柴壽明王建偉陳立波楊前明

（1.青島西海岸公用事業(yè)集團有限公司，青島 266400；2.山東科技大學 機械電子工程學院，青島 266590）

熱等離子體危險垃圾處理技術研究進展

柴壽明1王建偉2陳立波1楊前明2

（1.青島西海岸公用事業(yè)集團有限公司，青島 266400；2.山東科技大學 機械電子工程學院，青島 266590）

本文回顧了熱等離子體垃圾處理技術的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，整理目前處于實驗室和工業(yè)化規(guī)模的最重要的試驗和模擬研究結(jié)果。在以上工作基礎上，對熱等離子體處理醫(yī)療垃圾、城市垃圾焚燒殘渣、含石棉垃圾等各種各樣危險垃圾的科技文獻進行綜合分析，并對熱等離子體的激發(fā)原理以及體玻璃化產(chǎn)物的潛在應用前景進行概括性介紹。文獻總結(jié)發(fā)現(xiàn)，熱等離子體技術用于處理危險垃圾具有很多優(yōu)勢，相對于其他填埋等處理方式，是一種強大的、可替代性的新方法，有望在將來得到越來越多的商業(yè)化應用。

垃圾處理 熱等離子體 玻璃化

引言

世界范圍內(nèi)人口、消費的不斷增加以及工業(yè)規(guī)模的擴大，導致了大量危險固體廢物的產(chǎn)生，包括多氯聯(lián)苯、劇毒農(nóng)藥、垃圾焚燒灰、空氣污染控制殘留物、石棉、醫(yī)療垃圾、電子垃圾、煉鋼垃圾等危險垃圾的危害性極大。例如，多氯聯(lián)苯和劇毒農(nóng)業(yè)具有高毒性與高殘留性，能通過地下水和食物鏈在人體及動物體內(nèi)富集，從而導致癌癥及基因變異；垃圾焚燒飛灰和空氣污染控制殘留物中含有高濃度的重金屬和危險有機物二噁英及呋喃，在歐洲垃圾目錄中被列為絕對危險的有害物；而在人的肺中，即使僅存在非常低濃度的石棉纖維，也會引起嚴重的肺部疾??；醫(yī)療垃圾中則含有大量的細菌和病毒，具有極高的疾病傳染性；電子產(chǎn)品元件中普遍含有鉛、鉻、鎘等數(shù)百種高度有害的化學物質(zhì)。目前，如何處理這些高危險性環(huán)境污染物，已成為國際各國共同關心的重要課題。

國內(nèi)外對于固體垃圾的處理方法包括焚燒、填埋、堆肥等，但迄今為止用于處理危險垃圾的主要是前兩種方法。填埋法存在占地面積大、二次污染等諸多問題，使得很多國家轉(zhuǎn)而選擇焚燒法來處理危險垃圾。焚燒法雖然能實現(xiàn)垃圾無害化、減量化和資源化，但是垃圾在燃燒時易產(chǎn)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機物之一，在極小劑量下對動物即具有致命的毒性。這就迫使人們不得不繼續(xù)尋求更有效的廢物處理方法。本文詳細介紹目前最先進的熱等離子體技術的原理以及在國內(nèi)外危險垃圾處理領域的研究進展情況。

1 等離子體處理危險垃圾的原理與特點

等離子體是氣體電離后形成的由電子、離子、原子、分子或自由基等極活潑粒子所組成的集合體，被稱為物質(zhì)的第四態(tài)，包括冷和熱兩種類型。冷等離子體的離子化程度和能量密度較低，一般在室溫狀態(tài)下即可激發(fā)，常用于分解氣態(tài)的有害有機物。熱等離子體則具有極高的溫度和能量密度，可以通過多種方式激發(fā)，如交、直流電弧放電、射頻放電、常壓下的微波放電、以及激光誘導的等離子體等。目前，通常采用直流熱等離子體炬或耦合式射頻熱等離子體炬來處理危險垃圾。

圖1是一種非轉(zhuǎn)移弧直流熱等離子體發(fā)生器的結(jié)構(gòu)原理圖。工作氣體從陰、陽極的切向進氣口高速進入陰陽電極所包圍的弧室并通過高溫電弧時，氣體分子被電離，進而形成高達數(shù)萬度的等離子體射流。熱等離子體處理危險垃圾具有如下優(yōu)點：

