热等离子体技术处理危险废物的应用探讨
摘要：热等离子体技术是一种用于处理工业危险废物的新技术。国内外研究机构已经做了大量的研究工作，并取得了一定的成果。本文就热等离子体技术在危险废物中的应用进行了研究。
前言
危废属于资源开发利用型废物，有很大的利用价值，除了贮存和处置，还包括处理后的综合回收利用。工业固废提出“三化”处理原则，即减量化、资源化和无害化。随着危废处理技术的不断发展，除了常规技术路线里的一般处理工艺流程，也逐渐出现了一些新型技术，如等离子体技术。
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等离子体和热等离子体简介
等离子体被认为是继气、液、固后的第四种物质存在状态。等离子体是指气体原子或分子经外加能量作用部分或全部电离形成的集合体，其中高浓度的自由电子所带电荷与带正电荷的粒子达到平衡，使得等离子体整体呈电中性。根据等离子体的特性，可将等离子体分为高温等离子体和低温等离子体；低温等离子体又可分为热等离子体和冷等离子体。其中热等离子体是一种局部平衡的等离子体，气体电离产生的高能电子，高速运动过程中与重粒子(离子或分子)发生弹性碰撞，并将其能量传递给重粒子，使周围温度趋于均一；被电离的气体在高密度电场作用下高速越过电极从而产生了热等离子体射流。
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等离子体技术
等离子体处理危险废物技术是利用等离子体炬产生的高温热等离子体将危险废物快速分解破坏，其中有机物热解为可燃性的小分子物质，无机物被高温熔融后生成类玻璃体残渣。该技术具有反应速度快、二次污染小、适用范围宽等特点，它克服了传统处理技术如焚烧、化学处理等二次污染大、工艺复杂、对废物有选择性等缺点，特别适合于医疗垃圾、石棉、焚烧飞灰、电池、轮胎、放射污染等固体危险废物的环保处理。与常规焚烧技术相比，等离子体处理技术是一种环境友好技术，处理彻底，无二次污染，碳排放少。等离子体通常是含有大量电子、离子、分子、原子以及自由基的电离气体，但其宏观上呈电中性，并具有很高的化学活性。热等离子体的中心温度可高达2万℃，火炬边缘温度也可达到3000℃。等离子体技术能彻底摧毁各种有毒有害物质，是一种有效消除污染，用途广泛的新技术。等离子体处理废弃物工艺的核心技术是等离子体发生器（等离子体炬），就发生器而言，应用最多的是直流电弧等离子体。等离子体处理危险废物的独特处理方法表现出安全、高效、无二次污染和广泛适用性，它为危险废物及城市固体废物的无害化、减容和资源化回收提供了一个十分科学有效的方法。
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等离子体处理废弃物特点
由于高温、高焓、高能粒子密度大的热等离子体处理固体废弃物具有以下特点：反应速率快，处理量大，减重率、减容率高；高温反应环境可以得到较大的淬冷速率，反应器中陡峭的温度梯度也对淬冷过程有利；开、停车时间短；所需氧化气体少、气流量小、易于控制，且降低了所需的后续净化处理的成本及温室气体排放量；可集成性高，能够原产地处理废物；处理后的残渣也可回收利用。因此，其被认为是最适合用作废物处理的方法之一。目前等离子技术应用于综合的废物处理及能量回收利用已经成为了一种重要的变废物为能量的技术，在日本、美国、加拿大、欧洲、马来西亚都出现了或是中试或是已经工业化的等离子体气化应用，各国的研究者们也在等离子技术处理废物方面做了很多积极有意义的工作。
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热等离子在处理危险废物的应用研究
