等離子體技術(shù)處理艦船固體廢棄物的進(jìn)展

呂東方，于開(kāi)錄，岳強(qiáng)

邯鄲凈化設(shè)備研究所，河北邯鄲056027

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等離子體技術(shù)處理艦船固體廢棄物的進(jìn)展

呂東方，于開(kāi)錄，岳強(qiáng)

邯鄲凈化設(shè)備研究所，河北邯鄲056027

摘要：隨著國(guó)際海洋保護(hù)法律法規(guī)的日益嚴(yán)格以及我國(guó)海軍遠(yuǎn)洋航行任務(wù)的逐漸增加，軍用艦船需要增強(qiáng)固體廢棄物的現(xiàn)場(chǎng)無(wú)害化處理能力，使其能在世界任何水域自由航行。簡(jiǎn)要介紹73/78防污公約對(duì)固體廢棄物排放的要求，以及美國(guó)海軍為適應(yīng)該公約而采取的處理策略。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有固體廢棄物處理技術(shù)的綜合分析，指出等離子體焚燒技術(shù)最適合處理艦船固體廢棄物，其固體殘?jiān)臀矚馀欧磐耆?3/78防污公約。最后，介紹了等離子體焚燒技術(shù)在艦船上的應(yīng)用情況。

關(guān)鍵詞：等離子體；焚燒；固體廢棄物；綠色艦船

0　引　言

近年來(lái)，我國(guó)海軍執(zhí)行訓(xùn)練、訪問(wèn)、護(hù)航和護(hù)僑等任務(wù)不斷增多，海軍艦船的遠(yuǎn)洋航行次數(shù)驟增，這對(duì)艦船后勤生活保障提出了更高的要求，其中生活垃圾等固體廢棄物的處理就是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。固體廢棄物不但會(huì)造成艦艇內(nèi)部大氣環(huán)境的惡化，而且還受73/78防污公約等各種海洋保護(hù)法律法規(guī)的制約，不能隨意排放到海洋中，從而使航行受到限制。海軍艦船如未配備滿意的廢棄物處理系統(tǒng)，不符合某些港口對(duì)廢棄物排放的法規(guī)，也可能被拒絕入港。艦船上固體廢棄物最小化處理的另外一個(gè)軍事原因是減少?gòu)U棄物產(chǎn)生的痕跡，艦船后漂浮的殘?jiān)赡軙?huì)給敵人有用的信息［1］。

因此，海軍艦船應(yīng)該改進(jìn)固體廢棄物處理系統(tǒng)，遵循無(wú)害化和體積最小化的原則，使其滿足73/78防污公約等各種法律法規(guī)的要求。

1　當(dāng)前固體廢棄物處理策略

1.1 73/78防污公約

73/78防污公約［2］由國(guó)際海事組織于1973年頒布實(shí)施，并經(jīng)過(guò)了多次修訂。其中，附件Ⅴ對(duì)艦船固體廢棄物的排放規(guī)定如下：

1）一切塑料制品均禁止排放入海；

2）食品廢棄物、紙制品、碎布、玻璃、金屬、瓶子、陶器等可以排放到離岸12 n mile的海域，粉碎為小于25 mm的碎片后可以排放到離岸3 n mile的海域；

3）在紅海亞丁灣、波斯灣、地中海、波羅的海、黑海和加勒比海等特殊海域的規(guī)定更為嚴(yán)格，只有粉碎為小于25 mm的食品廢棄物才可排放到離岸12 n mile的海域，除此之外，禁止排放任何廢棄物；

4）任何海域禁止排放食用油。

1.2美國(guó)海軍處理艦船固體廢棄物的策略

長(zhǎng)期以來(lái)，美國(guó)海軍一直在向海洋傾倒各種廢棄物，直至1987年美國(guó)批準(zhǔn)了73/78防污公約附件Ⅴ以后才有所收斂。1993年，美國(guó)國(guó)會(huì)頒布了船舶污染控制法案，要求海軍艦船1998年以后全面禁止排放塑料，2000年以后在特殊海域?qū)崿F(xiàn)固體廢棄物零排放。1996年11月30日，美國(guó)海軍向國(guó)會(huì)提交執(zhí)行情況報(bào)告，認(rèn)為當(dāng)時(shí)的技術(shù)在經(jīng)濟(jì)上和實(shí)用性上不能滿足73/78防污公約附件Ⅴ的要求，向海洋中排放漿化或粉碎的非塑料廢棄物具有現(xiàn)實(shí)意義。美國(guó)國(guó)會(huì)認(rèn)同這一報(bào)告，并修訂了相關(guān)法律，于1997年頒布了324法案，對(duì)固體廢棄物的排放做出如下規(guī)定：

