医疗垃圾热解气化的原理

第25卷第11期煤气与热力Ⅴol.25No.1l2005年11月Gas HEatNov.2005医疗垃圾热解气化的原理陈静,张于峰,邓娜,刘志凯,周欣2,李新国2(1.天津大学环境科学与工程学院,天津30072;2.天津大学机械工程学院,天津300072)摘要:介绍了国内医疗垃圾的处理现状,分析了在垃圾的热处理过程中,二唔英的产生机理和控制措施,论述了热解气化法处理医疗垃圾的原理、优点特别是对二暖英的合成的抑制作用关键词:医疗垃圾;二英;热解气化;原理中图分类号:Ⅹ705文献标识码:A文章编号:1000-4416(2005)11-0015-05Principle of Pyrolysis and Gasification of Medical WastesCheN Jing, ZHANG Yu-f6DENG Na. liu Zhi-kaiZHOU Xin, LI Xin-guo(1. School of Environment Science Technology, Tianjin University, Tianjin 300072, china2. School of Mechanical Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, ChinaAbstract The treatment situation of medical wastes in China is introduced the mechanism ofdioxins production and control measures in procedure of waste thermal treatment are analyzed, and theprinciple and advantages for treating medical wastes by pyrolysis and gasification, especially its inhibitoryeffect on the synthesis of dioxins are discussedKey words: medical wastes; dioxins; pyrolysis and gasification; principle当前,医疗垃圾的处理正日益受到人们的关注。作用无法降解,将长期在地下保持原样,致使土地无医疗垃圾是指医院等医疗机构在诊治、预防疾病的法利用。有的采用简易炉焚烧,所产生的烟气对周过程中产生的废弃物。它主要包括手术残物、动物围环境造成严重污染,尤其是焚烧过程中产生的二实验废物、废医用塑料制品、针管、有毒棉球等纯棉英类物质,严重威胁人类的健康。当前,由于国家制品以及过期药品等。医疗垃圾中含有多种病原微的高度重视以及医疗废物处理政策的制定,各个相生物和传染病原(如乙肝病毒、伤寒病毒),并且具关部门都在研究无害化处理医疗垃圾的方法。目前有空间传染、急性传染和潜伏性传染等特征,已经被常见的处理方法有高温灭菌法、高温焚烧法、卫生填列入了我国《国家危险废物名录》。过去,由于没有埋法以及热解气化法。这些处理方法有着各自的优相关的法律和政策,医疗垃圾的处理十分随意。有点,但也存在着一定的问题。本文主要讨论热解气的直接将其混入生活垃圾中,然后随意丢弃,造成疾化法病传播流行。有的自行掩埋,不但占用了大量的土1二喂英的产生及控制措施地,而且产生的渗滤液有可能使土地和地下水源受1.1二喂英的危害到二次污染。另外,由于医疗垃圾中含有大量的一近年来,二英类物质引起了人们的高度重视,次性塑料制品等高分子聚合物,它们依靠微生物的它是一种对人体非常有害的物质。在常温下一般呈基金项目:国家自然科学基金项目(50378062);天津市科委重大攻关项目(013109611);南开大学-天津大学联合研究院基金项目(TD200l11)TYHCNNRG万方哉第11期煤气与热力第25卷固态,极难溶于水,易溶解于脂肪,容易在生物体内置先进的自动控制系统,以促使炉内的垃圾进行稳积累,并且难以排放。它的毒性很强,其中2,3,7,8-定的焚烧。