等離子體處理醫(yī)療垃圾的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

　　摘要:等離子體技術(shù)可以高溫熔融廢塑料，并對(duì)醫(yī)療垃圾中重金屬固化，前景廣闊。以50t/d的處理規(guī)模為例進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，固定資產(chǎn)投入約為1260．65萬元，年均運(yùn)行成本約為759．9萬元?？赏ㄟ^以城市群為建設(shè)單位，現(xiàn)有處置場(chǎng)增設(shè)等離子體系統(tǒng)，產(chǎn)生的燃?xì)饧盃t渣進(jìn)行能源化及資源化利用等減少資本投入。為等離子體處理醫(yī)療垃圾提供依據(jù)。

　　關(guān)鍵詞:等離子體;醫(yī)療垃圾;技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析;重金屬固化

　　醫(yī)療垃圾是醫(yī)療機(jī)構(gòu)在臨床、保健、預(yù)防等專業(yè)活動(dòng)中產(chǎn)生的一類具有一定傳染性、毒性、腐蝕性等相關(guān)危害的廢棄物，已被列入“危險(xiǎn)廢物名錄”［1-2］。2003年，發(fā)文指出，力爭在較短時(shí)間內(nèi)以地級(jí)市為單位新建一批醫(yī)療垃圾集中處置設(shè)施［3］。鑒于醫(yī)療垃圾的強(qiáng)烈危害，急需采取合理合法的方法對(duì)其處理，包括:填埋堆肥法、高溫高壓蒸汽滅菌法、高溫焚燒法、高溫?zé)峤夥ê痛呕呀夥?、等離子體法、微波-高溫高壓蒸汽處理法及液態(tài)合金處理法等［2，4-6］。

　　1醫(yī)療垃圾產(chǎn)生量現(xiàn)狀

　　據(jù)中華人民統(tǒng)計(jì)局相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2016年末全國共有醫(yī)療衛(wèi)生機(jī)構(gòu)99．3萬個(gè)，床位747萬張，全年總診療人次78．0億人次［19］。并且隨著醫(yī)學(xué)科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展、人民生活水平的持續(xù)提高、對(duì)健康狀況的高度重視，一次性醫(yī)療衛(wèi)生用品開始廣泛應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)。龐大的醫(yī)療系統(tǒng)及一次性醫(yī)療衛(wèi)生用具的廣泛使用對(duì)于醫(yī)療垃圾的無害化處理帶來巨大挑戰(zhàn)。

　　2等離子體技術(shù)處理醫(yī)療垃圾

　　2．1等離子體技術(shù)

　　等離子技術(shù)是處理危險(xiǎn)廢物的有效方法，可以有效抑制二噁英類毒性物質(zhì)的形成，廢物經(jīng)熱等離子體高溫熔融后變成玻璃狀固體。采用等離子體技術(shù)對(duì)醫(yī)療垃圾中重金屬的固化效果明顯，其熔渣對(duì)重金屬的固化率可達(dá)到70%～90%，且固化效果很好［2］。其固化的主要原理是:①在燃燒室內(nèi)氧氣充足的情況下，氯化反應(yīng)受到一定阻礙，進(jìn)而抑制重金屬的揮發(fā)，絕大多數(shù)的重金屬以高熔點(diǎn)的氧化物的形式保留在熔渣中;②醫(yī)療廢物中的部分重金屬與SiO2、CaO、Al2O3等化合物會(huì)發(fā)生反應(yīng)，形成較為穩(wěn)定的化合物，進(jìn)而限制了重金屬的揮發(fā)［21］。

