【摘 要】
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热解焚烧技术由于无害化程度高、减量化效果好、能源回收效率高等特点,成为当前医疗废物主要处置手段。然而,医疗废物中聚氯乙烯（PVC）比重大,内部氯元素含量高,在热化学处理过程中产生的HCl不仅会引发处理设备的高温腐蚀,还为二噁英（PCDD/Fs）的生成提供了氯源。因此,深入研究医疗废物热解焚烧过程中HCl及PCDD/Fs的生成与控制,将有助于改进处理工艺,提高医疗废物高效清洁处理和能源回收利用效率。
【基金项目】
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国家自然科学基金“垃圾密压装运热解多级高温焚烧零污染机理研究（No.22075093）”项目；
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热解焚烧技术由于无害化程度高、减量化效果好、能源回收效率高等特点,成为当前医疗废物主要处置手段。然而,医疗废物中聚氯乙烯（PVC）比重大,内部氯元素含量高,在热化学处理过程中产生的HCl不仅会引发处理设备的高温腐蚀,还为二噁英（PCDD/Fs）的生成提供了氯源。因此,深入研究医疗废物热解焚烧过程中HCl及PCDD/Fs的生成与控制,将有助于改进处理工艺,提高医疗废物高效清洁处理和能源回收利用效率。本文以热解焚烧工艺为基础,研究了不同组分医疗废物热解产物特性,考察了制备的钙基催化剂对热解过程中HCl的去除和热解气中可燃气效率的提升。深入研究了医疗废物热解焚烧过程多环芳烃类物质氯化和氧化作用对PCDD/Fs的生成与控制机理。重点研究了生物质微米燃料高温焚烧对PCDD/Fs的进一步去除作用。最后,采用生命周期评价方法对医疗废物处理的环境影响、能源消耗、成本分析和社会影响进行了综合评价。具体研究内容和结论如下:（1）针对多组分医疗废物热解产物特性,根据其组分特征进行分类,研究了不同类别医疗废物气相、液相和固相热解产物特性。结果表明:纤维类样品热解产物以酮、醛和酸类为主。木质类样品中,纤维素和半纤维素是构成木质类样品挥发分的主要物质,在270～410°C温度范围样品失重率高达73.10%。高分子类样品中HCl析出量随温度升高而增大,700°C时析出量高达333.76 mg/g。（2）针对PVC热解气中HCl的去除机制,成功制备了新型钙基催化剂(Ca12Al14O33@m Ca O和Ca12Al14O33@m Cu/Ca O),研究了催化剂对PVC热解过程中HCl的去除和热解气中可燃气组分的提升作用。在最佳反应条件下,H2在10 min内即可达到最高稳定值,Ca12Al14O33@m Ca O和Ca12Al14O33@m Cu/Ca O对应的H2产率分别为59.01μmol/g/min和74.51μmol/g/min。且在前五次循环实验中,H2产率无明显下降,HCl去除率始终在60%以上。（3）针对医疗废物PVC热解焚烧过程中多环芳烃类物质氯化和氧化反应的发生与竞争机制,研究了O2参与条件下PVC热解焚烧过程中氯源的生成与转化。PVC热解过程中HCl在O2作用下转变为活性氯原子（Cl-）,Cl-极易与多环芳烃反应生成PCDD/Fs前驱体。当温度为800～900°C、过氧浓度为5%～10%时,氯化物含量为10%左右,热解焚烧过程以氯化反应为主。过氧浓度为10%～20%时,产物中氯化物含量降至1%左右,O2的增加抑制了氯化反应的发生。高温高过氧浓度条件下,PVC热解焚烧产物以氧化裂解反应为主。当温度为900～1100°C、过氧浓度为10%～20%时,氯化物含量低于0.2%,高温强氧化作用抑制了氯化反应的发生。（4）针对医疗废物热处理过程生成的PCDD/Fs,采用催化剂与两级焚烧协同处理方式,研究了钙基催化剂及两级焚烧对医疗废物热解焚烧过程PCDD/Fs的生成与控制机制。结果表明:Ca12Al14O33@m Ca O参与的医疗废物热解焚烧过程对PCDD/Fs类物质的去除率稳定在75%～90%。其次,以生物质微米燃料为二段热源,其高效燃烧可提供1000°C的稳定高温,对PCDD/Fs类物质的二次去除率大于90%。（5）采用生命周期评价方法,构建了3E+S模型,以熵权法和层次分析耦合计算体系综合评价了医疗废物处置方案的环境影响、能源消耗、成本分析和社会影响。三种传统焚烧（方案1）、热解焚烧（方案2）和热解两级焚烧（方案3）处理方案中,方案3中氧化钙的加入对酸性气体和PCDD/Fs类物质的产生具有良好的抑制作用,其人体毒性潜值仅为方案1的69.60%,其次,方案3中以生物质为部分能量供应的替代品,电力消耗量仅为方案1的48.77%。方案2和3实现了能源的高值转化。以上实验结果,有助于医疗废物热化学处理技术工艺的改进,为进一步提高医疗废物高效清洁处理和能源回收利用效率提供了理论指导和数据支撑。
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