HowStuffWorks - Como Funcionam Os Conversores de Plasma

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Como funcionam os conversores de plasmapor Jonathan Strickland - traduzido por HowStuffWorks Brasil

Introdução

Lembra da cena em "De volta para o futuro" onde Doutor Brown joga lixo no seu carro, alimentando suamáquina do tempo? Embora a fusão doméstica esteja ainda no reino da ficção científica, nós,

provavelmente, estamos mais perto do que você imagina rumo à geração de eletricidade para nossascasas através da utilização de lixo, e o conversor de resíduo com plasma fará o trabalho.

Foto cedida pela Confederate Motor Company

Sistema de coleta de lixo através do arco de plasma da PyroGenesis

Em seu nível mais básico, um conversor de resíduo com plasma é um maçarico de plasma aplicado nolixo. Um maçarico de plasma usa gás e eletrodos poderosos para criar plasma, chamado por alguns de

quarto estado da matéria. O plasma é um gás ionizado; em outras palavras, é um gás com elétrons

livres que carrega e gera um campo magnético. Na Terra, podemos ver demonstrações naturais decampos de plasma nos relâmpagos. A temperatura gerada pelo maçarico de plasma pode chegar a

níveis superiores a superfície do Sol (mais de 6.000 graus Celsius).

Foto cedida por PyroGenesis (em inglês) 2006

Maçaricos de plasma

Nesta temperatura, o lixo não tem a mínima chance. As moléculas se quebram em um processo

chamado de dissociação molecular . Quando as moléculas são expostas a uma energia intensa (comoo calor gerado pelo maçarico de plasma), as ligações covalentes que as unem são excitadas e sequebram. O que resta são os componentes elementares das moléculas. Com o cianeto, por exemplo,

você produz átomos de carbono e nitrogênio.

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Um agradecimento

Agradecimento ao Dr. Louis

Circeo do Georgia Tech, Dr.

Hilburn Hillestad e Crinu Baila da

GeoPlasma e Bill Haynes do

Energy Systems Group por sua

assistência neste artigo.

As moléculas orgânicas (aquelas que têm como base o carbono) ficam volatilizadas, ou setransformam em gases. Esse gás s intético (gás de síntese) pode ser usado como fonte de combustívelse corretamente limpo. Os compostos inorgânicos derretem e se vitrificam, ou se convertem em uma

substância dura, vítrea, s imilar em aparência e peso com a obsidiana. Os metais também derretem,combinando-se com o resto do material inorgânico (chamado de escória).

Diferente dos incineradores comuns, que usam combustão para

quebrar o lixo, não existe fogo ou oxidação neste processo. O calor doconversor de plasma provoca pirólise, um processo pelo qual o materialorgânico se quebra e se decompõe. Os maçaricos de plasma podem

operar em recipientes herméticos. A combustão requer oxidação, apirólise não.

Os conversores de resíduo com plasma podem tratar quase todo tipo derefugo, incluindo alguns materiais tradicionalmente difíceis. Ele pode tratar lixo hospitalar ou químico enão deixar sobrar nada além de gases e escória. Dado que ele quebra esses materiais perigosos em

seus elementos básicos, estes podem ser descartados com segurança. O único lixo que o conversor deplasma não pode quebrar é o material radioativo pesado, como por exemplo as pastilhas usadas em um

reator nuclear . Se você colocar esse material em um forno de plasma, ele provavelmente pegaria fogo

ou poderia até mesmo explodir.

Não páginas seguintes, veremos o que compõe um típico conversor de resíduo com plasma,

examinaremos os subprodutos produzidos no processo de gaseificação e discutiremos os benefícios epreocupações concernentes aos conversores de plasma.

Resíduo sólido municipal

Este artigo aborda a gaseificação por plasma do resíduo sólido

municipal, os fins industriais para o que nós normalmente

chamamos de sobras ou restos.

Anatomia de um conversor de plasma

Atualmente, as indústrias do plasma não são unificadas. Muitas companhias diferentes estão

desenhando instalações de plasma e no momento cada instalação é essencialmente feita sobencomenda. Todavia, a maioria dos conversores tem os seguintes componentes em comum.