（1）熱等離子體極高的能量密度、溫度和極快速的反應時間，可把各種有機物徹底分解為小分子可燃氣，很小的占地面積就能做到大處理量，并且能實現(xiàn)快速啟停；

（2）等離子體可以應用的范圍非常寬廣，包括固、液、氣等各種垃圾；

（3）因為不存在燃料燃燒，熱源的產(chǎn)生不需要氧化劑，因此相比常規(guī)熱處理過程產(chǎn)生的煙氣量少得多，處理容易，費用也低；

（4）通過加入玻璃前驅(qū)物，等離子反應器可將垃圾熔融為玻璃態(tài)物質(zhì)，并將有害物質(zhì)包封在其中。玻璃化的產(chǎn)品可重復利用，其他高附加值產(chǎn)品如廢金屬，則可以被安全回收。

等離子處理方法最大的不足是其以昂貴的電力作為能源。但是，從長期投資的角度來看，等離子體處理危險垃圾仍然經(jīng)濟可行。雖然電耗很昂貴，但是等離子體設備可以高效率利用電能，不像其他熱處理方法。為了保證燃燒，它不得不同時加熱空氣中含量很高卻毫無用途的氮氣。

2 等離子體危險垃圾處理技術研究進展

熱等離子體垃圾處理領域的最新研究進展可歸類如下：

（1）采用非轉(zhuǎn)移狐熱等離子體炬或射頻電感耦合放電熱解或氣化有害有機垃圾[1-2]；

（2）在轉(zhuǎn)移弧等離子體發(fā)生器中，采用熱解和氣化組合的方式來處理固體物質(zhì)或污泥處理后的殘余物[3]；

（3）采用轉(zhuǎn)移弧和非轉(zhuǎn)移弧等離子體發(fā)生器，回收生產(chǎn)過程（如布袋除塵器、電除塵器等）中產(chǎn)生的垃圾。

除了熱等離子體發(fā)生器以外，等離子體裝置還包括幾個子系統(tǒng)，如垃圾飼料系統(tǒng)、處理室、固體殘渣移除和裝卸系統(tǒng)、氣體凈化系統(tǒng)以及運行控制、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)等。文獻中介紹了一種處理垃圾焚燒灰的等離子體系統(tǒng)[4]。它由一個中空石墨陰極構(gòu)成，安置在爐體頂部，由一排垂直的機械臂支撐。氮氣注入陰極的中心，產(chǎn)生穩(wěn)定的等離子弧。陽極由導電材料組成，安置于爐底。熔爐被控制在還原性氣氛下運行，爐內(nèi)平均溫度大約在1600℃。等離子體炬的功率大小由系統(tǒng)所需要的處理能力而定，并受到獨立的過程變量控制，通常能達到幾兆瓦。在熔融爐上布置有水冷元件，形成的凝渣保護層用以保護耐火材料。待處理的灰按一定速率投進處理設備，處理過程中需要調(diào)節(jié)等離子體炬的輸入功率，保證爐內(nèi)的熔融溫度在1600℃左右?；冶谎杆偃廴诤髲臓t中連續(xù)溢出，變成固體顆粒后排出處理設備?？扇細怏w則進入二燃室徹底燃盡。尾氣中的酸性氣體可采用常規(guī)的干、濕滌氣系統(tǒng)凈化消除，顆粒物則通過布袋除塵器去除，凈化達標的廢氣最后排入大氣。表1對文獻中提到的各種類型的等離子體垃圾處理系統(tǒng)進行了總結(jié)。

2.1 醫(yī)療垃圾

醫(yī)療垃圾包括解剖垃圾、血液、體液、疾病引起的高傳染性垃圾以及丟棄的藥物等。目前，醫(yī)院、診所以及醫(yī)學研究所產(chǎn)生的大量危險性醫(yī)療垃圾已經(jīng)成為一個非常嚴重的問題，在將來必須要在醫(yī)療垃圾管理和處置方面做出很大的改變，以滿足越來越嚴格的規(guī)章要求以及公眾對傳染性疾病問題的日益關注。

熱等離子的高溫和紫外線輻射能殺死所有的細菌和微生物，也能破壞藥物的結(jié)構(gòu)及活性成分，如細胞抑制劑、細胞毒素等[17]。

深圳清華大學研究院開發(fā)了一種以空氣為工作氣體的直流非轉(zhuǎn)移弧熱等離子體裝置來處理醫(yī)療垃圾[18]。該裝置分為垃圾間歇式上料裝置、主爐、堿液噴淋急冷塔、活性焦（炭）吸附塔和尾氣檢測系統(tǒng)五部分，并采用一種空氣冷卻式的爐墻。相比水冷式爐墻，它能節(jié)省8%左右的電耗。

