醫療廢物焚燒爐渣熔融特征分析范文

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摘要：該文針對醫療廢物高溫熔融，研究了熔融過程中添加劑對熔化/流動溫度、熔體粘度、電導率、熔融失重、玻璃相含量的影響。結果表明：醫廢焚燒爐渣熔化/流動溫度隨CaO、SiO2添加量增加均呈先降后升的趨勢，醫廢爐渣原始熔化/流動溫度為1173℃；添加CaO能降低醫廢焚燒爐渣熔體粘度；熔體電導率隨溫度升高而增大；CaO、SiO2對醫廢焚燒爐熔融失重呈相反的效果；氯化物對玻璃相含量無明顯影響。

關鍵詞：醫廢焚燒爐渣；熔融；添加劑

醫療廢物高溫焚燒是醫廢處理領域的主流技術，焚燒將產生2%~3%飛灰和20%~25%爐渣。醫廢焚燒爐渣不屬于危險廢物，具有資源化前景，焚燒飛灰含有重金屬、二噁英類等，屬于危險廢物，一般采用安全填埋場填埋；醫廢焚燒灰渣資源化利用是亟待解決和制約環保產業可持續發展的難點[1]。焚燒灰渣熔融玻璃化技術被認為是處理焚燒灰渣最為有效和徹底的途徑。胡明等通過改變添加劑含量和熔融溫度，研究添加劑對危廢灰渣等離子熔融重金屬固化率的影響[2]；研究添加劑配方、熔體冷卻方式、飛灰預處理等對生活垃圾飛灰熔融玻璃化的影響[3]。張楚等利用高溫管式爐對生活垃圾焚燒飛灰在高溫下的物質遷移和熔融玻璃體的浸出開展研究[4]。然而，針對醫廢焚燒灰渣的形成特征性研究鮮有報道。本研究針對醫廢焚燒爐渣，采用不同添加劑配方，探索物料熔融特性，為醫廢焚燒爐渣熔融工程化應用提供數據支持。

1實驗與方法

1.1實驗材料

醫廢焚燒爐渣樣品取自上海市固體廢物處置有限公司3#醫廢焚燒線，樣品先在105℃溫度烘干3h，再經行星球磨機磨粉，球磨罐和耐磨球為碳化鎢材質，磨粉后的物料用于試驗研究。

1.2實驗方法

物料成分采用臺式X熒光光譜儀（SPECTROXEPOS）分析。采用灰熔點測試儀（HR-8）檢測混料及爐渣原樣熔點。采用熔體物性測定儀（RTW-2010）檢測不同配方熔體粘度、導電率、密度等。采用高溫管式爐（GSL-1600X）開展醫廢焚燒爐渣熔融實驗。稱取一定量醫廢爐渣置于剛玉坩堝中，添加不同比例的添加劑（CaO、SiO2、CaCl2），在管式爐中梯度加熱到1400℃，持續3h，加熱完成后迅速從管式爐中取出在空氣中冷卻，對比熔融前后物料變化。

2結果與討論

2.1醫廢爐渣主要成分分析

玻璃體的主要成分為CaO、Al2O3、SiO2，取不同時期的10組醫廢爐渣樣品進行成分分析，SiO2含量在27.58%~48.36%，平均為40.04%；CaO含量在17.42%~23.73%，平均為20.15%；Al2O3的含量在7.96%~10.59%，平均為9.07%。醫廢爐渣中二氧化硅含量較高，這主要是由于醫療廢物中有大量的玻璃物品進入醫廢焚燒爐，這與安春國的研究結果一致[5]。取其中1組物料，成分檢測結果為SiO2:45%，CaO:15%，Al2O3:11%。按照熔融后理想狀態只有二氧化硅、氧化鈣、氧化鋁三種成分，則其三元含量分別為63%，22%，15%，從三元相圖中看，其熔融溫度區間在1170~1300℃內。

2.2熔化/流動溫度變化

S1為爐渣原樣，S2-S5分別為添加3%、5%、8%、10%的氧化鈣，S6-S8分別為添加3%、10%、15%的二氧化硅。不同添加劑的醫廢爐渣三元相含量及物料熔點如表1所示。醫廢焚燒爐渣熔化/流動溫度為1173℃，低于生活垃圾焚燒飛灰[6]，接近于三元相圖中的最低溫度。隨著氧化鈣添加量增加，熔化/流動溫度呈先降后升的趨勢，與生活垃圾焚燒飛灰[7]、煤灰[8]流動溫度變化趨勢一致。氧化鈣添加量為8%時熔化/流動溫度最低。熔化/流動溫度與二氧化硅添加量的關系也是出現先降后升的趨勢，與高鈣飛灰中添加石英熔融流動溫度趨勢一致[9]。二氧化硅添加量為10%時熔化/流動溫度最低。

