等离子体与等离子垃圾焚烧炉

1、定义

等离子体是一种比较特殊的整体呈现中性的电离气体。系统主要有包括离子，电子，离子团的带电粒子和中性粒子而构成。是一种能级高不稳定的物质聚集，使物质完成物、液、气的转化。等离子体是不同于固体、液体和气体的物质第四态。物质由分子构成，分子由原子构成，原子由带正电的原子核和围绕它的、带负电的电子构成。当被加热到足够高的温度或其他原因，外层电子摆脱原子核的束缚成为自由电子。这时，物质就变成了由带正电的原子核和带负电的电子组成的、一团均匀的“浆糊”，因此人们戏称它为离子浆，这些离子浆中正负电荷总量相等，因此它是近似电中性的，所以就叫等离子体。

在整个宇宙，几乎99%以上的物质都是以等离子体的形式存在。在自然界中，火焰、闪电、极光以及荧光灯的灯管内部也都有等离子体的存在。

2、等离子体与气体的差异

从等离子的定义我们可以看出，等离子体是由气体电离产生的，但是等离子体与气体有哪些差异与联系？是不是所有的电离气体都是等离子体？让我们带着这些疑问，继续学习。

（1）气体通常是不导电的，等离子体则是一种导电流体，但在整体上又保持电中性。

（2）气体分子间不存在净电磁力，而等离子体中的带电粒子间存在库仑力，因此会导致带电荷粒子群的种种特有运动。

（3）并非任何电离气体都是等电子体。只有当电离程度大到一定程度，系统的性质才会从量变到质变。

3、等离子体的产生方法

宇宙天体以及地球上层大气的电离层属于自然界产生的等离子体。在化学领域，产生等离子体的方法主要有：

（1）气体放电法

电子在电场作用下获得加速的动能，与气体分子发生碰撞使气体电离，并与二次电子发射等其他机制结合，产生气体击穿放电，形成等离子体。

（2）光电离和激光辐射电离法

用入射光子的能量来电离物质的分子，形成等离子体。

（3）射线辐射照射法

用不同的射线或粒子束照射气体产生等离子体。用这种方式产生的等离子体的效果通常较好且损耗较小。

（4）燃烧法

借助热运动的能量使足够大的原子、分子间相互碰撞引起电离，产生等离子体。这样产生的等离子体叫做火焰等离子体。

4、不同等离子体的分类方式

根据等离子不同的分类方式可以按照以下分类方式进行分类：

按照温度分类：分为高温和低温的等离子体，前者是指粒子温度在10^6-10^8等离子体，后者是指室温到3*10^4K的等离子体。

按照粒子密度分类：可以分为致密和稀薄等离子体，前者有压强在0.1个标准大气压以上电弧，后者例如辉光放电。

按照电离程度密度分类：可以分为完全电离体，部分电离体，若电离气体等。

按照所用气体的化学性质进行分类：可以有活泼与不活泼等离子气体两大类。活泼例如氧气，氢气等。不活泼有氮气，四氟化碳等。活泼气体拥有更强的化学反应活性

按照产生途径分类:分为自然和人工的等离子体两大类。雷电，极光都属于自然电离子

等离子体内富集了离子、电子、激发态原子、自由基等反应活性极强的物种，有利于产生高能量、高密度的化学条件，所以被广泛地应用于化学合成、薄膜制备、表面处理和精细化工等领域。

5、等离体应用

①等离子体冶炼：用于冶炼用普通方法难于冶炼的材料，例如高熔点的锆(Zr)、钛(Ti)、钽(Ta)、铌(Nb)、钒(V)、钨(W)等金属；还用于简化工艺过程，例如直接从ZrCl、MoS、TaO和TiCl中分别获得Zr、Mo、Ta和Ti；用等离子体熔化快速固化法可开发硬的高熔点粉末，如碳化钨-钴、Mo-Co、Mo-Ti-Zr-C等粉末等离子体冶炼的优点是产品成分及微结构的一致性好，可免除容器材料的污染。

②等离子体喷涂：许多设备的部件应能耐磨耐腐蚀、抗高温，为此需要在其表面喷涂一层具有特殊性能的材料。用等离子体沉积快速固化法可将特种材料粉末喷入热等离子体中熔化，并喷涂到基体（部件）上，使之迅速冷却、固化，形成接近 状结构的表层，这可大大提高喷涂质量。

