醫(yī)療廢物焚燒高濃度氯化氫煙氣凈化工藝工程應(yīng)用研究

李傳華

（上海環(huán)境集團股份有限公司，上海 200336）

1 引言

醫(yī)療廢物，是指醫(yī)療衛(wèi)生機構(gòu)在醫(yī)療、預(yù)防、保健以及其他相關(guān)活動中產(chǎn)生的具有直接或者間接感染性、毒性以及其他危害性的廢物［1］。醫(yī)療廢物共分為五大類，包括感染性廢物、病理性廢物、損傷性廢物、藥物性廢物和化學(xué)性廢物［2］。2020 年，我國醫(yī)療廢物產(chǎn)生量峰值達(dá)到6 000 t/d［3］。醫(yī)療廢物需經(jīng)有資質(zhì)的專業(yè)機構(gòu)收集后集中處置，主流處置工藝包括焚燒處置和高溫蒸汽處理［4］，前者適用于醫(yī)療廢物產(chǎn)生量較多的大型城市，后者單臺設(shè)施處理能力為10 t/d，適用于產(chǎn)生量較少的城市。

隨著醫(yī)療廢物補短板工作推進(jìn)［7］以及GB 39707—2020 醫(yī)療廢物處理處置污染控制標(biāo)準(zhǔn)［8］的實施，焚燒煙氣排放要求進(jìn)一步提高，亟需經(jīng)濟有效的煙氣凈化技術(shù)。目前，醫(yī)療廢物焚燒煙氣脫酸所采用的常規(guī)工藝與工業(yè)危險廢物焚燒類似，以氫氧化鈣干法+濕法工藝為主［9-10］。研究表明，氫氧化鈣干法脫酸效率較低，僅能達(dá)到50%；氫氧化鈣半干法對氯化氫的去除效率可達(dá)到90%，濕法工藝對氯化氫的去除效率可達(dá)95% 以上［11］。濕法工藝效率雖高，但產(chǎn)生的廢水含氯離子濃度通常可高達(dá)5 000～10 000 mg/L，后續(xù)處理難度大、成本高。

本研究依托上海市某醫(yī)療廢物焚燒廠的醫(yī)療廢物焚燒生產(chǎn)線，采用在生活垃圾焚燒廠中常用的半干法工藝［12-13］，結(jié)合碳酸氫鈉干法對醫(yī)療廢物焚燒煙氣中的氯化氫進(jìn)行組合凈化研究，同時對半干法工藝與濕法工藝的經(jīng)濟性進(jìn)行了比較。

2 實驗對象與方法

2.1 實驗對象

2.1.1 醫(yī)療廢物焚燒裝置

本研究依托上海市某醫(yī)療廢物焚燒廠的一號、二號醫(yī)療廢物焚燒生產(chǎn)線，兩條焚燒生產(chǎn)線處置能力均為25 t/d，其焚燒處置的醫(yī)療廢物包括感染性、損傷性、病理性、藥物性和化學(xué)性（除含汞廢物外）的全品類醫(yī)療廢物。由于醫(yī)療廢物在運輸、處置過程中不可拆包，未有組分的定量分析，根據(jù)經(jīng)驗大部分為醫(yī)療包裝物、口罩、手套、手術(shù)材料等。焚燒工藝均為回轉(zhuǎn)窯+二燃室+急冷塔+氫氧化鈣干法+布袋除塵+濕法，對其中的二號焚燒線進(jìn)行工程改造，增加半干法脫酸系統(tǒng)，并與原煙氣凈化工藝進(jìn)行串聯(lián)，形成半干法+干法組合工藝段，原濕法工藝段仍保留，串聯(lián)在布袋除塵器之后。在半干法工藝段采用氫氧化鈣漿液作為脫酸藥劑，在干法工藝段采用碳酸氫鈉作為脫酸藥劑，對半干法工藝段和組合工藝對氯化氫的凈化效率進(jìn)行檢測，并記錄氫氧化鈣和碳酸氫鈉的投加當(dāng)量比，進(jìn)行經(jīng)濟測算。

2.1.2 半干法凈化系統(tǒng)

