科创高温等离子体在医疗行业废气处理中的应用
更新时间：2019-03-27 09:08
来源：南京科创环境工程发展有限公司
作者: 裴登明
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Applicationofhightemperatureplasmainthetreatmentofwastegasinmedicalindustry
(NanjingKechuangEnvironmentalEngineeringDevelopmentCo.,LtdPeiDengMing)
Abstract:Thevolatileorganiccompoundsproducedbythemedicalandchemicalindustrynotonlypollutetheenvironment,butalsodoharmtopeople'shealth.Atthesametime,itsgovernanceisalsoverydifficult.Asaformofmaterialexistence,plasmahasuniquephysicalandchemicalproperties,whichmakesitaneffectivemethodtoeliminatemedicalwastegas.Comparedwiththetraditionalmethods,theplasmamethodismoreefficient,moreenvironmentallyfriendly,andhasagoodprospectinthefieldofmedicalwastegas.
Keywords:hightemperatureplasma；VolatileOrganicCompounds；
医药化工行业产生的医疗废气污染大，治理难，是废气治理领域的重点和难点。在医药化工行业中，有机溶剂消耗量极大，基本上为挥发性有机物（VolatileOrganicCompounds，简称VOCs），其中相当部分挥发形成了具有刺激性气味的气体，以废气的形式排放。在我国，VOCs挥发性有机物，是指常温下饱和蒸汽压大于70Pa、常压下沸点在260℃以下的有机化合物，或在20℃条件下蒸汽压大于或者等于10Pa具有相应挥发性的全部有机化合物。根据WHO定义，挥发性有机化合物（VOC）是指在常温下，沸点50℃—260℃的各种有机化合物。VOC按其化学结构，可以进一步分为：烷类、芳烃类、酯类、醛类和其他等。目前已鉴定出的有300多种。生物制药行业废气处理,以较具代表性的原料药车间为例，其生产过程主要有四个步骤，基本为间歇式投料，24小时生产，在排出的废气中含有诸如甲苯、乙酸乙酯、甲醇、二氧六环、三乙胺、DMSO等多种较为复杂的有机物成分。排放的废气中有机物的总浓度平均值约为1500mg/m3左右，对厂区及周边环境造成了较大的污染，环境需要进行有效的治理，以达到国家规定的排放标准。生物制药干燥废气处理、药行业生产过程中在发酵、干燥、污水处理等工序均产生大量的恶臭异味气体，发酵工段产生的含氨废气（扩散型）未经处理，生产过程中产生的废气已影响企业的环境空气质量和人体健康，亟待治理[1-3]。
目前，对于医药行业废气的处理有生物处理法、吸附法、燃烧法、催化法、等离子体法等，其中等离子体技术由于高温高热焓等特性对医药行业废气有较高的处理效率。此外，等离子体法能耗低，不产生副产物，设备使用便利，运行可靠，在对医药有机废气处理方面有很好的发展前途[4]。
1科创高温等离子体技术
1.1等离子体概况
等离子体广泛存在于宇宙中，是由部分电子被剥夺后的原子及原子团被电离后产生的正负离子组成的离子化气体状物质，被视为是除去固、液、气外，物质存在的第四态。作为物质的第四态的等离子体有着许多的物理化学性质。等离子体具有很高的电导率，与电磁场存在极强的耦合作用，利用经过巧妙设计的磁场可以捕捉、移动和加速等离子体。等离子体中含有电子、离子、激发态粒子、亚稳态粒子、光子等，体能密度很高，各种粒子反应活性都很高，能为化学反应提供活性粒子，使得通常条件下难以反应或反应很慢的过程变得迅速，有利于医疗废气的处理[5]。高温等离子体只有在温度足够高时发生的。恒星不断地发出这种等离子体，组成了宇宙的99%。
