等离子体技术处理舰船固体废弃物的进展

吕东方，于开录，岳强

邯郸净化设备研究所，河北邯郸056027



等离子体技术处理舰船固体废弃物的进展

吕东方，于开录，岳强

邯郸净化设备研究所，河北邯郸056027

摘要：随着国际海洋保护法律法规的日益严格以及我国海军远洋航行任务的逐渐增加，军用舰船需要增强固体废弃物的现场无害化处理能力，使其能在世界任何水域自由航行。简要介绍73/78防污公约对固体废弃物排放的要求，以及美国海军为适应该公约而采取的处理策略。通过对现有固体废弃物处理技术的综合分析，指出等离子体焚烧技术最适合处理舰船固体废弃物，其固体残渣和尾气排放完全符合73/78防污公约。最后，介绍了等离子体焚烧技术在舰船上的应用情况。

关键词：等离子体；焚烧；固体废弃物；绿色舰船

0　引　言

近年来，我国海军执行训练、访问、护航和护侨等任务不断增多，海军舰船的远洋航行次数骤增，这对舰船后勤生活保障提出了更高的要求，其中生活垃圾等固体废弃物的处理就是一个亟待解决的问题。固体废弃物不但会造成舰艇内部大气环境的恶化，而且还受73/78防污公约等各种海洋保护法律法规的制约，不能随意排放到海洋中，从而使航行受到限制。海军舰船如未配备满意的废弃物处理系统，不符合某些港口对废弃物排放的法规，也可能被拒绝入港。舰船上固体废弃物最小化处理的另外一个军事原因是减少废弃物产生的痕迹，舰船后漂浮的残渣可能会给敌人有用的信息［1］。

因此，海军舰船应该改进固体废弃物处理系统，遵循无害化和体积最小化的原则，使其满足73/78防污公约等各种法律法规的要求。

1　当前固体废弃物处理策略

1.1 73/78防污公约

73/78防污公约［2］由国际海事组织于1973年颁布实施，并经过了多次修订。其中，附件Ⅴ对舰船固体废弃物的排放规定如下：

1）一切塑料制品均禁止排放入海；

2）食品废弃物、纸制品、碎布、玻璃、金属、瓶子、陶器等可以排放到离岸12 n mile的海域，粉碎为小于25 mm的碎片后可以排放到离岸3 n mile的海域；

3）在红海亚丁湾、波斯湾、地中海、波罗的海、黑海和加勒比海等特殊海域的规定更为严格，只有粉碎为小于25 mm的食品废弃物才可排放到离岸12 n mile的海域，除此之外，禁止排放任何废弃物；

4）任何海域禁止排放食用油。

1.2美国海军处理舰船固体废弃物的策略

长期以来，美国海军一直在向海洋倾倒各种废弃物，直至1987年美国批准了73/78防污公约附件Ⅴ以后才有所收敛。1993年，美国国会颁布了船舶污染控制法案，要求海军舰船1998年以后全面禁止排放塑料，2000年以后在特殊海域实现固体废弃物零排放。1996年11月30日，美国海军向国会提交执行情况报告，认为当时的技术在经济上和实用性上不能满足73/78防污公约附件Ⅴ的要求，向海洋中排放浆化或粉碎的非塑料废弃物具有现实意义。美国国会认同这一报告，并修订了相关法律，于1997年颁布了324法案，对固体废弃物的排放做出如下规定：

1）禁止排放塑料；

2）浆化处理过的废纸、硬纸板和食物垃圾可排放到离岸3 n mile以外的海域；

3）粉碎后的玻璃和金属可排放到离岸12 n mile以外的海域［3］。

根据324法案，1997～2003年间，美国海军的所有水面舰船上均安装了金属/玻璃粉碎机、塑料废弃物处理器和浆化器等设备，分别处理食物垃圾、纸制品、玻璃、金属制品、瓷器和塑料制品（图1）。下面简要介绍这些设备的使用方法和策略［4-5］。

金属/玻璃粉碎机（图2（a））用于粉碎各种金属制品和玻璃制品，例如啤酒罐、玻璃杯等。它们经过粉碎以后体积可减小67%，更容易沉入海底，而不是漂浮在海面上。金属和玻璃碎片装入粗麻袋，直接扔入海中。

