医疗废物焚烧和尾气净化处理技术
1 绪言
根据《全国危险废物和医疗废物处置设施建设规划》的要求，到2008年底，全国要完成列入国家规划的317家医疗废物集中处理厂，其中绝大部分是采用焚烧处置的方式；在这些医疗废物焚烧厂中，除了几家合建的危险废物集中处置中心采用回转炉外，大部分医疗废物焚烧厂都采用热解焚烧炉焚烧，按照《医疗废物集中焚烧处置工程建设技术规范》要求，焚烧医疗废物烟气排放必须执行《危险废物焚烧污染控制标准》（GB18484-2001）。
2 医疗废物焚烧技术简述
2.1 医疗废物焚烧工艺和基本条件
影响医疗废物焚烧的因素主要有停留时间、燃烧温度、湍流度和过量空气系数。其中停留时间、燃烧温度、湍流度，通常被称为“三T”（即Time、Temperature、Turbulence）要素。
停留时间有两个含义：一是医疗废物在焚烧炉内的停留时间，它是指医疗废物从进焚烧炉开始到焚烧结束，炉渣从炉中排出所需的时间，它影响到焚烧残渣的热灼减率和焚烧去除率；二是医疗废物焚烧产生的烟气在炉中的停留时间，它影响到燃烧效率、焚烧去除率和二恶英分解率。医疗废物在焚烧炉内停留时间越长，它与空气接触越充分，垃圾燃烧越完全，二恶英分解越彻底；《危险废物焚烧污染控制标准》（GB18484-2001）中对烟气的停留时间、焚烧残渣的热灼减率、焚烧去除率、焚烧效率和二恶英排放标准等都给出了明确的定义和具体的指标。
医疗废物在焚烧过程中要求控制适宜的燃烧温度；燃烧温度过低，会使垃圾燃烧不完全，二恶英分解温度要求不低于850℃；对医疗废物而言，因二恶英含量较高，燃烧温度要求900℃以上2s以上。
燃烧温度愈高，反应速度愈快，医疗废物在焚烧炉内的停留时间则愈短，但燃烧温度过高会加快焚烧炉的内壁和炉内机械结构的腐蚀速度，会使灰渣熔结，影响内壁的使用寿命及炉内机械的运行。此外，又会促成氮氧化物的生成,所以燃烧温度不宜过高。通常，固定床炉型燃烧的燃烧温度不高于950℃，回转式焚烧炉的燃烧温度不高于1200℃。
医疗废物在燃烧过程中还要求控制适宜的过量空气量；理论和实践都说明只有当燃烧室处于少量过量空气条件下，才能获得较高的焚烧热效率。为了使医疗废物更好的燃烧，燃烧层内必须有足够的空气湍流，垃圾与空气的湍流混合度愈高，则燃烧层愈容易保持足够的氧气量，燃烧速度愈快。而燃烧室的高湍流环境是靠燃烧空气的搅动来达到的；一定限度的过量空气将有利于保持这种湍流并使燃烧室内有较高的氧气量；但是，过量的空气鼓入会加剧燃烧的热损失，降低燃烧温度，延缓反应速度；因此控制适当的过剩空气量是非常重要的；在具体医疗废物焚烧过程中，需要根据垃圾性质和焚烧炉的炉型等因素来确定过剩空气量。医疗废物焚烧系统如图1 所示。
 图1 医疗废物焚烧系统图 |
2.2 医疗废物焚烧工艺技术的比较
2.2.1遵循的原则
采用焚烧法处理医疗废物，焚烧工艺与烟气净化工艺是医疗废物无害化处理工艺的核心。选择合适的焚烧工艺与烟气净化工艺应遵循以下原则：
（1）焚烧炉应符合《医疗废物焚烧炉技术要求》（GB19128-2003）；
（2）焚烧炉及烟气净化系统装置性能优良、运行可靠；
（3）医疗废物焚烧厂的建设必须执行《危险废物焚烧污染控制标准》；
（4）焚烧工艺必须满足医疗废物成分变化大、还具有感染性的特点；
（5）控制项目投资、降低运行成本。
2.2.2焚烧炉型的比较
目前用于医疗废物焚烧的炉型有回转式和固定式两类。
（1）回转式焚烧炉
回转窑焚烧炉是来源于水泥工业回转窑的设计，用于医疗废物焚烧的回转窑由进料装置、燃烧装置（回转窑窑体、二次炉、一次风机、二次风机、一次燃烧器和二次燃烧器）和灰渣输送装置等组成；此外还有回转窑窑体的旋转驱动装置和支撑轴承。
