专题: 等离子体物理及其材料处理ac reactor
等离子气化技术用于固体废物处理的研究进展*
孙成伟    沈洁    任雪梅    陈长伦†
(中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所, 合肥　230031)
(2020 年10 月10日收到; 2021 年2 月22日收到修改稿)
社会经济的快速发展致使固体废物的产量迅速增加, 传统的处理工艺, 如填埋、焚烧和堆肥等方法, 不仅效率低下, 而且存在着二次污染和资源浪费等诸多问题, 因此, 急需探索新的固体废物处理技术. 等离子气化技术因具有高效、环保和能源转化率高等特点而被应用于固体废物的处理. 本文介绍了等离子气化技术处理固体废物的背景与意义, 综述了等离子气化技术在不同固体废物处理中的应用, 就国内外等离子气化技术水平与研究进展进行了详细的阐述, 并对目前等离子气化固体废物应用中存在的问题进行了着重分析. 综合多方面因素指出等离子气化技术是固体废物资源无害化处理的有效方式.
关键词：固体废物, 等离子气化技术, 商业应用
PACS：52.77.–j, 52.75.–d　DOI: 10.7498/aps.70.20201676
1  引　言
人口的不断增长和经济的快速发展致使固体废物的产量迅速增加, 据估计, 2050年固体废物产量将达到270亿吨[1]. 固体废物具有来源广、品种多、数量大、组成复杂等特点, 在自然界中会发生化学和物理的转化, 对土壤和水质产生潜在破坏，最终危及生态环境和人类健康[2].
首先, 土壤是固体废物倾倒的主要场所, 固体废物中的重金属、有机污染物和其他有毒元素在土壤中的不断积累会对土质和植被造成破坏性影响[3]; 其次, 将海洋、湖泊作为固体废物的排放地会直接污染水体, 造成水体生态环境的失衡, 不利于水中动植物的生长和繁殖[4]; 另外, 诸如飞灰等危险固体废物含有大量的氯、重金属、可溶性盐等有害物质, 会直接对环境造成危害[5].
常见的固体废物处理方法主要包括填埋[6]、固化封装[7]、焚烧[8]、热解[9]、生物堆肥[10]等. 但这些处理技术在实际应用中存在诸多问题. 如填埋法会占用土地资源, 产生的浸出液还会导致严重的污染问题[11]; 焚烧工艺易产生二噁英和重金属等毒性物质; 而堆肥处理速度缓慢, 同时也会对空气造成污染[12]. 总之, 这些处理工艺在实际应用中大多存在着处理量小、二次污染大和资源浪费等多种弊端. 自20世纪80年代以来, 许多研究者致力于环境友好型固体废物处理技术的深入研究, 并形成了一系列成熟的技术思路, 如光化氧化技术、热解技术和热等离子气化技术等[13−15]. 其中, 热等离子体对固体废物的处理具有高温(103—104 K)、高焓值、高反应活性、可控性好等优点, 为固体废物的无害化、减量化和资源化处理开辟了新途径, 对实现经济的可持续发展具有十分重要的现实意义.
2  等离子气化技术简介
等离子体是由电子、离子和中性粒子组成的物质的第四态[16], 具有化学性质活泼、高温和高能量密度等特殊的物理化学性质. 目前, 等离子体技术在机械加工、冶金、化工和表面处理领域得到了广
*  安徽省自然科学基金(批准号: 2008085MB46, 1808085MA13)和国家自然科学基金(批准号: 51877208) 资助的课题.