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Sistema condutor

Para colocar o lixo dentro do conversor, quase todas as instalações de plasma têm um sistemacondutor. O lixo é carregado no conversor e é empurrado no forno (ou sistema de pré-tratamento se ainstalação de plasma utiliza um) por um embôlo.

Mecanismo de pré-tratamento

Embora o maçarico de plasma possa quebrar o lixo sem nenhum pré-tratamento especial, a maioria dasinstalações de plasma empregam algum tipo de pré-tratamento para tornar todo o s istema maiseficiente. Alguns projetistas utilizam amoladores ou britadeiras para reduzir o tamanho dos pedaçosindividuais de lixo antes de jogarem no forno. O maçarico de plasma pode quebrar os pequenospedaços mais rapidamente.

Forno

A mágica acontece aqui. Os fornos têm um sistema de bloqueio de ar para permitir que o lixo entre

enquanto impede que os gases quentes do forno sejam liberados na atmosfera. Os fornos têm aomenos um maçarico de plasma; muitos têm múltiplos maçaricos para quebrar todo o material. Estesmaçaricos são normalmente colocados um pouco abaixo da metade do forno. O forno possui tambémum sistema de drenagem para eliminar a escória quando se acumula e um sistema de ventilação paraliberar os gases. Para resistir ao intenso calor, os fornos são forrados com material refratário e

freqüentemente ainda possuem um sistema de resfriamento a água.

Maçarico de plasma

Os maçaricos de plasma utilizados nestas instalações são essencialmente feitos sob encomenda. Aquantidade de energia consumida, o período de vida dos eletrodos utilizados, o gás usado para a


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ionização (a maioria dos maçaricos usa somente ar comum), o tempo que se leva para substituir ummaçarico fora de linha e o tamanho do alcance do plasma, tudo isto depende da especificação do

fabricante. Os maçaricos de plasma são resfriados a água.

Drenagem da escória

A escória fundida se acumula no fundo do forno e auxilia a manter a temperatura alta dentro da câmarade gaseificação. Ocasionalmente, a escória tem que ser drenada do forno. Alguns fornos têm drenos

posicionados a uma certa altura, outros usam um sistema de torneira. De qualquer modo, os drenosretiram a escória do forno e a resfria em uma câmara separada.

Ventilação do gás

O forno também tem um sistema de abertura para permitir que os componentes gaseificados passempara outra parte do s istema (um dispositivo de pós-combustão ou uma câmara de purificação do gás).

Pós-combustão

Os gases podem passar através de uma segunda câmara onde o gás natural queima todo o materialorgânico remanescente nos gases. Estes gases extremamente quentes passam então através de um

sistema gerador de recuperação com aquecimento a vapor (Heat Recovery Steam Generator -HRSG), onde eles aquecem a água para formar o vapor. Este vapor, segue então para a turbina a

vapor, gerando eletricidade.


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Purificação por gás de síntese

Alternativamente, os gases do forno entram em uma câmara onde são resfriados e purificados,

normalmente através da água. Os gases passam através de um spray de água, que elimina partículas epoluentes dos gases. Um sistema de filtragem contendo um filtro básico neutraliza os gases ácidos. Oácido nos gases e as bases no filtro se combinam para formar sais inertes. O gases limpos e resfriados

seguem através do sistema, o que em muitos casos envolvem uma turbina a gás ligada a um gerador deeletricidade. Alguns sistemas também aproveitam o calor destes gases para gerar vapor, semelhante aométodo de pós-combustão mencionado acima.

Se a indústria usa um dispositivo de pós-combustão, os gases restantes devem ser limpos para quefiquem livres de qualquer material perigoso. Muitos desenhos incluem um sistema de purificação a seco.Neste sistema, carbono pulverizado é injetado nos gases para eliminar o mercúrio, um elemento

venenoso. Os gases também atravessam um tecido ou bolsa de filtro para remover quaisquer outraspartículas perigosas, como o chumbo. Os gases, uma vez purificados, são então conduzidos ao

escapamento e liberados na atmosfera.

Subprodutos do processo

Existem três subprodutos principais resultantes do processo de gaseificação do plasma. Gás de síntese(syngas), escória e calor. Vamos ver cada um destes subprodutos detalhadamente.

