Плазмове оброблення, піроліз, газифікація, деструкція та спалювання медичних, біомедичних і лікарняних відходів

Зі зростанням кількості закладів охорони здоров'я та з початком пандемії COVID-19 медичні відходи (MW) стали критичною проблемою з погляду ризиків для здоров'я, забруднення довкілля та сталого розвитку. До відходів охорони здоров'я належать усі відходи, що утворюються в закладах охорони здоров'я, дослідних центрах і лабораторіях у зв'язку з медичними процедурами. Зазвичай термін «медичні відходи» вживають як взаємозамінний із терміном «відходи охорони здоров'я». Водночас у світі побутують різні варіанти їх визначень. Медичні відходи — це будь-які небезпечні відходи охорони здоров'я: потенційно інфекційні, патологоанатомічні, фармацевтичні, цитотоксичні, хімічні та радіоактивні, а також будь-які ненебезпечні відходи охорони здоров'я.

Плазмовий піроліз медичних відходів — найсучасніша технологія їх безпечної утилізації. Це екологічна технологія, яка перетворює органічні відходи на комерційно цінні побічні продукти. Інтенсивне тепло, що його створює плазма, дає змогу безпечно й надійно утилізувати всі види відходів, зокрема тверді побутові, біомедичні та небезпечні. Контактуючи з плазмою, медичні відходи піролізуються до CO, H₂ (CO, H₂, CO₂, H₂O та CH₄) і вуглеводнів. Ці гази спалюють, і вони дають високу температуру. У процесі плазмового піролізу гарячі гази різко охолоджують (гартують) із 500 до 70 °C, щоб запобігти реакціям рекомбінації газоподібних молекул і тим самим не допустити утворення діоксинів і фуранів. Результати аналізу газів засвідчують, що вміст токсичних газів після спалювання надійно вкладається в нормативи викидів Центральної ради з контролю за забрудненням (Central Pollution Control Board). Плазмове середовище також знищує термостійкі бактерії.

Плазмова газифікація — один із найперспективніших методів оброблення відходів завдяки високотемпературним характеристикам і нижчим викидам небезпечних речовин. Плазму визначають як четвертий агрегатний стан речовини, що складається з радикалів, вільних електронів, заряджених частинок та іонів. Під час переходу речовини у плазмовий стан у плинному середовищі відбуваються різноманітні хімічні реакції — ланцюги іонізації, дисоціації та рекомбінації, — які спричиняють термічну дисоціацію речовини. Завдяки цим властивостям генератори термічної плазми широко застосовують в енергетиці для теплових процесів, що потребують високих температур, зокрема спалювання та піролізу.

Крім того, сумарне утворення PCDD/PCDF під час плазмової газифікації твердих лікарняних відходів виявилося нижчим за 0,01 нг токсичного еквівалента (TEQ), тоді як за граничними значеннями Директиви Європейської Комісії 2000/76/ЄС воно не повинне перевищувати 0,1 нг TEQ/м³. Плазмова газифікація може стати сталою та екологічною альтернативою для оброблення медичних відходів, до того ж у процесі можна одержувати збагачений H₂ синтез-газ.

У вихідних параметрах і проєктуванні процесу для медичних відходів у Plasma Power виходять із того, що будь-який медичний елемент становить велику потенційну небезпеку і для довкілля, і для населення; тому медичні відходи слід знезаражувати перед утилізацією так, щоб у зовнішнє середовище не потрапив жоден, навіть найдрібніший, елемент. Тепловий процес усередині плазмового реактора без розкривання контейнера дає змогу знищувати відходи з найвищим ступенем безпеки.

Генератори плазми, які зазвичай застосовують у плазмових газифікаторах, — це мікрохвильові плазмотрони (магнетрони, клістрони тощо) та дугові плазмотрони прямої й непрямої дії. За безперервного підведення до цих плазмотронів електроенергії та робочого тіла в газифікаторі можна отримати високотемпературні плазмові струмені до 10 000 К, які спричиняють піроліз завантажуваних матеріалів — палив і відходів. Здебільшого плазмоутворювальним середовищем є повітря, вода, водяна пара, азот, діоксид вуглецю або їх суміші. Під час піролізу сировини утворюється синтез-газ зі значним вмістом водню (H₂) та монооксиду вуглецю (CO), який згодом можна використати для виробництва електроенергії за допомогою поршневих двигунів або паливних елементів.

Ба більше, завдяки нашій унікальній технології цінні матеріали — металовмісні речовини (із залізом (Fe), кадмієм (Cd), хромом (Cr), міддю (Cu), ртуттю (Hg) тощо) чи високовуглецеві матеріали на кшталт графіту — утримуються в залишковому шлаку, який під час газифікації можна відбирати як розплавлений шлак. Викиди під час плазмової газифікації ТПВ наводять на рівні 18 ppm NOₓ, 6 ppm SOₓ, 5 ppm CO, 0,38 ppm HCl і 0,43 мг/м³ пилу, що значно нижче за граничні значення європейських норм (159 ppm NOₓ, 19 ppm SOₓ, 10 мг/м³ CO, 7 ppm HCl, 10 мг/м³ пилу).

Плазмова газифікація — це неповне окиснення органічних речовин із перетворенням їх на горючий, або синтетичний, газ (суміш H₂, CO, CO₂, CH₄ та інших вуглеводнів). Якщо відходи містять неорганічні складники, неорганічна фракція водночас переводиться у склоподібний невилуговуваний шлак. Порівняно зі звичайною газифікацією установка тут менша, а викиди в повітря чистіші, проте енергії витрачається більше. Медичні відходи з високим вмістом органіки придатні для плазмової газифікації — ефективної технології енергетичної утилізації відходів. Перевага процесу плазмової газифікації в тому, що він дає змогу одержувати синтез-газ та інші цінні продукти.

Піролізом називають процес, у якому органічна речовина термічно розкладається за відсутності кисню з утворенням дрібніших молекул. Зокрема, за плазмового піролізу продукти складаються лише з CO, H₂ та невеликої кількості вищих вуглеводнів. У медичних відходах ці органічні фракції — це переважно пластмаси, папір і текстильні вироби. Після піролізу утворюються три основні продукти: паливний газ, вуглецевий залишок (чар) і піролізна олива. Загалом на співвідношення цих продуктів піролізу істотно впливає не лише вид відходів, а й тип піролізного процесу. За швидкістю нагрівання типи піролізу поділяють на повільний, швидкий і миттєвий (флеш-) піроліз. Ці процеси розробляли з різними цілями, головно щоб регулювати кінцеві продукти.

Плазмове спалювання (плазмове окиснення) — це вдосконалений процес спалювання, у якому джерелом тепла слугує плазмотрон за надлишку кисню. Стверджують, що плазма постачає різноманітні активні частинки, які інтенсифікують горіння та активують шляхи окиснення палива, особливо за низьких і середніх температур. Цей ефект плазмового каталізу не лише інтенсифікує горіння за нижчої температури, а й зменшує потребу в повітрі. На відміну від плазмового піролізу та газифікації, після печі плазмового спалювання горючі компоненти не є основною складовою відхідних газів. Тому доцільність додавання камери допалювання залежить від якості відхідних газів і вимог до вхідного потоку наступних вузлів.