臺灣原子能研究所采用了一種間接的等離子加熱系統(tǒng)來處理醫(yī)療垃圾替代物的混合物[17]。其熱源是一個100kW非轉(zhuǎn)移弧等離子炬，以氬氣為等離子體點火氣體。點火后，它以空氣作為工作氣體。醫(yī)療垃圾替代物可分成兩組：可燃物（排骨、壓舌板、紗布、棉簽和吸附劑）和非可燃物（玻璃、不銹鋼、銳器、針頭和注射器）。處理過程在1550℃下保持15分鐘，獲得的產(chǎn)物是一種玻璃態(tài)熔渣，在玻璃態(tài)渣內(nèi)嵌有分散的金屬第二相。采用原子吸收光譜法對產(chǎn)物進行的TCLP毒性浸出試驗表明，該產(chǎn)物滲出率很低。

韓國以醫(yī)療垃圾替代物為試樣，測試等離子體醫(yī)療垃圾處理系統(tǒng)的性能[19]。試驗采用兩套標號分別為N1、N2的等離子體炬。N1等離子體炬的功率為40～45kW，空氣流速為6～4g/s，噴射等離子溫度3000～4000k。N2等離子體炬的功率為65～85kW，空氣流速7～9g/s，噴射等離子溫度為2500～4000k。加熱時間為2～3h。使用N1等離子體炬時，爐膛內(nèi)熔池的溫度不超過1250～1300℃。熔融物粘度很高，不能流出熔池。使用N2時，溫度可超過1500℃，熔體不斷匯集、溢流進入回收器。獲得的玻璃狀化學惰性產(chǎn)物不含任何有機成分，密度能達到2600～2800kg/m3。

波蘭羅茲技術大學采用一種最大輸出功率為150kW的直流轉(zhuǎn)移弧熱等離子反應器來處理醫(yī)療垃圾焚燒飛灰[10]。該爐采用水冷方式。熔融的垃圾在1550～1600C下保持了30分鐘，然后自然冷卻至室溫。通過控制等離子處理玻璃時的結(jié)晶過程，可以獲得玻璃陶瓷，而不同的熱處理過程會得到不同的晶相。據(jù)試驗觀察，如果采用合適的熱處理過程，能夠獲得以硅酸鈣為主要晶相的材料，而這種材料具有很高的減摩抗磨性能。

印度等離子體研究所采用一種50kW直流轉(zhuǎn)移弧等離子體反應器來處理模擬醫(yī)療垃圾，并與常規(guī)方法進行對比[20]。模擬醫(yī)療垃圾由含量比例2:1的棉花和塑料組成。實驗結(jié)果表明，垃圾高溫分解后的氣體富含H2、CO及小分子碳氫化合物，可以回收可燃氣體作為能源。在過量空氣存在的條件下，這些可燃氣體在二燃室內(nèi)充分燃燒，產(chǎn)生煙氣中有毒氣體的含量極少，甚至完全可以忽略。試驗中還觀察到，在等離子體的高溫反應環(huán)境條件下，枯草芽孢桿菌和嗜熱脂肪芽胞桿菌被徹底殺死。

2.2 垃圾發(fā)電廠殘余物

雖然填埋仍然是處理城市固體垃圾的主要方式，但是許多國家和地區(qū)已經(jīng)限制了填埋場的容量。要找到新的填埋場已經(jīng)變得越來越困難，使得在垃圾發(fā)電廠焚燒成為一種具有可持續(xù)性的選擇。因為焚燒不但能大幅度減小垃圾的體積，還能回收能源。典型垃圾發(fā)電廠產(chǎn)生的焚燒底灰、飛灰、空氣污染控制殘留物（APC）占投入到垃圾發(fā)電廠垃圾總量的25%左右。

焚燒底灰主要包括粗不可燃物以及由燃燒室出口急冷室收集的未燃有機物。它的構(gòu)成和物理性質(zhì)比較復雜，目前并不被當做有害垃圾看待。飛灰則是非常危險的有害物質(zhì)，由細小微粒組成。這些微粒在進一步處理前，首先被除塵器和旋風分離器所清除。APC殘留物來自于如下處理過程：

