韓俊淑，吳麗華，張文昌，王　政

一種車載醫(yī)療垃圾熱解爐設(shè)計(jì)

韓俊淑，吳麗華，張文昌，王政

目的：設(shè)計(jì)一種日處理量不小于1 t的車載醫(yī)療垃圾熱解爐，用于醫(yī)療垃圾的無害化處理。方法：通過對熱解原理的深入研究和詳細(xì)的計(jì)算分析，并綜合考慮試驗(yàn)結(jié)果及其他各種因素的影響進(jìn)行爐體設(shè)計(jì)，并采用3T（time, temperatme,turbulence）原則設(shè)計(jì)該熱解爐的煙氣處理系統(tǒng)。結(jié)果：設(shè)計(jì)的車載醫(yī)療垃圾熱解爐結(jié)構(gòu)合理、工作可靠、自持能力強(qiáng)，二噁英排放為0.213 ng/m3。結(jié)論：設(shè)計(jì)的車載醫(yī)療垃圾熱解爐具有安全環(huán)保等優(yōu)勢，具有廣闊的應(yīng)用前景。

醫(yī)療垃圾；熱解；二噁英

0　引言

醫(yī)療垃圾因其具有高污染、高致病性，且可能含有大量的病毒病菌、針頭銳器、化學(xué)污染物等，因而具有高危險(xiǎn)性[1]。醫(yī)療垃圾處理已成為世界各國關(guān)注的焦點(diǎn)。目前流行的醫(yī)療垃圾處理方法包括垃圾焚燒法、衛(wèi)生填埋法、高溫滅菌法等[2]。但是，焚燒法產(chǎn)生的氣味和煙塵至今仍是一個(gè)亟待解決的難題，尤其焚燒過程中可能產(chǎn)生二噁英，對環(huán)境造成二次污染；衛(wèi)生填埋法可能會因?yàn)橄咎幚聿粡氐锥鴮μ盥駡龅拇髿?、土壤及地下和地表水體造成污染，從而對填埋場周圍居住的人群和牲畜等形成潛在危害。因此，本文提出采用熱解來實(shí)現(xiàn)醫(yī)療垃圾無害化、減量化和資源化處理，并進(jìn)行了小型熱解爐的設(shè)計(jì)，使該方法得到了實(shí)際應(yīng)用，且達(dá)到了很好的效果。

1　熱解原理

垃圾的高溫?zé)峤夥ㄒ卜Q裂解法，即在無氧或缺氧條件下，把有機(jī)垃圾加熱到500～1 000℃，利用熱能使化合鍵斷裂，將有機(jī)物轉(zhuǎn)化成可燃?xì)怏w、液體燃料或焦炭的過程[3]。通常可以將熱解爐的熱解室分為干燥區(qū)、熱解區(qū)和氣化區(qū)。熱解反應(yīng)模型如圖1所示。

2　熱解爐設(shè)計(jì)

熱解爐主要由進(jìn)料系統(tǒng)、熱解系統(tǒng)、除渣系統(tǒng)和煙氣凈化系統(tǒng)構(gòu)成。熱解系統(tǒng)主要指熱解爐爐體，本文重點(diǎn)介紹熱解爐爐體的設(shè)計(jì)。熱解爐爐體主要包括燃燒室、熱解室、反應(yīng)室和熔融室，燃燒室為進(jìn)入熱解室的醫(yī)療垃圾提供熱能使其熱解。經(jīng)熱解的醫(yī)療垃圾殘余部分（含未被完全熱解的部分和熱解后的殘?jiān)┻M(jìn)入反應(yīng)室繼續(xù)進(jìn)行二次反應(yīng)，之后剩余殘?jiān)M(jìn)入熔融室進(jìn)一步反應(yīng)處理后被排出。熱解得到的可燃?xì)怏w經(jīng)引導(dǎo)進(jìn)入燃燒室燃燒，為熱解提供能量。

