摘要:介紹了垃圾熱解氣化的原理,進行了醫療垃圾外熱式固定床熱解實驗,對熱解產物進行了取樣監測。提出了外熱式固定床醫療垃圾處理工藝流程,探討了在設計中對外熱式固定床熱解氣化爐的爐形、密封、物料破料、傳熱、氣化、焦油、煙氣處理等問題的解決措施。

　　關鍵詞:醫療垃圾處理;熱解氣化;外熱式固定床

　　近年來,垃圾的無害化、資源化處理愈來愈受到人們的重視,許多科研單位都在進行這方面的研究[1～4]。醫療垃圾由于含有大量的病毒、病菌,是一種對環境危害極大的廢棄物,因此它的無害化處理更加受到人們的關注。鑒于醫療垃圾的危害性,國家制定了相關的管理法規和標準[5、6]。目前,已有多種技術用于醫療垃圾的最終處置:清洗消毒、高溫消毒、填埋、焚燒等。高溫焚燒法是最普遍采用的方法,通常采用的爐型為[7]:固體廢物爐排爐、滾窯爐、流化床焚燒爐。相關文獻[8～10]報道了一些環保公司開發的醫療垃圾焚燒爐系統。高溫焚燒法利用高溫將醫療垃圾中的病毒、病菌殺死,同時實現了垃圾的減量化、穩定化、資源化。但在垃圾焚燒過程中會產生對人類極其有害的致癌物———二口惡英,并且煙塵尾氣處理量大。熱解法是一種垃圾處理新技術,它不但滿足了減量化、資源化的要求,而且基本在還原氣氛下處理廢物,因此排放二口惡英及呋喃的濃度極低[7]。已經有文獻報道采用熱解焚燒法處理醫療垃圾[11、12]。下面介紹醫療垃圾外熱式固定床熱解實驗以及醫療垃圾熱解氣化的工藝流程和一系列關鍵問題的解決。

　　1熱解氣化的原理[13]

　　1.1熱解過程

　　熱解法是利用垃圾中的有機物的熱不穩定性,在無氧或缺氧的條件下進行加熱,使有機物產生熱裂解,改變原有分子結構形態,由大分子的有機物轉變為小分子的可燃氣體、液體燃料和固體燃料。具體而言,垃圾吸收外界提供的熱量后,溫度逐漸升高,當升高到100℃以上,便揮發出游離態的水,然后發生有機物分子內的脫水反應,如羥基斷裂生成水。經過脫水反應后,垃圾繼續吸熱,當溫度升高到200～400℃時,有機物分子中的甲基、乙基等側鏈開始斷裂,生成甲烷、氫氣以及其他的碳氫化合物。隨著溫度的進一步升高,脫掉側鏈的有機物的主鏈發生斷裂,生成許多小分子物質。熱解反應后的氣態產物經過冷卻后,被分離成可燃氣體(含有CH4、H2、CO、CO2)、有機液體(有機酸、芳烴、焦油),熱解反應后的固態產物為垃圾炭(焦炭和無機成分)。

　　1.2氣化過程

　　氣化過程是對熱解反應的固態產物———垃圾炭進行二次處理,將其轉變為可燃氣體的過程。具體而言,將熱解產生的可燃氣體引入燃燒室內進行高溫燃燒,為熱解反應提供能量。同時,將燃燒產生的一部分煙氣(利用其中的CO2)和干燥垃圾過程中逸出的水分通入垃圾炭層內,使之發生氣化反應,進一步獲得可燃氣體(CO、H2)。反應方程式如下:C+H2O=CO+H2(1)C+CO2=2CO(2)這種處理方式,一方面大大減少了煙氣的排放量,同時又產生了H2和CO等可燃氣體,增加了可燃氣體的產量。

　　2醫療垃圾的外熱式固定床熱解實驗

　　2.1實驗裝置實驗所采用的外熱式固定床熱解裝置見圖1。

　　2.2采樣及監測結果

　　將醫療垃圾直接放入熱解反應器內,然后抽真空排出爐體內的空氣,最后通過電加熱爐對熱解反應器進行加熱。反應器內的垃圾吸收熱量后發生熱解反應,產生的熱解氣體依次經過套管冷凝器、氣體流量計、采樣口12排入大氣。煙氣的采集方法為:在采樣口12,將熱解氣體點燃,利用自動煙道塵(氣)皮托管平行測試儀3012H(03120520)進行采集。固體產物的收集方法為:反應結束后,待設備冷卻到常溫時,從反應器內取出固樣。煙氣樣和固樣由天津市環境監測中心進行取樣并完成監測。熱解氣采集的方法為:用氣囊在采樣口11進行收集,并將其送至天津市第二煤氣廠中心化驗室。測試的結果見表1～3。

