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医疗垃圾热解焚烧技术研究

摘 要 本文提出了一种固定炉排炉热解焚烧系统，在对其主要组成部分进行详细介绍的基础上，对运行结果进行了分析和讨论。该焚烧炉主要构件包括：热解焚烧炉、热管换热器、冷却塔和布袋除尘器。运行结果显示：稳定运行时炉膛平均温度在850℃左右，二燃室平均温度在1000℃以上；尾气中CO，NOx，HCl，SO2浓度分别为：71mg/m3，125 mg/m3，27.8 mg/m3，21 mg/m3，均远远低于标准限值。
关键词 医疗垃圾 热解焚烧 固定炉排炉

医疗垃圾是指医院、诊所、卫生防疫、保健、检验等与其他医疗卫生有关的单位中产生的废弃物的总称。这些垃圾中含有的大量的传染性的病原微生物、病菌、病毒，具有空间传染、急性传染和潜伏性传染等特征，其病毒菌的危害是普通城市生活垃圾的几十倍甚至数百倍，直接威胁人们的身体健康及社会公共卫生安全，因而对其进行无害化处理就显得十分重要[1-9]。目前，对医疗垃圾的处理，国内外大多采用焚烧法[2-7 9]。。由于焚烧处理具有方法简单、易于操作、处理周期短、处理效率高，减容率达90%，甚至更高等特点，被公认为是一种比较理想的处理方法。但是，我国目前大部分城镇的医院、门诊、卫生所等都还采用传统的焚烧炉，即单一的燃烧室，没有二燃室和尾气净化系统的简单焚烧。由于这种传统的焚烧设备炉型设计不能适应医疗垃圾热值和成分变化大的特点，造成医疗废弃物焚烧不完全、不彻底，具有潜在危害的污染物重新进入环境，不仅危险物质不能彻底处理，而且还带来更为严重的二次污染。而《医疗废物管理条例》中也明确要求，医疗垃圾等危险废弃物必须集中进行处理。因此，必须根据医疗垃圾的物性特点，开发出一套安全、高效、节能、环保的医疗垃圾焚烧技术，以满足城市医疗垃圾集中处理的需要。
为此，借鉴日本焚烧技术，结合广州能源研究所自有技术研究开发了一套固定炉排炉热解焚烧系统，并且在广东省博罗县垃圾处理厂成功运行。本文针对这一系统的组成进行了介绍，并对运行结果进行了分析、讨论。
一、实验系统
（一）焚烧炉的系统组成
医疗垃圾热解焚烧炉系统主要有热解焚烧炉（一燃室，二燃室为一体）、换热器、冷却塔、布袋除尘器和其他辅助设备组成。见图1，垃圾由抓斗送入一燃室内，在缺氧氛围中，垃圾在一燃室内不完全燃烧，发生热解反应，生成可燃气体，可燃气体进入二燃室在高温下充分燃烧，充分燃烧后的高温烟气通过配入适量的冷空气，将其急冷到450℃在进入热管换热器换热冷却，然后进入喷雾冷却塔急冷到180℃进入布袋除尘器除尘净化，在烟气中有加钙进行脱酸，加活性炭吸附有机物及重金属等，最后由引风机引至烟囱排到大气中。
表1和表2列出了热解焚烧系统的主要参数和主要配套设备的型号和功率。
（二）热解焚烧炉
热解焚烧炉结构的选定：热解焚烧炉结构从燃烧方式分3种，⑴炉排燃烧方式，包括固定炉排和可动炉排；⑵床燃烧方式，包括固定床、回转炉床和回转炉；⑶流化床燃烧方式。从经济成本、结构紧凑、操作简单，运行成本等方面考虑，选择第一种炉排燃烧方式的热解焚烧炉。本热解焚烧炉的结构紧凑，一燃室和二燃室连成一体，外观呈立方体，由钢板焊接而成，内砌复合耐火保温材料，根据不同工况和层面，采用硅酸盐、高铝及刚玉砖等不同材料，有较强的耐腐蚀耐磨性能，耐温可达1300℃，轻质保温砖可使炉体外壁低于80℃。在改善操作环境的同时，增强了能源的利用，一燃室和二燃室连成一体的结构，以及炉排下四周均匀分布的进风口，使热解燃烧的工况更稳定。一燃室的可拆卸炉条，使维修更方便快洁。用燃烧机点火，起炉容易。根据标准要求，物料焚烧产生的烟气在二燃室内继续燃烧至850℃以上，自动控制的辅助燃烧器可确保烟气燃烧有足够的温度。迷宫式的炉体设计，切向均匀的进风，可使烟气在二燃炉内产生强在的湍流，并有足够的停留时间（理论设计时间>3s），真正意义上做到“3T”燃烧，有效去除二恶英。二燃室装有辅助燃烧器、看火孔、检修门。侧面设热电偶控制燃烧器工作，顶部另配有防爆阀及紧急风门，以备发生意外时确保人员和设备的安全。

