Способ переработки медицинских и/или биологических отходов в термической плазме (варианты) и устройство для его осуществления

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ МЕДИЦИНСКИХ И/ИЛИ БИОЛОГИЧЕСКИХ ОТХОДОВ В ТЕРМИЧЕСКОЙ ПЛАЗМЕ(ВАРИАНТЫ) И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт тепло- и массообмена имени А.В.Лыкова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Моссэ Альфред Львович Ложечник Александр Васильевич Савчин Василий Васильевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт теплои массообмена имени А.В.Лыкова Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Способ переработки медицинских и/или биологических отходов в термической плазме, заключающийся в том, что отходы подают в верхнюю часть направленного вертикально вниз потока низкотемпературной плазмы, нагревают их, а газообразные продукты горения направляют в систему газоочистки, отличающийся тем, что переработку отходов 14937 1 2011.10.30 осуществляют в периодическом режиме работы плазменной камерной печи при среднемассовой температуре плазменного потока на выходе из электродугового плазмотрона 4500-5500 К и температуре в зоне контакта перерабатываемых отходов с плазменной струей 1800-2800 К, причем периодический режим работы плазменной камерной печи,соответствующий циклу сжигания отходов и составляющий не более 30 минут, устанавливают при соотношении подведенной электрической мощности печи к загрузке ее органическими и неорганическими отходами 1 кВт на 1 кг отходов и соотношении органической и неорганической части отходов 11, газообразные продукты горения из камеры сжигания печи направляют в камеру дожигания, затем пропускают через сетчатый и ионообменный фильтры. 2. Способ переработки медицинских и/или биологических отходов в термической плазме, заключающийся в том, что отходы подают в верхнюю часть направленного вертикально вниз потока низкотемпературной плазмы, нагревают их, а газообразные продукты горения направляют в систему газоочистки, отличающийся тем, что переработку отходов осуществляют в периодическом режиме работы плазменной камерной печи при среднемассовой температуре плазменного потока на выходе из электродугового плазмотрона 4500-5500 К и температуре в зоне контакта перерабатываемых отходов с плазменной струей 1800-2800 К, причем периодический режим работы плазменной камерной печи,соответствующий циклу сжигания отходов и составляющий не более 30 минут, устанавливают при соотношении подведенной электрической мощности печи к загрузке ее органическими и неорганическими отходами 1 кВт на 1 кг отходов, причем при переработке отходов, содержащих более 50 по массе органических материалов, для полного сжигания отходящих газов подают дополнительный воздух, газообразные продукты горения из камеры сжигания печи направляют в камеру дожигания, затем пропускают через сетчатый и ионообменный фильтры. 3. Способ переработки медицинских и/или биологических отходов в термической плазме, заключающийся в том, что отходы подают в верхнюю часть направленного вертикально вниз потока низкотемпературной плазмы, нагревают их, а газообразные продукты горения направляют в систему газоочистки, отличающийся тем, что переработку отходов осуществляют в периодическом режиме работы плазменной камерной печи при среднемассовой температуре плазменного потока на выходе из электродугового плазмотрона 4500-5500 К и температуре в зоне контакта перерабатываемых отходов с плазменной струей 1800-2800 К, причем периодический режим работы плазменной камерной печи,соответствующий циклу сжигания отходов и составляющий не более 30 минут, устанавливают при соотношении подведенной электрической мощности печи к загрузке ее органическими и неорганическими отходами 1 кВт на 1 кг отходов, причем при переработке отходов, содержащих более 50 по массе неорганических материалов, в состав отходов вводят легкоплавкие добавки для получения зольного остатка в остеклованной форме, газообразные продукты горения из камеры сжигания печи направляют в камеру дожигания,затем пропускают через сетчатый и ионообменный фильтры. 4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что в качестве легкоплавких добавок для получения зольного остатка в остеклованной форме используют датолитовый концентрат и/или диоксид бора, и/или диоксид кремния. 