一种车载医疗垃圾热解炉设计

韩俊淑，吴丽华，张文昌，王　政

一种车载医疗垃圾热解炉设计

韩俊淑，吴丽华，张文昌，王政

目的：设计一种日处理量不小于1 t的车载医疗垃圾热解炉，用于医疗垃圾的无害化处理。方法：通过对热解原理的深入研究和详细的计算分析，并综合考虑试验结果及其他各种因素的影响进行炉体设计，并采用3T（time, temperatme,turbulence）原则设计该热解炉的烟气处理系统。结果：设计的车载医疗垃圾热解炉结构合理、工作可靠、自持能力强，二噁英排放为0.213 ng/m3。结论：设计的车载医疗垃圾热解炉具有安全环保等优势，具有广阔的应用前景。

医疗垃圾；热解；二噁英

0　引言

医疗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、针头锐器、化学污染物等，因而具有高危险性[1]。医疗垃圾处理已成为世界各国关注的焦点。目前流行的医疗垃圾处理方法包括垃圾焚烧法、卫生填埋法、高温灭菌法等[2]。但是，焚烧法产生的气味和烟尘至今仍是一个亟待解决的难题，尤其焚烧过程中可能产生二噁英，对环境造成二次污染；卫生填埋法可能会因为消毒处理不彻底而对填埋场的大气、土壤及地下和地表水体造成污染，从而对填埋场周围居住的人群和牲畜等形成潜在危害。因此，本文提出采用热解来实现医疗垃圾无害化、减量化和资源化处理，并进行了小型热解炉的设计，使该方法得到了实际应用，且达到了很好的效果。

1　热解原理

垃圾的高温热解法也称裂解法，即在无氧或缺氧条件下，把有机垃圾加热到500～1 000℃，利用热能使化合键断裂，将有机物转化成可燃气体、液体燃料或焦炭的过程[3]。通常可以将热解炉的热解室分为干燥区、热解区和气化区。热解反应模型如图1所示。

2　热解炉设计

热解炉主要由进料系统、热解系统、除渣系统和烟气净化系统构成。热解系统主要指热解炉炉体，本文重点介绍热解炉炉体的设计。热解炉炉体主要包括燃烧室、热解室、反应室和熔融室，燃烧室为进入热解室的医疗垃圾提供热能使其热解。经热解的医疗垃圾残余部分（含未被完全热解的部分和热解后的残渣）进入反应室继续进行二次反应，之后剩余残渣进入熔融室进一步反应处理后被排出。热解得到的可燃气体经引导进入燃烧室燃烧，为热解提供能量。

2.1热解温度确定

实验研究表明：从100℃开始医疗垃圾开始热解，到800℃时，药品类分解80%，塑料导尿管等分解85%，蛋白质类分解90%，其他试样均分解95%以上[4]。在其他条件相同的情况下，随着热解温度的升高，热解所用时间缩短，并在一定的温度区域内成线性关系。生成燃气体积随热解温度的上升而增加，至850℃趋于平稳，这说明产气量的最佳反应温度为800～900℃。由此可知，热解炉设计热解温度不应低于800℃。

借鉴前人经验并综合多种因素考虑，本设计将热解温度定为1 000℃。在这个温度下，各种病菌将被消灭，同时热解得到的可燃气体也可以供给热解系统能量所需，无需外界辅助燃料。

图1　炉内垃圾热解反应模型

2.2热解炉热解室容积验证

根据需求方的医疗垃圾产量、空间以及质量等实际情况需求，按照之前所述的原理进行小型热解炉的设计。在保障其工艺要求和功能不变的情况下，确定热解炉的容积为0.4 m3，保证单次上料不小于100 kg，同时实现每昼夜1 t的医疗垃圾处理能力。

根据实验经验[5]，热解100 kg医疗垃圾需要6.6× 104kal（1 kal=4.1868 J）热能才可将其完全炭化。100 kg垃圾炭化后的残炭为12～15 kg，1 kg炭可产燃气约2 m3（理论值是4 m3），其热值为2 000 kal/m3；100 kg医疗垃圾热解直接挥发可燃气为12～15 m3，其热值为3 500～5 000 kal/m3。经计算可知，100 kg垃圾热解所产出的热能足以供应同等质量的垃圾热解。于是，确定热解室容积0.4 m3可行。

2.3二噁英控制措施

二噁英的控制是衡量医疗垃圾处理技术成功与否一个非常重要的指标。国内外研究和实践均表明，减少危险废物焚烧烟气中二噁英浓度的主要方法是控制其形成，目前对二噁英的控制主要从控制来源、减少炉内形成、避免炉外低温区再合成等方面着手。有研究表明，二噁英在炉内温度900℃左右，烟气含量7%～9%时产生量最少。温度或烟气不在该范围内时，随偏离程度的增加，二噁英的产生量也随之增加。

本文在进行热解炉设计时，借鉴了国内外研究的经验，并结合制作工艺、材料等诸多因素，设计了炉体结构。

（1）设计原则：采用3T（time，temperature，turbulence）原则控制二噁英的产生，控制炉内温度在1 000℃以上，使燃烧后的废气在炉内滞留2 s以上，并使空气和可燃气体通过二次涡流的方式充分搅拌，从而实现充分燃烧，防止二噁英二次合成。

（2）具体措施：

①在热解炉内设置足够长的盘管，盘管的长度和容量能保证烟气在850℃高温区停留2 s以上，使二噁英完全分解，并防止二次合成。

②快速冷却烟气，采用曝气急冷方式使烟气快速冷却，尽量缩短烟气处于180～400℃温度范围的时间。文中设计时要求保证烟气在1 s内降至200℃以下，这样可以有效减少二噁英产生。

