等離子熔融氣化技術在電子固體廢棄物處理回收上的應用

閆金山，陳志偉，陳 峰，吳久峰，于德洋

(中國航天空氣動力技術研究院 北京 100074)

0 引言

加強對各類固體廢棄物(城市生活垃圾、工業(yè)固廢、醫(yī)療和電子危廢、污水污泥等)的無害化、減量化和資源化處理是“十二五”國家環(huán)保事業(yè)和環(huán)保產業(yè)發(fā)展的主要內容之一，也是關系到堅持科學發(fā)展觀，推進循環(huán)經濟和建設和諧社會的重要任務。在當今信息化的社會里，隨著電子工業(yè)的飛速發(fā)展，各類電子產品的用量越來越多，而伴隨著產品的不斷更新?lián)Q代，電子固體廢棄物也越來越多，目前已經成為導致自然環(huán)境惡化的重要因素之一，已經引起了各國政府的密切關注，因此，對電子固體廢棄物的資源化研究在目前的形勢下顯得尤為重要。

電子固體廢棄物包括廢舊手機、電腦、電視機、空調、冰箱、打印機、復印機、數(shù)碼攝像機、數(shù)碼照相機、VCD、DVD、音響設備等以及此類產品生產過程中產生的半成品、原材料等。它具有鮮明的二重性，一方面是全球電子固體廢棄物數(shù)量增長速度驚人而且由于其元器件中含有鉛(Pb)、汞(Hg)、鎘(Cd)、六價鉻(Cr6+)、多溴苯酚(PBB)和多溴二苯醚(PBDE)等有害物質，如果處置不當會對環(huán)境造成嚴重危害;另一方面是其元器件中含有銅(Cu)、鋁(Al)、銀(Ag)、金(Au)等有用金屬和貴金屬，以及玻璃、塑料等，如果能加以回收，又是有意義的資源再生，因此有人稱數(shù)量巨大的電子垃圾是“城市礦山”。

我國已是電子電器產品生產和消費大國，每年要報廢電腦約2 000萬臺、淘汰手機約7 000萬臺、廢棄大家電約1 500萬臺;而且每年還容納全球約70%的電子垃圾。國家有關部門不斷頒布方針規(guī)定，積極引導電子廢棄物處理行業(yè)健康發(fā)展并收到一定效果，但是仍然存在大量個體收購和手工作坊式的用“火燒”(用簡陋的爐子燒電子繞線板等)和用“水泡”(用強酸和“王水”浸泡芯片等)方式來取得其中貴金屬的負面現(xiàn)象，其后果是焚燒后的廢氣和浸泡后的廢液對土壤、空氣和水源造成極大的污染。

1 目前電子固體廢棄物的處理方式

分選技術:電子固體廢物分選是實現(xiàn)固體廢物資源化、減量化的重要手段，通過分選將有用的充分選出來加以利用，將有害的充分分離出來;另一種是將不同粒度級別的廢棄物加以分離，分選的基本原理是利用物料的某些性方面的差異，將其分離開。

固化處理技術:固化技術是通向廢棄物中添加固化基材，使有害固體廢物固定或包容在惰性固化基材中的一種無害化處理過程，經過處理的固化產物具有良好的抗?jié)B透性、良好的機械性以及抗浸出性、抗干濕、抗凍融特性，固化處理根據(jù)固化基材的不同可分為沉固化、瀝青固化、玻璃固化及膠質固化等。

焚燒技術:焚燒法是固體廢物高溫分解和深度氧化的綜合處理過程，好處是大量有害的廢料分解而變成無害的物質，近幾年來由于固體廢棄物中可燃物的比例逐漸增加，采用焚燒方法處理固體的廢棄物，利用其熱能已成為必須的發(fā)展趨勢，以此種處理方法，固體廢棄物占地少，處理量大。但是焚燒法也有缺點，如投資較大，焚燒過程排煙造成二次污染，設備銹蝕現(xiàn)象嚴重等。

