醫療廢物低溫熱解技術應用研究

摘 要：【目的】近年來，我國醫療廢物產生量不斷增加，迫切需要通過新型技術應用改善傳統技術存在的問題，提高醫療廢物綜合處置能力和能源利用效率。【方法】采用低溫熱解技術能夠將含塑固廢中的碳氫化合物轉化為高附加值的熱解產物。本次試驗利用各類分析檢測手段，論證醫療廢物消毒尾渣熱解可行性，探尋最佳熱解條件并分析熱解產物基礎特性。【結果】醫療廢物消毒尾渣熱值高、含水率低、揮發分高。在氮氣氣氛500 ℃的熱解系統中，熱解90 min，可得到較高比例的可燃氣、熱解油、熱解炭渣和熱解水。【結論】將低溫熱解技術應用于醫療廢物處理處置領域，改變了傳統處置技術所存在的各類問題，實現了醫療廢物處理過程的資源化、無害化、減量化，符合“雙碳”發展規劃，有利于構建綠色低碳循環發展體系。

關鍵詞：醫療廢物；低溫熱解；可燃氣；熱解油

中圖分類號：X705 " " "文獻標志碼：A " " 文章編號：1003-5168（2024）12-0088-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.12.018

Research on the Application of Low-Temperature Pyrolysis Technology for Medical Waste

GENG Hongpei CHEN Jingwei BAI Derui XU Zenghui FAN Lipeng ZHANG Wenchao

（Henan Tianchen Xinyuan Environmental Protection Science amp; Technology Research Institute Co. Ltd， Zhengzhou 451192， China）

Abstract： [Purposes] In recent years， the amount of medical waste generated in China has been continuously increasing， and there is an urgent need to improve the problems of traditional technologies through the application of new technologies， enhance the comprehensive disposal capacity of medical waste， and enhance energy utilization efficiency. [Methods] The use of low-temperature pyrolysis technology can convert hydrocarbons in plastic-containing solid waste into high-value by-products. This experiment employs various analytical and detection methods to demonstrate the feasibility of pyrolysis of medical waste disinfection tailings， explore the optimal pyrolysis conditions， and analyze the basic characteristics of pyrolysis products. [Findings] Medical waste disinfection tailings have high calorific value， low moisture content， and high volatile content. In a nitrogen atmosphere， after 90 min at 500 ℃ in a pyrolysis system， a high proportion of combustible gas， pyrolysis oil， pyrolysis carbon residue， and pyrolysis water can be obtained. [Conclusions] The application of low-temperature pyrolysis technology in the field of medical waste treatment and disposal changes various problems existing in traditional disposal technologies， achieves resource utilization， harmless treatment， and reduction in the medical waste treatment process， conforms to the \"dual carbon\" development plan， and is conducive to building a green， low-carbon， and circular development system.

Keywords： medical waste， low-temperature pyrolysis， combustible gas， pyrolysis oils

0 引言

醫療廢物主要成分為塑料、橡膠、纖維布類、紙類等，熱值較高。隨著經濟發展及醫療衛生事業的進步，我國每年醫療廢物的產生量不斷增加。目前針對醫療廢物處置技術普遍存在控制難度大、資源利用效率低等問題。因此，當下迫切需要通過新型技術應用改善傳統技術存在的問題，提高醫療廢物綜合處置能力和能源利用效率。

低溫熱解技術是將有機物置于350～900 ℃的缺氧環境中分解，聚合物大分子鏈發生無規則隨機斷鏈、交聯和脫鏈等反應，最終轉化為可燃氣、熱解油和炭渣的過程［1］。結合當前“雙碳”目標要求，本研究將對低溫熱解技術應用于醫療廢物處理處置領域的可行性進行分析，為后續工業化應用提供技術支持。

1 試驗部分

1.1 試驗樣品及性質分析

試驗用醫療廢物取自河南省某地市醫療廢物處置中心的干化學消毒處置線，醫療廢物經過雙級物料破碎和化學消毒處理后尺寸lt;50 mm。破碎毀形后的醫療廢物（以下稱為原樣）經均勻混合后，隨機取3份樣品（每份100 g）用于試驗分析，分別命名為Y-1、Y-2、Y-3。

原樣工業分析及元素分析結果見表1，其組分含量均為干基含量。由表1可知，醫療廢物消毒后的尾渣具有熱值高、含水率低、揮發分高的特點，適合采用熱解技術進行后續資源綜合利用處理。