图1美国海军处理固体废弃物的策略Fig.1　 US navy's strategy of solid waste treatment

塑料废弃物处理器由4台设备组成，即塑料粉碎机、压缩熔化机（图2（b））、内循环冷却机和加热塑封机，其中塑料粉碎机与金属/玻璃粉碎机的结构类似。塑料废弃物粉碎后，放入压缩熔化机的盘状模具内，加盖后加热到150℃，使塑料颗粒熔融为直径50 cm的盘状物（体积减小97%），冷却后放入专用塑料袋中，塑封后放入储物间。

浆化器用于处理食物垃圾、废纸和硬纸板。在浆化器内，这些柔软的材料被海水浸泡，高速旋转的搅拌器带动它们通过固定的刀片，分割为小颗粒，成为浆状物质。当其直径小于0.6 mm时，便通过筛网被海水带出浆化器，排放到海中。美国海军根据舰船的大小，开发了大型和小型2种浆化器（图2（c）和图2（d）），分别安装在不同类型的舰船上。

1.3新技术论证

图2美国军舰上处理固体废弃物的设备Fig.2　 The apparatus of solid waste treatment in US navy ships

73/78防污公约虽然对军舰没有约束力，但各国都要求在本国海域和港口航行的外国军舰遵守该公约，同时各国海军也需要展示自己良好的公众形象，尽量减少固体废弃物在公海的随意排放。从美国于1997年颁布的324法案来看，针对非塑料废弃物的排放不符合73/78防污公约附件Ⅴ的要求，美国国会要求美国海军继续研制新型设备，以完全满足73/78防污公约附件Ⅴ的要求。

从金属/玻璃粉碎机、塑料废弃物处理器和浆化器等设备的使用情况来看，这些设备占用了较多的舱室和操作人员。浆化器和塑料废弃物处理器在使用过程中不能处理骨头、刀叉和金属碎片等坚硬物体，在清理过程中需要人工筛分，增加了舰员的劳动强度，而且一旦漏检，就会导致设备出现故障［4］。因此，各国海军有必要研制开发新技术、新装备，既能符合各项海洋保护法律法规的要求，又具有经济性、可靠性和可操作性。目前，在研的固体废弃物处理新技术包括：常规焚烧、超临界水氧化、生物处理、等离子体焚烧和湿氧化等，科研人员对以上技术已进行多年的性能测试和论证［6］。

船用焚烧炉曾被广泛用于固体废弃物的减容处理，但由于需要氧气助燃，装置的体积非常大，需要占据多层甲板。影响焚烧炉使用的最关键因素是尾气中灰尘和有害气体含量高，包括一氧化碳（CO）、氮氧化物（NOx）、硫氧化物（SOx）、二恶英、不完全燃烧有机物等，这些尾气排放很难满足73/78防污公约附件Ⅵ的规定［7］。因此，美国海军很少装备焚烧炉，美军标MIL-I-15650（船用焚烧炉）也于1991年废止。

湿氧化和生物处理技术只能处理食物垃圾和可降解材料，不能处理所有的固体废弃物，使用范围有限，不适合舰船废弃物处理。除金属和玻璃外，超临界水氧化技术几乎能够处理所有固体废弃物，但它的操作条件非常苛刻，操作温度为374℃，操作压力为22.1 MPa，显然不适合舰船废弃物的处理。

上世纪80年代后期，出现了等离子体焚烧技术，用于处理城市垃圾。等离子体中心温度可达20 000～30 000℃，边缘气体温度约为3 000℃，等离子体的高温特性和高活性粒子会摧毁废弃物的化学键，分解为小分子化合物；而对难以裂解的无机物，则通过高温熔融反应，转化为玻璃化物质。从原理上看，等离子体焚烧技术能够处理几乎全部固体废弃物。目前，美国、日本、欧洲和国内均已开发了等离子体焚烧装置，用于处理城市垃圾、医疗废弃物、低放射性废弃物、有毒化工原料和废旧军火等［8］。

等离子体焚烧技术处理废弃物有如下特点：

1）灵活性及多功能性。可以处理所有种类的有毒、有害、危险及非危险废物，无论是有机物还是无机物，气体、液体还是固体。

2）零排放。尾气经过简单处理后可以直接排放，符合最严格的排放标准；废弃物中的重金属离子等被熔融在固体废渣中，对环境无害。

3）减容比高。废弃物的减容率高达99.7%。

4）操作及维修简单。只需1名技术员和少数操作人员便可操作并维护1部日处理10 t废弃物的机器。

5）启停速度快。装置5 min内就可工作，可灵活适应废弃物种类的转换，不需保持连续动作。

6）能耗与常规技术相差不多。固体废弃物的成分直接影响等离子体焚烧装置的能耗，一般情况下，处理1 kg废弃物的能耗为0.7～1.5 kW·h（不考虑废弃物粉碎和尾气处理）。常规焚烧装置的耗电量虽然比较少，但为了达到较高的焚烧温度，提高装置运行的稳定性，必须提供一定量的燃油，焚烧1 kg废弃物的耗油量一般为0.1～0.3 kg，折合能耗为0.4～1.15 kW·h。可以看出，二者的能耗相差不大。

