采用热等离子体系统处理医疗垃圾

1、第 37卷第 1期 2006年 1月 锅 炉 技 术BOIL ER TECHNOLO GYVol. 37, No. 1Jan. ,2006 收稿日期 :20050417; 修回日期 :20050520作者简介 :王建伟 (1972 , 男 , 深圳清华大学研究院博士后 , 主要研究方向为垃圾处理和烟气净化。 文章编号 : CN311508(2006 01006304采用热等离子体系统处理医疗垃圾王建伟 , 杨 建 , 李荣先(深圳清华大学研究院 , 广东 深圳 518057关键词 : 热等离子体系统 ; 医疗垃圾 ; 改进摘 要 : 传统的垃圾焚烧炉焚烧温度低 , 因产生大量二恶英而被新一代垃

2、圾处理装置取代 。等离子体垃圾 处理炉的处理温度高达 3000 30000 , 可将垃圾中包括二恶英在内的所有有机成分在几毫秒的时间内 彻底分解 , 小分子产物进入二燃室高温燃尽 。 RITS 设计完成的用于医疗垃圾处理的等离子体炉包括垃圾自 动上料装置 、 等离子发生器系统 、 主炉 、 尾气处理系统及自动控制系统共 5部分 。 相比 IN ER , 改进后的 RITS 等离子炉在节能 、 脱氮 、 降低炉墙厚度及提高启停速度等方面的性能有了更大地提高 。 中图分类号 : X 705 文献标识码 : B1 前 言 、 , , 产生的二恶英对环境的危害极 大 , 世界各国纷纷禁用此类传统的垃圾

3、焚烧技 术 , 目前及在可预见的将来 , 对垃圾处理替代技 术的发展需求十分迫切 。等离子体炉把垃圾高 温热解 、 燃烧和灰渣在 1400 以上熔融的 2个 过程结合起来 , 不但可以处理城市固体垃圾 , 而 且还能够有效地处理传统垃圾焚烧炉不能处理 的石棉 、 低辐射核废弃物 、 多氯联苯 (PCBS 、 医 疗废物等特种垃圾 , 并能够扼制二恶英类毒性物 的形成 。 熔融玻璃体无害 , 并可被再生利用 13, 同时能最大限度地实现垃圾减容 、 减量 , 因而在 特种垃圾处理领域应用前景十分看好 。深圳清 华大学研究院借鉴了台湾原子能研究所 (IN ER 设计的用于处理低辐射性废物等离子体垃

4、圾处 理装置的设计经验 45, 并在此基础上进行了改 进 , 开发出了性能先进的等离子体医疗特种垃圾 处理系统 。2 等离子体固体垃圾处理流程 如图 1所示 , 从各处收集来的医疗垃圾通过转运车运至处理场 , 垃圾通过负压投料装置进入 处理炉的主燃烧室 , 在主燃烧室内 , 等离子枪喷 出温度高达 3000 6000 的高温等离子气 , 从而使得垃圾高温热解 , 热解后的残渣熔融成黑玻璃体 ; 热解产生的可燃 气体进入二次燃烧室充分燃烧 , 生成 1100 1200 的高温烟气 , 从二次燃烧室出来的高温 烟气经过换热器降温至 600 后进入碱液喷淋 塔除去硫氧化物 、 氯气 、 氯化氢气体

5、, 并急冷至 150 200 ,除尘后进入活性焦吸附塔脱除 氮氧化物 , 净化后的烟气通过引风机抽吸进入排 气筒进入大气 。 在排气筒布置永久采样孔 , 用来 监测污染气体 、 氧气 、 一氧化碳以及烟尘的浓度 , 并输入电脑保存 。图 1 垃圾处理流程图3 等离子发生器组成 、 原理及性能 非转移弧直流等离子发生器是等离子体垃圾 处理装置的核心技术之一。 图 2是管状电极等离 子发生器的原理示意图。 它主要由控制台、 连接管 路、 高频逆变开关电源、 阴极和阳极、 弧室、 工作气 体、 保护气体喷射控制装置及必要的去离子水冷却锅 炉 技 术 第 37卷装置组成。 阴、 阳极均为黄铜材料的管状

6、电极 , 阴极和阳极之间采用绝缘材料分开 , 保护气体及工作 气体从切向喷入 , 在弧室内形成旋流 , 配合磁力线 圈的作用 , 使电弧的弧根在电极内壁上高速自旋 , 这是提高等离子体电极使用寿命的关键。 从切向 进气口喷入的工作气体旋转流过电弧后即被电离成为高温等离子体射流。 图 2 空气电极等离子体发生器结构示意图 生器 , ;( ;保护气体 :氮气 (配保护气送气装置及送气 管道 、 气体流量计 ;冷却 :去离子水 ;电极寿命 :阴极 :>250h 阳极 :>500h ; 电源 :高频逆变开关电源 , 功率 :30kW 60kW ;电热转换效率 :>90%。4 主炉及附

