使用研磨珠和赤铁矿在间接加热回转窑中对混合医疗废物进行热解过程强化

《Journal of the Energy Institute》：Pyrolysis process intensification of mixed medical waste using grinding beads and hematite in an indirectly heated rotary kiln

混合医疗废物在回转窑中添加硅 carbide beads（质量比0.6）作为热传递增强剂，血红石（Fe2O3）作为催化剂，研究其对热质传递及产物分布的影响。实验表明：硅 carbide beads使墙床热传递系数提升24%（174.5→217.0 W/m2·K），血红石催化剂使氢气产量增加62.13%，优化了热效率与产物选择性。

　　

周志鹏|马硕|王科迅|马宏婷

天津大学环境科学与工程学院，中国天津300350

摘要

本研究探讨了研磨珠作为传热强化剂和赤铁矿催化剂在间接加热旋转窑中用于混合医疗废物（MMW）热解的效果。重点在于阐明这些添加剂对床内传热和质量传递以及产物分布的影响。热重分析和动力学分析揭示了基于纤维素的废物与聚丙烯（PP）共热解过程中的基本热解特性和相互作用效应，特别是对PP降解的抑制作用。后续的旋转窑实验表明，以0.6的添加剂与原料质量比添加碳化硅（SiC）珠后，壁到床的传热系数提高了约24%，从174.5 W/(m2·K)增加到217.0 W/(m2·K)，并减少了径向温度梯度。焦油产量从35.38%增加到38.71%。粉末状赤铁矿（Fe?O?）作为催化剂，改变了产物的选择性，使氢气产量提高了超过62.13%。本研究得出结论，通过精心选择添加剂可以显著提升工艺效率：高导热性的珠子（SiC）能够缓解传热限制，而催化介质（Fe?O?）则能主动调节产物分布。

引言

能源和环境问题是全球性的紧迫问题。随着全球医疗系统的迅速发展，医疗废物的产生量急剧增加（Das等人，2021；Hou等人，2023；Park，2023；Zhao等人，2022）。医疗废物是一种危险但富含能量的材料，其安全处置和资源化既面临挑战也带来机遇。由于其高热值和富含聚合物的成分（如塑料、橡胶和基于纤维素的材料），它成为热化学转化的潜在原料（Al-Mamun等人，2025；Yadav Lamba，2025）。然而，传统的处置方法（包括填埋、焚烧和机械回收）难以在环境保护和资源高效回收之间取得平衡（Sapkota和Pariatamby，2023；Vilavert等人，2015）。填埋会导致渗滤液释放，从而对土壤和地下水造成长期污染。尽管焚烧能有效减少体积，但它会排放有害污染物，包括二噁英和温室气体（Thiagarajan等人，2025）。医疗废物的异质性和污染性阻碍了其机械回收。

鉴于这些限制，研究越来越多地关注先进的热化学转化技术。在各种热化学转化途径中，热解因其独特的操作优势而脱颖而出，相比气化和水热碳化（HTC）更具优势。气化在相对较高的温度下进行，主要产生合成气；然而，它需要严格的操作控制以最小化排放并确保效率（Hasan等人，2025）。HTC在应用于低水分原料（如医疗废物）时面临实际挑战，包括规模问题和能源效率不佳的问题（Ji等人，2025）。相比之下，热解在无氧环境中以适中的温度进行（Meena和Bhoi，2025；Vellaiyan，2023），能够将复杂的有机废物转化为有价值的产品，包括合成气、液体燃料和碳材料（Apicella等人，2025；Wu等人，2023）。

