等离子体处理医疗垃圾的技术经济性分析

　　摘要:等离子体技术可以高温熔融废塑料，并对医疗垃圾中重金属固化，前景广阔。以50t/d的处理规模为例进行经济性分析，固定资产投入约为1260．65万元，年均运行成本约为759．9万元。可通过以城市群为建设单位，现有处置场增设等离子体系统，产生的燃气及炉渣进行能源化及资源化利用等减少资本投入。为等离子体处理医疗垃圾提供依据。

　　关键词:等离子体;医疗垃圾;技术经济性分析;重金属固化

　　医疗垃圾是医疗机构在临床、保健、预防等专业活动中产生的一类具有一定传染性、毒性、腐蚀性等相关危害的废弃物，已被列入“危险废物名录”［1-2］。2003年，发文指出，力争在较短时间内以地级市为单位新建一批医疗垃圾集中处置设施［3］。鉴于医疗垃圾的强烈危害，急需采取合理合法的方法对其处理，包括:填埋堆肥法、高温高压蒸汽灭菌法、高温焚烧法、高温热解法和磁化裂解法、等离子体法、微波-高温高压蒸汽处理法及液态合金处理法等［2，4-6］。

　　1医疗垃圾产生量现状

　　据中华人民统计局相关数据统计，2016年末全国共有医疗卫生机构99．3万个，床位747万张，全年总诊疗人次78．0亿人次［19］。并且随着医学科学技术的高速发展、人民生活水平的持续提高、对健康状况的高度重视，一次性医疗卫生用品开始广泛应用于临床医学。庞大的医疗系统及一次性医疗卫生用具的广泛使用对于医疗垃圾的无害化处理带来巨大挑战。

　　2等离子体技术处理医疗垃圾

　　2．1等离子体技术

　　等离子技术是处理危险废物的有效方法，可以有效抑制二噁英类毒性物质的形成，废物经热等离子体高温熔融后变成玻璃状固体。采用等离子体技术对医疗垃圾中重金属的固化效果明显，其熔渣对重金属的固化率可达到70%～90%，且固化效果很好［2］。其固化的主要原理是:①在燃烧室内氧气充足的情况下，氯化反应受到一定阻碍，进而抑制重金属的挥发，绝大多数的重金属以高熔点的氧化物的形式保留在熔渣中;②医疗废物中的部分重金属与SiO2、CaO、Al2O3等化合物会发生反应，形成较为稳定的化合物，进而限制了重金属的挥发［21］。

　　图2是典型的等离子体气化炉横截面［15］，等离子体在一定的空间内通过极高的电压，使等离子体炬电极之间的气体导电，电流通过电离气体产生极高的能量区域，使该部位达到极高的温度。当废物通过该高温区域时，立即挥发，在不同的气氛下使废物发生热解或气化。因此，当废物进入高温等离子体时，会迅速从复杂的大分子物质分解成原子结构。这一过程将粉碎废物可能存在的任何有害化合物。极高的温度使等离子体中的原子和离子非常活泼，当它们离开等离子区时，它们将迅速地转变为简单的小分子化合物及很少部分大分子化合物。含金属颗粒会沉降在气化炉底部，由于气化炉底部温度的降低从而形成金属熔渣［15，22］。

