热等离子体技术处理危险废物研究进展
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
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
大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噁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以二噁英为例说明了等离子体气化的原理。
 图2 二噁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、含氯化合物如二噁英和呋喃。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。
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