（1）噴射堿性粉末或漿液用以清除酸性氣體、顆粒物的干式或半干式滌氣系統(tǒng)；

（2）布置在滌氣系統(tǒng)下游，用以去除細小顆粒物的布袋除塵器；

（3）濕滌氣系統(tǒng)產(chǎn)生的污泥渣。APC殘留物的顆粒細小，通常除了包含高濃度的重金屬和可溶解、揮發(fā)的鹽類外，還會包含危險有機物如二噁英和呋喃。APC殘留物中污染物的數(shù)量取決于城市固體垃圾的特性和組成、焚燒溫度以及空氣污染控制系統(tǒng)的凈化效率。重金屬的高堿性、高浸出性、陰離子如Cl-的高溶解性，使APC殘留物成為非常難以控制的危險垃圾[21-22]。

飛灰和APC殘留物的危險性意味著它們只能在進行合理的預處理后，才能進入危險垃圾填埋場。城市固體垃圾發(fā)電廠的焚燒灰的化學組成如表2所示。

表2 城市垃圾焚燒廠焚燒殘余物的化學組成

匈牙利采用了一個實驗室規(guī)模的直流等離子熔爐在1600℃條件下熔融處理來自布達佩斯城市垃圾焚燒廠來的飛灰[23]。為了比較玻璃態(tài)產(chǎn)物的微觀結(jié)構(gòu)，研究者采用了箱式爐，在不同的溫度條件下對大量樣品進行了單級結(jié)晶熱處理。結(jié)果表明，獲得產(chǎn)物的主要晶相是硅酸鈣和鈣長石。

N.Cerqueira[27]和X.Chen等文獻[28]對熱等離子體處理垃圾焚燒灰過程中重金屬的蒸發(fā)行為進行了實驗研究。結(jié)果表明，操作條件對于優(yōu)化垃圾焚燒灰的熱處理過程具有非常重要的作用。較高的載氣分壓以及垃圾中較低的氯含量，有助于提高重金屬在熔渣內(nèi)的保留量。為了降低垃圾中的氯含量，建議采用水洗預處理的方法。盡管這將帶來一些額外的問題，如產(chǎn)生大量廢水，水洗后的濕灰需要耗費更高的等離子體能量等。

日本采用直流轉(zhuǎn)移弧等離子體熔爐對底灰與飛灰的混合物進行了長達28個月的試驗研究，重點考察了熔融渣封裝的有效性、二噁英的降解情況以及熔渣和金屬產(chǎn)物進行再利用的可能性[25]。試驗結(jié)果表明，水冷爐渣中的鉛含量小于0.1g/L，且未發(fā)現(xiàn)二噁英。爐渣可與其他材料一起來制作建筑用磚。另外，日本還采用一種以氮氣為載氣的石墨電極等離子體熔爐對來自城市垃圾焚燒爐的濕態(tài)底灰進行了類似的研究[7,29]。熔融后的鐵和銅從熔爐的底部排出而得到回收，熔渣中鉛、鎘、Cr+6的濃度非常低，并且99.9%的二噁英和呋喃實現(xiàn)了分解和銷毀。

臺灣原子能研究所采用一種實驗室規(guī)模的100kW非轉(zhuǎn)移弧等離子體炬對臺北的城市固體垃圾焚燒灰進行了熔融試驗研究[24]，處理過程以氬氣為等離子體引燃氣體、氮氣為載氣。經(jīng)熔融處理后，重金屬被封裝在玻璃態(tài)的硅晶格網(wǎng)絡中，浸出性非常低。對等離子體玻璃態(tài)渣進行單級熱處理后會形成玻璃陶瓷，這種陶瓷主要由黃長石組合固溶體，鈣黃長石和鈣鎂長石組成。

韓國采用一種以鎢為陰極、銅為陽極的非轉(zhuǎn)移弧等離子體炬，在實驗室規(guī)模條件下對飛灰和廢水處理污泥進行處理，對并其處理后的體積減小及危險元素去除情況進行評估[8]。結(jié)果表明：銅、鋅、鉛等重金屬的泄露性低于規(guī)定的標準要求。

英國采用等離子體對來自倫敦垃圾焚燒發(fā)電廠的APC殘余物進行了處理。APC殘余物與二氧化硅和氧化鋁混合后，在一個直流等離子體轉(zhuǎn)移弧熔爐內(nèi)被熔融。根據(jù)垃圾驗收標準WAC進行的浸出試驗表明，APC殘留物衍生的玻璃態(tài)物質(zhì)僅釋放出了痕量水平的氯和金屬[29]。