　　2．2等离子体处理医疗垃圾系统

　　采用等离子体技术处理危险废弃物是当前最为有效的方法，其处理系统主要包括(见图4):预处理及进料系统、等离子体炬处理系统、高温熔融反应炉(燃烧系统)、供气系统、水冷系统、能量利用系统(可选)、尾气处理系统、灰室等［26-27］。①预处理及进料系统:主要用于医疗垃圾的分选、烘干及粉碎等预处理，然后通过进料系统喂入等离子体炬处理系统;②等离子体炬处理系统:根据实际情况设置不同规格的等离子体发生器，并控制相应的参数，使进入处理系统的物料发生快速热解气化，形成可燃气体，在载气的作用下进入高温熔融反应炉;③高温熔融反应炉:热解气在高温熔融反应炉发生充分燃烧，其中飞灰随热解气气流一并进入反应炉内发生高温熔融，并辅以相应的添加剂，通过冷却将重金属等固定在熔渣中;④尾气处理系统:剩余尾气经处理达标后排入大气;⑤供气系统:供气系统主要为等离子体炬处理系统和高温熔融反应炉提供特定气体，以助于医疗垃圾热解气化及热解气化气的充分燃烧;⑥水冷系统:在等离子体炬的阴阳极和喷枪等关键部件设置水冷循环，以减缓喷枪的高温腐蚀，确保其稳定工作和延长使用寿命，此外在高温熔融反应炉后方设定水冷系统，以助于熔渣快速固化;⑧底灰室及熔渣收集室:用于收集等离子体炬处理系统产生的热解残渣及高温熔融反应器产生的灰渣及熔渣，其中等离子炬产生的底灰无法随气流进入高温熔融炉，需采用相应传输系统进入熔融炉内进行高温熔融反应;⑨能量利用系统(可选):医疗废物经等离子体处理产生的热解气在高温燃烧过程中会产生大量的热量，该热量可用于热力发电或区域供热，还可用于系统中医疗垃圾的烘干处理等。

　　3经济性分析

　　我国已建设多家等离子体技术专业处理或涉及处理医疗垃圾的机构(表1)。但当前企业数量和规模无法满足现阶段高速发展的城市和城市群，建设一大批以等离子体技术为主体的医疗垃圾处理机构是实现其无害化处理的最佳选择。

　　医疗垃圾的产生与城市人口数量、城市发展水平密切相关，一线城市的年均医疗垃圾产生量约为2万t。因此在建设医疗垃圾等离子体处理处置工厂时需要充分考虑当地现状，选址要密切考虑辐射区域等。下面以50t/d的处理规模，详细进行等离子体处理医疗废物的经济性分析(见表2)。

　　假设等离子体处理医疗垃圾的日处理量为50t，每年工厂运行时间为330d，年处理量达1．65万t，工厂的使用率为90%，剩余时间用于维修和整顿。该套处理系统可满足大部分城市或城市群的医疗垃圾处理要求。

　　日处理规模为750t的等离子体辅助垃圾热解气化厂的等离子体处理系统及配套装置投资约为:气化炉630万美元，等离子体火炬150万美元，水冷设备7．5万美元，总计约为787．5万美元(4963．77万人民币)。不同规模的工厂投资资金进行投资估算时，工厂规模每增加1倍，投资额减少10%进行核算［28］。因此日处理50t的医疗垃圾的等离子体处理系统投资约为389．32万。高温熔融反应炉可采用主燃室和二燃室组合构成，主燃烧室设计温度在1600℃以上，二燃室温度控制在1100～1200℃之间;尾气处理系统采用活性炭吸附+布袋除尘器+碱液洗涤脱酸+烟气再热除雾组成。按照12t/d回转式医疗垃圾焚烧处理系统设备总投资额为210万进行推算，假设燃烧系统与等离子体处理医疗废物的燃烧室一致，则高温熔融反应炉(燃烧系统)及尾气处理系统总投入约为871．33万人民币。因此固定资产约为1260．65万元。

