医疗废物焚烧烟气处理机理及工艺研究.docx

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医疗废物焚烧烟气处理机理及工艺研究

医疗废物焚烧烟气处理机理及工艺研究

摘要:

本文基于笔者多年从事医疗废弃物烟气处理的相关技术的研究基础,以医疗废物焚烧烟气处理机理及工艺为研究对象,论文首先分析了医疗废物焚烧烟气的危害,进而探讨了烟气中废物的处理机理,包括灰尘及重金属、二噁英类物质、酸性气体等,最后,论文探讨了当前半干法处理工艺的现状,全文是笔者长期工作基础上的理论升华,相信对从事相关工作的同行能有所裨益。

关键词:

医疗废物焚烧烟气处理机理工艺

1998年广东生活环境无害化处理中心医疗废物处理站投产,开启了我国医疗废物集中安全处置工作之路。

经历2003年“SARS”疫情之后,国家在全国布点规划建设了300家医疗废物集中处置设施,至今已大部分投产运行,这些设施初期的处置方法基本上全为焚烧法。

近年来,虽然其他的非焚烧处置技术不断发展应用,但焚烧法仍以可靠的“无害化、减量化”优势占据主要地位,全国还有70%左右的医疗废物集中处置设施采用焚烧法处置技术。

医疗废物焚烧处置过程中会产生大量烟气,含有包括二噁英、酸性气体、重金属、烟尘等危害性很大的有毒有害物质,做好焚烧烟气的净化处理是焚烧法处置医疗废物的关键。

1医疗废物焚烧烟气的危害

1.1颗粒物的危害

颗粒物对于人体的健康的影响,取决于颗粒物的浓度和在其中暴露的时间。

研究表明,因上呼吸道感染、心脏病、支气管炎、气喘、肺炎、肺气肿等疾病而到医院就诊人数的增加与大气中颗粒物浓度的增加是相关的。

1.2氯化氢的危害

氯化氢对人体的影响分为急性中毒和慢性损害。

急性中毒多见于意外事故中,主要表现为头痛、头昏、恶心、咽痛、眼痛、咳嗽、声音嘶哑、呼吸困难、胸痛、胸闷,有的有咯血。

严重者可引起化学性肺炎、肺水肿、肺不张等病症。

长期在超过15mg/m3浓度的环境下操作,会造成牙齿酸蚀症、慢性支气管炎等慢性病变。

1.3硫氧化物的危害

SO2在空气中达到（0.3～1.0）×10-6时,人们就会闻到一种气味。

包括人类在内的各种动物,对SO2的反应都会表现为支气管收缩。

一般认为,空气中SO2的浓度在0.5×10-6以上,对人体健康已有潜在性影响,（1～3）×10-6时多数人开始受到刺激,10×10-6时刺激加剧,个别人还会出现严重的支气管痉挛。

颗粒物与水分结合形成酸雨是对人类健康影响非常严重的公害。

1.4一氧化碳的危害

CO是一种能夺去人体组织所需氧的有毒吸入物。

CO与血红蛋白结合生成碳氧血红蛋白（COHb）,COHb的直接作用是降低血液的载氧能力,次要作用是阻碍其余血红蛋白释放所载的氧,进一步降低血液的输氧能力。

在CO浓度（10～15）×10-6下暴露8h或更长时间的有些人,对时间间隔的辨别力就会差。

一般认为,CO浓度100×10-6是一定年龄范围内健康人暴露8h的工业安全上限。

CO浓度达到100×10-6时,大多数人感觉眩晕、头痛、和倦怠。

1.5重金属的危害

医疗废物焚烧烟气中可能存在的重金属主要有:

