医疗废物焚烧过程应用基础研究

论文摘要

医疗废物携带大量病毒、病菌，具有空间传染、急性传染、交叉传染和潜伏传染等危险特征，是一种对生态环境和人体健康危害极其严重、管理和治理难度很大的危险固体废物。规模小、分布广的中小医院、卫生院等医疗机构的医疗废物无害化处理，一直是急需解决的难点和热点。目前，医疗废物处理方法主要有消毒灭菌法、卫生填埋法和焚烧法三种处理方法，而焚烧法具有杀毒灭菌彻底、减容率高、处理量大、稳定性好等优点，是当前我国医疗废物处理的首选方法。为了掌握医疗废物焚烧特性和规律，为医疗废物焚烧装置的设计与运行提供依据，本文首先对最基本的医疗废物典型组分进行了焚烧动力学试验。结果显示，医疗废物焚烧过程分为干燥脱水、挥发分析出与燃烧、过渡阶段、固定碳表面燃烧四个阶段；试验得到了各组分和部分混合组分的一级反应动力学方程和动力学参数，为集成式医疗废物焚烧炉的设计建立了动力学模型。快速焚烧是医疗废物投入高温焚烧炉燃烧室所表现出来的焚烧行为，它对认识焚烧炉内焚烧反应和焚烧过程，掌握医疗废物焚烧设备的设计与运行、减少有害污染物的产生、评价焚烧设备的性能都有重要的意义。试验可知，焚烧炉炉温越高，医疗废物的挥发分析出量越大，焚烧的时间越短；医疗废物水分含量越高，析出并焚烧的时间越长。针对中小城市医疗废物产量小、分散广的特点，本课题组结合国外先进技术及发展趋势，提出了“集成式医疗废物焚烧技术”，并针对1.5t/d集成式医疗废物焚烧炉进行了数值模拟。计算结果与试验结果比较可知，焚烧炉内温度场分布和污染物的排放的计算值和实测数据都基本吻合，表明所建立的数学模型能比较准确地描述集成式医疗废物焚烧炉内的焚烧情况，是比较可靠的。数值模拟也为焚烧炉设计和优化提供了帮助。医疗废物焚烧过程中会释放HCl和SO2等酸性气体，因此需对HCl与SO2进行脱除。在小型固定床上进行了医疗废物中Cl的析出试验，得知医疗废物焚烧中氯主要以HCl的形式析出。空气流速、温度和水蒸气都直接影响着氯的析出。从吸收剂脱氯的热力学计算看出，在焚烧过程中加入吸收剂脱氯，钙基吸收剂的脱氯效率明显高于镁基吸收剂。小型固定床中的脱氯试验，证明了热力学的计算结果。试验所致，最佳的Ca/Cl控制在2.5～3之间，水蒸气的参与能提高脱氯率，CO2的参与则会降低脱氯效果。从脱硫热力学计算和试验得出，CaO吸收剂是脱硫效果最好的吸收剂。温度、吸收剂粒径、Ca/S是影响焚烧过程脱硫的主要因素。在1.5t/d集成式医疗废物焚烧装置中进行的“炉内喷钙脱氯脱硫”工业性试验表明：Ca/（S+Cl）=3时，焚烧炉炉温控制在800～900℃左右，有较高的脱氯脱硫率。经过病毒病菌检测、SEM、XRD、EDS、激光粒度分析仪、色谱—质谱联用仪、化学分析法、原子吸收光谱等先进的分析手段对1.5t/d集成式医疗废物焚烧装置的灰渣和烟气进行了详尽的检测和分析。结果表明焚烧灰渣中的病菌病毒被全部杀死，焚烧完全；飞灰的颗粒尺寸主要分布在50—500Pm，炉渣的尺寸分布为100-10000μm；灰渣的元素分布呈现出：难挥发的元素在炉渣中分布较多，易挥发的元素则主要分布在飞灰中的规律性；SEM形貌观察发现飞灰的孔隙率高，是由于飞灰经受烟气二次焚烧的高温所致；XRD分析显示医疗废物焚烧飞灰和炉渣的主要成分基本一致，主要含有O、Si、Ca、Fe、S、Cl等元素，主要是α-SiO2，CaFeSi2O6，CaCl2，CaSO4等矿物相；EDS结果与化学分析、SEM形貌观察和XRD晶相分析结果可互为印证。虽然灰渣浸出的重金属含量远远低于国家标准，但其仍属危险废物，必须固化处理后方可填埋；灰渣吸附的有机物的分析结果显示，炉渣中二恶英毒性相对浓度最大的PCDDs是2，3，7，8-PCDDs，为0.504ng/g；飞灰中二恶英毒性相对浓度最大的PCDDs是2，3，7，8-TCDDs为0.122ng/g；烟气中的PCDDs和PCDFs分析得知，它们在烟气中的含量较少，在烟尘中含量较多，因此在收集处理烟尘时，应该多考虑烟尘的收尘效率；以上结果表明：集成式医疗废物焚烧装置的灰渣和烟气的排放达到了清洁排放的要求，实现了清洁排放。环境负荷评价可以对医疗废物收集、运输、管理、焚烧等过程进行评价，从而设计、选择适合当地条件的医疗废物管理与焚烧方式，并对医疗废物进行全过程管理。环境负荷评价结果显示，昆明市医疗废物焚烧处理总成本为1.37元/（人·犀）（即1.2元/kg医疗废物），总能耗为99.6MJ/（人·年）（即88.1MJ/kg医疗废物），环境影响潜力为3.96×10-4。焚烧医疗废物可以在短时间内将病毒病菌彻底杀死，实现医疗废物的无害化、减量化，减轻了医疗废物的环境负荷；同时，焚烧医疗废物还可以回收利用热量，实现医疗废物的资源化利用。医疗废物焚烧过程中产生的CO2、NOx、SO2和HCl等气体和二恶英类有毒物质，造成了全球变暖、酸化、光化学臭氧合成和生态毒性的环境影响。因此，必须采取有效措施，减少酸性气体及二恶英类有害气体的排放。焚烧会让重金属以气态形式随烟气排放，因此，必须采用高效的净化除尘技术对其进行捕集，并将捕集下来的飞灰和炉渣进行固化填埋处理，以此控制重金属的排放，减少它的环境负荷。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 医疗废物环境污染