1）禁止排放塑料；

2）漿化處理過(guò)的廢紙、硬紙板和食物垃圾可排放到離岸3 n mile以外的海域；

3）粉碎后的玻璃和金屬可排放到離岸12 n mile以外的海域［3］。

根據(jù)324法案，1997～2003年間，美國(guó)海軍的所有水面艦船上均安裝了金屬/玻璃粉碎機(jī)、塑料廢棄物處理器和漿化器等設(shè)備，分別處理食物垃圾、紙制品、玻璃、金屬制品、瓷器和塑料制品（圖1）。下面簡(jiǎn)要介紹這些設(shè)備的使用方法和策略［4-5］。

金屬/玻璃粉碎機(jī)（圖2（a））用于粉碎各種金屬制品和玻璃制品，例如啤酒罐、玻璃杯等。它們經(jīng)過(guò)粉碎以后體積可減小67%，更容易沉入海底，而不是漂浮在海面上。金屬和玻璃碎片裝入粗麻袋，直接扔入海中。

圖1美國(guó)海軍處理固體廢棄物的策略Fig.1　 US navy's strategy of solid waste treatment

塑料廢棄物處理器由4臺(tái)設(shè)備組成，即塑料粉碎機(jī)、壓縮熔化機(jī)（圖2（b））、內(nèi)循環(huán)冷卻機(jī)和加熱塑封機(jī)，其中塑料粉碎機(jī)與金屬/玻璃粉碎機(jī)的結(jié)構(gòu)類似。塑料廢棄物粉碎后，放入壓縮熔化機(jī)的盤(pán)狀模具內(nèi)，加蓋后加熱到150℃，使塑料顆粒熔融為直徑50 cm的盤(pán)狀物（體積減小97%），冷卻后放入專用塑料袋中，塑封后放入儲(chǔ)物間。

漿化器用于處理食物垃圾、廢紙和硬紙板。在漿化器內(nèi)，這些柔軟的材料被海水浸泡，高速旋轉(zhuǎn)的攪拌器帶動(dòng)它們通過(guò)固定的刀片，分割為小顆粒，成為漿狀物質(zhì)。當(dāng)其直徑小于0.6 mm時(shí)，便通過(guò)篩網(wǎng)被海水帶出漿化器，排放到海中。美國(guó)海軍根據(jù)艦船的大小，開(kāi)發(fā)了大型和小型2種漿化器（圖2（c）和圖2（d）），分別安裝在不同類型的艦船上。

1.3新技術(shù)論證

圖2美國(guó)軍艦上處理固體廢棄物的設(shè)備Fig.2　 The apparatus of solid waste treatment in US navy ships

73/78防污公約雖然對(duì)軍艦沒(méi)有約束力，但各國(guó)都要求在本國(guó)海域和港口航行的外國(guó)軍艦遵守該公約，同時(shí)各國(guó)海軍也需要展示自己良好的公眾形象，盡量減少固體廢棄物在公海的隨意排放。從美國(guó)于1997年頒布的324法案來(lái)看，針對(duì)非塑料廢棄物的排放不符合73/78防污公約附件Ⅴ的要求，美國(guó)國(guó)會(huì)要求美國(guó)海軍繼續(xù)研制新型設(shè)備，以完全滿足73/78防污公約附件Ⅴ的要求。

從金屬/玻璃粉碎機(jī)、塑料廢棄物處理器和漿化器等設(shè)備的使用情況來(lái)看，這些設(shè)備占用了較多的艙室和操作人員。漿化器和塑料廢棄物處理器在使用過(guò)程中不能處理骨頭、刀叉和金屬碎片等堅(jiān)硬物體，在清理過(guò)程中需要人工篩分，增加了艦員的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且一旦漏檢，就會(huì)導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)故障［4］。因此，各國(guó)海軍有必要研制開(kāi)發(fā)新技術(shù)、新裝備，既能符合各項(xiàng)海洋保護(hù)法律法規(guī)的要求，又具有經(jīng)濟(jì)性、可靠性和可操作性。目前，在研的固體廢棄物處理新技術(shù)包括：常規(guī)焚燒、超臨界水氧化、生物處理、等離子體焚燒和濕氧化等，科研人員對(duì)以上技術(shù)已進(jìn)行多年的性能測(cè)試和論證［6］。

