危險廢物等離子體處理技術(shù)研究

董 磊

（江蘇嘉聯(lián)環(huán)境科技有限公司，江蘇常州 213000）

危險廢棄物主要指固體廢棄物進行焚燒后產(chǎn)生的灰渣。生態(tài)環(huán)境部于2018年頒布的《2018年全國中大城市固體廢棄物污染防治年報》中顯示，2017年我國固體廢棄物污染已達1 700 萬t，危險廢棄物在焚燒后會產(chǎn)生大量灰渣，一般為固體廢棄物總量的20%～30%。我國每年都會在固體廢棄物燃燒過程中產(chǎn)出大量灰渣，目前主要采用固化處理方式對固體廢棄物進行預處理，預處理完成后送到安全地點進行填埋。危險廢棄物填埋會占用土地、污染地下河水，填埋場選址方面存在一定困難。將危險廢棄物以掩埋的方式進行處理是一種短期內(nèi)的處理方式，無法作為長期處理方式加以使用?，F(xiàn)階段，危險廢棄物的安全處理、資源化利用已經(jīng)成為廢棄物處理行業(yè)的發(fā)展方向。應(yīng)用等離子體處理技術(shù)可在處理廢棄物的同時，產(chǎn)出玻璃狀態(tài)的惰性物質(zhì)，該物質(zhì)可用于綠色建材的建造，將危險廢棄物無污染化與資源化[1]。

1 等離子體處理技術(shù)概述

1.1 等離子體概念及產(chǎn)生方法

等離子體是一種物質(zhì)的存在方式，與現(xiàn)實生活中常見的物質(zhì)存在方式不同，屬于第四種物質(zhì)存在狀態(tài)。等離子體活性高，與其他三種物質(zhì)相比，參數(shù)范圍廣泛。等離子體的形態(tài)性質(zhì)易受到外在電磁場的影響，等離子體活性大、能量集中、電熱效率高。等離子體產(chǎn)生了高溫，可以降解使用普通廢棄物處理辦法無法處理的危險廢棄物，并在短時間內(nèi)完成廢棄物的處理工作。等離子體具有危險廢棄物處理效率高、處理后的廢棄物有害程度大幅度降低等優(yōu)勢。

多個國家都將等離子體應(yīng)用于危險廢棄物處理中，且等離子體在能源、信息等行業(yè)也發(fā)揮著重要作用。等離子體的產(chǎn)生具有一定條件，因等離子體控制難度較大，技術(shù)人員在生產(chǎn)等離子體過程中需要做好安全措施，避免在生產(chǎn)等離子體過程中身體受到損害。高溫和低溫環(huán)境都可以生產(chǎn)等離子體，技術(shù)人員接觸放電原理來生產(chǎn)等離子，但使用該方法生產(chǎn)等離子需要把控用電量以及用電時長。放電時需要選擇噪聲小、封閉性較強的實驗室，運用此種方式生產(chǎn)的等離子體被稱為熱等離子體。

此外，技術(shù)人員也可采用燃燒方式產(chǎn)生等離子體，利用此種方法產(chǎn)生等離子體時，技術(shù)人員需要把控火焰位置，在生產(chǎn)等離子體前期進行全面規(guī)劃，選擇結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較強的物質(zhì)，保證燃燒的安全性。技術(shù)人員也可以采用激光方式產(chǎn)生等離子體，激光危害性較大，但相比于電力和熱能燃燒產(chǎn)生的等離子體效果較好[2]。

高溫等離子焚燒裝置如圖1所示。

圖1 高溫等離子焚燒裝置

1.2 等離子體分類

按照等離子體焰的溫度，等離子可以分為熱等離子和冷等離子兩種。冷等離子密度低，溫度接近室溫，電子溫度較高，約為10～10 000 ℃，氣體溫度低，例如稀薄低壓輝光放電等離子、電暈放電等離子體、DBD介質(zhì)阻擋放電等離子體、索梯放電等離子體等。熱等離子密度較高，具有較高的粒子活性，稠密高壓（1個大氣壓以上），溫度10～10 000 ℃，例如電弧、高頻和燃燒等離子體等。按照等離子體所處的狀態(tài)，可以分為平衡與非平衡等離子體。平衡等離子體的氣體壓力較高，電子溫度與氣體溫度大致相等，例如常壓下的電弧放電等離子體以及高頻感應(yīng)等立體等。非平衡等離子體通常在低氣壓或是常態(tài)氣壓中的電子溫度遠高于氣體溫度。例如低氣壓下DC輝光放電、高頻感應(yīng)輝光放電以及大氣壓下BDB介質(zhì)阻擋放電等產(chǎn)生的冷等離子。

2 危險等離子體處理技術(shù)原理與優(yōu)勢

2.1 危險廢物等離子體處理技術(shù)原理

等離子體獨立于固、液、氣之外被稱為第四態(tài)，等離子體的高溫特性和高活性特性可以用來處理各類廢棄物，包括危險廢棄物、醫(yī)療廢棄物、低放射性廢棄物等，用于固體廢棄物處理的等離子體主要包括交流等離子體以及高頻等離子體等。常用的等離子體能夠產(chǎn)生高溫度氣體，溫度達3 000～5 000 ℃，危險廢棄物與等離子體相接觸后，會快速發(fā)生反應(yīng)，出現(xiàn)裂解、氣化、溶解、玻璃化等反應(yīng)過程[3]。

危險廢棄物能夠在等離子體的作用下快速分解形成CO和H2等可燃性氣體，這些氣體也可加以回收利用，冷卻后形成結(jié)構(gòu)相對緊密的玻璃狀態(tài)的惰性物質(zhì)。其體內(nèi)重金屬物質(zhì)被包裹在內(nèi)部，使重金屬含量的滲透率遠低于檢測標準，此類惰性物質(zhì)也可以在回收后生產(chǎn)建筑材料。

