论文：等离子体前沿技术.doc

课题：等离子体前沿技术

学校：北京交通大学

学院：电气工程学院

专业：电气信息类

班级：1106班

姓名：黄汉川

学号：11291173

日期：2012/5/22

等离子体技术在三废处理中的应用

摘要:等离子体环保技术随当今世界环境问题的日益严峻而得到迅速发展,本文阐述了等离子体的概念、基本参数、生成方式, 利用等离子体进行污染控制的基本过程及发生装置，从大气污染、水污染、固体废物治理三个方面简述在三废处理中各种等离子体技术的应用及特点，分析其存在的问题，展示了等离子体技术在环境保护中的应用前景.

关键词:等离子体技术 三废 环境保护

引言：20世纪60年代形成的等离子体化学是基于高能物理、放电物理、放电化学、反应工程学、高压脉冲技术等领域的一门交叉科学。利用等离子体净化气态污染物自70年代开始研究以来, 显示出了独特的优点和良好的发展前景, 目前有的已经进入应用阶段, 但大多数处于研究开发阶段。研究结果表明, 等离子体法具有处理流程短、效率高、能耗低、适用范围广等优点, 等离子体既可用于处理废气, 又可用于处理废水、固体废物、污泥, 甚至放射性废物。

1 等离子概述
1．1等离子体概念：等离子体(Plasma)是一种由自由电子和带电离子为主要成分的物质形态，广泛存在于宇宙中常被视为是物质的第四态，被称为等离子态，或者“超气态"，也常被称为“电浆体"。
1. 2 等离子体的基本参数
等离子体的状态主要取决于它的组成粒子、粒子密度和粒子温度，其中粒子密度和温度是描述等离子体特性的最重要的基本参量。
1. 3等离子体的生成方式
(1)光和射线照射：通过光或射线的照射提供气体电离所需要的能量，如大功率的激光照射能够使物质蒸发电离，由于其放电的起始电荷是电离生成的离子，所形成的电荷密度通常极低。
(2)辉光放电，电晕放电：辉光放电是指通过从直流到微波的所有频率段的电源激励产生各种不同的电离状态。由于电场线密度过大，或者说电场强度过大引起的空气击穿放电现象就是电晕放电。
(3)燃烧：通过燃烧，火焰中的高能粒子相互之间发生碰撞，从而导致气体发生电离，这种电离通常称之为热电离。
(4)气体放电法：带电粒子在电场作用下获得加速动能与气体分子碰撞、加之阴极二次电子发射等机制的作用，导致气体击穿放电而形成等离子体。
(5)冲击波法：当冲击波在气体中通过时，气体受绝热压缩产生的高温来获得等离子体。
2 等离子体污染控制基本过程
采用气体放电技术以产生等离子体时, 根据放电过程中的气压,等离子体可以分为平衡等离子体和非平衡等离子体,若放电在接近大气压的高气压条件下进行,则电子、离子、中性粒子会通过激烈碰撞而充分交换能量,从而使等离子体达到热平衡状态。反之, 数百帕以下的低气压等离子体常常处于非热平衡状态。此时,其电子温度可高达上万度, 而重粒子温度只有几百度或接近室温。另外, 不仅放电气压,而且放电长度、电极间距都会影响放电产生的等离子体形态,因此低温等离子体也可以通过不产生热效应的短脉冲放电模式来生成, 还有介质阻挡放电等离子体和大气压下的辉光放电等离子体都是大气压下放电产生的非平衡等离子体。根据温度、电子密度的不同,等离子体可以为高温等离子体和低温等离子体, 见表1。
等离子体中典型的反应类型见表 2。由表 2中基本的等离子体反应类型可以看出, 当反应需要高温下进行时常采用平衡等离子体, 平衡等离子体中的化学反应主要利用等离子体中的大量正负离子的复合过程所释放出的高热量进行。其中我们主要利用两种效应, 一是粒子间碰撞和粒子和固壁表面碰撞所产生的热使污染物分子的化学键断裂, 一是离解过程中自由基与污染物分子的碰撞使污染物分子的化学键断裂。第一种概念与燃烧理论基本相似,只是具有温度更高的优势。第二种理论可用于处理气体或液体污染物或利用转移弧等离子体处理固体污染物。

