摘要：采用等离子体高温熔融技术处置危险废物近年来受到了越来越多的关注。但是，经济性不佳已经成为阻碍热等离子体垃圾处理技术发展的主要障碍。为了解决这个问题，中广环境提出了回收废热预热垃圾、提升终产物附加值以及增加可燃物含量3个途径来提高热等离子体技术的经济性，并对上述建议可能产生的经济效果进行了分析和评估。结论认为，只要采取合理的技术措施，完全可以有效地降低热等离子体垃圾处理技术的运行费用，并促进该技术在未来实现更多的商业化应用。
1. 引言
式中，Q节能表示采用废热预热垃圾后节省的能耗，Q未预热表示未采用废热预热垃圾时的能耗，T预热为垃圾预热后温度，T环境表示环境温度，T处理表示垃圾最高处理温度。当环境温度为20℃，最高处理温度1400℃时，可以粗略估算出垃圾被预热到100℃时电耗降低5.8%，预热到200℃时电耗降低13%。
热等离子体技术处理的产物包括玻璃化残渣、金属以及各种热解合成气等多种。
图1废热回收与利用原理
等离子体技术熔融处理废弃IC电路板等电子垃圾，从熔渣中回收了具有极高附加值的金、银、铜等贵金属[8]，而炼钢工业产生的的粉尘、炉渣等垃圾中则含有大量的贱金属，采用热等离子体技术从中回收贱金属也具有比较高的经济价值。其中，金属氧化物的还原可以使用还原性的等离子气体或者还原性添加剂（如碳）进行还原来实现。而锌、铅等金属可从熔融物中回收，或通过蒸汽冷凝来回收[9]。
参考文献 略 撰稿人：陈庆高
世界范围内人口、消费的增加及工业规模的不断扩大，导致了大量危险固体废物的产生。例如，油漆渣、医疗废物、过期药品、多氯联苯和剧毒农药具有高毒性与残留性，通过地下水和食物链在人体及动物体内富集后会导致癌症及基因变异；垃圾焚烧飞灰和空气污染控制残留物中含有高浓度重金属、二恶英及呋喃，被列为绝对危险的有害物；医疗垃圾中则含有大量的细菌和病毒；电子产品元件中普遍含有铅、镉等数百种高度有害的化学物质。如何处理这些高危险性环境污染物，已经成为当前国际上共同关心的重要课题。
热等离子体处理技术把垃圾高温热解和灰渣1400℃以上熔融两个过程结合起来，能有效地处理传统的圾焚烧技术不能处理的难降解垃圾，处理产物无害，并可被再生利用，同时最大限度地实现垃圾减容、减量，因而在危险垃圾处理领域应用前景十分看好。热等离子处理技术的主要优点在于节省了填埋费用，并增加了终产品及副产品的潜在应用价值。但是，由于该技术以昂贵的电力为能量的最主要来源，在很多情况下，这种经济上的弊端已经成为制约热等离子技术发展的主要障碍[1]。但尽管如此，到现在为止，针对热等离子体处理技术经济性方面的研究却非常缺乏。因此，对可能降低热等离子体处理技术运行费用的方法或技术方面展开研究是非常有必要的。
1热等离子体垃圾处理技术的几种节能增效方法
1.1回收废热预热垃圾
热等离子体熔融炉主燃烧室内的处理温度高达1400℃，排烟温度高达1100℃，其热损失主要来自于排烟和炉墙散热，若能设法将其回收利用，就能显著提高热等离子体处理系统的热经济性。
常规热等离子体熔融炉的散热损失主要来自于用来降低炉墙外表面温度的水冷套，而排烟热损失则取决于垃圾的种类。含氯垃圾为了避免二恶英的合成，通常采用喷水急冷的方式将高温排烟直接降温到150℃以下，其热量难以回收。而其他不产生二恶英的垃圾处理过程，其废热就完全可以通过换热的方式进行回收。