†  通信作者. E-mail: clchen@ipp.ac
© 2021 中国物理学会  Chinese Physical Society wulixb.iphy.ac
泛应用[17−20], 而在固体废物的处理方面, 等离子气化技术的研究也在不断深入. 固体废物的处理利用了等离子体的高温、高能量、高焓值的属性. 等离子炬是使废物气化的能量来源之一, 电极间的放电将气体介质电离, 产生高温电弧, 高温电弧加热流过的气体介质, 从而产生高温、离子化和传导性的等离子体, 等离子体火焰的温度一般在4000—7000 ℃, 最高可达上万度, 这为固体废物热解成简单的原子提供所需的能量. 在高温条件下, 固体废物中的无机成分熔融, 经急冷固化形成玻璃体[21]，可作为建筑材料; 有机成分被分解成合成气(主要成分为CO和H2)直接燃烧处理[22], 或作为优质燃料以及用于化学合成工业, 气化过程中等离子体能够加热合成气至1200—1300 ℃的高温, 可以将复杂的有机物质彻底分解成简单的小分子物质, 避免了二噁英和呋喃等有毒物质的产生.
3  等离子气化固体废物的应用
根据成分特性, 固体废物可简单分为城市废物、危险废物和工业废物. 城市废物指城市日常生活中产生的各种废弃物[23−25]; 而危险废物包括放射性废物、飞灰和医疗废物等[26,27]; 第三类则是来自于工业生产中生成的废物, 如冶金矿渣和化工废物等[28].
3.1    城市固体废物的处理
城市生活废物成分复杂, 包括金属、玻璃和塑料等各种废弃物[29], 而且有机成分在其中占有很大比重. 由于具有高热值、不易运输和难储存等特点, 可将其制成垃圾衍生燃料(refuse derived fuel, RDF)来实现高效的等离子气化处理. Agon等[30]利用单级等离子体气化技术将RDF转化为合成气, 如图1所示. 该装置主要部件包括进料器、流化床反应器、泥渣收集器、淬火室和燃烧室. 该反应器体积为0.22 m3, 并涂有特殊耐火材料, 厚度为400 mm的绝缘材料将反应器的内表面与水冷的外墙隔开, 以减少反应器的热损失. 反应器的温度由外置的热电偶进行测量, 为了防止耐火涂层被破坏, 反应器在实验之前预热至大约1200 K的温度, 再用等离子炬进一步加热. 等离子体炬安装在反应器的顶部, 炬的阳极是一个旋转的水冷铜盘，位于电弧室外部, 这种结构产生的氧-氢-氩等离子体射流具有高电弧电压、高等离子体温度和高等离子体速度特性[31]. 废料经变速螺旋进料器添加到流化床反应器中, 产生的合成气通过气化炉上方出口进入到淬火室中, 随后通过滤袋过滤固体颗粒后在燃烧室中燃烧处理.
该气化系统具有很高的处理效率, 实验结果表明碳转化效率在80%—100%之间, 最大气化效率达到95%; 与两级等离子气化系统相比, 单级反应器产生的合成气质量更高, 但两级等离子气化系统在玻璃化炉渣等固体残留物的回收方面更占优势[32].
Shie等[33] 将一个10 kW的射频等离子体反应器用于气化城市固体废物中的生物质废料. 通过机械预处理工艺将生活垃圾/木材制成混合废料，并以此为处理对象, 研究射频等离子体炬气化废物的可行性和操作性能. 结果表明: 该设备对废物的处理迅速, 90%的气体产物在处理2 min内生成，合成气的产率在88.59%—91.84%之间, 无机成分在处理过程中转化为不可溶的无害玻璃熔岩.
3.2    危险废物处理
核反应堆、医院、工业生产和研究机构会产生大量低放射性废物, 这些低放射性废物由于体积庞大而难以储存运输, 长久的存放或不当的处理会对人体安全产生隐患. 为便于放射性废物的运输、
图 1    反应器示意图(1, 料斗; 2, 反应器; 3, 泥渣收集桶; 4, 淬火室; 5, 加力燃烧室)[30]
Fig. 1. Schematic diagram of reactor. 1, material hopper; 2, reactor; 3, slag collection bucket; 4, quenching chamber; 5, afterburner [30].
