close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY7734

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
BY (11) 7734
(13) C1
(19)
(46) 2006.02.28
(12)
7
(51) A 61L 11/00,
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
F 23G 5/00, 7/00
СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ МЕДИЦИНСКИХ
И БИОЛОГИЧЕСКИХ ОТХОДОВ В ТЕРМИЧЕСКОЙ ПЛАЗМЕ
(21) Номер заявки: a 20030813
(22) 2003.08.19
(43) 2005.03.30
(71) Заявитель: Государственное научное
учреждение "Институт тепло- и массообмена имени А.В.Лыкова Национальной академии наук Беларуси" (BY)
(72) Авторы: Мартыненко Олег Григорьевич; Павлюкевич Николай Владимирович; Лактюшин Александр Николаевич;
Моссэ Альфред Львович; Горбунов
Андрей Васильевич; Хведчин Игорь
Васильевич; Ермолаева Елена Михайловна (BY)
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "Институт теплои массообмена имени А.В.Лыкова Национальной академии наук Беларуси"
(BY)
(56) US 5611947 A, 1997.
BY a20010351, 2002.
BY 3570 C1, 2000.
RU 2038537 C1, 1995.
RU 2183794 C2, 2002.
RU 2107347 C1, 1998.
RU 2093754 C1, 1997.
US 5943970 A, 1999.
BY 7734 C1 2006.02.28
(57)
Способ переработки медицинских и биологических отходов в термической плазме,
при котором отходы подают в верхней части 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
BY 7734 C1 2006.02.28
направляют в систему газоочистки, отличающийся тем, что 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 и дополнительно по меньшей мере три плазменные струи подают в
нижнюю часть потока, причем эти струи генерируют теми же плазмотронами, которые
формируют поток плазмы в верхней его части, дополнительно вводят несортированные
твердые дробленые или диспергированные отходы в верхней части потока, а жидкие отходы подают в нижней его части.
Изобретение относится к обезвреживанию опасных отходов, в частности к технологиям переработки и уничтожения медицинских и биологических отходов, в том числе терапевтических препаратов с истекшим сроком годности и содержащих радионуклиды,
решает в первую очередь экологическую задачу и может найти применение в защите окружающей среды, медицине, сельском хозяйстве, в жилищно-коммунальном хозяйстве, в
химической и химико-фармакологической промышленности.
Одной из наиболее серьезных экологических проблем, стоящих перед многими промышленно развитыми странами, является загрязнение окружающей среды бытовыми и
промышленными отходами, которые в большинстве случаев являются токсичными и
опасными.
Несмотря на введенные в индустриально развитых странах жесткие нормы и условия
по размещению и оборудованию полигонов, по захоронению и складированию опасных
отходов и их составу, предпочтение отдается технологическим методам нейтрализации
отходов, включающим обезвреживание, уменьшение объема отходов, подлежащих захоронению, и/или повторное использование продуктов получаемых в результате их переработки. И это несмотря на то, что технологические методы переработки отходов требуют
определенных энергетических затрат.
Проблема утилизации медицинских отходов вплоть до недавнего времени считались
мало актуальной для многих даже промышленно развитых стран, что совпадало и с общемировой ее оценкой. Однако, начиная с конца 80-х годов интерес и разнообразие подходов к этой проблеме, особенно в высокоразвитых странах (США, Япония, Германия и др.),
существенно возросли. Это связано с декларируемой на межгосударственном уровне стратегической тенденции на всестороннюю "экологизацию" среды обитания, как фактор,
компенсирующий ее деградацию вследствие индустриального развития, а также и с возрастанием конкретной опасности для населения от быстро накапливающихся объемов высокотоксичных и инфицированных отходов лечебных учреждений и медико-биологических
производств.
Санитарно-гигиенические исследования типичных твердых медицинских отходов,
выполненные в ряде стран [1], показывают, что их опасность для окружающей среды значительно выше, чем у большинства химических отходов (за исключением лишь содержащих вещества 1-го класса опасности по токсикологической классификации) и, например, в
случае твердых отходов, содержащих цитостатические препараты, антибиотики и другие,
сравнимые с опасностью загрязнения радиоактивными отходами высокого и среднего
уровня активности (>10 Бк/кг).
Данная проблема усложняется и тем фактором, что уже накопленные и хранящиеся во
многих странах твердые медицинские отходы, как правило, не сортированы и в ряде случаев имеют весьма сложный состав, не поддающийся точной идентификации. В то же
время нормы, принятые при переработке медицинских отходов, в Японии, Италии и др.