1.2等离子产生机理及方法
如果环境温度较低，等离子体能够通过辐射和热传导等方式向壁面传递能量，因此，要在实验室内保持等离子体状态，供给的能量必须大于等离子体损失的能量。当气体分子在外部鼓励源的电场中被加速或能，能量高于气体原子的电离电势时候，被外加电场加速的部分电离气体中的电子与中性分子碰撞，把从电场得到的能量传给气体。电子与中性分子的弹性碰撞导致分子动能增加，表现为温度升高；而非弹性碰撞则导致激发（分子或原子中的电子由低能级跃迁到高能级）、离解（分子分解为原子）或电离（分子或原子的外层电子由束缚态变为自由电子）[6]。不少人工产生等离子体的方法（如爆炸法、激波法等）产生的等离子体状态只能持续很短时间（10～10秒左右），而有工业应用价值的等离子体状态则要维持较长时间（几分钟至几十小时）。能产生后一种等离子体的方法主要有：直流弧光放电法、交流工频放电法、高频感应放电法、低气压放电法（例如辉光放电法）和燃烧法。前四种放电都用电学手段获得，而燃烧则利用化学手段获得。
1.3高温等离子体技术原理
等离子体是物质存在的一种状态，与固态、液态和气态并列，和物质的另外三态相比，等离子体可以存在的参数范围异常的宽广（其密度、温度以及磁场强度都可以跨越十几个数量级），等离子体的形态和性质受外加电磁场的强烈影响，并存在极其丰富的集体运动（如各种静电波、漂移波、电磁波以及非线性的相干结构和湍动），因而能量极为集中，并具有极高的电热效率（85%以上），产生的高温可以还原一切难以还原和难溶的物质，瞬间即可完成。
高温等离子体输出的等离子体呈喷射状，用作等离子体射流或等离子体喷焰等。高温等离子喷焰具有很高的热焓，其焰心温度可达10000℃-20000℃，外焰部分也可达到3000℃。高温等离子体技术原理是以由工作气体放电产生等离子体，等离子体发生器中形成等离子体射流。待处理的废气在等离子体射流中经过一系列物理化学反应，用温度很高的高能粒子去碰撞有毒成分的分子，使其化学结构遭到破坏，转而变为无毒物质，从而被回收、利用或达标排放[7]。
高温等离子体放电产生的电弧具有极高的温度，其产生辐射热、对流传热及电子引起的传热等，能够用它来熔融固体废物形成无害化产物。主要形成物为简单的气体分子（CO、H2）。玻璃体以及熔融的金属单质。在等离子体反应腔中，处于上部的是气体，中部的是熔融玻璃体，下部是金属单质。行程气体分子是等离子体气化的过程，形成玻璃体的过程是等离子体玻璃化的过程。废物经过等离子体化学反应完成转化的时间在0.01-0.50s，这个反应时间依赖于所处理的废物种类及温度。
2.科创高温等离子体在医疗行业的应用
2.1医药行业废气排放现状
医药行业有机废气排放量大，排放环节分散复杂。根据环保部制定的分类标准，制药工业分为6类。
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图1制药工业分类
Figure1Pharmaceuticalindustryclassification
不同的制药方式会产生不同的废气。比如发酵制药过程中的废气主要包括发酵尾气、含溶媒废气、含尘废气、酸碱废气及废水处理装置产生的恶臭气体，在分离提取等生产工序产生的有机溶媒废气是主要的废气污染源，其成分中丙酮和乙酸乙酯所占比例高，分别为65%、30.41%。对于化学合成制药来说，排放的大气污染物主要为挥发性有机物，其中异丙醇、丙酮、乙醇所占比例最高，分别为44.27%、35.39%、9.78%。生物制药，其废气污染主要源于磨粉过筛、制粒、干燥、总混、压片和胶囊填充过程中产生的粉尘。提取类制药生产过程中的大区污染主要来自清洗、粉碎和包装时产生的药尘，以及提取过程中使用的挥发性有机物的挥发[8]。
根据医药行业工艺流程、产排污节点及污染特征，其VOCs的排放具有种类多、排放量较大、多点无组织排放以及排放物具有高危害性的特点。医药行业制药过程产生的VOCs如表1所示。
表1医药行业制药过程产生的VOCs
2.2科创高温等离子焚烧
2.2.1科创高温等离子焚烧的实现
高温热分解是清除VOCs污染物的有效方法。每一种持久性有机污染物（POPs）都可以热分解，20世纪80年代末，瑞典科学家SvanteArrhenius 发现大多数热分解反应的速率随着温度增加而增加。对于有机物的分解取决于反应温度、在此温度下停留的时间和该物质的固有性质。
