50 t/d 醫(yī)療廢物焚燒處理系統(tǒng)設(shè)計與工程實踐

高 波，張 磊，郭修智，張淑玲

（中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司，天津 300074）

1 工程背景概述

醫(yī)療廢物含有大量的病毒、細菌，對人體健康及生態(tài)環(huán)境具有極大的危害性，在《國家危險廢物名錄》中被明確列為危險廢物［1］。對醫(yī)療廢物的處理方法有高溫蒸汽處理法、微波消毒法、化學(xué)消毒法、等離子處理法、焚燒法等，其中以焚燒法和高溫蒸汽處理法的應(yīng)用最為廣泛。根據(jù)HJ/T 276—2006 醫(yī)療廢物高溫蒸汽集中處理工程技術(shù)規(guī)范（試行） 規(guī)定，醫(yī)療廢物高溫蒸汽集中處理規(guī)模適宜在10 t/d 以下。而焚燒法具備無害化徹底、減量化突出、適應(yīng)性廣、殘渣性能穩(wěn)定等特點，且不受規(guī)模限制，被國內(nèi)外普遍采用［2］。我國近年來先后頒布了GB 18484—2001 危險廢物焚燒污染控制標準及其征求意見稿、二次征求意見稿和GB 19218—2003 醫(yī)療廢物焚燒爐技術(shù)要求（試行），對醫(yī)療廢物焚燒處置的設(shè)備和排放污染物作出了規(guī)定，進一步使醫(yī)療廢物焚燒處置規(guī)范化。目前我國許多城市已建成醫(yī)療廢物集中處置設(shè)施，如沈陽、天津、上海、北京、廣州、蘇州、杭州、福州等，大都運行良好，并在當?shù)厝〉昧溯^好的環(huán)保效應(yīng)。

本研究對青島市某醫(yī)療廢物處置中心的1 套50 t/d（單條焚燒線） 焚燒處理系統(tǒng)的工藝設(shè)計和運行效果進行了詳細介紹，以期為同類型項目提供借鑒和參考。

2 工藝流程與設(shè)計參數(shù)

醫(yī)療廢物是一種含有大量病原菌及有毒物質(zhì)的特殊廢物，同時醫(yī)療廢物熱值比生活垃圾大，其含水率變化也較大，最高達70%［3］。醫(yī)療廢物由多種有機物和無機物組成，物理、化學(xué)性質(zhì)極其復(fù)雜，醫(yī)療廢物中的有機可燃成分含量越高，含水率越低，則熱值越高，越有利于焚燒處理。對本項目醫(yī)療廢物的成分進行實測分析見表1，其含水率較低為21.0%，低位熱值為20 920 kJ/kg，有利于焚燒處理。

表1 醫(yī)療廢物成分及熱值

2.1 工藝流程

依據(jù)青島市當前醫(yī)療廢物處置量和未來發(fā)展規(guī)劃，確定醫(yī)療廢物處理規(guī)模為50 t/d。工藝流程見圖1。整套工藝流程按照工藝段可分為：自動上料系統(tǒng)、焚燒系統(tǒng)、余熱利用系統(tǒng)、煙氣處理系統(tǒng)及配套附屬設(shè)施（灰渣處理和污水處理）。與目前國家公布的GB 18484—2001 （二次征求意見稿） 和《醫(yī)療廢物處理處置污染控制標準》（征求意見稿） 中的技術(shù)要求和排放要求進行比照，本項目在工藝流程設(shè)計和后期實際運行排放指標方面均滿足上述兩項標準征求意見稿的要求，印證了工藝設(shè)計的合理性和前瞻性。設(shè)計上采用自動化上料系統(tǒng)，實現(xiàn)了醫(yī)療廢物的自動上料和進料，周轉(zhuǎn)箱的自動返回、清洗消毒和烘干等功能；針對煙氣中二氧化硫、氮氧化物及顆粒物排放，需滿足DB 37/2376—2013 山東省區(qū)域性大氣污染物綜合排放標準，對煙氣處理系統(tǒng)采用干法和濕法聯(lián)合脫酸、SNCR 和SCR 聯(lián)合脫硝、袋式和濕電聯(lián)合除塵的組合工藝，進一步提高了煙氣的處理效果并最終實現(xiàn)達標排放。

