热等离子体医疗垃圾处理系统的优化
王建伟 杨 建 李荣先
（深圳清华大学研究院，广东 深圳 518057）
摘要 等离子体医疗垃圾处理装置高达3 000~30 000 ℃的处理温度可将包括二噁英在内的所有有机成分在几毫秒的时间内彻底分解为小分子并在二次燃烧室内燃尽，焚烧灰被熔融玻璃化，抗压强度超过800 kg/cm2，泄漏性极低，可用作建材，同时该系统还可以回收铁、铜等金属。深圳清华大学研究院在2004年发展了处理量为100 kg/h热等离子体医疗垃圾处置系统，在该系统的基础上，最近再次对主炉结构和自动上料装置进行了结构优化，并对微波-活性炭法脱氮技术进行了实验研究，以期替代原来的活性焦-氨法脱氮工艺，初步的结果表明该技术拥有令人鼓舞的前景。
关键词 热等离子体系统 医疗垃圾 改进
Developing thermal plasma system for medical waste treatment Wang Jianwei，Yang Jian，Li Rongxian.（Research Institute of Tsinghua University in Shenzhen，Shenzhen Guangdong 518057）
Abstract：With the processing temperature of 3 000~30 000 ℃,the thermal plasma system can disposal all kinds of waste and all the organic compounds including dioxins were decomposed into small molecule, which can be burned out in the secondary combustion chamber. Furthermore, the vitrified slags with high compressive strengths of greater than 800 kg/cm2 and low leaching indices can be recoveried and used as road cobblestone, and metals, such as Fe, Cu, can also be recycled. In 2004, RITS developed a thermal plasma system for medical waste treatment with a capacity of 100 kg/h. Recently, some improvements had been carried out on its main furnace structure and waste feeder, and a experimental investigation on microwave-AC denitrification technology had also been conducted, which was expected to replace previous AC-NH3 denitrification technology. The preliminary results showed that this new technology had a promising foreground.
Keywords：Thermal plasma system Medical waste Improvement
传统的流化床、机械炉排炉等垃圾焚烧炉，由于处理温度低，产生的二噁英对环境的危害极大，世界各国纷纷禁用此类传统的垃圾焚烧技术，目前及在可预见的将来，对垃圾处理替代技术的发展需求十分迫切[1]。等离子体炉把垃圾高温热解、燃烧和灰渣在1 400 ℃以上熔融两个过程结合起来，不但可以处理城市固体垃圾，而且还能够有效的处理传统垃圾焚烧炉不能处理的石棉、低辐射核废弃物、多氯联苯（PCBS）、医疗废物等特种垃圾，并能够扼制二噁英类毒性物的形成，熔融玻璃体无害，并可被再生利用[2-4]，同时能最大限度地实现垃圾减容、减量，因而在特种垃圾处理领域应用前景十分看好。深圳清华大学研究院（RITS）借鉴了台湾原子能研究所（INER）和清华大学工程力学系设计的用于处理低辐射性废物及医疗垃圾的等离子体垃圾处理装置的设计经验[5，6]，并于2004年开发出处理量为100 kg/h等离子体医疗特种垃圾处理系统。最近，针对该系统的存在的一些问题，再次进行了结构优化和工艺改进，并进行了扩容，目前该系统的处理量可以达到200 kg/h。