汞、镉、砷、镍、铅、铬、锡、锑、铜和锰等。

主要来自医疗废物和其他入炉物料中含有重金属及其化合物在焚烧过程中以蒸汽或尘粒的形态进入烟气。

这些重金属对人体的危害主要是通过皮肤黏附、消化道或者呼吸道进入人体,从而影响人体的身体不适,严重的甚至可能死亡。

1.6有机化合物的危害

在医疗废物焚烧过程中产生的有机化合物主要是二噁英类有毒物质和呋喃以及多氯联苯、苯酚等致癌物质。

二噁英类物质有很高的致死性,其毒性是氰化钾的1000倍、砒礵的900倍,是至今已知物质中毒性最强的化合物。

据报道,只要28.35g二噁英类物质,就能将100万人置于死亡。

另外,二噁英类物质还具有很强的致癌特性,致癌性比黄曲霉素高10倍,是3,4-苯并芘的数倍,因此,二噁英类物质被国际癌症研究中心列为一级致癌物。

2烟气中灰尘及重金属的去除机理

医疗废物焚烧烟气中的灰尘中颗粒分布与焚烧过程的流动结构、化学反应特性、物料的物理化学特性以及焚烧炉的选择有关。

对于一般的医疗废物而言,颗粒的粒径分布范围大约在0.1～1000um之间,但是有35%以上的灰尘的直径小于10um,有90%以上的灰尘的直径小于100um。

控制粉尘污染物通用的设备主要有:

水膜除尘器,静电除尘器和袋式除尘器等。

由于水膜除尘器的除尘效率不稳定,且除尘过程中产生的污水需要经过处理,所以该方式已经被淘汰。

有研究表明,采用静电除尘器由于达不到颗粒物的去除效果,并且静电除尘器脱除二噁英物质的能力较差,易造成二噁英物质的二次合成,所以GB18485-2003标准规定,除尘装置必须严禁采用静电除尘器,所以在危险废物焚烧烟气的烟尘处理中,通常采用布袋除尘器。

赣州市医疗废物处置中心采用的脉冲袋式除尘器,其工作原理如图1所示。

烟气中的重金属的去除可以分为两部分:

（1）一部分重金属吸附在灰尘的表面,在布袋除尘器除尘时,也把重金属一起去除;

（2）大部分重金属还是通过在喷雾干燥塔之后的活性碳管道中通过活性碳的吸附后,在布袋除尘器随着活性碳一起落在灰斗中。

总之,灰尘和重金属都是通过布袋除尘器收集后,一起去除的。

含尘气流从下部进入圆筒型滤袋,在通过滤料的孔隙时,粉尘被捕集于滤料上,透过滤料的清洁气体排出口排出。

沉积在滤料上的粉尘,可在机械振动的作用下从滤料表面脱落,落入灰斗中。

常用滤料由棉、毛、人造纤维等加工而成,滤料本身网孔较大,一般为20～50um,表面起绒的滤料为5～10um,因而新鲜的滤料的除尘效率较低。

颗粒因截留,惯性碰撞,静电和扩散等作用,逐渐在滤袋表面形成粉尘初层。

初层形成以后,它成为袋式除尘器的主要过滤层,提高了除尘效率。

滤布只不过起着形成颗粒初层和支撑它的骨架作用。

但随着颗粒物在滤袋表面积聚,滤袋的两侧的压力差增大,会把有些已附在滤料表面的细小粉尘挤压过去,使除尘效率降低。

另外,若除尘器压力过高,还会使除尘系统的处理气体量显著下降,影响生产系统的排风效果。

因此,除尘器的阻力达到一定数值后,要及时清灰。

3烟气中二噁英类物质的去除技术

从焚烧烟气中去除二噁英属于二噁英末端控制技术,以减少从排放烟气中排放进入环境的二噁英的量。

医疗废物处置中心的运行实践经验表明:

“半干式喷雾急冷+活性炭吸附+布袋除尘”工艺是控制烟气中二噁英排放最为有效的方法。

根据活性炭加入方式的不同,又可分为以下三种工艺:

（1）活性炭注射工艺;

（2）移动床工艺;（3）固定床工艺。

在活性炭注射工艺中,活性炭在干式,半干式喷淋塔后（布袋除尘器之前）被注入烟气中,吸附烟气中的二噁英,然后由布袋除尘器捕集下来,每隔一定的的时间间隔清除布袋除尘器捕集下来的飞灰和活性炭。

在移动床工艺中,烟气通过一个移动的活性炭床层,新鲜的活性炭从床层的底部加入,吸附后的活性炭从床层的底部连续或间隙地排出。

在固定床工艺中,烟气通过一个固定的活性炭床层,吸附一段时间以后,整个床层的活性炭都被替换。

对于固定床吸附和移动床吸附工艺而言,可以采用2套完全相同的设备,交互使用。

当其中一套用作吸附床时,另一套就进行解吸,脱除活性炭吸附的二噁英,再生活性炭。

但是由于二噁英分子被强烈吸附在活性炭表面或捕集在微孔内,采用一般的工艺难以进行解吸。

因此必须采用新的吸附剂或再生工艺,以实现吸附-解吸循环操作。

4烟气中酸性气体的净化机理

酸性气体的去净化工艺可分为以下三类:

