Optimization of supporting design for medical waste incineration process and testing analysis of incineration system performance
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摘要:
为了高效、安全、达标地焚烧医疗废物，对主焚烧工艺配套设备（一燃室、二燃室）设计核算并进行设计参数复核；选定锯末和木块作为标准测试废物的基体，对焚烧系统在焚烧过程中的氯化氢去除率、重金属汞去除率、燃烧效率、残渣热灼减率、烟尘去除率、二噁英排放浓度与性能评分的变化进行研究。采用热工程理论计算方法，对一燃室和二燃室体积进行计算；并测定焚烧过程中性能指标数的变化，用SPSS 22软件进行模型相关性分析。结果表明：反算一燃室、二燃室体积分别为1.20、3.30 m3，均小于实际炉膛内体积，满足要求。性能评分与氯化氢去除率、重金属汞去除率、烟尘去除率、燃烧效率呈极显著正相关关系（R分别为0.965、0.966、0.982、0.997），性能评分与热灼减率呈极显著负相关关系（R为−0.986），性能评分与二噁英排放浓度呈显著负相关关系（R为−0.957）。
Abstract:In order to realize efficient, safe incineration of medical waste, meeting with the environmental standards, the design calculation for the main incineration process supporting equipment (including primary combustion chamber and secondary combustion chamber) was carried out and the design parameters were reviewed. Sawdust and wood blocks were used as substrates for test waste. The parameters of the incineration process, including hydrogen chloride removal rate, heavy metal mercury removal rate, combustion efficiency, residual heat removal rate, soot removal rate, dioxin emission concentration, and overall system performance score, were studied. The volumes of the primary combustion chamber and secondary combustion chamber were determined using methods of thermal engineering theory. Performance metrics were monitored during the incineration process, and correlation analysis was conducted using SPSS 22. The results showed that the volumes of the primary combustion chamber and secondary combustion chamber were inversely calculated as 1.20 and 3.30 m³, respectively, both of which were smaller than the actual furnace volume and met the requirements. The performance score exhibited a strong positive correlation with the removal rates of hydrogen chloride, heavy metal mercury, soot, and combustion efficiency (R=0.965, 0.966, 0.982, 0.997, respectively). Conversely, the performance score was significantly negatively correlated with thermal degradation rate (R=−0.986) and dioxin emission concentration (R=−0.957).
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Key words:
- medical waste /
- pyrolysis gasification furnace /
- incineration system /
- performance test /
- dioxin
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表 1 张家口市医疗废物的元素组成及元素收到基含量
Table 1. Elemental composition and element receiving base content of medical waste in Zhangjiakou city
% WC,ar WCl,ar WS,ar WO,ar WH,ar WN,ar $W_{\mathrm{H_2}\mathrm{O},\mathrm{ar}} $ W灰分ar 34.23 0.66 0.16 20.52 5.93 0.78 25.54 12.18 注：ar为收到基。 
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表 2 烟气设计主要参数
Table 2. Main parameters of flue gas design
m3/kg 项目 指标 计算公式 数值 CO2理论容积 $V_ {0{\mathrm{CO}}_2}$ WC,ar/12×（22.4/100） 0.639 0 SO2理论容积 $V_ {0{\mathrm{SO}}_2} $ WS,ar/32×（22.4/100） 0.001 1 N2理论容积 $V_ {0{\mathrm{N}}_2} $ WN,ar/100×（22.4/28） 3.123 6 H2O理论容积 $V_ {0{\mathrm{H}}_2{\mathrm{O}}} $ 11.1×WH,ar/100+1.24×$W_{\mathrm{H_2}\mathrm{O},\mathrm{ar}} $/100+
0.0161×Vk00.982 0 HCl含量估算 V0HCl 0.631×WCl,ar/100 0.004 2 理论干烟气体积 V0dg $V_ {0{\mathrm{N}}_2} $+$V_ {0{\mathrm{CO}}_2} $+$V_ {0{\mathrm{SO}}_2} $+V0HCl 4.749 8 实际燃烧产体积
（干烟气）Vdg V0dg+（a−1）×Vk0 6.014 7 实际水蒸气容积 V $V_ {0{\mathrm{H}}_2{\mathrm{O}}} $+0.016×（a−1）×Vk0 1.002 2 实际燃烧产体积
（湿烟气）Va.wg Vdg+$V_ {0{\mathrm{H}}_2{\mathrm{O}}} $ 7.016 9 注：a为空气消耗系数，取值为1.32。
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表 3 一燃室、二燃室体积计算公式的主要参数
