等离子技术在固废资源化领域的应用

等离子技术在固废资源化领域的应用

吕朋1，楚万秀1，侯志鹏1，俞志鹏1，吴智兵1，肖照宇1

1.上海船用柴油机研究所，上海市杨浦区200082

摘要：随着工业进程的加快，固体废弃物的生成量正不断的上升，固体废弃物的处理受到了关注。目前，固体废物的处理方法多种多样，其中等离子处理技术处理过程安全环保、可生成高质量的合成气、可用于金属资源化以及固体残渣减容率高而显得更具优势，是一种环保、先进的技术，为固体废弃物资源化有效处理提供了广阔的应用前景。本文对不同类别的固体废弃物采用等离子处理技术的研究现状进行综述。

关键词：等离子体；固废资源化

0简介

随着经济增长、工业化进程加快和人口的增加，固体废物的产生量迅速增加，最终对我们的生态系统造成负面影响。现在已经在实践中发展了处理不同固体废物的处理技术，大致可分为填埋、资源化、生物处理和热处理。由于环保要求的日益严格，固体废弃物的资源化处理是符合可持续发展的，等离子技术具有处理效果好，二次污染问题少等优点已在各个方面作为研究热点。

1等离子技术介绍

1.1等离子体

等离子体是物质的第四态，是由正负离子、电子、分子或激发态的原子、基态分子或原子和光子组成，属于一种高度电离可导电的气体，但其带正电和带负电的粒子的电荷数相同而本身显电中性，故而被称为等离子体。

热等离子体发生系统可以有多种类型，例如DC/AC电弧等离子体、RF等离子体和微波辅助等离子体。

直流或交流等离子弧可由两个电极使用等离子载气产生，能够在等离子体源处提供非常高的温度，直流电弧等离子体可以进一步分为转移弧和非转移弧。转移等离子体炬通常用于导电材料的加工，因为它需要一个可以充当阳极的导电工件。在这种情况下，阳极是外部电极。非转移弧等离子体炬使用两个电极，在两者中间提供等离子载气以产生等离子弧。与转移等离子弧不同，在非转移等离子中；两个电极仅用于产生电弧，不用于参与处理过程。交流或直流电弧等离子发生器通常用于废物处理和冶金应用。

射频等离子体是使用电感耦合等离子体或电容耦合等离子体生成的。电磁能量从射频转移到等离子体载气中。在电容耦合等离子体中，电子加热由两个电极和一个振荡的射频护套完成。在电感耦合等离子体中，射频电场产生等离子体放电。射频热等离子体具有可控的反应区和高离子浓度，射频等离子体有很多应用，包括材料加工、废物处理、纳米材料的化学合成等。

微波诱导等离子体是一种相对较新的等离子体产生技术，可以使用磁控管产生微波等离子体，电磁辐射的频率范围很宽，但一般来说，2.45GHz用于微波辅助等离子体的产生。具有可接受的高等离子体密度，可用于处理固体废物，与AC/DC等离子弧反应器相比，它需要的维护更少。微波等离子体已经用于化学气相沉积和其他灭菌，但它处于废物或材料处理的初始阶段，这种类型的反应器更适合用于均质废物的处理。

1.2等离子技术优点

等离子处理技术是一种高效、安全的废物处理方法，等离子体具有高能量密度和高温，使用高温的等离子体代替普通焚烧对固体废物进行处理，可以破坏有害有机化合物，同时产生较少的二恶英和呋喃。同时，固体废物中的无机材料可以熔化成玻璃体。玻璃体的性质比较稳定，危害较小。

等离子体为处理过程提供的主要优势是高能量密度和高温，这种特性能够实现：快速加热和启动反应、高热量和反应转化率、对于给定的物料处理量、较小的设备尺寸、高温材料的熔化和高淬火速率可获得非平衡成分或亚稳态材料。