2.3熔體粘度特性

粘度為熔體流動性的表征，一般溫度越高，粘度越低，流動性越好。不同配方的醫廢焚燒爐渣粘度-溫度曲線見圖1，粘度隨溫度升高而降低。1400℃時，添加8%CaO對于醫廢爐渣熔體粘度的降低有顯著的作用，將熔漿的粘度從8PaS降至最低約1.4PaS。添加二氧化硅對熔體粘度無明顯影響；添加氧化鈣顯著降低熔體粘度，提高流動性，且流動性改善效果隨氧化鈣添加量增加呈先增后減的趨勢。在爐渣堿度較低的情況下，堿性氧化物的促進爐渣中硅酸聚合體解聚，降低爐渣粘度；而當堿度達到一定值后，爐渣粘度則由于高熔點物質增加而增加[10]。本研究中氧化鈣添加量為8%時熔體粘度最小，流動性最好，過量的氧化鈣會抑制流動性，影響熔體出渣效率。

2.4熔體電導率特性

熔體電導率為表征熔體導電性能的參數，多被用于熔鹽電解。電阻熔融爐通過電極通電與熔體形成回路，利用電阻熱熔融物料。熔體電導率與電阻呈反比，是影響電熱轉化效率、熔體溫度的重要參數。不同配方熔體在1250℃、1300℃和1400℃的電導率見圖2。醫廢爐渣熔體電導率在1250℃時較低，約在0.03s/cm，在1300℃時升高到0.06~0.08s/cm。到1400℃時電導率大幅度增加，達到了0.13~0.14s/cm。熔體電導率隨溫度升高而增大，與熔鹽體系中溫度與電導率正向線性關系一致[11]。溫度升高熔體粘度降低，電子移動受阻減小，電導率提高。醫廢爐渣熔體電導率隨氧化鈣添加量增加而提高，熔融狀態下，氧化鈣分解為帶電離子，受施加電壓影響定向移動，提高電導率。

2.5玻璃體失重率

表2表示添加不同比例的SiO2和CaO的醫療廢物焚燒濾渣，熔融后的失重情況。由1#和2#可知添加氧化鈣可促進熔融失重，可能原因為氧化鈣降低熔點，使爐渣中部分物質更易于揮發。由1#和3#、2#和4#可知，添加二氧化硅可減少熔融失重，二氧化硅熔融狀態易形成晶格，晶格穩定重金屬離子，抑制物質的揮發。

2.6氯鹽添加對熔融效果的影響

為了探究醫療廢物熔融過程中氯鹽揮發產生的影響，不同比例的氯鹽加入至物料中，玻璃體失重情況如圖3所示。熔體失重率與氯化鈣添加量呈正比。氯化鈣沸點為1600℃，但由于氧化鈣的存在會降低爐渣其它成分的沸點，使得大部分氯化鹽大部分揮發。熔融后玻璃化產物玻璃相含量結果表3所示。隨氯化鈣的添加量增加，而熔融玻璃體中氯含量也隨之增加，在投加20%氯化鈣時，形成的玻璃體中氯的含量可達2.9%。因大部分氯化物揮發，氯鹽添加的對玻璃體的形成無較大影響，玻璃體含量均在99%以上。

3結語

（1）醫廢焚燒爐渣熔化/流動溫度隨CaO、SiO2添加量增加均呈先降后升的趨勢，最適添加量分別為8%和10%；添加CaO能降低醫廢焚燒爐渣熔體粘度，過量的氧化鈣會抑制流動性，CaO添加量為8%時，熔體粘度最低；（2）添加CaO的醫廢爐渣熔體電導率隨溫度升高而增大，1400℃時電導率最大為0.13~0.14s/cm；（3）氯化物對玻璃相含量無明顯影響，大部分揮發損失，而玻璃體中氯的含量可達2.9%。

參考文獻：

[1]史昕龍,鐘江平,張佳.醫療廢物熔融底渣毒性特性及資源化利用探討[J].環境衛生工程,2018,26(05):28-30.

[2]胡明,宮臣,邵哲如,等.危廢焚燒灰渣的等離子熔融特性研究[J].工業加熱,2018,47(02):5-10.

[3]胡明.生活垃圾焚燒飛灰等離子體熔融玻璃化技術研究[C].中國環境科學學會科學技術年會論文集（第二卷）,2019:1001-1010.

[4]張楚,王爽.城市垃圾焚燒飛灰高溫熔融處理實驗研究[J].遼寧石油化工大學學報,2019,39(06):31-35.

[5]安春國.醫用玻璃及醫療廢物灰渣熔融特性研究[D].浙江大學,2010.

[6]田書磊,王琪,王偉.復合添加劑對垃圾焚燒飛灰熔融固化處理的影響[J].環境衛生工程,2009,17(03):1-3.

[7]陶應翔.添加劑對垃圾焚燒飛灰高溫熔融的影響研究[D].哈爾濱工業大學,2019.

[8]劉鵬博,陳國艷,張喬生,等.CaO對煤灰熔融特性的影響[J].能源研究與管理,2020(01):29-32.

[9]張瑞娜,趙由才,夏旻,等.化學組成對高鈣垃圾焚燒飛灰熔融性的影響研究[J].廣東化工,2018,45(16):73-75.

[10]佟志芳,喬家龍,陳濤.爐渣組分對CaO-Al2O3-SiO2-TiO2-MgO-Na2O渣系粘度的影響[J].過程工程學報,2016,16(02):189-196.

[11]房孟釗,廖春發,王旭.NaCl-KCl-Na2WO4熔融體系的電導率研究[J].湖南有色金屬,2019,35(05):27-30.

作者：晏振輝 孔旺盛 單位：上海市固體廢物處置有限公司