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热等离子体技术处理危险废物研究进展​

2020-04-27 00:00:00
  热等离子体技术处理危险废物研究进展
  应用热等离子体处理危险废物是一种创新性技术。与传统焚烧炉相比,真正做到无害化、减量化和资源化的目的。着重介绍应用热等离子体处理危险废物的原理及优点、等离子体废物处理系统以及国外应用这种技术处理危险废物的研究现状。以引起人们对这种新技术的认识和重视。
关键词:危险废物;热等离子体;等离子体气化/玻璃化过程 ;等离子体废物处理
Research progress of Hazardous Waste Treatment Using Thermal Plasma Technology 
Yu Xin yao, Meng Yue dong 
(Institute of Plasma Physics, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China)
Abstract: Hazardous waste treatment using thermal plasma was a creative technology which achieves the aim of detoxification, reduction, and reuse of waste indeed compared with traditional incinerator. The theory and advantages of hazardous waste treatment using thermal plasma, the thermal plasma waste treatment system and the present studies of abroad were mainly introduced hoping that people could have a good knowledge of this new technology and pay attention to this new technology.
Keywords: hazardous waste; thermal plasma; plasma gasification/vitrification process; plasma waste treatment system;
  随着我国经济高速发展,产生了大量危险废物,包括医疗废物、化学毒品等,这些废弃物对于环境保护和经济的可持续发展造成了严重的危害。应用等离子体技术来处理危险废物是一种全新的方法。由气体电离产生的等离子体在等离子体发生器中温度可以达到50000C。电能通过等离子体转化为热能。选择不同类型的工作气体可以使等离子体系统工作在氧化、还原或者惰性的环境下。不同的工作环境具有不同的功能,例如氧化性环境通常用来破除有机危险废物;还原性环境通常被用来提取金属,固化含有毒重金属的废物例如飞灰等[1]。
   目前发展较成熟的国家包括:美国、加拿大、法国、英国、瑞士、日本以及以色列等,其中美国的Retech 公司、IET公司、西屋环境公司(Westinghouse Environmental Service)、PEAT公司、Startech公司;法国航太公司(Aerospatial Espace&Defence)、英国Tetronics公司以及以色列EER公司等,它们的等离子体处理技术皆已达到商业化运转阶段。其他一些国家还处于一些基础的可行性证明的实验阶段,例如希腊正在研究用电弧等离子体处理废物[2][3];台湾在这方面做了大量的工作虽然处于研究阶段,但取得了不小的成果[4]5][6][7];韩国也正在研究用电弧处理放射性废物[8]和液体有毒废物PCB【9】。另外,俄罗斯和瑞典等国家也进行了相关的研究并取得了一定的成果[10]。
1. 热等离子体技术介绍
热等离子体技术已从20世纪60年代主要用于空间相关的研究转向材料处理[11],如今热等离子体已经广泛用于材料加工领域,如等离子切割和喷涂。近年来,应用热等离子体处理危险废物成为研究的热点。大多数等离子体废物处理系统采用等离子体炬来产生等离子体能量。另一种设计是利用直流(DC)电弧等离子体。另外,还有研究用射频等离子体【12】和微波等离子体【13】处理危险废物的,本文不做介绍。
1作者:遇鑫遥,男,1981年生,硕士研究生,主要从事等离子体无害化处理危险废物的应用研究。
*中国科学院知识创新工程重要方向性项目
1.1电弧等离子体主要特征
大气压下的电弧是处于局域热力学平衡(LTE)的热等离子体。处于局域热平衡的电弧等离子体中的电子、离子和其它中性基团具有接近的温度。电弧的能量密度以及电子的密度分
别在107-109Jm-3和1022-1025m-3的范围内。由于具有高的能量密度和电子密度使得电弧放电可以在相对低的电场(通常500-5000Vm-1)下达到107-109Am-2的高电流密度。电弧的温度可以达到5000-50000K。
1.2等离子体炬技术
人们已研制开发了各种各样的等离子体炬。图1示意性的画出了两种典型的等离子体炬构型,左侧是使用金属作为电极的,右侧的是采用无电极的射频等离子体。其中有电极的等离子体炬主要有两种,一种工作在转移弧(transferred),一种工作在非转移弧(non-transferred)。其区别在于是否将所要加工的工件作为一个电极,若将加工工件作为一个电极则是工作在转移弧,否则是工作在非转移弧。


图1 主要的等离子体炬构型【14】
2.应用热等离子体处理危险废物的原理及其优点
2.1原理
热等离子体放电产生的电弧具有极高的温度,其产生辐射热、对流传热以及电子引起的传热等。能够用它来熔融危险废物形成无害化产物。主要形成物为简单的气体分子(主要为CO、H2),玻璃体以及熔融的金属单质。在等离子体反应腔中,处于上部的是气体,中部的是熔融玻璃体,下部是金属单质。形成气体分子是等离子体气化的过程,形成玻璃体的过程是等离子体玻璃化的过程。废物经过等离子体化学反应完成转化的时间在0.01—0.5s之间。这个反应时间依赖于所处理的废物种类以及温度[13]。
等离子处理,等离子技术,等离子活化,等离子清洗

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