圖1 工藝流程示意

2.1.1 自動上料系統(tǒng)

收集的醫(yī)療廢物周轉(zhuǎn)箱進入自動上料系統(tǒng)后通過提升裝置進入醫(yī)廢焚燒系統(tǒng)主廠房3 層平臺，經(jīng)過滑軌送至焚燒爐料斗前，通過提升翻桶裝置將周轉(zhuǎn)箱內(nèi)醫(yī)療廢物倒入料斗中。提升通道采用密閉負壓設(shè)計，有效避免廢氣和病毒外泄。卸料后的空箱自動返回，在滑軌上依次經(jīng)過清洗、消毒、烘干后返回至一層空桶周轉(zhuǎn)區(qū)域，再跟隨醫(yī)廢車返回至醫(yī)院或產(chǎn)廢機構(gòu)。如不能立即進行焚燒處理（如焚燒爐停爐檢修期間），則將醫(yī)療廢物卸至冷庫中貯存，冷庫設(shè)計滿足≤72 h 的醫(yī)療廢物存放量。

2.1.2 焚燒系統(tǒng)

焚燒系統(tǒng)包括焚燒爐及其附屬的助燃、除灰等設(shè)施，焚燒系統(tǒng)的關(guān)鍵是焚燒爐。在醫(yī)療廢物處理中，常用的是回轉(zhuǎn)窯焚燒爐和熱解焚燒爐。根據(jù)《危險廢物和醫(yī)療廢物處置設(shè)施建設(shè)項目復(fù)核大綱》（試行） 的規(guī)定，醫(yī)療廢物焚燒爐型選擇時，單臺處理能力在10 t/d 以上的焚燒爐優(yōu)先采用回轉(zhuǎn)窯焚燒爐，鼓勵采用連續(xù)熱解焚燒爐。而結(jié)合本項目實際用地及技術(shù)條件，焚燒爐型選擇順流式回轉(zhuǎn)窯焚燒爐。醫(yī)療廢物在窯內(nèi)預(yù)熱、燃燒以及燃盡階段較為明顯，進料、進風及輔助燃燒器的布置簡便，操作維護方便，有利于廢物的進料及前置處理，同時煙氣停留時間較長［3］。

1） 回轉(zhuǎn)窯：醫(yī)療廢物在回轉(zhuǎn)窯（一燃室） 內(nèi)經(jīng)過60 min（45～75 min） 左右850 ℃的高溫焚燒，物料中的可揮發(fā)分被徹底焚燒成高溫煙氣，同時產(chǎn)生灰渣，渣層保持約50 mm 厚，可以起到保護耐火層的作用，焚燒灰渣從窯尾進入水封刮板出渣機，高溫煙氣從窯尾進入二燃室。在二燃室下部設(shè)置二次風和燃料燃燒器，保證煙氣有足夠的擾動，使殘余物料充分燃盡。

2） 二燃室：二燃室煙氣溫度達到1 100 ℃以上，使得回轉(zhuǎn)窯內(nèi)沒有完全燃燒的氣體在二燃室內(nèi)得到充分燃燒，煙氣中的二噁英和其他有害成分99.99%以上被分解掉。

3） 輔助燃料：在焚燒爐啟爐、進爐物料熱值低于20 920 kJ/kg 以及二燃室溫度達不到1 100 ℃時，使用輔助燃料（天然氣） 助燃加溫。通過檢測一燃室和二燃室爐溫及爐膛出口煙氣含氧量，調(diào)節(jié)輔助燃料用量。

4） 緊急排放煙囪：二燃室頂部設(shè)置有緊急排放防爆門，用于緊急釋放爐內(nèi)壓力、溫度。當爐內(nèi)壓力超出正常范圍，或發(fā)生如停電、停水等緊急停爐情況時，防爆門自動將煙氣由二燃室頂部排到大氣中，泄壓后自動關(guān)閉。

2.1.3 余熱利用系統(tǒng)