2.3 含石棉垃圾

人的肺中即使僅存在非常低濃度的石棉纖維，也會引起嚴重的肺部疾病。雖然含石棉垃圾也可以采用水泥、聚合樹脂固化的方法來固定，但是等離子體處理方法能夠徹底破壞和銷毀石棉垃圾。

T.Inaba[30]在實驗室內(nèi)采用一種氬氣熱等離子體設備，對很多不同種類的石棉進行了試驗測試。測試結(jié)果表明，由于石棉的低導熱性，使得其內(nèi)部遠比表面更容易破碎。但是，在石棉外部形成的堅硬表面，可以防止粉塵的產(chǎn)生。如果進一步減小石棉試樣的厚度再進行熔融處理，石棉會轉(zhuǎn)變成一種類似巖石的結(jié)構(gòu)，其莫氏硬度高達6級。等離子體處理使石棉的體積和重量分別減小了51%和70%。

一家法國商業(yè)機構(gòu)INERTAM提供了一種以空氣為等離子體載氣的高溫等離子體玻璃化技術用以處理石棉垃圾，使得含石棉垃圾不須經(jīng)過預篩選即可轉(zhuǎn)化為惰性的、不可浸出的無纖維產(chǎn)物[31]。

英國Tetronics公司采用等離子體技術處理含石棉垃圾的裝置目前已經(jīng)成功運行。操作溫度高達1600℃的轉(zhuǎn)移弧等離子體爐放置在一個處于負壓狀態(tài)的罩狀結(jié)構(gòu)中，以熔融處理各種石棉垃圾。這種處理對于破壞所有的石棉多晶體并將其轉(zhuǎn)化為由鎂黃長石和鈣黃長石固溶體組成的整塊石料非常有效。由獨立的政府實驗室完成的分析發(fā)現(xiàn)，在垃圾終產(chǎn)物、反應器和下游管道中均未檢測到石棉纖維的存在。這表明高溫等離子體能夠安全、徹底地銷毀含石棉垃圾[32]。

2.4 電子垃圾

廢棄的電視、電腦等電子垃圾的數(shù)量近年來在世界范圍內(nèi)迅速增加。資料顯示，廢電腦、電視機中的顯像管，陰極射線管、印刷電路板等部件中含有鉛、汞、聚溴二苯醚和聚溴聯(lián)苯等700多種化學原料，其中50%以上對人體有害，一旦失控盲流，會給人類健康帶來極大隱患。例如，中國廣東省貴嶼鎮(zhèn)專以拆解電子垃圾為業(yè)，每年拆解的量超過100噸。然而，水樣分析發(fā)現(xiàn)，該鎮(zhèn)目前河流的pH值已經(jīng)高達1～2的強酸標準，重金屬濃度比美國環(huán)保局認定的土壤污染危險臨界值高出10～212倍，水中的污染物超過飲用水標準數(shù)千倍，成為世界上最毒的地區(qū)。雖然處理電子垃圾的方法有很多，但是采用熱等離子體法處理是一種更好的選擇。

泰國采用一種以空氣作為工作氣體、功率為20kW的非轉(zhuǎn)移弧直流等離子體炬，在實驗室規(guī)模條件下對處理電子垃圾進行了研究[11]。實驗結(jié)果表明，通過在處理過程中添加少量燃氣的方法，該系統(tǒng)在80s的時間內(nèi)處理溫度達到1200K，2分鐘時間內(nèi)垃圾的體積減小了80%。這表明熱等離子體處理電子垃圾非常有效，可以作為一種替代性的電子垃圾處理新方法。不過，研究也指出，該方法的主要問題還是電能的消耗偏高。

臺灣原子能研究所對于從廢棄IC電路板中回收資源進行了實驗研究[33]。試驗中先采用熱等離子體對IC板進行了熔融處理，在獲得的熔渣中再采用研磨、磁選和浸漬溶蝕的方法回收金、銀、銅等貴金屬。結(jié)果表明，從熔渣中可獲得的金屬含量為鐵6.62%，金0.0010%、銀0.0392%，銅33.94%。

2.5 煉鋼垃圾

煉鋼工業(yè)中，從氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐、電弧爐、高爐等煉鋼設備中會產(chǎn)生大量的粉塵、爐渣、軋制鐵鱗、含油軋制鐵鱗和氫氧化物污泥等垃圾。通常這些垃圾的堿性和重金屬含量很高，因而被認定為危險性垃圾。未經(jīng)預處理禁止填埋，大多數(shù)鋼廠不得不花費巨資進行處理。但是，又由于這些廢渣中金屬的含量較高，從中提取和回收金屬具有比較高的經(jīng)濟價值。因此，有必要探討和尋找一種合理的技術來對這些廢渣進行處理或回收。

