等离子熔融气化技术在电子固体废弃物处理回收上的应用

闫金山，陈志伟，陈 峰，吴久峰，于德洋

(中国航天空气动力技术研究院 北京 100074)

0 引言

加强对各类固体废弃物(城市生活垃圾、工业固废、医疗和电子危废、污水污泥等)的无害化、减量化和资源化处理是“十二五”国家环保事业和环保产业发展的主要内容之一，也是关系到坚持科学发展观，推进循环经济和建设和谐社会的重要任务。在当今信息化的社会里，随着电子工业的飞速发展，各类电子产品的用量越来越多，而伴随着产品的不断更新换代，电子固体废弃物也越来越多，目前已经成为导致自然环境恶化的重要因素之一，已经引起了各国政府的密切关注，因此，对电子固体废弃物的资源化研究在目前的形势下显得尤为重要。

电子固体废弃物包括废旧手机、电脑、电视机、空调、冰箱、打印机、复印机、数码摄像机、数码照相机、VCD、DVD、音响设备等以及此类产品生产过程中产生的半成品、原材料等。它具有鲜明的二重性，一方面是全球电子固体废弃物数量增长速度惊人而且由于其元器件中含有铅(Pb)、汞(Hg)、镉(Cd)、六价铬(Cr6+)、多溴苯酚(PBB)和多溴二苯醚(PBDE)等有害物质，如果处置不当会对环境造成严重危害;另一方面是其元器件中含有铜(Cu)、铝(Al)、银(Ag)、金(Au)等有用金属和贵金属，以及玻璃、塑料等，如果能加以回收，又是有意义的资源再生，因此有人称数量巨大的电子垃圾是“城市矿山”。

我国已是电子电器产品生产和消费大国，每年要报废电脑约2 000万台、淘汰手机约7 000万台、废弃大家电约1 500万台;而且每年还容纳全球约70%的电子垃圾。国家有关部门不断颁布方针规定，积极引导电子废弃物处理行业健康发展并收到一定效果，但是仍然存在大量个体收购和手工作坊式的用“火烧”(用简陋的炉子烧电子绕线板等)和用“水泡”(用强酸和“王水”浸泡芯片等)方式来取得其中贵金属的负面现象，其后果是焚烧后的废气和浸泡后的废液对土壤、空气和水源造成极大的污染。

1 目前电子固体废弃物的处理方式

分选技术:电子固体废物分选是实现固体废物资源化、减量化的重要手段，通过分选将有用的充分选出来加以利用，将有害的充分分离出来;另一种是将不同粒度级别的废弃物加以分离，分选的基本原理是利用物料的某些性方面的差异，将其分离开。

固化处理技术:固化技术是通向废弃物中添加固化基材，使有害固体废物固定或包容在惰性固化基材中的一种无害化处理过程，经过处理的固化产物具有良好的抗渗透性、良好的机械性以及抗浸出性、抗干湿、抗冻融特性，固化处理根据固化基材的不同可分为沉固化、沥青固化、玻璃固化及胶质固化等。

焚烧技术:焚烧法是固体废物高温分解和深度氧化的综合处理过程，好处是大量有害的废料分解而变成无害的物质，近几年来由于固体废弃物中可燃物的比例逐渐增加，采用焚烧方法处理固体的废弃物，利用其热能已成为必须的发展趋势，以此种处理方法，固体废弃物占地少，处理量大。但是焚烧法也有缺点，如投资较大，焚烧过程排烟造成二次污染，设备锈蚀现象严重等。

热解技术:热解技术由焚烧技术衍生产生，热解是指可燃组分在缺氧环境受热分解，分解产物为气相可燃成份和固相可燃物，气相可燃成份可以在后续焚烧过程中燃尽，或作为气化产物外供，与焚烧法相比，热解法则是更有前途的处理方法，它最显著的优点是基建投资少。

气化处理技术:气化技术也是由焚烧技术衍生产生，气化处理技术指固相可燃组分转变为气相可燃成份，一般作为工业和民用燃气的可燃成份外供。

焚烧技术、热解技术、气化技术的区别:区别在于焚烧供氧量大于化学当量，热解与气化供氧量小于化学当量。供氧量较小意味着燃烧空气量少，对生活垃圾中小颗粒的淘析作用减弱，烟气挟带和扬析颗粒减少，排烟中烟尘浓度降低。因此，热解与气化过程的烟尘浓度低于焚烧过程，有利于环境保护。此外，气化产物外供，为生活垃圾热能综合利用提供了新方式。热解与气化的区别在于发生反应的温度不同，热解需要的温度一般为200℃～400℃，而气化反应发生的温度一般在600℃～1 200℃。

2 等离子熔融气化处理技术

等离子气化技术属于国际上称之为第三代的固体废弃物处理技术——熔融气化技术，有着其他技术不可比拟的环保优势和巨大的应用前景。

等离子喷枪火炬是一种能产生高强度热源的专门设备，常温气体借助火炬的电极电弧能形成过热导电气体－等离子体，等离子体在离开火炬后可恢复气体中性，但依然保持过热高温特性(气体温度可高于5 000℃)，等离子加热技术是随着军工技术的发展而发展的，在军工上主要应用于航天飞行器材料测试，近10多年来，又开始用于有害固体废弃物和城市垃圾的处理，由于等离子气化炉内的操作环境与加热温度具有可调性，因此处理固体废物包括城市固体垃圾、危险垃圾、工业垃圾、建筑垃圾、轮胎、地毯、汽车粉碎残渣、液体与泥浆等，以及石油焦、劣质煤和生物质等都能够得到方便的处理。