非平衡等离子体中的化学反应主要是通过气体放电产生的快电子激发来完成的, 这些快电子与气体分子碰撞,使气体分子激发到更高能级,被激发到高能级的分子由于其内能的增加, 既可以发生键的断裂也可以与其它物种发生化学反应, 而碰撞失去部分能量的电子在电场作用下仍可得到补偿。
3用于污染物处理的热等离子体发生器
热等离子体中的电子、离子、中性粒子等具有统一的热力学温度,达到热力学平衡状态,具有很高的热性能,导热性、温度梯度也很高,因此通常用于有热量需要的污染物热解、气化、熔融等过程。热等离子体发生器( Thermal Plasma Generator)是指能稳定地产生和维持温度为 2 # 103K~ 2 # 104K 的等离子体并把电能转化为热能的装置, 也称为等离子体炬( Plasma Torch)或等离子体枪( Plasma Gun)。它是热等离子体技术实施应用的前提和基础。目前用于各种材料工业及污染控制的热等离子体主要由高强度直流电弧放电与射频( 几兆至几十兆赫兹) 感应耦合产生,有时也采用交流电弧、 脉冲放电、 微波加热、爆炸丝等方式产生。
4 用于污染物处理的非平衡等离子体发生器
由于产生低温等离子体所需能量很少, 与热等离子体相比,气体温度与反应器温度上升也很低,避免了反应器材料选择和冷却等问题,因此,低温等离子体是在工业上应用得最为广泛的一种等离子体。用于污染控制的非平衡等离子体主要包括以下类型: 电弧辉光放电等离子体、 低压射频放电等离子体、 脉冲电晕放电等离子体、介质阻挡放电等离子体、电子束、微波放电等离子体等等。表3 列举了各种发生器及其相关等离子体放电参数, 其中, 电弧辉光放电等离子体、低压射频放电等离子体属于真空放电等离子体,从处理速度和成本方面考虑,人们通常是避开真空放电而选择大气压下的电晕放电、介质阻挡放电等,典型的放电反应器有脉冲电晕放电反应器、介质阻挡放电反应器和电子束。