半干法凈化系統(tǒng)由半干式反應(yīng)塔本體和氫氧化鈣漿液制備、儲存系統(tǒng)組成，其中半干式反應(yīng)塔本體尺寸（有效）Φ3 800 mm×8 000 mm，煙氣流向上進(jìn)下出，煙氣流量約10 000 m3/h，初始氯化氫濃度波動較大，范圍在1 000～3 000 mg/m3，半干法凈化系統(tǒng)出口溫度控制在170 ℃，在此條件下，預(yù)估煙氣在半干法系統(tǒng)中的流速約為0.40 m/s。在反應(yīng)塔頂部120°均布3 根雙流體噴槍，雙流體噴槍插入方式為從頂部垂直插入。運行過程中漿液壓力0.25 MPa，壓縮空氣壓力0.35 MPa，噴槍霧化角60°。半干法反應(yīng)塔模型如圖1 所示。

圖1 半干式反應(yīng)塔模型Figure 1 Model of semi-dry reaction tower

氫氧化鈣漿液制備、儲存系統(tǒng)包含氫氧化鈣儲倉、漿液制備及儲存罐和配套閥門、稱量及輸送泵等組成，利用漿液制備罐上的稱量系統(tǒng)和液位計，配制質(zhì)量濃度為8%的氫氧化鈣漿液作為半干法脫酸反應(yīng)的脫酸藥劑［14］。

2.2 實驗方法

2.2.1 半干法實驗

本實驗控制氫氧化鈣漿液濃度為8%，在此實驗條件下，針對實際醫(yī)療廢物焚燒生產(chǎn)線，在實驗工況上與理論實驗存在兩點主要差異。

1）氯化氫源強濃度存在波動：由于實際醫(yī)療廢物焚燒煙氣中的氯化氫濃度受到焚燒對象組分、焚燒批次等多種因素影響，因而本實驗中難以以固定濃度的氯化氫氣體作為分析對象。

2）半干法系統(tǒng)出口溫度要求：由于實驗所依托醫(yī)療廢物焚燒線半干法工藝后設(shè)置有布袋除塵器，該布袋除塵器所用濾袋具有二英催化凈化分解功能，運行溫度要求在170 ℃以上。

基于上述兩點差異，本實驗進(jìn)行以下兩種工況的半干法實驗（表1），半干法系統(tǒng)入口氯化氫預(yù)估濃度為2 000 mg/m3。

表1 半干法凈化氯化氫實驗工況（煙氣量約10 000 m3/h）Table 1 Conditions of semi-dry experiment of hydrogenchloride purification （volume about 10 000 m3/h）

實驗過程中，通過同時測定半干式脫酸塔煙氣進(jìn)口和出口的氯化氫質(zhì)量濃度，并折算至標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的質(zhì)量濃度，計算兩種工況下半干法工藝對高濃度氯化氫的凈化效率。氯化氫的測定方法采用HJ 548—2016 固定污染源廢氣氯化氫的測定硝酸銀容量法。

2.2.2 半干法及干法組合工藝實驗

協(xié)助單位領(lǐng)導(dǎo)做好其財務(wù)工作。發(fā)現(xiàn)問題時及時糾正，同時組織制定相應(yīng)設(shè)施制度的細(xì)則。負(fù)責(zé)提出財務(wù)分析報告，監(jiān)督各項計劃的執(zhí)行情況，供領(lǐng)導(dǎo)參考[6]。除此之外，還需組織及審批各項目預(yù)算決算，參與擬定單位重要經(jīng)濟合同以及原輔材料供應(yīng)計劃。審查財務(wù)報表，負(fù)責(zé)財務(wù)監(jiān)督。

在半干法實驗基礎(chǔ)上，采用干法工藝進(jìn)行補充，利用研磨后粒徑達(dá)到20 μm 的碳酸氫鈉干粉作為脫酸藥劑，噴入干式反應(yīng)塔中，經(jīng)過干式反應(yīng)塔和布袋除塵器兩個單元后，測定布袋除塵器出口氯化氫濃度。根據(jù)該濃度與排放標(biāo)準(zhǔn)的比較，對采用半干法及碳酸氫鈉干法組合工藝，在醫(yī)療廢物焚燒高濃度氯化氫凈化方面的可行性進(jìn)行分析，并計算采用半干法及碳酸氫鈉干法組合工藝相比于傳統(tǒng)氫氧化鈣干法加濕法工藝的經(jīng)濟性差異。