焚燒過程中會產(chǎn)生大量高溫煙氣，對其熱能回收利用可以降低能源消耗，提高經(jīng)濟效益。同時，降低尾氣溫度也可使煙氣溫度滿足后續(xù)階段煙氣處理要求［4］。系統(tǒng)設(shè)置1 套余熱蒸汽鍋爐，采用閉式循環(huán)，除氧軟化水經(jīng)鍋爐煙氣加熱，產(chǎn)生的蒸汽供廠內(nèi)使用，換熱后的煙氣則進入煙氣凈化系統(tǒng)。

2.1.4 煙氣凈化系統(tǒng)

余熱鍋爐出口煙氣中含一定量的粉塵、有毒氣體（一氧化碳、氮氧化物、二氧化硫、氯化氫等）、二噁英類物質(zhì)及重金屬汞、鎘、鉛等，必須對煙氣進行凈化處理［5］。煙氣凈化工藝采用SNCR脫硝→急冷塔→干式除酸+活性炭噴射→袋式除塵→濕法脫酸→濕式電除塵→SCR 脫硝組合工藝，以達到DB 37/2376—2013 對煙塵、二氧化硫和氮氧化物的要求。

1） SNCR（非催化還原脫硝）：在余熱鍋爐第一爐膛下部噴入氨水溶液去除氮氧化物。二燃室出口氮氧化物本底濃度一般為500～600 mg/m3，通過SNCR可降至200～300 mg/m3，脫硝效率為40%～50%。

2） 急冷塔：余熱鍋爐出來的550 ℃煙氣從上部進入急冷塔，從急冷塔下部向上噴入的自來水（或中水） 與煙氣進行逆流換熱，將煙氣溫度在0.6～0.8 s 內(nèi)降為195 ℃，有效抑制二噁英的再生成［6］。換熱后水分全部蒸發(fā)，進入煙氣中。

3） 干式脫酸：在急冷塔和袋式除塵器之間設(shè)置了小蘇打和活性炭噴入裝置，有效去除酸性物質(zhì)，吸附重金屬、二噁英等有害物質(zhì)。

4） 袋式除塵器：煙氣通過袋式除塵器對附著重金屬的煙塵和活性炭進行收集，使顆粒物的粉塵濃度降至20 mg/m3以下，重金屬去除效率達90%以上。

5） 濕法脫酸塔：濕法脫酸塔中噴入濃度為30%的NaOH 溶液，稀堿液循環(huán)噴淋去除前段未完全去除的酸性和有害物質(zhì)。噴淋水自上而下流經(jīng)填料，在填料表面形成水膜，上升的煙氣流經(jīng)時與水膜充分接觸，達到中和目的［7］。堿液經(jīng)反復(fù)循環(huán)噴淋后，噴淋液中鹽分增高，需定期排出送往污水處理站。

6） 濕式電除塵：脫酸后的煙氣通過煙道進入濕式電除塵器的下部，煙氣在濕式電除塵器中垂直向上流動，在此過程中煙氣中的顆粒物、霧滴經(jīng)荷電后收集在陰陽極，并跟隨水膜流動至濕式電除塵器下部收集斗，最終送至污水處理站。

7） SCR（選擇性催化還原脫硝）［8］：煙氣經(jīng)加熱器升溫至140℃，再通過天然氣加熱升溫至230℃以上，在SCR 反應(yīng)器中噴入氨水進一步脫除氮氧化物，使其濃度降到100 mg/m3以下。

經(jīng)過上述組合煙氣凈化工藝，使煙氣達到排放標準后，由引風機通過煙囪排入大氣，煙囪高50 m。

2.1.5 灰渣處理系統(tǒng)

醫(yī)療廢物焚燒后產(chǎn)生的殘渣和飛灰約2 737 t/a。大部分殘渣由回轉(zhuǎn)窯尾部的灰室排出，少量灰渣由二燃室底部卸料閘板排出，灰渣經(jīng)過濕式出渣系統(tǒng)由鏈式出渣機連續(xù)排出至料槽內(nèi)。由余熱鍋爐下部排出的少量飛灰，經(jīng)輸送機落入專用料槽內(nèi)；袋式除塵器底部的飛灰經(jīng)螺旋輸送機落入專用灰箱。最終，殘渣和飛灰送到固化車間進行穩(wěn)定化/固化處理，固化后灰渣經(jīng)檢測符合填埋場入場標準后進行填埋處理。