Table 3. Main parameters for calculation of primary combustion chamber and secondary combustion chamber
项目 单位 计算公式 一燃室、二燃室烟气量 m3/h Qpg×（273+TGT）/273 一燃室热量 kW/h Qnet,ar×0.092/1 000×（1−20%） 二燃室热量 kW/h Qnet,ar×0.092/1 000 一燃室、二燃室炉膛
容积热负荷kW/m3 一燃室、二燃室的热量/
炉膛内体积一燃室、二燃室烟速 m/s 烟气量/炉排面积 二燃室烟气通过时间 s 高度/烟速 注：TGT为初始温度，一燃室TGT为900 ℃，二燃室TGT为1 100 ℃。
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表 4 基质检测方法
Table 4. Substrate detection methods
检测项目 分析方法 氯离子 GB 5085.3—2007《危险废物鉴别标准 浸出毒性
鉴别》中离子色谱法热值 GB/T 213—2008《煤的发热量测定方法》 硫含量 GB/T 214—2007《煤中全硫的测定方法》 含水量 GB/T 211—2017《煤中全水分的测定方法》 灰分 GB/T 212—2008《煤的工业分析方法》
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表 5 焚烧炉大气污染物排放限值
Table 5. Emission limits of air pollutants in incinerators
污染物 单位 排放限值 污染物 单位 排放限值 烟气黑度 格林曼级 1 氮氧化物 mg/m3 400 颗粒物 mg/m3 20 氯化氢 mg/m3 50 一氧化碳 mg/m3 50 汞及其化合物 mg/m3 0.05 二氧化硫 mg/m3 100 二噁英类 TEQng/m3 0.1
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表 6 焚烧系统性能评定指标
Table 6. Performance evaluation indexes of incineration system
评级 热灼减量/% 燃烧效率/% 燃烧去除率/% 废气排放浓度 优（40分） 0~3 100 ﹥90 达标 良（30分） 3~5 99 80~90 少部分超标 中（20分） 5~7 燃烧效率不达标 60~80 大部分超标 差（10分） ﹥7 燃烧效率严重超标 ﹤60
大部分超标全部超标
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表 7 废气检测方法
Table 7. Waste gas detection methods
检测项目 分析方法及标准代号 烟气黑度 《空气和废气监测分析方法》（第四版增补版）
测烟望远镜法颗粒物 HJ 836—2017《固定污染源废气 低浓度颗粒物的测定 重量法》 氯化氢 HJ/T 27—1999《固定污染源排气中氯化氢的测定
硫氰酸汞分光光度法》二氧化硫 HJ 57—2017《固定污染源废气 二氧化硫的测定
定电位电解法》氮氧化物 HJ 693—2014《固定污染源废气 氮氧化物的测定
定电位电解法》一氧化碳 HJ 973—2018《固定污染源废气 一氧化碳的测定
定电位电解法》二氧化碳 HJ 870—2017《固定污染源废气 二氧化碳的测定
非分散红外吸收法》汞及其化合物 HJ 543—2009《固定污染源废气 汞的测定
冷原子吸收分光光度法》（暂行）二噁英 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-高分辨谱法》
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表 8 配置测试物中特征物质浓度
Table 8. Characteristic substance contents in the configured test substance
干燥基高
位发热量/
（kJ/kg）收到基低位
发热量/
（kJ/kg）氯浓度/% 硫浓度/% 含水量/% 灰分/% 18.61 8.57 3.89±1.3 0.07±0.01 45.56±2.7 4.56±0.8
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表 9 焚烧系统在焚烧过程中理化指标变化
Table 9. Physical and chemical indexes change during the incineration process in the incineration system
时间/min 氯化氢去除率/% 汞去除率/% 烟尘去除率/% 热灼减率/% 燃烧效率/% 二噁英排放浓度/（TEQng/m3） 性能评分/分 20 71.6±1.4 73.5±1.8 79.5±1.3 21.6±2.7 78.49±2.41 0.758±0.053 42±3 30 83.6±1.5 80.4±1.6 84.6±1.1 12.7±2.2 80.74±1.66 0.346±0.097 57±2 40 85.2±1.8 85.8±1.4 93.8±2.6 7.4±1.3 92.46±2.33 0.194±0.159 73±4 50 91.7±0.8 88.3±0.9 95.3±1.5 4.3±0.8 98.69±0.90 0.088±0.008 85±5 60 92.8±0.9 89.4±1.5 97.2±1.4 2.1±0.7 99.99±0.00 0.064±0.110 88±1
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表 10 焚烧系统的性能指标之间的相关性分析
Table 10. Correlation analysis between the performance indicators of the incineration system
项目 氯化氢
去除率汞去
除率烟尘
去除率热灼减率 燃烧效率 二噁英
排放浓度汞去除率 0.999** 烟尘
去除率0.987** 0.988** 热灼减率 −0.993** −0.994** −0.996** 燃烧效率 0.947* 0.948* 0.972** −0.973** 二噁英
排放浓度−0.999** −0.999** −0.984** 0.990** −0.938* 性能评分 0.965** 0.966** 0.982** −0.986** 0.997** −0.957* 注：**表示P<0.01，为极显著相关；*表示P<0.05，为显著相关。
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表 11 焚烧60 min时烟气排放结果
Table 11. Flue gas emission results when burning 60 min
检测项目 标准限制 实测值 折算值 颗粒物/（mg/m3） ≤20 5.9±0.3 15.1±1.6 氯化氢/（mg/m3） ≤50 2.2±0.5 5.8±1.3 二氧化硫/（mg/m3） ≤100 1.1±0.3 3.2±0.4 氮氧化物/（mg/m3） ≤400 102±6 264±30 一氧化碳/（mg/m3） ≤50 6±2 15±4 二氧化碳/（mg/m3） 101±4.16 261±29 汞及其化合物/（mg/m3） ≤0.05 0.006 6±0.000 6 0.017 0±0.002 0 二噁英/（TEQng/m3） ≤0.1 0.025±0.007 0.071±0.014 烟气黑度/级 ≤1 <1 <1 1）折算值=实测大气污染物排放浓度×（21−基准含氧量）/（21−实测氧含量），基准含氧量为11%。
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