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医疗废物、生物医疗废物与医院废物的等离子体处理、热解、气化、分解与燃烧

医疗废物、生物医疗废物与医院废物的等离子体处理、热解、气化、分解与燃烧

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随着医疗卫生机构数量的增加和 COVID-19 疫情的暴发,医疗废物(MW)已成为关系健康风险、环境污染和可持续性的关键问题。医疗卫生废物包括医疗卫生机构、研究中心和实验室内产生的、与医疗操作有关的全部废物。一般来说,医疗废物与医疗卫生废物这两个术语可以互换使用。与此同时,世界各地对其定义又各不相同。医疗废物是指任何具有危险性的医疗卫生废物,即可能具有感染性的废物、病理性废物、药物性废物、细胞毒性废物、化学性废物和放射性废物,以及任何不具危险性的医疗卫生废物。

医疗废物等离子体热解是安全处置医疗废物的先进技术。它是一种环境友好的技术,可把有机废物转化为具有商业价值的副产品。等离子体产生的强烈高温,使生活垃圾、生物医疗废物和危险废物等各类废物都能得到安全可靠的处置。医疗废物与等离子体接触后,被热解为 CO、H₂(CO、H₂、CO₂、H₂O 和 CH₄)以及烃类。这些气体经燃烧产生高温。在等离子体热解过程中,高温气体由 500° 急冷至 70 °C,以避免气体分子发生复合反应,从而抑制二噁英和呋喃的生成。气体分析结果表明,燃烧后检出的有毒气体远低于中央污染控制委员会(Central Pollution Control Board)排放标准的限值。等离子体环境还能杀灭耐热细菌。

等离子体气化凭借其高温特性和较低的有害排放,是最有前景的废物处理技术之一。等离子体被定义为物质的第四态,由自由基、自由电子、带电粒子和离子组成。物质向等离子体相转变的过程中,流体介质中会发生各种化学反应,包括电离、解离和再结合的链式过程,从而引起物质的热解离。凭借这些特点,热等离子体发生器在能源工业中被广泛用于燃烧、热解等需要高温的热工过程。

此外,研究发现,医院固体废物等离子体气化产生的多氯代二苯并对二噁英/多氯代二苯并呋喃(PCDD/PCDFs)总量低于 0.01 ng 毒性当量(TEQ),而按照欧盟委员会 2000/76/EC 指令的限值要求,该值不得超过 0.1 ng TEQ/m³。等离子体气化可以成为处理医疗废物的一种可持续、生态友好的替代方案,而且过程中还能获得富含 H₂ 的合成气。

在 Plasma Power 针对医疗废物开展初始参数设定与工艺设计时,我们认为任何医疗物品都对环境和人群构成很大的潜在危害;因此,医疗废物必须在处置前完成消毒,且不得有任何哪怕极其微小的成分逸入外部环境。等离子体反应器内部的热工过程无需打开容器即可进行,从而以最高的安全等级实现废物的彻底分解。

等离子体气化炉中常用的等离子体发生器,可分为微波等离子体炬(磁控管、速调管等)和转移弧/非转移弧等离子体炬。只要持续向这些炬体供入电能和工作介质,气化炉内就能获得温度高达 10,000 K 的高温等离子体射流,使燃料、废物等入炉物料发生热解。在很多情况下,等离子体介质为空气、水、水蒸气、氮气、二氧化碳或它们的混合物。原料热解过程中会产生含有大量氢气(H₂)和一氧化碳(CO)的合成气,随后可借助往复式发动机或燃料电池用于发电。

此外,借助我们独特的技术,金属物质(含铁 Fe、镉 Cd、铬 Cr、铜 Cu、汞 Hg 等)或石墨这类高含碳材料等有价物料,都会被截留在残渣中,并可在气化过程中作为熔融态的熔渣加以收集。据报道,生活垃圾等离子体气化过程的排放为 NOₓ 18 ppm、SOx 6 ppm、CO 5 ppm、HCl 0.38 ppm、粉尘 0.43 mg/m³,远低于欧洲标准的限值(NOₓ 159 ppm、SOx 19 ppm、CO 10 mg/m³、HCl 7 ppm、粉尘 10 mg/m³)。

等离子体气化工艺

等离子体气化是有机物的不完全氧化,把它们转化为可燃气或合成气(H₂、CO、CO₂、CH₄ 及其他烃类的混合物)。对于含无机组分的废物,其无机部分会同时玻璃化为不具浸出性的熔渣。与常规气化相比,它的装置占地更小、大气排放更洁净,但能耗更高。有机物含量高的医疗废物适合采用等离子体气化,这是一种有效的废物能源化利用技术。等离子体气化工艺的优势在于能够产出合成气和其他有价产品。

等离子体热解工艺

热解是指有机物在无氧条件下发生热分解、生成较小分子的过程。具体到等离子体热解,其产物仅由 CO、H₂ 和少量高级烃组成。就医疗废物而言,这些有机组分主要是塑料、纸张和布制品。热解后得到的主要产物有三种:燃气、半焦和油。一般来说,不仅废物种类,热解工艺类型对这些热解产物的变化也起着重要作用。按升温速率划分,热解工艺可分为慢速热解、快速热解和闪速热解。这些工艺是为实现各种预期目标而开发的,主要用于调节最终产物。

等离子体燃烧工艺

等离子体燃烧(等离子体氧化)是一种改进的焚烧工艺,以等离子体炬作为热源,并在过量氧气条件下进行。有观点认为,等离子体提供了多种活性粒子,可强化燃烧并激活燃料的氧化路径,在中低温条件下尤其如此。这种等离子体催化效应不仅能在较低温度下强化燃烧,还能减少空气需求量。与等离子体热解和气化不同,经过等离子体燃烧炉之后,可燃组分并不是出口气体的主要成分。因此,是否加设二次燃烧室,取决于出口气体的品质和后续单元的进气要求。

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