热等离子体危险垃圾处理技术研究进展

热等离子体危险垃圾处理技术研究进展柴寿明1王建伟2陈立波1杨前明2(1.青岛西海岸公用事业集团有限公司，青岛266400; 2.山东科技大学机械电子工程学院，青岛266590)摘要：本文回顾了热等离子体垃圾处理技术的国内外研究现状，整理目前处于实验室和工业化规模的最重 要的试验和模拟研究结果。

在以上工作基础上，对热等离子体处理医疗垃圾、城市垃圾焚烧残渣、含石棉垃圾等 各种各样危险垃圾的科技文献进行综合分析，并对热等离子体的激发原理以及体玻璃化产物的潜在应用前景进行 概括性介绍。

文献总结发现，热等离子体技术用于处理危险垃圾具有很多优势，相对于其他填埋等处理方式，是 一种强大的、可替代性的新方法，有望在将来得到越来越多的商业化应用。

关键词：垃圾处理热等离子体玻璃化引言世界范围内人口、消费的不断增加以及工业规模的扩大，导致了大量危险固体废物的产生，包括多氯联苯、剧毒农药、垃圾焚烧灰、空气污染控制残留物、石棉、医疗垃圾、电子 垃圾、炼钢垃圾等危险垃圾的危害性极大。

例如，多氯联苯 和剧毒农业具有高毒性与髙残留性，能通过地下水和食物链 在人体及动物体内富集，从而导致癌症及基因变异；垃圾焚 烧飞灰和空气污染控制残留物中含有高浓度的重金属和危险 有机物二噁英及呋喃，在欧洲垃圾目录中被列为绝对危险的 有害物；而在人的肺中，即使仅存在非常低浓度的石棉纤维，也会引起严重的肺部疾病；医疗垃圾中则含有大量的细菌和 病毒，具有极高的疾病传染性；电子产品元件中普遍含有铅、铬、镉等数百种高度有害的化学物质。

目前，如何处理这些 高危险性环境污染物，已成为国际各国共同关心的重要课题。

国内外对于固体垃圾的处理方法包括焚烧、填埋、堆肥 等，但迄今为止用于处理危险垃圾的主要是前两种方法。

填 埋法存在占地面积大、二次污染等诸多问题，使得很多国家 转而选择焚烧法来处理危险垃圾。

焚烧法虽然能实现垃圾无 害化、减量化和资源化，但是垃圾在燃烧时易产生大量的二 噁英和呋喃，而二噁英是目前世界上最具毒性的有机物之一，在极小剂量下对动物即具有致命的毒性。

这就迫使人们不得 不继续寻求更有效的废物处理方法。

本文详细介绍目前最先 进的热等离子体技术的原理以及在国内外危险垃圾处理领域 的研宄进展情况。

1等离子体处理危险垃圾的原理与特点等离子体是气体电离后形成的由电子、离子、原子、分 子或自由基等极活泼粒子所组成的集合体，被称为物质的第 四态，包括冷和热两种类型。

冷等离子体的离子化程度和能 量密度较低，一般在室温状态下即可激发，常用于分解气态 的有害有机物。

热等离子体则具有极高的温度和能量密度，可以通过多种方式激发，如交、直流电弧放电、射频放电、常压下的微波放电、以及激光诱导的等离子体等。

目前，通 常采用直流热等离子体炬或耦合式射频热等离子体炬来处理 危险垃圾。

21.线圈；2.切向进气口；3.冷却水通道；4.阳极；5.电弧；6.弧室；7.阴极图1非转移弧直流等离子体发生器结构示意图图1是一种非转移弧直流热等离子体发生器的结构原理图。

工作气体从阴、阳极的切向进气口髙速进入阴阳电极所包围的弧室并通过高温电弧时，气体分子被电离，进而形成高达数万度的等离子体射流。

热等离子体处理危险垃圾具有如下优点：(1)热等离子体极髙的能量密度、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)等离子体可以应用的范围非常宽广，包括固、液、气等各种垃圾；(3)因为不存在燃料燃烧，热源的产生不需要氧化剂，因此相比常规热处理过程产生的烟气量少得多，处理容易，费用也低；(4)通过加入玻璃前驱物，等离子反应器可将垃圾熔融 为玻璃态物质，并将有害物质包封在其中。