图1 医疗垃圾热解焚烧工艺流程图
表1 热解焚烧系统主要技术参数
项目
处理量
外型尺寸（炉）
冷却水消耗
耗电功率
耗油量
运行温度
炉内负压力
规格
3吨/日
2.8m×1.6m×2m
100kg/h
10kw/h
0～6kg
850℃以上
100pa
表2 主要配套设备

离心风机
离心风机
空压机
布袋除尘器
步进电机
水泵
燃烧机
型号
9-26No.4.5A
9-19No.4
2m3/min/0.8MPa
LDMC1/3/15
110BYG
TP78E
DZR-005-Y
功率
7.5kw
1.5kw
11

0.5kw
0.2kw
数量
1
2
1
1
2
1
2

（三）热管换热器
废物燃烧产生的高温烟气是一种热源，对其加以回收利用可降低整个系统的运行成本，提高经济效益，同时可减轻尾气处理的负荷。但废物焚烧炉不同于一般的工业炉窑，其运行介质和运行条件具有特殊性，余热利用必须以保证焚烧系统运行的安全性和防止二恶英的再生为前提。从目前比较成熟的理论看，废物焚烧产生的烟气若在550℃以下逐渐降温，二恶英等有害气体再生成的可能性将增大，而骤冷过程则可有效抑制有害物质的再生。而热管换热器入口温度一般应低于650℃。因此，本设计考虑在焚烧炉二燃室出口配入适当的冷风，使烟温从1100℃急冷到600℃，利用600℃到450℃这一区间的烟气余热。利用余热将一次风、二次风加热到200℃以上，有利于医疗垃圾的热解燃烧。
（四）冷却塔
为了控制二恶英的生成和保证布袋除尘器的正常运行，从热管换热器出来的烟气必须在冷却塔中瞬间降温。由于冷却水在喷入冷却塔后能迅速的蒸发，通过冷却塔的冷却水又能很好地使烟气迅速冷却。因此，在冷却塔底部设雾化喷嘴，喷嘴是气液内混合的结构。塔内设有布气筛，冷却水从喷嘴雾状喷出与热烟气充分接触，将烟气从450℃被迅速的冷却至180℃，从而抑制了二恶英和多氯二苯呋喃的生成。长时间的运行证明，这种喷嘴能极有效地使水雾化，水雾在塔横断面上分布均匀，并且在1秒内完全蒸发，根据冷却塔的出口烟气温度设置的自动控制程序能自动调节水泵的转速，即能有效地控制冷却水量，不产生废水。
（五）布袋除尘器
冷却塔出口设步进电机带动螺旋加活性炭装置，将活性炭加入烟气管道，当耗量达到50mg/Nm3时，可有效吸附尾气中的重金属和残余二恶英。针对本系统烟气具有高温、含氯、腐蚀性大的特点，除尘器采用高压脉冲用 LDMC系列模块式高效除尘器。设备配有电加热装置，可以防止布袋结露。为防止高温烟气烧毁布袋，在喷淋塔的出口和布袋除尘器的进口之间设置了旁通管路。一旦发生紧急情况，如烟气温度超高，阀门前的高灵敏度热电偶迅速将温度信号传送至电脑控制系统，控制系统在极短的时间内将进口阀门关闭，此时，布袋除尘器的出口阀门关闭，旁路管道阀门和冷风阀同时打开，高温烟气迅速经旁路排放，确保了布袋除尘器的安全。
二、运行结果与讨论
所用医疗垃圾原料来自广州市白云区各医院，其主要成分是塑料类、纸类、布类、玻璃等，其元素分析及热值见表3。
表3 医疗垃圾原料的元素分析（wt%）及热值
C
H
O
N
S
低位热值(kJ/kg)
56.82
7.83
29.87
0.35
0.08
8708.8