然而，医疗废物的热解面临诸多挑战，由于其内在的复杂性。异质性和成分的变化常常导致操作不稳定、传热不均匀和反应不完全（Li等人，2025）。此外，这些多组分混合物在共热解过程中的协同作用会显著改变反应动力学、产物谱和热需求（Lee等人，2020；Maganinho等人，2025；Zhang等人，2024；Zheng等人，2025），进一步增加了工艺的可预测性和控制的难度。旋转窑作为一种有前景的解决方案，能够应对这些问题。它们的主要优势在于能够容忍不同大小、形状和成分的原料，这大大减少了预处理要求，对于处理医疗废物等异质性材料尤为重要（Ma等人，2025）。结合相对简单的设计和操作控制（Silvestre等人，2018），旋转窑成为一项有前景的技术。因此，它们已被广泛用于医疗废物的热解研究（Bujak，2015；Li等人，2024；Wang等人，2022），证明了其实际可行性。旋转窑中的热解效率，体现在能源利用和产物分布上，主要受传热和质量传递的控制。关于旋转窑的广泛研究集中在优化操作参数上，如加热速率（Ma等人，2025）、旋转速度（Ma等人，2025）和热解温度（Tanoh等人，2020）。最近，采用物理和化学增强技术的先进策略在塑料废物转化方面显示出潜力（Zhang等人，2020）。例如，Zhang等人（2024）通过结合热载体和Ni/ZSM-5催化剂成功从聚乙烯中共同生产出了高价值的芳香烃和H?，展示了传热强化和催化反应导向的潜力。然而，对于更为复杂的医疗废物基质，这方面的研究尚未得到广泛报道。使用研磨珠作为传热强化剂（无需预热）的具体策略是一个值得进一步研究的领域。一个关键区别是，传统的热载体需要能耗较高的预热过程，需要额外的设备，而研磨珠则可以在室温下引入。类似的研究已经进行过，但它们主要关注球磨对木质素热解的影响（Xu等人，2023）。将惰性磨料颗粒引入旋转窑不仅可以研磨材料并减小其粒径，还可以减少团聚并提高热效率。同时，这些添加剂的热导率远高于医疗废物，有望作为热传导路径，缓解局部温度梯度，促进更均匀和高效的热解。此外，使用催化剂（如赤铁矿（Fe?O?）可以提供补充的化学策略，主动引导热解反应并改变产物分布（Song等人，2020；Zheng等人，2020）。Garba等人（Garba等人，2024）在他们的生物质金属氧化物催化热解研究中明确表明，金属氧化物是调节二次反应路径和导向高价值产物生产的有效介质。

基于我们之前对混合医疗废物（MMW）关键操作参数（如热解温度、旋转速度、填充率）的系统性研究（Zhou等人，2025），本研究考察了添加各种研磨珠和粉末状赤铁矿催化剂对热解过程的影响。通过热重分析（TGA）、动力学分析和旋转窑热解实验，系统研究了MMW的热解行为，重点关注传热和质量传递相互作用以及化学反应特性。研究了研磨珠的类型和添加剂与原料的质量比（A/F比）对旋转窑中热解反应的影响，以优化工艺条件并调节生物油组分。

通过旋转窑壁温度、旋转窑壁与物料床之间的传热系数以及不同操作条件下的物料床内径向温差，我们阐明了医疗废物的物理传热及其与吸热热解反应的动态相互作用。研究表明，碳化硅珠增强了混合和热传导，使壁到床的传热系数提高了约24%。此外，还发现粉末状赤铁矿使产物分布偏向富含H?的合成气，H?产量提高了超过62.13%。这些发现为热化学转化过程提供了基本见解，并为提高工业规模医疗废物热解系统的能源效率、经济可行性和环境可持续性提供了实用指导。

实验材料

本研究中使用的医疗废物原料与我们之前的研究相同（Zhou等人，2025）。该废物的组成为：0.05%的活组织、12.20%的棉签（SW）、27.49%的纸张、13.40%的纺织品、19.94%的塑料、16.39%的玻璃、2.11%的金属和8.42%的其他成分。其体积密度为220 kg/m3（±10%）。用于TGA的混合样品是根据关键有机成分的相对比例配制的（16.70%的棉签、37.65%的纸张、18.35%的绷带等）

热重分析

为了确定热降解行为并量化相互作用效应，棉签（SW）、纸张、绷带、聚丙烯（PP）和医疗废物在恒定惰性环境中以3、10、20和30 K/min的β速率进行了非等温实验，同时通入50 mL/min的氮气（N?）。TG曲线显示了不同的阶段：初始和最终阶段变化很小，而在第二阶段（活性热解阶段）有显著减少，如图3a-e所示。SW的活性热解发生在467-685 K（194-412 °C）之间

结论

本研究证明，在间接加热旋转窑中使用研磨珠和催化剂是强化和控制医疗废物热解的有效方法。主要发现包括：

(1)

碳化硅研磨珠主要作为传热强化剂。最佳的A/F比为0.6，使壁到床的传热系数提高了24%（从174.5 W/(m2·K)增加到217.0 W/(m2·K)，减少了径向温度梯度，并通过促进更多反应使焦油产量从35.38%增加到38.71%

作者贡献声明

马硕：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿撰写、可视化、验证、监督、项目管理、方法论、概念化。周志鹏：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿撰写、可视化、验证、监督、软件应用、方法论、研究、数据分析、概念化。马宏婷：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿撰写、可视化、验证、监督、软件应用、资源管理、项目协调

未引用的参考文献

Ozawa, 1965; Zhang等人，2024.

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢国家重点研发计划（编号2022YFC3902302）的财政支持。