5. Устройство для переработки медицинских и/или биологических отходов в термической плазме, содержащее устройство загрузки отходов, электродуговой плазмотрон, печь с камерой сжигания, соединенной с системой газоочистки, отличающееся тем, что устройство загрузки отходов выполнено в виде крышки, герметично установленной на камере сжигания печи, с закрепленным на ней электродуговым плазмотроном, содержащим дополнительное газовое кольцо для подачи дополнительного воздуха, а система газоочистки выполнена в виде камеры дожигания отходящих газов, содержащей дополнительный плазмотрон, и соединена с последовательно соединенными сетчатым и 2 14937 1 2011.10.30 ионообменным фильтрами, при этом камера сжигания печи содержит люк для удаления продуктов переработки, установленный в нижней ее части, выполнена из жаростойкой стали и футерована огнеупорным материалом с температурой плавления не менее 1200 С. Изобретение относится к области переработки отходов, в частности медицинских и биологических отходов, с использованием плазменных печей и может найти применение при уничтожении отходов экологически чистыми методами в медицинских учреждениях и химико-фармакологических производствах. Одной из наиболее серьезных экологических проблем, стоящих перед многими промышленно развитыми и другими странами, является загрязнение окружающей среды бытовыми и промышленными отходами, которые в большинстве случаев являются токсичными и опасными. Успехи в создании плазменной техники и разработке на ее основе новых технологических процессов позволяют считать низкотемпературную плазму важным элементом новых промышленных наукоемких технологий, позволяющих интенсифицировать производственные процессы. Использование плазменных технологий открывает новые возможности для подхода к оптимальному управлению технологическими процессами, а также к более простой их реализации с максимально возможной эффективностью. Именно таким технологическим процессом является переработка токсичных медицинских и биологических отходов с целью уничтожения токсичных компонентов микробов, вирусов, штаммов и прионов, путем высокотемпературного сжигания органической составляющей отходов и компактирования (остекловывания) минерального зольного остатка. К числу таких процессов следует также отнести переработку и уничтожение медицинских терапевтических препаратов, содержащих следующие радиоактивные элементы 3, 14, 35, 60, 90, 137. Несмотря на жесткие нормы и условия по размещению и оборудованию полигонов, по захоронению и складированию опасных отходов и их составу, введенные в индустриально развитых странах, предпочтение отдается технологическим методам нейтрализации отходов, включающим обезвреживание, уменьшение объема отходов, подлежащих захоронению, и/или повторное использование продуктов, получаемых в результате их переработки. Известен способ термической переработки отходов по патенту РФ 1. Способ термической переработки отходов включает их подготовку, загрузку в печь и нагрев в ней в окислительной среде энергопреобразующими устройствами, например плазмотронами,перевод отходов в металлическую, шлаковую и газовую составляющие, которые выпускают из печи, причем отходящие газы утилизируют, например пропуская через теплообменник, а затем их очищают и выпускают в атмосферу. В теплообменнике отходящими газами из печи нагревают природный газ, после чего его подают в турбодетандер, снижая давление, и направляют в магистральный газотурбопровод, расположенный за редуцирующим устройством, а энергию расширяющего нагретого газа преобразуют в электрическую при помощи электрогенератора. Часть энергии превращают в тепловую энергию,другую часть превращают в механическую энергию, а третью часть в химическую. Таким образом, указанный способ характеризуется двухстадийной реализацией процесса переработки отходов (пиролиз и последующее дожигание газов пиролиза). Недостатком его является необходимость централизованного сбора и транспортировки отходов, сложная и громоздкая система утилизации тепла. Известна установка для плазменной переработки отходов по патенту РФ 2, представляющая собой печь пиролиза с плазмотроном с автономным источником электропитания,выходы которой соединены с входами гранулятора шлака, приемника металла, системы очистки пирогаза, линией водоподготовки, теплообменника, энергетического блока. Линия водоподготовки содержит приемный коллектор солоноватой или морской воды, по крайней мере, с двумя рукавами, в каждом из которых установлен, по крайней мере, один 3 14937 1 2011.10.30 теплообменник, и раздаточный коллектор, один рукав приемного коллектора расположен внутри теплообменника, соединенного с плазмотроном и источником электропитания,внутри гранулятора шлака и приемника жидкого метала, установленных друг за другом вдоль этого рукава, выход этого рукава соединен с входом раздаточного коллектора, второй рукав расположен внутри последовательно установленных теплообменников, которые автономно соединены либо с печью пиролиза, либо с системой очистки пирогаза, либо с энергетическим блоком, выход второго рукава соединен с вторым входом раздаточного коллектора, выходы