回转窑窑体为一水平放置、轻度倾斜、内衬耐火材料的钢制筒状设备，它靠筒体自身的回转来混合搅拌炉筒内废物，以便将其完全焚烧。回转炉以每分钟0.75～2.5转之转速缓缓地搅拌混合着炉内的废物，该运动确保了干燥区内废物的干燥效果，并确保废物在回转炉焚烧区内完全被焚烧。
回转窑焚烧医疗废物的工艺是将医疗废物用升料机送入进料器，进料器不断地将废物推入焚烧炉；随着炉体的转动，医疗废物在炉内沿着回转炉内壁向下移动，废物不断地暴露在焚烧区的高温烟气中，从而完成干燥、焚烧、燃尽和冷却过程；冷却后的灰渣由炉窑末端排出，经水封密闭连续除渣装置后，灰渣被运到渣仓，和烟气净化系统排出的飞灰一道固化填埋处理。
医疗废物的回转窑燃烧是采用富氧燃烧方式；一次风机送来的燃烧空气在窑体的前端进入炉内，并在附近部位设有一次燃烧器，以确保回转窑的燃烧温度在900℃～1000℃；当回转炉出口温度低于900℃时，一次燃烧器将被启动（此时被焚烧废物的热值低于设计热值），二次炉直接安装在回转窑的后部，未燃尽的烟气离开回转窑后进入二次燃烧室。二次燃烧室是衬有耐火材料的垂直圆形钢制筒体，底部设有二次燃烧器和二次风接口，以满足它的设计温度900℃～1200℃的要求。二次燃烧室有足够的空间，保证烟气在二次炉内的停留时间为2s以上，以确保废气中的一氧化碳成份彻底焚烧和二恶英高度分解。为了减少烟气中的氮氧化物的含量，二次燃烧室的正常燃烧温度维持在1100℃以下（氮氧化物的生成一般需1200℃以上高温）。同时在二次燃烧室中，尾气中的灰尘颗料下落，这样有助于减少焚烧炉出口的飞尘浓度。
燃烧过程的控制方法：
①回转炉也是利用一次炉和二次炉的温度、一氧化碳及氧含量作为燃烧控制的参数，调节风机、阀门和燃烧器的运行状态，确保焚烧的最佳效果。
②通过调整进料系统的动作频率，控制医疗废物的进料量。
③通过调整回转窑的转速，控制废物在一次炉内的停留时间，使焚烧的残渣热灼减率降低。
④通过调节引风机的转速，保持炉内负压，确保燃烧的稳定和环境的清洁。
⑤通过除尘器出口烟气温度来控制紧急排放阀的启闭。
回转窑焚烧炉的主要优缺点：
①进料量由自动安全监测系统连锁控制，以避免人为的失误；必要时，给料设备和进料设备也可采用手动控制操作。
②排渣系统用水封密闭连续自动排渣设计。
③医疗废物的干燥、燃烧、燃尽是在旋转的炉筒内进行，回转窑以及二次炉有足够的空间使医疗废物充分燃烧，且回转窑故障率低，可以长时间连续运行，维修的费用较低。
④与固定床式焚烧炉相比，最突出的优点是医疗废物焚烧完全。
⑤此种炉型机械零件少，优点是焚烧过程中废物在炉内能得到充分的搅拌、翻滚，与空气混合效果好，湍流度好，炉内不存在因废物分布不均匀或料层太厚而产生废物未烧到的死角。
⑥回转窑对燃料的适应性广，可焚烧不同性质的废弃物。
⑦因窑身较长，所以单台炉子和炉子间所占面积都比较大，相应的一次性建设费用较同样处理能力的固定床式焚烧炉要高的多。
⑧与固定床炉相比，回转窑炉的保温效果不十分理想，热损失高，所需补充的燃料较多，运行费用就会高；较适合大规模的（20t/d以上）的焚烧厂。
（2）热解焚烧炉
这是在发达国家用的最多的一种炉型，热解焚烧炉有分体的，也有竖式炉；竖式炉的炉体主要燃烧部分是上部直径为2.8m，炉底直径为1.2m，高度12m（视炉型大小而不同），部分炉体为铸钢中空结构，中空有两种用途，一是用户可利用炉子余热产生热水，也可以用来预热冷空气，一般可使冷空气预热到200℃以上，再通过风管吹入炉中，炉子外面采用矿棉等保温材料层保温，炉体的表面温度在60℃以下。