船用焚燒爐曾被廣泛用于固體廢棄物的減容處理，但由于需要氧氣助燃，裝置的體積非常大，需要占據(jù)多層甲板。影響焚燒爐使用的最關(guān)鍵因素是尾氣中灰塵和有害氣體含量高，包括一氧化碳（CO）、氮氧化物（NOx）、硫氧化物（SOx）、二惡英、不完全燃燒有機(jī)物等，這些尾氣排放很難滿足73/78防污公約附件Ⅵ的規(guī)定［7］。因此，美國(guó)海軍很少裝備焚燒爐，美軍標(biāo)MIL-I-15650（船用焚燒爐）也于1991年廢止。

濕氧化和生物處理技術(shù)只能處理食物垃圾和可降解材料，不能處理所有的固體廢棄物，使用范圍有限，不適合艦船廢棄物處理。除金屬和玻璃外，超臨界水氧化技術(shù)幾乎能夠處理所有固體廢棄物，但它的操作條件非常苛刻，操作溫度為374℃，操作壓力為22.1 MPa，顯然不適合艦船廢棄物的處理。

上世紀(jì)80年代后期，出現(xiàn)了等離子體焚燒技術(shù)，用于處理城市垃圾。等離子體中心溫度可達(dá)20 000～30 000℃，邊緣氣體溫度約為3 000℃，等離子體的高溫特性和高活性粒子會(huì)摧毀廢棄物的化學(xué)鍵，分解為小分子化合物；而對(duì)難以裂解的無(wú)機(jī)物，則通過(guò)高溫熔融反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為玻璃化物質(zhì)。從原理上看，等離子體焚燒技術(shù)能夠處理幾乎全部固體廢棄物。目前，美國(guó)、日本、歐洲和國(guó)內(nèi)均已開(kāi)發(fā)了等離子體焚燒裝置，用于處理城市垃圾、醫(yī)療廢棄物、低放射性廢棄物、有毒化工原料和廢舊軍火等［8］。

等離子體焚燒技術(shù)處理廢棄物有如下特點(diǎn)：

1）靈活性及多功能性?？梢蕴幚硭蟹N類的有毒、有害、危險(xiǎn)及非危險(xiǎn)廢物，無(wú)論是有機(jī)物還是無(wú)機(jī)物，氣體、液體還是固體。

2）零排放。尾氣經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單處理后可以直接排放，符合最嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)；廢棄物中的重金屬離子等被熔融在固體廢渣中，對(duì)環(huán)境無(wú)害。

3）減容比高。廢棄物的減容率高達(dá)99.7%。

4）操作及維修簡(jiǎn)單。只需1名技術(shù)員和少數(shù)操作人員便可操作并維護(hù)1部日處理10 t廢棄物的機(jī)器。

5）啟停速度快。裝置5 min內(nèi)就可工作，可靈活適應(yīng)廢棄物種類的轉(zhuǎn)換，不需保持連續(xù)動(dòng)作。

6）能耗與常規(guī)技術(shù)相差不多。固體廢棄物的成分直接影響等離子體焚燒裝置的能耗，一般情況下，處理1 kg廢棄物的能耗為0.7～1.5 kW·h（不考慮廢棄物粉碎和尾氣處理）。常規(guī)焚燒裝置的耗電量雖然比較少，但為了達(dá)到較高的焚燒溫度，提高裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性，必須提供一定量的燃油，焚燒1 kg廢棄物的耗油量一般為0.1～0.3 kg，折合能耗為0.4～1.15 kW·h。可以看出，二者的能耗相差不大。

7）體積小。等離子體焚燒裝置不需要氧氣助燃，因此空氣需求量較低，燃燒室和尾氣后處理設(shè)備的體積比常規(guī)焚燒裝置小得多。

因此從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)角度上說(shuō)，等離子體技術(shù)適合處理艦船上產(chǎn)生的固體廢棄物。美國(guó)海軍經(jīng)過(guò)多年論證，也認(rèn)為等離子體焚燒技術(shù)是水面艦船上最有可能完全符合73/78防污公約附件Ⅴ的技術(shù)。美國(guó)海軍從上世紀(jì)90年代開(kāi)始開(kāi)展等離子體裂解技術(shù)處理艦船固體廢棄物的可行性研究和試驗(yàn)驗(yàn)證［9］，目前，“福特”號(hào)航空母艦已經(jīng)安裝了等離子體處理固體廢棄物的裝置。

由于艦船環(huán)境與陸地環(huán)境相差較大，因此需要對(duì)等離子體處理固體廢棄物技術(shù)進(jìn)行艦用化改造，主要包括以下幾個(gè)方面：

1）處理廢棄物的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量尾氣，其排放應(yīng)該滿足73/78防污公約附件Ⅵ的要求，因此，需要加強(qiáng)尾氣處理技術(shù)的研究；

