等離子體技術(shù)處置危險廢物的應(yīng)用研究

摘 " " "要：介紹了等離子體技術(shù)處理危險廢物的原理、特點(diǎn)和工藝路線，綜合分析了國內(nèi)已工業(yè)化示范應(yīng)用的幾種等離子體處理技術(shù)和案例，提出了等離子體技術(shù)處理危險廢物在工藝可靠性、能耗、綜合運(yùn)行成本等方面改進(jìn)和優(yōu)化的建議。

關(guān) "鍵 "詞：等離子體；等離子體處理技術(shù)；危險廢物；等離子體氣化熔融

中圖分類號：TQ09 " " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A " " 文章編號： 1004-0935（2023）03-0430-03

1 "等離子體技術(shù)簡介

等離子體是由等離子體矩（又稱等離子體發(fā)生器），通過陰陽極之間的弧光放電，將工作氣體（通常為空氣、氮?dú)狻鍤?、氫氣等）電離，進(jìn)而能產(chǎn)生定向“低溫”（約2 000～20 000 K）。通常陰陽極之間的弧光放電產(chǎn)生的弧柱較粗，不受約束，溫度也較低（約5 000～6 000 K），實(shí)際應(yīng)用中通過外界氣流、發(fā)生器器壁、施加外磁場或水流壓縮電弧，使弧柱變細(xì)，溫度增高（約10 000 K）。電弧等離子體矩工作原理如圖1所示。

等離子體矩產(chǎn)生的等離子體射流是由電子、離子和中性粒子組成的物質(zhì)的第四態(tài)，具有高溫和高能量密度、化學(xué)性質(zhì)極其活潑等屬性。實(shí)際運(yùn)行中，等離子體射流溫度范圍約在3 700～25 000 K（取決于工作氣體種類和功率大?。?。這為廢物熱解、氣化、玻璃化熔融提供了所需的能量。

2 "等離子體處理廢物的原理和特點(diǎn)

2.1 "等離子體高溫分解特性

由于等離子體具有高溫、高能量屬性，使其適合處理有關(guān)穩(wěn)定性較高和危險性較大的危險廢物。

溫度越高越容易分解成小分子化合物，且C/H越高；高溫分解的許多物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)隨溫度降低而降低。C、H、Cl在300～600 ℃易形成二噁英、呋喃等致癌物，等離子體處理廢物時的高溫能徹底將其分解成簡單的小分子物質(zhì)。再者，廢物中的有機(jī)成分被分解成合成氣（主要為CO和H2），后者可提純出高純氫氣、或用作化工原料合成天然氣SNG及甲醇等高值化利用，也可用于燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電等等；而無機(jī)成分則被熔融，形成玻璃化殘?jiān)?，可用于建筑和研磨材料的玻璃狀硅石，國外一般用作路基材料；廢物如廢催化劑中含有的鉑、鈀等貴金屬，經(jīng)融熔富集提純后，回收和循環(huán)利用。

2.2 "等離子體處理廢物原理

等離子體處理廢物一般通過以下過程：

等離子體熱解。利用等離子體的熱能在無氧條件下破壞廢物中有機(jī)物的化學(xué)鍵，使其裂解成小分子。

等離子體氣化。對廢物中的有機(jī)成分進(jìn)行不完全氧化，轉(zhuǎn)化為以CO和H2為主的合成氣，是優(yōu)質(zhì)燃料。

等離子體熔融玻璃化。對無機(jī)物高溫熔融，視廢物成分添加適當(dāng)比例的CaO、SiO2等添加劑，可顯著改善熔渣的流動性，提高玻璃體的致密性。胡明等的研究表明，當(dāng)CaO的添加比例為80%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），SiO2配比為20%時，熔渣難以形成玻璃體，提高SiO2的配比，有助于SiO4四面體結(jié)構(gòu)的形成，熔渣玻璃化效果好，熔融形成的玻璃體中的重金屬經(jīng)安全性鑒別，浸出濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國家標(biāo)準(zhǔn)限值，重金屬固化效果佳。等離子體熔融玻璃化殘?jiān)鐖D2所示。

2.3 "等離子體處理廢物特點(diǎn)

等離子體的高能量密度和高溫屬性，處理廢物時，速度快反應(yīng)時間短，使得小裝置、大規(guī)模處理大量廢物易工業(yè)化。由于廢物是在無氧條件下進(jìn)行熱解、氣化和熔融，不需要天然氣輔助燃燒，意味著煙氣排放量小，煙氣凈化簡單。等離子體處理廢物，產(chǎn)物是可燃?xì)怏w、玻璃化熔渣，減容比高，經(jīng)回收可高值化利用，無需填埋。高溫可以獲得極高的冷卻速率以抑制二噁英類毒害物質(zhì)重新生成的可能。

2.4 "等離子體處理危險廢物工藝路線

圖3為典型等離子體技術(shù)處理危廢的工藝流程，主要由預(yù)處理及進(jìn)料系統(tǒng)、等離子體氣化熔融系統(tǒng)、可燃?xì)怏w燃燒系統(tǒng)、余熱回收系統(tǒng)、煙氣凈化系統(tǒng)及殘?jiān)幚硐到y(tǒng)等組成。

等離子體處理危廢前需經(jīng)過爐前配伍、破碎、過濾、干燥脫水等預(yù)處理，再通過進(jìn)料螺旋將危廢送入等離子體氣化熔融爐。其中有機(jī)成分分解成可燃?xì)怏w，送入二燃室燃燒，產(chǎn)生的高溫?zé)煔馔ㄟ^余熱鍋爐回收。煙氣經(jīng)余熱回收利用后，經(jīng)過脫硝、脫酸、脫毒、除塵等煙氣凈化處理后高空排放。而無機(jī)成分則在爐底部被熔融，形成玻璃態(tài)殘?jiān)?/p>

3 "等離子體技術(shù)處理廢物的應(yīng)用

目前國外等離子體氣化熔融處理技術(shù)已經(jīng)商業(yè)化，由最初的應(yīng)用于直接處理低放射性廢物和醫(yī)療廢物，逐漸發(fā)展到處理固體廢物領(lǐng)域。如美國西屋等離子氣化技術(shù)、俄羅斯科學(xué)院電物理與電力研究所等離子氣化技術(shù)、以色列環(huán)境能源公司等離子氣化技術(shù)。而國內(nèi)通過引進(jìn)國外先進(jìn)等離子體技術(shù)，或自主研發(fā)等離子體氣化技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化示范應(yīng)用。

3.1 "等離子裂解熔融爐技術(shù)

四川自貢晨光建有能處理多氯聯(lián)苯等持久性有機(jī)污染物的等離子裂解熔融爐，工藝過程與圖3所示的工藝流程基本相同，也包含有機(jī)廢物裂解、無機(jī)灰分高溫熔融；裂解氣進(jìn)入二燃室燃燒、尾氣凈化等工藝過程，但存在難以有效定向調(diào)控裂解氣體產(chǎn)物、可靠性以及熱效率和處理效率均不高的問題。

3.2 "等離子體熔融爐技術(shù)

根據(jù)等離子體發(fā)生器類型的不同，有等離子體炬熔融爐和石墨電極等離子弧熔融爐。其中，石墨電極等離子弧熔融爐是石墨電極作為陰極，爐底作陽極。江蘇鎮(zhèn)江、海安、無錫和廣州四地建有等離子體熔融爐，規(guī)模為20～40 t·d-1，可對垃圾焚燒飛灰、危廢焚燒殘?jiān)?、貴金屬催化劑、電鍍污泥等無機(jī)固態(tài)廢物進(jìn)行熔融處理，尤其適合對貴重金屬的回收。

3.3 "等離子體氣化熔融一體爐技術(shù)

等離子體氣化熔融一體爐與裂解爐、熔融爐區(qū)別在于，它是將熱解（類似煤低溫干餾、高溫干餾）、普通氣化和等離子體氣化、熔融系統(tǒng)集成為一體化的裝置，通常為固定床式爐體。山東一石化企業(yè)利用固定床等離子體氣化熔融一體爐，處理生產(chǎn)排放的有機(jī)三廢如殘?jiān)?、含油污泥、廢濾料及可燃性廢液等。合成氣轉(zhuǎn)化效率高，但存在普通氣化過程不易控制，影響后續(xù)等離子體氣化熔融過程。

3.4 "等離子體氣化熔融分體爐技術(shù)

與一體爐不同的是，等離子體氣化熔融分體爐是普通氣化過程與等離子體熔融過程在不同的兩個爐里分階段進(jìn)行的，前者氣化爐是將有機(jī)危廢經(jīng)過普通氣化轉(zhuǎn)化成合成氣，后者等離子體熔融爐是將氣化灰渣熔融玻璃化。由于氣化和熔融是分階段進(jìn)行的，等離子體熔融爐的高溫?zé)嵩次椿赜脜⑴c到氣化過程，故存在間歇性操作，處理效率低，綜合熱效率低的問題。再者，氣化過程不易控制易波動，不完全氣化會導(dǎo)致灰渣含碳量升高，影響后續(xù)熔渣的流動性，灰渣熔融溫度也會升高，進(jìn)而影響等離子體熔融爐的穩(wěn)定運(yùn)行。無錫、東莞建有采用上述此類技術(shù)處理危廢，可處置工業(yè)生產(chǎn)中排放的大多數(shù)有機(jī)廢物如廢有機(jī)溶劑、廢礦物油、廢染料涂料等。

3.5 "回轉(zhuǎn)窯焚燒耦合等離子體熔融綜合處理技術(shù)

回轉(zhuǎn)窯焚燒耦合等離子體熔融綜合處理技術(shù)則是對現(xiàn)有回轉(zhuǎn)窯焚燒工藝進(jìn)行技術(shù)改造，改變原有的回轉(zhuǎn)窯焚燒爐尾部出渣方式，在回轉(zhuǎn)窯窯尾增加等離子體熔池，焚燒完的殘?jiān)纯蓮母G尾進(jìn)入等離子體熔池，進(jìn)行高溫熔融玻璃化。該處理技術(shù)也存在前期回轉(zhuǎn)窯焚燒階段焚燒不完全，殘?jiān)剂可邘淼耐瑯訂栴}。西安和佛山建有采用回轉(zhuǎn)窯焚燒耦合等離子體熔融裝置，能夠處理多種有機(jī)廢物。

4 "結(jié)語

綜合分析，國內(nèi)等離子體處理技術(shù)應(yīng)用大體上分為等離子體裂解爐技術(shù)、等離子體熔融爐技術(shù)、固定床等離子體氣化熔融一體爐或分體爐，以及回轉(zhuǎn)窯焚燒耦合等離子體熔融綜合處理技術(shù)等。它們不僅能夠處理城市生活垃圾，還能處理工業(yè)一般固體廢物和危險廢物，有機(jī)廢物和無機(jī)廢物。對于以無機(jī)成分為主的固體廢物，通常采用等離子體熔融技術(shù)；對于有機(jī)物含量高的固體廢物，通常采用等離子體熱解或氣化和等離子體熔融的結(jié)合。

等離子體技術(shù)處理廢物采用電弧等離子體矩作為熱源，而等離子體矩由于陰極損耗，連續(xù)使用壽命較短。俄羅斯科學(xué)院電物理與電力研究所開發(fā)帶有棒狀電極的三相等離子體炬，電極由銅或鎢基材料制成，能夠減輕由熱、活性工作氣（氧、氯、空氣）的侵蝕，大大提高了電極壽命。

目前，國內(nèi)等離子體技術(shù)處理危險廢物還需要對其工藝可靠性、能耗、綜合運(yùn)行成本進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化，如依托現(xiàn)有危險廢物回轉(zhuǎn)窯焚燒處置協(xié)同等離子體氣化熔融技術(shù)對危廢進(jìn)行分類分質(zhì)處理，與風(fēng)、光等可再生能源耦合，余熱回收用于汽輪機(jī)發(fā)電，合成氣凈化后高值化利用，降低能耗和運(yùn)行成本。

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Research on Application of Plasma Technology

in Hazardous Waste Treatment

WANG Tian-qing， CUI Jing-tao，HAN Wei-wei

（Liaoning Province Petroleum-chemical Industry Planningamp;Designing Institute Co.， Ltd.， Shenyang Liaoning 110000， China）

Abstract： "The principle， characteristics and process route of plasma technology for hazardous waste treatment were introduced， and several plasma treatment technologies and cases that were industrialized and applied in China were comprehensively analyzed， and some suggestions for improvement and optimization of plasma technology for hazardous waste treatment in terms of process reliability， energy consumption and integrated operation cost were put forward.

Key words： Plasma; Plasma treatment technology; Hazardous waste; Plasma gasification and melting