1 等离子体固体垃圾处理流程
图1是处理量200 kg/h的RITS等离子体医疗垃圾处理系统图。医疗垃圾通过自动上料装置，经由双道自动门落入主燃烧室下部特制的坩锅内，两只等离子枪喷出高达3 000~6 000 ℃的高温等离子气体，直接作用于垃圾表面，从而使得垃圾高温热解，热解后的残渣经高温熔融，从下部排出后成为玻璃状物质；二次燃烧室后墙也布置一只等离子枪，热解产生的可燃气体进入二次燃烧室充分燃烧后生成1 100~1 200 ℃的高温烟气，再进入经过碱液喷淋急冷塔除去硫氧化物、氯气、氯化氢，冷却至150~200 ℃的烟气经旋风除尘器除尘后进入活性焦吸附塔脱除氮氧化物，净化后的烟气通过引风机抽吸进入排气筒进入大气。在排气筒布置永久采样孔，用来监测污染气体、氧气、一氧化碳以及烟尘的浓度，并输入电脑保存。
图1 RITS等离子体医疗垃圾处理系统
2 等离子发生器组成、原理及性能
如图2所示，非转移弧直流等离子发生器是等离子体垃圾处理装置的核心技术之一。它主要由高频逆变开关电源、等离子枪及必要的气、水管路等部分组成。其中，等离子枪由阴极、阳极、辅助阳极、弧室、工作气体、保护气体喷射控制装置及必要的去离子水冷却装置组成。阴、阳极均为黄铜材料的管状电极，中间用绝缘材料分开，保护气体及空气从特制的旋流发生器开口切向喷入，在弧室内形成旋流，配合磁力线圈的作用，使电弧的弧根在电极内壁上高速自旋，这是提高电极寿命的的关键，从切向进气口喷入的工作气体旋转流过电弧后即被电离成为高温等离子体射流。另外，提高等离子枪电极电极寿命的技术还有将冷却水加压等方式。采用清华大学自制非转移弧直流等离子发生系统，200 kg/h处理量的等离子体医疗垃圾处理系统的性能指标如下：
图2 非转移弧直流等离子枪
工作气体：空气（配空气压缩机）；保护气体：氮气（配保护气送气装置及送气管道、气体流量计）；冷却：去离子水；电极寿命：阴极：>250 h 阳极：>500 h；电源：高频逆变开关电源；电热转换效率：大于90%。
3 主炉及附件
在借鉴INER及清华大学力学系设计方案的基础上，图3是深圳清华大学研究院（RITS）改进后自主开发的处理量200 kg/h等离子体医疗特种垃圾处理系统主炉图。主炉主要由主燃烧室、下部坩锅、二次燃烧室、自动上料装置和出灰装置组成。与处理量100 kg/h的系统相比，主燃烧室、二次燃烧室和转折烟道部分都进行了扩容，而且在主燃烧室内采用两只等离子枪，分别从侧墙按一定角度斜插入主燃烧室。主燃烧室温度设计温度依然在1 600 ℃以上，二燃室温度控制在1 100~1 200 ℃，两燃烧室之间的转折烟道也采用了强化紊流的结构设计，可保证二次空气和热解气体进行充分的混合，过量空气系数取为1.6时，排烟中干烟气含氧量可达8%以上；双自动门连锁控制装置采用汽缸推杆装置进行控制，两个自动门在进料的过程中始终保持一个关闭，以免因主燃烧室的负压而吸入过量空气。鉴于自动门动作频繁，易产生磨损，影响其封闭性能，改进设计采用了槽道结构，并进行了增强润滑的设计，保证其动密封性良好。另外，下自动门还敷设了耐火材料，可耐高温；仍采用冲水出渣的方式，高温炉渣落入水中被激冷破碎成小颗粒状后直接冲出，主燃烧室下部出渣部分与外部采用了水封渣坑，防止外部空气从下部进入燃烧室。冲出的玻璃状灰渣无害，可被用做铺路石等建材，其成分如表1所示；另外，要保证烟气在二燃室停留的时间大于2 s，以减少二噁英的生成。烟气在二燃室的流速较低，长时间运行后容易在底部产生灰沉淀，需要定期清出，对二燃室底部采用特殊的结构设计，大部分的沉淀灰能得到及时的清理。
表1 玻璃化熔融渣成分
SiO2/% Al2O3/% CaO/% MgO/% Fe2O3/% Cu/%
40.8 20.4 13.7 1.97 6.4 0.08
Na/% K/% Cl/% S/% T-C/% T-Hg/（mg•kg-1）
2.89 0.89 0.07 0.004 <0.1 0.008 4
Pb/（mg•kg-1） Zn/（mg•kg-1） As/（mg•kg-1） T-Cr/（mg•kg-1） Se/（mg•kg-1） Cd/（mg•kg-1）
140 1 800 <1 400 2 <0.2
4 尾气处理工艺的改进
为了避免二噁英的再次合成，1 200 ℃的高温烟气经过急冷塔的碱液喷淋后，可在1～2 s内下降到200 ℃以下，同时氯气及氯化物、二氧化硫等酸性气体和很大一部分低沸点金属在该部分已经被有效地从烟气中去除，但碱液喷淋并不能有效地去除NOx。