湿法工艺、干法工艺和半干法工艺。

4.1湿法酸性气体处理技术

液体或者浆状吸收剂在湿状态下与酸性气体反应并去除反应产物。

采用碱性吸收剂,如石灰水、NaOH溶液等作为吸收剂,并设有专门的反应吸收塔。

吸收塔有各种形式,如填料式、淋水盘式、文丘里式等。

吸收剂溶液在制备槽中配置,经泵输送至循环槽,由循环泵输送到吸收塔顶部喷淋。

烟气冷却除尘后进入吸收塔洗涤,洗涤后再加热排入烟囱。

其流程如图2所示。

有关研究表明HC的吸收效率与反应时吸收液的pH、吸收塔的结构、液气比、吸收液的浓度也有关。

系统中进行的气液反应,反应迅速而且完全,所以HCL的脱除效率很高,飞灰亦可同时去除。

由于湿式系统在低温下运行,冷凝后的PCDDs也能高效地截留于吸收后的废水中。

但这样会增加污水处理的成本。

4.2半干法酸性气体去除技术

半干法是结合湿法和干法的部分优点,吸收剂在湿状态下与酸性气体反应,在干状态下处理反应产物,去除效率较高,且不产生二次污染。

半干法德工艺流程如图3所示。

4.3干法酸性去除技术

干法是指酸性气体与碱性物质在干状态下反应,一般来说,干法是利用一段烟道作为反应器,或者是用特制的反应器。

将碱性粉末Ca（OH）2、CaO等直接喷入烟道中,HCL等酸性气体与这些粉末在两相流动过程中被吸收而除去。

与脱硫不同的是不能在炉内投加吸收剂石灰,否则生成的易熔（772℃可熔化）,腐蚀性物质CaCl2高温下会腐蚀炉体。

在换热面后的尾部烟道内投入吸收剂是目前最主要的形式。

干法工艺流程如图4所示。

4.4三种处理工艺的比较

从上表可以看出,在烟气处理效果上,湿法工艺无疑具有较大的优势,但是考虑到医疗废物的特殊性,当采用湿法工艺时,将使一部分二噁英物质进入产生的废水中,所以综合考虑烟气处理效率、投资成本、运行费用等因素,半干法是目前处理焚烧烟气最好的方法。

5半干法烟气处理工艺应用现状

根据美国环保局对全美各医疗废物处置中心的运行经验的总结,半干法由于具有去除效率高,运行费用低等优点,已经成为美国进行危险废物处置中心设计的优先选用方法。

在我国《医疗废物集中焚烧处置工程建设技术要求（试行）》中,也要求医疗废物焚烧烟气优先采用半干法处理。

国内在建和已建垃圾焚烧厂的烟气治理系统中几乎都采用半干法。

常用的3种工艺简介如下。

5.1喷雾干燥工艺简介

焚烧烟气从上部进入体积庞大的反应塔,反应塔顶部中央设置一个高速喷嘴。

浓度为9%～13%的石灰石浆液经高速离心喷嘴喷出,石灰石乳液在反应塔中与烟气中的酸性成分直接反应,从而达到除酸的目的。

烟气经过喷浆液喷淋以后,较粗的烟气尘粒直接掉入反应塔底部。

沉降灰湿度很大,颗粒很粗。

另外,烟气经过喷淋后,温度下降很快,需要控制烟气温度,才能进入布袋除尘器,否则浆液来不及干燥而黏糊布袋,导致布袋阻力上升,寿命降低。

烟气中二噁英的去除,通常采用活性炭加布袋除尘器的技术措施。

喷雾干燥法的优点是:

（1）雾化效果好,喷出的液滴细,烟气干燥基本能达到要求;

（2）反应器内烟气流速低,喷嘴磨损小;喷雾干燥法的缺点为:

（1）需要复杂的制浆系统,反应器体积庞大;（3）高速离心喷嘴能耗大且容易损坏。

典型的喷雾干燥工艺流程如图5所示。

5.2喷浆型循环半干法简介

喷浆型循环半干法工艺流程见图6。

由图中可以看出,喷浆型循环半干法与喷雾干燥法的结构基本相似,是对喷雾干燥法的改进,即缩小了反应塔的体积,增加灰循环,采用普通二相流喷嘴雾化石灰浆。

其缺点如下。

（1）反应器喷嘴处烟气流速较高,二相流喷嘴磨损较严重;