目前，處理煉鋼垃圾的方法有玻璃化法、氧化物還原回收金屬法、或者以上兩種方法的組合。等離子體技術可應用于以上所有處理過程。氧化物的還原可以使用還原性的等離子氣體或者還原性的添加劑（如碳）進行還原來實現(xiàn)。鋅、鉛等金屬可從熔融物中回收，或通過蒸汽冷凝來進行回收，其他殘渣可以在金屬回收后，通過高溫的等離子體熔融形成玻璃態(tài)物質(zhì)。其中，PLASMADUST技術就是把一臺等離子氣體加熱器和一個填充碳式鼓風爐結(jié)合起來，以從煉鋼粉塵中生產(chǎn)熔融鐵合金以及金屬鋅、鉛的蒸汽[34]。采用轉(zhuǎn)移弧等離子體爐和碳熱還原的方法，對含鐵、鋅煉鋼粉塵進行處理所獲得的產(chǎn)物，是無毒的礦渣和金屬鋅。

G.Z YE等人利用一種帶有空心電極的直流等離子爐，對熔渣還原法回收煉鋼垃圾中有價值的金屬及氧化物進行了實驗研究和總結(jié)[35]。處理的垃圾包括鋼渣、EAF粉塵、軋制鐵鱗、含油軋制鐵鱗、BOF粉塵、氫氧化物污泥以及邊角料殘余等。實驗以煤渣、無煙煤、石油焦等作為還原劑，以砂子，鋁土等材料作為渣前驅(qū)物，用于渣的改性。實驗結(jié)果表明，鐵、釩、鉻、鎳等金屬以合金相的形式得到了回收。其中，鉻的平均回收率超過90%，鎳的平均回收率接近100%。經(jīng)還原處理后的渣中鉻的浸出率比未處理的渣低了10～100倍。這表明，在中試規(guī)模下帶空心電極的直流等離子體爐用于處理煉鋼垃圾，非常靈活、有效。

T.E.Best等人采用一種交流等離子體反應器，在一氧化碳還原性氣氛下對EAF粉塵還原氧化鋅的可行性進行了研究，并實現(xiàn)了最高可達97%的鋅、鉛回收率[13]。

與以上基于弧等離子體爐的技術相反，射頻等離子系統(tǒng)可以在不需要連續(xù)造粒操作的情況下制造細粉末。再加上熱等離子的其他優(yōu)點，使得射頻等離子體在特種陶瓷粉體如尖晶石鐵氧體的合成方面具備了非常巨大的發(fā)展?jié)摿12,36]。

2.6 電鍍垃圾

電鍍工業(yè)的廢水中含有鋅、鉻、鎳等對環(huán)境具有高度危險性的金屬。很多國家的環(huán)境保護部門已經(jīng)立法規(guī)定，電鍍廢水在沒有去除危險成分前禁止排放。

Ramachandran采用一套直流非轉(zhuǎn)移弧等離子體系統(tǒng)對電鍍廢渣進行了處理[37]。在不同的等離子體載氣環(huán)境和負壓條件下，粒徑小于45μm的電鍍廢渣被投入到等離子體處理器內(nèi)。經(jīng)等離子體處理后，在反應器底部、頂部和周壁以及爐內(nèi)收集到了細粉末和沉積物。分析發(fā)現(xiàn)，鉻、鎳、鋅等元素主要是以鐵氧體/亞鉻酸鹽的形式存在于以上細粉末和沉積物中。

2.7 鋁廢渣

鋁回收工藝中，當熔融金屬表面與爐內(nèi)空氣反應時會產(chǎn)生廢渣。廢渣含量通常占熔融金屬總量的1～5wt%。視處理過程的不同，廢渣中最高可含10%的單質(zhì)鋁[38]。另外，因含有浸出性的氯、氟離子，廢渣被劃定為危險垃圾。在潮濕環(huán)境下時，這些廢渣會不定期地釋放氨氣、甲烷等氣體。而且，由于鋁業(yè)是高度的能源密集型工業(yè)，因而鋁渣回收非常具有吸引力。目前，熱等離子技術已經(jīng)被用于處理鋁廢渣，有關其詳細的論述和試驗結(jié)果，可以參考D.Neuschtz的研究文獻[39]。