2）艦船上固體廢棄物種類繁多，粉碎等預(yù)處理工藝應(yīng)適合所有固體廢棄物；

3）應(yīng)對(duì)等離子體核心部件進(jìn)行抗振動(dòng)沖擊改造，避免出現(xiàn)故障。

2　等離子體技術(shù)原理

等離子體是物質(zhì)存在的第4態(tài)，是由電子、離子、原子、分子或自由基等粒子組合成的電中性集合體，是部分或全部電離的氣體。等離子體按溫度分為冷等離子體、熱等離子體和高溫等離子體。熱等離子體的中心溫度可高達(dá)20 000～30 000℃，火炬邊緣溫度也可達(dá)到3 000℃左右。當(dāng)固體廢棄物放置于熱等離子體空間時(shí)，等離子體的高密度熱量和高濃度活性粒子流將作用于固體廢棄物，發(fā)生多種超高溫化學(xué)反應(yīng)［10］。

1）等離子體裂解，即易分解物質(zhì)在非氧化條件下熱解斷裂，生成小分子化合物；

2）等離子體氣化，即有機(jī)物質(zhì)在不完全氧化條件下生成可燃性氣體，如合成氣（CO+H2）；

3）等離子體固化，即無(wú)機(jī)材料在高溫條件下發(fā)生熔融和壓實(shí)，生成玻璃化物質(zhì)，有害金屬封閉在固體中。

通過(guò)以上反應(yīng)過(guò)程，固體廢棄物大部分變?yōu)闅怏w物質(zhì)，不能氣化和裂解的物質(zhì)熔融為高密度的玻璃化物質(zhì)，從而達(dá)到消除固體廢棄物的目的。

直流電弧放電等離子體［11］屬于典型的熱等離子體，根據(jù)陰極和陽(yáng)極的排列方式，直流等離子體可分類為傳輸型直流等離子體火炬及非傳輸型直流等離子體火炬2種，如圖3所示。傳輸型火炬的電極一端在火炬本體上，另一端則在火炬工作物體上，而非傳輸型火炬的2個(gè)電極則都在火炬的本體上。

圖3直流等離子體火炬的2種形式Fig.3 Two types of DC plasma torch

大部分固體廢棄物處理裝置都為非傳輸型直流等離子體火炬（圖4）。電弧放電在空心陽(yáng)極和空心陰極之間產(chǎn)生，將等離子體工作氣體加熱到數(shù)千攝氏度，并隨著高速氣流從陽(yáng)極噴嘴處噴射而出。如此高的氣體溫度可以將固體廢棄物瞬間氣化、裂解和熔融，從而達(dá)到消除、減容的目的。

圖4非傳輸型直流等離子體火炬Fig.4 Non-transfer type DC plasma torch

3　等離子體焚燒技術(shù)在艦船上的應(yīng)用

1990年，美國(guó)海軍研究辦公室（ONR）就資助Carderock中心，論證了等離子體技術(shù)處理多種固體廢棄物的可行性。1994年，美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室（NRL）與Retech公司合作建立了一套等離子體處理固體廢棄物裝置，額定功率為150 kW。與此同時(shí)，加拿大PyroGenesis公司也積極開(kāi)展相關(guān)技術(shù)研究，1999年在ONR先進(jìn)技術(shù)演示項(xiàng)目的支持下，PyroGenesis公司研制開(kāi)發(fā)了等離子體弧廢棄物裂解裝置PAWDS。2003年9月，PyroGenesis公司為嘉年華環(huán)球游船航運(yùn)公司（Carnival cruise lines）的M/S Fantasy郵輪設(shè)計(jì)建造了1套PAWDS，用于處理船上產(chǎn)生的紙板、塑料、織物、木頭和食物等固體廢棄物，以及含水50%的油污，在5 900 h的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，總共處理了1 000多噸固體廢棄物。2006年，PyroGenesis公司獲得了國(guó)際海事組織頒發(fā)的使用許可證。

2002年，CVN 21（即“福特”號(hào)）項(xiàng)目辦公室要求Carderock中心對(duì)在“福特”號(hào)上安裝PAWDS進(jìn)行技術(shù)評(píng)估和費(fèi)用分析，以取代當(dāng)前典型的固體廢棄物處理設(shè)備，如金屬/玻璃粉碎機(jī)、塑料廢棄物處理器、大型/小型漿化器等設(shè)備，該評(píng)估報(bào)告認(rèn)為PAWDS滿足“福特”號(hào)的裝艦要求，而且在全壽期內(nèi)總共能夠節(jié)省3 800萬(wàn)美元的操作和維護(hù)費(fèi)用。隨后，CVN 21項(xiàng)目辦公室決定在“福特”號(hào)上安裝PAWDS，并由Carderock中心負(fù)責(zé)裝置集成［12］。