странах [2], [3] требуют предварительного сортирования их по группам, в зависимости от
состава.
2
BY 7734 C1 2006.02.28
Так, выделяют четыре основные группы медицинских отходов:
1. Обычные (биохимически устойчивые) и безопасные для окружающей среды отходы, которые могут сбрасываться в открытые свалки (в т.ч. вместе с бытовыми отходами)
даже без дополнительной грунтовой засыпки.
2. Мало опасные, но химически неустойчивые отходы, которые за счет разложения в
процессе хранения могут выделять вредные вещества, поэтому их требуется захоранивать
на свалках с противофильтрационной облицовкой и со специальной системой для сбора и
обработки стоков.
3. Высокоопасные отходы, требующие особой обработки и последующего захоронения (например, в Японии все медицинские отходы, содержащие радионуклиды, собираются и обрабатываются японским обществом изотопов).
4. Медицинские шприцы, которые рекомендуется собирать и перерабатывать отдельно
от остальных отходов.
Очевидно, что в случае переработки несортированных отходов потребуется применение максимально универсальных методов, т.е. гарантирующих дезинфекцию и обезвреживание любых компонентов отходов.
Уровень техники и технологии в данной области определяется наличием ряда работ,
которые могут рассматриваться как аналоги предлагаемого изобретения.
Известен способ термической переработки супертоксичных веществ, в том числе и
медицинских, и создан промышленный модуль установки на базе ракетного двигателя для
их обезвреживания.
Сущность технологического процесса [4] базируется на термохимическом методе преобразований обезвреживаемого вещества, включающих ряд последовательных стадий:
высокотемпературное разложение (Т = 2000-3500 °С), доокисление и химическое связывание элементов разложения, многозвенная система нейтрализации и улавливания конечных малотоксичных химических соединений.
В установке камера сгорания ракетного двигателя (РД), реакционная камера, адсорбер
расположены в последовательной цепи. В качестве комплектующих элементов использованы готовые узлы и агрегаты РД. Однако техническое воплощение установки осуществлено на принципах создания ракетной техники, что слишком сложно и дорого. Кроме
того, организация подачи обрабатываемого сырья не предусматривает использования несортированных отходов.
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. Именно таким технологическим процессом является переработка токсичных медицинских 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: 3Н, 14C,
35
P, 60Co, 90Sr, 137Cs.
Ближайшим техническим решением к предлагаемому (прототип) является способ переработки медицинских отходов в пароводяной среде индукционного плазмотрона [5]. В
известном способе жидкие или пульпообразные медицинские или биологические отходы
подвергаются пиролизу в пароводяной среде индукционного плазмотрона. Мощность
данной установки достигает значения 15 кВт. Недостатком этого технологического процесса является его небольшая производительность, а также возможность переработки
только жидких и пульпообразных отходов.
Использование плазменных технологий открывает новые возможности для подхода к
оптимальному управлению технологическими процессами, а также к более простой их
3
BY 7734 C1 2006.02.28
реализации с максимально возможной эффективностью. Задачей изобретения является
разработка способа переработки несортированных медицинских и биологических отходов,
позволяющего регулировать время пребывания обрабатываемого сырья в высокотемпературной зоне потока, а также регулировать химический состав плазменного потока. Это
позволит вести процесс с заранее заданными, требуемыми электрическими, тепловыми и
технологическими рабочими параметрами, что приведет к повышению эффективности
технологического процесса обработки твердых и/ или жидких отходов. Кроме того, это
должно привести к повышению качества переработки медицинских и биологических отходов, а также к снижению стоимости процесса утилизации отходов.
Реальной альтернативой вышеописанной высокотемпературной технологии, а так же
существующим технологиям сжигания медицинских и биологических отходов в плазменных шахтных печах является их утилизация в низкотемпературной плазме, т.е. высокотемпературная переработка в плазменном реакторе с трехструйной камерой смешения
прямоточного или противоточного типа. Такой технологический процесс реализуется при
подаче в реактор дисперсных и диспергированных (порошок, раствор, суспензия) или
предварительно диспергированных в специальном режущем устройстве (дробилке) отходов.