（2）二相流喷嘴的液滴粒径不能持久,受喷嘴磨损影响;（3）由于塔的高度较高,且增加了循环灰的重量,所以增加了塔的压力损失;（4）液滴粒径增加导致等不及干燥而黏糊布袋,影响正常运行;（5）液滴粒径过大,易在反应塔内壁结垢,可能导致垢污崩塌;（6）制浆系统较复杂,喷嘴容易堵塞,不能在线检修等。

典型的喷浆型循环半干法工艺流程如图6所示。

5.3增湿灰循环半干法

反应剂生石灰经料仓,计量,输送至消化器内消化成熟石灰,再进入增湿器,增湿器内还有循环灰,在增湿器内对熟石灰循环灰混合物进行增湿（一般使用蒸汽或冷却水）,使混合灰的水分从2%增加到15%左右,然后以流化风为动力再借助烟道负压的引力导向进入直烟道反应器,含百分之几水分的循环灰有极好的流动性,大量的灰便成为水的载体,从而省去了喷雾干燥法复杂的制浆系统,克服了普通喷浆半干法反应器中出现的黏壁问题。

大量的循环灰进入反应器后,由于有极大的蒸发表面,水分蒸发很快,在极短的时间内使烟气温度冷却到130℃左右,烟气相对湿度则很快增加到20%～30%,这是较好的反应工况,一方面有利于SO2、HCL等分子在灰表面水中溶解并离子化;另一方面使吸附剂表面的液膜迅速变薄,利于SO2、HCL等分子的传质扩散,同时由于有大量的循环灰的剧烈摩擦,被CaSO4和CaSO3等反应产物壳包裹的Ca（OH）2重新裸露活性表面,继续参与反应,且加水消化制得新鲜得Ca（OH）2具有很高的活性,所以反应器中有效Ca（OH）2得浓度很高,能保证较高得脱酸效率。

此外由于吸收剂得不断循环,吸收剂有效利用率高达95%以上,故吸收剂得消耗接近于理论耗量,最终产物中Ca（OH）2量小于5%。

终产物则部分溢流入仓泵,由气力输送装置外送。

相比较其他两种焚烧烟气处理工艺,MGHT工艺具有碱性吸收剂的利用效率高、占地面积较小、系统阻力损失小等有点,但是由于烟气在MGHT脱酸塔的停留时间较短,所以脱酸效率相比较喷浆循环半干法的脱酸效率要低,并且MGHT的吸收剂的制备要求较高、系统出灰含湿量较高,对于气力输送系统要求高等缺点。

典型的增湿灰循环半干法（MGHT）工艺流程如图7所示。

尽管喷浆型循环半干法和增湿灰循环半干法在处理效果上具有一定的优势,但是由于以上两种工艺具有投资成本高、运行费用大、吸收剂制备系统复杂、烟气处理系统阻力较大等缺点,所以一般不运用于危险废物焚烧烟气的处理中,所以,在一般的国内运用的半干法处理危险废物焚烧烟气中,仍然大多采用的还是是喷雾干燥工艺来去除酸性气体。

6半干法工艺处理医疗废物焚烧烟气应用实例

在多年的探索实践中,我们摸索出了一套优化改进的半干法烟气处理工艺,并投入到医疗废物焚烧烟气净化处理的实际应用中,取得了良好的应用效果。

其优点在于以下几点。

通过投加生石灰粉,吸收急冷喷雾后烟气中的大量水份,生成Ca（OH）2,再与酸性气体中和,进一步提高酸性气体的去除率;同时降低烟气的含水率,提高烟气露点,防止设备腐蚀;生石灰粉的加入,又可以增加烟尘飞灰的流动性,利于布袋除尘器过滤和清灰;大部分的粉灰在喷粉塔底部收集后加入新鲜生石灰粉后循环再用,可以提高利用效率,降低运行成本。

以此工艺设计的系统已投入运行多年,各项污染物排放均达到了国家排放标准,取得了显见的效益。

7结语

医疗废物焚烧烟气具有不同于一般废物焚烧烟气的特点,其污染物种类、含量、产生过程均具有自己的特性,常规的半干法净化处理技术不能适应它的变化,通过半干法与干法的结合使用,可以达到比较理想的净化处理效果。

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