熱等離子體醫(yī)療垃圾處理系統(tǒng)的優(yōu)化
王建偉 楊 建 李榮先
（深圳清華大學(xué)研究院，廣東 深圳 518057）
摘要 等離子體醫(yī)療垃圾處理裝置高達(dá)3 000~30 000 ℃的處理溫度可將包括二噁英在內(nèi)的所有有機(jī)成分在幾毫秒的時(shí)間內(nèi)徹底分解為小分子并在二次燃燒室內(nèi)燃盡，焚燒灰被熔融玻璃化，抗壓強(qiáng)度超過800 kg/cm2，泄漏性極低，可用作建材，同時(shí)該系統(tǒng)還可以回收鐵、銅等金屬。深圳清華大學(xué)研究院在2004年發(fā)展了處理量為100 kg/h熱等離子體醫(yī)療垃圾處置系統(tǒng)，在該系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，最近再次對主爐結(jié)構(gòu)和自動(dòng)上料裝置進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并對微波-活性炭法脫氮技術(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，以期替代原來的活性焦-氨法脫氮工藝，初步的結(jié)果表明該技術(shù)擁有令人鼓舞的前景。
關(guān)鍵詞 熱等離子體系統(tǒng) 醫(yī)療垃圾 改進(jìn)
Developing thermal plasma system for medical waste treatment Wang Jianwei，Yang Jian，Li Rongxian.（Research Institute of Tsinghua University in Shenzhen，Shenzhen Guangdong 518057）
Abstract：With the processing temperature of 3 000~30 000 ℃,the thermal plasma system can disposal all kinds of waste and all the organic compounds including dioxins were decomposed into small molecule, which can be burned out in the secondary combustion chamber. Furthermore, the vitrified slags with high compressive strengths of greater than 800 kg/cm2 and low leaching indices can be recoveried and used as road cobblestone, and metals, such as Fe, Cu, can also be recycled. In 2004, RITS developed a thermal plasma system for medical waste treatment with a capacity of 100 kg/h. Recently, some improvements had been carried out on its main furnace structure and waste feeder, and a experimental investigation on microwave-AC denitrification technology had also been conducted, which was expected to replace previous AC-NH3 denitrification technology. The preliminary results showed that this new technology had a promising foreground.
Keywords：Thermal plasma system Medical waste Improvement