2.1.6 污水處理系統(tǒng)

焚燒處理工藝產(chǎn)生的廢水統(tǒng)一送入污水處理站進行處理。周轉(zhuǎn)箱清洗產(chǎn)生的洗桶廢水COD 含量較高，采用MBR 一體化集成設(shè)備，處理規(guī)模20 m3/d。焚燒工藝產(chǎn)水的污水含鹽量高達50 000 mg/L，采用三效蒸發(fā)系統(tǒng)，處理規(guī)模100 m3/d，三效蒸發(fā)系統(tǒng)處理后殘留物送固化車間處理，蒸發(fā)后冷凝液外排市政管網(wǎng)。

2.2 主要設(shè)備設(shè)計參數(shù)

1） 回轉(zhuǎn)窯：尺寸（Φ×L）3 800 mm×14 000 mm，材質(zhì)Q235B，轉(zhuǎn)速0.2～1.0 r/min，斜度2°；物料停留時間≥1 h，操作溫度750～850 ℃，操作壓力-98.067～-196.133 Pa；燃燒器帶二次風夾套、霧化壓力8 kPa、材質(zhì)AISI 304；爐渣熱灼減率＜5%。

2） 二燃室：尺寸（Φ×L）為5 200 mm×18 000 mm，材質(zhì)Q235B；操作溫度1 100～1250 ℃，操作壓力-98.067～-196.133 Pa，出口煙氣量35 103 m3/h，出口煙氣氧含量6%～10%，停留時間≥2 s，爐渣熱灼減率＜5%，燃燒器Q=40～450 m3/h（天然氣），焚燒效率≥99.9%；緊急排放防爆門設(shè)計開啟壓力300 Pa。

3） 助燃空氣風機：一次風機Q=17 210 m3/h，P=3 200 Pa，變頻調(diào)速；二次風機Q=9 610 m3/h，P=4 600 Pa，變頻調(diào)速；冷卻風機Q=6 200 m3/h，P=3 000 Pa。

4） 余熱鍋爐：工作壓力1.6 MPa，飽和蒸汽溫度201 ℃，給水溫度104 ℃，出口冷凝水溫度＜95 ℃，蒸汽量8.2 t/h，鍋爐出口煙氣溫度500～550 ℃。

5） SNCR 脫硝設(shè)備：氨水罐30 m3，材質(zhì)304；氨水霧化泵（漩渦泵） Q=0.8 m3/h，H=70 m；氨水霧化噴槍Q=0～1 000 kg/h。

6） 急冷塔：外形尺寸（Φ×L）為4 500 mm×12 000 mm，外殼碳鋼，內(nèi)涂耐火耐腐蝕膠泥，急冷水泵Q=10 m3/h，H=90 m，變頻調(diào)節(jié)；煙氣滯留時間＜1 s，出口煙氣溫度＜200 ℃。

7） 干法脫酸塔：尺寸（Φ×L）為2 000 mm×10 500 mm，材質(zhì)Q235B；活性炭加注給料量0～10 kg/h，小蘇打加注給料量0～60 kg/h；空氣加熱器氣體流量200 m3/h，加熱溫度0～40 ℃；羅茨風機風量200 m3/h，風壓70 kPa。

8） 袋式除塵器：過濾面積為1 728 m2；袋式材料為耐溫280 ℃的催化濾袋（ePTFE 與催化基料覆合）。

9） 濕法脫酸塔：一級脫酸塔尺寸（Φ×L） 為3 000 mm×12 500 mm，二級脫酸塔尺寸（Φ×L）為3 000 mm×16 000 mm；堿液罐容積30 m3，脫酸泵Q=130 m3/h，H=40 m，材質(zhì)SS2205。

10） 濕式電除塵器：處理煙氣量33 453 m3/h，出口含塵量≤10 mg/m3，過濾風速＜1 m/min。

11） SCR 脫硝設(shè)備：包括噴氨格柵、含催化劑的SCR 反應(yīng)器等；GGH 換熱器熱側(cè)240 ℃降至160 ℃，冷側(cè)130 ℃升至210 ℃。