7）体积小。等离子体焚烧装置不需要氧气助燃，因此空气需求量较低，燃烧室和尾气后处理设备的体积比常规焚烧装置小得多。

因此从技术和经济角度上说，等离子体技术适合处理舰船上产生的固体废弃物。美国海军经过多年论证，也认为等离子体焚烧技术是水面舰船上最有可能完全符合73/78防污公约附件Ⅴ的技术。美国海军从上世纪90年代开始开展等离子体裂解技术处理舰船固体废弃物的可行性研究和试验验证［9］，目前，“福特”号航空母舰已经安装了等离子体处理固体废弃物的装置。

由于舰船环境与陆地环境相差较大，因此需要对等离子体处理固体废弃物技术进行舰用化改造，主要包括以下几个方面：

1）处理废弃物的过程中会产生大量尾气，其排放应该满足73/78防污公约附件Ⅵ的要求，因此，需要加强尾气处理技术的研究；

2）舰船上固体废弃物种类繁多，粉碎等预处理工艺应适合所有固体废弃物；

3）应对等离子体核心部件进行抗振动冲击改造，避免出现故障。

2　等离子体技术原理

等离子体是物质存在的第4态，是由电子、离子、原子、分子或自由基等粒子组合成的电中性集合体，是部分或全部电离的气体。等离子体按温度分为冷等离子体、热等离子体和高温等离子体。热等离子体的中心温度可高达20 000～30 000℃，火炬边缘温度也可达到3 000℃左右。当固体废弃物放置于热等离子体空间时，等离子体的高密度热量和高浓度活性粒子流将作用于固体废弃物，发生多种超高温化学反应［10］。

1）等离子体裂解，即易分解物质在非氧化条件下热解断裂，生成小分子化合物；

2）等离子体气化，即有机物质在不完全氧化条件下生成可燃性气体，如合成气（CO+H2）；

3）等离子体固化，即无机材料在高温条件下发生熔融和压实，生成玻璃化物质，有害金属封闭在固体中。

通过以上反应过程，固体废弃物大部分变为气体物质，不能气化和裂解的物质熔融为高密度的玻璃化物质，从而达到消除固体废弃物的目的。

直流电弧放电等离子体［11］属于典型的热等离子体，根据阴极和阳极的排列方式，直流等离子体可分类为传输型直流等离子体火炬及非传输型直流等离子体火炬2种，如图3所示。传输型火炬的电极一端在火炬本体上，另一端则在火炬工作物体上，而非传输型火炬的2个电极则都在火炬的本体上。

图3直流等离子体火炬的2种形式Fig.3 Two types of DC plasma torch

大部分固体废弃物处理装置都为非传输型直流等离子体火炬（图4）。电弧放电在空心阳极和空心阴极之间产生，将等离子体工作气体加热到数千摄氏度，并随着高速气流从阳极喷嘴处喷射而出。如此高的气体温度可以将固体废弃物瞬间气化、裂解和熔融，从而达到消除、减容的目的。

图4非传输型直流等离子体火炬Fig.4 Non-transfer type DC plasma torch

3　等离子体焚烧技术在舰船上的应用

1990年，美国海军研究办公室（ONR）就资助Carderock中心，论证了等离子体技术处理多种固体废弃物的可行性。1994年，美国海军研究实验室（NRL）与Retech公司合作建立了一套等离子体处理固体废弃物装置，额定功率为150 kW。与此同时，加拿大PyroGenesis公司也积极开展相关技术研究，1999年在ONR先进技术演示项目的支持下，PyroGenesis公司研制开发了等离子体弧废弃物裂解装置PAWDS。2003年9月，PyroGenesis公司为嘉年华环球游船航运公司（Carnival cruise lines）的M/S Fantasy邮轮设计建造了1套PAWDS，用于处理船上产生的纸板、塑料、织物、木头和食物等固体废弃物，以及含水50%的油污，在5 900 h的运行时间内，总共处理了1 000多吨固体废弃物。2006年，PyroGenesis公司获得了国际海事组织颁发的使用许可证。