傳統(tǒng)的流化床、機(jī)械爐排爐等垃圾焚燒爐，由于處理溫度低，產(chǎn)生的二噁英對環(huán)境的危害極大，世界各國紛紛禁用此類傳統(tǒng)的垃圾焚燒技術(shù)，目前及在可預(yù)見的將來，對垃圾處理替代技術(shù)的發(fā)展需求十分迫切[1]。等離子體爐把垃圾高溫?zé)峤狻⑷紵突以? 400 ℃以上熔融兩個(gè)過程結(jié)合起來，不但可以處理城市固體垃圾，而且還能夠有效的處理傳統(tǒng)垃圾焚燒爐不能處理的石棉、低輻射核廢棄物、多氯聯(lián)苯（PCBS）、醫(yī)療廢物等特種垃圾，并能夠扼制二噁英類毒性物的形成，熔融玻璃體無害，并可被再生利用[2-4]，同時(shí)能最大限度地實(shí)現(xiàn)垃圾減容、減量，因而在特種垃圾處理領(lǐng)域應(yīng)用前景十分看好。深圳清華大學(xué)研究院（RITS）借鑒了臺灣原子能研究所（INER）和清華大學(xué)工程力學(xué)系設(shè)計(jì)的用于處理低輻射性廢物及醫(yī)療垃圾的等離子體垃圾處理裝置的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)[5，6]，并于2004年開發(fā)出處理量為100 kg/h等離子體醫(yī)療特種垃圾處理系統(tǒng)。最近，針對該系統(tǒng)的存在的一些問題，再次進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化和工藝改進(jìn)，并進(jìn)行了擴(kuò)容，目前該系統(tǒng)的處理量可以達(dá)到200 kg/h。
1 等離子體固體垃圾處理流程
圖1是處理量200 kg/h的RITS等離子體醫(yī)療垃圾處理系統(tǒng)圖。醫(yī)療垃圾通過自動(dòng)上料裝置，經(jīng)由雙道自動(dòng)門落入主燃燒室下部特制的坩鍋內(nèi)，兩只等離子槍噴出高達(dá)3 000~6 000 ℃的高溫等離子氣體，直接作用于垃圾表面，從而使得垃圾高溫?zé)峤猓瑹峤夂蟮臍堅(jiān)?jīng)高溫熔融，從下部排出后成為玻璃狀物質(zhì)；二次燃燒室后墻也布置一只等離子槍，熱解產(chǎn)生的可燃?xì)怏w進(jìn)入二次燃燒室充分燃燒后生成1 100~1 200 ℃的高溫?zé)煔猓龠M(jìn)入經(jīng)過堿液噴淋急冷塔除去硫氧化物、氯氣、氯化氫，冷卻至150~200 ℃的煙氣經(jīng)旋風(fēng)除塵器除塵后進(jìn)入活性焦吸附塔脫除氮氧化物，凈化后的煙氣通過引風(fēng)機(jī)抽吸進(jìn)入排氣筒進(jìn)入大氣。在排氣筒布置永久采樣孔，用來監(jiān)測污染氣體、氧氣、一氧化碳以及煙塵的濃度，并輸入電腦保存。
圖1 RITS等離子體醫(yī)療垃圾處理系統(tǒng)
2 等離子發(fā)生器組成、原理及性能
如圖2所示，非轉(zhuǎn)移弧直流等離子發(fā)生器是等離子體垃圾處理裝置的核心技術(shù)之一。它主要由高頻逆變開關(guān)電源、等離子槍及必要的氣、水管路等部分組成。其中，等離子槍由陰極、陽極、輔助陽極、弧室、工作氣體、保護(hù)氣體噴射控制裝置及必要的去離子水冷卻裝置組成。陰、陽極均為黃銅材料的管狀電極，中間用絕緣材料分開，保護(hù)氣體及空氣從特制的旋流發(fā)生器開口切向噴入，在弧室內(nèi)形成旋流，配合磁力線圈的作用，使電弧的弧根在電極內(nèi)壁上高速自旋，這是提高電極壽命的的關(guān)鍵，從切向進(jìn)氣口噴入的工作氣體旋轉(zhuǎn)流過電弧后即被電離成為高溫等離子體射流。另外，提高等離子槍電極電極壽命的技術(shù)還有將冷卻水加壓等方式。采用清華大學(xué)自制非轉(zhuǎn)移弧直流等離子發(fā)生系統(tǒng)，200 kg/h處理量的等離子體醫(yī)療垃圾處理系統(tǒng)的性能指標(biāo)如下：
圖2 非轉(zhuǎn)移弧直流等離子槍
工作氣體：空氣（配空氣壓縮機(jī)）；保護(hù)氣體：氮?dú)猓ㄅ浔Ｗo(hù)氣送氣裝置及送氣管道、氣體流量計(jì)）；冷卻：去離子水；電極壽命：陰極：>250 h 陽極：>500 h；電源：高頻逆變開關(guān)電源；電熱轉(zhuǎn)換效率：大于90%。
3 主爐及附件
在借鑒INER及清華大學(xué)力學(xué)系設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，圖3是深圳清華大學(xué)研究院（RITS）改進(jìn)后自主開發(fā)的處理量200 kg/h等離子體醫(yī)療特種垃圾處理系統(tǒng)主爐圖。主爐主要由主燃燒室、下部坩鍋、二次燃燒室、自動(dòng)上料裝置和出灰裝置組成。與處理量100 kg/h的系統(tǒng)相比，主燃燒室、二次燃燒室和轉(zhuǎn)折煙道部分都進(jìn)行了擴(kuò)容，而且在主燃燒室內(nèi)采用兩只等離子槍，分別從側(cè)墻按一定角度斜插入主燃燒室。主燃燒室溫度設(shè)計(jì)溫度依然在1 600 ℃以上，二燃室溫度控制在1 100~1 200 ℃，兩燃燒室之間的轉(zhuǎn)折煙道也采用了強(qiáng)化紊流的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可保證二次空氣和熱解氣體進(jìn)行充分的混合，過量空氣系數(shù)取為1.6時(shí)，排煙中干煙氣含氧量可達(dá)8%以上；雙自動(dòng)門連鎖控制裝置采用汽缸推桿裝置進(jìn)行控制，兩個(gè)自動(dòng)門在進(jìn)料的過程中始終保持一個(gè)關(guān)閉，以免因主燃燒室的負(fù)壓而吸入過量空氣。鑒于自動(dòng)門動(dòng)作頻繁，易產(chǎn)生磨損，影響其封閉性能，改進(jìn)設(shè)計(jì)采用了槽道結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了增強(qiáng)潤滑的設(shè)計(jì)，保證其動(dòng)密封性良好。另外，下自動(dòng)門還敷設(shè)了耐火材料，可耐高溫；仍采用沖水出渣的方式，高溫爐渣落入水中被激冷破碎成小顆粒狀后直接沖出，主燃燒室下部出渣部分與外部采用了水封渣坑，防止外部空氣從下部進(jìn)入燃燒室。沖出的玻璃狀灰渣無害，可被用做鋪路石等建材，其成分如表1所示；另外，要保證煙氣在二燃室停留的時(shí)間大于2 s，以減少二噁英的生成。煙氣在二燃室的流速較低，長時(shí)間運(yùn)行后容易在底部產(chǎn)生灰沉淀，需要定期清出，對二燃室底部采用特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，大部分的沉淀灰能得到及時(shí)的清理。
表1 玻璃化熔融渣成分
SiO2/% Al2O3/% CaO/% MgO/% Fe2O3/% Cu/%
40.8 20.4 13.7 1.97 6.4 0.08
Na/% K/% Cl/% S/% T-C/% T-Hg/（mg•kg-1）
2.89 0.89 0.07 0.004 <0.1 0.008 4
Pb/（mg•kg-1） Zn/（mg•kg-1） As/（mg•kg-1） T-Cr/（mg•kg-1） Se/（mg•kg-1） Cd/（mg•kg-1）
140 1 800 <1 400 2 <0.2
4 尾氣處理工藝的改進(jìn)
為了避免二噁英的再次合成，1 200 ℃的高溫?zé)煔饨?jīng)過急冷塔的堿液噴淋后，可在1～2 s內(nèi)下降到200 ℃以下，同時(shí)氯氣及氯化物、二氧化硫等酸性氣體和很大一部分低沸點(diǎn)金屬在該部分已經(jīng)被有效地從煙氣中去除，但堿液噴淋并不能有效地去除NOx。
等離子體醫(yī)療垃圾處理系統(tǒng)的高溫可以有效的遏制二噁英的產(chǎn)生，還可以使灰渣玻璃化、無害化、資源化，這是新一代垃圾焚燒爐發(fā)展的方向。但是，高溫也使得采用空氣作為工作氣體的等離子體裝置中NOx的產(chǎn)量較大。因此，在RITS等離子體醫(yī)療垃圾處理系統(tǒng)中尾氣脫氮技術(shù)非常重要。常用的脫氮工藝中，無論是SCR還是SNCR，其溫度窗口等參數(shù)均不適用于等離子體處理系統(tǒng)。RITS在處理量為100 kg/h的等離子體系統(tǒng)中采用活性焦—氨工藝，能夠?qū)崿F(xiàn)高效脫氮，同時(shí)吸附引入進(jìn)一步脫除了重金屬、二噁英等有害物質(zhì)，排煙中各項(xiàng)污染物含量遠(yuǎn)低于國家規(guī)定的排放限值。但是，活性焦-氨法脫氮工藝需要使用氨，而氨的運(yùn)輸和貯存比較麻煩，而且活性焦的再生需要高溫蒸汽和氨發(fā)生系統(tǒng)，這在某些應(yīng)用場合使用起來很不方便，因此還需要開發(fā)另一種簡單可靠的脫氮工藝。
圖3 RITS等離子體醫(yī)療垃圾處理系統(tǒng)主、側(cè)剖視圖
采用微波-活性炭法脫硫脫氮在俄羅斯已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，美國等國家也進(jìn)行過系統(tǒng)的研究[7]，并取得了很好的效果，它具有脫氮效率高，系統(tǒng)簡單，僅用電等優(yōu)點(diǎn)。其原理如下：活性炭是一種性能優(yōu)良的微波吸收劑，同時(shí)又是一種性能良好的還原劑。當(dāng)將活性炭置于微波場中時(shí)，產(chǎn)生的熱量使得活性炭溫度迅速提高，在NO分子與活性炭之間形成了很大的溫度梯度，NO分子中的氧基與相鄰的炭反應(yīng)生成了CO或CO2，氮基則被還原成了N2。
RITS對微波-活性炭法脫氮技術(shù)也進(jìn)行了初步的試驗(yàn)研究。試驗(yàn)裝置如下圖4所示。在一臺微波爐的上下表面開孔，并通過直徑為1 cm的金屬管引出，在兩根金屬管之間連接一根內(nèi)徑3 cm的石英管，石英管內(nèi)填充山西新華化工廠直徑為2～3 mm的脫硫脫氮專用顆粒活性炭，填充高度15 cm，石英管和金屬管之間通過聚四氟乙烯管連接固定。NO通過鋼瓶配氣系統(tǒng)產(chǎn)生。通過煙氣分析儀測量處理前后NO濃度的變化。
圖4 微波爐改裝的脫氮實(shí)驗(yàn)裝置
圖5是功率為250 W，NO入口質(zhì)量濃度830 mg/L，3~15 min內(nèi)NO平均降解率隨氣體流量的變化。圖6是NO入口質(zhì)量濃度為830 mg/L，氣體流量為4.2 L/min，3~15 min內(nèi)NO降解率隨微波功率的變化。由圖5可以看出，本實(shí)驗(yàn)中功率一定時(shí)，NO降解率隨氣體流量的增大而減小，但是，當(dāng)氣體流量小于5 L/min時(shí)，NO降解率基本上可以保持在95%以上。由圖6可以看出，流量一定時(shí)，NO降解率基本上是隨著微波功率的增大而增大，但是，在本實(shí)驗(yàn)的研究范圍內(nèi)，當(dāng)微波功率大于600 W時(shí)，隨著微波功率的增大，NO降解率出現(xiàn)了一定的波動(dòng)，呈現(xiàn)出下降的趨勢，這可能是由于活性炭床層溫度過高，使得N和O重新發(fā)生結(jié)合的結(jié)果，同時(shí)實(shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)了活性炭層有間歇性發(fā)光放電現(xiàn)象。
圖5 氣體流量對NO降解率的影響
圖6 微波功率對NO降解率的影響
5 自動(dòng)控制系統(tǒng)
處理量為200 kg/h的RITS等離子體醫(yī)療垃圾處理系統(tǒng)采用PLC自動(dòng)控制，污染物排放監(jiān)測參數(shù)如表2所示。煙氣分析儀配4~8個(gè)探頭，通過儀器配置的RS232接口將測量數(shù)據(jù)上傳至計(jì)算機(jī)儲存。
表2 監(jiān)測記錄參數(shù)、所用儀器及要求
監(jiān)測方式 檢測種類 使用儀器或方法 國標(biāo)要求
在線
連續(xù) 煙塵 煙塵濃度測量儀 GB 19128－2003
GB 18484－2001
NO、NO2、O2、CO、SO2 煙氣分析儀配5個(gè)探頭
季度
采樣 煙氣黑度 黑度儀
HCL、HF 煙氣采樣器
重金屬及其化合物 參考GB 19128－2003
在線
連續(xù)
