医疗废物热解焚烧虚拟仿真实验平台设置及组成研究

2022-10-18张伟柴森友刘心悦左其亭

科学咨询 2022年17期

张伟，柴森友，刘心悦，左其亭

（1.郑州大学生态与环境学院，河南郑州 450001;2.郑州大学水利科学与工程学院，河南郑州 450001）

根据2005年国务院颁布的《医疗废物管理条例》规定，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。医疗废物中含有大量病原微生物和有害化学物质，甚至会有放射性和损伤性物质。对医疗废物若处理不当，会给人民群众身体健康和环境安全带来较大隐患[1]。医疗废物处理工艺主要有高温蒸煮、化学消毒、微波消毒和热解焚烧等，其中热解焚烧处理因具有快速减容、减量和减毒能力，是世界范围内处理医疗废物优先推荐的技术，广泛应用于各种医疗废物[2]。

自2020年年初以来，医疗废物产生量和处理量均骤增，且医疗废物成分和比例也发生相应变化，如表1所示：

表1 某市新冠疫情前后医疗废物成分和性质对比[3]

在当前的全球形势下，医疗废物的无害化处理成为研究热点和关键技术突破瓶颈。在环境类专业课程教学中，针对医疗废物的热解焚烧处理相关理论课及实验教学的普及迫在眉睫。但由于医疗废物本身危险性极大，限制了实地进行实验操作的可行性，广大环境类学子无法深入了解和掌握医疗废物热解焚烧处理的基本原理及过程，而虚拟仿真实验的设计和构建可有效弥补此缺陷和关键制约。通过设置医疗废物热解焚烧处理虚拟仿真实验，可完全避免与医疗废物的直接接触，基于可视化的实验流程与人机互动实现实验操作过程，强化培养学生的实践能力与创新思维。

一、医疗废物热解虚拟仿真实验设计及组成

本虚拟仿真实验平台主要由全程教学、交互操作、模型调控和在线评价四大模块组成，如图1所示。

图1 虚拟仿真实验基本组成及框架

（一）全程教学

该平台重点模拟使用热解焚烧的方法实现医疗废物的无害化处理，对医疗废物的种类、化学组成、热解焚烧处理的工艺选择及设计理念、实习操作等进行详细解说和视频介绍，加深学生对医疗废物结构及化学组成的认识，同时使学生深入了解热解处理工艺各工序构筑物的内部构造及处理原理。

（二）交互操作

该平台交互操作主要分为虚拟实验和仿真操作两个层次。

虚拟实验主要包括基础知识和虚拟实验两个模块。基础知识部分主要对整个课程进行系统讲解，包括医疗废物的处理原则、医疗废物的筛选分类、焚烧炉常用炉型，以及医疗废渣、废气及废水的处理，对相关的医疗废物处理标准进行介绍。学生在完成相关基础知识学习后，通过基础知识检测评分来反馈学习成果。在虚拟实验部分，通过场景搭建实现医疗废物快速焚烧实验的平台操作，同学们研究医疗废物在加热－保温条件下的焚烧规律，分析医疗废物挥发、扩散、混合及焚烧过程及机理，加深对焚烧炉内物质反应的认识，掌握医疗废物焚烧设备的运行及其他污染物的控制过程。基于三维虚拟实验平台，让同学们能够体验实验现场，深入体会操作基本过程，提高学生实际操作能力。

仿真操作则主要包括工艺流程和点火单元两个要点，工艺流程如图2所示。学生在进入实验场景后，可首先开启自由漫游模式，自行观察焚烧炉各单元（医疗废物卸料和分选系统、进料系统、焚烧炉系统、烟气系统、灰渣系统、废水处理系统、余热系统、发电系统及自动化控制系统等）的构造、主要器件及关键组件。在点火单元操作过程，学生可通过中控室和现场开关来完成设备开停及参数调整，实现工况的调控，并能获取在点火及参数调整过程中相应的产物改变。

图2 热解焚烧系统工艺流程[4]

（三）模型调控

以Unity为设计平台，进一步借助3DsMax和Solidworks等软件进行3D建模，通过相应参数的调整，构建相对精确的可视化交互医疗废物热解虚拟仿真模拟平台，呈现出贴合实际的实验操作效果。

（四）在线评价

学生在完成虚拟仿真实验各项操作后，可在系统内对实验操作过程进行在线评价，也可就实验操作过程遇到的各类问题与老师进行线上或线下交流。授课教师可通过系统的数据记录学生的课堂出勤、学生操作及数据分析能力，以便及时纠错。通过在线布置作业，让学生能够更加熟练地操作虚拟仿真实验，加深对实验过程的记忆和理解。

二、医疗废物热解虚拟仿真实验的设计关键参数

医疗废物热解虚拟仿真平台的交互操作是整个平台的核心，而热解参数的选取和调控则是实践过程中极为重要的一环。医疗废物热解焚烧的主要影响因素有医疗废物组成、含水率、热解温度、反应停留时间、加热速率以及热解焚烧炉类型等。

（一）新冠医疗废物的组成

根据世界卫生组织的分类，医疗废物可以分为8类：感染性废物、病理性废物、损伤性废物、化学性废物、细胞毒性废物、放射性废物、药物性废物和一般废物。新冠疫情中产生的医疗废物各成分组成及含量不同，H.A.Abu-Qdais等学者研究表明新冠疫情下医疗废物的组成主要为PCR试剂盒、一次性手套、口罩和防护服等。不同类型的医疗废物，其热解产物也存在明显差异，需在实验设计过程中对其类型进行确定。

（二）新冠医疗废物的含水率

医疗废物的含水率会影响最终热解焚烧过程的能量平衡及产物组成，因此，含水率调控也至关重要。通过含水率的调整，使同学们直观观察热解焚烧炉内反应产物的变化及能量平衡，加深对含水率影响热解焚烧过程的认识。

（三）热解焚烧温度

通常医疗废物热解焚烧温度是指废物中的有害成分在高温下氧化分解直至破坏需要达到的温度[5]。热解焚烧温度是模拟平台设计的关键因素，较高的温度有利于医疗废物结构的破坏，但也会相应增加能量损耗及二次污染物的挥发。焚烧温度的选择主要通过文献阅读和实际实验操作来测定。通过改变医疗废物的焚烧温度，来观察虚拟平台中热解焚烧产物、能源消耗等变化。

（四）停留时间

停留时间有两方面的含义：一是生活垃圾在焚烧炉内的停留时间，它是指生活垃圾从进炉开始到焚烧结束，炉渣从炉中排出所需的时间；二是生活垃圾焚烧烟气在炉中的停留时间，它是指生活垃圾焚烧产生的烟气从生活垃圾中逸出到排出二燃室所需的时间[5]。对于机械炉排焚烧炉，为了让垃圾在炉内得到充分干燥，垃圾在第一级炉排上的停留时间应在100～110秒之间比较合适，为了让垃圾在炉内充分焚烧，第二、三级炉排停留时间一般应在80～100秒之间比较合适，为使垃圾完全烧透，第四级炉排的停留时间应在180～200秒之间比较合适。影响烟气停留时间的主要因素有焚烧炉体积及其长高比，送、引风机间功率的匹配和炉膛负压。经测试，为保证废物和烟气完全分解，烟气在二燃室停留时间2s以上，此后绝大部分有毒有害气体会被彻底破坏，分解为二氧化碳和其他的酸性气体。