对于以电力为主要能源的热等离子体系统而言，回收的废热直接用于降低系统电耗比用于发电更为可取。以利用废热预热垃圾为例，可以粗略地认为，垃圾预热过程能够利用多少废热，垃圾处理过程就能直接降低多少电耗，估算如下：
如果垃圾中含水量较高，则由于水的汽化潜热远大于显热，只要在预热阶段使水分汽化就能获得大幅度的节电效果。
垃圾预热过程可以采用接触加热和不接触加热两种方式。前者利用废热产生的高温热空气与垃圾直接接触来预热垃圾，后者通过换热器来间接预热垃圾。当处理过程需要助燃空气时可以采用接触加热方式，需要产生特定成分的合成气产物时，可以采用不接触加热方式。
废热或散热回收过程采用何种换热技术也有多种选择。接触加热时可以使待加热空气先进入布置在炉墙内的金属换热管，带走炉墙的散热并对空气进行第一次预热，然后再进入布置在二次燃烧出口下游烟道内的高温空气预热器内，完成对热空气的第二次预热，其流程如图1（a）所示。如果要求对垃圾进行间接预热，则可以采用分体式热管，如图1中（b）、（c）所示。其中热管的蒸发段布置在炉墙或烟道内，凝结段可以布置在垃圾预热室内。
1.2提升终产物附加值
玻璃化残渣的浸出性非常低，可以用于生产各种垃圾衍生产品。例如，日本目前已经利用商业化的等离子体熔融厂产生的颗粒状渣与其他材料如水泥、砾石等组合在一起用来生产咬接砌块、铺路砖、装饰透水性砖等。这种砖不但重金属的浸出性较低，强度也能满足相关产品标准的要求[2]。另外，台湾原子能研究所在采用热等离子体熔融处理城市垃圾焚烧灰的过程中，通过添加TiO2，MnO2，Fe2O3和CP-236釉料4种成分，分别获得了粉红色、黑色、红棕色及蓝色的玻璃陶瓷产品[3]。这类陶瓷具有增强的特性和更高的附加值。鉴于玻璃化渣是多数热等离子体垃圾处理过程都存在的主要终产物，因此，提高该产物的附加值对于降低热等离子体垃圾处理技术的运行费用具有更为普遍的意义。
合成气是含有机物成分的垃圾经热等离子体处理后的另一种高附加值产品。表1中列出了研究者到目前为止对轮胎、塑料等垃圾进行处理后所获得的合成气的成分分布情况，从表1可以看出，所获得合成气的成分及含量是令人满意的。此外，Startech公司对热等离子体热解所获得合成气进一步进行膜分离处理后，获得了高纯度的H2能源，从而更大地提升了热解气体产物的附加值。
表1热等离子体热解处理试样数据（空白处表示未提供相关数据）[4-6]
1.3提高可燃成分含量
垃圾中可燃成分燃烧过程产生的热量能直接替代热等离子体系统的电耗，具有最为直接的节电效果，这种情况下适合以空气或者氧气作为等离子体发生器的工作气体。
为了提高可燃成分的含量，可以考虑在燃烧过程中添加天然气等较电能廉价的能源。例如，泰国清迈大学[10]热等离子体系统就采用了这种添加少量天然气的处理技术。处理过程采用了一种以空气作为工作气体、功率为20kW的非转移弧直流等离子体炬。结果表明，等离子体系统在80s的时间内处理温度即达到1200K，2min时间内垃圾的体积减小了80%，说明这种添加少量燃气的热等离子体系统处理电子垃圾时仍然是非常有效的，并且同时还能节省大量昂贵的电能。
2 结语
在总结前人已有研究的基础上，提出了提高热等离子体垃圾处理系统经济性的3个建议，并进行了简要的理论分析和举例。建议中提及的方法能够有效地提升热等离子体垃圾处理技术的经济性，特别是垃圾预热和提升终产物附加值两种方法产生的节能效果可能更为明显，这将有力地促进热等离子体危险垃圾处理技术在商业领域的进一步推广应用。