Gás de síntese é a mistura de vários gases incluindo principalmente hidrogênio e monóxido decarbono. Ele pode ser usado como fonte de combustível e alguns projetos o utilizam tanto para gerar

força para a estrutura como para deslocar o excesso de eletricidade para a rede elétrica. O lixo contémum grande nível de energia potencial; o processo de gaseificação permite então que os engenheirosconvertam a energia potencial em energia elétrica.

Quanto gás é gerado por um conversor de plasma? Isso depende do que é colocado no forno. Se o lixocontém muito material que tenha o carbono como base (em outras palavras, lixo orgânico), mais gás

será gerado. Lixo com muito material inorgânico não renderá muito gás. Por causa disto, algunsaparelhos de plasma organizam o lixo antes de colocá-lo no sistema.


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A escória resfriada a ar forma

rochas como esta

Fotos cedidas peloGeorgia Tech Research Institute

Lã de rocha

Foto cedida por PyroGenesis (em inglês) 2006

Drenagem de escória fundida de um forno de plasma

O subproduto sólido do processo de gaseificação é chamado de escória. O peso e volume do lixooriginal é reduzido dramaticamente. De acordo com o Dr. Circeo do Georgia Tech's Plasma Department

(Departamento de Tecnologia de Plasma da Geórgia):

o peso da escória é de aproximadamente 20% do peso original do lixo;

o volume da escória é de aproximadamente 5% do volume original do lixo.

A escória pode tomar formas distintas dependendo de como é resfriada.

Os nódulos de metal podem

ser separados da areia

Escória resfriada a água

forma areia

Fotos cedidas pelo Georgia Tech Research Institute

Se a escória for resfriada a ar, forma pedras vítreas, pretas que se assemelham às obsidianas. Elas

podem ser usadas no concreto ou no asfalto. A escória fundida pode ser moldada na forma de tijolos oude pedras de pavimentação, resfriadas a ar e então transformadas em material de construção prontopara o uso.

Se você soprar ar comprimido através de um fluxo deste material

fundido, irá produzir lã de rocha. A lã de rocha tem a aparência de umdoce de algodão cinza. Ele é leve e delgado, e de acordo com o Dr.Circeo, tem o potencial de revolucionar a indústria de tratamento deresíduo com plasma. A lã de rocha é um material isolante (em inglês)

muito eficiente, duas vezes mais efetivo do que a fibra de v idro. Eletambém é mais leve do que a água, mas muito absorvente. Por causa

disto, ele poderia ser usado para ajudar na contenção e limpeza devazamentos de óleo no oceano. As equipes de limpeza poderiam jogar a lã de rocha em cima e ao redor de um vazamento de óleo. A lã de

rocha flutuaria na água absorvendo o óleo, fazendo da coleta umprocesso relativamente fácil. Os sistemas de cultivo hidropônico

também podem usar a lã de rocha - os fazendeiros podem plantar sementes em lajes ou blocos feitos de lã de rocha.

Atualmente a lã de rocha é produzida nas minas, derretendo-as ederramando o material fundido sobre máquinas de fiar. As máquinas defiar lançam fibras de material derretido no ar. Atualmente, o preço da lã

de rocha é de quase dois reais por quilo. Considerando que lã derocha é um subproduto do processo de gaseificação do plasma, esta

poderia ser vendida por menos de 10 centavos o quilo. O preço doisolante iria cair, técnicas eficazes de economia de energiaaumentariam e estruturas de gaseificação de plasma teriam outra fontesignificativa de renda, além da venda de eletricidade de volta à rede.

Especialistas em tecnologia de plasma, incluindo o Dr. Circeo, afirmam

que a escória é virtualmente impossível de se filtrar, significando quequalquer material perigoso fica inerte e não irá se dissolver fora da escória.

O calor gerado pelos aparelhos de plasma é considerável, medido em milhares de graus centígrados. O

calor da escória derretida ajuda a manter a temperatura dentro do forno alta. Um pouco do calor dosgases pode ser usado para converter água em vapor, ativando as turbinas a vapor para gerar

eletricidade.

O tratamento do lixo através da gaseificação é único porque não só recicla o lixo gerando eletricidade

como também faz subprodutos que são valiosos. Na próxima página, falaremos sobre as indústrias

existentes e futuras de plasma e as companhias pioneiras nesta tecnologia.