玻璃化的产品可重复利用，其他高附加值产品如废金属，则可以被安全回收。

等离子处理方法最大的不足是其以昂贵的电力作为能源。

但是，从长期投资的角度来看，等离子体处理危险垃圾仍然经济可行。

虽然电耗很昂贵，但是等离子体设备可以高效率利用电能，不像其他热处理方法。

为了保证燃烧，它不得不同时加热空气中含量很高却毫无用途的氮气。

2等离子体危险垃圾处理技术研究进展热等离子体垃圾处理领域的最新研究进展可归类如下：(1)采用非转移狐热等离子体炬或射频电感耦合放电热解或气化有害有机垃圾[1_2];(2) 在转移弧等离子体发生器中，采用热解和气化组 合的方式来处理固体物质或污泥处理后的残余物[3];(3)采用转移弧和非转移弧等离子体发生器，回收生产过程（如布袋除尘器、电除尘器等）中产生的垃圾。

除了热等离子体发生器以外，等离子体装置还包括几个 子系统，如垃圾饲料系统、处理室、固体残渣移除和装卸系统、 气体净化系统以及运行控制、数据采集与监控系统等。

文献 中介绍了一种处理垃圾焚烧灰的等离子体系统W 。

它由一个 中空石墨阴极构成，安置在炉体顶部，由一排垂直的机械臂 支撑。

氮气注入阴极的中心，产生稳定的等离子弧。

阳极由 导电材料组成，安置于炉底。

熔炉被控制在还原性气氛下运 行，炉内平均温度大约在1600’C 。

等离子体炬的功率大小由 系统所需要的处理能力而定，并受到独立的过程变量控制， 通常能达到几兆瓦。

在熔融炉上布置有水冷元件，形成的凝 渣保护层用以保护耐火材料。

待处理的灰按一定速率投进处 理设备，处理过程中需要调节等离子体炬的输入功率，保证 炉内的熔融温度在1600°C 左右。

灰被迅速熔融后从炉中连续 溢出，变成固体颗粒后排出处理设备。

可燃气体则进入二燃 室彻底燃尽。

尾气中的酸性气体可采用常规的干、湿涤气系 统净化消除，颗粒物则通过布袋除尘器去除，净化达标的废 气最后排入大气。

表1对文献中提到的各种类型的等离子体 垃圾处理系统进行了总结。

表1针对不同垃圾的等离子体发生装置垃圾种类等离子体发生器城市垃圾焚烧炉底灰直流转移弧（Takuma 有限公司）m从废水处理来的飞灰和污泥直流非转移弧（实验设W从卫生中心来的飞灰、石棉直流非转移弧（实验设备）W 医院焚化炉底灰、发电厂飞灰直流转移弧（波兰Lodz 技术大学）w]电子垃圾直流非转移弧（泰国清迈大学）热电镀过程干渣，炼钢烟尘射频等离子体反应器M]电弧熔炉来的氧化锌交流等离子体弧炉M 电镀渣直流转移弧和非转移弧M_含碳垃圾直流+射频等离子体炬（实验设备）[16]含氯垃圾带雾化系统的直流等离子体炬M2.1医疗垃圾医疗垃圾包括解剖垃圾、血液、体液、疾病引起的高传 染性垃圾以及丢弃的药物等。

目前，医院、诊所以及医学研 宄所产生的大量危险性医疗垃圾已经成为一个非常严重的问 题，在将来必须要在医疗垃圾管理和处置方面做出很大的改 变，以满足越来越严格的规章要求以及公众对传染性疾病问 题的日益关注。