2.8 含碳垃圾

對于熱等離子體能否通過氣化含碳垃圾來減少垃圾重量、體積并產(chǎn)生氫氣、一氧化碳以及碳氫化合物合成氣的問題，已經(jīng)有很多學者進行了詳細研究。

Nishikawa等人對熱等離子體及蒸汽處理含碳垃圾的可行性進行了研究[15]。試驗系統(tǒng)由直流與射頻混合的等離子體炬、氣體控制系統(tǒng)、蒸汽發(fā)生器、排氣系統(tǒng)以及反應室組成，以氬氣為等離子體載氣，氧氣和蒸汽作為氧化劑，碳和氯化鈉的混合物代替含碳垃圾作為測試樣品。實驗共計對三種工況進行了測試。第一種工況單獨使用氬氣熱等離子體系統(tǒng)，第二種工況采用氬氣和氧氣熱等離子體系統(tǒng)，第三種工況則利用氬氣熱等離子體和蒸汽一起對試樣進行處理。實驗結(jié)果表明，當以氧氣熱等離子體和蒸汽熱等離子體處理試樣時，碳的重量都實現(xiàn)了大幅度減少。第一種情況是由于燃燒所致，第二種情況則是因熱解、氣化所致。綜上所述，采用熱等離子體和蒸汽使碳氣化是非常有效的含碳垃圾處理方法。

另外，采用與以上所述相同的處理系統(tǒng)，Nishikawa等人還以石墨為試樣對含碳垃圾的處理進行了研究[40]。試驗測試了氬氣等離子體和氬氣/水蒸汽等離子體兩種工況，結(jié)果表明，蒸汽等離子體相比氬氣等離子體能夠更大幅度地減少垃圾重量。垃圾減重的原因是因為石墨發(fā)生了熱解和氣化。

2.9 含氯垃圾

對于含氯垃圾而言，焚燒并不是有效的處理方法。因為含氯垃圾的不完全氧化過程會產(chǎn)生二噁英和呋喃，而這些強烈致癌性的危險有機物會殘留在焚燒排出的尾氣中，而且垃圾發(fā)電廠的余熱回收溫度區(qū)間恰好就是二噁英和呋喃再次合成的最理想溫度區(qū)間。對這類垃圾采用熱等離子體處理則非常有效，因為該方法使得廢氣能夠在1200℃的環(huán)境下最少停留4秒，然后再迅速冷卻，從而能夠最大程度地減少二噁英和呋喃的產(chǎn)生[41]。研究表明，低的氧含量、高的CO濃度、高的含塵量、顆粒物表面含有催化類金屬如銅，以及250～350℃的溫度區(qū)間等外部條件，都對二噁英產(chǎn)物的形成有利。

Cubas等人對熱等離子體炬降解CCL4的效果進行了研究，所使用到的熱等離子體炬由兩個石墨電極和一個氣動噴霧器耦合組成[42]。試驗中，一股氬氣流用于形成等離子體，另一股輔助氬氣流用于攜帶和霧化進入等離子體反應區(qū)的液體材料。實驗結(jié)果表明，當用于維持等離子體和霧化顆粒之間平衡的試樣吸入率處于最有利于高溫分解過程的參數(shù)時，CCL4的分解和去除效率非常高。

3 玻璃化產(chǎn)品的應用與可行性

各種垃圾所產(chǎn)生的玻璃化殘渣都表現(xiàn)出了較低的浸出性能，被認定為惰性廢物，能夠滿足歐盟的強制性垃圾驗收標準，可以直接填埋或用于其他用途。顆粒狀殘渣通常可與瀝青一起鋪路或用作混凝土骨料，而澆鑄渣還可以用于生產(chǎn)咬接砌塊、磚等二次產(chǎn)品。如果經(jīng)過適當?shù)臒崽幚?，還能夠生成具有增強特性和較高附加值的玻璃陶瓷。

日本利用商業(yè)化的等離子體熔融廠產(chǎn)生的顆粒狀渣與其他材料如水泥、礫石等組合在一起，生產(chǎn)咬接砌塊、鋪路磚、裝飾透水性磚等。測試數(shù)據(jù)表明，這種磚不但重金屬的浸出性較低，強度也足以滿足相關產(chǎn)品標準的要求[7,25]。

臺灣原子能研究所在采用熱等離子體熔融處理城市垃圾焚燒灰的過程中，通過添加TiO2，MnO2，F(xiàn)e2O3和CP-236釉料這四種成分，可以分別獲得粉紅色、黑色、紅棕色及藍色的玻璃陶瓷產(chǎn)品[43]。