Использование электродугового нагрева для получения воздушной плазмы со среднемассовыми температурами порядка 5000 К позволяет осуществлять высокотемпературное
сжигание органической составляющей отходов и остекловывания неорганической составляющей отходов, даже без предварительной подшихтовки, с использованием специальных
легкоплавких добавок и получением остеклованных или керамических материалов пригодных для длительного хранения в обычных почвах или для использования как наполнитель или как строительный материал.
В установке основные исполнительные органы (камера смешения, секционированный
реактор, система подачи дополнительного высокотемпературного потока, бункер, циклон,
фильтр) расположены в последовательной цепи, т.е. работают по схеме организации процессов в высокоскоростном движущемся высокотемпературном потоке.
Сущность изобретения.
Сущность изобретения демонстрируется на следующем примере и определяется совокупностью описываемых ниже существенных признаков, достаточных для достижения
заявляемого в изобретении технологического результата, а именно способа плазменной
переработки дисперсных, диспергированных и кусковых медицинских и биологических
отходов в плазменном реакторе с трехструйной камерой смешения.
Технология переработки и уничтожения медицинских и биологических отходов одностадийная и непрерывная, и заключается в плазменной - высокотемпературной обработке
отходов, подаваемых в плазменный реактор с многоструйной, например трехструйной,
камерой смешения в виде порошка, раствора или кусков предварительно диспергированных в специальном режущем устройстве. Размер кусков от 0,5 до 2,0 мм, определяется
специальной конструкцией режущего устройства.
Несортированные отходы в виде порошка, раствора или кусков подают в верхней части
направленного вертикально вниз потока термической плазмы, генерируемой электродуговыми плазмотронами, и подвергают физическим и химическим превращениям, например,
нагревают до температуры плавления или возгонки. Полученный расплавленный продукт
собирают в сборнике-бункере, а газообразные продукты горения или возгонки направляют в систему закалки и газоочистки.
Конструкция плазменного реактора с многоструйной камерой смешения и дополнительным тепло- и массонесущим узлом с форсунками позволяет увеличить высокоэнтальпийную зону переработки отходов, а также время пребывания сырья в высокотемпературной
зоне реактора и варьировать состав высокотемпературной рабочей среды.
Принимая допустимый по расчетным и экспериментальным данным коэффициент избытка воздуха, необходимый по стехиометрии реакции для обеспечения высокотемпера4
BY 7734 C1 2006.02.28
турного сжигания органической части отходов в воздушной плазме, k = 1,3, получаем, что
требуемые соотношения массовых расходов теплоносителя (воздуха) к сырью (отходу)
варьируются в диапазоне от (2,5 : 1) до (4 : 1) в зависимости от состава перерабатываемого
сырья.
Среднемассовая температура теплоносителя (воздух) на входе в камеру смешения
плазменного реактора 4500-5000 К. Соотношение массовых расходов отходов и теплоносителя может изменяться от 2,0 до 3,5. Средний размер частиц порошка или капель раствора на входе в камеру смешения - 30-100 мкм; их температура 20-50 °С, размер кусков
отходов изменяется от 0,5 до 2,0 мм. Соотношение органической и неорганической составляющих в составе отходов 40 : 60, и может изменяться в пределах ± 25 %. Температура внутренней поверхности стенок реактора - 500-1000 К.
При пароводяном варианте плазменной обработки отходов соотношение массовых
расходов теплоносителя (пароводяной плазмы) к сырью (отходы) находится в диапазоне
от 1,3 : 1 до 2 : 1. Среднемассовая температура потока может достигать значений от 3000
до 3600 К.
В паровоздушном плазменном потоке среднемассовые температуры изменяются от
3300 до 4500 К, а соотношение массовых расходов теплоносителя к сырью лежат в диапазоне от 2 : 1 до 3,5 : 1.
Возможность использовать установку с повышенной мощностью устройства, приводит к улучшению качества переработки, а следовательно к снижению стоимости процесса
утилизации отходов.
Используемые устройства и вещества.
Предлагаемый способ может быть реализован на плазменной установке, которая оснащена тремя электродуговыми плазмотронами, работающими на общую цилиндрическую камеру смешения. Реактор имеет цилиндрический водоохлаждаемый канал, в
верхней части которого установлен узел дробления и подачи сырья, а в его нижней части
установлен узел подачи дополнительной высокотемпературной плазменной струи и диспергированного сырья, бункер для сбора и грануляции расплавленных продуктов, образующихся после плавления неорганической части отходов.
