醫(yī)療廢物焚燒和尾氣凈化處理技術(shù)
1 緒言
根據(jù)《全國危險廢物和醫(yī)療廢物處置設(shè)施建設(shè)規(guī)劃》的要求，到2008年底，全國要完成列入國家規(guī)劃的317家醫(yī)療廢物集中處理廠，其中絕大部分是采用焚燒處置的方式；在這些醫(yī)療廢物焚燒廠中，除了幾家合建的危險廢物集中處置中心采用回轉(zhuǎn)爐外，大部分醫(yī)療廢物焚燒廠都采用熱解焚燒爐焚燒，按照《醫(yī)療廢物集中焚燒處置工程建設(shè)技術(shù)規(guī)范》要求，焚燒醫(yī)療廢物煙氣排放必須執(zhí)行《危險廢物焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB18484-2001）。
2 醫(yī)療廢物焚燒技術(shù)簡述
2.1 醫(yī)療廢物焚燒工藝和基本條件
影響醫(yī)療廢物焚燒的因素主要有停留時間、燃燒溫度、湍流度和過量空氣系數(shù)。其中停留時間、燃燒溫度、湍流度，通常被稱為“三T”（即Time、Temperature、Turbulence）要素。
停留時間有兩個含義：一是醫(yī)療廢物在焚燒爐內(nèi)的停留時間，它是指醫(yī)療廢物從進焚燒爐開始到焚燒結(jié)束，爐渣從爐中排出所需的時間，它影響到焚燒殘渣的熱灼減率和焚燒去除率；二是醫(yī)療廢物焚燒產(chǎn)生的煙氣在爐中的停留時間，它影響到燃燒效率、焚燒去除率和二惡英分解率。醫(yī)療廢物在焚燒爐內(nèi)停留時間越長，它與空氣接觸越充分，垃圾燃燒越完全，二惡英分解越徹底；《危險廢物焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB18484-2001）中對煙氣的停留時間、焚燒殘渣的熱灼減率、焚燒去除率、焚燒效率和二惡英排放標(biāo)準(zhǔn)等都給出了明確的定義和具體的指標(biāo)。
醫(yī)療廢物在焚燒過程中要求控制適宜的燃燒溫度；燃燒溫度過低，會使垃圾燃燒不完全，二惡英分解溫度要求不低于850℃；對醫(yī)療廢物而言，因二惡英含量較高，燃燒溫度要求900℃以上2s以上。
燃燒溫度愈高，反應(yīng)速度愈快，醫(yī)療廢物在焚燒爐內(nèi)的停留時間則愈短，但燃燒溫度過高會加快焚燒爐的內(nèi)壁和爐內(nèi)機械結(jié)構(gòu)的腐蝕速度，會使灰渣熔結(jié)，影響內(nèi)壁的使用壽命及爐內(nèi)機械的運行。此外，又會促成氮氧化物的生成,所以燃燒溫度不宜過高。通常，固定床爐型燃燒的燃燒溫度不高于950℃，回轉(zhuǎn)式焚燒爐的燃燒溫度不高于1200℃。
醫(yī)療廢物在燃燒過程中還要求控制適宜的過量空氣量；理論和實踐都說明只有當(dāng)燃燒室處于少量過量空氣條件下，才能獲得較高的焚燒熱效率。為了使醫(yī)療廢物更好的燃燒，燃燒層內(nèi)必須有足夠的空氣湍流，垃圾與空氣的湍流混合度愈高，則燃燒層愈容易保持足夠的氧氣量，燃燒速度愈快。而燃燒室的高湍流環(huán)境是靠燃燒空氣的攪動來達到的；一定限度的過量空氣將有利于保持這種湍流并使燃燒室內(nèi)有較高的氧氣量；但是，過量的空氣鼓入會加劇燃燒的熱損失，降低燃燒溫度，延緩反應(yīng)速度；因此控制適當(dāng)?shù)倪^？諝饬渴欠浅Ｖ匾模辉诰唧w醫(yī)療廢物焚燒過程中，需要根據(jù)垃圾性質(zhì)和焚燒爐的爐型等因素來確定過剩空氣量。醫(yī)療廢物焚燒系統(tǒng)如圖1 所示。
 圖1 醫(yī)療廢物焚燒系統(tǒng)圖 |
2.2 醫(yī)療廢物焚燒工藝技術(shù)的比較
2.2.1遵循的原則
采用焚燒法處理醫(yī)療廢物，焚燒工藝與煙氣凈化工藝是醫(yī)療廢物無害化處理工藝的核心。選擇合適的焚燒工藝與煙氣凈化工藝應(yīng)遵循以下原則：
（1）焚燒爐應(yīng)符合《醫(yī)療廢物焚燒爐技術(shù)要求》（GB19128-2003）；
（2）焚燒爐及煙氣凈化系統(tǒng)裝置性能優(yōu)良、運行可靠；
（3）醫(yī)療廢物焚燒廠的建設(shè)必須執(zhí)行《危險廢物焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》；
（4）焚燒工藝必須滿足醫(yī)療廢物成分變化大、還具有感染性的特點；
（5）控制項目投資、降低運行成本。
2.2.2焚燒爐型的比較
目前用于醫(yī)療廢物焚燒的爐型有回轉(zhuǎn)式和固定式兩類。
（1）回轉(zhuǎn)式焚燒爐
回轉(zhuǎn)窯焚燒爐是來源于水泥工業(yè)回轉(zhuǎn)窯的設(shè)計，用于醫(yī)療廢物焚燒的回轉(zhuǎn)窯由進料裝置、燃燒裝置（回轉(zhuǎn)窯窯體、二次爐、一次風(fēng)機、二次風(fēng)機、一次燃燒器和二次燃燒器）和灰渣輸送裝置等組成；此外還有回轉(zhuǎn)窯窯體的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置和支撐軸承。
回轉(zhuǎn)窯窯體為一水平放置、輕度傾斜、內(nèi)襯耐火材料的鋼制筒狀設(shè)備，它靠筒體自身的回轉(zhuǎn)來混合攪拌爐筒內(nèi)廢物，以便將其完全焚燒；剞D(zhuǎn)爐以每分鐘0.75～2.5轉(zhuǎn)之轉(zhuǎn)速緩緩地攪拌混合著爐內(nèi)的廢物，該運動確保了干燥區(qū)內(nèi)廢物的干燥效果，并確保廢物在回轉(zhuǎn)爐焚燒區(qū)內(nèi)完全被焚燒。
回轉(zhuǎn)窯焚燒醫(yī)療廢物的工藝是將醫(yī)療廢物用升料機送入進料器，進料器不斷地將廢物推入焚燒爐；隨著爐體的轉(zhuǎn)動，醫(yī)療廢物在爐內(nèi)沿著回轉(zhuǎn)爐內(nèi)壁向下移動，廢物不斷地暴露在焚燒區(qū)的高溫?zé)煔庵，從而完成干燥、焚燒、燃盡和冷卻過程；冷卻后的灰渣由爐窯末端排出，經(jīng)水封密閉連續(xù)除渣裝置后，灰渣被運到渣倉，和煙氣凈化系統(tǒng)排出的飛灰一道固化填埋處理。
醫(yī)療廢物的回轉(zhuǎn)窯燃燒是采用富氧燃燒方式；一次風(fēng)機送來的燃燒空氣在窯體的前端進入爐內(nèi)，并在附近部位設(shè)有一次燃燒器，以確；剞D(zhuǎn)窯的燃燒溫度在900℃～1000℃；當(dāng)回轉(zhuǎn)爐出口溫度低于900℃時，一次燃燒器將被啟動（此時被焚燒廢物的熱值低于設(shè)計熱值），二次爐直接安裝在回轉(zhuǎn)窯的后部，未燃盡的煙氣離開回轉(zhuǎn)窯后進入二次燃燒室。二次燃燒室是襯有耐火材料的垂直圓形鋼制筒體，底部設(shè)有二次燃燒器和二次風(fēng)接口，以滿足它的設(shè)計溫度900℃～1200℃的要求。二次燃燒室有足夠的空間，保證煙氣在二次爐內(nèi)的停留時間為2s以上，以確保廢氣中的一氧化碳成份徹底焚燒和二惡英高度分解。為了減少煙氣中的氮氧化物的含量，二次燃燒室的正常燃燒溫度維持在1100℃以下（氮氧化物的生成一般需1200℃以上高溫）。同時在二次燃燒室中，尾氣中的灰塵顆料下落，這樣有助于減少焚燒爐出口的飛塵濃度。
燃燒過程的控制方法：
①回轉(zhuǎn)爐也是利用一次爐和二次爐的溫度、一氧化碳及氧含量作為燃燒控制的參數(shù)，調(diào)節(jié)風(fēng)機、閥門和燃燒器的運行狀態(tài)，確保焚燒的最佳效果。
②通過調(diào)整進料系統(tǒng)的動作頻率，控制醫(yī)療廢物的進料量。
③通過調(diào)整回轉(zhuǎn)窯的轉(zhuǎn)速，控制廢物在一次爐內(nèi)的停留時間，使焚燒的殘渣熱灼減率降低。
④通過調(diào)節(jié)引風(fēng)機的轉(zhuǎn)速，保持爐內(nèi)負(fù)壓，確保燃燒的穩(wěn)定和環(huán)境的清潔。
⑤通過除塵器出口煙氣溫度來控制緊急排放閥的啟閉。
回轉(zhuǎn)窯焚燒爐的主要優(yōu)缺點：
①進料量由自動安全監(jiān)測系統(tǒng)連鎖控制，以避免人為的失誤；必要時，給料設(shè)備和進料設(shè)備也可采用手動控制操作。
②排渣系統(tǒng)用水封密閉連續(xù)自動排渣設(shè)計。
③醫(yī)療廢物的干燥、燃燒、燃盡是在旋轉(zhuǎn)的爐筒內(nèi)進行，回轉(zhuǎn)窯以及二次爐有足夠的空間使醫(yī)療廢物充分燃燒，且回轉(zhuǎn)窯故障率低，可以長時間連續(xù)運行，維修的費用較低。
④與固定床式焚燒爐相比，最突出的優(yōu)點是醫(yī)療廢物焚燒完全。
⑤此種爐型機械零件少，優(yōu)點是焚燒過程中廢物在爐內(nèi)能得到充分的攪拌、翻滾，與空氣混合效果好，湍流度好，爐內(nèi)不存在因廢物分布不均勻或料層太厚而產(chǎn)生廢物未燒到的死角。
⑥回轉(zhuǎn)窯對燃料的適應(yīng)性廣，可焚燒不同性質(zhì)的廢棄物。
⑦因窯身較長，所以單臺爐子和爐子間所占面積都比較大，相應(yīng)的一次性建設(shè)費用較同樣處理能力的固定床式焚燒爐要高的多。
⑧與固定床爐相比，回轉(zhuǎn)窯爐的保溫效果不十分理想，熱損失高，所需補充的燃料較多，運行費用就會高；較適合大規(guī)模的（20t/d以上）的焚燒廠。
（2）熱解焚燒爐
這是在發(fā)達國家用的最多的一種爐型，熱解焚燒爐有分體的，也有豎式爐；豎式爐的爐體主要燃燒部分是上部直徑為2.8m，爐底直徑為1.2m，高度12m（視爐型大小而不同），部分爐體為鑄鋼中空結(jié)構(gòu)，中空有兩種用途，一是用戶可利用爐子余熱產(chǎn)生熱水，也可以用來預(yù)熱冷空氣，一般可使冷空氣預(yù)熱到200℃以上，再通過風(fēng)管吹入爐中，爐子外面采用礦棉等保溫材料層保溫，爐體的表面溫度在60℃以下。
熱解焚燒爐的特點是，被焚燒的醫(yī)療廢物無需進行預(yù)處理，即剪切破碎處理，直接將一次性收集箱的醫(yī)療廢物通過計量、密閉鏈?zhǔn)捷斔蜋C或小型吊機投入設(shè)立在焚燒爐上半部的投料口；醫(yī)療廢物進入了焚燒爐中溫度在900℃以上的燃燒段，醫(yī)療廢物中的外包裝和易燃物先行在此段燃燒；當(dāng)然在燃燒段是不可能完全燃燒的，大部份醫(yī)療廢物在此段爐內(nèi)升溫并相互混合，也起到了均化作用；并立即在爐內(nèi)堆積形成60～80cm厚的主燃燒層，溫度為800℃～900℃，設(shè)計中在此處設(shè)立了進風(fēng)口，吹入燃燒用的空氣，加快焚燒速度，于是在此燃燒段大部分醫(yī)療廢物被焚燒了；小部分沒有完全焚燒的醫(yī)療廢物往下落入形成40～50cm厚的、溫度為600～400℃的燃燒層繼續(xù)燃燒。
醫(yī)療廢物焚燒后的灰渣，往下運動并形成了60～80cm的灰渣層，堆積在“水平運動的支撐板”上，由于在爐的底部設(shè)立了從爐頂接過來的熱風(fēng)管，所以灰渣層的溫度始終保持在200～300℃ 左右。通過控制室的溫度控制和時間控制，焚燒爐的“水平運動的支撐板”緩慢打開，完全燃燒的灰渣向下落在“反轉(zhuǎn)運動的卸灰排出板”上。此時“水平運動的支撐板”關(guān)閉，“反轉(zhuǎn)運動的卸灰排出板”打開，進入廢渣坑。由于灰渣是通過“水平運動的支撐板”和“反轉(zhuǎn)運動的卸灰排出板”的動作，垃圾從上部順次落下的燃燒方式，完全是自重落下，不會由上層產(chǎn)生壓縮，盡管垃圾層厚，但仍能保持良好的透氣性。二次燃燒室是指在垃圾進料口的上端，受二次燃燒的輻射熱，成為900℃～950℃以上的高溫帶，燃燒的尾氣在此停留2s以上；惡臭、產(chǎn)生黑煙根源的殘存未燃尾氣中的浮游炭粒被完全燃燒；同時，二惡英類被完全熱分解；此段的溫度是由自動控制系統(tǒng)嚴(yán)格監(jiān)控的，如果遇到在大批低熱值垃圾同時進入爐中，燃燒溫度達不到900℃以上停留2s時，噴油系統(tǒng)會自動啟動，向爐內(nèi)噴油，使燃燒溫度立即達到“900℃以上停留2s”的設(shè)計要求。
該系統(tǒng)設(shè)計先進獨特，通過爐體中空結(jié)構(gòu)預(yù)熱空氣、各燃燒層的合理布局、“水平運動的支撐板”和“反轉(zhuǎn)運動卸灰排出板”的結(jié)構(gòu)，本系統(tǒng)充分利用了醫(yī)療廢物本身熱值自身燃燒；在醫(yī)療廢物焚燒過程中除點火時用少量油外，其焚燒處理過程中不用任何燃料，因此其它型式的焚燒爐無法與之相比。該系統(tǒng)不僅將醫(yī)療廢物完全高溫分解，而且在進料過程中不需對醫(yī)療廢物進行剪切預(yù)處理，解決了處理過程中的二次污染問題。
3 幾種醫(yī)療廢物焚燒煙氣凈化工藝及比較
醫(yī)療廢物焚燒煙氣中的污染物包括酸性氣體（HCL、HF、SO2、NOX等）、顆粒物（粉塵）、重金屬（Hg、Pb、Cr等）和有機毒性污染物（二惡英、呋喃等）四大類。為了防止醫(yī)療廢物焚燒處理過程對環(huán)境造成二次污染，必須采取嚴(yán)格的措施，利用煙氣凈化系統(tǒng)控制污染物的排放。
目前對于煙氣處理采取的工藝方案主要有干法、半干法和濕法。
3.1 干法工藝（即“綜合反應(yīng)器+袋式除塵器”煙氣治理工藝）
這是國外醫(yī)療廢物焚燒處理采用最多的除有害氣體工藝；該工藝是用高壓空氣將消石灰、反應(yīng)助劑直接噴入綜合反應(yīng)器內(nèi)，使藥劑與廢氣中的有害氣體充分接觸和反應(yīng)，達到除去有害氣體的目的。為了提高干法對難以去除的一些污染物質(zhì)的去除效率，反應(yīng)助劑隨消石灰一起噴入，可以有效地吸收二惡英和重金屬。綜合反應(yīng)器與布袋除塵組合工藝是各種垃圾焚燒廠尾氣處理中常用的方法。其優(yōu)點是工藝設(shè)備簡單、管理維護容易、運行可靠性高、投資省、藥劑計量準(zhǔn)確、輸送管線不易阻塞。
干法煙氣凈化工藝如圖2所示。
 圖2 醫(yī)療廢物焚燒尾氣處理工藝流程 |
3.2 半干法工藝（即“反應(yīng)塔+袋式除塵器”煙氣治理工藝）
其典型流程包含反應(yīng)塔及除塵用的袋式除塵器。一定濃度的石灰漿噴入反應(yīng)塔，在反應(yīng)塔內(nèi)，煙氣中的酸性氣體與石灰乳發(fā)生反應(yīng)，水分被蒸發(fā)，吸附生成的較大顆粒沉降在反應(yīng)塔底部，顆粒與粉塵一起被后面的除塵器捕捉下來。由于石灰乳有足夠水分可冷卻煙氣，如水分不夠降溫，可以引進一部分冷卻水，使反應(yīng)器內(nèi)的溫度在140～150℃之間，保證反應(yīng)完全。凈化效率可達90～99%。半干法對重金屬和二惡英的吸附效果較好。半干法是介于濕法和干法之間的一種工藝，它具有凈化效率高、不產(chǎn)生廢水、吸附劑用量相對較少的優(yōu)點；但它對操作水平（如煙氣在噴霧干燥反應(yīng)塔中的停留時間、吸收漿液中吸收劑的粒度及濃度等）和噴嘴的要求高，管道容易堵塞。
3.3 濕法工藝（即“水洗+石灰水吸收＋袋式除塵器”煙氣治理工藝）
在該工藝中，粉塵和HCL、NOx、SO2等酸性氣體在水洗塔內(nèi)與噴淋下來的水接觸，粉塵和酸性氣體被水洗，去除一部分，尾氣降溫至75℃左右；從水洗塔出來的尾氣進入堿洗滌塔進一步除酸、除塵，尾氣被進一步降溫至50℃左右，由煙囪排入大氣。濕法可使酸性氣體得以高度凈化，同時對重金屬和二惡英也有消除作用。但濕法產(chǎn)生的廢液需要進一步處理，工藝流程較復(fù)雜，投資和運行費用較高。
