等離子體火炬處理固體廢物的工作原理
（一）等離子體的概念
等離子體是物質(zhì)存在的第四態(tài)，它是氣體電離后形成的，是由電子、離子、原子、分子或自由基等粒子組成的集合體，它具有宏觀尺度內(nèi)的電中性與高導(dǎo)電性。等離子體是極活潑的反應(yīng)性物種，使通常條件下難以進(jìn)行或速度很慢的反應(yīng)變得快速，尤其有利于難消解污染物的處理。
在人工生成等離子體的方法中，氣體放電法比加熱的辦法更加簡便高效，諸如熒光燈、霓虹燈、電弧焊、電暈放電等等。
（二）等離子體的分類
按粒子的溫度等離子體可分為兩大類，熱平衡等離子體(或熱等離子體) 與非熱平衡等離子體(或冷等離子體)。
冷等離子體的特征是它的能量密度較低，重粒子溫度接近室溫而電子溫度卻很高，電子與離子有很高的反應(yīng)活性。相對地，熱等離子體的能量密度很高，重粒子溫度與電子溫度相近，通常為10000K 至20000K 的數(shù)量級，各種粒子的反應(yīng)活性都很高，本文后面所提到的等離子體如未特別說明即指熱等離子體。
（三）等離子體的產(chǎn)生方法
熱等離子體的產(chǎn)生方法，它包括大氣壓下電極間的交流(AC)與直流(DC)放電、常壓電感耦合等離子體、常壓微波放電等。下面介紹微波等離子體炬(microwave plasma torch)：
微波等離子體炬（MPT）是一種開放結(jié)構(gòu)的等離子體源，是由金欽漢等于1985年首先提出來，目前實驗室常用的微波源是2.45GHz，MPT炬管是一個直接耦合的同軸波導(dǎo)微波諧振腔，腔內(nèi)存在著固定的電場和磁場分布，而這種特定的能量分布維持了等離子體放電，將一段同軸線一端短路，另一端開路，就構(gòu)成了同軸諧振腔。MPT炬管的內(nèi)管和中管是相連通的終端短路活塞的存在使其成為一個同軸微波諧振腔，同軸諧振腔有三種耦合方式：直接耦合，電容耦合和電感耦合。直接耦合又稱為電導(dǎo)耦合，其方法是在同軸腔外導(dǎo)體上開孔，將同軸傳輸線（天線）的內(nèi)導(dǎo)體直接連接導(dǎo)同軸腔的內(nèi)導(dǎo)體上，MPT炬管就是采用的這種方式。當(dāng)炬管頂端到調(diào)諧活塞端面的距離是λ/4的奇數(shù)倍時（一般為3λ/4），頂端的電場為最強(qiáng)，就可在頂端形成和維持等離子體。電子科技大學(xué)高能所的微波等離子體火炬系統(tǒng)，微波的工作頻率為2.45GHz，磁控管產(chǎn)生的微波通過波導(dǎo)系統(tǒng)、三端調(diào)配和短路活塞耦合到同軸傳輸線（天線），并在離內(nèi)管端口幾厘米的地方形成特定的電磁場分布，從而使空氣等工作氣體電離形成等離子體火炬，圖中的等離子體火炬的火焰長度只要幾厘米，它的主要應(yīng)用是金剛石薄膜、材料的表面改性、化學(xué)分析、納米材料制備、廢物處理等。
微波等離子體的參數(shù)：
工作頻率： 2450±50MHz 輸出功率： 1.0－2.0kW
工作范圍： 100 Torr 至大氣壓 波導(dǎo)接口： BJ-26
微波等離子體炬設(shè)備組成：
磁控管提供能源 微波能從波導(dǎo)諧振腔引出
微波傳輸系統(tǒng) 噴嘴
微波等離子體火炬作為處理醫(yī)療垃圾系統(tǒng)可行性還值得進(jìn)一步研究，因為它不僅可以利用等離子體火炬沖擊、分解垃圾，還可以利用微波高效的熱作用進(jìn)行醫(yī)療垃圾的熱解，達(dá)到高效的廢物處理。
