科創(chuàng)高溫等離子體在醫(yī)療行業(yè)廢氣處理中的應(yīng)用
更新時間：2019-03-27 09:08
來源：南京科創(chuàng)環(huán)境工程發(fā)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；
醫(yī)藥化工行業(yè)產(chǎn)生的醫(yī)療廢氣污染大，治理難，是廢氣治理領(lǐng)域的重點和難點。在醫(yī)藥化工行業(yè)中，有機溶劑消耗量極大，基本上為揮發(fā)性有機物（VolatileOrganicCompounds，簡稱VOCs），其中相當部分揮發(fā)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(fā)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(yīng)揮發(fā)性的全部有機化合物。根據(jù)WHO定義，揮發(fā)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(xué)結(jié)構(gòu)，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(yè)廢氣處理,以較具代表性的原料藥車間為例，其生產(chǎn)過程主要有四個步驟，基本為間歇式投料，24小時生產(chǎn)，在排出的廢氣中含有諸如甲苯、乙酸乙酯、甲醇、二氧六環(huán)、三乙胺、DMSO等多種較為復(fù)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(qū)及周邊環(huán)境造成了較大的污染，環(huán)境需要進行有效的治理，以達到國家規(guī)定的排放標準。生物制藥干燥廢氣處理、藥行業(yè)生產(chǎn)過程中在發(fā)酵、干燥、污水處理等工序均產(chǎn)生大量的惡臭異味氣體，發(fā)酵工段產(chǎn)生的含氨廢氣（擴散型）未經(jīng)處理，生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢氣已影響企業(yè)的環(huán)境空氣質(zhì)量和人體健康，亟待治理[1-3]。
目前，對于醫(yī)藥行業(yè)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(shù)由于高溫高熱焓等特性對醫(yī)藥行業(yè)廢氣有較高的處理效率。此外，等離子體法能耗低，不產(chǎn)生副產(chǎn)物，設(shè)備使用便利，運行可靠，在對醫(yī)藥有機廢氣處理方面有很好的發(fā)展前途[4]。
1科創(chuàng)高溫等離子體技術(shù)
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(chǎn)生的正負離子組成的離子化氣體狀物質(zhì)，被視為是除去固、液、氣外，物質(zhì)存在的第四態(tài)。作為物質(zhì)的第四態(tài)的等離子體有著許多的物理化學(xué)性質(zhì)。等離子體具有很高的電導(dǎo)率，與電磁場存在極強的耦合作用，利用經(jīng)過巧妙設(shè)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(fā)態(tài)粒子、亞穩(wěn)態(tài)粒子、光子等，體能密度很高，各種粒子反應(yīng)活性都很高，能為化學(xué)反應(yīng)提供活性粒子，使得通常條件下難以反應(yīng)或反應(yīng)很慢的過程變得迅速，有利于醫(yī)療廢氣的處理[5]。高溫等離子體只有在溫度足夠高時發(fā)生的。恒星不斷地發(fā)出這種等離子體，組成了宇宙的99%。
1.2等離子產(chǎn)生機理及方法
如果環(huán)境溫度較低，等離子體能夠通過輻射和熱傳導(dǎo)等方式向壁面?zhèn)鬟f能量，因此，要在實驗室內(nèi)保持等離子體狀態(tài)，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(dǎo)致分子動能增加，表現(xiàn)為溫度升高；而非彈性碰撞則導(dǎo)致激發(fā)（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(tài)變?yōu)樽杂呻娮樱6]。不少人工產(chǎn)生等離子體的方法（如爆炸法、激波法等）產(chǎn)生的等離子體狀態(tài)只能持續(xù)很短時間（10～10秒左右），而有工業(yè)應(yīng)用價值的等離子體狀態(tài)則要維持較長時間（幾分鐘至幾十小時）。能產(chǎn)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(yīng)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(xué)手段獲得，而燃燒則利用化學(xué)手段獲得。
1.3高溫等離子體技術(shù)原理
等離子體是物質(zhì)存在的一種狀態(tài)，與固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)并列，和物質(zhì)的另外三態(tài)相比，等離子體可以存在的參數(shù)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(shù)量級），等離子體的形態(tài)和性質(zhì)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(jié)構(gòu)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(chǎn)生的高溫可以還原一切難以還原和難溶的物質(zhì)，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(shù)原理是以由工作氣體放電產(chǎn)生等離子體，等離子體發(fā)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(jīng)過一系列物理化學(xué)反應(yīng)，用溫度很高的高能粒子去碰撞有毒成分的分子，使其化學(xué)結(jié)構(gòu)遭到破壞，轉(zhuǎn)而變?yōu)闊o毒物質(zhì)，從而被回收、利用或達標排放[7]。
高溫等離子體放電產(chǎn)生的電弧具有極高的溫度，其產(chǎn)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(chǎn)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(zhì)。在等離子體反應(yīng)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(zhì)。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(jīng)過等離子體化學(xué)反應(yīng)完成轉(zhuǎn)化的時間在0.01-0.50s，這個反應(yīng)時間依賴于所處理的廢物種類及溫度。