热解焚烧炉的特点是，被焚烧的医疗废物无需进行预处理，即剪切破碎处理，直接将一次性收集箱的医疗废物通过计量、密闭链式输送机或小型吊机投入设立在焚烧炉上半部的投料口；医疗废物进入了焚烧炉中温度在900℃以上的燃烧段，医疗废物中的外包装和易燃物先行在此段燃烧；当然在燃烧段是不可能完全燃烧的，大部份医疗废物在此段炉内升温并相互混合，也起到了均化作用；并立即在炉内堆积形成60～80cm厚的主燃烧层，温度为800℃～900℃，设计中在此处设立了进风口，吹入燃烧用的空气，加快焚烧速度，于是在此燃烧段大部分医疗废物被焚烧了；小部分没有完全焚烧的医疗废物往下落入形成40～50cm厚的、温度为600～400℃的燃烧层继续燃烧。
医疗废物焚烧后的灰渣，往下运动并形成了60～80cm的灰渣层，堆积在“水平运动的支撑板”上，由于在炉的底部设立了从炉顶接过来的热风管，所以灰渣层的温度始终保持在200～300℃ 左右。通过控制室的温度控制和时间控制，焚烧炉的“水平运动的支撑板”缓慢打开，完全燃烧的灰渣向下落在“反转运动的卸灰排出板”上。此时“水平运动的支撑板”关闭，“反转运动的卸灰排出板”打开，进入废渣坑。由于灰渣是通过“水平运动的支撑板”和“反转运动的卸灰排出板”的动作，垃圾从上部顺次落下的燃烧方式，完全是自重落下，不会由上层产生压缩，尽管垃圾层厚，但仍能保持良好的透气性。二次燃烧室是指在垃圾进料口的上端，受二次燃烧的辐射热，成为900℃～950℃以上的高温带，燃烧的尾气在此停留2s以上；恶臭、产生黑烟根源的残存未燃尾气中的浮游炭粒被完全燃烧；同时，二恶英类被完全热分解；此段的温度是由自动控制系统严格监控的，如果遇到在大批低热值垃圾同时进入炉中，燃烧温度达不到900℃以上停留2s时，喷油系统会自动启动，向炉内喷油，使燃烧温度立即达到“900℃以上停留2s”的设计要求。
该系统设计先进独特，通过炉体中空结构预热空气、各燃烧层的合理布局、“水平运动的支撑板”和“反转运动卸灰排出板”的结构，本系统充分利用了医疗废物本身热值自身燃烧；在医疗废物焚烧过程中除点火时用少量油外，其焚烧处理过程中不用任何燃料，因此其它型式的焚烧炉无法与之相比。该系统不仅将医疗废物完全高温分解，而且在进料过程中不需对医疗废物进行剪切预处理，解决了处理过程中的二次污染问题。
3 几种医疗废物焚烧烟气净化工艺及比较
医疗废物焚烧烟气中的污染物包括酸性气体（HCL、HF、SO2、NOX等）、颗粒物（粉尘）、重金属（Hg、Pb、Cr等）和有机毒性污染物（二恶英、呋喃等）四大类。为了防止医疗废物焚烧处理过程对环境造成二次污染，必须采取严格的措施，利用烟气净化系统控制污染物的排放。
目前对于烟气处理采取的工艺方案主要有干法、半干法和湿法。
3.1 干法工艺（即“综合反应器+袋式除尘器”烟气治理工艺）
这是国外医疗废物焚烧处理采用最多的除有害气体工艺；该工艺是用高压空气将消石灰、反应助剂直接喷入综合反应器内，使药剂与废气中的有害气体充分接触和反应，达到除去有害气体的目的。为了提高干法对难以去除的一些污染物质的去除效率，反应助剂随消石灰一起喷入，可以有效地吸收二恶英和重金属。综合反应器与布袋除尘组合工艺是各种垃圾焚烧厂尾气处理中常用的方法。其优点是工艺设备简单、管理维护容易、运行可靠性高、投资省、药剂计量准确、输送管线不易阻塞。
干法烟气净化工艺如图2所示。
 图2 医疗废物焚烧尾气处理工艺流程 |
3.2 半干法工艺（即“反应塔+袋式除尘器”烟气治理工艺）
其典型流程包含反应塔及除尘用的袋式除尘器。一定浓度的石灰浆喷入反应塔，在反应塔内，烟气中的酸性气体与石灰乳发生反应，水分被蒸发，吸附生成的较大颗粒沉降在反应塔底部，颗粒与粉尘一起被后面的除尘器捕捉下来。由于石灰乳有足够水分可冷却烟气，如水分不够降温，可以引进一部分冷却水，使反应器内的温度在140～150℃之间，保证反应完全。净化效率可达90～99%。半干法对重金属和二恶英的吸附效果较好。半干法是介于湿法和干法之间的一种工艺，它具有净化效率高、不产生废水、吸附剂用量相对较少的优点；但它对操作水平（如烟气在喷雾干燥反应塔中的停留时间、吸收浆液中吸收剂的粒度及浓度等）和喷嘴的要求高，管道容易堵塞。