熱解技術:熱解技術由焚燒技術衍生產生，熱解是指可燃組分在缺氧環(huán)境受熱分解，分解產物為氣相可燃成份和固相可燃物，氣相可燃成份可以在后續(xù)焚燒過程中燃盡，或作為氣化產物外供，與焚燒法相比，熱解法則是更有前途的處理方法，它最顯著的優(yōu)點是基建投資少。

氣化處理技術:氣化技術也是由焚燒技術衍生產生，氣化處理技術指固相可燃組分轉變?yōu)闅庀嗫扇汲煞荩话阕鳛楣I(yè)和民用燃氣的可燃成份外供。

焚燒技術、熱解技術、氣化技術的區(qū)別:區(qū)別在于焚燒供氧量大于化學當量，熱解與氣化供氧量小于化學當量。供氧量較小意味著燃燒空氣量少，對生活垃圾中小顆粒的淘析作用減弱，煙氣挾帶和揚析顆粒減少，排煙中煙塵濃度降低。因此，熱解與氣化過程的煙塵濃度低于焚燒過程，有利于環(huán)境保護。此外，氣化產物外供，為生活垃圾熱能綜合利用提供了新方式。熱解與氣化的區(qū)別在于發(fā)生反應的溫度不同，熱解需要的溫度一般為200℃～400℃，而氣化反應發(fā)生的溫度一般在600℃～1 200℃。

2 等離子熔融氣化處理技術

等離子氣化技術屬于國際上稱之為第三代的固體廢棄物處理技術——熔融氣化技術，有著其他技術不可比擬的環(huán)保優(yōu)勢和巨大的應用前景。

等離子噴槍火炬是一種能產生高強度熱源的專門設備，常溫氣體借助火炬的電極電弧能形成過熱導電氣體－等離子體，等離子體在離開火炬后可恢復氣體中性，但依然保持過熱高溫特性(氣體溫度可高于5 000℃)，等離子加熱技術是隨著軍工技術的發(fā)展而發(fā)展的，在軍工上主要應用于航天飛行器材料測試，近10多年來，又開始用于有害固體廢棄物和城市垃圾的處理，由于等離子氣化爐內的操作環(huán)境與加熱溫度具有可調性，因此處理固體廢物包括城市固體垃圾、危險垃圾、工業(yè)垃圾、建筑垃圾、輪胎、地毯、汽車粉碎殘渣、液體與泥漿等，以及石油焦、劣質煤和生物質等都能夠得到方便的處理。

中國航天空氣動力技術研究院創(chuàng)建于1956年，是在中國導彈之父錢學森的親自指揮下創(chuàng)建的，是我國第一個空氣動力研究與試驗基地，等離子體加熱技術主要應用于所有返回式航天器的熱防護研究，等離子噴槍所用介質氣體涵蓋空氣、氮氣、氬氣、氫氣、一氧化碳等氣體。

等離子熔融氣化爐在整個流程中發(fā)揮關鍵作用，與傳統(tǒng)的熱解爐相比，它具有以下5個獨到的優(yōu)勢:

(1)熔融氣化過程使固體廢棄物的熱值被充分利用，減容和減重效果好;

(2)入爐的固體廢棄物可以不分類，從而提高了生產效率;

(3)氣化爐的高溫能徹底摧毀二噁英及前端物質;

(4)金屬熔于熔渣，經過再次電解可以得到不同的金屬物質;

(5)氣化爐的助溶劑可吸附含氯物質，爐子還原性氣氛抑制了二噁英的生成。

3 等離子熔融氣化處理技術工藝路線

(1)對廢舊電子電器產品進行拆解，將包裝材料、塑料部件、陰極射線管(顯像管)、和含有害物質的元器件如多氯聯(lián)苯(電容器)、水銀開關、鋰－鎘電池等安全分出，分類后送至下一工序;對冰箱、空調中的制冷劑進行安全抽出。