которого введены на входы дистилляционной опреснительной и обратноосмотической опреснительной установок. Недостатком ее является сложность конструкции и большая энергоемкость. Наиболее близким аналогом по технической сущности является способ переработки медицинских и биологических (органических и неорганических) отходов в термической плазме по патенту РБ 3. В указанном способе отходы подают в верхнюю часть направленного вертикально вниз потока термической плазмы, нагревают до температуры плавления или возгонки, полученный расплав собирают в сборник, а газообразные продукты горения и возгонки после закалки направляют в систему газоочистки. Плазменный поток формируют, по меньшей мере, тремя струями плазмы, струи подают перпендикулярно оси потока в его верхней части, температуру струй создают электродуговыми плазмотронами в диапазоне 3200-5000 К. В указанном патенте приведено устройство для реализации этого способа, включающее плазменный реактор с трехструйной камерой смешения (камера нагрева, плавления,сжигания), систему подачи дополнительного высокотемпературного потока, систему газоочистки, включающую циклон для улавливания крупнодисперсных частиц, фильтр для улавливания мелкодисперсных частиц, расположенные последовательно, выбранное как прототип. Способ реализуется при подаче в плазменный реактор только дисперсных или предварительно диспергированных в специальном режущем устройстве как органических,так и неорганических отходов. Следовательно, такой способ может быть реализован только в местах коллективного сбора отходов и требует предварительного размола отходов и специальных устройств, для их транспортировки в реактор, а также определенного соотношения подведенной электрической мощности и количества подаваемых в реактор отходов. Задачей изобретения является повышение эффективности способа переработки любых, в том числе несортированных, медико-биологических отходов, и создание установки для его осуществления, имеющей небольшой размер, с помощью которой происходит полная деструкция материала и его обеззараживание. При этом отпадают стадии централизованного сбора, хранения, транспортирования и сортировки таких отходов. Задача решается следующим образом. По варианту 1. В известном способе переработки медицинских и/или биологических отходов в термической плазме отходы подают в верхнюю часть направленного вертикально вниз потока низкотемпературной плазмы, нагревают их, а газообразные продукты горения направляют в систему газоочистки. Согласно предлагаемому способу, переработку любых, в том числе несортированных отходов, осуществляют в периодическом режиме работы плазменной камерной печи, при среднемассовой температуре плазменного потока на выходе из электродугового плазмотрона 4500-5500 К и температуре в зоне контакта перерабатываемых отходов с плазменной струей 1800-2800 К. Причем периодический режим работы плазменной камерной печи, соответствующий циклу сжигания отходов и составляющий не более 30 минут, устанавливают при соотношении подведенной электрической мощности печи к загрузке ее органическими и неорганическими отходами 1 кВт на 1 кг отходов и соотношении органической и неорганической части 11, газообразные продукты горения из камеры сжигания печи направляют в камеру дожигания, затем пропускают через сетчатый и ионообменный фильтры. 4 14937 1 2011.10.30 По варианту 2. В известном способе переработки медицинских и/или биологических отходов в термической плазме отходы подают в верхнюю часть направленного вертикально вниз потока низкотемпературной плазмы, нагревают их, а газообразные продукты горения направляют в систему газоочистки. Согласно предлагаемому способу, переработку любых, в том числе несортированных отходов, осуществляют в периодическом режиме(цикл сжигания отходов), а температура в зоне контакта перерабатываемых отходов с плазменной струей составляет 1800-2800 К при среднемассовой температуре плазменного потока на выходе из плазмотрона 4500-5500 К. Причем периодический режим работы плазменной камерной печи, соответствующий циклу сжигания отходов и составляющий не более 30 минут, устанавливают при соотношении подведенной электрической мощности печи к загрузке ее органическими и неорганическими отходами 1 кВт на 1 кг отходов,причем при переработке отходов, содержащих более 50 по массе органических материалов, для полного сжигания отходящих газов подают дополнительный воздух, газообразные продукты горения из камеры сжигания печи направляют в камеру дожигания, затем пропускают через сетчатый и ионообменный фильтры. По варианту 3. В известном способе переработки медицинских и биологических отходов в термической плазме отходы подают в верхнюю часть направленного вертикально вниз потока