TCDD(四氯二苯并二英)是所有二隈英类化合物②从焚烧工况上控制:控制炉膛温度使其不中毒性最强的一种,其毒性是氰化钾(KCN)的1000低于850℃,延长烟气在炉膛内的停留时间,促使生倍。因此,即使在很微量的情况下长期摄取,便可引成的二飔英完全分解。增强炉膛的湍流程度,保证发癌症等顽症。二瞟英在大气环境中直接暴露,可烟气中含有体积分数为3%~6%的氧气,使垃圾在引起皮肤痤疮、头痛、失聪、忧郁、失眠、新生儿畸形炉内进行充分完全的焚烧°,减少前驱物的产生。等病症,并可能具有长期效应,如导致染色体损伤采用先进的烟气处理技术心力衰竭、内分泌失调等。a.采用喷雾吸收法或半干洗涤法快速冷却烟1.2二英的产生气,提高烟气的冷却速率,缩短烟气在处理和排放过天然产生的二英是痕量的,不会影响人的健程中处于180~400℃温度域的时间,有效地减少了康。人类活动产生的二英的数量远大于其天然产二曙英的产生7。通常将这种处理方法称为烟气生量,尤其是在城市固体垃圾焚烧过程中。据报道,急冷技术。1990年日本的二曙英年排放量(以毒性当量计)为b.活性炭与袋式除尘器联合使用79,在进入3940~8450g,其中由垃圾焚烧排放的二英毒性袋式除尘器的烟道上喷入活性炭,或者在烟囱之前当量为3100~7400g,占二英总排放量的80%设置固定或移动活性炭床,并使袋式除尘器的运行90%。在发达国家,焚烧城市生活垃圾所产生温度维持在200℃以下的二英占总生成量的95%2。由此可见,垃圾焚c采用选择性催化法10,通常在烟气处理系烧是人类活动产生二英的主要来源统的末端,在适宜的温度下,采用二氧化钛或五氧化国内外许多学者对垃圾焚烧过程中二暱英的生二钒等催化剂,吸附并分解二!英。成机理进行了深人的研究,普遍认为主要的生成途④垃圾与硫含量较高的煤混合燃烧,从源径有以下两个方面:头上抑制二曙英的产生。①前驱物的异相催化反应:不完全燃烧和飞采用热解气化法,从原理上控制二英的灰表面的不均匀催化反应生成的前驱物经过复杂的产生。有机活性催化反应生成二哪英32热解气化法处理医疗垃圾的原理②从头合成( De novo)反应:由化学结构上关于垃圾的热解技术已经有很多报道1-1,而与二暱英相关性很小的物质产生二恶英。即大分子热解气化法处理垃圾的报道较少。热解法也叫裂解碳(通常称为残碳)和飞灰中的有机氯或无机氯在法,它是指含有机可燃物的垃圾在无氧或缺氧的条低温(250~450℃)经飞灰中的催化剂(过渡金属或件下,加热到500~1000,利用热能使有机物的其氧化物)催化生成二英3-51。具体而言,在适宜化学键断裂,由大相对分子质量的有机物转化为小的温度下,飞灰颗粒中的大分子碳可以被氧化成CO相对分子质量的可燃气体、液体燃料和残碳的过程。和CO2,也可以通过裂解反应生成芳香族化合物。气化过程是对热解后的固态产物(残碳)进行再次在有机氯或无机氯存在的情况下,其中极少部分的处理,将其转变为可燃气体的过程。CO和CO2在催化剂的作用下转变成脂肪族前驱在立式固定床热解气化炉中,热解气化室内的物。如果有Al2O3的存在,脂肪族前驱物还可以生垃圾自上而下大致分为干燥层、热解层、气化层。其成芳香族前驱物;芳香族化合物发生氯代反应而生热解气化原理见图1。成芳香族前驱物。这些前驱物在过渡金属(主要是①燥层内发生的反应铜)作催化剂的条件下反应生成二堰英6。在干燥层内,医疗垃圾吸收燃烧室提供的热量3二英的控制措施后,温度逐渐升高。当升高到100℃以上,首先挥发在垃圾的热处理过程中,相关文献介绍采用以出游离态的水,然后发生有机物分子内的脱水反应,下几种方法控制二〔英。如羟基断裂生成水。随着垃圾不断被干燥,温度逐①焚烧前的控制:优化焚烧炉的结构,设渐升高,水蒸气的产生量逐渐减少。垃圾内水分的TYHCNNRG万方哉第1l期陈静,等:医疗垃圾热解气化的原理第25卷进料方H2)。反应方程式如下产气方向C+H2O(水蒸气)=CO+H2(1)C+Co2=2c0(2)干燥层这种处理方式,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,增加了可热解层燃气体的产量。二氧化碳气化层和水蒸气3热解气化法的优点3.1有效抑制二既英来自燃烧室的热量热解气化法抑制二英的途径为两点:①减少图1热解气化原理了二英前驱物的生成。