　　圖2是典型的等離子體氣化爐橫截面［15］，等離子體在一定的空間內(nèi)通過極高的電壓，使等離子體炬電極之間的氣體導(dǎo)電，電流通過電離氣體產(chǎn)生極高的能量區(qū)域，使該部位達(dá)到極高的溫度。當(dāng)廢物通過該高溫區(qū)域時(shí)，立即揮發(fā)，在不同的氣氛下使廢物發(fā)生熱解或氣化。因此，當(dāng)廢物進(jìn)入高溫等離子體時(shí)，會(huì)迅速從復(fù)雜的大分子物質(zhì)分解成原子結(jié)構(gòu)。這一過程將粉碎廢物可能存在的任何有害化合物。極高的溫度使等離子體中的原子和離子非?；顫?，當(dāng)它們離開等離子區(qū)時(shí)，它們將迅速地轉(zhuǎn)變?yōu)楹唵蔚男》肿踊衔锛昂苌俨糠执蠓肿踊衔?。含金屬顆粒會(huì)沉降在氣化爐底部，由于氣化爐底部溫度的降低從而形成金屬熔渣［15，22］。

　　2．2等離子體處理醫(yī)療垃圾系統(tǒng)

　　采用等離子體技術(shù)處理危險(xiǎn)廢棄物是當(dāng)前最為有效的方法，其處理系統(tǒng)主要包括(見圖4):預(yù)處理及進(jìn)料系統(tǒng)、等離子體炬處理系統(tǒng)、高溫熔融反應(yīng)爐(燃燒系統(tǒng))、供氣系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、能量利用系統(tǒng)(可選)、尾氣處理系統(tǒng)、灰室等［26-27］。①預(yù)處理及進(jìn)料系統(tǒng):主要用于醫(yī)療垃圾的分選、烘干及粉碎等預(yù)處理，然后通過進(jìn)料系統(tǒng)喂入等離子體炬處理系統(tǒng);②等離子體炬處理系統(tǒng):根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置不同規(guī)格的等離子體發(fā)生器，并控制相應(yīng)的參數(shù)，使進(jìn)入處理系統(tǒng)的物料發(fā)生快速熱解氣化，形成可燃?xì)怏w，在載氣的作用下進(jìn)入高溫熔融反應(yīng)爐;③高溫熔融反應(yīng)爐:熱解氣在高溫熔融反應(yīng)爐發(fā)生充分燃燒，其中飛灰隨熱解氣氣流一并進(jìn)入反應(yīng)爐內(nèi)發(fā)生高溫熔融，并輔以相應(yīng)的添加劑，通過冷卻將重金屬等固定在熔渣中;④尾氣處理系統(tǒng):剩余尾氣經(jīng)處理達(dá)標(biāo)后排入大氣;⑤供氣系統(tǒng):供氣系統(tǒng)主要為等離子體炬處理系統(tǒng)和高溫熔融反應(yīng)爐提供特定氣體，以助于醫(yī)療垃圾熱解氣化及熱解氣化氣的充分燃燒;⑥水冷系統(tǒng):在等離子體炬的陰陽極和噴槍等關(guān)鍵部件設(shè)置水冷循環(huán)，以減緩噴槍的高溫腐蝕，確保其穩(wěn)定工作和延長使用壽命，此外在高溫熔融反應(yīng)爐后方設(shè)定水冷系統(tǒng)，以助于熔渣快速固化;⑧底灰室及熔渣收集室:用于收集等離子體炬處理系統(tǒng)產(chǎn)生的熱解殘?jiān)案邷厝廴诜磻?yīng)器產(chǎn)生的灰渣及熔渣，其中等離子炬產(chǎn)生的底灰無法隨氣流進(jìn)入高溫熔融爐，需采用相應(yīng)傳輸系統(tǒng)進(jìn)入熔融爐內(nèi)進(jìn)行高溫熔融反應(yīng);⑨能量利用系統(tǒng)(可選):醫(yī)療廢物經(jīng)等離子體處理產(chǎn)生的熱解氣在高溫燃燒過程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，該熱量可用于熱力發(fā)電或區(qū)域供熱，還可用于系統(tǒng)中醫(yī)療垃圾的烘干處理等。