низкотемпературной плазмы, нагревают их, а газообразные продукты горения направляют в систему газоочистки. Согласно предлагаемому способу, переработку любых, в том числе несортированных отходов, осуществляют в периодическом режиме, при среднемассовой температуре плазменного потока на выходе из плазмотрона 4500-5500 К,а температура в зоне контакта перерабатываемых отходов с плазменной струей составляет 1800-2800 К. Причем периодический режим работы плазменной камерной печи, соответствующий циклу сжигания отходов и составляющий не более 30 минут, устанавливают при соотношении подведенной электрической мощности печи к загрузке ее органическими и неорганическими отходами 1 кВт на 1 кг отходов, причем при переработке отходов,содержащих более 50 по массе неорганических материалов, в состав отходов вводят легкоплавкие добавки для получения зольного остатка в остеклованной форме, газообразные продукты горения из камеры сжигания печи направляют в камеру дожигания, затем пропускают через сетчатый и ионообменный фильтры. Кроме того, в качестве легкоплавких добавок для получения зольного остатка в остеклованной форме используют даталитовый концентрат и/или диоксид бора, и/или диоксид кремния. Для осуществления указанного способа предлагается устройство, содержащее устройство загрузки отходов, электродуговой плазмотрон, печь с камерой сжигания, соединенной с системой газоочистки. Согласно предлагаемому изобретению, устройство загрузки отходов выполнено в виде крышки, герметично установленной на камере сжигания печи,с закрепленным на ней электродуговым плазмотроном, содержащим дополнительное газовое кольцо для подачи дополнительного воздуха (по варианту 2), а система газоочистки выполнена в виде камеры дожигания отходящих газов, содержащей дополнительный плазмотрон, и соединена с последовательно соединенными сетчатым и ионообменным фильтрами, при этом камера сжигания печи содержит люк для удаления продуктов переработки, установленный в нижней ее части, выполнена из жаростойкой стали и футерована огнеупорным материалом с температурой плавления не менее 1200 . Образующийся в предлагаемой печи шлак или зольный остаток в остеклованной форме (по варианту 3) периодически удаляют из печи после ее выключения. Предлагаемое изобретение существенно упрощает конструкцию устройства, удешевляет ее стоимость и делает возможным применение ее непосредственно в местах образования медицинских и биологических отходов. Таким образом, предлагаемый способ и устройство обеспечивают переработку несортированных и пакетируемых медицинских и/или биологических отходов, в том числе те 5 14937 1 2011.10.30 рапевтических препаратов с истекшим сроком годности, содержащих радионуклиды. Это обеспечивает их полное термическое уничтожение, обезвреживание и реализацию экологически чистого процесса (исключение образования диоксиновых и фурановых соединений), а также получение газообразных и конденсированных продуктов полного разложения. На фигуре показан общий вид устройства для реализации указанного способа. Устройство включает в себя электродуговой плазмотрон 1, закрепленный на крышке 2,предназначенной для загрузки отходов в камеру сжигания 3 печи. Плазмотрон 1, в котором формируется поток плазмы с температурой 4500-5500 К, снабжен дополнительным газовым кольцом 4 для дополнительной подачи воздуха (по варианту 2). Камера сжигания 3 печи выполнена из жаростойкой стали и футерована специальным огнеупорным материалом 5 с температурой плавления не менее 1200 С. В нижней части камеры сжигания3 печи расположен люк 6 для выгрузки шлака или зольного остатка в остеклованной форме(по варианту 3) после выключения печи и ее остывания. Система газоочистки выполнена в виде камеры дожигания 7, куда через газоход 8 поступают отходящие газы из камеры сжигания 3. Камера дожигания 7 снабжена плазмотроном 9 и связана с последовательно соединенными сетчатым 10 и ионообменным 11 фильтрами. Такое устройство занимает ограниченные размеры, и может устанавливаться в каждом медицинском учреждении или производстве медицинских препаратов, и предназначено для работы в периодическом режиме. Периодический режим означает цикл полного сжигания (переработки) отходов, включающий их нагрев до нужной температуры и их остывание. Для обеспечения работы печи может быть использована инфраструктура учреждения или производства система вентиляции, водо- и газоснабжения, что позволяет снизить затраты на технологическую установку. Способ осуществляется следующим образом. По варианту 1. Отходы при соотношении органических и неорганических отходов 11 в виде кусков или упакованные в пакеты, без предварительной подготовки, открыв крышку 2, загружают в камеру сжигания 3 печи. С помощью плазмотрона 1 