СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ, ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ И УНИЧТОЖЕНИЯ МЕДИЦИНСКИХ ОТХОДОВ Российский патент 2023 года по МПК F23G5/00 C10J3/00 

Изобретение относится к способам переработки, обезвреживания и уничтожения медицинских отходов с использованием электродуговой плазмы и может быть применено в энергетике, химической промышленности, металлургии, коммунальном хозяйстве, экологии.

Известен способ плазменной газификации органических отходов для получения синтез-газа [Евразийский патент №030363, 03.08.2016, F23G5/027] включающий шлюзовую загрузку обрабатываемого материала, низкотемпературную газификацию на рабочей поверхности газового нагревателя с пористой крупнозернистой средой внутри, высокотемпературную газификацию на поверхности расплавленного шлака с помощью плазмотрона, очистку и закалку синтез-газа, слив жидкого шлака. Затраты электрической энергии снижались на 20 - 30% по сравнению с газификацией в плазмохимическом реакторе без газового нагревателя, а полученный синтез-газ при обработке древесных опилок имел состав: СО - 26,34%; Н₂ - 60,7%; СН₄ - 0,32%; N₂ - 5,8%.

Известен способ плазменной переработки органических отходов [A S Anshakov, Р V Domarov, V A Faleev, S I Radko Automation of plasma technology aimed at the disposal of organic waste. Journal of Physics: Conference Series. 1333 052004. 2019]. В публикации представлены результаты расчета и эксперимента. Экспериментальные исследования выполнены в лабораторной плазменной электропечи с воздушным электродуговым плазмотроном с регулируемой мощностью от 25 до 50 кВт и газовой горелкой. В исследованиях были использованы модельные отходы, представляющие собой медицинские маски из полипропиленовых нитей. Нагрев рабочей камеры плазменной электропечи и футеровки осуществляли электродуговым плазмотроном и газовой горелкой. Когда рабочая температура в топочной камере достигает 1200°С, плазмотрон отключали. Из результатов экспериментов следует, что удельные затраты электроэнергии на переработку/уничтожение 1 кг модельных отходов в зависимости от расхода воздуха, влажности и морфологического состава колеблются в пределах 0,1-0,75 кВтч / кг. Состав полученного синтез-газа не исследовался.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков и получаемому техническому результату является способ плазменной газификации органических отходов [A S Anshakov, A.I. Aliferov and P V Domarov.. Features plasma gasification of organic waste. 2019 IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 560 012057]. Способ осуществляют в лабораторной плазменной электропечи с воздушным электродуговым плазмотроном с регулируемой мощностью от 25 до 50 кВт и газовой горелкой. Модельные отходы (опилки, текстиль и полиэтилен), упакованные в ящики, через загрузочное устройство подают в рабочую камеру электропечи. Перемещение упакованных отходов в зону газификации происходит гидравлическим толкателем. Нагрев рабочей камеры плазменной электропечи и футеровки осуществляют электродуговым плазмотроном мощностью 50 кВт и газовой горелкой до 1200°С. Когда рабочая температура в топочной камере достигает 1200°С, плазмотрон отключают. Топливный газ (синтез-газ) подают в центробежно-барботажный аппарат (ЦБА) для гашения в реакциях газификации и очистки от содержащейся в нем пыли. Перед ЦБА газ отбирают газоанализатором. Зольный остаток, образующийся при переработке модельных отходов плавят в инертный шлак. В лабораторных исследованиях удельные затраты электроэнергии на переработку 1 кг модельных отходов составили 0,98 кВт⋅ч/кг.

Состав полученного синтез-газа не исследовался.

Задачей изобретения является создание энергоэффективного и экологически чистого способа переработки, обезвреживания и уничтожения медицинских отходов с использованием электродуговой плазмы.

Для решения задачи предлагается способ переработки, обезвреживания и уничтожения медицинских отходов, включающий шлюзовую загрузку и подачу упакованных медицинских отходов в рабочую камеру электропечи, поджиг и предварительный прогрев футеровки и зоны газификации, высокотемпературную газификацию отходов, переплавление минеральной части отходов, очистку и закалку синтез-газа, остекловывание жидкого шлака, автоматизированное управление процессом.

Согласно изобретению, предварительный прогрев футеровки и зоны газификации до температуры 1200°С осуществляют одновременно двумя электродуговыми плазмотронами, основным и дополнительным, причем в качестве дополнительного используют плазмотрон с регулируемой мощностью.

Согласно изобретению, при достижении температуры в зоне газификации 1200°С отключают источник питания основного электродугового плазмотрона, регулируют мощность дополнительного электродугового плазмотрона для поддержания температуры в зоне газификации на заданном уровне и осуществляют непрерывную высокотемпературную газификацию медицинских отходов дополнительным электродуговым плазмотроном.

Согласно изобретению, при наполнении ванны жидкого расплава золошлаковыми остатками включают основной электродуговой плазмотрон и осуществляют дожигание углерода и переплавление минеральной части отходов в инертный шлак основным электродуговым плазмотроном при включенном дополнительном электродуговом плазмотроне, при освобождении ванны жидкого расплава от золошлаковых остатков основной электродуговой плазмотрон отключают.

Согласно изобретению, для автоматизированного управления процессом используют датчики температуры, расхода, уровня заполнения, газоанализатор.

Способ плазменной газификации медицинских отходов осуществляют в электроплазменной установке.

Принципиальная схема электроплазменной установки газификации отходов в воздушно-плазменной среде приведена на фиг.1, где 1 - транспортер; 2 - гидравлический толкатель; 3 - шлюзовая камера; 4 - наклонный под; 5 - зона газификации; 6 - зона горения; 7 - основной электродуговой плазмотрон; 8 - дополнительный электродуговой плазмотрон; 9 - канал подачи синтез-газа в центробежно-барботажный аппарат (ЦБА); 10 - ЦБА; 11 - летка; 12 - откатная тележка.

Электроплазменная установка включает:

1. систему подачи отходов, включающую:

- транспортер,

- шлюзовую камеру;

- гидравлический толкатель,

- наклонный под;

2. систему переработки отходов, включающую:

- электропечь

- два электродуговых плазмотрона, имеющих разную мощность;

3. систему очистки и закалки синтез-газа, включающую:

- канал подачи синтез-газа;

- ЦБА;

4. систему слива расплавленного шлака, включающую:

- летку;

- откатную тележку;

5. системы обеспечения работы установки;

- система электропитания плазмотронов (источники питания, выпрямители, регуляторы тока).

- модуль оборотного водоснабжения охлаждения плазмотронов

- компрессор технологического воздуха

- генератор технологического пара.

- газгольдер (источник) технологического кислорода.

6. автоматизированную систему управления (АСУ), включающую соединенные локальной линией связи:

- измерительные датчики и приборы:

• измерения температуры в зоне газификации (термопары);

• измерения температуры отбираемого синтез-газа (термопары);

• расхода топлива (упаковок с отходами);

• расхода окислителя;

• газоанализатор;

- персональный компьютер (ПК) с установленным соответствующим программным обеспечением (ПО) для обработки данных в режиме реального времени с получением текущих значений:

• температуры в зоне газификации;

• температуры отбираемого синтез-газа;

• расхода топлива (упаковок с отходами);

• расхода окислителя;

• концентраций примесей в отходящих дымовых газах;

• коэффициента избытка окислителя, сравнения текущих значений с эталонными значениями и передачи управляющих сигналов на контроллер управления исполнительными системами;

- контроллер управления исполнительными системами.

Способ электроплазменной газификации медицинских отходов включает следующие этапы:

1. шлюзовая загрузка и продвижение отходов в зону газификации;

Медицинские отходы в затаренном виде, например, в коробках или пакетах, подают по транспортеру через шлюзовую камеру в рабочее пространство электропечи. Шлюзовая камера позволяет предотвратить выход дымовых газов в атмосферу из рабочей камеры плазменной электропечи при избыточном давлении и подсос атмосферного воздуха в рабочую камеру при разряжении в ней.

Продвижение отходов в зону газификации рабочей камеры осуществляют по наклонному поду с помощью гидравлического толкателя, управляемого АСУ.

Неравномерность в режим работы электроплазменной установки вносит периодичность поступления упаковок. В результате в газах, образующихся при термическом уничтожении отходов, может находиться значительное количество вредных примесей: соединений углерода, азота, фосфора, хлора, серы и др., а также пепел, летучая зола и неорганическая пыль.

Для снижения содержания вредных примесей в уходящих дымовых газах до уровня предельно-допустимых концентраций (ПДК) с помощью АСУ осуществляют мониторинг и управление подачей упаковок отходов и окислителя в зону газификации электроплазменной установки, в том числе:

• периодическое измерение газоанализатором концентрации СО и СО₂ в отходящих дымовых газах на выходе из рабочей камеры;

• передачу результатов измерения в снабженный соответствующим программным обеспечением компьютер;

• расчет и передачу сигнала АСУ на загрузку очередной упаковки отходов и/или подачи определенного объема окислителя.

