等离子体在固体废物中的应用

等离子体在固体废物中的应用

摘要：等离子体技术随着当今世界环境问题的日益严峻而得到迅速发展。简单介绍了等离子体的概念，性质，产生的机理以及利用等离子体技术处理固体废物的机理和研究现状。同时也指出了等离子体技术在处理固体废物中的优势。

关键词：等离子体；低温等离子体；等离子体气化；热解

1引言

固体废物是指人类在生产建设、日常生活和其他活动中产生的，在一定时间和地点无法利用而被丢弃的固体、半固体物质。固体废物的分类方法有多种，按其组成可分为有机废物和无机废物；按其形态可分为固态废物、半固态废物和液态废物。根据《中华人民共和国固体废物污染环境防治法》分为城市固体废物、工业固体废物、农业固体废物和危险废物[1]。

目前，针对固体废物(城市垃圾、工业垃圾和有害废弃物等)的处理主要有三种方式，即卫生填埋、堆肥和焚烧发电。但随着我国城市垃圾年产生量的增加，许多地方已出现了垃圾无地可埋的尴尬局面。垃圾焚烧的减量化、占地少的优势逐渐显现。因此我们既要依据国情，正视垃圾焚烧方式存在的必要，又要不断总结这方面的经验，以及管理方面的不足和存在问题，完善垃圾焚烧工作。垃圾焚烧无害化的效果及其经济性是垃圾焚烧需要解决的基本问题，二者必须较好地结合起来。不同于传统的垃圾焚烧方式，一种采用等离子技术和将垃圾气化生成清洁燃料的理念和做法，也是一种有意义和有价值的选择[2]。

2 等离子体概述

20世纪60年代初形成的等离子体技术是涉及高能物理、放电物理、放电化学、反应工程学、高压脉冲技术等领域的一门交叉学科。进入80年代后，将等离子体技术应用于处理各类污染物成为国内外研究的热点之一。与其它污染治理技术相比，等离子体技术具有处理流程短、效率高、能耗低、适用范围广等特点。等离子体技术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[3]。下面主要阐述等离子体在固体废弃物中的应用。

2.1 等离子体的概念与分类

等离子体是不同于固、液、气等状态的物质存在的第4种状态，是由大量正负带电粒子和中性粒子组成并表现出集体行为的一种准中性气体。

等离子体的分类方法有很多，根据温度和内部的热力学平衡性，可将等离子体分为平衡态等离子体和非平衡态等离子体。在热力学平衡等离子体内，电子温度与离子温度相同，属于一个处于热力学平衡的整体，体系温度非常高，因此又称为高温等离子体。最典型的例子就是电感耦合等离子体。此外，在较高电压下的火花放电和弧光放电也能获得此类等离子体。非平衡态等离子体内部的电子温度远远高于离子温度(电子温度可高达10000K，而离子温度一般只有300—500K)系统处于热力学非平衡态，其表观温度较低，所以被称为低温等离子体[4]。此类等离子体通常可通过气体放电得到。常见的有辉光放电，射频放电和微波放电等。

2.2 等离子体的性质及产生原理

等离子体与物质的其他三态比较特点有[5]：

1）等离子体中具有正、负离子，可作为中间反应介质。特别是处于激发态的高能离子或原子，可促使很多化学反应发生。

2）由于任何气态物质均能形成等离子体，所以很容易调整反应系统气氛，通过对等离子体介质的选择可获得氧化气氛、还原气氛或中性气氛。

3）等离子体能够导电，等离子体穿过磁场可以产生电。

4）热等离子体提供了一个能量集中、温度很高的反应环境。它不仅可以用来大幅度地提高反应速率，而且还可借以产生常温条件下不可能发生的化学反应。此外，热等离子体中的高温辐射能引起某些光电效应。

产生等离子体的方法有很多，天然的有雷电、日冕和极光等。实验室可采用放电、燃烧和激波等方法。一般的低温等离子体大都采用放电方式产生。根据放电产生的机理、气体的压强范围、电源性质、电极的几何形状、气体放电等，等离子体主要分为以下几种形式：辉光放电、电晕放电、介质阻挡放电、微波放电。

在低气压（1×10-3—1×10-1Pa）条件下，电子从外界电场、磁场获得足够的动能后与气体分子主要是发生非弹性碰撞，经激发、电离、离解过程产生非平衡等离子体。如气压超过一个标准大气压，电子与气体分子主要是发生弹性碰撞，导致电子与气体温度趋于一致，形成热平衡等离子体。

3 等离子体技术处理固体废物的研究

3.1 等离子体技术处理固体废物的机理[6]

低温等离子体的作用机理是利用等离子体中高能量的电子与原子、分子碰撞，产生各种粒子，从而进行热化学较困难甚至不可能进行的化学反应。同时，等离子体中富集的离子、电子、激发态的原子、分子及自由基，是极活泼的反应物种，可以和固体废弃物发生反应，使固体废弃物改性，从而降低毒性。高温等离子体能量密度很高，中性粒子温度与电子温度相近，通常为1×10 ～2×10 K，各种粒子的反应活性都很高。一般处理固体废弃物都采用等离子体火炬，火炬的中心温度高达20 O0O～3O OO0℃，火炬边缘温度也可达到3O0O℃左右，当高温高压的等离子体去冲击被处理的对象时，被处理物很快被气化分解，重新组合产生新的物质，从而使有害物质变成无害物质。

3.2 等离子体技术处理固体废物系统的一般组成

等离子体处理系统主要有进料系统、等离子体处理室、熔化产物处理系统、电极驱动及冷却密封系统组成。固体废物通过进料系统进入等离子体处理室，有机物被分解气化，无机物则被熔化成玻璃体硅酸盐及金属产物，气化产物主要是合成气(CO、H：、CH )和少量的HF、HC1等酸气。熔化产物被收集到处理器中被冷却为固态，金属可回收，熔化的玻璃体可用来生产陶瓷化抗渗耐用的玻璃制品，合成气通过过滤器去除烟尘和酸气后排向大气。

3.3 等离子体处理固体废物的优点

固体废弃物一般采用焚烧的方法处理，但是焚烧会产生许多有毒物质，如二噁英、呋喃类化合物、氯化氢等，同时还产生大量二氧化碳，造成二次污染。等离子体技术具有效率高、能耗低、安全、无二次污染的特点，为固体废弃物的无害化、减量化、资源化处理开拓了一条新途径。国外有研究人员称，采用等离子体技术与焚烧法相比，成本可以降低1O%—5O%。等离子体技术在处理废弃物时可不择废弃物形状而进行处理，处理范围更广，适用性强。采用等离子体方法可以容易获得高于任何传统方法的温度(1 200～1 700℃)，垃圾焚烧会更彻底。燃烧的垃圾残余灰减容为≤3％，烧后的垃圾可作为生活垃圾填埋[7]。

3.4 等离子体处理固体废物应用

3.4.1 等离子体处理高危垃圾

将高危垃圾投入等离子体弧裂解炉。熔融温度控制在 1 300 1 500℃，无机物则形成熔渣。低沸点的重金属及盐类将蒸发至气相，由尾气集尘系统收集，而Cu、Fe、Ni等有价金属则还原成金属熔体，沉至炉底可回收再利用。其它重