3 運行效果分析

項目于2019 年12 月31 日起正式運行，運行初期根據(jù)實際收運情況，每日處理醫(yī)療廢物40 t左右。依據(jù)環(huán)評要求，以GB 18484—2001（征求意見稿） 和DB 37/2376—2013 兩項標準中更嚴格限值作為本項目排放標準，其中二噁英類執(zhí)行歐盟2010/75/EC 標準。項目設(shè)置了煙氣在線監(jiān)測系統(tǒng)（CEMS），實時監(jiān)測各主要煙氣排放污染物；并委托有資質(zhì)的第三方對煙氣中重金屬類污染物和二噁英進行了監(jiān)測，二噁英采樣要求按HJ/T 365—2007 危險廢物（含醫(yī)療廢物） 焚燒處置設(shè)施二噁英排放監(jiān)測技術(shù)規(guī)范的有關(guān)規(guī)定執(zhí)行。監(jiān)測數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 醫(yī)療廢物焚燒煙氣污染物排放值

4 成本經(jīng)濟分析

根據(jù)項目近半年的運行情況，各種物料的實際消耗量為：天然氣65 m3/h，水16.3 m3/h，活性炭5 kg/h，小蘇打60 kg/h， NaOH（30%） 780 kg/h，氨水溶液（10%） 100 kg/h，鍋爐加藥（磷酸三鈉）0.083 kg/h；經(jīng)核算，項目實際運行成本為1 000～1 100 元/t。

5 工藝設(shè)計探討

本項目工藝設(shè)計與我國其他傳統(tǒng)的醫(yī)療廢物焚燒工藝相比，不同之處主要體現(xiàn)在醫(yī)療廢物上料方式和煙氣凈化工藝兩個方面。

5.1 醫(yī)療廢物上料方式

由于我國大部分醫(yī)療廢物處置廠設(shè)計較早，在醫(yī)療廢物上料和空桶清洗工段設(shè)計中較多采用人工方式，操作人員難免會有接觸到感染性醫(yī)療廢物的風險。為盡量避免操作人員接觸醫(yī)療廢物并提升工作效率，本項目在醫(yī)療廢物的上料和空桶清洗消毒上采用了高度自動化的輸送→上料→焚燒進料→空桶返回→清洗→消毒→烘干→暫存一體化系統(tǒng)，醫(yī)療廢物送至卸料區(qū)后，操作人員僅需將醫(yī)療廢物箱推送至系統(tǒng)水平滑軌處，系統(tǒng)自動將醫(yī)療廢物箱水平輸送至投料機處，投到焚燒系統(tǒng)料斗入口，回收空桶，并設(shè)計稱量系統(tǒng)，可以自動收集投料的質(zhì)量。投完料的空桶再通過輸送系統(tǒng)返回醫(yī)療廢物暫存庫空桶清洗區(qū)，進行自動化清洗- 消毒- 疊箱- 暫存作業(yè)，最后輸送至裝箱處等待裝車。通過整個系統(tǒng)串聯(lián)流水化作業(yè)模式，實現(xiàn)處理過程周轉(zhuǎn)箱不落地，人工和勞動力消耗小，安排巡視員工即可。

目前，上述技術(shù)已相當成熟，但在我國醫(yī)療廢物處置廠應(yīng)用較少，一方面由于早期設(shè)計未考慮，另一方面其投資和成本相對較高。而從新冠疫情給我們的警示來看，降低操作人員的感染率并提高生產(chǎn)效率應(yīng)是醫(yī)療廢物處置廠需要更加重視的問題，因此，建議今后在新建和改擴建的醫(yī)療廢物處置廠設(shè)計中采用全自動上料和清洗消毒系統(tǒng)。

5.2 煙氣凈化工藝

我國醫(yī)療廢物常用的焚燒煙氣凈化一般采用急冷塔（或急冷脫酸一體化，噴堿液） →干式除酸（石灰） +活性炭噴射→袋式除塵的組合工藝，從多年的運行情況來看，可以滿足GB 18484—2001 的煙氣排放限值要求，工藝鏈較短，運行成本較低。