②热解气化发生在还原性Fig 1 Principle of pyrolysis and gasification气氛中,垃圾中的Cu、Fe等金属不易生成促进二存在使得热解初期垃圾的升温速率减慢,从而延迟英类形成的催化剂1。对于热解气化炉而言具体热解过程的发生,并且由于水分蒸发要消耗一定的过程抑制二曙英的原理如下。热量,要消耗更多的辅助燃料来加热医疗垃圾。水①在热解气化室内分逸出以后,会在垃圾内部形成许多空隙,对后面的文献[3]指出二隈英产生的前提条件是有机氯传热传质起了重要的作用。或无机氯、氧气以及过渡金属阳离子的存在。热解②热解层内发生的反应气化过程处于还原性气氛,切断了氧源,二英的从医疗垃圾经过脱水反应后,继续吸热,当温度升头合成反应从源头上得到了控制。另外,由于没有高到200~40℃时,垃圾中有机物分子中的甲基、氧气,使得二英前驱物的生成量相对减少。在垃乙基等侧链开始断裂,分别脱去碳和氢,生成甲烷圾的焚烧过程中,在适宜的温度及催化剂的作用下,氢气以及其他碳氢化合物,如C2H6、C2H等小分子会发生许多化学反应,仅以下面4个反应(3)气体。随着温度的进一步升高,脱掉侧链的有机物(4)3、(5)~(6)3为例的主链发生断裂,生成许多小分子物质。受温度以CuCl2、FeCl3及可燃气体在炉内停留时间的影响,以上生成的化CH+hcl+0一C6H5Cl+H2O合物会再次发生二次反应,如:裂解反应、脱氢反应、(3)缩合反应、氢化反应。医疗垃圾的热解不是严格按CuCl2、FeCl3照一定的次序进行的,许多反应都是交叉进行的。C6H5 Cl +hCl+方O→CH4Cl2+热解所产生的小分子经过缩合反应又重新组合成大HO(4)分子的有机物,而这些大分子的有机物还可以经过2Cu +20,=Cu o(5)裂解再次变为小分子的有机物,所以医疗垃圾的热解是一个非常复杂的物理、化学过程。热解产生的Cu20+2HCl=2Cu +H2O+Cl2(6)气体经过冷却后,被分离成可燃气体和液态焦油由反应(3)~(6)可以看出,O2对于前驱物氯热解产生的固态物质为垃圾碳(焦炭和无机成分)。苯的形成起到了促进作用同样促使HC生成Cl2,③气化层内发生的反应增加了分子氯的排放,更利于芳香族氯代物的生成这个过程主要对热解之后的固态物质垃圾碳进但在还原性气氛中,没有O2的存在,上述4个反应行处理。传统的处理方式是将垃圾碳在燃烧室内进则难以进行,进而减少了前驱物氯苯的形成,同时弱行高温燃烧,产生髙温烟气和灰渣。热解气化工艺化了氯源。打破了传统的方法,它将热解产生的可燃气体引人研究表明,以Cu2+为代表的过渡金属阳离子和燃烧室内进行髙温燃烧,为继续热解气化提供热量。二暱英的生成具有较强的催化性能3。但在热解气同时,将燃烧后产生的一部分烟气(利用其中的化室内,医疗垃圾中的Cu、Fe等金属由于处于还原CO2)和干燥垃圾过程中逸出的水分通入垃圾碳层性的气氛而没有被氧化,这就使得从头合成反应及内,使之发生气化反应,进一步获得可燃气体(CO、前驱物的异相催化反应从催化剂这个角度得到了弱17万方哉第11期煤气与热力第25卷化。实现资源化,最明显的优势在于能够对二嘔英的生②在燃烧室内成起到抑制作用在燃烧室内进行的是热解气化产生的可燃气体的髙温燃烧过程,它为热解气化反应提供热量。在参考文献:可燃气体的燃烧过程中不具备二英生成的条件。[1]王荣光,沈天行,王万达,等.可再生能源利用与建筑前面所述的两种二堪英的生成途径都需要一定数量节能[M].北京:机械工业出版社,2004的碳源,从头合成反应中的碳源包括活性炭碳、煤]胡世萍,陆如山.二英与人类健康[J].国外医学灰、焦炭、残留碳、飞灰、烟炱等,前驱物异相催化反情报,1999,20(8):7-10应中的碳源包括脂肪族(如丙烯)单环官能团芳香[3] Tuppurainen K, Halonen, RuokojarviP,etal.omation of PCDds and PCDFs in municipal waste incinera-族(如苯甲酸、甲苯、苯酚)、氯芳香族(如氯酚、氯tion and its inhibition mechanisms a review[ J].Chem苯)。