Instalações de gaseificação por plasma

Atualmente, existem somente duas indústrias de plasma comerciais que processam MSW, e elas estão

no Japão. Em 1999, a Hitachi Metals executaram um plano piloto em Yoshii, Japão. Esta indústria eramodesta, processando menos de 20 toneladas por dia de MSW. O sucesso da operacionalização da

indústria impulsionou o desenvolvimento de mais duas outras no Japão. O programa piloto terminou em


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Megawatt/hora

O megawatt-hora (MWh) é a

unidade de medida de energia.

Ela equivale a 1.000.000 watts

operando por 1 hora. Um

secador de roupas requer

aproximadamente 5.6

quilowatt-hora (ou 5.600

watt-hora). Um megawatt-hora

poderia alimentar o secador por

mais de 178 horas sem parar.

2004 e a Hitachi Metals desativou a indústria.

Fotos cedidas pelo Georgia Tech Research Institute

A capacidade de plasma de Mihama-Mikata

A indústria no parque industrial Mihama-Mikata começou a operar em 2002. Ela pode processar mais de24 toneladas por dia de MSW e quatro toneladas por dia de barro de tratamento de esgoto. Dado que a

indústria é relativamente pequena, ela não produz gás de síntese para combustível. Entretanto, elaproduz vapor e água quente, que são usados como energia e geração de calor no parque industrial. Aindústria usa um sistema de resfriamento a água para a escória fundida e separa os nódulos de metal

para vendê-los como sucata. A areia é misturada com o concreto para ser usada em blocos depavimentação.

Foto cedida por Westinghouse Plasma Corporation (em inglês)

A indústria de plasma de Eco Valley Utashinai

A indústria de gaseificação por plasma em Utashinai, Japão tambémcomeçou a processar MSW em 2002. O desenho original da

aparelhagem determinou sua capacidade em torno de 170 toneladas por dia de MSW e de resíduos automotivos (ASR). Hoje o aparelho

processa aproximadamente 300 toneladas por dia. O aparelho geramais de 7.9 megawatt/hora (MW/h) de eletricidade, enviandoaproximadamente 4.3 MW/h de volta à rede elétrica.

A gaseificação por plasma também é utilizada para projetos demanipulação de lixo especializados. Em Bordeaux, França, aparelhos

desenhados pela Europlasma são utilizados para derreter amianto ouvitrificar partículas de cinzas que resultam do uso de incineradores

para destruir o lixo. As cinzas podem conter materiais perigosos etradicionalmente têm sido armazenadas em aterros sanitáriosespecializados. Usando um maçarico de plasma, a Europlasma pode converter as cinzas em escória,

onde os metais leves e outros materiais perigosos se tornam inertes.

Instalações do futuro

Uma instalação de demonstração construída em Israel pela Environmental Energy Resources, Ltda.está programada para se converter em uma instalação de tratamento de lixo comercial. A Rússia

também expressou interesse nas instalações de gaseificação por plasma e atualmente utilizaaparelhagens de plasma para tratar lixo nuclear de nível baixo em uma indústria nos arredores de

Moscou.

Nos Estados Unidos, uma firma com sede em Atlanta, Estado americano da Górgia, chamada

GeoPlasma está trabalhando com o Condado de St. Lucie na Flórida para construir e operar a indústriade gaseificação por plasma. Esta indústria processaria todo o resíduo do condado e começaria aaposentar o aterro de lixo existente. Uma vez construída, a indústria será capaz de processar mais de

1000 toneladas de lixo por dia e gerar 67 MW/h por dia, como uma produção líquida de 33 MW/h.

A GeoPlasma criou um desenho modular para a indústria, com duas câmaras de gaseificação por

plasma que podem processar 500 toneladas por dia. O desenho modular permite expansões futuras - o

plano proposto é de aumentar a capacidade para 3.000 toneladas por dia depois de poucos anos deoperação. Os engenheiros prevêem que dentro de 18 anos, o aterro de lixo existente serácompletamente fechado e tratado. A eletricidade gerada pela indústria será mais do que suficiente paraalimentar 98 mil casas na região.

Muitas regiões dos Estados Unidos estão começando a olhar para a gaseificação por plasma como ummodo de administrar o resíduo. Muitas companhias como a GeoPlasma, StarTech, Recovered Energy,


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Inc. e Plasco Energy Group são pioneiras em levar esta tecnologia para o uso comercial. Considerandoque o projeto do Condado de St. Lucie é um sucesso, nós talvez veremos mais dessas instalações em

funcionamento.