從美國(guó)海軍得到合同后，PyroGenesis公司對(duì)PAWDS做出了一些特殊的改動(dòng)，目的是增加處理能力、減少停機(jī)維修時(shí)間。2004年，建造了PAWDS的改進(jìn)版PAWDS-EDM（圖5）。2004年12月，該裝置成功地通過(guò)了連續(xù)7 d的陸基性能測(cè)試。2005年4月，美國(guó)海軍正式確定在“福特”號(hào)上安裝2套PAWDS，每天處理約3 000 kg非食物固體廢棄物，裝置功率約為170 kW。

圖5 Pyrogenesis公司研制的PAWDS-EDMFig.5 The PAWDS-EDM of Pyrogenesis Co

PAWDS由3部分組成：

1）固體廢棄物預(yù)處理設(shè)備，將廢棄物分解為小顆粒；

2）等離子體燃燒室，將廢棄物完全裂解；

3）尾氣處理設(shè)備，去除尾氣中的雜質(zhì)。

該裝置可自動(dòng)化運(yùn)行，對(duì)操作者的技能要求較低，具有一鍵啟停功能。

2005～2007年間，Carderock中心對(duì)PAWDSEDM的安全性和穩(wěn)定性進(jìn)行了加強(qiáng)，并于2007年6月17日～8月19日成功完成了連續(xù)60 d的疲勞試驗(yàn)。

隨后，該裝置完全由CVN 70“卡爾·文森”號(hào)的艦員進(jìn)行操作和維護(hù)（圖6），在模擬艦用條件下，連續(xù)工作了64 d。這次試驗(yàn)主要評(píng)估該裝置在“福特”號(hào)上安裝和使用時(shí)可能遇到的問(wèn)題。試驗(yàn)表明，該裝置滿足所有性能要求和尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)，僅需根據(jù)艦員的要求做出一些小的改動(dòng)。試驗(yàn)期間，該裝置的平均處理量為200 kg/h，總處理量為204 t，CO平均排放量為124 mg/MJ。根據(jù)計(jì)劃，PAWDS已于2012年前安裝到位。

圖6美國(guó)海軍士兵操作PAWDSFig.6 The utilization of PAWDS by US navy soldiers

4　結(jié)　語(yǔ)

等離子體焚燒技術(shù)是一種新型固體廢棄物處理技術(shù)，已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外被廣泛應(yīng)用于城市垃圾、醫(yī)療廢棄物、低放射性廢棄物、有毒化工原料和廢舊軍火的無(wú)害化處理，并在美國(guó)“福特”號(hào)航空母艦上得到成功應(yīng)用。等離子體焚燒技術(shù)具有體積小、啟停速度快、處理廢棄物種類多和操作維修方便等優(yōu)點(diǎn)，因此非常適合用于處理艦船固體廢棄物。

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The research development of the plasma treatment for solid waste on navy ships

LV Dongfang，YU Kailu，YUE Qiang
Purification Equipment Research Institute of CSIC，Handan 056027，China

Abstract：With the increase in the strictness of the international ocean law as well as in the amount of voy?age of our own navy ships, it is of high necessity for navy to effectively deal with the solid waste, rendering ships with the capability to sail worldwide. In this paper, the MARPOL 73/78 on solid waste is firstly intro?duced, and the relevant strategy for US navy is then presented. Based on the comprehensive analysis, it is concluded that the plasma technology serves as the optimal approach to treat the solid waste on board due to its qualified slag and effluent. Finally, the utilization of shipboard plasma apparatus is introduced.

Key words：plasma；incineration；solid waste；green ship

作者簡(jiǎn)介：呂東方，男，1971年生，高級(jí)工程師。研究方向：化工機(jī)械于開(kāi)錄（通信作者），男，1977年生，博士，高級(jí)工程師。研究方向：艦船氣體制備。E-mail：yukailu@aliyun.com

收稿日期：2015 - 03 - 18網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-1-19 14:55

中圖分類號(hào)：U664.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1673-3185.2016.01.011

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20160119.1455.024.html期刊網(wǎng)址：www.ship-research.com

引用格式：呂東方，于開(kāi)錄，岳強(qiáng).等離子體技術(shù)處理艦船固體廢棄物的進(jìn)展［J］.中國(guó)艦船研究，2016，11（1）：89-94. LV Dongfang，YU Kailu，YUE Qiang. The research development of the plasma treatment for solid waste on navy ships ［J］. Chinese Journal of Ship Research，2016，11（1）：89-94.