北斗智库环保管家网讯：介绍了等离子体的相关概念及用于固体废物处理的等离子体发生装类别，阐述了热等离子体技术处理危险废物的机理过程，并分析了热等离子体用于危险废物的处理的优点及适用性，介绍了该技术在国内外实际工程应用中的案例。最后指出由于满足不断严苛的环保要求和符合可持续发展，热等离子体技术在危废市场的发展前景广阔，但推动热等离子体技术国内市场化需要进一步提高效率并降低成本。

 

　　前言

 

　　环境问题是当今世界共同面临的重大课题之一。危险废物，由于具有腐蚀性、毒性、易燃性、反应性或感染性等一种或几种危险特性，环境危害特别严重。对于危废处置，主要为焚烧法、填埋法、物化法等处理处置技术。但由于缺乏行之有效的处置技术，导致我国危废处置能力长期严重不足。随着市场规模提升，监管力度加强，将会有越来越多的增量危废进入市场。对于特种危废采用专用物化法、专用回收法处置以外，大部分危废采用填埋法、焚烧法处置。然而，填埋法并不能解决危废的本质问题，且随着土地资源的紧张，填埋法将逐渐弃用；焚烧法减容、减量效果较好，但带来二噁英、飞灰、炉渣等次生危废问题。热等离子体技术由于“高温、还原性气氛”的技术特点，可实现“有机气化”与“无机熔融”的完美结合，是国际公认的最先进危废处理技术，被冠以“危废终结者”的美誉。

 

　　1 等离子体

 

　　1.1 等离子体的定义及分类

 

　　等离子体(plasma)又叫做电浆，它通过给气体施加足够的能量（通常为气体放电）而电离形成，是由部分电子被剥夺后的原子及原子团被电离后产生的正负离子组成的离子化气体状物质，广泛存在于宇宙中，常被视为是物质的第四态。虽然等离子体作为高度电离的气体由大量的正负带电离子和中性粒子组成，但等离子体整体表现为电中性。等离子体根据粒子温度和整体能量状态可分为高温等离子体和低温等离子体，其中低温等离子体又能细分为冷等离子体和热等离子体。详见表1.1。主要应用于固废和危废处理的是热等离子体。

 

　　表1.1 等离子体的分类

　

 

　　1.2 热等离子体发生装置

 

　　热等离子体处于局域热力学平衡（LTE），其中的电子、离子和其他中性粒子具有接近的温度，空气和空气中的水在等离子体炬内形成等离子体。O2、H2O在高温电弧中被电离，生成O3+、OH等活性基团。用于产生热等离子体的高温一般由电能驱动的电弧炬提供。根据电弧炬放电方式的不同，可以将等离子体反应器分为射频等离子体炬、微波等离子体炬、直流/交流等离子体炬等。目前在研究或者已经商业化应用的设备多为直流电弧等离子体发生器，根据阴阳极的分布规律分为两种结构，即转移式和非转移式。非转移式阴阳极都在发生器内部，而转移式通常将工件作为其中一个电极，所以转移式的电极寿命比非转移式更长。美国、俄罗斯、日本、韩国等国家的研究和具体应用表明，等离子体高温焚烧熔融处理技术因其设备体积小、处理速度快、能够处理各种各样的废物、减容比高且熔融产物稳定、投资费用相对较低等优势，成为低放废物处理领域最有发展前途的技术之一。表1.2为不同的等离子体处理固体废弃物的主要特征对比。表1.2 用于固体废物处理过程中不同类型的热等离子体的对比

 

　

 

　　2 热等离子体用于处理危险废物的反应机理

 

　　由于危险废物等离子体热处理过程极其复杂，因此各种成分的分解与熔融程度未必就能一步到位。但为了很好地认危险废物直接气化熔融焚烧过程，一般将整个气化熔融焚烧过程分为干燥、热分解气化、燃烧、熔融四大过程。通过等离子体热解和等离子体气化或等离子体气化和等离子体熔融组合形成等离子体热解气化、等离子体热解熔融或等离子体气化熔融，特别适用于混合类型的废弃物（既含有有机成分，又含有无机成分）。通过以上反应过程，固体废弃物大部分有机质变为气体物质，不能气化和裂解的物质熔融为高密度的玻璃化物质，从而达到消除固体废弃物的目的。

 

　　2.1 热等离子体直接气化熔融处理危险废物过程

 