上述三種工藝對NOX的凈化效率都很低，所以在燃燒過程中要嚴(yán)格控制對生成NOX有影響的因素，如控制廢物的燃燒溫度在1100℃以下，控制過量空氣系數(shù)，從根本上減少N0X的生成率，實踐證明這是一種行之有效的辦法。
4 醫(yī)療廢物焚燒爐尾氣凈化技術(shù)措施
4.1 焚燒過程中的控制措施
由于二惡英和呋喃有機污染物越來越受到國家的重視，我國新頒布的《危險廢物焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》中對其排放濃度制定了嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，因此工藝上必須采取以下幾方面控制措施。
（1）選用合適的爐型，使廢物在焚燒爐內(nèi)得以充分燃燒，監(jiān)測CO的濃度，并作為燃燒控制的參數(shù)，調(diào)節(jié)送風(fēng)量和燃燒器的動作；
（2）控制爐膛和二次燃燒室的溫度不低于900℃，并且煙氣在爐內(nèi)的停留時間不小于2s，使二惡英徹底分解；
（3）高溫?zé)煔獠捎眉崩浯胧，使煙氣?50℃快速冷卻至170℃以下，縮短了煙氣在500℃～200℃這一重新合成溫度區(qū)間的停留時間，減少了二惡英重新合成的幾率。
4.2 高效袋式除塵器的技術(shù)措施
袋式除塵器本來是用來除去廢氣中的粉塵等浮游物質(zhì)的裝置，但用于醫(yī)療廢物焚燒爐后的袋式除塵器，由于在氣體中加入反應(yīng)藥劑和熟石灰，廢氣中的有害氣體被反應(yīng)吸附，然后通過袋式除塵器過濾而除去，關(guān)于利用袋式除塵器除去有害物質(zhì)的機理如下。
廢氣中的粉塵是通過濾袋的過濾而被除去的；首先是由粉塵在濾袋表面形成一次吸附層，隨著吸附層的形成，廢氣中的粉塵在通過濾袋和吸附層時被除去；考慮到運行的可靠性，一次吸附層的粉塵量大致為100g/m2。
一般醫(yī)療廢物焚燒爐用的袋式除塵器過濾風(fēng)速為1.0m/min以下。醫(yī)療廢物焚燒爐廢氣中的重金屬種類如表1所示，表中所列重金屬基本上都可被袋式除塵器除去，汞（Hg）的去除率略低些，這是由于汞(Hg)的化合物作為蒸汽存在的原因。
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表1 醫(yī)療廢物焚燒廢氣中重金屬含量及去除率
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近年來，由于在電除塵器中DIOXIN的重新聚合問題，醫(yī)療廢物焚燒尾氣凈化均采用袋式除塵器；袋式除塵器已不單單是用來解決除塵問題，而是作為氣體反應(yīng)器，用以處理工業(yè)廢氣中的有害物質(zhì)。最為典型的應(yīng)用是袋式除塵器用以處理垃圾焚燒及干法脫硫的主機設(shè)備來用。我國2001年開始實施的《危險廢棄物焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定“焚燒爐的除塵裝置必須采用袋式除塵器”。
4.3 醫(yī)療廢物焚燒爐袋式除塵器濾料
袋式除塵器的“心臟”是濾袋，而國內(nèi)專用于醫(yī)療廢物焚燒爐凈化的濾料還在摸索中，國外主要采用的是PTFE濾料和玻璃纖維與PTFE混紡濾料；從可靠性來說，醫(yī)療廢物焚燒用的袋式除塵器的濾袋采用PTFE耐高溫針刺氈濾料更為合適，在耐酸、耐堿和抗水解性能上更為可靠。
醫(yī)療廢物焚燒是一個特殊的行業(yè)，技術(shù)尚不成熟，還處在不斷摸索和改進階段；尾氣凈化是該系統(tǒng)中尤為重要的部分，還需要多方面共同努力，才能保證袋式除塵器在該領(lǐng)域中得到更為廣泛應(yīng)用。
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