　　年度运行成本包括:①电费:假设工业规模的等离子体发生器效率大于70%，可估计用于医疗垃圾热解的电力消耗约为0．8kWh/kg［29］。因此耗电约为1．65×107kg×0．8kWh/kg×0．5=660万元/年。②用工成本:参考相关生活垃圾焚烧发电厂的员工数量，确定工厂需要10名员工，每人年工资为5万元。工资成本为10×5=50万元/年。③维修维护费:按固定资产的0．8%计算，为1260．65×0．8%=10．09万元/年。④水费和办公费:600t/d规模的垃圾焚烧发电厂的年用水量为50万t，办公费为100万元。假设等离子体处理医疗废物的用水量和办公费用与同等规模的垃圾焚烧发电厂的一样。按比例折算，50t/d的气化厂每年的用水量为4．2万t，年均水费12．6万元/年，办公费8．3万元/年。⑤配件等其他费用:按固定资产的1．5%进行预算，为1260．65×1．5%=18．91万元/年。因此，总计年均运行成本约为759．9万元。

　　收入主要为电力收入:依据MSW等离子体发电技术进行估算，每吨MSW可产生617kWh电量，依据上网电价0．4元计算，电费收入为1．65×104t×617kWh/t×0．4=407．22万元/年。

　　4医疗垃圾等离子体处置场建设建议

　　在等离子体处理医疗垃圾项目建设过程中需集中考虑当地医疗及城市发展水平，为节约建设成本，可从以下几方面进行参考:①以城市群为建设单位，综合考量选择最佳建设地点及处理规模;由于当前城市发展水平不均衡，人口密度及医疗水平存在差异，因此在选址及设定处理规模时应综合考量当地形势，可以城市群为单位建设处理处置设施。②在现有传统处置场基础上增加等离子体处理系统进行就地改造;当前我国已建设大量城市固体废弃物或危险废弃物处理处置场，在其基础上增设等离子体处理系统，从而减少建设成本。③建设可综合处理多种危险废弃物的工艺技术;危险废弃物种类较多，成分复杂，因此开发可有效处理多种类型危险废弃物的等离子体系统，实现处理装置最大化利用是十分必要的。④产生的熔渣中含有大量元素，经检验合格并达到相关标准后实现其利用价值。⑤热解气化气或燃烧产生热量的综合利用;医疗垃圾等离子体气化处理过程中通过一定技术会产生以CO、H2等为主的绿色可燃气体［30］，因此可以通过合理手段与工艺生产清洁能源，或者直接将气化气燃烧用于发电或供热，以增加部分收益。⑥健全医疗垃圾分类系统，减少医疗垃圾处理量;据世界卫生组织(WHO)统计85%的医疗垃圾特性与城市固体废弃物类似，仅15%的医疗垃圾具有传染性、毒性、致癌性、放射性等特征，需要特殊处理［21］;因此，对医疗垃圾进行有效分类，可大大降低其无害化处理成本。

　　5结束语

　　医疗垃圾作为一种危险废弃物，其产量以4%～6%的增速与年俱增，2017年产量高达近200万t，其平均产生量为0．48kg/床·日。采用等离子体技术对医疗垃圾中重金属的固化效果明显，且绝大部分重金属被固化在熔渣中而没有挥发出造成二次污染。等离子体处理医疗垃圾的日处理量为50t时固定资产投入约为1260．65万元，年均运行成本约为759．9万元。且该处理规模可以满足大部分城市或城市群的要求，是未来医疗垃圾无害化处理的最主要技术。

　　参考文献:［1］刘思娣，任南，李春辉，等．125家医疗机构医疗废物管理调查情况［J］．中华医院感染学杂志，2017，27(18):4265-4269．

　　［2］张璐，严建华，杜长明，等．热等离子体熔融固化模拟医疗废物的研究［J］．环境科学，2012，33(6):2104-2109．

　　［3］孙宁，吴舜泽，侯贵光．医疗废物处置设施建设规模实施的现状、问题和对策［J］．环境科学研究，2007，20(3):158-163．

　　［4］茹改霞．医疗垃圾处理技术的研究进展［J］．广东化工，2017，44(359):140，135．

　　［5］陈昆柏，高全喜，俞中．医疗固体废物集中处置的探索［J］．环境科学研究，2002，15(2):63-64

　　郝思佳

《等离子体处理医疗垃圾的技术经济性分析》

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