危险废物等离子体处理技术研究

董 磊

（江苏嘉联环境科技有限公司，江苏常州 213000）

危险废弃物主要指固体废弃物进行焚烧后产生的灰渣。生态环境部于2018年颁布的《2018年全国中大城市固体废弃物污染防治年报》中显示，2017年我国固体废弃物污染已达1 700 万t，危险废弃物在焚烧后会产生大量灰渣，一般为固体废弃物总量的20%～30%。我国每年都会在固体废弃物燃烧过程中产出大量灰渣，目前主要采用固化处理方式对固体废弃物进行预处理，预处理完成后送到安全地点进行填埋。危险废弃物填埋会占用土地、污染地下河水，填埋场选址方面存在一定困难。将危险废弃物以掩埋的方式进行处理是一种短期内的处理方式，无法作为长期处理方式加以使用。现阶段，危险废弃物的安全处理、资源化利用已经成为废弃物处理行业的发展方向。应用等离子体处理技术可在处理废弃物的同时，产出玻璃状态的惰性物质，该物质可用于绿色建材的建造，将危险废弃物无污染化与资源化[1]。

1 等离子体处理技术概述

1.1 等离子体概念及产生方法

等离子体是一种物质的存在方式，与现实生活中常见的物质存在方式不同，属于第四种物质存在状态。等离子体活性高，与其他三种物质相比，参数范围广泛。等离子体的形态性质易受到外在电磁场的影响，等离子体活性大、能量集中、电热效率高。等离子体产生了高温，可以降解使用普通废弃物处理办法无法处理的危险废弃物，并在短时间内完成废弃物的处理工作。等离子体具有危险废弃物处理效率高、处理后的废弃物有害程度大幅度降低等优势。

多个国家都将等离子体应用于危险废弃物处理中，且等离子体在能源、信息等行业也发挥着重要作用。等离子体的产生具有一定条件，因等离子体控制难度较大，技术人员在生产等离子体过程中需要做好安全措施，避免在生产等离子体过程中身体受到损害。高温和低温环境都可以生产等离子体，技术人员接触放电原理来生产等离子，但使用该方法生产等离子需要把控用电量以及用电时长。放电时需要选择噪声小、封闭性较强的实验室，运用此种方式生产的等离子体被称为热等离子体。

此外，技术人员也可采用燃烧方式产生等离子体，利用此种方法产生等离子体时，技术人员需要把控火焰位置，在生产等离子体前期进行全面规划，选择结构稳定性较强的物质，保证燃烧的安全性。技术人员也可以采用激光方式产生等离子体，激光危害性较大，但相比于电力和热能燃烧产生的等离子体效果较好[2]。

高温等离子焚烧装置如图1所示。

图1 高温等离子焚烧装置

1.2 等离子体分类

按照等离子体焰的温度，等离子可以分为热等离子和冷等离子两种。冷等离子密度低，温度接近室温，电子温度较高，约为10～10 000 ℃，气体温度低，例如稀薄低压辉光放电等离子、电晕放电等离子体、DBD介质阻挡放电等离子体、索梯放电等离子体等。热等离子密度较高，具有较高的粒子活性，稠密高压（1个大气压以上），温度10～10 000 ℃，例如电弧、高频和燃烧等离子体等。按照等离子体所处的状态，可以分为平衡与非平衡等离子体。平衡等离子体的气体压力较高，电子温度与气体温度大致相等，例如常压下的电弧放电等离子体以及高频感应等立体等。非平衡等离子体通常在低气压或是常态气压中的电子温度远高于气体温度。例如低气压下DC辉光放电、高频感应辉光放电以及大气压下BDB介质阻挡放电等产生的冷等离子。

2 危险等离子体处理技术原理与优势

2.1 危险废物等离子体处理技术原理

等离子体独立于固、液、气之外被称为第四态，等离子体的高温特性和高活性特性可以用来处理各类废弃物，包括危险废弃物、医疗废弃物、低放射性废弃物等，用于固体废弃物处理的等离子体主要包括交流等离子体以及高频等离子体等。常用的等离子体能够产生高温度气体，温度达3 000～5 000 ℃，危险废弃物与等离子体相接触后，会快速发生反应，出现裂解、气化、溶解、玻璃化等反应过程[3]。