A tecnologia do arco de plasma tem sido usada em vários campos há décadas. Experimentos no uso doplasma para o controle do resíduo começaram na década de 80. Com todos os benefícios dos

conversores de plasma, por que somente agora vemos estas instalações sendo construídas? Napróxima página, veremos por que levou décadas para esta tecnologia passar da experimentação à

implementação.

Desafios dos conversores de plasma

As instalações de tratamento de resíduo com plasma tiveram vários obstáculos para surgirem.

Primeiramente, elas são uma tecnologia nova. Como aponta o Dr. Circeo, pode levar vários anos paraque a nova tecnologia passe da descoberta até o uso comercial. ALgumas vezes este passo parececoincidir mais convenientemente com a expiração da patente inicial da idéia. As novas tecnologias são

também caras, quase toda a aplicação do plasma requer o custo de construção da instalação. Até aconstrução da instalação ser padronizada, os custos serão altos para as.

Um aterro de lixo típico

Além do custo da construção da indústria, outros gastos são o principal fator. Até muito recentemente,

os custos com a terra eram tão baixos que valia mais a pena usar os aterros do que desenhar, construir e manter uma instalação de t ratamento de resíduo com plasma. As preocupações ambientaisfreqüentemente esbarram nas realidades econômicas, e não foi até o aumento das taxas de lixo (a

taxa que é paga para ter o lixo levado até os aterros) e a queda dos custos das indústrias de plasmaque as tornaram mais economicamente viáveis. Mesmo com uma cultura de preocupação com a

ecologia, algumas companhias não focam os aspectos ambientais nos seus modelos de negócios. AGeoPlasma, por exemplo, posiciona a si mesma como uma instalação de plasma que utiliza recurso

renovável como combustível. O Dr. Hillestad, da GeoPlasma, afirma que focar a habilidade daGeoPlasma na produção de eletricidade barata pode tornar a operação viável.

A administração do resíduo é um grande negócio. Qualquer mudança na administração do resíduo

enfrenta críticas e oposições daqueles que se beneficiam do atual estado das coisas. Como aspressões em relação à importância do meio ambiente (tanto da perspectiva da administração do resíduo

quanto do desenvolvimento de fontes de energia renováveis).

Fazendo indústrias de plasma lucrativas

As instalações de tratamento de resíduo com plasma exigem um gasto cada vez maior. Contudo, como aindústria de plasma pode gerar renda além das taxas móveis, elas podem tornar estas taxas mais

competitivas para, assim, tornar mais barato o transporte do lixo para a instalação do que para o aterro. Assim que as instalações forem padronizadas, as taxas móveis continuarão a cair.

Com a capacidade certa, uma indústria de plasma pode gerar gás de síntese suficiente para ativar ummotor ou turbina a gás e produzir eletricidade. Com 1000 toneladas por dia a indústria pode produzir eletricidade suficiente para alimentar a si mesma e ainda bastante energia para enviar de volta à rede

elétrica.

Os gases quentes podem gerar vapor, que pode ativar turbinas para a eletricidade ou para seremusadas na produção de calor para a indústria e outras instalações.

A escória pode ser vendida em todas as suas formas. A pedra formada pode ser usada como cascalho

ou na fabricação de tijolos. A areia pode ser misturada com concreto e utilizada em vários projetos deconstrução e pavimentação. A lã de rocha pode ser usada como isolamento ou na contenção deperigosos vazamentos de óleo. A indústria do Condado de St. Lucie irá produzir 12 toneladas de escória

vitrificada por dia (a partir de 1.000 toneladas de resíduo). Se a escória fundida for resfriada pela água,os nódulos de metal podem ser separados da escória e vendidos como sucata. Espera-se que a

instalação de St. Lucie produza aproximadamente 4 toneladas por dia.

Veremos o que o futuro reserva para a tecnologia de gaseificação por plasma.

O futuro dos conversores de resíduo com plasma

O Dr. Hillestad da GeoPlasma acha que esse é o momento perfeito para a tecnologia de gasei ficaçãopor plasma. Com a crescente preocupação com poluição e o investimento em energia renovável, asindústrias de plasma se tornaram importantes.