при среднемассовой температуре плазменного потока на выходе 4500-5500 К достигают температуру в зоне контакта перерабатываемых отходов с плазменной струей 1800-2800 К. Это обеспечивает их полное термическое уничтожение, обезвреживание и реализацию экологически чистого процесса (исключение образования диоксиновых и фурановых соединений), а также получение газообразных и конденсированных продуктов полного разложения. Нагрев до необходимой температуры (сжигания) отходов при загрузке, например 50 кг, в камеру сжигания 3 печи осуществляют плазмотроном мощностью 50 кВт. Подведенная электрическая мощность определяется как произведение силы тока дуги в плазмотроне на напряжение, приложенное к электродам плазмотрона. Таким образом, например, при напряжении на дуге - 250 В и силе тока - 200 А продолжительность нагрева составляет не более 15 минут. Отходящие газы, образующиеся в камере сжигания 3 печи, поступают через газоход 8 в камеру дожигания 7, где их дожигают с помощью дополнительного плазматрона 9. Далее, проходя сетчатый фильтр 10, улавливают мелкие частицы сажи и частицы других соединений, а отходящие газы, проходя через сетчатый фильтр 10, поступают в ионообменный фильтр 11. В последнем осуществляют окончательную очистку воздуха от токсичных газов и паров, аэрозолей кислот, щелочей и солей. При этом могут быть использованы системы инфраструктуры учреждений или производств, например,системы вентиляции, вытяжные, приточные и другие системы (на чертеже не показаны). Продолжительность работы установки составляет не менее 30 минут, что включает нагрев отходов в течение 15 минут и их охлаждение в течение 15 минут. После выключения плазмотрона 1 и остывания камеры сжигания 3 печи шлак или зольный остаток в остеклованной форме выгружают через люк 6. На этом заканчивается цикл работы устройства,который по суммарному времени составляет не более 30 минут, после чего можно осуществлять следующий цикл. 6 14937 1 2011.10.30 По варианту 2. При наличии вышеуказанных признаков по варианту 1 для полного сжигания отходящих газов, образующихся в камере сжигания 3 печи при переработке отходов, содержащих более 50 по массе органических материалов, через газовое кольцо 2 подают дополнительный воздух, чтобы стабилизировать работу плазмотрона 1. По варианту 3. При наличии вышеуказанных признаков по варианту 1 при загрузке устройства отходами, содержащими более 50 по массе неорганических отходов, например, металлов, стекла, керамики, в состав отходов вводят легкоплавкие добавки, например, даталитовый концентрат, диоксид бора, диоксид кремния. Эти добавки позволяют получать зольный остаток в остеклованной форме, пригодной для захоронения или повторного использования. Рассмотрим пример переработки медицинских отходов, усредненный состав элементов которого представлен в табл. 1. Способ переработки медицинских и биологических отходов в периодическом режиме заключается в плазменной обработке любых упакованных в пакеты или в виде кусков отходов при температуре 1800-2800 К, загружаемых в камеру сжигания 3 печи. Нагрев отходов осуществляют электродуговым плазмотроном мощностью 50 кВт, например ПДС-3. В качестве плазмообразующего газа используют компрессированный воздух. Параметры работы плазмотрона напряжение на дуге - 250 В, сила тока - 200 А. Расход компрессированного воздуха, подаваемого от производственной системы сжатого воздуха, составляет 13 м 3/час. Расход охлаждающей воды, подаваемой из системы водоснабжения для плазмотрона и камеры сжигания печи, составляет 500 кг/час. При всех вариантах осуществления способа и работы устройства отходящие газы после выхода из камеры сжигания печи проходят систему очистки, при которой мелкие частицы сажи и других соединений улавливают в рукавном фильтре, а экологическую очистку газов выполняют в ионнообменном фильтре. Таблица 1 Массовая доля Массовая доля Вещество Вещество компонентов,компонентов,Вода (2) 32,31 Кислород 6,29 Зола 7,00 Азот 8,16 Углерод 34,15 Сера 0,94 Водород 5,85 Хлор 5,30 Получаемые в результате отходящие газы не содержат никаких токсичных компонентов, состав их приведен в табл. 2. Таблица 2 Процентное содержание Процентное содержание Газ Газ компонента,компонента,Диоксид углерода 18,3 Хлор 0,76 Вода 12,2 Азот 68 Диоксид серы 0,27 Другие газы 0,47 Таким образом, предлагаемое изобретение обеспечивает повышение эффективности способа переработки любых, в том числе несортированных медико-биологических отходов, а устройство для его осуществления может устанавливаться в каждом отдельном медицинском учреждении или производстве медицинских препаратов и мобильно включаться в работу и выключаться по мере поступления отходов. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 8