等离子体医疗垃圾处理系统的高温可以有效的遏制二噁英的产生，还可以使灰渣玻璃化、无害化、资源化，这是新一代垃圾焚烧炉发展的方向。但是，高温也使得采用空气作为工作气体的等离子体装置中NOx的产量较大。因此，在RITS等离子体医疗垃圾处理系统中尾气脱氮技术非常重要。常用的脱氮工艺中，无论是SCR还是SNCR，其温度窗口等参数均不适用于等离子体处理系统。RITS在处理量为100 kg/h的等离子体系统中采用活性焦—氨工艺，能够实现高效脱氮，同时吸附引入进一步脱除了重金属、二噁英等有害物质，排烟中各项污染物含量远低于国家规定的排放限值。但是，活性焦-氨法脱氮工艺需要使用氨，而氨的运输和贮存比较麻烦，而且活性焦的再生需要高温蒸汽和氨发生系统，这在某些应用场合使用起来很不方便，因此还需要开发另一种简单可靠的脱氮工艺。
图3 RITS等离子体医疗垃圾处理系统主、侧剖视图
采用微波-活性炭法脱硫脱氮在俄罗斯已经实现工业化，美国等国家也进行过系统的研究[7]，并取得了很好的效果，它具有脱氮效率高，系统简单，仅用电等优点。其原理如下：活性炭是一种性能优良的微波吸收剂，同时又是一种性能良好的还原剂。当将活性炭置于微波场中时，产生的热量使得活性炭温度迅速提高，在NO分子与活性炭之间形成了很大的温度梯度，NO分子中的氧基与相邻的炭反应生成了CO或CO2，氮基则被还原成了N2。
RITS对微波-活性炭法脱氮技术也进行了初步的试验研究。试验装置如下图4所示。在一台微波炉的上下表面开孔，并通过直径为1 cm的金属管引出，在两根金属管之间连接一根内径3 cm的石英管，石英管内填充山西新华化工厂直径为2～3 mm的脱硫脱氮专用颗粒活性炭，填充高度15 cm，石英管和金属管之间通过聚四氟乙烯管连接固定。NO通过钢瓶配气系统产生。通过烟气分析仪测量处理前后NO浓度的变化。
图4 微波炉改装的脱氮实验装置
图5是功率为250 W，NO入口质量浓度830 mg/L，3~15 min内NO平均降解率随气体流量的变化。图6是NO入口质量浓度为830 mg/L，气体流量为4.2 L/min，3~15 min内NO降解率随微波功率的变化。由图5可以看出，本实验中功率一定时，NO降解率随气体流量的增大而减小，但是，当气体流量小于5 L/min时，NO降解率基本上可以保持在95%以上。由图6可以看出，流量一定时，NO降解率基本上是随着微波功率的增大而增大，但是，在本实验的研究范围内，当微波功率大于600 W时，随着微波功率的增大，NO降解率出现了一定的波动，呈现出下降的趋势，这可能是由于活性炭床层温度过高，使得N和O重新发生结合的结果，同时实验中也发现了活性炭层有间歇性发光放电现象。
图5 气体流量对NO降解率的影响
图6 微波功率对NO降解率的影响
5 自动控制系统
处理量为200 kg/h的RITS等离子体医疗垃圾处理系统采用PLC自动控制，污染物排放监测参数如表2所示。烟气分析仪配4~8个探头，通过仪器配置的RS232接口将测量数据上传至计算机储存。
表2 监测记录参数、所用仪器及要求
监测方式 检测种类 使用仪器或方法 国标要求
在线
连续 烟尘 烟尘浓度测量仪 GB 19128－2003
GB 18484－2001
NO、NO2、O2、CO、SO2 烟气分析仪配5个探头
季度
采样 烟气黑度 黑度仪
HCL、HF 烟气采样器
重金属及其化合物 参考GB 19128－2003
在线
连续
监测 自动送料电视监测 工业电视检测设备 备选设备
主燃烧室出口、二燃室出口温度 铂铑30—铂铑6热电偶 GB 19128－2003
排烟温度 铜/康铜铠装热电偶 ≤150 ℃
炉体表面温度 ≤50 ℃
炉膛气压 压力表或烟气分析仪 保持负压
6 结 论
本文简要介绍了RITS研制的处理量为200 kg/h的等离子体医疗垃圾处理系统，以及相对于处理量100 kg/h的系统所做的改进，结论如下：
（1）通过采用等离子体高温分解、强化紊流混合、保证烟气在二燃室停留2 s以上时间以及尾气喷水急冷处理相结合，等离子体垃圾处理装置可以干净、彻底的处理包括医疗垃圾在内的多种垃圾，二噁英的排放远低于国家标准规定的排放限值。
（2）可以采用微波-活性炭法替代活性焦-氨法脱氮，以克服使用氨所带来的运输、贮存和加热所带来的系列问题，微波-活性炭法的脱氮效率可以维持在95%以上。
此外，在应用微波-活性炭法脱氮技术设计开发实际净化装置时，应注意保持微波均匀加热活性炭床层，否则不但会导致NOx降解效率下降，还会导致局部活性炭过多消耗。
参考文献
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责任编辑：贺锋萍 （收到修改稿日期：2006-10-17）
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