Applicationofhightemperatureplasmainthetreatmentofwastegasinmedicalindustry

 

(NanjingKechuangEnvironmentalEngineeringDevelopmentCo.,LtdPeiDengMing)

 

Abstract:Thevolatileorganiccompoundsproducedbythemedicalandchemicalindustrynotonlypollutetheenvironment,butalsodoharmtopeople'shealth.Atthesametime,itsgovernanceisalsoverydifficult.Asaformofmaterialexistence,plasmahasuniquephysicalandchemicalproperties,whichmakesitaneffectivemethodtoeliminatemedicalwastegas.Comparedwiththetraditionalmethods,theplasmamethodismoreefficient,moreenvironmentallyfriendly,andhasagoodprospectinthefieldofmedicalwastegas.

 

Keywords:hightemperatureplasma；VolatileOrganicCompounds；

 

醫藥化工行業產生的醫療廢氣污染大，治理難，是廢氣治理領域的重點和難點。在醫藥化工行業中，有機溶劑消耗量極大，基本上為揮發性有機物（VolatileOrganicCompounds，簡稱VOCs），其中相當部分揮發形成了具有刺激性氣味的氣體，以廢氣的形式排放。在我國，VOCs揮發性有機物，是指常溫下飽和蒸汽壓大于70Pa、常壓下沸點在260℃以下的有機化合物，或在20℃條件下蒸汽壓大于或者等于10Pa具有相應揮發性的全部有機化合物。根據WHO定義，揮發性有機化合物（VOC）是指在常溫下，沸點50℃—260℃的各種有機化合物。VOC按其化學結構，可以進一步分為：烷類、芳烴類、酯類、醛類和其他等。目前已鑒定出的有300多種。生物制藥行業廢氣處理,以較具代表性的原料藥車間為例，其生產過程主要有四個步驟，基本為間歇式投料，24小時生產，在排出的廢氣中含有諸如甲苯、乙酸乙酯、甲醇、二氧六環、三乙胺、DMSO等多種較為復雜的有機物成分。排放的廢氣中有機物的總濃度平均值約為1500mg/m3左右，對廠區及周邊環境造成了較大的污染，環境需要進行有效的治理，以達到國家規定的排放標準。生物制藥干燥廢氣處理、藥行業生產過程中在發酵、干燥、污水處理等工序均產生大量的惡臭異味氣體，發酵工段產生的含氨廢氣（擴散型）未經處理，生產過程中產生的廢氣已影響企業的環境空氣質量和人體健康，亟待治理[1-3]。

 

目前，對于醫藥行業廢氣的處理有生物處理法、吸附法、燃燒法、催化法、等離子體法等，其中等離子體技術由于高溫高熱焓等特性對醫藥行業廢氣有較高的處理效率。此外，等離子體法能耗低，不產生副產物，設備使用便利，運行可靠，在對醫藥有機廢氣處理方面有很好的發展前途[4]。

 

1科創高溫等離子體技術

 

1.1等離子體概況

 

等離子體廣泛存在于宇宙中，是由部分電子被剝奪后的原子及原子團被電離后產生的正負離子組成的離子化氣體狀物質，被視為是除去固、液、氣外，物質存在的第四態。作為物質的第四態的等離子體有著許多的物理化學性質。等離子體具有很高的電導率，與電磁場存在極強的耦合作用，利用經過巧妙設計的磁場可以捕捉、移動和加速等離子體。等離子體中含有電子、離子、激發態粒子、亞穩態粒子、光子等，體能密度很高，各種粒子反應活性都很高，能為化學反應提供活性粒子，使得通常條件下難以反應或反應很慢的過程變得迅速，有利于醫療廢氣的處理[5]。高溫等離子體只有在溫度足夠高時發生的。恒星不斷地發出這種等離子體，組成了宇宙的99%。

 

1.2等離子產生機理及方法

 

如果環境溫度較低，等離子體能夠通過輻射和熱傳導等方式向壁面傳遞能量，因此，要在實驗室內保持等離子體狀態，供給的能量必須大于等離子體損失的能量。當氣體分子在外部鼓勵源的電場中被加速或能，能量高于氣體原子的電離電勢時候，被外加電場加速的部分電離氣體中的電子與中性分子碰撞，把從電場得到的能量傳給氣體。電子與中性分子的彈性碰撞導致分子動能增加，表現為溫度升高；而非彈性碰撞則導致激發（分子或原子中的電子由低能級躍遷到高能級）、離解（分子分解為原子）或電離（分子或原子的外層電子由束縛態變為自由電子）[6]。不少人工產生等離子體的方法（如爆炸法、激波法等）產生的等離子體狀態只能持續很短時間（10～10秒左右），而有工業應用價值的等離子體狀態則要維持較長時間（幾分鐘至幾十小時）。能產生后一種等離子體的方法主要有：直流弧光放電法、交流工頻放電法、高頻感應放電法、低氣壓放電法（例如輝光放電法）和燃燒法。前四種放電都用電學手段獲得，而燃燒則利用化學手段獲得。