中国航天空气动力技术研究院创建于1956年，是在中国导弹之父钱学森的亲自指挥下创建的，是我国第一个空气动力研究与试验基地，等离子体加热技术主要应用于所有返回式航天器的热防护研究，等离子喷枪所用介质气体涵盖空气、氮气、氩气、氢气、一氧化碳等气体。

等离子熔融气化炉在整个流程中发挥关键作用，与传统的热解炉相比，它具有以下5个独到的优势:

(1)熔融气化过程使固体废弃物的热值被充分利用，减容和减重效果好;

(2)入炉的固体废弃物可以不分类，从而提高了生产效率;

(3)气化炉的高温能彻底摧毁二噁英及前端物质;

(4)金属熔于熔渣，经过再次电解可以得到不同的金属物质;

(5)气化炉的助溶剂可吸附含氯物质，炉子还原性气氛抑制了二噁英的生成。

3 等离子熔融气化处理技术工艺路线

(1)对废旧电子电器产品进行拆解，将包装材料、塑料部件、阴极射线管(显像管)、和含有害物质的元器件如多氯联苯(电容器)、水银开关、锂－镉电池等安全分出，分类后送至下一工序;对冰箱、空调中的制冷剂进行安全抽出。

(2)将可破碎的元器件和材料送入破碎设备，破碎后再做磁选和风选，分出铁、铝和塑料等。

(3)将含有有用金属和贵金属的电路板等元器件送入等离子气化炉，炉底排出的除炉渣外，还有熔融的铜和贵金属的混合物。

(4)通过电解方式从阴极得到纯铜，从阳极得到的阳极泥则去作进一步处理得到贵金属。

4 等离子熔融气化处理技术具体实施过程

旧电脑和旧家电经回收拆解后得到的废电子线路板等材料，其成分大致为:树脂30%、陶瓷类(SiO2)15%、铜(Cu)20% ～25%、铝(Ai)5%、铁(Fe)5%、锡(Su)1% ～2%等和少量贵金属，金(Au)0.01% ～ 0.02%、银(Ag)0.07%、镍(Ni)0.5%、钯(Pd)0.007%、铂(Pt)0.004%。废电子线路板热值约12 000 kJ/kg。

等离子熔融气化炉进料除废电子线路板(破碎成小块)外，还包括气化炉所需床层材料，以及流化质材料，确保熔融气化处理后的金属能够稳定的流出，从而能够进一步电解得到需要的金属成分。等离子熔融气化炉配备相应的等离子喷枪，等离子喷枪系统包括等离子喷枪、高频起弧器、供气系统、冷却水系统、控制系统。废电子线路板进入等离子熔融气化炉后，其中的有机物质(树脂等)经高温分解并与氧化剂气体(进风)反应，生成含可燃成分的气体(合成气)从气化炉顶部排出。而废电子线路板中所含金属和陶瓷类物质以熔融态渣从气化炉底部排出。气化炉顶部排出的合成气经净化后，可作为低热值燃气加以利用，也可烧掉。底部排出的熔融态渣(金属块)可送至下道工序进行金属回收。

5 合成气的净化处理

等离子熔融气化炉顶部排出的合成气成分复杂，虽经过了气化炉高温的分解作用，已最大限度摧毁了二噁英、呋喃等有害物质，但气体中仍残存少量氯化氢(HCI)和二噁英及呋喃(PCDD、PCD等)类物质，且气体温度较高(－900℃)，必须严格净化。净化过程包括首先进入热交换器(管道式或火管锅炉式)降温至600℃度左右，接着进急冷塔用碱性液洗涤，脱除酸性气体并降温至200℃左右;然后进活性炭吸附器，进一步脱除酸性气体和吸附二噁英类物质;出活性炭吸附器的气体最后还要经布袋除尘器除尘，最终完成合成气的净化过程。

6 小结

随着近几年来国家政策的战略调整，环保已经上升到了国家战略要求的高度，在《国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》中提出，坚持把建设资源节约型、环境友好型社会作为加快转变经济发展方式的重要着力点，综合利用和安全处理处置相结合的各种固体废物污染防治技术将会得到越来越广泛的应用。但是，实施电子废弃物处理项目只有采用先进的技术和设备，并切实加强运行管理，才能可靠实现保护环境的目的。按照国家方针积极推进电子固体废弃物的环保处理，不断采用先进技术和设备提升电子固体废弃物处理的行业水平，既是致力于环保事业发展和环保产业技术创新的企业责任，又是大有作为的循环经济建设平台。

［1］李德元等著.等离子技术在材料加工中的应用［M］.北京.机械工业出版.2005.

［2］许根慧 姜恩永 盛京.等离子体技术与应用［M］.北京.化学工业出版社.2006.

［3］丁恩振 丁家亮著.等离子体弧熔融裂解［M］.北京.中国环境出版社.2009.

［4］2010年中国固废处理研究报告［J］.市场研究报告.2010.