存放和处理, 巴西核动力研究机构研发了一种用于缩减放射性废物体积的等离子气化反应器[34]. 该装置使用空气作为工作气体, 石墨电极固定在机械臂中作为放电阴极, 根据废物的特性, 设计了一个碳基复合材料坩埚, 将样品与反应器的处理室连接, 避免了反应器底部的熔化池干扰渣的收集, 而且碳基复合材料坩埚充当阳极. 通过气体比重瓶密度分析法测量了等离子气化处理前后废物的质量、密度和体积的变化.
结果表明, 石墨电极产生的等离子体电弧处理致密的放射性固体废物具有很大的应用潜力. 与常规压缩放射性废物的方法相比, 经过30 min的热等离子体处理, 废物的体积减小系数达到1∶99. 因此, 该技术可以安全且具有成本效益地对放射性废物减容.
Trnovcevic等[35]使用高频微波发生器驱动的微波等离子体对放射性废物固化处理. 经微波等离子体高能效处理, 玻璃颗粒和放射性废物熔化成非
晶物质, 其中放射性物质被固化在玻璃体中, 从而形成稳定、不可浸出的玻璃化产品, 降低了放射性废物对周围环境的污染.
医疗废物中含有化学品和医疗设备等多种危害物, 毒害程度不亚于放射性废物, 在有害含碳废物中占有特殊地位[36]. 图2(a)为Messerle等[21]研制的用于将医疗废物在高温下转化为简单的稳定物质的直流等离子体废物处理设备. 该装置由电源系统、等离子控制系统、等离子体反应器和废气净化系统组成. 反应器呈立方体, 如图2(b)所示, 内衬采用耐火材料制成, 厚度为0.065 m, 内侧面积0.45 m2, 体积为0.091 m3, 配备76 kW直流等离子体炬, 形成的等离子体流速达到600 L/min, 等离子体火焰温度高达5000 K, 能够为反应器提供1700 K的高温. 医疗废物通过进料口添加到废物气化区, 气化生成的二噁英、呋喃等有毒物质在1400 ℃ 的高温下彻底裂解成小分子物质, 其他气态产物在冷却装置中冷却, 然后在气体清洁单元中过滤洗涤, 而熔渣产物积聚在反应器底部的炉渣形成区中.
该装置的能源转化率较常规焚烧更高, 最终的处理产物主要为高热量的合成气和中性炉渣等无害物质[37], 尾气经过清洁后毒害大大降低. 此外，等离子体产生的高温破坏了潜在的致病结构(微生物、病毒、菌株), 实现了医疗废物的无害化处理.
飞灰中含有铜、铅和铬等多种重金属物质, 等离子体处理可以实现飞灰体积的减容, 从而降低重金属物质对环境的污染[38]. Ma等[39]利用直流等离子体电弧对飞灰玻璃化处理. 飞灰置于石墨坩埚中, 通过石墨盖中孔对其加热, 处理过程中, 飞灰转化为玻璃化渣体, 二噁英在紫外线辐射和电弧的热量下分解成无害的小分子物质[40]. 结果表明, 等离子体处理后, 飞灰体积减少率为68.7%—82.2%，质量减少率为23.8%—56.7%, 同时, 飞灰含有的重金属经过玻璃化后浸出量远低于排放标准.
3.3    工业废物处理
工业生产过程不可避免地会产生大量的残留物和废弃物, 如矿渣、电镀污泥和碎屑等. 由于这些固体废物含有较高的重金属, 长期的积累和不当存放会对环境造成不良影响, 亦会对人类健康产生危害. Seftejani和Schenk[41]使用氢等离子体熔炼还原铁矿石, 研究还原过程中炉渣的形成和氧化铁的还原行为. 结果发现, 相较于其他钢铁制造工艺，氢等离子体对氧化铁的还原处理能够有效降低二氧化碳的排放, 在还原过程中, 氢气可被视为氧化铁的还原剂, 氢的利用率随着液态渣中氧化铁的含量减少而降低; 且氧化铁的还原速率与等离子态下氢的种类有关, 其中离子化的氢H+是最强的还原剂.