 

1.3高溫等離子體技術原理

 

等離子體是物質存在的一種狀態，與固態、液態和氣態并列，和物質的另外三態相比，等離子體可以存在的參數范圍異常的寬廣（其密度、溫度以及磁場強度都可以跨越十幾個數量級），等離子體的形態和性質受外加電磁場的強烈影響，并存在極其豐富的集體運動（如各種靜電波、漂移波、電磁波以及非線性的相干結構和湍動），因而能量極為集中，并具有極高的電熱效率（85%以上），產生的高溫可以還原一切難以還原和難溶的物質，瞬間即可完成。

 

高溫等離子體輸出的等離子體呈噴射狀，用作等離子體射流或等離子體噴焰等。高溫等離子噴焰具有很高的熱焓，其焰心溫度可達10000℃-20000℃，外焰部分也可達到3000℃。高溫等離子體技術原理是以由工作氣體放電產生等離子體，等離子體發生器中形成等離子體射流。待處理的廢氣在等離子體射流中經過一系列物理化學反應，用溫度很高的高能粒子去碰撞有毒成分的分子，使其化學結構遭到破壞，轉而變為無毒物質，從而被回收、利用或達標排放[7]。

 

高溫等離子體放電產生的電弧具有極高的溫度，其產生輻射熱、對流傳熱及電子引起的傳熱等，能夠用它來熔融固體廢物形成無害化產物。主要形成物為簡單的氣體分子（CO、H2）。玻璃體以及熔融的金屬單質。在等離子體反應腔中，處于上部的是氣體，中部的是熔融玻璃體，下部是金屬單質。行程氣體分子是等離子體氣化的過程，形成玻璃體的過程是等離子體玻璃化的過程。廢物經過等離子體化學反應完成轉化的時間在0.01-0.50s，這個反應時間依賴于所處理的廢物種類及溫度。

 

2.科創高溫等離子體在醫療行業的應用

 

2.1醫藥行業廢氣排放現狀

 

醫藥行業有機廢氣排放量大，排放環節分散復雜。根據環保部制定的分類標準，制藥工業分為6類。

2.2.3科創高溫等離子焚燒特點

 

科創公司高溫等離子焚燒技術比較傳統RTO（天然氣焚燒方法）有以下優勢：

 

1）連續不間斷的處理廢氣，（天燃氣RTO為間歇工作模式）這在垃圾焚燒尾氣，凹版印刷、生物醫藥有機廢氣處理應用方面尤為重要。

 

2）廣譜性：能夠處理高濃度、成分復雜、易燃易爆及含有大量水分、固態、油狀物的工業廢氣，實現達標排放。

 

3）不消耗天然氣，無碳排放問題。

 

4）沒有閥門等運動部件，能夠無故障，不間斷運行上萬小時。

 

5） 風阻小，能耗低：處理1萬立方米/小時的燃氣RTO，為克服陶瓷蓄熱體風阻就需要功耗為60千瓦的引風機；而處理1萬立方米/小時的高溫等離子焚燒設備（15千瓦），連同引風機（11千瓦）僅消耗26千瓦功率.

 

6）能效比高：節約能源，沒有陶瓷蓄熱體等易損部件，高溫等離子RTO（焚燒）設備廢體排放口溫度，比廢氣進口溫度僅提高幾十度。

 

7）處理效果好

 

8）無臭氧排放問題（低溫等離子設備存在臭氧排放問題）。

 

9）經濟適用：同樣規格的高溫等離子RTO（焚燒）設備，價格不到燃氣焚燒RTO的二分之一，運營成本低于二分之一。

 

10）占地面積小，自動化程度高節約人力，運營成本低。

 

11）不會產生二次污染。無異味，對人口居住密集地區而言這是一個重要的考量指標。

 

12）天燃氣焚燒法RTO造價高昂，大量消耗天燃氣、氧氣，增加二氧化碳、一氧化碳排放，有二次污染之慮，無法應對日漸嚴格的環境保護標準。天燃氣焚燒法因其工作機理及自身結構上的缺陷，在易燃易爆場所，或處理廢氣中含有可燃成分時需要考慮防爆問題。天燃氣輸送儲存過程可能存在因泄漏而引發的安全問題。

 

3總結

 

科創公司等離子體是一種具有高熱焓、高溫、快反應時間、能量集中、電熱轉換效率極高的（85%~95%）的新熱源。高溫等離子法是治理醫療廢氣的有效措施，等離子體技術可產生比傳統焚化更快速的熱傳導速率，且耗氧少，副產品少，顆粒物排放少，煙氣凈化系統簡單。但目前高溫等離子法還沒有形成嚴格標準規范，在理論和工藝方面還存在一些問題，且操作要求高，操作人員須經過專門訓練，大規模應用還有待時日。隨著科技的不斷發展，這些問題會得以解決，從長遠來看，等離子體技術在處理醫療廢氣領域具有著廣闊的應用前景。

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