3 實驗結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

3.1 半干法實驗

半干法實驗共進(jìn)行了兩種工況，每種工況均同時測定了3 組半干式脫酸塔煙氣進(jìn)口和出口的氯化氫濃度（用a、b、c 區(qū)分），實驗結(jié)果如圖2 所示。

圖2 不同工況下半干法工藝氯化氫凈化效率（煙氣量約10 000 m3/h）Figure 2 Hydrogen chloride purification efficiency of semi-dry process under different conditions （volume about 10 000 m3/h）

由圖2 可見，在進(jìn)口氯化氫平均濃度1 600～1 700 mg/m3條件下，半干法在煙溫從220 ℃降低至170 ℃的運行工況下，平均效率僅在50% 左右；進(jìn)口煙溫提高至250 ℃時（漿液量從420 kg/h 提高至600 kg/h），平均效率提高至72.75%，在該溫度范圍（與漿液投加量呈線性關(guān)系）半干法系統(tǒng)對氯化氫的凈化效率與溫度差Δt接近線性關(guān)系。

在工況2 條件下，半干法工藝中實際氫氧化鈣的投加量約為600 kg/h×8%=48 kg/h，由煙氣中氯化氫原始含量與反應(yīng)方程式計算，得出實際氫氧化鈣投加當(dāng)量比為2.82，高于一般生活垃圾焚燒廠半干法系統(tǒng)氫氧化鈣漿液的投加當(dāng)量比（約2.5 左右）。

在半干法脫酸系統(tǒng)中，影響凈化效率的主要因素包括酸性氣體濃度、漿液霧化粒徑、進(jìn)出口溫度、漿液濃度等，在相同漿液濃度，煙氣量不變條件下，半干塔進(jìn)出口溫度差Δt與噴入的氫氧化鈣量呈線性關(guān)系，體現(xiàn)在氫氧化鈣的投加當(dāng)量比上。在本次實驗中，氫氧化鈣的投加當(dāng)量比與酸性氣體濃度均高于生活垃圾焚燒廠，但一般生活垃圾廠半干法系統(tǒng)對氯化氫的凈化效率可達(dá)90%，高于本次實驗結(jié)果，表明出口溫度對半干法凈化效率的影響更大：本次實驗中半干法系統(tǒng)出口溫度170 ℃，比一般生活垃圾廠稍高（約150 ℃）。對半干法反應(yīng)來說，出口溫度趨近于絕熱飽和溫度，反應(yīng)效率較高［15］，在半干法系統(tǒng)中一般表現(xiàn)為出口溫度越低，反應(yīng)效率越高，本次實驗由于受到布袋除塵器運行溫度要求的影響，控制布袋出口溫度較高，在較大程度上影響了半干法的反應(yīng)效率。

經(jīng)過半干法工藝凈化后的焚燒煙氣中，氯化氫平均濃度約為457.20 mg/m3，表明半干法工藝可用于凈化焚燒煙氣中大部分的氯化氫，但距離上海市地方排放標(biāo)準(zhǔn)（DB 31/767—2013 危險廢物焚燒大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)50 mg/m3）仍有較大距離，必須與其他凈化工藝協(xié)同，才能實現(xiàn)達(dá)標(biāo)。

3.2 半干法及碳酸氫鈉干法組合實驗

表2 半干法及碳酸氫鈉干法組合氯化氫測試結(jié)果（煙氣量約10 000 m3/h）Table 2 Hydrogen chloride purification efficiency of combination of semi-dry and sodium bicarbonate system（volume about 10 000 m3/h）

