医疗废物热等离子体处理系统的优化 A

图2 非转移弧直流等离子枪 

工作气体：空气（配空气压缩机）；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：>250 h 阳极：>500 h；电源：高频逆变开关电源；电热转换效率：大于90%。 

3 主炉及附件 

在借鉴INER及清华大学力学系设计方案的基础上，图3是深圳清华大学研究院（RITS）改进后自主开发的处理量200 kg/h等离子体医疗特种垃圾处理系统主炉图。主炉主要由主燃烧室、下部坩锅、二次燃烧室、自动上料装置和出灰装置组成。与处理量100 kg/h的系统相比，主燃烧室、二次燃烧室和转折烟道部分都进行了扩容，而且在主燃烧室内采用两只等离子枪，分别从侧墙按一定角度斜插入主燃烧室。主燃烧室温度设计温度依然在1 600 ℃以上，二燃室温度控制在1 100~1 200 ℃，两燃烧室之间的转折烟道也采用了强化紊流的结构设计，可保证二次空气和热解气体进行充分的混合，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；双自动门连锁控制装置采用汽缸推杆装置进行控制，两个自动门在进料的过程中始终保持一个关闭，以免因主燃烧室的负压而吸入过量空气。鉴于自动门动作频繁，易产生磨损，影响其封闭性能，改进设计采用了槽道结构，并进行了增强润滑的设计，保证其动密封性良好。另外，下自动门还敷设了耐火材料，可耐高温；仍采用冲水出渣的方式，高温炉渣落入水中被激冷破碎成小颗粒状后直接冲出，主燃烧室下部出渣部分与外部采用了水封渣坑，防止外部空气从下部进入燃烧室。冲出的玻璃状灰渣无害，可被用做铺路石等建材，其成分如表1所示；另外，要保证烟气在二燃室停留的时间大于2 s，以减少二噁英的生成。烟气在二燃室的流速较低，长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的清理。 

表1 玻璃化熔融渣成分 

4 尾气处理工艺的改进 

为了避免二噁英的再次合成，1 200 ℃的高温烟气经过急冷塔的碱液喷淋后，可在1～2 s内下降到200 ℃以下，同时氯气及氯化物、二氧化硫等酸性气体和很大一部分低沸点金属在该部分已经被有效地从烟气中去除，但碱液喷淋并不能有效地去除NOx。 

等离子体医疗垃圾处理系统的高温可以有效的遏制二噁英的产生，还可以使灰渣玻璃化、无害化、资源化，这是新一代垃圾焚烧炉发展的方向。但是，高温也使得采用空气作为工作气体的等离子体装置中NOx的产量较大。因此，在RITS等离子体医疗垃圾处理系统中尾气脱氮技术非常重要。常用的脱氮工艺中，无论是SCR还是SNCR，其温度窗口等参数均不适用于等离子体处理系统。RITS在处理量为100 kg/h的等离子体系统中采用活性焦—氨工艺，能够实现高效脱氮，同时吸附引入进一步脱除了重金属、二噁英等有害物质，排烟中各项污染物含量远低于国家规定的排放限值。但是，活性焦-氨法脱氮工艺需要使用氨，而氨的运输和贮存比较麻烦，而且活性焦的再生需要高温蒸汽和氨发生系统，这在某些应用场合使用起来很不方便，因此还需要开发另一种简单可靠的脱氮工艺。 

图3 RITS等离子体医疗垃圾处理系统主、侧剖视图 

采用微波-活性炭法脱硫脱氮在俄罗斯已经实现工业化，美国等国家也进行过系统的研究[7]，并取得了很好的效果，它具有脱氮效率高，系统简单，仅用电等优点。其原理如下：活性炭是一种性能优良的微波吸收剂，同时又是一种性能良好的还原剂。当将活性炭置于微波场中时，产生的热量使得活性炭温度迅速提高，在NO分子与活性炭之间形成了很大的温度梯度，NO分子中的氧基与相邻的炭反应生成了CO或CO2，氮基则被还原成了N2。 

RITS对微波-活性炭法脱氮技术也进行了初步的试验研究。试验装置如下图4所示。在一台微波炉的上下表面开孔，并通过直径为1 cm的金属管引出，在两根金属管之间连接一根内径3 cm的石英管，石英管内填充山西新华化工厂直径为2～3 mm的脱硫脱氮专用颗粒活性炭，填充高度15 cm，石英管和金属管之间通过聚四氟乙烯管连接固定。NO通过钢瓶配气系统产生。通过烟气分析仪测量处理前后NO浓度的变化。 

图4 微波炉改装的脱氮实验装置 

图5是功率为250 W，NO入口质量浓度830 mg/L，3~15 min内NO平均降解率随气体流量的变化。图6是NO入口质量浓度为830 mg/L，气体流量为4.2 L/min，3~15 min内NO降解率随微波功率的变化。由图5可以看出，本实验中功率一定时，NO降解率随气体流量的增大而减小，但是，当气体流量小于5 L/min时，NO降解率基本上可以保持在95%以上。由图6可以看出，流量一定时，NO降解率基本上是随着微波功率的增大而增大，但是，在本实验的研究范围内，当微波功率大于600 W时，随着微波功率的增大，NO降解率出现了一定的波动，呈现出下降的趋势，这可能是由于活性炭床层温度过高，使得N和O重新发生结合的结果，同时实验中也发现了活性炭层有间歇性发光放电现象。