热等离子的高温和紫外线辐射能杀死所有的细菌和微生 物，也能破坏药物的结构及活性成分，如细胞抑制剂、细胞 毒素等™。

深圳清华大学研宄院开发了一种以空气为工作气体的直流非转移弧热等离子体装置来处理医疗垃圾™。

该装置分 为垃圾间歇式上料装置、主炉、碱液喷淋急冷塔、活性焦（炭) 吸附塔和尾气检测系统五部分，并采用一种空气冷却式的炉墙。

相比水冷式炉墙，它能节省8%左右的电耗。

台湾原子能研宄所采用了一种间接的等离子加热系统来 处理医疗垃圾替代物的混合物[17]。

其热源是一个lOOkW非 转移弧等离子炬，以氩气为等离子体点火气体。

点火后，它 以空气作为工作气体。

医疗垃圾替代物可分成两组：可燃物 (排骨、压舌板、纱布、棉签和吸附剂）和非可燃物（玻璃、 不锈钢、锐器、针头和注射器）。

处理过程在1550"C 下保持 15分钟，获得的产物是一种玻璃态熔渣，在玻璃态渣内嵌有 分散的金属第二相。

采用原子吸收光谱法对产物进行的TCLP 毒性浸出试验表明，该产物渗出率很低。

韩国以医疗垃圾替代物为试样，测试等离子体医疗垃圾 处理系统的性能[1919试验采用两套标号分别为Nl、N2的等 离子体炬。

N 1等离子体炬的功率为40〜45kW,空气流速为 6〜4g/s,喷射等离子温度3000〜4000k 。

N2等离子体炬 的功率为65〜85kW,空气流速7〜9g/s,喷射等离子温度 为2500〜4000k 。

加热时间为2〜3h 。

使用N 1等离子体炬时， 炉膛内熔池的温度不超过1250〜130CTC。

熔融物粘度很高， 不能流出熔池。

使用N2时，温度可超过150CTC,熔体不断 汇集、溢流进入回收器。

获得的玻璃状化学惰性产物不含任 何有机成分，密度能达到2600〜2800kg/m3。

波兰罗兹技术大学采用一种最大输出功率为150k W 的直 流转移弧热等离子反应器来处理医疗垃圾焚烧飞灰[1°]。

该炉采用水冷方式。

熔融的垃圾在1550〜1600C 下保持了 30 分钟，然后自然冷却至室温。

通过控制等离子处理玻璃时的 结晶过程，可以获得玻璃陶瓷，而不同的热处理过程会得到 不同的晶相。

据试验观察，如果采用合适的热处理过程，能 够获得以硅酸钙为主要晶相的材料，而这种材料具有很高的 减摩抗磨性能。

印度等离子体研宄所采用一种50k W 直流转移弧等离子 体反应器来处理模拟医疗垃圾，并与常规方法进行对比[2°]。

模拟医疗垃圾由含量比例2:1的棉花和塑料组成。

实验结果 表明，垃圾高温分解后的气体富含H2、C0及小分子碳氢化合 物，可以回收可燃气体作为能源。

在过量空气存在的条件下， 这些可燃气体在二燃室内充分燃烧，产生烟气中有毒气体的 含量极少，甚至完全可以忽略。

试验中还观察到，在等离子 体的高温反应环境条件下，枯草芽孢杆菌和嗜热脂肪芽胞杆 菌被彻底杀死。

2.2垃圾发电厂残余物虽然填埋仍然是处理城市固体垃圾的主要方式，但是许 多国家和地区已经限制了填埋场的容量。

要找到新的填埋场 已经变得越来越困难，使得在垃圾发电厂焚烧成为一种具有 可持续性的选择。

因为焚烧不但能大幅度减小垃圾的体积， 还能回收能源。

典型垃圾发电厂产生的焚烧底灰、飞灰、空气污染控制残留物（APC)占投入到垃圾发电厂垃圾总量的 25%左右。

焚烧底灰主要包括粗不可燃物以及由燃烧室出口急冷室 收集的未燃有机物。

它的构成和物理性质比较复杂，目前并 不被当做有害垃圾看待。

飞灰则是非常危险的有害物质，由 细小微粒组成。

这些微粒在进一步处理前，首先被除尘器和 旋风分离器所清除。

A P C 残留物来自于如下处理过程：(1) 喷射碱性粉末或浆液用以清除酸性气体、颗粒物的干式或半干式涤气系统；(2) 布置在涤气系统下游，用以去除细小颗粒物的布 袋除尘器；(3)湿涤气系统产生的污泥渣。

APC残留物的颗粒细小,通常除了包含高浓度的重金属和可溶解、挥发的盐类外，还 会包含危险有机物如二噁英和呋喃。

A P C 残留物中污染物的 数量取决于城市固体垃圾的特性和组成、焚烧温度以及空气 污染控制系统的净化效率。