危险废弃物能够在等离子体的作用下快速分解形成CO和H2等可燃性气体，这些气体也可加以回收利用，冷却后形成结构相对紧密的玻璃状态的惰性物质。其体内重金属物质被包裹在内部，使重金属含量的渗透率远低于检测标准，此类惰性物质也可以在回收后生产建筑材料。

废弃物处理产生的玻璃状态的惰性物质如图2所示。

图2 废弃物处理产生的玻璃状态的惰性物质

2.2 危险废物等离子体处理技术优势

利用等离子体对危险废弃物进行处理，可以有效防止二噁英的产生，一般的危险废弃物处理方式会产生大量致癌物质，主要原因在于燃烧不充分或燃烧温度过高。普通的焚烧炉温度约为800 ℃，开始点火以及熄火时，炉内温度大多低于700 ℃，等离子体温度大多在18 000～20 000 ℃之间，炉内各部分平均温度大致为2 000 ℃，炉温高燃烧速度快、停留时间短、效率高，可以在处理危险废弃物时瞬间达到标准，最大限度对减少致癌物质的产生，避免对周围环境产生二次污染。

借助热等离子体，可使超高温度化学反应成为可能。在通常状态下，物质进行1 000 ℃以上的高温反应较为困难。借助等离子体可以有效解决该问题，等离子体不与任何物质直接相接触，等离子体与物质之间会形成较薄的中性薄层等离子体鞘，使等离子体产生的高温不会传递给外部材质。此外，还可借助电磁场的方式控制等离子体，使1 000 ℃以上的化学反应成为可能。

等离子体设备不会占据过大空间，且设备结构简单、操作方便、启动快捷，配合自动化技术可以实现全过程的自动化控制，设备运行安全可靠。

3 等离子体处理技术在危险废物处理中的应用

3.1 废料分解与重组

与普通危险废物处理方式不同，等离子体中心温度可达20 000～30 000 ℃，温度边缘也可达到3 000 ℃，使用高温、高压等离子体处理危险废弃物时，被处理对象将会重新组合形成新物质，使有害物质无害化，甚至转变为可利用资源。等离子体处理危险废弃物是一个分解与重组的过程，可将有毒的有机物变为无毒甚至有价值的物质。等离子体的分解重组特性是温度越高，产生的分子量就越小，分解过程中产生的化学物质，也会随着温度的降低而降低。分解重组完成后的有机物可以作为建筑材料使用。

3.2 高温与氧化

利用等离子体处理危险废弃物，将会产生极高的温度，平均温度一般为3 000～5 000 ℃。借助等离子体的较高温度，可瞬间完成对危险废弃物的分解，并产生氢气和一氧化碳，随后在氢气与一氧化碳的作用下发生氧化反应，净化混合气体后，将其排放到空气中。也可以利用此类气体驱动汽轮机发电，实现能源再利用。

4 危险废物等离子体处理技术发展前景

等离子体处理技术是近年来发展起来的处理危险废物的新型环保技术，具有高效、节能的优秀特点，使其成为处理危险固体废弃物的首选技术。

等离子体处理技术在高温高活性欠氧的环境下，能够充分分解包括二噁英在内的危险废物，并能够抑制合成，成为解决二噁英污染问题的重要途径。但国内现阶段等立体处理技术应用还处于初级阶段，处理过程需要消耗大量电力，总体应用成本较高，且对控制过程的自动化要求较高，大范围使用等离子体处理危险废弃物仍是攻坚克难的问题。

与其他危险废弃物处理技术相比，等离子体具有使用成本昂贵的特点，导致等离子体危险废弃物处理技术不具备经济优势。但等离子体处理特殊有毒危险废弃物方面的优势，使其拥有更大的发展前景。需要持续关注和开发等离子体处理技术，通过研究推动该技术的快速发展和广泛应用，为国内危险固体废物的处理提供更优秀的方案。随着科技的快速发展，技术耗电量大、经济成本高等劣势将在未来经济发展过程中得以解决，等离子体技术应用覆盖率的扩大也将大幅度提升我国危险废弃物处理效率。

5 结语

运用等离子体处理危险废弃物，具有极为广阔的发展前景，但真正在社会范围内广泛应用等离子体处理危险废弃物仍需要继续深入研究，在具体实施过程中还存在许多技术难题亟待解决。虽然我国等离子体研究起步较晚，但发展速度较快，且拥有更多自主研究的专业处理设备。随着研究的不断深入以及与其他学科交融度的不断加深，将进一步丰富等离子体处理技术以及相关理论，解决等离子体处理技术应用中存在的难题。