在燃烧室内进行的是小分子(CH4、CO、H2)燃osphere,199836(7):1493-1511气充分完全的气相燃烧燃烧产物中不存在未燃尽[4] Stieglitz l,vogH. On formation conditions of pcdds的碳,因此不具备生成二曙英所需的碳源。由于燃PCDF in fly ash from municipal waste incinerator[J]烧室的温度在1000℃以上,且产生的烟气的停留Chemosphere,1987,16(89):1917-1922时间在2s以上,能彻底将医疗垃圾本身所含有的5] Hagenmaier H, Kraft M, Brunner h,eta. Catalytic二愿英和来自热解气化室内的少量的前驱物彻底分effects of fly ash from waste incineration facilities on the解formation and composition of polychlorinated dibenzo-p③在烟气处理系统内dioxins and polychlorinated dibenzofurans [ J]nviron-在传统的垃圾焚烧系统中,烟气中的飞灰在焚mental Science Technology, 1987, 21(11): 10801084烧炉后燃区低温段从头合成的二瞟英是焚烧炉二曙6]孔火良,金保升吴慧芳等城市生活垃圾焚烧过程英排放的重要组成部分6。在热解气化炉的烟气中二口恶英的产生危害与控制[J].南京建筑工程学中,由于在燃烧室内进行的是热解气体的气相燃烧,院学报,2002,(2):31-37和垃圾直接焚烧相比,更易于达到充分稳定的燃烧,[7] Buekens a, Huang H. Comparative evaluation of tech-所以烟气中的飞灰以及未燃尽的碳近乎完全消失。niques for controlling the formation and emission of chlori在热解气化室内,垃圾中的Cu、Fe等金属没被氧dioxins/ furans in municipal waste incineration[J化,使得烟气中所含的催化剂(Cu2+、Fe3+)较少,因Journal of Hazardous Materials, 1998, 62(1): 1-33此有效地控制了二曙英从头合成反应的发生。[8]McKay g. Dioxin characterization, formation and mini-3.2其他优点mization during municipal solid waste(MSW)incinera热解气化法除了能有效抑制二愿英的生成以tion: review[ J]. Chemical Engineering Journal, 200286(3):343-368,还有其自身的优点9 Abad E, Caixach Rivera J. Improvements in dioxin①热解气化法制备出更多的可燃气体,可以abatement strategies at a municipal waste management作为燃料并且能够进行储存和运输。焚烧法只能以plant in Barcelona[ J]. Chemosphere, 2003, 50(9)直接或间接的形式对高温烟气中的热能加以利用。1175-1182对于焚烧法而言,为了防止不完全燃烧,燃[10] Liljelind P, Unsworth J, Maaskant0,eta. Removal of烧室内的空气系数较大。对于热解气化而言,由于dioxins and related aromatic hydrocarbons from flue gas在燃烧室内只进行燃气的扩散燃烧,反应条件比较streams by adsorptioncatalytic destruction[ J]容易控制,空气系数较小,因此大大降低了排烟量和Chemosphere,20l,42(5-7):615-623NO,的排放量,节省了烟气后处理设备的造价和运[1] Gullett bk, Dunn E,BeSK,eal. ffects of combustion parameters on polychlorinated dibenzodioxins行费用。