2002年，CVN 21（即“福特”号）项目办公室要求Carderock中心对在“福特”号上安装PAWDS进行技术评估和费用分析，以取代当前典型的固体废弃物处理设备，如金属/玻璃粉碎机、塑料废弃物处理器、大型/小型浆化器等设备，该评估报告认为PAWDS满足“福特”号的装舰要求，而且在全寿期内总共能够节省3 800万美元的操作和维护费用。随后，CVN 21项目办公室决定在“福特”号上安装PAWDS，并由Carderock中心负责装置集成［12］。

从美国海军得到合同后，PyroGenesis公司对PAWDS做出了一些特殊的改动，目的是增加处理能力、减少停机维修时间。2004年，建造了PAWDS的改进版PAWDS-EDM（图5）。2004年12月，该装置成功地通过了连续7 d的陆基性能测试。2005年4月，美国海军正式确定在“福特”号上安装2套PAWDS，每天处理约3 000 kg非食物固体废弃物，装置功率约为170 kW。

图5 Pyrogenesis公司研制的PAWDS-EDMFig.5 The PAWDS-EDM of Pyrogenesis Co

PAWDS由3部分组成：

1）固体废弃物预处理设备，将废弃物分解为小颗粒；

2）等离子体燃烧室，将废弃物完全裂解；

3）尾气处理设备，去除尾气中的杂质。

该装置可自动化运行，对操作者的技能要求较低，具有一键启停功能。

2005～2007年间，Carderock中心对PAWDSEDM的安全性和稳定性进行了加强，并于2007年6月17日～8月19日成功完成了连续60 d的疲劳试验。

随后，该装置完全由CVN 70“卡尔·文森”号的舰员进行操作和维护（图6），在模拟舰用条件下，连续工作了64 d。这次试验主要评估该装置在“福特”号上安装和使用时可能遇到的问题。试验表明，该装置满足所有性能要求和尾气排放标准，仅需根据舰员的要求做出一些小的改动。试验期间，该装置的平均处理量为200 kg/h，总处理量为204 t，CO平均排放量为124 mg/MJ。根据计划，PAWDS已于2012年前安装到位。

图6美国海军士兵操作PAWDSFig.6 The utilization of PAWDS by US navy soldiers

4　结　语

等离子体焚烧技术是一种新型固体废弃物处理技术，已经在国内外被广泛应用于城市垃圾、医疗废弃物、低放射性废弃物、有毒化工原料和废旧军火的无害化处理，并在美国“福特”号航空母舰上得到成功应用。等离子体焚烧技术具有体积小、启停速度快、处理废弃物种类多和操作维修方便等优点，因此非常适合用于处理舰船固体废弃物。

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The research development of the plasma treatment for solid waste on navy ships

LV Dongfang，YU Kailu，YUE Qiang
Purification Equipment Research Institute of CSIC，Handan 056027，China

Abstract：With the increase in the strictness of the international ocean law as well as in the amount of voy⁃age of our own navy ships, it is of high necessity for navy to effectively deal with the solid waste, rendering ships with the capability to sail worldwide. In this paper, the MARPOL 73/78 on solid waste is firstly intro⁃duced, and the relevant strategy for US navy is then presented. Based on the comprehensive analysis, it is concluded that the plasma technology serves as the optimal approach to treat the solid waste on board due to its qualified slag and effluent. Finally, the utilization of shipboard plasma apparatus is introduced.

Key words：plasma；incineration；solid waste；green ship

作者简介：吕东方，男，1971年生，高级工程师。研究方向：化工机械于开录（通信作者），男，1977年生，博士，高级工程师。研究方向：舰船气体制备。E-mail：yukailu@aliyun.com

收稿日期：2015 - 03 - 18网络出版时间：2016-1-19 14:55

中图分类号：U664.9

文献标志码：A

DOI：10.3969/j.issn.1673-3185.2016.01.011

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20160119.1455.024.html期刊网址：www.ship-research.com

引用格式：吕东方，于开录，岳强.等离子体技术处理舰船固体废弃物的进展［J］.中国舰船研究，2016，11（1）：89-94. LV Dongfang，YU Kailu，YUE Qiang. The research development of the plasma treatment for solid waste on navy ships ［J］. Chinese Journal of Ship Research，2016，11（1）：89-94.