等离子体炬
氩气
进料口
等离子体反应器
气化区
等离子体
火焰
出气口
(a)
(b)
图 2    (a)等离子气化医疗废物装置示意图[21]; (b)等离子体气化反应器示意图[21]
Fig. 2. (a) Schematic diagram of plasma gasification medical waste equipment[21]; (b) schematic diagram of the plasma gasification reactor[21].
Yugeswaran等[42]研制了一种低功率转移弧等离子炬, 利用其高能量密度、高温和快速淬火等特点对锆石进行分解[43]. 如图3(a)所示, 炬由一个充当阳极的石墨坩埚(直径为70 mm, 高度为100 mm)构成, 阳极的顶面直径为60 mm, 底面直径为40 mm, 底部连接到电源的正极. 锆石原料置于阳极坩埚中, 通过阴极尖端和石墨阳极之间产生的等离子弧对坩埚中的锆石原料分解处理. 研究发现, 等离子体炬功率和加工时间显著影响锆石解离程度和产物纯度, 与空气作为工作气体相比, 氩气能够显著提高锆石解离百分比.
进水口
(a)(b)
图 3    (a)低功率转移弧等离子炬[42]; (b)非转移弧与(c)转移弧等离子炬反应器[47]
Fig. 3. (a) Low power transfer are plasma torch[42]; (b) non-transfer arc and (c) transfer arc plasma reactor[47].
电镀工业产生的电镀污泥含有多种重金属元素, 如铬、铁、镍、铜等, 是一种复杂而低结晶的混合物, 具有水溶性高、易流失和不稳定的特点[44,45].传统的活性炭惰性化处理能够使电镀污泥呈惰性稳定, 但无法起到减容的效果[46]. 近年来, 等离子体技术被广泛用于电镀污泥的无害化处理, 该技术可以把电镀污泥转化为惰性渣. 图3(b)和图3(c)所示为两种处理电镀污泥的等离子体炬反应器[47]，分别为非转移弧等离子体炬和转移弧等离子体炬.通过向电镀污泥中掺入玻璃颗粒, 使污泥中的金属锌、铬、铁和二氧化硅化
学键合后生成惰性产物.对比电镀污泥处理和浸出测试结果发现, 直流转移弧等离子炬在电镀污泥的惰性化处理方面表现出更高的效率.
4  等离子气化技术研究现状
4.1    国外等离子气化技术
国外等离子体固体废物处理技术起源于20世纪60年代, 但限于设备的高技术和高成本等原因，多用于低放射性废物和医疗废物等危害品的处理.自90年代开始, 随着技术的不断完善和装置成本的降低, 逐步涉及其他固体废物的处理. 目前, 国外等离子体废物处理技术已经取得巨大进展, 有的开始商业化运行, 有的正处于形成产业化的阶段.
4.1.1    美国西屋等离子体公司等离子气化
技术
美国有许多技术成熟且商业运作的等离子体技术公司, 如西屋等离子体公司、Phoenix Soluti-ons公司和Startech公司[48,49]. 其中以西屋等离子体公司(后被加拿大Alter公司收购)最具代表性，该公司几十年来一直从事生活垃圾、污泥和废旧物品的处理研究, 具有丰富的等离子气化废物的经验. 自2000年开始, 西屋等离子体公司在全球推广其气化处理技术, 目前已有4个成功运营业绩，同时在日本建立了规模达220 t/
d的城市生活垃圾等离子体处理厂[50]. 图4是该公司研制的等离子气化系统的示意图[51].
固体废物
进气口
等离子体炬
泥渣
图 4    等离子气化系统的示意图[51]
Fig. 4. Schematic of the plasma gasification system[51].