從表2 中可以看出，在半干法進(jìn)口煙溫250 ℃，出口煙溫170 ℃，碳酸氫鈉投加量20 kg/h條件下，可將進(jìn)口1 678.00 mg/m3氯化氫降低至18.47 mg/m3，總體平均凈化效率接近99%。經(jīng)過半干法及碳酸氫鈉干法組合工藝凈化后，焚燒煙氣中的氯化氫濃度可滿足DB 31/767—2013 中小時均值的要求，表明采用半干法及碳酸氫鈉干法組合工藝，對醫(yī)療廢物焚燒煙氣中高濃度的氯化氫氣體進(jìn)行凈化達(dá)標(biāo)是可行的?？紤]到碳酸氫鈉的脫酸反應(yīng)機理為碳酸氫鈉受熱分解形成碳酸鈉，并伴隨“爆米花”式反應(yīng)，其最佳反應(yīng)溫度為180～220 ℃［16］，本次實驗反應(yīng)溫度相對偏低，僅為170 ℃，因而在碳酸氫鈉對氯化氫的凈化效率方面，仍有提升空間。同時考慮半干法與碳酸氫鈉干法工藝，在實際工程運行中，影響半干法凈化效率最大的因素為半干塔出口溫度，出口溫度越低（150 ℃或更低）反應(yīng)效率越高，而碳酸氫鈉的最佳反應(yīng)溫度為180～220 ℃，因而在二者的串聯(lián)系統(tǒng)中，控制合理的反應(yīng)溫度為最關(guān)鍵的操作條件，必要時可以采用適當(dāng)?shù)臒煔饧訜崾侄巍?/p>

同時需要指出的是，根據(jù)此前采用氫氧化鈣干法+濕法工藝時，煙囪在線監(jiān)測設(shè)備氯化氫的濃度讀數(shù)，平均為6～7 mg/m3，半干法+碳酸氫鈉干法組合工藝在總效率方面仍有一定距離。

3.3 半干法及碳酸氫鈉干法工藝經(jīng)濟性比較

針對目前在醫(yī)療廢物焚燒領(lǐng)域常用的氫氧化鈣干法+濕法工藝以及半干法+碳酸氫鈉干法組合工藝，比較兩種工藝在藥劑使用方面的成本，計算依據(jù)如表3 所示。

表3 兩種工藝經(jīng)濟性比較計算依據(jù)Table 3 Calculation basis for economic comparison oftwo processes

根據(jù)上述計算依據(jù)，可計算兩種工藝處理每噸醫(yī)療廢物所需的藥劑成本，計算過程中，第一級工藝段理論投加量以源強濃度和煙氣量進(jìn)行計算，第二級工藝段以經(jīng)第一級工藝處理后的煙氣濃度和煙氣量進(jìn)行計算（不考慮水費），結(jié)果如表4 所示。

表4 兩種工藝藥劑費比較計算結(jié)果Table 4 Neutralizer consumption comparison of two processes

通過表4 可以看出，在藥劑使用方面，半干法及碳酸氫鈉干法組合工藝在經(jīng)濟性上具有一定優(yōu)勢，處理每噸醫(yī)療廢物藥劑費可節(jié)省約6 元，降幅約6.6%。除此之外，半干法及碳酸氫鈉干法組合工藝，可以取消濕塔的使用，處理每噸醫(yī)療廢物可減排2 t 廢水。

4 結(jié)論

通過對半干法及碳酸氫鈉干法系統(tǒng)對于醫(yī)療廢物焚燒煙氣中氯化氫氣體的處理實驗，分析了半干法工藝在處理高濃度氯化氫氣體方面的可行性及經(jīng)濟性，結(jié)果表明：

1）半干法工藝能去除煙氣中的大部分氯化氫氣體，但由于煙氣中氯化氫原始濃度較高，經(jīng)半干法處理后的平均濃度仍達(dá)457.20 mg/m3，距離排放標(biāo)準(zhǔn)（國家標(biāo)準(zhǔn)GB 18484—2020 危險廢物焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)60 mg/m3，上海標(biāo)準(zhǔn)DB 31/767—2013 50 mg/m3）仍然有較大距離。

2）采用半干法及碳酸氫鈉干法的組合工藝，能進(jìn)一步有效去除煙氣中的氯化氫氣體，經(jīng)處理后的氯化氫平均濃度可達(dá)18.47 mg/m3，滿足排放標(biāo)準(zhǔn)要求。

3）在藥劑使用成本方面，半干法及碳酸氫鈉干法工藝較氫氧化鈣干法及濕法組合工藝處理每噸醫(yī)療廢物藥劑費低6 元左右。在能滿足凈化效果的前提下，由于半干法及碳酸氫鈉干法組合工藝不會產(chǎn)生含鹽廢水，因而對于醫(yī)療廢物焚燒項目具有更強的適應(yīng)性，可推廣至同類醫(yī)療廢物焚燒處置廠。