2.1熱解溫度確定

實(shí)驗(yàn)研究表明：從100℃開始醫(yī)療垃圾開始熱解，到800℃時(shí)，藥品類分解80%，塑料導(dǎo)尿管等分解85%，蛋白質(zhì)類分解90%，其他試樣均分解95%以上[4]。在其他條件相同的情況下，隨著熱解溫度的升高，熱解所用時(shí)間縮短，并在一定的溫度區(qū)域內(nèi)成線性關(guān)系。生成燃?xì)怏w積隨熱解溫度的上升而增加，至850℃趨于平穩(wěn)，這說明產(chǎn)氣量的最佳反應(yīng)溫度為800～900℃。由此可知，熱解爐設(shè)計(jì)熱解溫度不應(yīng)低于800℃。

借鑒前人經(jīng)驗(yàn)并綜合多種因素考慮，本設(shè)計(jì)將熱解溫度定為1 000℃。在這個(gè)溫度下，各種病菌將被消滅，同時(shí)熱解得到的可燃?xì)怏w也可以供給熱解系統(tǒng)能量所需，無需外界輔助燃料。

圖1　爐內(nèi)垃圾熱解反應(yīng)模型

2.2熱解爐熱解室容積驗(yàn)證

根據(jù)需求方的醫(yī)療垃圾產(chǎn)量、空間以及質(zhì)量等實(shí)際情況需求，按照之前所述的原理進(jìn)行小型熱解爐的設(shè)計(jì)。在保障其工藝要求和功能不變的情況下，確定熱解爐的容積為0.4 m3，保證單次上料不小于100 kg，同時(shí)實(shí)現(xiàn)每晝夜1 t的醫(yī)療垃圾處理能力。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)[5]，熱解100 kg醫(yī)療垃圾需要6.6× 104kal（1 kal=4.1868 J）熱能才可將其完全炭化。100 kg垃圾炭化后的殘?zhí)繛?2～15 kg，1 kg炭可產(chǎn)燃?xì)饧s2 m3（理論值是4 m3），其熱值為2 000 kal/m3；100 kg醫(yī)療垃圾熱解直接揮發(fā)可燃?xì)鉃?2～15 m3，其熱值為3 500～5 000 kal/m3。經(jīng)計(jì)算可知，100 kg垃圾熱解所產(chǎn)出的熱能足以供應(yīng)同等質(zhì)量的垃圾熱解。于是，確定熱解室容積0.4 m3可行。

2.3二噁英控制措施

二噁英的控制是衡量醫(yī)療垃圾處理技術(shù)成功與否一個(gè)非常重要的指標(biāo)。國內(nèi)外研究和實(shí)踐均表明，減少危險(xiǎn)廢物焚燒煙氣中二噁英濃度的主要方法是控制其形成，目前對二噁英的控制主要從控制來源、減少爐內(nèi)形成、避免爐外低溫區(qū)再合成等方面著手。有研究表明，二噁英在爐內(nèi)溫度900℃左右，煙氣含量7%～9%時(shí)產(chǎn)生量最少。溫度或煙氣不在該范圍內(nèi)時(shí)，隨偏離程度的增加，二噁英的產(chǎn)生量也隨之增加。

本文在進(jìn)行熱解爐設(shè)計(jì)時(shí)，借鑒了國內(nèi)外研究的經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合制作工藝、材料等諸多因素，設(shè)計(jì)了爐體結(jié)構(gòu)。

（1）設(shè)計(jì)原則：采用3T（time，temperature，turbulence）原則控制二噁英的產(chǎn)生，控制爐內(nèi)溫度在1 000℃以上，使燃燒后的廢氣在爐內(nèi)滯留2 s以上，并使空氣和可燃?xì)怏w通過二次渦流的方式充分?jǐn)嚢?，從而?shí)現(xiàn)充分燃燒，防止二噁英二次合成。

（2）具體措施：

①在熱解爐內(nèi)設(shè)置足夠長的盤管，盤管的長度和容量能保證煙氣在850℃高溫區(qū)停留2 s以上，使二噁英完全分解，并防止二次合成。

②快速冷卻煙氣，采用曝氣急冷方式使煙氣快速冷卻，盡量縮短煙氣處于180～400℃溫度范圍的時(shí)間。文中設(shè)計(jì)時(shí)要求保證煙氣在1 s內(nèi)降至200℃以下，這樣可以有效減少二噁英產(chǎn)生。