科创公司等离子焚烧技术是高频（30KHz）高压（5万伏）大功率电源在特定条件下的聚能放电：废气在反应器中由常温急剧上升至3千度高温，在高温（3千度）和高电势（5万伏）的双重作用下，有机污染成分（VOCs）瞬间（千分之1秒）被电离并完全裂解。
科创公司采用等离子体方法可以容易获得高于任何传统方法的温度（1200℃~1700℃），焚烧会更彻底，且不会带来二次污染。高温等离子焚烧技术能够处理高浓度、成分复杂、易燃易爆及含有水分、固态的废气，是适合处理医疗废气的解决方案。关键技术为等离子体弧电源、等离子体发生器、等离子体反应器。
图2科创等离子体处理技术
Figure2plasmaprocessingtechnology
科创等离子体技术是一种革新性的处理技术。该技术的核心在于通过等离子体传递能量，使废弃物快速地分解成原子，从而无大分子的中间产物，其产生的气体多数为可燃的，送至二次燃烧室进行完全燃烧，然后经过简单的尾部净化后排入大气[9]。
2.2.2VOCs末端处理技术的优点、缺点和适用范围
2.2.3科创高温等离子焚烧特点
科创公司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、生物医药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。
4）没有阀门等运动部件，能够无故障，不间断运行上万小时。
5） 风阻小，能耗低：处理1万立方米/小时的燃气RTO，为克服陶瓷蓄热体风阻就需要功耗为60千瓦的引风机；而处理1万立方米/小时的高温等离子焚烧设备（15千瓦），连同引风机（11千瓦）仅消耗26千瓦功率.
6）能效比高：节约能源，没有陶瓷蓄热体等易损部件，高温等离子RTO（焚烧）设备废体排放口温度，比废气进口温度仅提高几十度。
7）处理效果好
8）无臭氧排放问题（低温等离子设备存在臭氧排放问题）。
9）经济适用：同样规格的高温等离子RTO（焚烧）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。
10）占地面积小，自动化程度高节约人力，运营成本低。
11）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。
12）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。
3总结
科创公司等离子体是一种具有高热焓、高温、快反应时间、能量集中、电热转换效率极高的（85%~95%）的新热源。高温等离子法是治理医疗废气的有效措施，等离子体技术可产生比传统焚化更快速的热传导速率，且耗氧少，副产品少，颗粒物排放少，烟气净化系统简单。但目前高温等离子法还没有形成严格标准规范，在理论和工艺方面还存在一些问题，且操作要求高，操作人员须经过专门训练，大规模应用还有待时日。随着科技的不断发展，这些问题会得以解决，从长远来看，等离子体技术在处理医疗废气领域具有着广阔的应用前景。
参考文献
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[2]黄锋,卲荣飞,吕鸿鸣.浅谈医药化工行业的有机废气处理[J].科技信息,2013(19):436-436.
[3]万林,王浩,胡庆年.医化行业挥发性有机废气(VOCs)排放特征及防治对策[J].中国环境管理,2011(4):64-69.
[4]尹波,李以通,贾华.绿色医院医疗废气的安全排放处理技术研究[C]//国际绿色建筑与建筑节能大会.2014.
[5]洪明苑,胡建芳.等离子体科学技术应用专题系列介绍第一讲等离子体科学技术应用梗概[J].物理,1986,15(3):0-0.
[6]黄虎宁.等离子体技术在环境污染治理中的应用分析[J].低碳世界,2014(19):9-10.
[7]兰伟.特种废物等离子体处理技术的应用与研究[J].中国核科技报告,2007,2:003.
[8]蒋旻曦,肖立峰,蔡宇翔.医药行业VOCs治理概述[J].环境影响评价,2015(5):92-96.
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