③等离子体焊接：可用以焊接钢、合金钢；铝、铜、钛等及其合金。特点是焊缝平整，可以再加工没有氧化物杂质,焊接速度快。用于切割钢、铝及其合金，切割厚度大。

6、等离子焚烧炉（电浆熔融炉）

一、电浆炉主体：由二种电极组成（一）DC电极：可产生6,000°C电弧，高温熔融分解有害性、毒性、酸碱性、感染性等有机废弃物。（二）AC电极：保持1,500-1,800°C，于炉内底部形成玻璃浆熔融池使无机性废弃物玻璃化。

二、高温分解时产生两种反应物(有机物：还原为元素状态，富含碳、氢之合成气及微量之氧、氮、硫、汞元素。无机物：熔融成熔浆状态，因比重而成玻璃及铁浆两层。

三、合成气经净化、除酸后，以发电机燃烧发电，供电极棒继续分解废弃物进料，循环回收利用。

四、无机物熔浆量大时可制成建材、地砖、壁砖、喷砂用金钢砂、宝石或金属制品。

高温等离子焚烧炉工作模式：

1、富氧焚烧

从等离子炬尾部进气口进入的废气在富氧状态下发生氧化反应（燃烧），生成C、H2O、等单质物质，废气中有机物质被分解，高温烟气在空气冷却气吸收其中大部分热量后排放。

2、热解-- 等离子炬在无氧状态下加热有机废气，可以处理高浓度、高热值、易燃易爆气体。生成C、H2、CO、H2O、CH4、CnHm等物质，再进行二次燃烧，终实现无污染排放。

3、等离子能量冲击 --等离子炬产生大量等离子能量体，在回旋处理室内，通过自由基和活性基对废气的有机分子链进行打散。

7、与RTO相对优势

“高温等离子焚烧”技术比较“传统RTO（天然气焚烧方法）”有以下优势：

1、连续不间断的处理废气，（天燃气RTO为间歇工作模式）这在垃圾焚烧尾气，凹版印刷有机废气处理应用方面尤为重要。

2、广谱性：能够处理高浓度、成分复杂、易燃易爆及含有大量水分、固态、油状物的工业废气，实现达标排放。

3、不消耗天然气，无碳排放问题，没有阀门等运动部件，能够无故障，不间断运行上万小时。

4、风阻小，能耗低：处理2万立方米/小时的燃气RTO，为克服陶瓷蓄热体风阻就需要功耗为90千瓦的引风机。而处理2万立方米/小时的高温等离子焚烧设备（25千瓦），连同引风机（21千瓦）仅消耗46千瓦功率。

当VOCs类废气排放浓度低于200mg/m3，采用低功率密度高温等离子处理设备，每1万m3功耗仅为10kW。无论从资金投入还是从营运成本考量，本方案要远胜于浓缩吸附+RTO焚烧方案。

5、能效比高：节约能源，高温等离设备废体排放口温度，比废气进口温度仅提高几十度。

6、处理效果好：二恶英等难以处理的物质，瞬间完全分解，实现达标排放。（是垃圾焚烧尾气排放二恶英问题的理想解决方案）

7、无臭氧排放问题（低温等离子设备存在臭氧排放问题）。

8、经济适用：同样规格的高温等离子设备，价格不到燃气焚烧RTO的二分之一，运营成本低于二分之一。

9、占地面积小，自动化程度高节约人力，运营成本低。

10、不会产生二次污染。无异味，对人口居住密集地区而言这是一个重要的考量指标。

11、天燃气焚烧法RTO造价高昂，大量消耗天燃气、氧气，增加二氧化碳、一氧化碳排放，有二次污染之虑，无法应对日渐严格的环境保护标准。天燃气焚烧法因其工作机理及自身结构上的缺陷，在易燃易爆场所，或处理废 气中含有可燃成分时需要考虑防爆问题。天燃气输送储存过程可能存在因泄漏而引发的安全问题

8、等离子焚烧炉高温涂料配套

志盛威华唐工认为，等离子发生器及燃烧室可能产生的温度较高，可以采用822复合陶瓷防腐涂料，1061红外辐射节能防腐涂料等进行基材保护，也可以采用ZS-1进行高温隔热保温防止热量损失。而低温部分的烟气处理设备，如烟道烟囱、脱酸塔、除尘器、换热管等设备依然可以采722导热防腐涂料、1041烟气防腐涂料、1034耐酸碱防腐涂料等进行防腐设计。与垃圾焚烧发电锅炉或者RTO炉烟气处理部分并无差异。