（二）等離子體火炬處理固體廢物的應(yīng)用
等離子體火炬，尤其是電弧等離子體火炬在醫(yī)療垃圾的應(yīng)用已經(jīng)開始，美國、日本、加拿大等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)進(jìn)行等離子體處理廢物的研制和商品化進(jìn)程已經(jīng)進(jìn)行幾年時間，并已經(jīng)開始了商品化應(yīng)用。
下面是微波等離子體火炬處理固體廢物的應(yīng)用設(shè)想，利用它可處理:城市固態(tài)垃圾、淤泥、工業(yè)固廢以及液態(tài)有機(jī)垃圾等。等離子體分解有機(jī)廢物可得到氫氣及一氧化碳，并可通過一個附屬設(shè)備提取。它們可以用作化學(xué)原料去生產(chǎn)其它產(chǎn)品，如聚合物或其他化學(xué)產(chǎn)品。氫氣是十分有價值的商業(yè)氣體，可應(yīng)用在多種制造日用品的工藝中，例如：氨及塑料、藥物、維生素、食油等。它亦可為燃料電池提供能量。燃料電池被廣泛認(rèn)為是未來解決污染問題的潔凈能源。從無機(jī)廢物中得到的可再用的產(chǎn)品包括可用于冶金工業(yè)的合成金屬，可用于建筑及研磨材料的玻璃狀的硅石。
等離子體處理廢物流程，在等離子體熱處理系統(tǒng)中，主要設(shè)備是兩臺等離子體火炬，即第一氣化室和第二氣化室。
在處理廢物時，垃圾首先被切碎并注入第一氣化器（等離子體熱處理系統(tǒng)）。工作溫度在1800－1900K，300KW。減容比高：90%甚至95%以上。產(chǎn)生的等離子體火炬可以很快使有機(jī)物分解成一氧化碳和氫，無機(jī)物則變?yōu)椴Ａ畹墓枋?br />
第二氣化室（加力燃燒室）等離子體火炬可對第一氣化室中合成氣體中的一些殘留微粒和一些碳?xì)浠衔镌龠M(jìn)一步進(jìn)行分解處理。
通過第二氣化室處理后的混合氣體經(jīng)過凈化系統(tǒng)后，成為只含H2和CO的混合氣體，加力燃燒室在1000○C溫度環(huán)境下對H2和CO的混合氣體進(jìn)一步進(jìn)行處理，以確保無有害的混合物產(chǎn)生，比如二氧芑和呋喃等，最后排放到空氣中。當(dāng)然也可以取消加力燃燒室而利用這些混合氣體去驅(qū)動汽輪機(jī)發(fā)電。
在第一氣化器中垃圾的無機(jī)物部分熔化成玻璃狀的無污染的爐渣，爐渣可安全用于建筑材料，根據(jù)不同的用途，爐渣可復(fù)原為各種形式。
三、等離子體處理廢物的前景
與其他有競爭力的廢物處理過程相比，熱等離子體處理廢物比較昂貴。而在一些特殊類型的有毒廢物處理問題上熱等離子體處理具有獨(dú)特的優(yōu)勢，因此等離子體主要用于焚燒爐難于處理的廢物，包括被污染的陶瓷廢物、高熔點金屬、需要治理的含有毒揮發(fā)成分的廢氣等。
等離子體進(jìn)行廢物處理的主要缺點在于以電力作為能源，經(jīng)濟(jì)成本高。此外，與傳統(tǒng)廢物處理方式相比，等離子體過程具有更多的過程控制參數(shù)，從而在過程控制中要求自動化程度很高?？磥韺τ谶@種大規(guī)模的設(shè)備仍然缺乏一個堅實的工程基礎(chǔ)。
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