③熱解爐結(jié)構(gòu)亦可以控制二噁英生成。有機(jī)氯或無機(jī)氯、氧氣以及過渡金屬陽離子（主要以Cu2+、Fe2+為代表）是二噁英產(chǎn)生的前提條件，但熱解氣化過程處于還原性氣氛中，切斷了氧源，使得醫(yī)療垃圾中的Cu、Fe等金屬沒有被氧化，可以使二噁英的生成從源頭上得到了控制。

2.4煙氣處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

煙氣處理系統(tǒng)分為煙氣升溫和急冷2個(gè)部分，包括水箱、燃?xì)怙L(fēng)機(jī)、盤管、急冷水泵、噴淋水泵和煙囪。水箱分為急冷和噴淋2個(gè)部分，通過隔板分隔為獨(dú)立的噴淋段和急冷段；盤管位于熱解爐燃燒室內(nèi)，煙氣通過引風(fēng)機(jī)進(jìn)入盤管。

煙氣處理的流程是：煙氣→噴淋水箱→盤管→急冷水箱→煙囪排出。其中，應(yīng)保證煙氣在盤管內(nèi)停留2 s以上，且彼時(shí)盤管內(nèi)煙氣的溫度應(yīng)控制在850℃以上。

燃燒室排出的煙氣首先進(jìn)入噴淋水箱噴淋冷卻，然后煙氣通過引風(fēng)機(jī)引入盤管，盤管在燃燒室內(nèi)升溫至850℃并保持2 s后，排出至急冷水箱，煙氣在水下進(jìn)行急冷，最后由頂部的煙囪排至大氣中。

3　試驗(yàn)與驗(yàn)證

按照上述介紹的設(shè)計(jì)方案，本文進(jìn)行了熱解爐的工程設(shè)計(jì)。熱解爐包括熱解爐爐體、煙氣處理系統(tǒng)、熱解控制系統(tǒng)及其他附屬部件等幾個(gè)部分。為了檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)的熱解爐性能，本文重點(diǎn)開展了熱解爐煙氣排放試驗(yàn)。這是因?yàn)樗苯雨P(guān)系到熱解爐設(shè)計(jì)的成敗，如原理是否可行、裝置是否可用、對環(huán)境是否有影響。

3.1試驗(yàn)樣品

試驗(yàn)樣品為某三級甲等綜合醫(yī)院的醫(yī)療垃圾，包括：（1）一次性注射器等塑料用品[6]；（2）手術(shù)產(chǎn)生的垃圾[7]：如手術(shù)切除的器官等，手術(shù)敷料如紗布、繃帶、棉球、一次性手術(shù)衣巾單等用品；（3）臨床檢驗(yàn)的標(biāo)本：如血、尿、糞及各種組織培養(yǎng)物等[8]；（4）實(shí)驗(yàn)藥品及動物尸體等。需要指出的是，本研究過程中并未對實(shí)驗(yàn)所用垃圾進(jìn)行嚴(yán)格分類，而是直接將已打包入專用色醫(yī)用垃圾袋的垃圾放入熱解爐內(nèi)熱解。對各科室的垃圾產(chǎn)量及種類進(jìn)行了粗略統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如下：一次性輸液器等塑料制品約占50%，用過的敷料等棉織物等約占14%，手術(shù)垃圾約占2.5%，檢驗(yàn)標(biāo)本約占3%，其余如一次性金屬器械及玻璃瓶等約占30%。

3.2試驗(yàn)方法及結(jié)果

系統(tǒng)煙氣排放試驗(yàn)是為了驗(yàn)證熱解爐的煙氣排

（????）（????）放是否達(dá)到GB 16297—1996《中華人民共和國大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》[9]和GB 18484—2001《危險(xiǎn)廢物焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》[10]的排放要求，尤其是二噁英，排放質(zhì)量濃度應(yīng)小于0.5 TEQ ng/m3。試驗(yàn)方法參考HJ-77.2 2008《環(huán)境空氣和廢氣二噁英類的測定同位素稀釋高分辨氣相色譜-高分辨質(zhì)譜法》。試驗(yàn)實(shí)施方為中國檢驗(yàn)檢疫科學(xué)院綜合檢測中心。檢測內(nèi)容為熱解爐所排放的煙氣。試驗(yàn)通過3次采樣，取平均值的方式進(jìn)行。具體操作程序?yàn)椋洪g隔1 h采樣一次，采樣量0.5 m3，并依據(jù)文獻(xiàn)[11]所描述的方法檢測。試驗(yàn)結(jié)果：煙氣中二噁英類物質(zhì)的含量為0.213 TEQ ng/m3＜0.5 TEQ ng/m3，符合國家排放要求。