Плазменная установка (фигура) состоит из следующих узлов: 1 - реактор; 2 - смесительная камера; 3, 5, 8 - дозаторы; 4, 6, 7 - форсунки; 9 - сборник; 10 - плазмотрон; 11 прокладка; 12 - патрубок; 13 - узел отбора газа на закалку; 14 - бункер сбора продуктов
обработки.
Плазменная установка работает следующим образом: плазменные струи из полости
выходных электродов плазмотронов (10) поступают в смесительную камеру (2), смешиваются в ней и направляются в реактор (1). Одновременно из полостей торцевых электродов по патрубкам (12) в реактор ниже по потоку через форсунки (4) поступают струи из
торцевых электродов плазмотронов. Из дозатора (3) дробленые медицинские и биологические отходы поступают в смесительную камеру и далее в реактор (1), в котором они сгорают, плавятся или возгоняются. Если основную массу составляют жидкие отходы, то они
могут вводиться в реактор через форсунки (4) или (7) с помощью дозатора (5) или (8) соответственно. По мере продвижения отходов вниз, температура плазменного потока снижается и поэтому для поддержания требуемого распределения температуры по высоте
реактора в месте снижения температуры через патрубки (12) и форсунки (6) вводится дополнительно подогретый в плазмотронах газ. Этот газ поднимает температуру в этой зоне
реактора и направляется в бункер сбора расплавленных продуктов (14), обеспечивая полное их проплавление.
Регулировка количества газа, подаваемого в нижней части реактора позволяет регулировать время нахождения обрабатываемого сырья в высокотемпературной зоне, так как
суммарное количество плазменного газа, вводимого в реактор, остается неизменным.
5
BY 7734 C1 2006.02.28
Выходящий их реактора газ (13) подвергается закалке и поступает в систему газоочистки. Расплавленные отходы собираются в сборнике (9).
В качестве исходного сырья могут использоваться твердые медицинские отходы,
предварительно измельченные на специальной режущей машине.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.
Возможность осуществления изобретения подтверждается тем, что предлагаемый способ реализуется с помощью достаточно известного вида оборудования - плазменного реактора прямоточного типа с тремя электродуговыми плазмотронами постоянного тока,
суммарной мощностью 100-150 кВт и с вводом сырья через специальный патрубок, соединяющий режущее устройство с камерой смешения реактора. Такой тип реактора успешно апробирован ранее для широкого круга процессов обработки и синтеза дисперсных
материалов, а также для переработки токсичных промышленных отходов [6, 7]. При реализации способа, заявляемого в данном изобретении, авторами использовалась технологическая установка с плазменным реактором указанного выше типа, суммарной
мощностью 150 кВт, расход плазмообразующего газа 3,0-5,0 г/с, расход кусковых отходов
25,0 кг/час. В качестве плазмообразующего и закалочного газа использовался воздух.
Газообразные продукты плазменного сжигания медицинских отходов после реактора
проходят фильтрацию на фильтре и абсорбционную щелочную очистку в циклоне. Получаемые в результате отходящие газы не содержат никаких токсичных компонентов.
Используемый способ и технологическая схема установки может быть положена в основу при создании промышленной установки утилизации твердых медицинских отходов
произвольного состава.
Источники информации:
1. Brunner C.R, Brown C.H. / Journ. Air Pollut. Contr. Assoc. - 1988. - V.38. - N 10. P. 1297.
2. Briosi G.L., Ventola G. Termotecnica. - 1989. - V. 43, N 12. - P. 49.
3. Tanaka M. / Когйкэнкю. - 1989. - V. 18. - N 4. - P. 45.
4. Папуша А.И. Высокотемпературная технология уничтожения супертоксичных
веществ. Конверсия в машиностроении - Conversion in machine building of Russia N 1.1998.
5. Vavrushka John S. Induction steam plasma torch for generating a steam plasma for
treating a feed slurry. B 23К 010/00; United States Patent. (Alliant Techsystems, Inc. (Hopkins,
MN), Plasma Technology, Inc.(Santa Fe, NM); 302048; September 7, 1994).
6. Моссэ А.Л., Буров И.С. Обработка дисперсных материалов в плазменных реакторах,
Минск: Наука и техника, 1980. - С. 207.
7. Моссэ А.Л., Горбунов А.В., Ермолаева Е.М. Плазменная переработка токсичных органических и галогеносодержащих отходов. Проблемы и перспективы их обезвреживания.
ИТМО НАНБ. Препринт № 2: Минск, 2003.
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
122 Кб
Теги
патент, by7734
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа