Установка пульсирующего горения для обезвреживания отходов биологического характера и лечебно-профилактических учреждений

Г. И. Павлов, С. М. Кириченко, С. Ю. Гармонов, А. В. Кочергин,

А. Ю. Козиков, М. А. Никитин, В. П. Багнюк

УСТАНОВКА ПУЛЬСИРУЮЩЕГО ГОРЕНИЯ ДЛЯ ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ ОТХОДОВ БИОЛОГИЧЕСКОГО ХАРАКТЕРА И

ЛЕЧЕБНО-ПРОФИЛАКТИЧЕСКИХ УЧРЕЖДЕНИЙ

Ключевые слова: медико-биологические отходы, установка пульсирующего горения, огневое обезвреживание. a medical and biologic waste, installation of pulsing burning, fire neutralisation.

Приведены результаты исследований по огневому обезвреживанию твердых отходов (биологических и отходов лечебно-профилактических учреждений) на опытнопромышленной установке, работающей по принципу пульсирующего горения. В топочном пространстве пульсации генерировались горелочным узлом, работающим на жидких углеводородных горючих: низкосортном товарном топливе и жидких горючих отходах (отходы ГСМ, нефтехимии и т.д.). Результаты свидетельствуют о том, что на предлагаемой установке себестоимость обезвреживания твердых отходов значительно ниже, чем на существующих установках. При этом обеспечивается высокая экологичность и эффективность их обезвреживания. Results of researches on fire neutralisation of a firm waste (biological and a waste of treatment-and-prophylactic establishments) on the trial installation working by a principle of pulsing burning are resulted. In top internal space of a pulsation were generated by the knot working on the liquid hydrocarbonic combustible: low-grade commodity fuel and a liquid combustible waste (a waste of petroleum products, petrochemistry etc.). Results testify that on offered installation the cost price of neutralisation of a firm waste much more low, than on existing installations. High ecological compatibility and efficiency of their neutralisation is thus provided.

Обеспечение санитарно-эпидемиологического благополучия страны является одним из важнейших аспектов национальной безопасности в области охраны здоровья населения. Экологические проблемы, обусловленные загрязнением территории населенных мест отходами производства и потребления, остаются в числе самых приоритетных.

Медико-биологические отходы (отходы лечебно-профилактических учреждений (ЛПУ)) образуются не в таких колоссальных количествах, как бытовые отходы. Но в силу своей сложности и неоднородности состава, медико-биологические отходы заслуживают к себе серьезного отношения в гигиеническом и эпидемиологическом плане. Медицинские отходы - материалы, вещества, изделия, утратившие частично или полностью свои первоначальные потребительские свойства в ходе осуществления медицинских манипуляций, проводимых при лечении или обследовании людей в медицинских учреждениях. Биологические отходы - биологические ткани и органы, образующиеся в результате медицинской и ветеринарной оперативной практики, медико-биологических экспериментов, гибели скота, других животных и птицы, и другие отходы, получаемые при переработке пищевого и непищевого сырья животного происхождения, а также отходы биотехнологической промышленности [1].

Около трети медицинских отходов, попадающих на полигоны ТБО, оказываются инфицированными патогенной микрофлорой. Так, например, если в 1 г бытовых отходов содержится до 1 млрд. микроорганизмов, то в медицинских это число возрастает до 200300 млрд. При анализе микробной обсемененности отходов ЛПУ выяснилось, что отходы

и предметы окружающей среды в большей степени инфицированы стафилококковой флорой (30,7% и 51,8% соответственно), и несколько меньше - бактерией группы кишечной палочки (26,7% и 48,1%), следовательно, медицинские отходы являются источником массивного инфицирования патогенными микроорганизмами предметов окружающей среды. Кроме того, медицинские отходы - источник инфекций с парентеральным путем передачи, что подтверждают случаи инфицирования гепатитами и ВИЧ-инфекцией как медицинского персонала, так и случайного населения. Анализ микробиологической картины медицинских отходов показывает, что чаще всего из них высеваются бактерии рода Staphylococcus (в 30,7% случаев) и бактерии группы кишечной палочки (в 26,7 %). Неферментирующие грамот-рицательные бактерии, представленные Ps.aeruginosа, - в 21,3%, грамположительные споровые палочки (Bac.cereus, Clostridium perfringens) обнаруживаются в - 14,7 % проб. В оставшихся 6,6 % проб выделяются другие микроорганизмы как в монокультурах, так и в ассоциациях с уже упомянутыми. Эти микроорганизмы содержатся более чем в 30% медицинских отходах, вывозимых на городские свалки, и представляют значительную эпидемиологическую опасность. Данные микроорганизмы способны не только длительное время сохранять свою жизнеспособность, но и размножаться в объектах окружающей среды.