and dibenzofuran homologue profiles from municipal4结语waste and coal co-combustion[ J]. Waste Management热解气化法处理医疗垃圾具有广阔的前景,这1998,18(6-8):473-483种处理方法不但能够实现大幅度减量化,而且能够[12]马润田,丁艳军.城市垃圾热解工艺的探讨[J].煤18万方哉第11期陈静,等:医疗垃圾热解气化的原理第25卷气与热力,2002,22(5):408-411合成二英的试验研究——氧、碳、催化剂的影响[13]王智敏,安大伟,郑非,等.城市生活有机垃圾外热式[J].中国电机工程学报,2003,23(11):178-183固定床低温热解技术[J].煤气与热力,2004,2(12):675-678作者简介:陈静(1979-),女,天津人,硕士[14]李新国,周欣,张于峰.医疗垃圾的热解焚烧法处理生,主要从事固体废弃物热解处理的研究[J].煤气与热力,2004,24(9):495-497工作。[15]王华,城市生活垃圾焚烧技术—二英零排放化电话:(022)27890131[M].北京:冶金工业出版社,2001E-maillchenjing242002@yahoo,com.cn16]陆胜勇,严建华,李晓东,等.废弃物焚烧飞灰中从头收稿日期:2005-03-22·会议报道《煤气与热力》杂志编辑委员会”2005燃气热力技术研讨会在重庆召开《煤气与热力》杂志编辑委员会’2005燃气热力技术研讨会于2005年9月22日至25日在重庆召开,会议由《煤气与热力》杂志编辑委员会、中国市政工程华北设计研究院主办,《煤气与热力》杂志社、天津水与燃气信息技术开发有限公司、港华投资有限公司协办。中国城市燃气学会领导、编委会委员、杂志主办、协办、承办单位领导、论文作者、特邀嘉宾等32人出席了会议。重庆大学刘永志教授作了题为"压缩天然气汽车项目发展20年—四川省及重庆市压编天然气产业发展回顾"的专题报告,全面地总结了四川省及重庆市发展压缩天然气汽车的成就、经验和教训。会上共交流论文14篇,与会代表进行了充分的交流和热烈的讨论,内容涉及燃气信息化建设、燃气输配与储运、天然气汽车、燃气经营管理、燃气工程建设、冷热与生活热水联供等方面,题材广泛,实用性强。论文交流结束后,《煤气与热力》杂志编辑委员会进行了公正、认真的评选,评岀一等奖9篇,二等奖5篇。会上,《煤气与热力》杂志社人员介绍了水·燃气·热力信息网。水·燃气·热力信息网(htp://wwwwatergasheat.com)由天津水与燃气信息技术开发有限公司、《中国给水排水》杂志社、《煤气与热力》杂志社联合创办,是给排水与燃气热力行业的专业信息网站,目前已开通试运行。网站包括稿件查询、杂志过刊索引在线投稿、订阋中心、广告征订、产品展示、新闻资讯、政策法规、会议展览、工程信息、人才招聘等栏目(本刊通讯员供稿)信息港华燃气推出“港华紫荆”然气具产品香港中华煤气有限公司(中华煤气)在国内的全资子公司港华投资有限公司(港华燃气集团)2005年9月15日在上海燃博会上宣布将在国内市场推出燃气具品牌“港华紫荆”,全力为国内消费者打造“一站式服务”。港华燃气的业务范围将更为广泛,从燃气供应、管网铺设、提供全面的售后服务等,拓展到燃气具销售领域,成为国内首个“能源、产品、服务一站式燃气及燃气具供应商”。“港华紫荆”是港华燃气针对国内市场推出的燃气具品牌,产品包括燃气灶具、燃气热水器和采暖两用炉等系列。全部产品除了确保符合国家各项标准以外,也借鉴了中华煤气在业内140多年来的技术和经验,均按照国际专业标准进行设计和生产。有业内人士认为,目前燃气具市场品牌众多,质量参差不齐,“港华紫荆”的上市,在國内几个实力品牌中又增添一员,有望推动燃气具市场的整合,带动行业标准的提升。(本刊通讯员供稿)19TYHCNNRG万方哉