　　3經(jīng)濟(jì)性分析

　　我國已建設(shè)多家等離子體技術(shù)專業(yè)處理或涉及處理醫(yī)療垃圾的機(jī)構(gòu)(表1)。但當(dāng)前企業(yè)數(shù)量和規(guī)模無法滿足現(xiàn)階段高速發(fā)展的城市和城市群，建設(shè)一大批以等離子體技術(shù)為主體的醫(yī)療垃圾處理機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)其無害化處理的最佳選擇。

　　醫(yī)療垃圾的產(chǎn)生與城市人口數(shù)量、城市發(fā)展水平密切相關(guān)，一線城市的年均醫(yī)療垃圾產(chǎn)生量約為2萬t。因此在建設(shè)醫(yī)療垃圾等離子體處理處置工廠時(shí)需要充分考慮當(dāng)?shù)噩F(xiàn)狀，選址要密切考慮輻射區(qū)域等。下面以50t/d的處理規(guī)模，詳細(xì)進(jìn)行等離子體處理醫(yī)療廢物的經(jīng)濟(jì)性分析(見表2)。

　　假設(shè)等離子體處理醫(yī)療垃圾的日處理量為50t，每年工廠運(yùn)行時(shí)間為330d，年處理量達(dá)1．65萬t，工廠的使用率為90%，剩余時(shí)間用于維修和整頓。該套處理系統(tǒng)可滿足大部分城市或城市群的醫(yī)療垃圾處理要求。

　　日處理規(guī)模為750t的等離子體輔助垃圾熱解氣化廠的等離子體處理系統(tǒng)及配套裝置投資約為:氣化爐630萬美元，等離子體火炬150萬美元，水冷設(shè)備7．5萬美元，總計(jì)約為787．5萬美元(4963．77萬人民幣)。不同規(guī)模的工廠投資資金進(jìn)行投資估算時(shí)，工廠規(guī)模每增加1倍，投資額減少10%進(jìn)行核算［28］。因此日處理50t的醫(yī)療垃圾的等離子體處理系統(tǒng)投資約為389．32萬。高溫熔融反應(yīng)爐可采用主燃室和二燃室組合構(gòu)成，主燃燒室設(shè)計(jì)溫度在1600℃以上，二燃室溫度控制在1100～1200℃之間;尾氣處理系統(tǒng)采用活性炭吸附+布袋除塵器+堿液洗滌脫酸+煙氣再熱除霧組成。按照12t/d回轉(zhuǎn)式醫(yī)療垃圾焚燒處理系統(tǒng)設(shè)備總投資額為210萬進(jìn)行推算，假設(shè)燃燒系統(tǒng)與等離子體處理醫(yī)療廢物的燃燒室一致，則高溫熔融反應(yīng)爐(燃燒系統(tǒng))及尾氣處理系統(tǒng)總投入約為871．33萬人民幣。因此固定資產(chǎn)約為1260．65萬元。

　　年度運(yùn)行成本包括:①電費(fèi):假設(shè)工業(yè)規(guī)模的等離子體發(fā)生器效率大于70%，可估計(jì)用于醫(yī)療垃圾熱解的電力消耗約為0．8kWh/kg［29］。因此耗電約為1．65×107kg×0．8kWh/kg×0．5=660萬元/年。②用工成本:參考相關(guān)生活垃圾焚燒發(fā)電廠的員工數(shù)量，確定工廠需要10名員工，每人年工資為5萬元。工資成本為10×5=50萬元/年。③維修維護(hù)費(fèi):按固定資產(chǎn)的0．8%計(jì)算，為1260．65×0．8%=10．09萬元/年。④水費(fèi)和辦公費(fèi):600t/d規(guī)模的垃圾焚燒發(fā)電廠的年用水量為50萬t，辦公費(fèi)為100萬元。假設(shè)等離子體處理醫(yī)療廢物的用水量和辦公費(fèi)用與同等規(guī)模的垃圾焚燒發(fā)電廠的一樣。按比例折算，50t/d的氣化廠每年的用水量為4．2萬t，年均水費(fèi)12．6萬元/年，辦公費(fèi)8．3萬元/年。⑤配件等其他費(fèi)用:按固定資產(chǎn)的1．5%進(jìn)行預(yù)算，為1260．65×1．5%=18．91萬元/年。因此，總計(jì)年均運(yùn)行成本約為759．9萬元。