3.3 湿法工艺（即“水洗+石灰水吸收＋袋式除尘器”烟气治理工艺）
在该工艺中，粉尘和HCL、NOx、SO2等酸性气体在水洗塔内与喷淋下来的水接触，粉尘和酸性气体被水洗，去除一部分，尾气降温至75℃左右；从水洗塔出来的尾气进入碱洗涤塔进一步除酸、除尘，尾气被进一步降温至50℃左右，由烟囱排入大气。湿法可使酸性气体得以高度净化，同时对重金属和二恶英也有消除作用。但湿法产生的废液需要进一步处理，工艺流程较复杂，投资和运行费用较高。
上述三种工艺对NOX的净化效率都很低，所以在燃烧过程中要严格控制对生成NOX有影响的因素，如控制废物的燃烧温度在1100℃以下，控制过量空气系数，从根本上减少N0X的生成率，实践证明这是一种行之有效的办法。
4 医疗废物焚烧炉尾气净化技术措施
4.1 焚烧过程中的控制措施
由于二恶英和呋喃有机污染物越来越受到国家的重视，我国新颁布的《危险废物焚烧污染控制标准》中对其排放浓度制定了严格的标准，因此工艺上必须采取以下几方面控制措施。
（1）选用合适的炉型，使废物在焚烧炉内得以充分燃烧，监测CO的浓度，并作为燃烧控制的参数，调节送风量和燃烧器的动作；
（2）控制炉膛和二次燃烧室的温度不低于900℃，并且烟气在炉内的停留时间不小于2s，使二恶英彻底分解；
（3）高温烟气采用急冷措施，使烟气从850℃快速冷却至170℃以下，缩短了烟气在500℃～200℃这一重新合成温度区间的停留时间，减少了二恶英重新合成的几率。
4.2 高效袋式除尘器的技术措施
袋式除尘器本来是用来除去废气中的粉尘等浮游物质的装置，但用于医疗废物焚烧炉后的袋式除尘器，由于在气体中加入反应药剂和熟石灰，废气中的有害气体被反应吸附，然后通过袋式除尘器过滤而除去，关于利用袋式除尘器除去有害物质的机理如下。
废气中的粉尘是通过滤袋的过滤而被除去的；首先是由粉尘在滤袋表面形成一次吸附层，随着吸附层的形成，废气中的粉尘在通过滤袋和吸附层时被除去；考虑到运行的可靠性，一次吸附层的粉尘量大致为100g/m2。
一般医疗废物焚烧炉用的袋式除尘器过滤风速为1.0m/min以下。医疗废物焚烧炉废气中的重金属种类如表1所示，表中所列重金属基本上都可被袋式除尘器除去，汞（Hg）的去除率略低些，这是由于汞(Hg)的化合物作为蒸汽存在的原因。
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表1 医疗废物焚烧废气中重金属含量及去除率
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近年来，由于在电除尘器中DIOXIN的重新聚合问题，医疗废物焚烧尾气净化均采用袋式除尘器；袋式除尘器已不单单是用来解决除尘问题，而是作为气体反应器，用以处理工业废气中的有害物质。最为典型的应用是袋式除尘器用以处理垃圾焚烧及干法脱硫的主机设备来用。我国2001年开始实施的《危险废弃物焚烧污染控制标准》规定“焚烧炉的除尘装置必须采用袋式除尘器”。
4.3 医疗废物焚烧炉袋式除尘器滤料
袋式除尘器的“心脏”是滤袋，而国内专用于医疗废物焚烧炉净化的滤料还在摸索中，国外主要采用的是PTFE滤料和玻璃纤维与PTFE混纺滤料；从可靠性来说，医疗废物焚烧用的袋式除尘器的滤袋采用PTFE耐高温针刺毡滤料更为合适，在耐酸、耐碱和抗水解性能上更为可靠。
医疗废物焚烧是一个特殊的行业，技术尚不成熟，还处在不断摸索和改进阶段；尾气净化是该系统中尤为重要的部分，还需要多方面共同努力，才能保证袋式除尘器在该领域中得到更为广泛应用。
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