(2)將可破碎的元器件和材料送入破碎設備，破碎后再做磁選和風選，分出鐵、鋁和塑料等。

(3)將含有有用金屬和貴金屬的電路板等元器件送入等離子氣化爐，爐底排出的除爐渣外，還有熔融的銅和貴金屬的混合物。

(4)通過電解方式從陰極得到純銅，從陽極得到的陽極泥則去作進一步處理得到貴金屬。

4 等離子熔融氣化處理技術具體實施過程

舊電腦和舊家電經回收拆解后得到的廢電子線路板等材料，其成分大致為:樹脂30%、陶瓷類(SiO2)15%、銅(Cu)20% ～25%、鋁(Ai)5%、鐵(Fe)5%、錫(Su)1% ～2%等和少量貴金屬，金(Au)0.01% ～ 0.02%、銀(Ag)0.07%、鎳(Ni)0.5%、鈀(Pd)0.007%、鉑(Pt)0.004%。廢電子線路板熱值約12 000 kJ/kg。

等離子熔融氣化爐進料除廢電子線路板(破碎成小塊)外，還包括氣化爐所需床層材料，以及流化質材料，確保熔融氣化處理后的金屬能夠穩(wěn)定的流出，從而能夠進一步電解得到需要的金屬成分。等離子熔融氣化爐配備相應的等離子噴槍，等離子噴槍系統(tǒng)包括等離子噴槍、高頻起弧器、供氣系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、控制系統(tǒng)。廢電子線路板進入等離子熔融氣化爐后，其中的有機物質(樹脂等)經高溫分解并與氧化劑氣體(進風)反應，生成含可燃成分的氣體(合成氣)從氣化爐頂部排出。而廢電子線路板中所含金屬和陶瓷類物質以熔融態(tài)渣從氣化爐底部排出。氣化爐頂部排出的合成氣經凈化后，可作為低熱值燃氣加以利用，也可燒掉。底部排出的熔融態(tài)渣(金屬塊)可送至下道工序進行金屬回收。

5 合成氣的凈化處理

等離子熔融氣化爐頂部排出的合成氣成分復雜，雖經過了氣化爐高溫的分解作用，已最大限度摧毀了二噁英、呋喃等有害物質，但氣體中仍殘存少量氯化氫(HCI)和二噁英及呋喃(PCDD、PCD等)類物質，且氣體溫度較高(－900℃)，必須嚴格凈化。凈化過程包括首先進入熱交換器(管道式或火管鍋爐式)降溫至600℃度左右，接著進急冷塔用堿性液洗滌，脫除酸性氣體并降溫至200℃左右;然后進活性炭吸附器，進一步脫除酸性氣體和吸附二噁英類物質;出活性炭吸附器的氣體最后還要經布袋除塵器除塵，最終完成合成氣的凈化過程。

6 小結

隨著近幾年來國家政策的戰(zhàn)略調整，環(huán)保已經上升到了國家戰(zhàn)略要求的高度，在《國民經濟和社會發(fā)展第十二個五年規(guī)劃綱要》中提出，堅持把建設資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會作為加快轉變經濟發(fā)展方式的重要著力點，綜合利用和安全處理處置相結合的各種固體廢物污染防治技術將會得到越來越廣泛的應用。但是，實施電子廢棄物處理項目只有采用先進的技術和設備，并切實加強運行管理，才能可靠實現(xiàn)保護環(huán)境的目的。按照國家方針積極推進電子固體廢棄物的環(huán)保處理，不斷采用先進技術和設備提升電子固體廢棄物處理的行業(yè)水平，既是致力于環(huán)保事業(yè)發(fā)展和環(huán)保產業(yè)技術創(chuàng)新的企業(yè)責任，又是大有作為的循環(huán)經濟建設平臺。

［1］李德元等著.等離子技術在材料加工中的應用［M］.北京.機械工業(yè)出版.2005.

［2］許根慧 姜恩永 盛京.等離子體技術與應用［M］.北京.化學工業(yè)出版社.2006.

［3］丁恩振 丁家亮著.等離子體弧熔融裂解［M］.北京.中國環(huán)境出版社.2009.

［4］2010年中國固廢處理研究報告［J］.市場研究報告.2010.