而本項目采用了較復(fù)雜的SNCR 脫硝→急冷塔→干式除酸（小蘇打） +活性炭噴射→袋式除塵（催化濾袋） →濕法脫酸→濕式電除塵→SCR 脫硝的煙氣凈化組合工藝，對比上述一般的煙氣凈化工藝增加了SNCR、濕法脫酸、濕式電除塵和SCR工段，同時干法脫酸劑采用小蘇打，布袋除塵器采用催化濾袋。從實際運行效果看，煙氣排放指標遠優(yōu)于我國一般項目，完全滿足GB 18484—2001 二次征求意見稿中的標準限值，但同時也增加了運行成本，不過本項目的醫(yī)廢處置收費標準為3.9 元/床位，大多數(shù)企業(yè)是可以承受的。

采用上述相對復(fù)雜的煙氣凈化組合工藝，主要是基于以下兩方面考慮：一是項目所處地煙氣排放要滿足DB 37/2376—2013 對煙塵、二氧化硫和氮氧化物的要求，尤其是氮氧化物，限值為100 mg/m3。由于本項目采用回轉(zhuǎn)窯，相比熱解爐過量空氣系數(shù)要大得多，因此采用SNCR 和SCR 聯(lián)合脫硝工藝；二是在本項目設(shè)計之時，GB 18484—2001 的征求意見稿已發(fā)布，但期間一直未最終定稿，考慮到國家環(huán)保標準的不斷提高和打造本工程為示范項目的設(shè)計原則，在煙氣凈化工藝選擇上進行了超前設(shè)計，以實現(xiàn)煙氣超凈排放。

工藝主要特點包括：①干法脫酸劑采用了小蘇打（NaHCO3），同等條件下NaHCO3比石灰Ca（OH）2對應(yīng)的脫酸效率高，反應(yīng)效果更好；干法脫酸與濕法脫酸組合，可使HCl 的去除率達到99%以上，SO2去除率達到98%以上；②布袋除塵器采用了催化濾袋，不僅可使煙氣中顆粒物去除率達到99.99%，同時還有分解二噁英的作用，濾袋由膨體聚四氟乙烯（ePTFE） 構(gòu)成的薄膜與催化基料覆合而成，薄膜能夠?qū)⑽⒓氼w粒攔截在過濾器表面，清灰時粉塵會從濾袋表面掉落并被收集到袋式除塵器的灰斗中，氣態(tài)二噁英類物質(zhì)穿過薄膜進入催化毛氈，在催化劑作用下二噁英即刻發(fā)生氧化分解反應(yīng)，被分解為極微量的CO2、H2O 與HCl；③采用濕法靜電除塵器，進一步去除煙氣中的酸性氣體組分、微細顆粒物、水霧，消除白煙現(xiàn)象，實現(xiàn)煙氣超凈排放。

6 結(jié)論

1） 自動上料系統(tǒng)從周轉(zhuǎn)箱上料一直到清洗消毒無需人工操作，并可實時監(jiān)控處理流程的所有環(huán)節(jié)，極大地降低了人員感染的風險，整個流程實現(xiàn)封閉循環(huán)。相對于傳統(tǒng)的醫(yī)療廢物上料系統(tǒng)，不僅整潔美觀、操作便捷，更能有效避免污染。

2） 對煙氣處理系統(tǒng)設(shè)計進行升級和加強，在設(shè)計上采用了干法和濕法聯(lián)合脫酸、SNCR 和SCR聯(lián)合脫硝、袋式和濕電聯(lián)合除塵的組合工藝，極大地提高了對煙氣中粉塵、硫氧化物、氮氧化物等排放物的處理效果，使其達到嚴格的排放標準。該工藝組合系統(tǒng)在醫(yī)療廢物焚燒處理領(lǐng)域?qū)傥覈讋?chuàng)。

3） 在焚燒飛灰的收集上采用了專用灰箱收集的方式，灰箱收集完畢后再送至廠內(nèi)固化車間進行固化處理。但在實際運行過程中，灰箱在卸灰進儲罐過程中會偶爾出現(xiàn)飛灰外溢的現(xiàn)象，易造成現(xiàn)場的二次污染，這也是我國大多危廢焚燒廠和醫(yī)廢焚燒廠所面臨的共同問題。因此，建議今后在飛灰的收集和輸送方面采取全過程密閉輸送方式，可考慮電伴熱氣力輸送雙管互為備用的方式或其他行之有效的方法。