医疗垃圾外热式固定床热解气化技术

　　摘要:介绍了垃圾热解气化的原理,进行了医疗垃圾外热式固定床热解实验,对热解产物进行了取样监测。提出了外热式固定床医疗垃圾处理工艺流程,探讨了在设计中对外热式固定床热解气化炉的炉形、密封、物料破料、传热、气化、焦油、烟气处理等问题的解决措施。

　　关键词:医疗垃圾处理;热解气化;外热式固定床

　　近年来,垃圾的无害化、资源化处理愈来愈受到人们的重视,许多科研单位都在进行这方面的研究[1～4]。医疗垃圾由于含有大量的病毒、病菌,是一种对环境危害极大的废弃物,因此它的无害化处理更加受到人们的关注。鉴于医疗垃圾的危害性,国家制定了相关的管理法规和标准[5、6]。目前,已有多种技术用于医疗垃圾的最终处置:清洗消毒、高温消毒、填埋、焚烧等。高温焚烧法是最普遍采用的方法,通常采用的炉型为[7]:固体废物炉排炉、滚窑炉、流化床焚烧炉。相关文献[8～10]报道了一些环保公司开发的医疗垃圾焚烧炉系统。高温焚烧法利用高温将医疗垃圾中的病毒、病菌杀死,同时实现了垃圾的减量化、稳定化、资源化。但在垃圾焚烧过程中会产生对人类极其有害的致癌物———二口恶英,并且烟尘尾气处理量大。热解法是一种垃圾处理新技术,它不但满足了减量化、资源化的要求,而且基本在还原气氛下处理废物,因此排放二口恶英及呋喃的浓度极低[7]。已经有文献报道采用热解焚烧法处理医疗垃圾[11、12]。下面介绍医疗垃圾外热式固定床热解实验以及医疗垃圾热解气化的工艺流程和一系列关键问题的解决。

　　1热解气化的原理[13]

　　1.1热解过程

　　热解法是利用垃圾中的有机物的热不稳定性,在无氧或缺氧的条件下进行加热,使有机物产生热裂解,改变原有分子结构形态,由大分子的有机物转变为小分子的可燃气体、液体燃料和固体燃料。具体而言,垃圾吸收外界提供的热量后,温度逐渐升高,当升高到100℃以上,便挥发出游离态的水,然后发生有机物分子内的脱水反应,如羟基断裂生成水。经过脱水反应后,垃圾继续吸热,当温度升高到200～400℃时,有机物分子中的甲基、乙基等侧链开始断裂,生成甲烷、氢气以及其他的碳氢化合物。随着温度的进一步升高,脱掉侧链的有机物的主链发生断裂,生成许多小分子物质。热解反应后的气态产物经过冷却后,被分离成可燃气体(含有CH4、H2、CO、CO2)、有机液体(有机酸、芳烃、焦油),热解反应后的固态产物为垃圾炭(焦炭和无机成分)。

　　1.2气化过程

　　气化过程是对热解反应的固态产物———垃圾炭进行二次处理,将其转变为可燃气体的过程。具体而言,将热解产生的可燃气体引入燃烧室内进行高温燃烧,为热解反应提供能量。同时,将燃烧产生的一部分烟气(利用其中的CO2)和干燥垃圾过程中逸出的水分通入垃圾炭层内,使之发生气化反应,进一步获得可燃气体(CO、H2)。反应方程式如下:C+H2O=CO+H2(1)C+CO2=2CO(2)这种处理方式,一方面大大减少了烟气的排放量,同时又产生了H2和CO等可燃气体,增加了可燃气体的产量。

　　2医疗垃圾的外热式固定床热解实验

　　2.1实验装置实验所采用的外热式固定床热解装置见图1。

　　2.2采样及监测结果

　　将医疗垃圾直接放入热解反应器内,然后抽真空排出炉体内的空气,最后通过电加热炉对热解反应器进行加热。反应器内的垃圾吸收热量后发生热解反应,产生的热解气体依次经过套管冷凝器、气体流量计、采样口12排入大气。烟气的采集方法为:在采样口12,将热解气体点燃,利用自动烟道尘(气)皮托管平行测试仪3012H(03120520)进行采集。固体产物的收集方法为:反应结束后,待设备冷却到常温时,从反应器内取出固样。烟气样和固样由天津市环境监测中心进行取样并完成监测。热解气采集的方法为:用气囊在采样口11进行收集,并将其送至天津市第二煤气厂中心化验室。测试的结果见表1～3。