Медико-биологические отходы в большинстве случаев содержат токсичные вещества и вредные биологические формы (вирусы, микробы, штаммы). Типичный фазовый состав (% об.): жидкости — 50 - 60, твердые вещества — 20 - 40, газы — 10 - 20. Содержание неорганических веществ составляет примерно 50%, средняя теплотворная способность — около 4000 ккал/кг [1]. Медицинские отходы отличаются высокой полиморфностью, т.е. большим разнообразием морфологического состава, который может быть представлен остатками пищи и упаковочных материалов, находившихся в контакте с инфекционными больными, использованными перевязочными средствами, предметами личной гигиены, посудой и инструментами для отбора анализов, шприцами, иглами и т.д.

Среди всех существующих технологий обезвреживания медико-биологических отходов наиболее перспективными и доступными являются технологии, основанные на огневом обезвреживании. Однако их сложность обусловлена необходимостью соблюдения ряда специфических условий. При сжигании биологического отхода до 75% тепловой энергии затрачивается на испарение влаги и прогрев материала до температуры, при которой обезвреживаемый материал интенсивно начинает газифицироваться и приобретает способность самостоятельно гореть. Кроме того, в состав некоторых медицинских отходов входят вещества, горение которых сопровождается образованием таких вредных компонентов, как окислы азота, аммиак, сернистый газ, хлористоводородная кислота, фтористоводородная кислота, угарный газ, диоксины и т.д. В установках, предназначенных для сжигания вышеназванных отходов условия горения в топке и очистки продуктов сгорания вне топочного пространства должны быть такими, чтобы обеспечить минимальный выброс вредных веществ в окружающую среду. Создание таких условий достаточно простыми, надежными и недорогими способами является главной задачей в разработках технологий сжигания медицинских и биологических отходов. Следует заметить, что обеспечению экологической безопасности и упрощению механизма сжигания биологических отходов и отходов ЛПУ в значительной степени способствует комплексный подход к решению проблемы в существенном сокращении части отходов, подлежащих сжиганию. Отсортированная часть отходов дезинфицируется и используется как вторсырье.

Использование пульсирующего режима горения является одним из перспективных направлений, поскольку одновременно решаются задачи - получение энергии за счет сжигания отходов и их утилизация путем полного уничтожения. Интенсификация процесса

горения колебаниями дает возможность сжигать вещества, которые в обычных печах, с равномерным режимом, имеют низкую полноту сгорания [2, 3].

Целью данной работы является разработка установки для термического обезвреживания медико-биологических отходов, работающей по принципу пульсирующего горения и ее экологическое обеспечение.

Пульсирующее горение — периодический (колебательный) процесс химического взаимодействия компонентов топлива (горючего и окислителя), характеризующийся тем, что амплитуда изменения интенсивности горения соизмерима (имеет тот же порядок величины) со средним значением интенсивности, а период колебаний амплитуды не превосходит время пребывания компонентов топлива и продуктов сгорания в объеме устройства, где этот процесс осуществляется [4].

Использование установки пульсирующего горения непосредственно в местах нахождения отходов позволяет экологически чисто и экономически выгодно освобождаться от них, исключая затраты на их транспортировку, обеззараживание и прочие расходы. Процесс утилизации происходит в устойчивом режиме пульсационного горения без выделения дыма, концентрации токсичных веществ в газовых продуктах сгорания при этом - ниже допустимых концентраций. За счет высоких температур в термическом реакторе (120013000С) достигается возможность термического обезвреживания отходов с полным сгоранием вредных веществ. Утилизация отходов в установке и получение в результате этого незначительного количества конечного продукта - золы, значительно экономит средства по устройству, оборудованию и эксплуатации полигонов для захоронения трупов и останков животных и не нарушает экологического баланса окружающей среды.

Пульсирующее горение имеет следующие преимущества:

- малые габариты и простота конструкции;

- экономичное использование энергетических ресурсов;

- высокая надежность, простота и сокращенные сроки монтажа, наладки и ввода в эксплуатацию за счет модульного исполнения устройства;

- возможность строительства установки на малых площадях за счет компактного их размещения;

- большая плотность тепловыделения;

- интенсивный конвективный теплообмен;

- в печах пульсирующего горения количество токсичных веществ в газовых продуктах сгорания ниже предельно допустимых концентраций.