4　結(jié)論

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，采用高溫?zé)峤夥ㄟM(jìn)行醫(yī)療垃圾處理行之有效。該方法具有安全環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)醫(yī)療垃圾的無害化、減量化和資源化處理。車載化醫(yī)療垃圾熱解爐的成功研制對于偏遠(yuǎn)地區(qū)醫(yī)療垃圾的無害化處理具有非常重要的意義，具有很好的應(yīng)用前景。

[1]中華人民共和國衛(wèi)生部.醫(yī)療衛(wèi)生機(jī)構(gòu)醫(yī)療廢物管理辦法[S]. 2003.

[2]丁健.醫(yī)療固體廢棄物無害化焚燒處理研究[J].中國環(huán)保產(chǎn)業(yè)，2004，2（S1）:71-73.

[4]李新國，周欣，張于峰.醫(yī)療垃圾的熱解焚燒法處理[J].煤氣與熱力，2004，24（9）:495-497.

[4]鄧娜，張于峰，牛寶聯(lián)，等.醫(yī)療廢物典型組分的熱重分析及新的動力學(xué)模型[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2005，25（11）:1 484-1 490.

[5]李東紅，馮濤，祁國恕，等.城市醫(yī)療垃圾熱解焚燒技術(shù)研究[J].環(huán)境衛(wèi)生工程，2001，9（3）:109-111.

[6]張桂婷，楊靜，魏玉萍.一次性醫(yī)用針頭使用后的處理[J].山東醫(yī)藥，2007，47（14）:38.

[7]陳翔.手術(shù)室醫(yī)療廢物管理的探討[J].現(xiàn)代護(hù)理，2005，11（13）: 1 061-1 062.

[8]丁新梅.檢驗(yàn)科醫(yī)用垃圾的處理[J].中華醫(yī)院感染學(xué)雜志，2005，15（6）:687.

[9]GB 16297—1996中華人民共和國大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)[S]. [10]GB 18484—2001危險(xiǎn)廢物焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)[S].

[11]HJ-77.22008環(huán)境空氣和廢氣二噁英類的測定同位素稀釋高分辨氣相色譜-高分辨質(zhì)譜法[S].

（收稿:2015-02-15修回:2015-04-10）

Design of on-board medical waste pyrolysis furnace

HAN Jun-shu,WU Li-hua,ZHANG Wen-chang,WANG Zheng
(Institute of Medical Equipment,Academy of Military and Medical Sciences,Tianjin 300161,China)

Objective To design an on-vehicle medical waste pyrolysis furnace for the safe disposal of medical wastes, which could disposal 1t wastes each day.Methods A furnace was designed by in-depth research of pyrolysis,calculation analysis in detail,and taking the experimental results and other factors in.The flue gas treatment system of this medical waste pyrolysis furnace was designed through 3T principle.Results This furnace behaved well in configuration,reliability and self support,whose dioxin emission was limited as 0.213 ng/m3.Conclusion The on-vehicle medical waste pyrolysis furnace gains advantages in safety and environment protection,and has a brilliant future in practice.[Chinese Medical E-quipment Journal，2015，36（5）：102-103，129]

medical waste;pyrolysis;dioxin

[中國圖書資料分類號]R318；R197.38A

1003-8868（2015）05-0102-03

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.05.102

總后衛(wèi)生部“十一五”重大項(xiàng)目子項(xiàng)目（06D002）

韓俊淑（1979—），女，助理研究員，主要從事衛(wèi)生裝備新技術(shù)、新裝備的研究工作，E-mail:wlh307@163.com。

300161天津，軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院衛(wèi)生裝備研究所（韓俊淑，吳麗華，張文昌，王政）

王政，E-mail:wz800801@live.cn