2.科創(chuàng)高溫等離子體在醫(yī)療行業(yè)的應(yīng)用
2.1醫(yī)藥行業(yè)廢氣排放現(xiàn)狀
醫(yī)藥行業(yè)有機廢氣排放量大，排放環(huán)節(jié)分散復(fù)雜。根據(jù)環(huán)保部制定的分類標準，制藥工業(yè)分為6類。
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圖1制藥工業(yè)分類
Figure1Pharmaceuticalindustryclassification
不同的制藥方式會產(chǎn)生不同的廢氣。比如發(fā)酵制藥過程中的廢氣主要包括發(fā)酵尾氣、含溶媒廢氣、含塵廢氣、酸堿廢氣及廢水處理裝置產(chǎn)生的惡臭氣體，在分離提取等生產(chǎn)工序產(chǎn)生的有機溶媒廢氣是主要的廢氣污染源，其成分中丙酮和乙酸乙酯所占比例高，分別為65%、30.41%。對于化學(xué)合成制藥來說，排放的大氣污染物主要為揮發(fā)性有機物，其中異丙醇、丙酮、乙醇所占比例最高，分別為44.27%、35.39%、9.78%。生物制藥，其廢氣污染主要源于磨粉過篩、制粒、干燥、總混、壓片和膠囊填充過程中產(chǎn)生的粉塵。提取類制藥生產(chǎn)過程中的大區(qū)污染主要來自清洗、粉碎和包裝時產(chǎn)生的藥塵，以及提取過程中使用的揮發(fā)性有機物的揮發(fā)[8]。
根據(jù)醫(yī)藥行業(yè)工藝流程、產(chǎn)排污節(jié)點及污染特征，其VOCs的排放具有種類多、排放量較大、多點無組織排放以及排放物具有高危害性的特點。醫(yī)藥行業(yè)制藥過程產(chǎn)生的VOCs如表1所示。
表1醫(yī)藥行業(yè)制藥過程產(chǎn)生的VOCs
2.2科創(chuàng)高溫等離子焚燒
2.2.1科創(chuàng)高溫等離子焚燒的實現(xiàn)
高溫熱分解是清除VOCs污染物的有效方法。每一種持久性有機污染物（POPs）都可以熱分解，20世紀80年代末，瑞典科學(xué)家SvanteArrhenius 發(fā)現(xiàn)大多數(shù)熱分解反應(yīng)的速率隨著溫度增加而增加。對于有機物的分解取決于反應(yīng)溫度、在此溫度下停留的時間和該物質(zhì)的固有性質(zhì)。
科創(chuàng)公司等離子焚燒技術(shù)是高頻（30KHz）高壓（5萬伏）大功率電源在特定條件下的聚能放電：廢氣在反應(yīng)器中由常溫急劇上升至3千度高溫，在高溫（3千度）和高電勢（5萬伏）的雙重作用下，有機污染成分（VOCs）瞬間（千分之1秒）被電離并完全裂解。
科創(chuàng)公司采用等離子體方法可以容易獲得高于任何傳統(tǒng)方法的溫度（1200℃~1700℃），焚燒會更徹底，且不會帶來二次污染。高溫等離子焚燒技術(shù)能夠處理高濃度、成分復(fù)雜、易燃易爆及含有水分、固態(tài)的廢氣，是適合處理醫(yī)療廢氣的解決方案。關(guān)鍵技術(shù)為等離子體弧電源、等離子體發(fā)生器、等離子體反應(yīng)器。
圖2科創(chuàng)等離子體處理技術(shù)
Figure2plasmaprocessingtechnology
科創(chuàng)等離子體技術(shù)是一種革新性的處理技術(shù)。該技術(shù)的核心在于通過等離子體傳遞能量，使廢棄物快速地分解成原子，從而無大分子的中間產(chǎn)物，其產(chǎn)生的氣體多數(shù)為可燃的，送至二次燃燒室進行完全燃燒，然后經(jīng)過簡單的尾部凈化后排入大氣[9]。
2.2.2VOCs末端處理技術(shù)的優(yōu)點、缺點和適用范圍
2.2.3科創(chuàng)高溫等離子焚燒特點
科創(chuàng)公司高溫等離子焚燒技術(shù)比較傳統(tǒng)RTO（天然氣焚燒方法）有以下優(yōu)勢：
1）連續(xù)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(yī)藥有機廢氣處理應(yīng)用方面尤為重要。
2）廣譜性：能夠處理高濃度、成分復(fù)雜、易燃易爆及含有大量水分、固態(tài)、油狀物的工業(yè)廢氣，實現(xiàn)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(fēng)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(fēng)阻就需要功耗為60千瓦的引風(fēng)機；而處理1萬立方米/小時的高溫等離子焚燒設(shè)備（15千瓦），連同引風(fēng)機（11千瓦）僅消耗26千瓦功率.
6）能效比高：節(jié)約能源，沒有陶瓷蓄熱體等易損部件，高溫等離子RTO（焚燒）設(shè)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(shè)備存在臭氧排放問題）。
9）經(jīng)濟適用：同樣規(guī)格的高溫等離子RTO（焚燒）設(shè)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(jié)約人力，運營成本低。
11）不會產(chǎn)生二次污染。無異味，對人口居住密集地區(qū)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(yīng)對日漸嚴格的環(huán)境保護標準。天燃氣焚燒法因其工作機理及自身結(jié)構(gòu)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(fā)的安全問題。
3總結(jié)
科創(chuàng)公司等離子體是一種具有高熱焓、高溫、快反應(yīng)時間、能量集中、電熱轉(zhuǎn)換效率極高的（85%~95%）的新熱源。高溫等離子法是治理醫(yī)療廢氣的有效措施，等離子體技術(shù)可產(chǎn)生比傳統(tǒng)焚化更快速的熱傳導(dǎo)速率，且耗氧少，副產(chǎn)品少，顆粒物排放少，煙氣凈化系統(tǒng)簡單。但目前高溫等離子法還沒有形成嚴格標準規(guī)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(jīng)過專門訓(xùn)練，大規(guī)模應(yīng)用還有待時日。隨著科技的不斷發(fā)展，這些問題會得以解決，從長遠來看，等離子體技術(shù)在處理醫(yī)療廢氣領(lǐng)域具有著廣闊的應(yīng)用前景。
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