③热解炉结构亦可以控制二噁英生成。有机氯或无机氯、氧气以及过渡金属阳离子（主要以Cu2+、Fe2+为代表）是二噁英产生的前提条件，但热解气化过程处于还原性气氛中，切断了氧源，使得医疗垃圾中的Cu、Fe等金属没有被氧化，可以使二噁英的生成从源头上得到了控制。

2.4烟气处理系统设计

烟气处理系统分为烟气升温和急冷2个部分，包括水箱、燃气风机、盘管、急冷水泵、喷淋水泵和烟囱。水箱分为急冷和喷淋2个部分，通过隔板分隔为独立的喷淋段和急冷段；盘管位于热解炉燃烧室内，烟气通过引风机进入盘管。

烟气处理的流程是：烟气→喷淋水箱→盘管→急冷水箱→烟囱排出。其中，应保证烟气在盘管内停留2 s以上，且彼时盘管内烟气的温度应控制在850℃以上。

燃烧室排出的烟气首先进入喷淋水箱喷淋冷却，然后烟气通过引风机引入盘管，盘管在燃烧室内升温至850℃并保持2 s后，排出至急冷水箱，烟气在水下进行急冷，最后由顶部的烟囱排至大气中。

3　试验与验证

按照上述介绍的设计方案，本文进行了热解炉的工程设计。热解炉包括热解炉炉体、烟气处理系统、热解控制系统及其他附属部件等几个部分。为了检验所设计的热解炉性能，本文重点开展了热解炉烟气排放试验。这是因为它直接关系到热解炉设计的成败，如原理是否可行、装置是否可用、对环境是否有影响。

3.1试验样品

试验样品为某三级甲等综合医院的医疗垃圾，包括：（1）一次性注射器等塑料用品[6]；（2）手术产生的垃圾[7]：如手术切除的器官等，手术敷料如纱布、绷带、棉球、一次性手术衣巾单等用品；（3）临床检验的标本：如血、尿、粪及各种组织培养物等[8]；（4）实验药品及动物尸体等。需要指出的是，本研究过程中并未对实验所用垃圾进行严格分类，而是直接将已打包入专用色医用垃圾袋的垃圾放入热解炉内热解。对各科室的垃圾产量及种类进行了粗略统计，结果如下：一次性输液器等塑料制品约占50%，用过的敷料等棉织物等约占14%，手术垃圾约占2.5%，检验标本约占3%，其余如一次性金属器械及玻璃瓶等约占30%。

3.2试验方法及结果

系统烟气排放试验是为了验证热解炉的烟气排

（▶▶▶▶）（◀◀◀◀）放是否达到GB 16297—1996《中华人民共和国大气污染物综合排放标准》[9]和GB 18484—2001《危险废物焚烧污染控制标准》[10]的排放要求，尤其是二噁英，排放质量浓度应小于0.5 TEQ ng/m3。试验方法参考HJ-77.2 2008《环境空气和废气二噁英类的测定同位素稀释高分辨气相色谱-高分辨质谱法》。试验实施方为中国检验检疫科学院综合检测中心。检测内容为热解炉所排放的烟气。试验通过3次采样，取平均值的方式进行。具体操作程序为：间隔1 h采样一次，采样量0.5 m3，并依据文献[11]所描述的方法检测。试验结果：烟气中二噁英类物质的含量为0.213 TEQ ng/m3＜0.5 TEQ ng/m3，符合国家排放要求。

4　结论

根据上述实验结果可以看出，采用高温热解法进行医疗垃圾处理行之有效。该方法具有安全环保等优点，能够实现医疗垃圾的无害化、减量化和资源化处理。车载化医疗垃圾热解炉的成功研制对于偏远地区医疗垃圾的无害化处理具有非常重要的意义，具有很好的应用前景。

[1]中华人民共和国卫生部.医疗卫生机构医疗废物管理办法[S]. 2003.

[2]丁健.医疗固体废弃物无害化焚烧处理研究[J].中国环保产业，2004，2（S1）:71-73.

[4]李新国，周欣，张于峰.医疗垃圾的热解焚烧法处理[J].煤气与热力，2004，24（9）:495-497.

[4]邓娜，张于峰，牛宝联，等.医疗废物典型组分的热重分析及新的动力学模型[J].环境科学学报，2005，25（11）:1 484-1 490.

[5]李东红，冯涛，祁国恕，等.城市医疗垃圾热解焚烧技术研究[J].环境卫生工程，2001，9（3）:109-111.

[6]张桂婷，杨静，魏玉萍.一次性医用针头使用后的处理[J].山东医药，2007，47（14）:38.

[7]陈翔.手术室医疗废物管理的探讨[J].现代护理，2005，11（13）: 1 061-1 062.

[8]丁新梅.检验科医用垃圾的处理[J].中华医院感染学杂志，2005，15（6）:687.

[9]GB 16297—1996中华人民共和国大气污染物综合排放标准[S]. [10]GB 18484—2001危险废物焚烧污染控制标准[S].

[11]HJ-77.22008环境空气和废气二噁英类的测定同位素稀释高分辨气相色谱-高分辨质谱法[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

[中国图书资料分类号]R318；R197.38A

1003-8868（2015）05-0102-03

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.05.102

总后卫生部“十一五”重大项目子项目（06D002）

韩俊淑（1979—），女，助理研究员，主要从事卫生装备新技术、新装备的研究工作，E-mail:wlh307@163.com。

300161天津，军事医学科学院卫生装备研究所（韩俊淑，吴丽华，张文昌，王政）

王政，E-mail:wz800801@live.cn