7、件 在借鉴 IN ER 设计方案的基础上 , 图 3是深圳清华大学研究院 (RITS 改进后自主开发的等 离子体医疗特种垃圾处理主炉的主 、 侧视图 。主 炉主要包括主燃烧室 、 二次燃烧室 、 垃圾简易破 碎装置 、 双自动门连锁控制装置 、 出渣装置以及 二燃室沉淀灰排出装置共 6部分组成 。等离子 气按一定角度喷向主燃烧室 , 主燃烧室设计温度 在 1600 以上 , 二燃室温度控制在 1100 1200 之间 ,2燃烧室之间的转折烟道采用了 强化紊流的结构设计 , 可保证二次空气和热解气 体充分地混合 , 过量空气系数取为 1. 6时 , 排烟 中干烟气含氧量可达 8%以上 ; 垃圾简

8、易破碎装 置采用变频控制的双螺旋进料装置 , 该装置的主 , 防止其; 个关闭 , 以免因主燃烧室的负压而吸 入过量空气 , 自动门采用了特殊的结构设计 , 保 证其自动密封性良好 , 可防漏气 、 防磨 、 防卡塞 。 其中 , 下自动门还敷设了耐火材料 , 可耐高温 ; 采 用冲水出渣方式 , 高温炉渣落入水中被激冷破碎 成小颗粒状后直接冲出 , 这种渣经权威检测 , 证 明其泄露性极低 , 无害 , 还因其强度优良 , 可被用 做铺路石等建材 , 渣的成分如表 113; 二燃室减 少二恶英生成的另一个措施是烟气保持在高温 的时间达 2s 以上 。因此 , 烟气在二燃室的流速 较低 , 长

9、时间运行后容易在底部产生灰沉淀 , 需 要定期清出 。对二燃室底部采用特殊的结构设 计 , 大部分的沉淀灰能得到及时地清理。 图 3 RITS 等离子体装置主炉的主 、 侧视图46第 1期 王建伟 , 等 :采用热等离子体系统处理医疗垃圾表 1 玻璃化熔融渣的成分 (干 项 目 数 值 单 位 SiO 240. 8% Al 2O 320. 4% CaO 13. 7% MgO 1. 97% Fe 2O 36. 4% Cu 0. 08% Na 2. 89% K 0. 89% Cl 0. 07% S 0. 004% T -C <0. 1% T -Hg 0. 0084mg/kg Pb 140mg

10、/kg Zn 1800mg/kg As <1mg/kg T -Cr mg/ Se 2kg Cd 2mg/kg 另外 , 相比 IN ER 的设计方案 , 本设计对炉 墙的结构和隔热保温材料进行了改进 , 数据表 明 , 改进后的主炉完全能够满足炉墙外表面温度 <50 的国际要求 , 炉子的升降温度提高了 20 %以上 , 还实现了 6%以上的节能 , 这一点对于 以电耗为主的等离子炉而言具有很高的经济和 实用价值 。5 尾气处理工艺 脱氮是采用空气作为工作气体的等离子体 装置尾气处理工艺中很重要的一部分 。为了避 免二恶英的再次合成 , 高温烟气经过喷水急冷 在 1s 内下降到 2

11、00 以下 , 常用的脱氮工艺 中 , SCR 的最佳反应温度为 370 , 要应用该 工艺需要对烟气进行再热 ; SNCR 的反应窗口 为 900 1100 , 在长期的运行过程中 , 要 控制负荷变化较大的焚烧炉的脱氮反应一直处 于这样窄的温度窗口内是很困难的 , 而且易发 生氨过量 6; 其他的脱氮工艺 , 如湿式络合吸收 法 、 生物 法等目 前还 不是很 成熟 。显 然 , 常 用 的脱氮技术应用于垃圾焚烧炉时都存在着温度 参数不合适的共同缺点 , 即使有个别温度区间 合适的 , 但脱氮效率也太 低 , 根 本达 不到排 放 要求 。活性焦应用于气体的净化时 , 在排烟温度窗 口 1