O uso potencial dessa tecnologia (além das novas indústrias de tratamento de resíduo com plasma)inclui:

Instalações locais

Dr. Circeo propõe a criação de um sistema de gaseificação por plasma portátil para tratar aterros

sanitários sem construir uma indústria completa. Em vez de um forno estacionário e de uma instalação


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de tratamento de gás, ele sugere a abertura de furos em aterros existentes, colocando um maçarico deplasma neles além de cobrir o buraco com um sistema de captura de gás. O próprio aterro de lixo agiria

como um forno. Uma vez que a gaseificação por plasma não é um processo de combustão, osconteúdos de aterro de lixo ou gaseificariam ou vitrificariam, sem perigo de fogo.

Coabitação com indústrias de energia existentes

Outra opção que reduziria significativamente o preço da indústria de plasma é a coabitação da câmarade gaseificação por plasma com uma instalação de geradora de energia preexistente. Por causa da

quantidade de gases produzidos pelas usinas de plasma ser relativamente pequena se comparada comas usinas de energia de carvão mineral ou à óleo, os geradores de força nas indústrias de plasma sãomenores e menos eficientes (geradores maiores requerem muito mais gás). O carvão mineral e as

indústrias de energia utilizam o mesmo processo das plantas de plasma para tratar os gases e gerar força. Ao conectar uma ligação do forno de gaseificação por plasma com fornos de carvão mineral ou a

óleo, você elimina a necessidade de um equipamento de tratamento de gás da indústria de plasma, oque compõe aproximadamente 50% do custo global da construção de uma instalação de tratamento deresíduo com plasma. Os gases do forno de plasma iriam se combinar com os gases dos outros fornos.

Os gases relativamente puros do forno de plasma iriam auxiliar no aumento da eficiência e reduziriam aquantidade de carvão ou óleo necessários para gerar força.

Descontaminação

O calor intenso dos maçaricos de plasma pode neutralizar completamente os componentes perigososencontrados no gado doente ou na terra contaminada. Os engenheiros poderiam transportar instalaçõesde plasma modulares portáteis para se livrar das carcaças de animais ou para tratar o solo no local. A

incineração de tais materiais perigosos nem sempre destrói todos os componentes contaminados, oupode acabar por produzir cinzas, o que também é um resíduo perigoso. A gaseificação por plasma

poderia destruir ou tornar inofensivo qualquer material prejudicial.

Para aprender mais sobre os conversores de resíduo com plasma, confira os links na próxima página.

Mais informações

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Como funcionam os aterrosComo funcionam as redes elétrica

Como funciona o sistema de tratamento de esgoto

Mais links interessantes (em inglês)

GeoPlasma

Plasco Energy GroupStarTechEuroPlasma

Hitachi Metals

Fontes (em inglês)

Behar, Michael. “The Prophet of Garbage”. Popular Science.

Circeo, Louis, Ph.d. Personal interview. March 27, 2007.Circeo, Louis, Ph.d. "The Pyrolysis of Municipal Solid Waste as a Source of Renewable

Energy Using Plasma Arc Technology". Presentation to the Renewable Energy Roundtable,Saint Petersburg Meeting of Nobel Prize Winners, Russian Academy of Sciences. June 16-21,

2003.Circeo, Louis. "Plasma Process ing of MSW at Fossil Fuel Power Plants". Georgia TechResearch Institute.

Environmental Energy Resources, Ltd.""Geoplasma LLC Responses to Questionnaire for Conversion Technology Suppliers"." Los

Angeles County Solid Waste Management Committee - Conversion Technology EvaluationServices Project.


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Hillestad, Hilburn, Ph.d., Baila, Crinu and Haynes, Bill. Personal interview. March 27, 2007.Jackson, Sheryl S. ""A Remedy for Landfills"." Georgia Tech, Spring 1994.

Link-Wills, Kimberly. "Plasma Power"." Georgia Tech Alumni Magazine Online.Plasco Energy Group"Plasma Arc Systems." CMPS&F - Environment Australia. Appropriate Technologies for theTreatment of Scheduled Wastes. Review Report Number 4 - November 1997.StarTech

United States Patent 6,971,323. Method and apparatus for treating waste.

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