi)不少研究單位也開始嘗試開展相關(guān)的研究工作[2～5]。但在等離子體裂解過程消耗二次能源，電子廢棄物在1200℃高溫停留2s以上才能充分熔融裂解，能耗較高（目前約為1 kWh/kg）。從目前的研究和應(yīng)用情況來看，等離子體裂解系統(tǒng)存在以下特點(diǎn)和發(fā)展趨勢：

① 等離子體裂解系統(tǒng)日益趨向于大功率化。為提高生產(chǎn)效率和處理能力，輸出功率高達(dá)幾百千瓦甚至兆瓦級。據(jù)檢索，國外整流式等離子體裂解系統(tǒng)已可做到兆瓦級，電能變換效率可達(dá)80%，逆變式的也已達(dá)到200kW功率級別[6]；國內(nèi)與此相比還有較大差距，在加熱、點(diǎn)火、廢物處理等領(lǐng)域，雖已有300kW硬開關(guān)逆變式系統(tǒng)的研究報(bào)道（見圖2），但還沒有100kW以上級別的、效率更高的、成熟可靠的軟開關(guān)等離子體技術(shù)的報(bào)道[5]。

圖2 300kW級等離子體裂解系統(tǒng)

② 等離子體裂解系統(tǒng)的電能變換效率普遍不高。等離子體電源直接給等離子體發(fā)生器提供電能，是等離子體裂解系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[5]。由于強(qiáng)等離子體能量高達(dá)幾百千瓦甚至兆瓦級，需要100%負(fù)載長時(shí)間高壓、大電流工作，可靠性成為首要條件。長期以來，可靠性較好的整流式乃至于交流工頻變壓器成為大功率等離子體電源的首選，但效率較低（很難超過80%，工頻變壓器更低），對網(wǎng)電沖擊大，動特性不佳[2,3]。節(jié)能省材的大功率逆變式等離子體電源還面臨著因并聯(lián)均流、溫升、電磁干擾、復(fù)雜結(jié)構(gòu)、寄生參數(shù)等因素造成的強(qiáng)能量傳遞可靠性問題[2,5]。盡管高效節(jié)能的軟開關(guān)高頻逆變技術(shù)已在焊接等領(lǐng)域應(yīng)用，但在嚴(yán)酷的等離子體裂解工藝應(yīng)用環(huán)境下，還有很多問題需要深入研究和解決。大功率等離子體電源的研制和開發(fā)是國內(nèi)大功率等離子體系統(tǒng)發(fā)展的瓶頸[2]。

③ 等離子體發(fā)生器與裂解爐的熱交換效率較低。根據(jù)最小Joule熱原理和自磁壓縮效應(yīng)，等離子體射流通常表現(xiàn)為能量高度集中、體積小、參數(shù)梯度大，直接導(dǎo)致等離子體發(fā)生器的能量利用率較低、電極燒蝕嚴(yán)重、工作壽命較短[7～9]。為提高效率，國內(nèi)外學(xué)者采用雙炬射流/電弧、三炬射流/電弧、多電極電弧等技術(shù)來產(chǎn)生大體積的等離子體射流[8]。這些技術(shù)方法能夠在較小電流下實(shí)現(xiàn)較高的電弧功率和電弧電壓輸出，射流穩(wěn)定性、亮度和長度得到提高，但它們在本質(zhì)上均以物理累積方式通過多個(gè)電弧同時(shí)放電來擴(kuò)大放電區(qū)間，等離子弧自身的自磁壓縮效應(yīng)并未得到明顯削弱，因而未能從根本上解決等離子射流的發(fā)散問題。由于等離子體的導(dǎo)電性，等離子體與磁場的可作用性是不言而喻的。利用強(qiáng)外磁力作用來削弱等離子弧自身的自磁壓縮效應(yīng)，導(dǎo)致熱電弧高溫區(qū)擴(kuò)張來獲得大體積均勻等離子體的方法，可從本質(zhì)上解決等離子體射流的勻質(zhì)發(fā)散問題，成為近年來的研究熱點(diǎn)，但主要集中在同軸弧室結(jié)構(gòu)的等離子體發(fā)生器方面[8]，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，射流長度和輸出功率很難進(jìn)一步提高，難以滿足大功率高效裂解生產(chǎn)的需求。本文的課題組嘗試采用大功率雙石墨電極產(chǎn)生長等離子體射流，取得了較好效果，目前正在開展磁場驅(qū)動發(fā)散的實(shí)驗(yàn)研究。等離子體射流照片如圖3所示。