4.1石化含油污泥处理
石油化工行业危险废物在工业危险废物中的比重较大，占总量的30％。最新的《国家危险废物名录》中，与石化行业相关的危废有28大类，占到总数的60％。
在危废中含油污泥是等离子体技术应用研究的焦点。含油污泥主要由落地原油和泥土、砂石、水等物质混合而成，其成分尤为复杂，是一种稳定的悬浮乳状液体系。含油污泥不但有大量的老化原油、沥青质、腐蚀产物、胶体、盐类等杂质，还包括凝聚剂、杀菌剂等水处理剂等。一般含油污泥中油的质量分数在10％一20％，固体颗粒质量分数在5％一10％，其余都是水，故处理含油污泥前需要脱水处理以减少体积。含油污泥中各类污染有机物和烃类有机物较多，可利用热值较大，热等离子体技术可以将其分解为可燃的小分子气体(H2、CO等)，再回收利用。另一方面，含油污泥中固体颗粒物多为无机物，主要成分是SiO2等，等离子焰流在极短时间内可以将其转化为玻璃态熔渣，该熔渣有着致密的结构，并且有毒物质浸出率低，完全满足安全填埋的要求。
4.2冶金危废处理
4.2.1焦化废水污泥无害化处理
焦化废水是来源于焦化厂或者煤气厂等炼制焦炭、净化煤气和加工精制化工产品的生产过程，其中不仅含有氰化物、氟化物、硫氰化物等无机物，还包括酚类、联苯、吡啶、吲哚等难降解有机物，是焦化废水处理的难点所在，行业通常使用活性污泥法、生物脱氮技术处理得到焦化污泥。焦化污泥有较高的含水率，采用热等离子体技术处理首先需要进行脱水处理，把含水率降到50％以下，这样既可以把污泥体积大幅减小，降低系统耗能，也可以提高污泥可燃性。由于焦化污泥有机物含量较高，热等离子体技术处理后会产生大量的可燃气体回收利用，同时产生的废渣中Pb、Cd、Cr和Cu等重金属元素固化效果显著，浸出率完全满足环保要求，可安全填埋。
4.2.2不锈钢渣资源化处理
不锈钢渣是不锈钢生产过程中固体废弃物，每生产3t的不锈钢会产生1t的不锈钢渣，大量的不锈钢渣未及时处理会占用大量的土地资源，更会对周围环境和人的健康产生直接威胁，所以不锈钢渣的资源化是必要的。
4.3土壤洗涤等有毒废液处理
4.3.1异位土壤玻璃化技术
当土地受到化工中有毒有害物质严重污染时，部分区域土壤已经没有修复的必要，那么需要挖掘土壤再进行处理。使用热等离子体技术对污染土壤玻璃化处理就是异位玻璃化技术，用1600～2000℃高温将土壤及其污染物熔化。有机污染物在高温下被热解去除，无机污染物则被固化，产生的水蒸气和可燃气体收集后统一处理，熔融的土壤冷却后形成化学性质稳定的玻璃体。在土壤修复中使用热等离子体技术主要因为该技术应用范围广，设备小型使用灵活，处理速度快，污染物去除率较高，副产物少。但是由于成本很高，所以只适合高危污染土壤处理。
4.3.2污染土壤洗涤废渣处理
目前，针对砷含量严重超标的土壤，技术路线采用“洗涤”和“热等离子体”组合技术处理，处理工艺见图1。当土壤使用洗涤剂后，将其中的超标砷转移到废液中来，90％左右的土壤可以回填再使用，其他的废液和少部分土壤会作为危险废物处理。有较高浓度的浓缩物送入热等离子体熔融炉转化为玻璃态炉渣，而砷被固化在玻璃内部，可安全填埋。
结束语
等离子体技术对危险废弃物的处理有着天然的优势，能够处理难处理的废弃物，对环境没有负面的影响，也可以回收有价值的副产品，这不但可以满足当今不断严苛的环保要求，也符合循环经济和可持续发展的原则。一方面，随着最新危废名录的修订与扩展，化工等行业的危废处理量越来越多，从而带来了更大的市场需求；另一方面，中国现阶段资源能源短缺对资源可回收利用有极大的需求，这些都是热等离子体技术的机会所在。
资料来源：防护工程 作者：张杨
各有关单位：
1.危险废物填埋场的选址与设计