　　热等离子体直接气化熔融处理危险废物包括以下过程：（1）干燥过程 危险废物的干燥过程是利用热能使水分气化，并排出生成的水蒸汽的过程。干燥过程中需要吸收很多的热能，危险废物的含水量越大，干燥过程所需的热能就越多，所花的时间也越长，导致焚烧炉内的温度下降也就越快，对危废等离子体气化熔融燃烧效率的影响也就越大。危险废物由给料器送入等离子体直接气化熔融焚烧炉炉膛后，在炉内高温热气流的强传热作用下，危险废物被对流和辐射加热到500℃℃，首先被加热析出附着在危险废物表面的水分，水分的快速挥发完成危险废物的干燥过程。该干燥过程因需要供给大量的热，在炉膛内形成干燥区域的低温带。（2）等离子体热解（plasma pyrolysis） 危险废物的热分解气化过程是危废中多种有机可燃物利用等离子体炬的热能在无氧或缺氧条件下打断废物中有机物的化学键，使其成为小分子。反应的产物包括各种烃类、固定碳和不完全燃烧物等。危废中的可燃固体物一般由C、H、O、N、S、Cl等元素组成。危废挥发分在相当程度上决定气体的质量和气化产物的分布，其结果又直接受温度与加热速率的影响。

 

　

 

　　每一种有机物都可以热分解，并且大多数热分解反应的速率随着温度的增加而增加。对于有机物的分解取决于反应温度、在此温度下的停留时间和该物质的固有属性。有机物分解的分解速率公式如下：

 

　

 

　　式中，c——时间t(s)时的浓度； k——速率常数（与频率因子V、活化能E、气体常数R有关） 频率因子V、活化能E都与反应的能量有关。频率因子标示分子之间碰撞的的概率。当温度上升时，分子的碰撞次数也会上升。频率因子和活化能对于特定的化合物来说都是确定的。 有机物在高温条件下的分解曲线如下图2.1所示，从图中可以明显看出，在1atm、1300℃以上的炉况条件下，任何C-H-O体系的有机物已全部裂解为CO、H2合成燃气。

 

　

 

　　（3）燃烧危废在等离子体炉的燃烧过程是在氧气存在的条件下有机物质和碳的剧烈氧化放热过程。危险废物的实际燃烧过程十分复杂，经干燥和热分解后，产生许多不同种类的气、固态可燃物，这些可燃物在与氧混合并达到一定着火条件后就会形成火焰而燃烧。因此危险废物的焚烧实际上是一个既有固相燃烧又有气相燃烧的非均相燃烧的混合过程，它比纯固态燃烧或纯气态燃烧均要复杂的多。燃烧过程为干燥、热分解气化与熔融过程提供必要的热量。

 

　

 

　　危废完成热分解气化后，因供给的氧气量不足，还剩有未燃烧的残碳，继续升温加热，供入空气使得在高温熔融区域气化后的可燃气体和残碳继续燃烧，该燃烧区域的温度稳定保持在1300℃，该区域为危废气化与热解提供大量的热量。燃烧后的无机不燃物降落到高温燃烧熔融区域，危废中的挥发分气化挥发，随烟气流动干燥湿垃圾。

 

　　（4）等离子体熔融玻璃化（plasma vitrification）熔融玻璃化是指在热等离子体的高温作用下，废物与加入的适当添加剂等物质混合熔融形成的一种稳定的玻璃态物质。原废物中的有害金属被包封在固体中，并阻止其迁移到水和大气中，可达到稳定化、减量化及资源化的目的。一般其反应机制是利用SiO2网络结构形成难溶物质，具体见图2.3。

 

　

 

　　危废的熔融过程主要考虑灰渣的熔融点温度，而灰渣的成份则是制约灰渣熔融温度高低的关键因素。由于危废成份复杂、波动性大，故灰渣的成份要比有色工业和钢铁工业中各种炉渣的成份要复杂得多，且危废灰渣的酸碱性取决于灰渣中各主要成份的比例。危废热解气化后的灰渣的成份主要CaO、SiO2、Al2O3和Fe2O3为主，也包括以微量存在的钠盐和钾盐等其它成份。在危废圾熔融过程中，由于部分未完全燃烧的C与Fe2O3发生还原反应，生成金属铁和磁铁。而灰渣中的CaO～SiO2～Al2O3三元系熔融玻璃陶瓷化成各种稳定化合物，降低危废灰渣的熔融点温度，且形成的SiO2网络结构可以固化和包裹重金属，实现危废的彻底无害化。