圖3 等離子體射流照片

④ 對等離子體裂解系統(tǒng)自動化程度的要求越來越高。要提高裂解生產(chǎn)效率，必須提高裂解系統(tǒng)的自動化程度。在強(qiáng)磁場作用下，等離子體裂解過程控制參數(shù)更多，只有深入探索可控參數(shù)對等離子體射流的影響規(guī)律并解決其有效表征問題，才可能實(shí)現(xiàn)對等離子體裂解過程的自動化控制[7～9]。由于強(qiáng)外磁場的加入，導(dǎo)致等離子射流的空間運(yùn)動極其復(fù)雜，電磁力、氣動阻力和電極粘滯力相互作用，使得外磁場強(qiáng)度、旋轉(zhuǎn)速度、電弧電流等都是影響熱等離子體形態(tài)變化的重要因素[8,9]。無論從宏觀還是微觀層面來看，使用傳統(tǒng)的理論分析和實(shí)驗(yàn)診斷方法來研究電弧熱等離子體的傳熱與流動規(guī)律都極其困難。近年來，電弧等離子體的數(shù)值模擬研究成為熱點(diǎn)，主要集中在軸對稱直流等離子體發(fā)生器的數(shù)值模擬上，并逐步由二維模擬轉(zhuǎn)向三維模擬[9]。不過國內(nèi)外對磁旋轉(zhuǎn)分散電弧等離子體的產(chǎn)生機(jī)制和參數(shù)診斷等方面的報(bào)道甚少[8]。但值得一提的是，磁控電弧技術(shù)已在焊接領(lǐng)域有較多研究[10]。焊接電弧在本質(zhì)上也是一種電弧等離子體，磁控焊接電弧的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究能夠?yàn)榇欧稚⒌入x子體技術(shù)的研究提供參考和借鑒。

4 未來研究重點(diǎn)

對任何一種處理技術(shù)，研究其能量轉(zhuǎn)化、傳遞和利用過程的基本規(guī)律及其技術(shù)方法都是與應(yīng)用最緊密相關(guān)的基礎(chǔ)科學(xué)問題[7～9]。如何提高裂解系統(tǒng)的能效和裂解效率，最大限度地降低其應(yīng)用成本已成為清潔環(huán)保技術(shù)推廣應(yīng)用的瓶頸。綜上所述，要提高等離子體裂解系統(tǒng)的能量利用效率和裂解效率，需要重點(diǎn)突破以下問題：一是如何提高等離子體供電電能的轉(zhuǎn)換效率；二是如何提高等離子體發(fā)生器與裂解爐內(nèi)電子廢棄物之間的熱交換效率；三是如何提高其工藝過程的自動化水平。這三個(gè)關(guān)鍵問題已成為目前研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。采用先進(jìn)的軟開關(guān)技術(shù)能夠提高等離子體電能的轉(zhuǎn)換效率，但是由于裂解工藝的嚴(yán)酷性，對拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)參數(shù)、驅(qū)動、冷卻結(jié)構(gòu)以及控制方法等都提出了很高的要求；而采用雙石墨電極來產(chǎn)生長體積、高電壓強(qiáng)功率的等離子體射流，并利用強(qiáng)磁場驅(qū)動發(fā)散獲得大體積的等離子體射流，可以提高等離子體發(fā)生器與裂解爐的熱交換效率，但是在等離子體發(fā)生器運(yùn)動機(jī)構(gòu)、強(qiáng)磁場裝置、磁場作用機(jī)理、可控參數(shù)影響規(guī)律等方面仍有很多問題需要解決。此外，由于等離子體裂解工藝參數(shù)多，存在各種狀態(tài)參數(shù)的準(zhǔn)確檢測、多信息的融合和智能處理問題，要實(shí)現(xiàn)自動化，對檢測、傳感、通信以及信號和數(shù)據(jù)處理也提出了更高的要求。

5 結(jié)論

相比傳統(tǒng)處理方式，等離子體裂解技術(shù)是一種清潔環(huán)保的電子廢棄物資源化處理新技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用前景。等離子體裂解技術(shù)涉及到電磁物理、材料科學(xué)、工程熱物理、機(jī)械制造、環(huán)境資源等學(xué)科領(lǐng)域，作為一門多學(xué)科多領(lǐng)域交叉的新興技術(shù)，還有很多科學(xué)和技術(shù)問題需要深入研究，如何提高其能效和裂解效率是推廣應(yīng)用所面臨的主要問題。采用先進(jìn)的軟開關(guān)逆變技術(shù)、數(shù)字化控制技術(shù)、強(qiáng)磁場等離子體射流勻質(zhì)發(fā)散技術(shù)以及智能信息傳感和處理技術(shù)有利于實(shí)現(xiàn)裂解生產(chǎn)過程的自動化和高效化，這也是目前研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)所在。

[1] 中華人民共和國國務(wù)院第551號令,《廢棄電器電子產(chǎn)品回收處理管理?xiàng)l例》,2008.8.20公布,2011.1.1起施行.

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