热等离子体技术处理危险废物研究进展

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（plasma gasification）
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两个到三个原子的化合物（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【16】[17]。图2示意性的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（plasma vitrification)
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，如图3所示。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0.3kW/cm2,而一个直流转移弧的热量通量可以达到大约16kW/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
* 有机溶剂废弃物
* 废矿物油
* 含多氯联苯废弃物