2. высокотемпературная газификация отходов;

Предварительный прогрев футеровки и зоны газификации рабочей камеры до температуры 1200°С осуществляют плазмотронами 7 и 8 одновременно. Мощность дополнительного плазмотрона 7 меньше мощности основного плазмотрона 8, к тому же ее можно регулировать, изменяя до мощности основного плазмотрона.

С помощью АСУ осуществляют мониторинг температуры в зоне газификации рабочей камеры и управление электродуговыми плазмотронами. Контроль температуры в зоне газификации рабочей камеры осуществляют датчиками температуры (термопарами). Сигналы от термопар передают на персональный компьютер, где посредством ПО обрабатывают их в режиме реального времени с получением текущих значений температуры в зоне газификации. При достижении рабочей температуры 1200°С подают управляющий сигнал на источники питания плазмотронов для отключения плазмотрона 8 и регулирования мощности плазмотрона 7 с целью дальнейшего поддержания температуры на заданном уровне.

Использование двух плазмотронов разной мощности позволяет быстро прогреть футеровку и зону газификации и использовать плазмотрон меньшей мощности для поддержания температуры в зоне газификации, что способствует уменьшению энергозатрат на переработку отходов.

При последовательном нагреве отходов, они претерпевают разложение с выделением различных газообразных веществ, которые будут участвовать в реакциях окисления, показанных в таблице 1. Каждая реакция происходит в своем интервале температур. В установившемся режиме работы электропечи в ее рабочем пространстве имеют место стационарные распределения по высоте температур движущихся отходов и газового потока. Это обуславливает распределение энергетических эффектов химических реакций по высоте печи. Реакция протекает при наличии реагентов в реакционном пространстве при температуре выше равновесной.

При газификации происходят процессы термохимического превращения органической части отходов в горючие газы. Высокомолекулярные соединения газифицируются до Н₂ и СО.

Концентрацию в отходящих газах Н₂, СО, CO₂, N₂, O₂, СН₄ на выходе из электропечи измеряют газоанализатором.

4. очистка и закалка синтез-газа;

Выделяющийся в зоне газификации синтез-газ отбирают из зоны газификации рабочей камеры через канал 9 в центробежно-барботажный аппарат (ЦБА) для его дальнейшей закалки и очистки. Перед ЦБА осуществляют отбор газа газоанализатором для аналитического контроля состава получаемого синтез-газа. Встроенной в дымоход перед ЦБА термопарой осуществляют мониторинг температуры отбираемого синтез-газа.

После ЦБА синтез-газ подают в камеру дожигателя, где он сгорает до CO₂.

Затем выбрасываемые газы охлаждают в смесителе, куда подают требуемое количество атмосферного воздуха, контролируемое АСУ.

Управляющий сигнал формируется в зависимости от требуемой температуры выбрасываемых в атмосферу газов.

5. дожигание углерода;

Образовавшийся после газификации отходов зольный остаток, содержащий частицы недожога и углеродный остаток, дожигают в зоне горения 4 рабочей камеры.

6. переплавление минеральной части отходов;

Контроль наполнения золошлаковыми остатками ванны жидкого расплава осуществляют датчиками уровня заполнения. Сигналы от датчиков передают на персональный компьютер, где посредством ПО обрабатывают их в режиме реального времени. При наполнения золошлаковыми остатками ванны жидкого расплава подают управляющий сигнал на источник питания основного электродугового плазмотрона 8 для его включения с целью переплавления минеральной части отходов в инертный шлак.

7. слив избыточного слоя расплавленного шлака.

Шлак периодически сливается через летку 11 в откатную тележку 12.

Были проведены экспериментальные исследования по переработке медицинских отходов. В качестве отходов использовали медицинские маски и одноразовые шприцы.

Анализ элементного состава указанных отходов показал, что медицинские маски изготавливают из полимеров с широким молекулярно-массовым распределением, таких как полипропилен, а одноразовые медицинские шприцы изготавливают из поливинилхлорида (ПВХ), которые относятся к полимерным материалам. В таблице 2 приведен элементный состав отходов.

Исследования показали, что

- в составе отходящего газа не содержалось оксидов и диоксидов азота, а также было мало содержание двуокиси углерода;

- калорийность полученного синтез-газа составила от 8 до 13 МДж/кг, что позволяет его использовать для сжигания в электрогенерирующих агрегатах;

- удельные энергозатраты на производство синтез-газа составили от 0,48 кВт⋅ч/кг до 2,2 кВт⋅ч/кг в зависимости от исходного состава отходов.

