医疗废物焚烧高浓度氯化氢烟气净化工艺工程应用研究

李传华

（上海环境集团股份有限公司，上海 200336）

1 引言

医疗废物，是指医疗卫生机构在医疗、预防、保健以及其他相关活动中产生的具有直接或者间接感染性、毒性以及其他危害性的废物［1］。医疗废物共分为五大类，包括感染性废物、病理性废物、损伤性废物、药物性废物和化学性废物［2］。2020 年，我国医疗废物产生量峰值达到6 000 t/d［3］。医疗废物需经有资质的专业机构收集后集中处置，主流处置工艺包括焚烧处置和高温蒸汽处理［4］，前者适用于医疗废物产生量较多的大型城市，后者单台设施处理能力为10 t/d，适用于产生量较少的城市。

随着医疗废物补短板工作推进［7］以及GB 39707—2020 医疗废物处理处置污染控制标准［8］的实施，焚烧烟气排放要求进一步提高，亟需经济有效的烟气净化技术。目前，医疗废物焚烧烟气脱酸所采用的常规工艺与工业危险废物焚烧类似，以氢氧化钙干法+湿法工艺为主［9-10］。研究表明，氢氧化钙干法脱酸效率较低，仅能达到50%；氢氧化钙半干法对氯化氢的去除效率可达到90%，湿法工艺对氯化氢的去除效率可达95% 以上［11］。湿法工艺效率虽高，但产生的废水含氯离子浓度通常可高达5 000～10 000 mg/L，后续处理难度大、成本高。

本研究依托上海市某医疗废物焚烧厂的医疗废物焚烧生产线，采用在生活垃圾焚烧厂中常用的半干法工艺［12-13］，结合碳酸氢钠干法对医疗废物焚烧烟气中的氯化氢进行组合净化研究，同时对半干法工艺与湿法工艺的经济性进行了比较。

2 实验对象与方法

2.1 实验对象

2.1.1 医疗废物焚烧装置

本研究依托上海市某医疗废物焚烧厂的一号、二号医疗废物焚烧生产线，两条焚烧生产线处置能力均为25 t/d，其焚烧处置的医疗废物包括感染性、损伤性、病理性、药物性和化学性（除含汞废物外）的全品类医疗废物。由于医疗废物在运输、处置过程中不可拆包，未有组分的定量分析，根据经验大部分为医疗包装物、口罩、手套、手术材料等。焚烧工艺均为回转窑+二燃室+急冷塔+氢氧化钙干法+布袋除尘+湿法，对其中的二号焚烧线进行工程改造，增加半干法脱酸系统，并与原烟气净化工艺进行串联，形成半干法+干法组合工艺段，原湿法工艺段仍保留，串联在布袋除尘器之后。在半干法工艺段采用氢氧化钙浆液作为脱酸药剂，在干法工艺段采用碳酸氢钠作为脱酸药剂，对半干法工艺段和组合工艺对氯化氢的净化效率进行检测，并记录氢氧化钙和碳酸氢钠的投加当量比，进行经济测算。

2.1.2 半干法净化系统

半干法净化系统由半干式反应塔本体和氢氧化钙浆液制备、储存系统组成，其中半干式反应塔本体尺寸（有效）Φ3 800 mm×8 000 mm，烟气流向上进下出，烟气流量约10 000 m3/h，初始氯化氢浓度波动较大，范围在1 000～3 000 mg/m3，半干法净化系统出口温度控制在170 ℃，在此条件下，预估烟气在半干法系统中的流速约为0.40 m/s。在反应塔顶部120°均布3 根双流体喷枪，双流体喷枪插入方式为从顶部垂直插入。运行过程中浆液压力0.25 MPa，压缩空气压力0.35 MPa，喷枪雾化角60°。半干法反应塔模型如图1 所示。

图1 半干式反应塔模型Figure 1 Model of semi-dry reaction tower

氢氧化钙浆液制备、储存系统包含氢氧化钙储仓、浆液制备及储存罐和配套阀门、称量及输送泵等组成，利用浆液制备罐上的称量系统和液位计，配制质量浓度为8%的氢氧化钙浆液作为半干法脱酸反应的脱酸药剂［14］。