1.2 試驗方法

結合現階段的研究成果，在氮氣環境、溫度500～600 ℃和充足的停留時間下，產生可燃氣和熱解油的比例達78.57%以上［2-3］。

將本試驗樣品進行熱重試驗分析，結果如圖1所示。由圖1可知，醫療廢物消毒尾渣集中熱解溫度約合500～550 ℃，在此溫度條件下，TG約合30%～40%，綜合工業分析中灰分及固定碳累加含量，也即此溫度下消毒尾渣已基本熱解完全。另外，結合TG-DTA分析，熱解時間在70 min時物料已基本熱解完全。因此，本試驗設定小型熱解試驗爐（旋轉管式氣氛爐）在氮氣氣氛下（設定流量200 mL/min）、熱解溫度500 ℃、熱解時間90 min。

對1.1中每份原樣分別進行3次平行試驗。熱解試驗過程歷經裝樣、氮氣吹掃、升溫、熱解、自然冷卻、油水分離、產物收集等環節。在試驗結束后，按照表2所示方法分析熱解產物基礎特性。

2 試驗結果與討論

2.1 熱解產物比例分析

熱解試驗所得各項產物比例分布如表3所示。

由表3可知，本次熱解過程分別獲得了24%～28%可燃氣、25%～31%熱解油、29%～36%熱解炭渣和13%～15%熱解水。其中，系統所產出的熱解水與表1中的水分含量基本等同，說明熱解水多數來自于物料自身。

2.2 熱解產物性質分析

2.2.1 可燃氣組分分析。原樣熱解產生的可燃氣組分分析如表4所示，主要成分為甲烷、氫氣、乙烷、乙烯、丙烯等，與相關學者們熱解試驗氣體組成相同［4］，進一步驗證了在此熱解條件下有機組分分解較為徹底。同時，可燃氣中高比例的氫氣（約12.69%）助長了其熱值，分析檢測結果顯示，其高位熱值約合66.61 MJ/m3，比天然氣高35 MJ/m3左右［5］，其經濟附加值較高，有利于后續技術轉化及應用。另外，該種組分的可燃氣在后續的產出及輸送過程中還應考慮安全風險。

結合表4數據可知，可燃氣中硫、氯含量較低，重金屬含量未檢出。這間接說明了可燃氣純度較高，后續在燃燒供能階段產生的煙氣中污染物超標風險較低［3］。

2.2.2 熱解液性質分析。本試驗收集熱解液體后，經實驗室冷卻裝置分離熱解油和熱解水組分。從表5熱解油性質分析中發現，其熱值在41.65～39.73 MJ/kg，與柴油熱值接近（46.05 MJ/kg，參考《綜合能耗計算通則》（GB/T 2589—2020））。結合學者研究發現，熱解油主要由烯烴、烷烴、芳香烴、呋喃類和醛酮類物質組成［6］，其沸點高于350℃的重質餾分約占原油質量的30%以上［7-8］，通過提質后可替代燃料油使用，具有較高的經濟價值［9］。

綜合表6的分析結果可知，經油水分離后的熱解水中懸浮物、氨氮、COD、BOD5和TDS等指標均在較高水平，主要原因是熱解液存在乳化現象，在實驗室條件下油水分離不夠徹底，不能反映實際工業化項目的情況。因此，在后續應用過程中建議配備完善的油水分離裝置，有利于獲得高品質的熱解油，降低熱解水的處理難度。

2.2.3 熱解炭渣組分分析。熱解炭渣是熱解后的殘炭、灰分及各類無機物的混合固體殘留產物，熱解炭渣的組分分析見表7。

綜合表7和表3分析結果可知，熱解炭渣中灰分及固定碳占比較高，故在此條件下物料熱解較為充分。另外，熱解炭渣綜合低位熱值約合4.85±0.95 MJ/kg，參考前人研究可知，500～600 ℃下熱解炭渣表面碳分布以C=C/C-H（石墨碳）、C-C/C-H（脂肪碳）和C-OH/C-O-C（C-O鍵中的碳）為主，可用作固體燃料，同時熔融態的熱解炭渣吸附能力極好，可活化用于制作活性炭［6］。最后，結合表7的分析結果可以看出，熱解炭渣中重金屬含量較高，后續可考慮采用必要的分離技術實現更高的經濟收益產出。

3 結論

綜合上述分析可以得出如下結論：①醫療廢物消毒尾渣具有熱值高、含水率低、揮發分高的特點，適合采用熱解技術進行后續資源綜合利用；②醫療廢物消毒尾渣最佳熱解條件為：氮氣氣氛（設定流量200 mL/min）、熱解溫度500℃、熱解時間90 min，此條件下熱解產物產出率為24%～28%可燃氣、25%～31%熱解油、13%～15%熱解水和29%～36%熱解炭渣；③熱解所得可燃氣具有成分簡單、熱值高、污染組分低的特點，具有較高的經濟附加值；④熱解油的熱值與柴油熱值接近，后續在工業化應用中應重點考慮油品提質問題；⑤熱解炭渣具有一定的熱值，且重金屬含量較高，后續可考慮增設分選及其他設施進一步提高經濟附加值。

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