Плазменная обработка, пиролиз, газификация, уничтожение и сжигание медицинских, биомедицинских и больничных отходов

С ростом числа учреждений здравоохранения и с началом пандемии COVID-19 медицинские отходы (МО) превратились в критически важную проблему с точки зрения рисков для здоровья, загрязнения окружающей среды и устойчивого развития. Отходы здравоохранения включают все отходы, образующиеся в учреждениях здравоохранения, исследовательских центрах и лабораториях и связанные с медицинскими процедурами. Как правило, термин «медицинские отходы» употребляется как взаимозаменяемый с термином «отходы здравоохранения». При этом в мире используются различные варианты их определений. К медицинским отходам относят любые опасные отходы здравоохранения — потенциально инфекционные, патологические, фармацевтические, цитотоксические, химические и радиоактивные, — а также любые неопасные отходы здравоохранения.

Плазменный пиролиз медицинских отходов — передовая технология безопасной утилизации медицинских отходов. Это экологичная технология, превращающая органические отходы в коммерчески полезные побочные продукты. Интенсивное тепло, создаваемое плазмой, позволяет безопасно и надёжно утилизировать все виды отходов, включая твёрдые коммунальные отходы, биомедицинские отходы и опасные отходы. При контакте с плазмой медицинские отходы подвергаются пиролизу с образованием CO, H₂ (CO, H₂, CO₂, H₂O и CH₄) и углеводородов. Эти газы сжигаются и дают высокую температуру. В процессе плазменного пиролиза горячие газы подвергают закалке — резкому охлаждению с 500 до 70 °C, чтобы исключить реакции рекомбинации газообразных молекул и тем самым подавить образование диоксинов и фуранов. Результаты анализа газов показывают, что токсичные газы, обнаруживаемые после сжигания, с запасом укладываются в нормативы выбросов Центрального совета по контролю загрязнения (Central Pollution Control Board). Плазменная среда также уничтожает термостойкие бактерии.

Плазменная газификация — один из наиболее перспективных методов обработки отходов благодаря высокотемпературным характеристикам и меньшим выбросам опасных веществ. Плазма определяется как четвёртое агрегатное состояние вещества, состоящее из радикалов, свободных электронов, заряженных частиц и ионов. При переходе вещества в плазменную фазу в текучей среде протекают разнообразные химические реакции, представляющие собой цепочки ионизации, диссоциации и рекомбинации, что вызывает термическую диссоциацию вещества. Благодаря этим особенностям генераторы термической плазмы широко применяются в энергетической отрасли для термических процессов, требующих высоких температур, — таких как сжигание и пиролиз.

Кроме того, суммарное образование PCDD/PCDF при плазменной газификации твёрдых больничных отходов оказывается ниже 0,01 нг токсического эквивалента (TEQ), который не должен превышать 0,1 нг TEQ/м³ согласно предельным значениям Директивы Европейской комиссии 2000/76/EC. Плазменная газификация может стать устойчивой и экологичной альтернативой для обработки МО, причём в ходе процесса может быть получен и обогащённый H₂ синтез-газ.

В качестве исходного параметра и основы проектирования процесса для медицинских отходов в Plasma Power принимается, что любой медицинский элемент несёт большую потенциальную опасность как для окружающей среды, так и для населения; поэтому медицинские отходы должны быть обеззаражены перед утилизацией без выхода во внешнюю среду хотя бы одного, даже самого малого элемента. Термический процесс внутри плазменного реактора без вскрытия контейнера позволяет уничтожать отходы с наивысшей степенью безопасности.

Плазменные генераторы, обычно применяемые в плазменных газификаторах, можно обозначить как СВЧ-плазмотроны (магнетроны, клистроны и т. д.) и дуговые плазмотроны прямого/косвенного действия. При непрерывной подаче электроэнергии и рабочего тела в эти плазмотроны в газификаторе достигаются высокотемпературные плазменные струи с температурой до 10 000 К, что вызывает пиролиз загружаемых материалов — топлив и отходов. Во многих случаях плазменной средой служат воздух, вода, водяной пар, азот, диоксид углерода или их смеси. При пиролизе сырья образуется синтез-газ, содержащий значительные количества водорода (H₂) и монооксида углерода (CO), который затем может использоваться для производства электроэнергии с помощью поршневых двигателей или топливных элементов.

Более того, благодаря нашей уникальной технологии ценные материалы — металлические вещества (содержащие железо (Fe), кадмий (Cd), хром (Cr), медь (Cu), ртуть (Hg) и т. д.) или материалы с высоким содержанием углерода, такие как графит, — улавливаются в остаточном шлаке, который может собираться в виде расплавленного шлака в ходе процесса газификации. Выбросы при плазменной газификации ТКО составляют, по имеющимся данным, 18 ppm NOₓ, 6 ppm SOx, 5 ppm CO, 0,38 ppm HCl и 0,43 мг/м³ пыли, что значительно ниже предельных значений европейских стандартов (159 ppm NOₓ, 19 ppm SOx, 10 мг/м³ CO, 7 ppm HCl, 10 мг/м³ пыли).

Плазменная газификация — это неполное окисление органических веществ с превращением их в горючий, или синтетический, газ (смесь H₂, CO, CO₂, CH₄ и других углеводородов). Для отходов, содержащих неорганические вещества, неорганическая фракция одновременно остекловывается в невыщелачиваемый шлак. По сравнению с обычной газификацией установка компактнее, а выбросы в атмосферу чище, но энергопотребление выше. Медицинские отходы с высоким содержанием органики пригодны для плазменной газификации — эффективной технологии получения энергии из отходов. Преимущество процесса плазменной газификации в том, что он позволяет получать синтез-газ и другие ценные продукты.

Пиролиз — это процесс, при котором органическое вещество термически разлагается в отсутствие кислорода с образованием более мелких молекул. Применительно к плазменному пиролизу продукты состоят только из CO, H₂ и небольшого количества высших углеводородов. Для медицинских отходов такими органическими фракциями являются главным образом пластмассы, бумага и изделия из ткани. После пиролиза обнаруживаются три основных продукта: топливный газ, углеродный остаток и масло. Как правило, на состав получаемых продуктов пиролиза существенно влияет не только вид отходов, но и тип процесса пиролиза. По скорости нагрева типы процессов пиролиза можно разделить на медленный пиролиз, быстрый пиролиз и флеш-пиролиз. Эти процессы разрабатывают под разные задачи — главным образом для регулирования конечных продуктов.

Плазменное сжигание (плазменное окисление) — усовершенствованный процесс сжигания, в котором плазмотрон используется как источник тепла при избытке кислорода. Утверждается, что плазма поставляет разнообразные активные частицы, интенсифицирующие горение и активирующие пути окисления топлива, особенно при низких и средних температурах. Такое действие плазменного катализа не только интенсифицирует горение при более низкой температуре, но и снижает потребность в воздухе. В отличие от плазменного пиролиза и газификации, горючие компоненты не являются основной составляющей отходящих газов после печи плазменного сжигания. Поэтому необходимость добавления камеры дожигания зависит от качества отходящих газов и требований к входному потоку последующих узлов.