 

　　2.3 热等离子体直接气化熔融处理危险废物炉炉膛温度分布

 

　　在等离子体直接气化熔融焚烧炉内，炉膛下部的等离子体炬鼓入的为高温等离子体，辅助物料如焦炭、助熔剂等伴随物料同时供入，通过等离子体炬电离的高温等离子体气体送到炉膛底部的高温燃烧熔融区，完全燃烧危废中的残留可燃成份，熔融危废中的无机灰渣，温度控制在1400～1600℃以上，完全熔融的灰渣和金属溶液混合沉入下部的熔渣和金属分离区域，因熔渣和金属密度的差异,实现了分层，便于金属的回收和利用。 危险废物进入等离子体气化炉后，在炉内高温条件下（炉内上部干馏区可达1100～1300℃，中部气化燃烧区1300～1500℃，炉内下部熔渣区可达1400～1600℃），其中的有机成分发生部分氧化反应而生成可利用的合成气（含有CO、H2等成分的低热值燃气），二噁英和呋喃等有害物质基本被彻底摧毁。而危险废物中的无机成分则在炉底部被熔融，形成熔浆，熔浆积累到一定量后通过出浆通道引出等离子体气化炉。采用直接水淬法出渣，得到玻璃体状的固体熔渣。 在炉内反应过程中，需要添加适量辅料，如焦炭、石灰石、碎玻璃等。焦炭的作用是在气化炉内形成一个有空隙的炉床，熔融的无机物通过空隙落入反应炉底的熔浆池，同时焦炭也提供了熔化无机物的一部分热能，焦炭床的使用对炉内耐火材料有一定的保护作用；石灰石的作用是增加熔浆的流动性，并起到一定的酸碱中和作用；而当物料中硅的成分较少时，需要添加一些碎玻璃以便得到较好质量的固体熔渣。等离子体炉及炉内温度分布见图2.4。

 

　

 

　　3 热等离子体用于危险废物处理的优点及适用性

 

　　3.1 热等离子体法处理废物技术特点

 

　　热等离子体处理危险废弃物的主要优势包括：（1）热等离子体极高的能量密度、温度和极快速的反应时间，可把各种有机物彻底分解为小分子可燃气，很小的占地面积就能做到大处理量，并且能实现快速启停；（2）彻底无害化处置，固体废弃物经处置后，不产生二次污染物，做到零排放，零填埋；二噁英、重金属、NOX、SO2、HCl等污染物实现超低排放，能达到全球最为严格的欧盟2010标准。（3）技术适应性强，几乎可处理除高放射性核废料外的所有固体废弃物；（4）资源化利用率高，有机物生成合成气可回收热能，无机物生成熔融玻璃态物质可回收利用。等离子体处理过程的主要缺点在于以电力作为能源，经济成本高；等离子体过程具有更多的过程控制参数，从而在过程控制中要求自动化程度很高；等离子体整体装备投资昂贵，加之等离子体炬的自耗电、运行寿命和稳定性，使得等离子技术的经济性有待提高。

 

　　3.2 热等离子体处理危险废物的类别

 

　　由于等离子体用于处理各类污染物具有处理高效、环保、适用范围广等特点，更适合于多氯联苯类(PCBs)、氟里昂类等难消解含卤化合物及生物技术产业、农药、焚烧飞灰、化学武器、低放射性废物等特殊废物的处理。同时，等离子体可用于处理废气、废水、固体废物、污泥、医疗垃圾、石棉等，应用热等离子体处理危险废物已成为热点。等离子体无害化处理装备及相关技术已被纳入《国家鼓励发展的重大环保技术装备目录》，根据HJ 2042-2014危险废物处置工程技术导则4.2.3.2条，熔融技术适用于处置危险废物焚烧处置残渣和固体废物焚烧处置产生的飞灰等。4.2.3.3条电弧等离子体技术适用于处置毒性较高、化学性质稳定，并能长期存在于环境中的危险废物，特别适宜处置垃圾焚烧后的飞灰、粉碎后的电子垃圾、液态或气态有毒危险废弃物等。

 

　　4、国内外热等离子体处理危险废物工业化应用进展

 