廢棄物處理產(chǎn)生的玻璃狀態(tài)的惰性物質(zhì)如圖2所示。

圖2 廢棄物處理產(chǎn)生的玻璃狀態(tài)的惰性物質(zhì)

2.2 危險廢物等離子體處理技術(shù)優(yōu)勢

利用等離子體對危險廢棄物進行處理，可以有效防止二噁英的產(chǎn)生，一般的危險廢棄物處理方式會產(chǎn)生大量致癌物質(zhì)，主要原因在于燃燒不充分或燃燒溫度過高。普通的焚燒爐溫度約為800 ℃，開始點火以及熄火時，爐內(nèi)溫度大多低于700 ℃，等離子體溫度大多在18 000～20 000 ℃之間，爐內(nèi)各部分平均溫度大致為2 000 ℃，爐溫高燃燒速度快、停留時間短、效率高，可以在處理危險廢棄物時瞬間達到標準，最大限度對減少致癌物質(zhì)的產(chǎn)生，避免對周圍環(huán)境產(chǎn)生二次污染。

借助熱等離子體，可使超高溫度化學反應(yīng)成為可能。在通常狀態(tài)下，物質(zhì)進行1 000 ℃以上的高溫反應(yīng)較為困難。借助等離子體可以有效解決該問題，等離子體不與任何物質(zhì)直接相接觸，等離子體與物質(zhì)之間會形成較薄的中性薄層等離子體鞘，使等離子體產(chǎn)生的高溫不會傳遞給外部材質(zhì)。此外，還可借助電磁場的方式控制等離子體，使1 000 ℃以上的化學反應(yīng)成為可能。

等離子體設(shè)備不會占據(jù)過大空間，且設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、啟動快捷，配合自動化技術(shù)可以實現(xiàn)全過程的自動化控制，設(shè)備運行安全可靠。

3 等離子體處理技術(shù)在危險廢物處理中的應(yīng)用

3.1 廢料分解與重組

與普通危險廢物處理方式不同，等離子體中心溫度可達20 000～30 000 ℃，溫度邊緣也可達到3 000 ℃，使用高溫、高壓等離子體處理危險廢棄物時，被處理對象將會重新組合形成新物質(zhì)，使有害物質(zhì)無害化，甚至轉(zhuǎn)變?yōu)榭衫觅Y源。等離子體處理危險廢棄物是一個分解與重組的過程，可將有毒的有機物變?yōu)闊o毒甚至有價值的物質(zhì)。等離子體的分解重組特性是溫度越高，產(chǎn)生的分子量就越小，分解過程中產(chǎn)生的化學物質(zhì)，也會隨著溫度的降低而降低。分解重組完成后的有機物可以作為建筑材料使用。

3.2 高溫與氧化

利用等離子體處理危險廢棄物，將會產(chǎn)生極高的溫度，平均溫度一般為3 000～5 000 ℃。借助等離子體的較高溫度，可瞬間完成對危險廢棄物的分解，并產(chǎn)生氫氣和一氧化碳，隨后在氫氣與一氧化碳的作用下發(fā)生氧化反應(yīng)，凈化混合氣體后，將其排放到空氣中。也可以利用此類氣體驅(qū)動汽輪機發(fā)電，實現(xiàn)能源再利用。

4 危險廢物等離子體處理技術(shù)發(fā)展前景

等離子體處理技術(shù)是近年來發(fā)展起來的處理危險廢物的新型環(huán)保技術(shù)，具有高效、節(jié)能的優(yōu)秀特點，使其成為處理危險固體廢棄物的首選技術(shù)。

等離子體處理技術(shù)在高溫高活性欠氧的環(huán)境下，能夠充分分解包括二噁英在內(nèi)的危險廢物，并能夠抑制合成，成為解決二噁英污染問題的重要途徑。但國內(nèi)現(xiàn)階段等立體處理技術(shù)應(yīng)用還處于初級階段，處理過程需要消耗大量電力，總體應(yīng)用成本較高，且對控制過程的自動化要求較高，大范圍使用等離子體處理危險廢棄物仍是攻堅克難的問題。

與其他危險廢棄物處理技術(shù)相比，等離子體具有使用成本昂貴的特點，導致等離子體危險廢棄物處理技術(shù)不具備經(jīng)濟優(yōu)勢。但等離子體處理特殊有毒危險廢棄物方面的優(yōu)勢，使其擁有更大的發(fā)展前景。需要持續(xù)關(guān)注和開發(fā)等離子體處理技術(shù)，通過研究推動該技術(shù)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，為國內(nèi)危險固體廢物的處理提供更優(yōu)秀的方案。隨著科技的快速發(fā)展，技術(shù)耗電量大、經(jīng)濟成本高等劣勢將在未來經(jīng)濟發(fā)展過程中得以解決，等離子體技術(shù)應(yīng)用覆蓋率的擴大也將大幅度提升我國危險廢棄物處理效率。

5 結(jié)語

運用等離子體處理危險廢棄物，具有極為廣闊的發(fā)展前景，但真正在社會范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用等離子體處理危險廢棄物仍需要繼續(xù)深入研究，在具體實施過程中還存在許多技術(shù)難題亟待解決。雖然我國等離子體研究起步較晚，但發(fā)展速度較快，且擁有更多自主研究的專業(yè)處理設(shè)備。隨著研究的不斷深入以及與其他學科交融度的不斷加深，將進一步豐富等離子體處理技術(shù)以及相關(guān)理論，解決等離子體處理技術(shù)應(yīng)用中存在的難題。