2等离子技术在固废垃圾处理中的应用

在固废垃圾资源化处理中涉及的等离子处理技术原理主要为等离子热解和等离子气化。

等离子体热解过程涉及在没有或几乎没有氧气的情况下的非常高的温度。在如此高的温度下，它将固体废物颗粒转化为合成气、其他轻质碳氢化合物和不可浸出的固体残留物。等离子体热解可以处理有毒物质、难熔化合物以及物质的所有相。与其他工艺不同，等离子热解技术对环境安全，有害残留物的产生量最少。等离子弧产生高温，因此会发生快速加热，从而产生挥发性物质，然后将其转化为轻烃气体，最终转化为合成气和一定量的固体残留物。固体废弃物的反应过程可归纳如下：

1）固体废弃物→一次挥发物+炭+渣

2）一次挥发物→重烃+轻烃+不凝性气体

3）重烃→轻烃+气体（H2、CO、CH4、C2H2、C2H4、C3H8等）

4）轻质碳氢化合物→气体（H2、CO、CH4、C2H2、C2H4等）

5）炭+蒸汽→H2+CO+炉渣

等离子体气化是有机物的不完全氧化，将其转化为可燃或合成气体（H2、CO、CO2、CH4和其他碳氢化合物的混合物）。气体可用于生产氢气、在燃气发动机中燃烧以产生电力，或用于加热蒸汽以驱动蒸汽轮机。

2.1生活垃圾处理

生活垃圾在世界范围内每时每秒内都大量产生，并且由于快速的城市化和生活方式的改变，其产生量也在不断的增加。以往生活垃圾经常进行焚烧及填埋处理，由于环保要求的严格及实现循环经济可持续发展，通过等离子处理技术对生活垃圾进行资源化处理，使其转化为合成气、沼气和其他液体燃料，变废为宝。

Natarianto Indrawan等人研究了一种低温等离子气化模型，将生活垃圾转化为合成气。在1500℃、2000℃和2500℃的等离子温度下，该模型生成的合成气低热值分别为5.41、6.02和6.45MJ/Nm3，等离子气化效率分别为49.6、49.2和48.9%。与传统的非等离子空气气化相比，低温等离子气化产生的合成气含有更高浓度的氢气和一氧化碳，因此合成气的热值更高。Raquel Tavares等人研究了当量比、水蒸气/垃圾和气化温度随三种气化剂（空气、氧气和水蒸气）的变化情况，以评估最终的合成气组成。以水蒸气为气化剂时，氢气产率最高可达64%（摩尔分数），氧气利用率较低。相反，在氧气气氛下获得了富含CO（58%）的合成气。

2.2生物质垃圾处理

等离子技术被认为是一种有前途的方法，可广泛应用于生物质转化过程，如气化、热解和液化。生物质等离子气化被认为是传统生物质气化技术的替代技术，因为它具有更高的操作温度（高达~5000℃）和加热速率，从而提高气化反应速率和气体生产率，在高温等离子体作用下可以加强焦油裂解反应的程度，从而降低产品气中的焦油浓度。

Po-Chih Kuo等人使用三种不同的气化剂（空气、蒸汽和CO2）对原始和烘干的木质、非木质和藻类生物质进行等离子气化，研究了原料和反应气氛对各种性能指标的影响，CO2等离子气化效率最高，而使用空气时等离子气化效率最低，从能源和环境的角度来看，烘干木质在生产高品质、低杂质合成气方面的潜力最大。V. Grigaitiene等人分析了水蒸气等离子系统的运行特性，对一定参数范围内的等离子炬的功率、电弧电流、电弧电压、效率、排气喷嘴水蒸气等离子射流平均温度及等离子射流速度进行了研究，将温度保持在2300 K以上，水蒸气流速保持在132 L/min，可以达到生物质转化为合成气的要求。

3发展与展望

由于独特的高温、高能量密度和高反应活性，等离子技术在固废资源化方面能较好地应用，固废的有机成分可以热解气化生成合成气，提高能量回用率，无机成分可以转变为惰性的玻璃体，减少二次污染问题，金属成分可以熔炼提纯，从而实现更高附加值的应用。等离子技术由于较高的电力消耗及载气消耗，处理技术的实际建设成本不得不进行考虑，从经济角度来看，金属回收将是等离子技术发展的另一出路。

在未来，等离子体技术方法有望在实际处理过程中得到应用。今后的研究应从成本分析、等离子处理后材料的再利用及其产品质量、玻璃化材料的合适助熔剂、以及其他废弃物等的处理工艺技术的工程应用基础方面进行。