Нами разработана установка для сжигания твердых отходов, работающая в пульсирующем режиме. Схема установки приведена на рис. 1. По своей сущности пульсирующее горение является разновидностью турбулентного горения, где вихревые процессы более упорядочены. Пульсирующее горение перед стационарным имеет ряд преимуществ, благодаря которым в одном и том же горелочном узле возможно одинаково эффективное сжигание различных товарных топлив (дизельного, печного, мазута), так и жидких отходов производств (отработанных масел, горючих промывочных жидкостей и т.д.).

Установка работает следующим образом. Твердые отходы в мешкотаре загружаются в загрузочное устройство 3. После заполнения шахты отходами запускается горелочный узел. От высоконагретых газов осуществляется поджиг отходов. Включается вентиляторная установка 6, после чего весь газовый поток интенсивно начинает вращаться вокруг отходов, подвергая их механическому и температурному воздействию. Поверхность нижней части шахты перфорирована. Благодаря такому конструктивному решению, отходы в нижней части шахты находятся в прямом контакте с раскаленными газами. Горелочный узел 8, кроме запального устройства выполняет функцию генератора пульсаций. Благодаря этой

функции в топочном пространстве существенно активизируются тепло и массообменные процессы. Горелочный агрегат формирует пульсирующую высокотемпературную газовую струю и работает на низкосортном жидком топливе. Пульсирующая струя выполняет ряд функций: розжиг отходов; перемешивание горючей газовоздушной смеси; интенсификация тепло-массообмена между газовой и твердой фазами.

Рис. 1 - Схема установки для сжигания медико - биологических отходов: 1 - корпус; 2 -циклон; 3 - загрузочное устройство; 4 - шахта; 5- цилиндрическая обечайка; 6 - вентиляторная установка; 7 - перфорированная часть шахты; 8 - горелочный узел; 9 -ворошитель; 10 - зольник; 11 - колосник

При розжиге горелочный агрегат работает в режиме форсажа.

Далее, газовые продукты сгорания с недогоревшими компонентами из топки поступают в камеру дожига, выполненную в виде кольца с боковым отверстием для выхода газов. Дополнительный воздух в дожиговую камеру поступает через специальные окна, расположенные на цилиндрической обечайке 5. В дожиговой камере происходит огневое обезвреживание горючих газовых компонентов, присутствующих в выбрасываемых продуктах сгорания. Далее, газовые продукты сгорания поступают в циклон 2 с дымовой трубой. В циклоне 2 происходит отделение механических частиц от газового выброса. Зольный остаток с колосника 11 периодически сбрасывается в зольник 10 при помощи ворошителя 9. Опыты проводились по сжиганию отходов ЛПУ групп А и Б. Результаты исследований показали высокую эффективность данной установки и перспективность ее применения при огневом обезвреживании отходов. При сжигании хлорсодержащих и сернистых соединений требуемые экологические показатели продуктов сгорания достигалось добавлением «доламитовой муки» непосредственно в отходы.

Перевод камеры в режим пульсационного горения осуществлялся на слух и контролировался замером пульсаций акустического давления. В ходе исследований были получены спектрограммы пульсаций акустического давления в модельной установке. Характерный, для всех полученных результатов, вид спектров показан на рис. 2.

В ходе экспериментов проводились замеры акустических параметров факела пламени, определение скорости воздушного потока на входе в камеру пульсационного горения и тем-

пература в зоне горения. Измерение акустических параметров факела пламени и температуры проводилось после выхода камеры на пульсационный режим работы и прогрева.

л

се

1 0.0 0.0 -1 0.0 -20.0 -30.0 -40.0 -50.0 -60.0 -70.0 -80.0 -90.0 -1 00.0 -11 0.0 -1 20.0 -1 30.0

Left Channel

1 і _d

X L і

і і

t Vjf yK 4w' 7 .

^,-v/v'v V l"\-WihV.,,’, .АЛ/ .Vi A kv uj.

<1 1 1 1 і “j1 у 4v - ryv

200

400

600

800 1.0k 1.2k Frequency

1,4k

1.6k

Рис. 2 - Спектрограмма пульсаций акустического давления в камере в режиме пуль-сационного горения

Целью первого этапа исследований было выяснение влияния скорости подачи воздуха на интенсивность и параметры пульсационного горения. Для этого воздух в инициирующую камеру подавался с различными значениями скорости. Кроме того, определялась зависимость области стабильного пульсационного режима от скорости воздушного потока. На втором этапе исследований выяснялось зависимость времени уничтожения отходов ЛПУ от массы загружаемых отходов и параметров пульсационного горения. Эксперименты проводились как для стационарного, так и для устойчивого пульсационного режимов горения.

