热等离子体技术处理危险废物研究进展遇鑫遥施加标孟月东(中国科学院等离子体物理研究所,安徽合肥 230031)摘要应用热等离子体处理危险废物是一种创新性技术.与传统焚烧炉相比,真正做到无害化,减量化和资源化的目的.着重介绍应用热等离子体处理危险废物的原理及优点,等离子体废物处理系统以及国外应用这种技术处理危险废物的研究现状,以引起人们对这种新技术的认识和重视.关键词危险废物热等离子体等离子体气化/玻璃化过程等离子体废物处理Research progress of hazardous waste treatment using thermal plasma technology Yu Xinyao,Shi Jiabiao,Meng Yuedong.(Institute of Plasma Physics, Chinese Academy of Sciences,Hefei Anhui 230031)AbstractHazardous waste treatment using thermal plasma was a creative technology which achieves the aim of detoxification, reduction, and reuse of waste indeed compared with traditional incinerator. The theory and advantages of hazardous waste treatment using thermal plasma, the thermal plasma waste treatment system and the present studies of abroad were mainly introduced hoping that people could have a good knowledge of this new technology and pay attention to this new technology. Keywords: hazardous waste; thermal plasma; plasma gasification/vitrification process; plasma waste treatment system随着我国经济高速发展,产生了大量危险废物,包括医疗废物,化学毒品等,这些危险废物对于环境和经济的可持续发展造成了严重的危害.应用等离子体技术来处理危险废物是一种全新的方法.由气体电离产生的等离子体在等离子体发生器中温度可达 5 000 ℃.电能通过等离子体转化为热能.选择不同类型的工作气体可使等离子体系统工作在氧化,还原或者惰性的环境下.不同的工作环境具有不同的功能,如氧化性环境通常用来破除有机危险废物;还原性环境通常被用来提取金属,固化含有毒重金属的废物如飞灰等[1].目前发展较成熟的国家包括美国,加拿大,法国,英国,瑞士,日本以及以色列等.其中,美国的Retech公司,IET公司,西屋环境公司(Westinghouse Environmental Service),PEAT公司,Startech公司,法国的航太公司(Aerospatial Espace & Defence),英国的Tetronics公司以及以色列EER公司的等离子体处理技术皆已达到商业化运转阶段.其他一些国家还处于一些基础的可行性证明的实验阶段,如希腊正在研究用电弧等离子体处理废物[2,3];台湾在这方面做了大量的工作,虽然处于研究阶段,但取得了不小的成果[4-7];韩国也正在研究用电弧处理放射性废物[8]和液体有毒废物PCB[9];俄罗斯和瑞典等国家也进行了相关的研究并取得了一定的成果[10].1 热等离子体技术介绍热等离子体技术已从20世纪60年代主要用于空间相关的研究转向材料处理,如今热等离子体已经广泛用于材料加工领域,如等离子切割和喷涂.