　　3熱解氣化法的工藝流程

　　3.1工藝流程介紹

　　熱解氣化法正在逐漸用于醫療垃圾的處理中,多家環保設備公司都在進行這方面的研究。目前,我校研制的外熱式固定床熱解氣化爐的工藝流程見圖2,主要包括燃氣的產生及燃燒過程和煙氣的后處理過程。

　　3.2后處理設備的作用①

　　冷凝器:a.使熱解初期產生的水蒸氣冷凝,避免進入燃燒室,惡化燃燒工況。b.將可燃氣體中的焦油分離出來,避免阻塞管道。c.降低可燃氣體的溫度,使后面的鼓風機能在正常的溫度范圍內工作。②油水分離器:將冷凝器中的冷凝水和焦油分離開,并且使冷凝水再次噴入熱解氣化室的垃圾炭層內,為氣化反應提供水蒸氣。③余熱利用裝置:a.充分利用高溫煙氣的熱能,將儲水箱內的循環水加熱。b.降低煙氣的溫度,使后面的引風機處于安全的工作狀態。④煙氣處理裝置:采用半濕式法除掉煙氣中的酸性氣體(HCl、SO2),避免對空氣造成污染。

　　4外熱式固定床熱解氣化爐的設計

　　4.1爐形的設計

　　整體爐形采用圓形結構,由于此結構受力均勻,能在一定程度上避免膨料現象的發生。對于氣化層,H2O(水蒸氣)、CO2在炭層內的停留時間直接影響反應的程度。為此,將氣化層做成倒置的圓臺形狀,和柱體相比加大了炭層的高度,延長了H2O(水蒸氣)、CO2與炭層的接觸時間,從而使更多的垃圾炭發生反應。

　　4.2設備的密封技術

　　由于熱解氣化是在還原氣氛下進行的,因此,除了對熱解氣化室內的某些旋轉部位做好密封以外,還要注意在進料時防止空氣滲入。本次設計采用了雙門結構,較好地解決了這個問題。當進料時,下層門關閉,上層門打開。袋裝的醫療垃圾裝滿料斗后,上層門自動關閉,下層門自動開啟,垃圾在重力的作用下落入熱解氣化室內。上下兩層門是聯鎖結構,即只有當上層門處于關閉的狀態時,下層門才能開啟。這種雙門結構有效地保證了反應的氣氛。

　　結語

　　熱解氣化法是一種很有前景的醫療垃圾處理方式,它能夠實現醫療垃圾的減量化、資源化、無害化,并且以獲得更多可燃氣體為目的,具有良好的經濟和環境效益。實驗表明,熱解反應后的固態產物中含有較多的氯元素,而煙氣中氯元素含量遠遠低于標準限值,此問題的機理研究尚在進行中。隨著研究的不斷深入,這種新的處理方法的優勢會逐漸被人們所認識,并且新的工藝流程及新爐型會不斷出現。

　　參考文獻:

　　[1]李霞,顧建良,楊安輝.垃圾填埋場氣體的收集與處理[J].煤氣與熱力,1998,18(2):7-9、20.

　　[2]周春艷,趙增立,馬曉茜.高水分垃圾能量自給型焚燒—堆肥系統的探討[J].煤氣與熱力,2002,22(4):291-293.

　　[3]周春艷,馬曉茜,毛愷.配風方式對垃圾焚燒爐燃燒效率的影響分析[J].煤氣與熱力,2003,23(7):395-399.

　　[4]馬潤田,丁艷軍.城市垃圾熱解工藝的探討[J].煤氣與熱力,2002,22(5):408-411.

　　[5]GB19217—2003,醫療廢物轉運車技術要求(試行)[S].

　　[6]GB19218—2003,醫療廢物焚燒爐技術要求(試行)[S].

　　陳靜1,張于峰1,鄧娜1,劉志凱1,周欣2,李新國2,胡峰3,毛學棟3,劉永剛3