　　热等离子体技术处理固体废弃物始于20 世纪60 年代初期，最初主要用其销毁低放射性废弃物、化学武器和常规武器，20 世纪90 年代才开始步入民用阶段。由于等离子体设备技术含量高、投资巨大、运行成本高和能耗多；所以，起初只用于处理一些危险废弃物，如多氯联苯（PCBs）、废农药及医疗废物等。近10年来，随着该项技术的发展，成本逐渐得到控制，随着政府对环境保护的高度重视和公众环保意识的不断提高，采用热等离子体技术处理固体废弃物逐渐成为国内外研究的热点。 目前，热等离子体处理技术发展较成熟的国家有美国、加拿大、法国、英国、瑞士、日本及以色列等，其中美国洛克希德公司旗下的Retech 公司、西屋环境公司（WPC，已被加拿大Alter NRG 公司收购）、GGI 能源公司、德国Bellwether公司、加拿大Plasco 公司、英国Tetronics 公司、美国航天公司（Aerospatial Espace＆Defence）以及以色列EER 公司等的热等离子体处理技术，均已达到商业化运转的水平。许多发达国家利用热等离子处理技术处理各种危险废物，包括含氟有机废液、感染性医疗垃圾、城市危险废物焚烧飞灰、污泥、石棉工业废弃物、船舰甲板废弃物、化学及重金属污染土壤等，并已实现工业应用。我国中科院、清华大学、浙江大学等一些研究单位和学校相继进行了等离子体毒害物处理技术的机理分析和试验研究，近5年来，国内相继出现相对成熟的等离子气化固废处理中试验证项目，市场需求逐渐加剧，竞争苗头开始显现。而等离子体技术处理危险废物的工程化应用在国内起步较晚，其处理规模相对较小。而2013 年，上海固体废物处置中心与吉天师能源科技（上海）有限公司（GTS）合作，引入美国西屋环境公司等离子体专用技术，打破了国内危险废物等离子体处理规模难以扩大的局面，为国内等离子体处理危险废物实现工业化规模运作起到了科技示范作用；2018 年3月，由西安航天源动力工程有限公司自主研发建设的等离子体炉渣气化熔融固废处理示范工程项目，在江苏盐城/福建福鼎已经持续稳定运行超150天，填补了国内危废领域炉渣无害化处理的空白，项目采用国内最先进的等离子体气化熔融工艺，自动化程度高，有机污染物焚毁率可达99.99%，标志着危废处理的“终极技术”——等离子体气化熔融技术在国内正式进入工程应用阶段。国内其它单位也建立了数套工程应用等离子体危废处置工程项目，工程验证项目处理的有机废物有医疗垃圾、抗生素菌渣、污泥等。证明了等离子体技术在处理危险废物的可行性和安全性。

 

　　5 结论

 

　　热等离子体技术是近年来发展起来的一种新型技术，具有环保、节能、高效等特点，是处理危险废物的重要途径之一。其高温高活性欠氧的环境，可以充分分解二噁英等有害物质，并抑制其再合成，可彻底解决二噁英的污染问题；玻璃体将重金属包裹其中，不易向环境释放，玻璃体可作为建材使用、也可用于生产岩棉、微晶玻璃等，实现危废的资源化利用。然而，现阶段国内等离子体技术工业化应用还处于初级阶段，大型的工业化系统在国内仍然没有广泛应用，主要在政策、技术和成本上有瓶颈需要解决。政策上，2017年立项的《固体废物玻璃化处理产物技术要求》迟迟未出台，等离子体熔融玻璃化产物作为一般固废和资源化产品分类进行规定还未定性。技术上，等离子体发生器电极寿命较短，难以实现长时间运行，而且系统设计（等离子体反应炉、耐火材料、熔融配伍、工艺参数选择等）主要基于进料及配伍的特性，不同废物的处理系统差异较大；成本上，高投资和高能耗使得等离子体技术广泛实施时在经济上较困难，从而影响投资热情并阻碍该技术的工业化。这些问题的存在毫无疑问阻碍了该技术的快速发展和广泛应用，所以，在我国需要继续开展等离子体技术的研究，推动该技术高效利用与成本降低，为国内危废市场带来优异的处理方案。但是，随着我国危废填埋场资源越来越紧俏，填埋价格逐步攀高，回转窑焚烧灰渣和飞灰的处理费用占比也越来越高，而等离子体技术完美的解决了焚烧灰渣和飞灰的问题，因此有理由认为该技术将越来越受到广大业主的青睐。

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