監(jiān)測 自動(dòng)送料電視監(jiān)測 工業(yè)電視檢測設(shè)備 備選設(shè)備
主燃燒室出口、二燃室出口溫度 鉑銠30—鉑銠6熱電偶 GB 19128－2003
排煙溫度 銅/康銅鎧裝熱電偶 ≤150 ℃
爐體表面溫度 ≤50 ℃
爐膛氣壓 壓力表或煙氣分析儀 保持負(fù)壓
6 結(jié) 論
本文簡要介紹了RITS研制的處理量為200 kg/h的等離子體醫(yī)療垃圾處理系統(tǒng)，以及相對于處理量100 kg/h的系統(tǒng)所做的改進(jìn)，結(jié)論如下：
（1）通過采用等離子體高溫分解、強(qiáng)化紊流混合、保證煙氣在二燃室停留2 s以上時(shí)間以及尾氣噴水急冷處理相結(jié)合，等離子體垃圾處理裝置可以干凈、徹底的處理包括醫(yī)療垃圾在內(nèi)的多種垃圾，二噁英的排放遠(yuǎn)低于國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的排放限值。
（2）可以采用微波-活性炭法替代活性焦-氨法脫氮，以克服使用氨所帶來的運(yùn)輸、貯存和加熱所帶來的系列問題，微波-活性炭法的脫氮效率可以維持在95%以上。
此外，在應(yīng)用微波-活性炭法脫氮技術(shù)設(shè)計(jì)開發(fā)實(shí)際凈化裝置時(shí)，應(yīng)注意保持微波均勻加熱活性炭床層，否則不但會(huì)導(dǎo)致NOx降解效率下降，還會(huì)導(dǎo)致局部活性炭過多消耗。
參考文獻(xiàn)
[1] 王建偉，楊建，李榮先．采用熱等離子體系統(tǒng)處理醫(yī)療垃圾[J]．鍋爐技術(shù)，2006，37（1）：63-66．
[2] KRYSTYNA C，ZBIGNIEW K，MICHAL I，et al．International ash utilization symposium[C]．1999．
[3] LAPA N，SANTOS O J F，CAMACHO S L，et al．An ecotoxic risk assessment of residue materials produced by the plasma pyrolysis/vitrification (PP/V) process[J]．Waste Management，2002，22：335-342．
[4] KJELL E，HAUGSTEN，BENGT G．Environmental properties of vitrified fly ash from hazardous and municipal waste incineration[J]．Waste Management，2000，20：167-176．
[5] TZENG Chinching，KUO Yungyen，HUANG Tsairfuh，et al．Treatment of radioactive wastes by plasma incineration and vitrification for final disposal[J]．Journal of Hazardous Materials，1998，58：207-220．
[6] CHU J P，HWANG I J，TZENG C C，et al．Characterization of vitrified slag from mixed medical waste surrogates treated by a thermal plasma system[J]．Journal of Hazardous Materials，1998，58：179-194．
[7] CHANG Y C，DONG S K．Microwave induced reactions of sulfur dioxide and nitrogen oxides in char and anthracite bed[J]．Carbon，2001，39：1159-1166．
責(zé)任編輯：賀鋒萍 （收到修改稿日期：2006-10-17）
©版權(quán)所有 《環(huán)境污染與防治》雜志社
滬公網(wǎng)安備31010802001143號