• 1.2.1 医疗废物对环境的污染
• 1.2.2 医疗废物对人体健康的影响
• 1.3 医疗废物处理方法
• 1.3.1 医疗废物处理原则
• 1.3.2 医疗废物处理技术
• 1.4 医疗废物处理技术发展动态
• 1.4.1 国内外医疗废物处理技术
• 1.4.2 集成式医疗废物处理技术
• 1.4.3 医疗废物处理的环境负荷评价
• 1.5 本课题的提出
• 1.5.1 本课题的来源
• 1.5.2 本课题的研究内容
• 1.5.3 本课题的研究意义
• 第二章 医疗废物焚烧过程动力学
• 2.1 引言
• 2.2 医疗废物焚烧过程动力学试验
• 2.3 试验结果与讨论
• 2.3.1 医疗废物焚烧过程
• 2.3.2 着火温度
• 2.3.3 着火性能指数
• 2.3.4 混合物焚烧特性
• 2.3.5 水份和升温速率对焚烧过程的影响
• 2.3.6 医疗废物焚烧动力学模型
• 2.4 本章小结
• 第三章 医疗废物快速焚烧试验
• 3.1 引言
• 3.2 试验
• 3.2.1 试样及仪器
• 3.2.2 试验方法及条件
• 3.2.3 数据计算
• 3.3 试验结果及讨论
• 3.3.1 温度对医疗废物快速焚烧的影响
• 3.3.2 医疗废物类型对医疗废物快速焚烧的影响
• 3.3.3 挥发分对医疗废物快速焚烧的影响
• 3.3.4 水份对医疗废物快速焚烧的影响
• 3.3.5 快速焚烧底渣SEM分析
• 3.3.6 快速焚烧与慢速焚烧的区别
• 3.4 本章小结
• 第四章 医疗废物焚烧过程数值模拟
• 4.1 引言
• 4.2 模拟对象和网格处理
• 4.3 医疗废物焚烧过程数学描述
• 4.3.1 水分蒸发过程
• 4.3.2 挥发分挥发过程
• 4.3.3 挥发分燃烧过程
• 4.3.4 固定碳的燃烧过程
• 4.3.5 固体颗粒的物理特性
• 4.3.6 混合物特性
• 4.4 医疗废物焚烧过程数学模型
• 4.4.1 气相控制方程
• 4.4.2 固相控制方程
• 4.4.3 湍流模型
• 4.4.4 焚烧模型
• 4.4.5 辐射模型
• 4.4.6 计算方法
• 4.4.7 数学模拟及试验验证
• 4.5 医疗废物焚烧过程计算结果与分析
• 4.5.1 边界条件
• 4.5.2 工况1模拟情况
• 4.5.3 工况2模拟情况
• 4.5.4 工况3模拟情况
• 4.6 本章小结
• 第五章 医疗废物焚烧过程脱氯脱硫机理与试验
• 5.1 引言
• 5.2 医疗废物焚烧过程中氯的析出试验
• 5.2.1 样品制备与试验方法
• 5.2.2 结果与讨论
• 5.3 医疗废物焚烧过程脱氯机理与试验
• 5.3.1 脱氯热力学与吸收剂选择
• 5.3.2 试验方法
• 5.3.3 结果与讨论
• 5.4 医疗废物焚烧过程脱硫机理与试验
• 5.4.1 脱硫热力学
• 5.4.2 试验方法
• 5.4.3 结果与分析
• 5.5 医疗废物焚烧过程脱氯脱硫的工业性试验
• 5.5.1 试验主要设备和原料
• 5.5.2 试验方法
• 5.5.3 结果与讨论
• 5.6 本章小结
• 第六章 医疗废物焚烧过程清洁排放
• 6.1 引言
• 6.2 集成式医疗废物焚烧装置简介
• 6.2.1 焚烧工艺
• 6.2.2 集成式医疗废物焚烧炉
• 6.2.3 焚烧稳定关键因素
• 6.3 医疗废物焚烧过程清洁排放
• 6.3.1 焚烧灰渣的清洁排放
• 6.3.2 焚烧烟气的清洁排放
• 6.4 本章小结
• 第七章 医疗废物焚烧环境负荷评价
• 7.1 引言
• 7.1.1 LCA研究方法
• 7.1.2 LCA在固体废弃物上的应用
• 7.2 医疗废物焚烧环境负荷评价
• 7.2.1 研究目标与功能单位
• 7.2.2 环境参数表征
• 7.2.3 系统边界
• 7.2.4 清单分析
• 7.2.5 医疗废物焚烧环境负荷影响评价
• 7.3 本章小结
• 第八章 总结与展望
• 8.1 总结
• 8.2 展望
• 8.3 本研究的主要创新点
• 参考文献
• 附录
• 致谢