В ходе общего анализа результатов опытов и сравнения результатов акустических измерений при стационарном и пульсационном режимах работы, выяснилось, что оптимальный режим пульсационного горения достигается не при всех значениях скорости подачи воздуха в камеру сгорания горелочного узла. Анализ спектрограмм показывает, что пульсационный режим начинает возникать когда скорость подачи воздуха превышает значение W= 30 м/с. А устойчивый пульсационный режим организуется при скоростях воздуха № = 34^38 м/с. При скорости подачи воздуха равной W= 40 м/с и более устойчивый режим начинает нарушаться. Систематизация этих осциллограмм позволяет выявить область возникновения пульсационного горения для данного акустического контура. Результаты для модельной установки показаны на рис. 3. Колебания амплитуды акустического давления взяты для координаты х = 0,15 м от среза сопла камеры. Как видно, для организации устойчивого пульсационного горения необходимо нагнетать воздух в камеру горелочного узла со скоростями № = 34^38 м/с.

Для практики особый интерес при определении влияния режимных параметров на скорость сжигания отходов ЛПУ представляет зависимость скорости подачи воздуха в камеру на изменение параметров горения на выходе камеры.

График изменения температуры на расстоянии х = 0,45 м от среза сопла камеры приведен на рис. 4.

А, дБ

___ _ Е - - — - ' 5— - - Е ^ — - П

У > Г*"

_ Е

[Г" '

28 30 32 34 36 38 40 \А/, м/с

Рис. 3 - Зависимость амплитуды пульсации А газового потока от скорости подачи воздуха 1/У

Т. К

1200

1100

1000

900

800

700

_ _ —[ 1— _

Л г-" ' — "

/

<

28

30

32

34

36

38

40 \А/,м/с

Рис. 4 - Зависимость температуры пламени Т от скорости подачи воздуха в камеру №

Видно, что с увеличением скорости подачи воздуха при постоянном коэффициенте избытка воздуха возрастает температура пламени. Это объясняется тем, что при повышении скорости воздуха происходит интенсификация пульсаций, что более качественно перемешивает горючее с воздухом и, как следствие, эффективное и полное сжигание горючевоздушной смеси. Кроме этого, с практической стороны интересна и зависимость времени уничтожения отходов от их загружаемой массы. Определение этой зависимости велось с учетом температуры пламени на выходе камеры. Скорость сгорания единицы массы отходов ЛПУ определялась как для пульсационного режима работы камеры, так и для стационарного. Результаты этой части экспериментов показаны на рис. 5 и 6.

Сравнение рис. 5 и 6 показывает, что скорость сжигания отходов ЛПУ в условиях пульсационного горения значительно выше. Это объясняется тем, что скорость протекания процессов сгорания повышается с увеличением температуры в утилизационной камере. Кроме этого акустические пульсации горюче-воздушной смеси эффективно ворошат отходы, что повышает эффективность их сгорания. На скорость сгорания отходов ЛПУ влияет амплитуда пульсаций воздушного потока. Как видно из рис. 3 и 4, при скорости подачи воздуха №= 36 м/с максимальна не только температура, но и амплитуда пульсаций газово-

го потока. Совместное действие обоих показателей значительно повышает эффективность процесса сжигания отходов ЛПУ.

Рис. 5 - Зависимость времени уничтожения т от массы отходов т для стационарного режима горения

Рис. 6 - Зависимость времени уничтожения т от массы отходов т для пульсационно-го режима горения

Кроме этого видно, что время сжигания отходов ЛПУ зависит от массы загружаемых отходов. С увеличением их массы время сгорания увеличивается. Однако кривая роста времени сгорания при разных режимах горения имеет разные тенденции. При стационарном режиме она имеет крутую параболическую зависимость, время горения сильно возрастает с увеличением массы загружаемых отходов ЛПУ. В режиме пульсационного горения кривая тоже возрастает, но имеет более пологую кривую. Причем, чем выше температура, тем положе эта кривая. На практике это означает, что в режиме пульсационного горения в данной установке, получается переработать большие массы отходов ЛПУ за меньшее время. И чем более эффективный режим пульсационного горения достигнут в установке, тем большие массы отходов можно переработать за то же время.