　　收入主要為電力收入:依據(jù)MSW等離子體發(fā)電技術(shù)進(jìn)行估算，每噸MSW可產(chǎn)生617kWh電量，依據(jù)上網(wǎng)電價(jià)0．4元計(jì)算，電費(fèi)收入為1．65×104t×617kWh/t×0．4=407．22萬元/年。

　　4醫(yī)療垃圾等離子體處置場(chǎng)建設(shè)建議

　　在等離子體處理醫(yī)療垃圾項(xiàng)目建設(shè)過程中需集中考慮當(dāng)?shù)蒯t(yī)療及城市發(fā)展水平，為節(jié)約建設(shè)成本，可從以下幾方面進(jìn)行參考:①以城市群為建設(shè)單位，綜合考量選擇最佳建設(shè)地點(diǎn)及處理規(guī)模;由于當(dāng)前城市發(fā)展水平不均衡，人口密度及醫(yī)療水平存在差異，因此在選址及設(shè)定處理規(guī)模時(shí)應(yīng)綜合考量當(dāng)?shù)匦蝿?shì)，可以城市群為單位建設(shè)處理處置設(shè)施。②在現(xiàn)有傳統(tǒng)處置場(chǎng)基礎(chǔ)上增加等離子體處理系統(tǒng)進(jìn)行就地改造;當(dāng)前我國已建設(shè)大量城市固體廢棄物或危險(xiǎn)廢棄物處理處置場(chǎng)，在其基礎(chǔ)上增設(shè)等離子體處理系統(tǒng)，從而減少建設(shè)成本。③建設(shè)可綜合處理多種危險(xiǎn)廢棄物的工藝技術(shù);危險(xiǎn)廢棄物種類較多，成分復(fù)雜，因此開發(fā)可有效處理多種類型危險(xiǎn)廢棄物的等離子體系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)處理裝置最大化利用是十分必要的。④產(chǎn)生的熔渣中含有大量元素，經(jīng)檢驗(yàn)合格并達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)后實(shí)現(xiàn)其利用價(jià)值。⑤熱解氣化氣或燃燒產(chǎn)生熱量的綜合利用;醫(yī)療垃圾等離子體氣化處理過程中通過一定技術(shù)會(huì)產(chǎn)生以CO、H2等為主的綠色可燃?xì)怏w［30］，因此可以通過合理手段與工藝生產(chǎn)清潔能源，或者直接將氣化氣燃燒用于發(fā)電或供熱，以增加部分收益。⑥健全醫(yī)療垃圾分類系統(tǒng)，減少醫(yī)療垃圾處理量;據(jù)世界衛(wèi)生組織(WHO)統(tǒng)計(jì)85%的醫(yī)療垃圾特性與城市固體廢棄物類似，僅15%的醫(yī)療垃圾具有傳染性、毒性、致癌性、放射性等特征，需要特殊處理［21］;因此，對(duì)醫(yī)療垃圾進(jìn)行有效分類，可大大降低其無害化處理成本。

　　5結(jié)束語

　　醫(yī)療垃圾作為一種危險(xiǎn)廢棄物，其產(chǎn)量以4%～6%的增速與年俱增，2017年產(chǎn)量高達(dá)近200萬t，其平均產(chǎn)生量為0．48kg/床·日。采用等離子體技術(shù)對(duì)醫(yī)療垃圾中重金屬的固化效果明顯，且絕大部分重金屬被固化在熔渣中而沒有揮發(fā)出造成二次污染。等離子體處理醫(yī)療垃圾的日處理量為50t時(shí)固定資產(chǎn)投入約為1260．65萬元，年均運(yùn)行成本約為759．9萬元。且該處理規(guī)模可以滿足大部分城市或城市群的要求，是未來醫(yī)療垃圾無害化處理的最主要技術(shù)。

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　　郝思佳

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