2.2 实验方法

2.2.1 半干法实验

本实验控制氢氧化钙浆液浓度为8%，在此实验条件下，针对实际医疗废物焚烧生产线，在实验工况上与理论实验存在两点主要差异。

1）氯化氢源强浓度存在波动：由于实际医疗废物焚烧烟气中的氯化氢浓度受到焚烧对象组分、焚烧批次等多种因素影响，因而本实验中难以以固定浓度的氯化氢气体作为分析对象。

2）半干法系统出口温度要求：由于实验所依托医疗废物焚烧线半干法工艺后设置有布袋除尘器，该布袋除尘器所用滤袋具有二英催化净化分解功能，运行温度要求在170 ℃以上。

基于上述两点差异，本实验进行以下两种工况的半干法实验（表1），半干法系统入口氯化氢预估浓度为2 000 mg/m3。

表1 半干法净化氯化氢实验工况（烟气量约10 000 m3/h）Table 1 Conditions of semi-dry experiment of hydrogenchloride purification （volume about 10 000 m3/h）

实验过程中，通过同时测定半干式脱酸塔烟气进口和出口的氯化氢质量浓度，并折算至标准状态下的质量浓度，计算两种工况下半干法工艺对高浓度氯化氢的净化效率。氯化氢的测定方法采用HJ 548—2016 固定污染源废气氯化氢的测定硝酸银容量法。

2.2.2 半干法及干法组合工艺实验

协助单位领导做好其财务工作。发现问题时及时纠正，同时组织制定相应设施制度的细则。负责提出财务分析报告，监督各项计划的执行情况，供领导参考[6]。除此之外，还需组织及审批各项目预算决算，参与拟定单位重要经济合同以及原辅材料供应计划。审查财务报表，负责财务监督。

在半干法实验基础上，采用干法工艺进行补充，利用研磨后粒径达到20 μm 的碳酸氢钠干粉作为脱酸药剂，喷入干式反应塔中，经过干式反应塔和布袋除尘器两个单元后，测定布袋除尘器出口氯化氢浓度。根据该浓度与排放标准的比较，对采用半干法及碳酸氢钠干法组合工艺，在医疗废物焚烧高浓度氯化氢净化方面的可行性进行分析，并计算采用半干法及碳酸氢钠干法组合工艺相比于传统氢氧化钙干法加湿法工艺的经济性差异。

3 实验结果及数据分析

3.1 半干法实验

半干法实验共进行了两种工况，每种工况均同时测定了3 组半干式脱酸塔烟气进口和出口的氯化氢浓度（用a、b、c 区分），实验结果如图2 所示。

图2 不同工况下半干法工艺氯化氢净化效率（烟气量约10 000 m3/h）Figure 2 Hydrogen chloride purification efficiency of semi-dry process under different conditions （volume about 10 000 m3/h）

由图2 可见，在进口氯化氢平均浓度1 600～1 700 mg/m3条件下，半干法在烟温从220 ℃降低至170 ℃的运行工况下，平均效率仅在50% 左右；进口烟温提高至250 ℃时（浆液量从420 kg/h 提高至600 kg/h），平均效率提高至72.75%，在该温度范围（与浆液投加量呈线性关系）半干法系统对氯化氢的净化效率与温度差Δt接近线性关系。

在工况2 条件下，半干法工艺中实际氢氧化钙的投加量约为600 kg/h×8%=48 kg/h，由烟气中氯化氢原始含量与反应方程式计算，得出实际氢氧化钙投加当量比为2.82，高于一般生活垃圾焚烧厂半干法系统氢氧化钙浆液的投加当量比（约2.5 左右）。

在半干法脱酸系统中，影响净化效率的主要因素包括酸性气体浓度、浆液雾化粒径、进出口温度、浆液浓度等，在相同浆液浓度，烟气量不变条件下，半干塔进出口温度差Δt与喷入的氢氧化钙量呈线性关系，体现在氢氧化钙的投加当量比上。在本次实验中，氢氧化钙的投加当量比与酸性气体浓度均高于生活垃圾焚烧厂，但一般生活垃圾厂半干法系统对氯化氢的净化效率可达90%，高于本次实验结果，表明出口温度对半干法净化效率的影响更大：本次实验中半干法系统出口温度170 ℃，比一般生活垃圾厂稍高（约150 ℃）。对半干法反应来说，出口温度趋近于绝热饱和温度，反应效率较高［15］，在半干法系统中一般表现为出口温度越低，反应效率越高，本次实验由于受到布袋除尘器运行温度要求的影响，控制布袋出口温度较高，在较大程度上影响了半干法的反应效率。