热解焚烧炉用燃烧机点火起炉，为了使气化炉能够快速升温，应适当加大空气进给量，保证垃圾充分剧烈燃烧。同时将二燃室的燃烧机打开，一方面将炉膛即一燃室未燃尽的碳粒烧掉，同时提高二燃室温度。当炉膛温度达到700℃左右时，适当调节炉膛、二燃室空气量，使垃圾在炉膛内热解，产生的可燃气在二燃室里充分燃烧。一般炉膛的空气当量系数为0.25，二燃室空气过量系数为1.3。图2反映的是炉膛、二燃室温度由起炉到稳定运行的变化情况。由于医疗垃圾的热值比较高，见表3，达8708.8 kJ/kg。热解挥发分高达80%以上，这些挥发分中主要是可燃气体，如：一氧化碳、氢气、甲烷等，这些可燃气在二燃室里同充分燃烧。释放热量，产生高温将一部分有机污染物分解掉。由图2可看出，炉膛和二燃室的温度在起炉后随着时间的增加而逐渐上升，
最终二燃室温度在燃烧机关闭的情况下稳定在1000以上℃，而炉膛温度与二燃室温度相比，波动比较大一些，也在850℃以上。
（一）温度随时间的变化

图2

（二）烟气中主要污染物随时间的变化

图3
图3表示了6种污染物在线检测的结果。在焚烧炉实际的操作运行中，一氧化碳的变化波动最大，而其他污染物随时间变化波动相对较小，实际检测中一氧化碳波动主要受焚烧炉操的影响，比如原料的加入，空气量的调整等都会直接影响一氧化碳排放量的变化。其他如二氧化硫的波动主要是受原料本身的含硫元素量的影响；加钙量以及操作工况的影响。表4所示为尾气中各种污染物其实测值与极限植的对比，都达到了《危险废物焚烧污染控制标准 》。
表4 尾气实测值与标准限值对照表
排放物
CO
NOx
SO2
HCl
Cr
Ni
Pb
Hg
烟气黑度
实测值
mg/m3
71
125
21
27.8
5.7
10-3
0.4
0.27
4.1
10-5
1级
标准限值
mg/m3
100
500
400
100
0.1
1.0
1.0
0.1
1级
注：标准限值：《危险废物焚烧污染控制标准 》GB1848-2001
三、结论
该固定炉排炉热解焚烧系统具有较好的操作特性，各主要构件：热解焚烧炉、热管换热器、冷却塔和布袋除尘器参数耦合性能较好。二燃室温度在燃烧机关闭的情况下稳定运行在1000℃以上；炉膛温度也可达到850℃以上。
医疗垃圾热解焚烧尾气中污染物的实测浓度均远远低于标准限值。该系统的运行实验结果表明，固定炉排炉在高效、清洁处理医疗垃圾方面具有较好的技术、经济性能，完全可推广应用于中国的医疗垃圾集中处理处理市场。
参考文献
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