脉冲电晕放电反应器是使用较早的一种非平衡等离子体发生器,它是利用脉冲电源产生的脉冲使迁徙率高的电子在自由程中受到突发强电场的加速而获得足够的能量,同时防止了迁徙率低的离子在电场中的加速造成的能量浪费。电晕放电发生在非常狭小的区域, 而且它很不稳定,而使这种放电能够稳定的一种方法是施加纳秒至微秒的快速上升的短脉冲电压而形成短脉冲电晕, 采用这样快速上升的波形是为了只加速不引起温度上升的质量较小的电子而不加速质量较大的离子, 并且使放电电压高于火花放电的起始电压。这种超短脉冲能量可以在只消耗很少能量的情况下分解一系列有害气体, 但是这种带火花间歇开关的电源装置昂贵, 而且设备工作时噪音很大。另外一种得到广泛应用的是介质阻挡放电反应器,这种反应器方式也可以使得放电在气体中的重离子被加速前结束。它的做法是在金属电极表面覆盖介质(石英玻璃等) 作为阻挡层, 然后施加 50Hz
100Hz的交流高压, 这样就可以大面积生成无火花放电的稳定流注电晕, 同时避免了设备工作时的噪音,因而也叫做无声放电,这种装置最初应用于臭氧制备,用于污染物处理时,产生的臭氧的强氧化性对挥发性有机物降解起着重要作用。在电子束污染控制技术中, 反应在室温下进行,污染物的降解通过分子与电子束加速器释放的高能电子碰撞发生,自由电子源与需要处理的污染物是分离的, 因而污染物对等离子体的形成没有不利影响。
5 应用等离子体降解有害污染物
5. 1 气体污染物
各种有害的气体污染物主要可分为: 1) 酸性气体污染物, 如SO2、HCl、NOx ; 2) 有机挥发性气体VOCs; 3) 温室气体CO2、CH4; 4) 破坏臭氧物质, 如CFC12 等。非平衡等离子体技术是消除气体污染物的有效控制技术之一, 许多研究结果表明, 该技术对于气体污染物的脱除具有很大潜力, 其很高的化学活性, 适合于对气体污染物进行破坏分解。近年来, 很多研究利用非平衡等离子体脱除气体中的SO2、NOx、VOCs 等, 这些研究集中考虑了两方面问题, 一是过程的能量效率, 二是反应产物或副产物的分布。
一般研究表明, 等离子体输入功率对转化效率影响最大, 随着输入功率的增加, 污染物的降解率增加。污染气体浓度对转化效率有一定影响,非平衡等离子体通常用于脱除大流量、低浓度( ∋1000ppm() 的有害气体, 在这些过程中, 由载气产生的高化学活性粒子与污染物分子发生碰撞反应,随污染物浓度的上升, 载气浓度相应下降, 转化率也急剧下降。另外, 由于稀释气体在放电体系中占相当大的体积, 并且在放电过程中产生大量高能电子和活性粒子, 如N* OH、O3( p) 等活性自由基, 这些粒子都直接或间接地参与化学反应, 稀释气体的种类不仅直接影响污染物的降解效果, 还影响反应副产物的生成与分布。
在应用等离子体降解污染物的过程中, 除了着重考虑等离子体对污染物的降解效率, 还应考察污染物等离子体降解过程结束后的降解产物。由于等离子体降解过程某些副产物选择性的不可控, 可能会产生一些有害产物, 如用射频电源放电等离子体降解CF2ClBr 过程中, 发现产物中生成了比它自身毒性更大的CF2O、Br2、Cl2 等。控制副产物产生的一种途径是改变载气成分,比如,将气体中的氧含量控制在3%以内以控制NOx 的生成，增加反应气体湿度以控制有机副产物产生; 还可以通过增加功率使反应中产生的有机副产物减少; ToshiakiYamamoto 在他的研究中，对非平衡等离子体降解污染物过程进行了优化研究, 结果表明, 考虑到降解效率与副产物控制, 许多污染物的降解不仅仅依赖输入功率, 更取决于污染物在等离子体中的停留时间, 因而可以降低电压、增加停留时间的方式降解污染物,从而优化该过程。
由于, 等离子体污染控制技术中出现的处理效率与副产物生成问题, 许多为克服这些缺陷的尝试研究纷纷出现, 其中一种是将等离子体技术与催化技术相结合，从而更加有效的提高能量效率与控制副产物的产生, 免除或减少吸附法的后处理过程,催化技术与等离子体技术相结合反应器可以分为两类, 一步过程反应器与两步过程反应器。在一步过程反应器中, 催化剂置于反应器中, 被等离子体活化产生光子, 通常该过程温度低于正常热催化反应温度, 所以, 一步过程也称为等离子体驱动催化过程。在两步过程反应器中, 等离子体降解污染物的同时,产生臭氧促进催化反应, 又称为等离子体加强或等离子体协助催化过程。另外一种尝试是改善放电模式, 包括反应器结构和放电参数比如放电频率、电压波形等等。
5. 2 液体污染物
用于液体污染物控制的等离子体技术分为直接和间接方式, 主要包括以下几类, 利用等离子体产生的臭氧或其它强氧化性物质, 将其导入液体污染物中, 或利用等离子体技术产生的紫外光UV 间接处理污染物, 还可以直接在液体污染物中采用脉冲电弧或脉冲电晕放电产生的电子、离子等处理污染物。美国的H R Snyder 等利用电弧等离子体降解液体污染溶剂, 选用丙酮作为代表材料,在电流强度75A,体系中加入氧气的情况下,对流量200ml/h的丙酮降解效率超过99%美国国家环境保护委员会与纽约环保部门合作建立了一套等离子体电弧液体污染物处理系统, 处理量55 加仑/小时,以处理CCl4 为例,降解效率可以达到99. 99%。
5. 3 固体污染物
固体有害污染物主要指各种放射性物质生产过程中产生的废渣, 如核电站废料, 含剧毒可溶性物质的废渣, 化工废料、医疗垃圾, 垃圾焚烧场废渣等等。采用热等离子体处理固体废弃物, 处理方法可以分为以下几种: 等离子体氧化或燃烧; 等离子体热解,使可燃固体废弃物在还原性气氛下气化, 重组为其它气体; 脉冲电弧产生冲击波, 用于将固体废弃物分解并分离为金属、塑料、有机物等。在目前对城市垃圾的处理方法中, 焚烧处理仍占主导地位, 在焚烧过程中残留物及飞灰含各种痕量重金属, 如Pb, Cd, 同时含有二氧( 杂) 芑等化合物, 由于它们的高毒性, 必须加强对它们的妥善处理。日本学者Koutaro Katou 等利用电弧等离子体熔化炉对城市垃圾的毒性脱除及减少容积进行了研究, 结果表明, 残余物中超过99% 的PCDDs 和PCDFs 已经被降解, 炉内保持负压, 可以控制NOx生成, 同时, 超过1400 & 的高温也可以控制HCl 和SOx 的生成, 经过等离子体熔融后的玻璃状残渣已无毒性, 飞灰中的Pb, Zn 等含量高, 可进行回收。Min Sakano 等则采用射频等离子体对垃圾焚烧残余物的处理进行了研究, 所得结果相似。美国加州Haw kins 公司开发了一套转移弧等离子体医疗垃圾处理系统, 在等离子体高温及还原性气氛下, 加入水蒸汽, 可将医疗垃圾中的有机及固体转化为玻璃状残余物及清洁气体。
6 总结
随着人类能源危机的加剧和环保意识的加强,污染物有效控制变得越来越重要。等离子体技术由于可以将有害污染物降解, 或降解同时回收有用资源, 具有其它传统处理技术所不具备的一系列独特优越性, 正逐渐成为污染物控制的替代技术。为使得这一技术能得以商业化, 必须进一步改善的是该技术的处理速度、能量利用效率、系统压降、副产物产生及利用效率等。等离子体污染控制技术由于其独有的科技性和高效率, 在未来的环保产业中将具有广阔的发展前景。
7. 致谢
通过等离子体前沿技术课的学习，使我学到了很多有用的东西，还在老师的指导下完成了这篇论文，在此，我要感谢刘老师，谢谢您！
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