　　3热解气化法的工艺流程

　　3.1工艺流程介绍

　　热解气化法正在逐渐用于医疗垃圾的处理中,多家环保设备公司都在进行这方面的研究。目前,我校研制的外热式固定床热解气化炉的工艺流程见图2,主要包括燃气的产生及燃烧过程和烟气的后处理过程。

　　3.2后处理设备的作用①

　　冷凝器:a.使热解初期产生的水蒸气冷凝,避免进入燃烧室,恶化燃烧工况。b.将可燃气体中的焦油分离出来,避免阻塞管道。c.降低可燃气体的温度,使后面的鼓风机能在正常的温度范围内工作。②油水分离器:将冷凝器中的冷凝水和焦油分离开,并且使冷凝水再次喷入热解气化室的垃圾炭层内,为气化反应提供水蒸气。③余热利用装置:a.充分利用高温烟气的热能,将储水箱内的循环水加热。b.降低烟气的温度,使后面的引风机处于安全的工作状态。④烟气处理装置:采用半湿式法除掉烟气中的酸性气体(HCl、SO2),避免对空气造成污染。

　　4外热式固定床热解气化炉的设计

　　4.1炉形的设计

　　整体炉形采用圆形结构,由于此结构受力均匀,能在一定程度上避免膨料现象的发生。对于气化层,H2O(水蒸气)、CO2在炭层内的停留时间直接影响反应的程度。为此,将气化层做成倒置的圆台形状,和柱体相比加大了炭层的高度,延长了H2O(水蒸气)、CO2与炭层的接触时间,从而使更多的垃圾炭发生反应。

　　4.2设备的密封技术

　　由于热解气化是在还原气氛下进行的,因此,除了对热解气化室内的某些旋转部位做好密封以外,还要注意在进料时防止空气渗入。本次设计采用了双门结构,较好地解决了这个问题。当进料时,下层门关闭,上层门打开。袋装的医疗垃圾装满料斗后,上层门自动关闭,下层门自动开启,垃圾在重力的作用下落入热解气化室内。上下两层门是联锁结构,即只有当上层门处于关闭的状态时,下层门才能开启。这种双门结构有效地保证了反应的气氛。

　　结语

　　热解气化法是一种很有前景的医疗垃圾处理方式,它能够实现医疗垃圾的减量化、资源化、无害化,并且以获得更多可燃气体为目的,具有良好的经济和环境效益。实验表明,热解反应后的固态产物中含有较多的氯元素,而烟气中氯元素含量远远低于标准限值,此问题的机理研究尚在进行中。随着研究的不断深入,这种新的处理方法的优势会逐渐被人们所认识,并且新的工艺流程及新炉型会不断出现。

　　参考文献:

　　[1]李霞,顾建良,杨安辉.垃圾填埋场气体的收集与处理[J].煤气与热力,1998,18(2):7-9、20.

　　[2]周春艳,赵增立,马晓茜.高水分垃圾能量自给型焚烧—堆肥系统的探讨[J].煤气与热力,2002,22(4):291-293.

　　[3]周春艳,马晓茜,毛恺.配风方式对垃圾焚烧炉燃烧效率的影响分析[J].煤气与热力,2003,23(7):395-399.

　　[4]马润田,丁艳军.城市垃圾热解工艺的探讨[J].煤气与热力,2002,22(5):408-411.

　　[5]GB19217—2003,医疗废物转运车技术要求(试行)[S].

　　[6]GB19218—2003,医疗废物焚烧炉技术要求(试行)[S].

　　陈静1,张于峰1,邓娜1,刘志凯1,周欣2,李新国2,胡峰3,毛学栋3,刘永刚3

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