На фиг.2 показаны результаты исследований на безопасность выбросов как зависимость элементного состава (% и ppm) от времени (ч:м:с). Видно, что элементный состав отходящих газов составил: CO₂ - 4,5%, O₂ -0,5%, СО - 22%, Н₂ - 14,5%, NO - 0 ppm, NO₂ - 0 ppm.

На фиг.3 показано изменение калорийности (МДж/м3) полученного при утилизации медицинских отходов (маски, шприцы) синтез-газа в зависимости от времени (ч:м:с). Из графика, фиг.3, видно, что при газификации основной массы отходов происходит пик калорийности синтез-газа, затем происходит постепенное уменьшение. Этот пик вызван тем, что при экспериментальных исследованиях отходы подавались в зону газификации рабочей камеры порционно через определенные промежутки времени. Для обеспечения постоянства калорийности синтез-газа необходимо обеспечить непрерывную подачу отходов.

Таким образом, была достигнута цель работы - создание способа переработки, обезвреживания и уничтожения медицинских отходов с использованием двух электродуговых плазмотронов, энергоэффективного, что достигается за счет достижения низких удельных затрат электроэнергии на переработку 1 кг отходов и получения высококалорийного синтез-газа, пригодного для сжигания в теплогенерирующих агрегатах, и экологически чистого.

Изобретение относится к способам переработки, обезвреживания и уничтожения медицинских отходов с использованием электродуговой плазмы и может быть применено в энергетике, химической промышленности, металлургии, коммунальном хозяйстве, экологии. Технический результат - создание энергоэффективного и экологически чистого способа переработки, обезвреживания и уничтожения медицинских отходов с использованием электродуговой плазмы. Способ переработки, обезвреживания и уничтожения медицинских отходов включает шлюзовую загрузку и подачу упакованных медицинских отходов в рабочую камеру электропечи, поджиг и предварительный прогрев футеровки и зоны газификации, высокотемпературную газификацию отходов, дожигание углерода и переплавление минеральной части отходов, очистку и закалку синтез-газа, остекловывание жидкого шлака, автоматизированное управление процессом. Предварительный прогрев футеровки и зоны газификации до температуры 1200°С осуществляют одновременно двумя электродуговыми плазмотронами, основным и дополнительным, причем мощность основного электродугового плазмотрона выше мощности дополнительного. При достижении температуры в зоне газификации 1200°С отключают источник питания основного электродугового плазмотрона, регулируют мощность дополнительного электродугового плазмотрона для поддержания температуры в зоне газификации на заданном уровне и осуществляют непрерывную высокотемпературную газификацию медицинских отходов. При наполнении ванны жидкого расплава золошлаковыми остатками включают основной электродуговой плазмотрон и осуществляют дожигание углерода и переплавление минеральной части отходов в инертный шлак основным электродуговым плазмотроном при включенном дополнительном электродуговом плазмотроне. При этом при освобождении ванны жидкого расплава основной электродуговой плазмотрон отключают. 2 з.п. ф-лы, 3 ил., 2 табл.

1. Способ переработки, обезвреживания и уничтожения медицинских отходов, включающий шлюзовую загрузку и подачу упакованных медицинских отходов в рабочую камеру электропечи, поджиг и предварительный прогрев футеровки и зоны газификации, высокотемпературную газификацию отходов, дожигание углерода и переплавление минеральной части отходов, очистку и закалку синтез-газа, остекловывание жидкого шлака, автоматизированное управление процессом, отличающийся тем, что предварительный прогрев футеровки и зоны газификации до температуры 1200°С осуществляют одновременно двумя электродуговыми плазмотронами, основным и дополнительным, причем мощность основного электродугового плазмотрона выше мощности дополнительного, при достижении температуры в зоне газификации 1200°С отключают источник питания основного электродугового плазмотрона, регулируют мощность дополнительного электродугового плазмотрона для поддержания температуры в зоне газификации на заданном уровне и осуществляют непрерывную высокотемпературную газификацию медицинских отходов, при наполнении ванны жидкого расплава золошлаковыми остатками включают основной электродуговой плазмотрон и осуществляют дожигание углерода и переплавление минеральной части отходов в инертный шлак основным электродуговым плазмотроном при включенном дополнительном электродуговом плазмотроне, при освобождении ванны жидкого расплава основной электродуговой плазмотрон отключают.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве дополнительного используют плазмотрон с регулируемой мощностью.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для автоматизированного управления процессом используют датчики температуры, расхода, уровня заполнения, газоанализатор.