12、00 200 时注入 N H 3的情况下 , 能够实 现高效的联合脱硫脱氮 , 同时还可以吸附脱除重 金属 、 二恶英等一切有害物质、 ,、 高 NO x 含 , 由于联合脱硫时解吸过程比 较复杂 , 而且增大了使用成本 , 因此在 RITS 工艺 中活性焦吸附塔主要用于脱氮 。RITS 设计的脱氮分为 2级 , 即一级 SNCR 粗脱氮 +活性焦吸附精脱氮 。在烟道布置简易 SNCR 粗脱氮段可粗脱 30%以上的 NO x 。吸附 塔采用 2层叠放 , 一层吸附时另一层采用 350 的氨再生 , 再生气直接通入碱液池 , 其中的少量 有害气体 , 如 SO 2等被碱液吸收 。活性焦经过金 属

13、氧化物催化剂改性处理 , 脱氮性能有了很大提 高 。 最终净化后的烟气各项污染物含量远低于 国家规定的排放限值 。6 自动控制系统 系统采用 PL C 自动控制 、 Windows 操作界 面 。 污染物排放监测参数如表 2所示 。烟气分 析仪配 48个探头 , RS232接口将测量数据上 传至计算机储存 。表 2 监测记录参数 、 所用仪器及要求监测方式 检测种类 使用仪器或方法 国际要求在线连续 季度采样烟尘 烟尘浓度测量仪NO 、 NO 2、 O 2、 CO 、 SO 2烟气分析仪配 5个探头烟气黑度 黑度仪HCL 、 HF 烟气采样器重金属及其化合物 参考 G B 1912822003

14、G B 1912822003 G B 1848422001 56锅 炉 技 术 第 37卷(续表 2监测方式 检测种类 使用仪器或方法 国际要求在线连续监测自动送料电视监测 工业电视检测设备 备选设备 主燃烧室出口 、 二燃室出口温度 铂铑 30 铂铑 6热电偶 G B 1912822003排烟温度炉体表面温度铜 /康铜铠装热电偶 150 50 炉膛气压 压力表或烟气分析仪 保持负压7 结论及展望 本文简要介绍了 RITS 研制的等离子体医疗 垃圾处理装置的工艺流程 , 在国内首次公开了该 种类型处理装置的设计方案 。 RITS 等离子垃圾 处理装置的测试结果表明 :(1 通过采用等离子体高温

15、分解 、 强化紊流 混合 、 保证烟气在二燃室停留 2s喷水急冷处理相结合 ,以干净 、 ,。(2行合理的配合 , 可以实现比 IN ER 等离子体炉更 小的炉墙厚度 , 同时达到更低的辐射散热损失和 更快的启停速度 , 炉墙外表面温度也低于 50 。 (3 对高 NO x 含量的尾气可以通过 SNCR 粗脱氮 +活性焦吸附精脱氮 2级组合的方式来 处理 , 饱和后的活性焦采用高温氨再生的工艺进 行脱附 。另外 , RITS 用 于 医 疗 垃 圾 集 中 处 理 的 5 t/日垃圾处理量的等离子体装置也已经完成方案 设计 。参考文献 :1Krystyna Cedzynska , Zbigni

16、ew K olacinski. Michal izydorc 2 zyk and witold sroczynskiA .1999International Ash utili 2 zation SymposiumC.1999.2N. Lapa F. Santos Camacho , et al. An produced by t he ( J .Waste , :335-342.K jell E. Haugsten , Bengt Gustavson. Environmental prop 2 erties of vitrified fly ash from hazardous and mu

17、nicipal waste incinerationJ.Waste Management , 2000, (20 :167-176. 4Chin 2Ching Tzeng , Yung 2Yen Kuo , Tsair 2Fuh Huang , et al. Treat ment of radioactive wastes by plasma incineration and vitrification for final disposal J.Journal of Hazardous Materials , 1998, 58:207-220.5J. P. Chu , I. J. Hwang

18、, C. C. Tzeng , et al. Characteriza 2 tion of vitrified slag from mixed medical waste surrogates treated by a t hermal plasma systemJ.Journal of Hazard 2 ous Materials , 1998, 58:179-194.6钟秦 . 燃煤烟气脱硫脱硝技术及工程实例 M .北京 :化学工 业出版社 . 2002.Me di c al Was t e Tre a t me n t by a The rmal Plas ma S ys t e mWA

19、N G Jian 2wei , YAN G Jian , L I Rong 2xian(Research Institute of Tsinghua University in Shenzhen , Shenzhen 518057, China Ke y w ords :t hermal plasma system ; medical waste ; improvementAbs t rac t :The problem of exhausting dioxins under low incineration temperature made traditional incinerator be replaced by newer waste disposal unit. Relatively , with the processing temperature of 3000 30000 ,