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1×10～2×10K，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20O0O～3OOO0℃，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(1200～1700℃)，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13001500℃，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。其它重金属则残留于熔渣中。由于垃圾有SiO，熔融时将产生一Si—O一的网状构造。能将残留于熔渣晶格中的重金属完全包封固化，使重金属在形成的熔渣中不易溶出。高危垃圾中的有机物在高温条件下迅速分解为CO、H：合成燃气。其主要装置是RAINBOW等离子体裂解装置，主要有3大部分构成，即进料系统、等离子体弧处理系统、尾气净化处理系[8]。3.4.2低温等离子体处理固体废物近年来，低温等离子体技术在MSW的治理和资源化利用中也得到了应用。中国科学院合肥等离子体物理研究所利用等离子体技术进行了印刷电路板等固体废弃物的处理和示范性试验。我们初步利用低温等离子体技术进行固体废弃物的低温处理。实验结果表明，利用低温等离子体反应器可以对MSW进行处理，可有效地减少焚烧过程中出现的氯和氯化氢气体、二恶英等的污染。同时，由于反应物的组成可决定反应产物的性质和组成。所以，利用本技术可以做到产物的目标控制，用以制备清洁、安全、高热值的气体或液体产物，供工业和民用。例如，在实验过程中，我们可通过对反应参数优化控制和匹配，制备CH4和等含量较高高热值城市用气和民用气[9]。3.4.3热等离子体技术热解处理固体废弃物利用热等离了体技术对固体废弃物中的有机成分进行热解处理是有帆废弃物进行能量、化工原料同收利用的方式之一。热等离子体热解技术是一种与普通热解技术有较人差别的新工艺。热等离子体具有很高的热性能，温度可高达3×104K，较之普通热解的加热过程或冶金、化学反应过程的温度高得多。同时，还具有很高的导热性和温度梯度。在热等离子体条件下，大部分分子已变成原了、离子态或激发态，这些活性基团，使等离子体具有很高的化学活性，对完成热解反应创造了有利条件。利用等离子体热解过程可以方便的将有机同体废弃物转化成可燃气体(H2、CO等)或其它化工原料(聚合物单体、碳黑等)进行回收，同时该过程几乎没有污染产生[10]。目前国内外对固体污染物(废弃物)采用等离体技术进行处理时，主要采用的等离子体类型是热等离了体。采用热等离子体处理固体废弃物，处理方法可以分为以下几种：(1)等离子体氧化、燃烧或等离了体玻璃化；(2)等离子体热解，使可燃固体废弃物在还原性气氛下气化，重组为其它气体；(3)脉冲电弧产生冲击波，用于将固体废弃物分解并分离为金属、塑料、有机物等。其中利用等离子体高温高焓进行等离子体氧化、燃烧或等离子体玻璃化以达到降解并减容日的废弃物主要为建筑垃圾、城市污泥、垃圾焚烧场废渣、城市拉圾、医疗垃圾。等离子体热解技术对上述废弃物都适用，一般以产生合成气为主，用于燃烧、燃料电池等方向。利用脉冲电弧产生冲击波等离子体，一般适用于建筑垃圾与废旧电子产品中的材料同收。3.4.4等离子气化技术在固体废物处理中的应用等离子气化技术是指利用等离子炬作为气化炉的热源，而不是传统的点火和熔炉。等离子炬有着能产生高强度热源的优势(约5500℃)，而且操作相对简单，气化炉内的等离子体则是一种高度电离或者充电气体。与焚烧完全不同的等离子技术是一种气化技术，由于其高温和高热密度，等离子技术几乎能将碳基废物中的有机物完全转化成合成气(主要为CO和H2)，而无机物则可变成无害灰渣(玻璃体)。对于固体废物中的工业垃圾和有害废弃物，等离子气化技术在国外已被证明是一种可靠的处理措施。利用等离子气化技术将城市固体废物转化为能源虽是新工艺，但它具有很大的潜力，比起其他热解和燃烧系统，等离子技术能更有效地运行[11]。4结语随着人类能源危机的加剧和环保意识的加强，污染物的有效控制变得越来越重要。等离子体技术可以在降解有害污染物的同时回收有用资源，具有其它传统处理技术所不具备的一系列独特优越性，正逐渐成为污染物控制的替代技术。为使这一技术得以商业化，必须进一步改善其处理速度、能量利用效率、系统压降、副产物产生及利用效率等。等离子体污染控制技术由于其独特的科技性和高效率，在未来的环保产业中具有广阔的发展前景。参考文献：[1]叶文虎，张勇编著．环境管理学．北京：高等教育出版社，2006．[2-11]黄耕．等离子气化技术在固体废物处理中的应用[N]．技术与工程应用，2010,06：43-46．[3]满卫东，吴宇琼，谢鹏．等离子体技术—一种处理废弃物的理想方法[N].化学与生物工程，2009,05：1-5.[4]林小英，李玉林．等离子体技术在固体废弃物处理中的应用[J].资源调查与环境，2005,26(02)：128-131．[5-6]王传英．等离子体处理危险废弃物的研究[J].西安文理学院学报，2010,13[3]：79-83．[7]邹强.等离子体技术及其在“三废”处理中的应用[J].石油化工安全环保技术，2007,23（6）：51-55.[8]解红，戴晴，杨涛.等离子技术在高危垃圾处理中的应用[M].中国资然综合利用，2009,7:44-45.[9]杨丽丽,田向勤.低温等离子体技术在固体废弃物处理中的应用[M].环境与可持续发展,2006,5:58-60.[10]唐兰，黄海涛.利用等离子体技术热解处理有机固体废弃物[M].节能环保技术，2006,11:26-29.