经过半干法工艺净化后的焚烧烟气中，氯化氢平均浓度约为457.20 mg/m3，表明半干法工艺可用于净化焚烧烟气中大部分的氯化氢，但距离上海市地方排放标准（DB 31/767—2013 危险废物焚烧大气污染物排放标准50 mg/m3）仍有较大距离，必须与其他净化工艺协同，才能实现达标。

3.2 半干法及碳酸氢钠干法组合实验

表2 半干法及碳酸氢钠干法组合氯化氢测试结果（烟气量约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）

从表2 中可以看出，在半干法进口烟温250 ℃，出口烟温170 ℃，碳酸氢钠投加量20 kg/h条件下，可将进口1 678.00 mg/m3氯化氢降低至18.47 mg/m3，总体平均净化效率接近99%。经过半干法及碳酸氢钠干法组合工艺净化后，焚烧烟气中的氯化氢浓度可满足DB 31/767—2013 中小时均值的要求，表明采用半干法及碳酸氢钠干法组合工艺，对医疗废物焚烧烟气中高浓度的氯化氢气体进行净化达标是可行的。考虑到碳酸氢钠的脱酸反应机理为碳酸氢钠受热分解形成碳酸钠，并伴随“爆米花”式反应，其最佳反应温度为180～220 ℃［16］，本次实验反应温度相对偏低，仅为170 ℃，因而在碳酸氢钠对氯化氢的净化效率方面，仍有提升空间。同时考虑半干法与碳酸氢钠干法工艺，在实际工程运行中，影响半干法净化效率最大的因素为半干塔出口温度，出口温度越低（150 ℃或更低）反应效率越高，而碳酸氢钠的最佳反应温度为180～220 ℃，因而在二者的串联系统中，控制合理的反应温度为最关键的操作条件，必要时可以采用适当的烟气加热手段。

同时需要指出的是，根据此前采用氢氧化钙干法+湿法工艺时，烟囱在线监测设备氯化氢的浓度读数，平均为6～7 mg/m3，半干法+碳酸氢钠干法组合工艺在总效率方面仍有一定距离。

3.3 半干法及碳酸氢钠干法工艺经济性比较

针对目前在医疗废物焚烧领域常用的氢氧化钙干法+湿法工艺以及半干法+碳酸氢钠干法组合工艺，比较两种工艺在药剂使用方面的成本，计算依据如表3 所示。

表3 两种工艺经济性比较计算依据Table 3 Calculation basis for economic comparison oftwo processes

根据上述计算依据，可计算两种工艺处理每吨医疗废物所需的药剂成本，计算过程中，第一级工艺段理论投加量以源强浓度和烟气量进行计算，第二级工艺段以经第一级工艺处理后的烟气浓度和烟气量进行计算（不考虑水费），结果如表4 所示。

表4 两种工艺药剂费比较计算结果Table 4 Neutralizer consumption comparison of two processes

通过表4 可以看出，在药剂使用方面，半干法及碳酸氢钠干法组合工艺在经济性上具有一定优势，处理每吨医疗废物药剂费可节省约6 元，降幅约6.6%。除此之外，半干法及碳酸氢钠干法组合工艺，可以取消湿塔的使用，处理每吨医疗废物可减排2 t 废水。

4 结论

通过对半干法及碳酸氢钠干法系统对于医疗废物焚烧烟气中氯化氢气体的处理实验，分析了半干法工艺在处理高浓度氯化氢气体方面的可行性及经济性，结果表明：

1）半干法工艺能去除烟气中的大部分氯化氢气体，但由于烟气中氯化氢原始浓度较高，经半干法处理后的平均浓度仍达457.20 mg/m3，距离排放标准（国家标准GB 18484—2020 危险废物焚烧污染控制标准60 mg/m3，上海标准DB 31/767—2013 50 mg/m3）仍然有较大距离。

2）采用半干法及碳酸氢钠干法的组合工艺，能进一步有效去除烟气中的氯化氢气体，经处理后的氯化氢平均浓度可达18.47 mg/m3，满足排放标准要求。

3）在药剂使用成本方面，半干法及碳酸氢钠干法工艺较氢氧化钙干法及湿法组合工艺处理每吨医疗废物药剂费低6 元左右。在能满足净化效果的前提下，由于半干法及碳酸氢钠干法组合工艺不会产生含盐废水，因而对于医疗废物焚烧项目具有更强的适应性，可推广至同类医疗废物焚烧处置厂。