整个等离子体气化系统主要包括等离子气化炉和等离子炬. 等离子炬由一对管状水冷铜电极组成, 通过中间的通孔引入载气. 直流等离子炬的使用既提高了气化炉内温度, 又能将其他无机废物转变成玻璃化渣体. 气化过程主要包括四个工艺段：废物气化、等离子体处理、合成气净化和熔渣处理.将城市固体废物通过位于气化炉顶部的进料系统投入到气化炉后, 在氧化剂(氧气和蒸汽)和高温下分解生成合成气. 随后, 这些在气化过程中产生的粗合成气和熔渣落入下部的等离子体处理区, 粗合成气在极高的温度下转化为精炼合成气, 并从气化炉顶部引出, 冷却后通过净化装置以消除其中的空气污染物. 而所有的无机熔渣则逐渐下沉至底部
形成支持床层, 随后通过排渣口移出. 在整个气化过程中, 炉内产出的合成气保留了原始废料中大部分的化学能. 而传统的燃烧处理使得化学能以热量的形式释放, 造成了资源的浪费. 同时, 废料中的无机成分诸如玻璃和混凝土会以熔融炉渣的形式从底部流出, 经冷却后得到玻璃化固体材料, 可作为无害的产品销售, 也可以与底部流出的熔融金属统一回收并进一步纯化[52].
该气化技术处理的固体废物广泛, 无需进行任何预分拣即可直接对固体废物处理; 其次, 气化产生的合成气经过净化后可直接排放[53]; 另外, 由于炉内的操作温度可达1200—1500 ℃, 较高的气化温度和缺氧的环境避免了二噁英和呋喃等有毒物质的生成.4.1.2    韩国等离子气化技术
近几十年来, 韩国在等离子体气化固体废物方面的研究也在不断发展, 实际上, 韩国核环境技术研究所在20世纪90年代初就已利用等离子体技术处理低放射性废物, 并开发了商业化的放射性废物处理装置[54]. 位于韩国大田的韩国原子能研究所建造了处理低放射性废物的熔化器设备. 该设备不仅可以处理放射性土壤、金属以及混凝土, 而且无需对废物分类和压缩[55].
韩国浦项科技大学开发了一种热等离子体废物处理工艺[56], 装置如图5所示. 该设备可用于食品、金属和玻璃等城市废物的处理, 经热等离子体熔融处理后废物转化为无毒熔渣, 尾气经清洁处理后不含氮氧化物和硫化物等污染气体.
WWS: 废水储存
出口
蒸汽发生器
集成炉
除尘器
矿渣淬火水箱
进料系统
废物进料集成炉
蒸汽
发生器
除尘器
淬火
洗涤塔
淬火洗涤塔
二次
燃烧炉
二次燃烧炉
燃气
冷却器
囤积
囤积
进口
ProS: 丙烷进口
WS: 水储存
NSS: NaOH储存
SLS: 碱石灰储存
图 5    热等离子体工艺处理城市废物示意图[56]
Fig. 5. Schematic diagram of thermal plasma process for municipal solid waste treatment[56].
装置的核心是配备了两个非转移弧等离子体炬的气化炉[56], 如图6所示, 气化炉由炉体、非转移弧等离子体炬、辅助燃烧器、废料供给系统、熔渣出口等部分组成. 辅助燃烧器的作用是点燃废料, 预热炉温(最初12 h 达到600 ℃). 200 kW的等离子体炬以30°角嵌入气化炉, 热效率能够达到70%, 工作电压和电流分别约为571 V和293 A，炉内的工作压力保持在101 kPa, 氩气作为载气以500 L/min的流速通入热等离子体炬. 通过辅助燃烧器点燃废物并预热熔炉, 使得炉内的温度保持在1400 ℃, 随后在等离子体炬作用下废物全部被熔化. 另外, 炉内的等离子流可在炉内产生离心力，使气化后的飞灰和未燃烧的废物附着在熔炉壁上，防止排放到外部环境中.
图 6    集成炉示意图[56]
Fig. 6. Schematic of the integrated furnace[56].

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