一項技術最終能否成功，不僅取決于技術性能，還要看其使用成本。等離子處理的主要缺點在于以電力為能量的來源影響了其經(jīng)濟性，而主要優(yōu)點是節(jié)省了填埋費用，并增加了終產(chǎn)品及副產(chǎn)品的潛在應用價值。因此，與其他處理后拋棄的技術相反，等離子體垃圾處理應被視為是一種可以回收資源的技術。

實際上，設備費、能源費、勞務支出、垃圾成分的適應性、當?shù)卣难a貼以及有關處理與回收危險垃圾的法律法規(guī)等，都應當納入到對垃圾處理技術，進行全面經(jīng)濟性評估的考慮范圍。但是，到現(xiàn)在為止，對于等離子體處理技術費用方面的評價還非常少[44]，而這些評價也大都是在技術發(fā)展之初進行的，非常不精確。因此，現(xiàn)階段開始收集一些精確的數(shù)據(jù)，以與其他技術或該技術的其他應用進行成本比較非常重要。

以英國的情況為例，用等離子體技術處理APC殘留垃圾的費用大約為每噸60英鎊。當把設備投資、工程、融資費用都計算在內(nèi)時，處理成本上升到大約每噸100英鎊[45]。這與目前采用填埋法來處理APC殘留垃圾的綜合處理費用相比，在經(jīng)濟上還具有一定的優(yōu)勢。特別是當階梯遞增填埋稅率生效后，這一優(yōu)勢將更加明顯，將使得等離子體技術成為一種面向未來的垃圾處理方案。另外，等離子體處理技術相當于將2～3個垃圾焚燒發(fā)電廠集中在一起進行處理，最大程度地減小了垃圾運輸?shù)木嚯x，降低了危險垃圾對運輸和管理所帶來的嚴重影響，從而能夠滿足地方發(fā)展和相關政策的社會及政治要求，是最理想的解決方法。將等離子體技術與垃圾填埋技術直接進行比較是不適當?shù)?，因為填埋是一種拋棄技術，而等離子體則是一種回收技術。經(jīng)等離子處理過的垃圾，只有5%成為二次污染物，所有其他材料都可以被回收。

4 結(jié)論與建議

相對于其他常規(guī)熱處理過程而言，熱等離子體技術是一種非常有前景的替代性選擇。另外，監(jiān)管、經(jīng)濟、社會政治等諸多驅(qū)動因素，也有利于今后采用先進的熱等離子體技術來處理垃圾。

不過，盡管等離子體玻璃化技術的可行性已經(jīng)在很多種危險垃圾的處理過程中得以證實，但是目前對于該技術在大范圍應用時是否經(jīng)濟可行還不清楚。在某些情況下，管理不善再加上經(jīng)濟上的弊端已經(jīng)成為制約熱等離子技術發(fā)展的主要障礙。但是，顯而易見，等離子體處理能夠避免填埋稅、其玻璃化產(chǎn)品具有附加值，能夠再利用、獲得的合成氣可作為能源、回收金屬，這些優(yōu)點將共同促進等離子體技術早日實現(xiàn)商業(yè)化的應用。

另外，使用垃圾衍生材料生產(chǎn)的產(chǎn)品而引發(fā)的社會問題也必須得到解決。因為這仍然是目前在新產(chǎn)品中廣泛應用垃圾衍生材料的障礙。這一點不僅會影響等離子技術本身，也會影響其他垃圾處理技術的發(fā)展。

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Research Progress on Hazardous Waste Treatment by Use of Thermal Plasma Technology

CHAI Shouming1, WANG Jianwei2, CHEN Libo1,YANG Qianming2
(1.Qingdao West coast Public utility Group Co.,Ltd., Qingdao 266400;2.Shandong University of science and technology,CMEE,Qingdao 266590)

This review presents the current state of hazardous waste treatment by use of thermal plasma technology. The most important experimental and modeling results reported in the literature on the laboratory scale as well as on the industrial scale were collected in this paper. A comprehensive analysis of the available scientific and technical literature on treatment of different hazardous wastes by plasma is presented, including the treatment of health care wastes, residues from MSW incineration, asbestos-containing wastes, etc. The principles of thermal plasma generation and potential applications for plasma vitrified products are outlined. It follows from the review that plasma is a powerful novel method proving many advantages when utilized for treatment of hazardous wastes, and this is now a viable alternative to other potential treatment/disposal options. Thermal plasma technology is expected to become increasingly commercially viable in the future.

waste treatment, thermal plasma, vitrification