Из графиков рис. 6 видно, что для каждой температуры пламени существует эффективная масса загружаемых отходов тэф. При превышении эффективной массы загрузки отходов время их полного сжигания начинает возрастать. С увеличением температуры эффективная масса тэф так же возрастает. Следовательно, для полного и быстрого сжигания отходов ЛПУ в топке необходимо организовать наиболее эффективный режим пульсационного горения. Масса загружаемых отходов не должна превышать эффективной массы, определенной для этой температуры.

При экологическом обеспечении установки были определены концентрации основных загрязняющих веществ в устье источника выброса (табл. 1). Кроме концентраций веществ, представленных в табл. 1, методом газовой хроматографии с масс-спектральным детектором были определены концентрации специфических загрязняющих веществ в устье источника выброса. В выбросах содержались такие вещества, как тетрадекан, пентадекан, гексадекан, пропановая, бутановая и пентановая кислоты, сквален и др. Однако их концентрации ничтожно малы и не превышают ПДК и ОБУВ ни по отдельности, ни с учетом эффекта суммации.

Таблица 1 - Концентрации основных загрязняющих веществ в устье источника выброса

Вспомогательное топливо Ингредиент Выброс, м /с Концентрация максимальная, мг/м3 Концентрация средняя, мг/м3

Дизельное топливо Оксиды азота 0,145 59,33 ± 11,9 54,32 ± 10,9

Диоксид серы 55,17 ± 31,0 118,52 ± 23,7

Углерод чёрный (сажа) 35,00 ± 2,8 25,50 ± 2,0

Диоксид углерода 705,00 ± 176,3 465,67 ± 116,4

Предельные углеводороды (С1-С5) 21,10 ± 5,3 13,60 ± 3,4

Отработанные масла Оксиды азота 0,127 83,42 ± 16,7 47,39 ± 9,5

Диоксид серы 52,33 ± 10,5 39,67 ± 7,9

Углерод чёрный (сажа) 83,30 ± 6,7 59,43 ± 4,8

Диоксид углерода 657,00 ± 164,3 435,33 ± 108,8

Предельные углеводороды (С1-С5) 8,10 ± 2,0 5,13 ± 1,3

Отходы нефтепереработки Оксиды азота 0,203 17,84 ± 3,6 14,53 ± 2,9

Диоксид серы 27,66 ± 5,5 20,58 ± 4,1

Углерод чёрный (сажа) 12,50± 1,0 10,47 ± 0,8

Диоксид углерода 27,20 ± 6,8 18,40 ± 4,6

Предельные углеводороды (С1-С5) 0,41 ± 0,1 0,37 ± 0,1

Расчёты концентраций и рассеивания выбросов загрязняющих веществ от сжигания отходов в установке пульсирующего горения показали, что при самых неблагоприятных метеоусловиях с учётом эффекта суммации максимальная расчётная приземная концентрация в расчётных точках и на границе санитарно-защитной зоны не превышает ПДК.

Таким образом, данная установка не окажет существенного влияния на загрязнение атмосферного воздуха. Ориентировочные расчеты показали, что себестоимость обезвреживания отходов на данной установке в 2-2,5 раза ниже по сравнению с существующими печами. Это объясняется использованием в качестве горючего жидких горючих отходов или низкосортного жидкого топлива, а также высокой теплонапряженностью топочного пространства.

Литература

1. Отходы учреждений здравоохранения: современное состояние проблемы, пути решения / Под ред. Л.П.Зуевой.- СПб, 2003. - 43 с.

2. Максимов, В.В. Применение установок с акустическими генераторами пульсирующего потока для огневого обезвреживания твердых отходов / В.В. Максимов // Вестник Казанского технологического университета.- 2008.-№5.-С.188-199.

3. Раушенбах, Б.В. Вибрационное горение / Б.В. Раушенбах. - М.: Госуд. изд-во физ.-мат. лит-ры, 1961. - 498с.

4. Ларионов, В.М. Автоколебания газа в установках с горением / В.М. Ларионов, Р.Г. Зарипов. -Казань: Изд-во Казан. гос. ун-та, 2003. - 278 с.

© Г. И. Павлов - д-р техн. наук, проф. кафедры №4 КВВКУ; С. М. Кириченко - зав. лаб. кафедры общей химической технологии КГТУ; С. Ю. Гармонов - д-р хим. наук, проф. кафедры аналитической химии, сертификации и менеджмента качества КГТУ; А. В. Кочергин - д-р техн. наук, проф. кафедры №4 КВВКУ; А. Ю. Козиков - адъюнкт той же кафедры; М. А. Никитин - канд. техн. наук, препод той же кафедры; В. П. Багнюк - препод. той же кафедры.

E-mail: serggar@mail.ru