近年来,应用热等离子体处理危险废物成为研究的热点.大多数等离子体废物处理系统采用等离子体炬来产生等离子体能量.另一种设计是利用直流(DC)电弧等离子体.另外,还有研究用射频等离子体[11]和微波等离子体[12]处理危险废物的,本文不做介绍.1.1 电弧等离子体主要特征气压下的电弧是处于局域热力学平衡(LTE)的热等离子体.处于局域热平衡的电弧等离子体中的电子,离子和其它中性基团具有接近的温度.电弧的能量密度以及电子的密度分别在107～109 J/m3和1022～1025 m-3.由于具有高的能量密度和电子密度使得电弧放电可以在相对低的电场(通常500～5 000 V/m)下达到107～109 A/m2的高电流密度.电弧的温度可以达到5 000～50 000 K.1.2 等离子体炬技术人们已研制开发了各种各样的等离子体炬.图1画出了两种典型的等离子体炬构型[13],左侧是使用金属作为电极的,右侧的是采用无电极的射频等离子体.其中有电极的等离子体炬主要有两种,一种工作在转移弧,一种工作在非转移弧.其区别在于是否将所要加工的工件作为一个电极,若将加工工件作为一个电极则是工作在转移弧,否则是工作在非转移弧.图1 主要的等离子体炬构型2 应用热等离子体处理危险废物的原理及其优点2.1 原理热等离子体放电产生的电弧具有极高的温度,其产生辐射热,对流传热以及电子引起的传热等.能够用它来熔融危险废物形成无害化产物.主要形成物为简单的气体分子(主要为CO,H2),玻璃体以及熔融的金属单质.在等离子体反应腔中,处于上部的是气体,中部的是熔融玻璃体,下部是金属单质.形成气体分子是等离子体气化的过程,形成玻璃体的过程是等离子体玻璃化的过程.废物经过等离子体化学反应完成转化的时间在0.01～0.50 s.这个反应时间依赖于所处理的废物种类以及温度[12].2.1.1 等离子体化学反应过程能量的传递能量的传递大致如下:(1) 电子在电场的加速作用下成为高能电子.(2) 高能电子与分子(或原子)碰撞,形成受激原子,受激基团,游离基团等活性基团.(3) 活性基团与分子(或原子)碰撞生成新的物质并放出一定的热量.(4) 活性基团与活性基团碰撞生成新的物质并放出一定的热量.(5) 高能电子被卤素和氧气等电子亲和力特强的物质所俘获,成为负离子.这类负离子具有较好的化学活性,在等离子体化学反应中起到重要的作用.2.1.2 等离子体气化几乎人们所知的所有有机物和许多无机物在热等离子体的高温环境下都会发生氧化或者还原反应分解为原子和最简单的分子.这些原子和分子在温度较低的部位又会重新合成形成热力学稳定的2～3个原子的化合物(氧化物,氢化物,卤族化合物等).这些化合物的形成依赖于所处理的废物的成分以及形成等离子体的气体,另外,这些有机物形成的气体可以用来做化工原材料或者转化成一种混合气作为燃料.最重要的是其中的有毒有机物尤其是二恶英和呋喃都被彻底的分解为了无毒的小分子物质[14,15].图2以二恶英为例说明了等离子体气化的原理.图2 二恶英的等离子体气化示意图2.1.3 等离子体玻璃化玻璃化将废物与玻璃等物质混合在热等离子体的高温作用下熔融形成一种稳定的玻璃态物质,原废物中的有害金属则包封在玻璃体中,即可达到稳定化,减量化及资源化目的.玻璃化最初是用来处理放射性废物,在这个过程中高放射性废物的液体和泥浆与玻璃颗粒进行混合并加热到非常高的温度来产生熔融玻璃态混合物,当混合物冷却时它就会变为一种坚硬且稳定的玻璃体,这种玻璃体将放射性元素包封在内部,并阻止其迁移到水和大气中.一般其反应机制是利用SiO2网络结构形成难溶物质,见图3.一般可从玻璃体的特性探讨其处理效果,其特性项目包括灼烧减量,强度,空隙率,浸取毒性等.得到的玻璃体经过一定的或者不经过加工可以用来作为建筑材料或者陶瓷材料,这依赖于所处理的废物的化学成分.图4为美国IET公司经过PEM技术处理得到的玻璃体和用玻璃体加工的建筑材料.图3 网络结构二维示意图例图4 IET公司PEM技术玻璃体及加工的建筑材料2.2 优点2.2.1 与传统的焚烧炉相比的优点(1) 热等离子体具有较高的温度和能量密度.一个氧气-燃料火焰的最大热量通量大约为0.3 kW/cm2,而一个直流转移弧的热量通量可以达到大约16.0 kW/cm2.具有如此高的热量通量是因为其有较高的温度,较高的气体流动速度以及较高热导率的等离子气体.尤其是对于转移弧来说,有一部分额外的热量通量,即从电子转移到所处理的作为阳极的物质.(2) 维持等离子体弧所需要的气体体积比靠燃料燃烧的焚烧炉要少很多.据估计,对于给定数量的处理物质,等离子体系统所需的气体体积仅为燃料焚烧炉所需气体的10%左右.这也意味着对于等离子体系统的尾气处理系统能极大的简化.(3) 等离子系统的能量供给与系统中氧气的浓度是能够独立控制的,即氧化性,还原性以及惰性气体环境是独立于反应器的温度的.而对于传统的焚烧炉能量通量与氧气的浓度不能独立于反应器的温度.这使得在极高的还原性或者惰性气体环境下具有极高的能量通量成为可能.(4) 与传统焚烧技术相比,等离子体技术能够完全的破除有毒有害废物,装置的体积和尺寸要小的多.可以对反应过程的完全自动化的控制.高温等离子体源的维修费用和时间相对较少.(5) 最为重要的是,传统的焚烧技术会产生二次污染,如形成包含有毒重金属的飞灰,氢氧化物,硫化物,氮的氧化物,含氯化合物如二恶英和呋喃.传统的焚烧技术要达到各个国家有关环境标准就要花费大量的钱在二次污染物的去毒化上面.3 等离子体废物处理系统介绍3.1 系统的主要构成等离子体废物处理系统主要由进料系统,等离子体主反应腔,金属/玻璃体收集系统,热能回收利用系统,尾气净化处理系统,二次燃烧室,自动控制系统等构成.3.2 系统的工作流程一般而言,其工作流程如下:首先是进料系统将废物输进等离子体主反应腔,然后在主反应腔中经历等离子体气化/玻璃化过程,其中金属和玻璃体经金属玻璃体收集系统得到收集,如果存在二次燃烧室气体进入二次燃烧室,然后气体进入尾气处理系统,最后排放的气体达到标准.如果有能量回收利用系统,气体还要通过能量回收利用.图5为系统工作流程图.图5 系统工作流程图3.3 系统所能处理的废物种类(1)有机溶剂废弃物(2)废矿物油(3)含多氯联苯废弃物(4)医院废弃物,废药物,药品(5)农药废弃物(6)有机树脂类废弃物(7)含金属羰基化合物废弃物(8)含有色金属,重金属的废弃物(9)石棉废弃物(10)放射性废弃物(11)从理论上讲,所有能用传统的焚烧炉处理的都可以用等离子体系统来处理.但是,实际中的等离子体系统都是针对某一种或者某一类物质而专门设计的,还没有能够处理所有种类的炉子问世.4 国内外的研究现状介绍国外在用热等离子体处理危险废物方面已取得相当大成就,有的已经产业化,有的正从研究走向产业化阶段.美国早于1986年即用热等离子技术模拟处理放射性废弃物,至今已有多家处理厂处于商业运转阶段,处理废弃物种类甚广,包括放射性废物,焚化炉灰渣,重金属污泥及土壤以及有毒废液等危险废物.目前技术成熟且成功商业运转的公司主要有Westinghouse Electric公司,Retech公司,IET公司,Startech 公司,EPI公司等.日本近来为解决垃圾焚化灰渣的问题,积极着手开发热等离子体熔融技术,并已获得相当的成果.由日本KHI,KSC及东京电力共同开发的灰渣等离子体熔融炉已经在其千叶市设置一日处理量为24 t的废物处理中心.TAKUMA公司自1992年着手于底灰和飞灰的混合灰渣为对象,开发石墨电极等离子体熔融炉以来,经过多次实验于1998年达到每天处理25t焚化灰的规模.Mitsubishi公司也在用等离子体技术处理飞灰方面取得了很大的成就[16].除了美国和日本之外,法国,加拿大,澳大利亚,瑞典,英国,以色列等发达国家也开发了热等离子体技术.法国的Europlasma公司开发的等离子炬技术除发展欧洲市场外,同时将技术转移到日本.加拿大Resorption公司设计了一日处理量为24 t的等离子体熔炉,用以处理生物/感染性医疗废物.瑞典的Scan Dust公司与B.U.S(Berzelius Umwelt-Service AG)共同开发设置了一年处理量为55 t的等离子体熔融炉,主要是处理金属冶炼尘灰,并回收有价金属.英国的Tetronics公司于1990年便成功开发直流电极等离子体熔融技术,并在最近几年内协助日本各大厂商(如EBARA,KOBE,MHI等)设置等离子体熔融炉,以解决日本境内日益严重的焚化灰渣处理问题.澳大利亚的SRL公司开发的PLASCON等离子体技术能有效处理化学农药及PCB 等有毒废物[17].以色列EER公司运用其开发的PGM(Plasma Gasification Melting)技术,于俄罗斯莫斯科附近设置一日处理量 2 t的等离子体熔融炉,主要用于处理低放射性废物,并已运转近10年.我国在用热等离子体技术处理危险废物方面起步比较晚,尚属于研究阶段,国内所应用的技术大多是从国外进口的.5 展望等离子体处置危险废物技术是环境界公认的无害化处置最先进技术,在发达国家已进入应用阶段.热等离子体处理危险废物具有很多优点,在发达国家已经成为危险废物处理研究领域的一个热点,甚至成为一些危险废物处理如垃圾焚烧飞灰的最有效的处理方法.随着,环境问题越来越严重,热等离子体技术必将会在危险废物处理方面发挥巨大的作用.我国应该加大投资和人员力度研究用热等离子体处理危险废物的机理以支持自主知识产权的等离子体废物处理炉的开发和应用转化以解决越来越严峻的危险废物处理处置问题.参考文献[1] HERLIRZ H G. 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垃圾等离子体焚烧技术方案一、技术必要性目前我国医疗垃圾和工业危险废物处理方面存在比较严重的问题。
医疗废物包括使用过的注射器、针头、输液管、纱布、药瓶、废医疗塑料制品、有毒棉球、废敷料、手术残物、动物实验废弃物、感光乳液、废显影液等等.这些垃圾含有大量的传染性病毒,是细菌病毒的滋生地.这些垃圾目前主要的焚烧处理方式一般仍采用传统的气、油燃烧方法,而这种气、油燃烧方法采用的焚烧炉处理由于炉内温度不高（一般均低于900℃，而实际情况只运行在700℃以下），极易产生二恶英（600℃～800℃),传染性病毒也不能被彻底处理（一些传染性病毒在1100℃仍会生存)，燃烧的垃圾灰仍残余有三分之一以上的可燃物及部分细菌，燃烧后的垃圾灰作为生活垃圾填埋，一段时间后会析出地面,仍旧会对环境造成二次污染，渗出后影响土壤、水质，人、畜饮用被污染的水后易患病，并迅速感染蔓延。
即使使用包装进行集中处理，在运输过程中也极易散发,造成环境的二次污染。
医疗垃圾和工业危废的传统焚烧处理方式，除了无法达到理想的处理效果，有很强的二次污染隐患外,还引发了严重的社会问题，武汉汉阳锅顶山垃圾焚烧发电厂及其周边医疗废物焚烧厂自建成以后始终负面新闻缠身，周边居民因废气污染而多人身患疾病，由此引发群体性事件，锅顶山垃圾焚烧发电厂与医疗废物焚烧厂因此被迫关厂半年。
绿色动力投资运营的广东江门医疗垃圾焚烧中心则因居民投诉而彻底停产。
如今医疗垃圾与工业废物的焚烧处理项目即使通过立项，与地方政府达成合作意向，也往往因居民抗议而中辍.中国医疗垃圾与工业危废的产生量逐年大幅度上升，形成了庞大的处理压力,现有处理能力存在不小的缺口，多个省市有新闻报道医疗废物大量积压，为缓解压力，类似武汉锅顶山项目等存在问题，引发民愤的项目也不得不继续运行。
然而继续使用传统气、油焚烧的新项目难以启动建设工作，这些事实说明，具有先进技术，无二次污染，处理能力强的医疗垃圾、工业危废处理项目是有很强的必要性的，且因全国地区面对不同程度的处理压力，一旦有典型成功项目启动运营，依靠项目的示范作用和区域辐射作用，有望在所在省份乃至全国范围内复制建设。
等离子体处理危险废物技术李 伟1 李水清1 崔瑞祯1 刘 刚2 季天仁3（1 清华大学精仪系 2 中国兵器装备研究院 3 电子科技大学高能所）一、引言将等离子体用于处理各类污染物具有处理流程短、效率高、适用范围广等特点，尤其是对于多氯联苯类(PCB )、氟里昂类等难消解含卤化合物及生物技术产业、农药、医院等的特殊废弃物处理，常规的燃料热源技术的处理效率常不能达到国际规定的标准(PCB 的消解效率必须大于99.9999%)，并且更高毒性的多氯二苯并二(PCDDs ) 与多氯二苯并呋喃(PCDFs ) 的二次污染问题日益引起人们的重视。
等离子体既可用于处理废气又可用于处理废水、固体废物、污泥、甚至放射性废物。
本章主要介绍等离子体处理固体危险废物，如医疗垃圾等。
二、等离子体火炬处理固体废物的工作原理（一）等离子体的概念等离子体是物质存在的第四态，它是气体电离后形成的，是由电子、离子、原子、分子或自由基等粒子组成的集合体，它具有宏观尺度内的电中性与高导电性。
等离子体是极活泼的反应性物种，使通常条件下难以进行或速度很慢的反应变得快速，尤其有利于难消解污染物的处理。
在人工生成等离子体的方法中，气体放电法比加热的办法更加简便高效，诸如荧光灯、霓虹灯、电弧焊、电晕放电等等。
图1是气体通过加热或放电形成等离子体的示意图。
N 2等离子体气体加热或放电图1 等离子体形成示意图 （二）等离子体的分类按粒子的温度等离子体可分为两大类，热平衡等离子体(或热等离子体) 与非热平衡等离子体(或冷等离子体)，如图2所示。
冷等离子体的特征是它的能量密度较低，重粒子温度接近室温而电子温度却很高，电子与离子有很高的反应活性。
相对地，热等离子体的能量密度很高，重粒子温度与电子温度相近，通常为10000K 至20000K 的数量级，各种粒子的反应活性都很高，本文后面所提到的等离子体如未特别说明即指热等离子体。
热平衡等离子体（热）等离子体按粒子的温度分非热平衡等离子体（冷）图2 等离子体的分类（三）等离子体的产生方法热等离子体的产生方法，它包括大气压下电极间的交流(AC)与直流(DC)放电、常压电感耦合等离子体、常压微波放电等。
等离子体医废处置方案简介等离子体医废是指在医疗过程中产生的含有生物危害物质和传染性物质的废弃物。
由于易感染和传播病毒等病原体，等离子体医废的处置变得尤为重要。
等离子体技术是一种高温等离子体反应技术，它可以通过高温等离子体将有机物气化分解，同时有效杀死病菌和病毒，达到无害化处理的目的。
因此，等离子体技术被广泛应用于医废处理领域。
本文将介绍等离子体医废处置方案的具体实现方法和优点。
实现方法制备等离子体制备等离子体需要先将空气或氧气引导到等离子体反应器中，再通过高频电极激发气体，形成等离子体。
等离子体的主要成分为电子、离子、自由基等活性物质。
处理医废使用等离子体技术处理医废的基本流程：首先将医废施加电场，使得医废中的导体聚集，形成有机物颗粒；然后通过等离子体反应，将这些有机物颗粒分解成CO、CO2、H2O、N2等物质，达到无害化处理的目的。
处理后的医废处置处理后的医废主要成分为二氧化碳、水、氨和硫酸等物质，这些物质不会产生污染，并且可以通过排气管口排放。
优点安全医废处理是一个危险的过程，如果不采取科学合理的处理方法，可能会对人体健康造成影响。
因此，采用等离子体技术处理医废，可以杀死病原体和病菌，有效防止危险物质对人体健康造成伤害。
无害等离子体技术在处理医废的过程中，采用高温等离子体反应技术对有机物进行分解，使医废最终变成无害的CO2、N2、SO2等物质，不会对环境造成污染。
高效使用等离子体技术处理医废的过程，比传统的焚烧方式更加高效，能大幅降低处理时间和成本。
此外，等离子体技术比其他处理医废的方法更加灵活，可以根据不同的医废种类，采取不同的处理方法。
结论等离子体技术是一种能够无害化处理医废的高品质技术，它可以有效杀死病原体和病菌，同时也不会生成二次污染物。
使用等离子体技术处理医废是非常必要的，可以为医疗行业和环保事业做出重要的贡献。
