一种基于物联网的立式智能等离子体医疗废弃物裂解测控系统的制作方法

2021-03-05 09:03:32|

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本发明涉及危险废物处理领域，具体提出了一种基于物联网的立式智能等离子体医疗废弃物裂解测控系统。

背景技术：

目前中国医疗废弃物的管理体系并不完善，虽然规定医疗废弃物必须集中焚烧处理，但是很多医院并没有标准的焚烧设施，而是使用简易的炉子，也没有安装废气护理装置，二次污染严重。在焚烧时，焚烧炉的性能达不到要求，焚烧不完全，难以确定在排出的废气废渣中是否还残存着传染性，毒性或者其他有害性的物质。有些医疗废弃物的处理也并不是很及时，医疗废弃物是不可以储存超过四十八小时，如果医院的焚烧设备不到位，需要运输或者等待统一处理，则很多医疗废弃物已经超出“储存安全期”了。我国近年来注重环境保护，需要更多节能环保的垃圾处理方法。

等离子技术是居于国际前沿的先进环保技术，是处理各类固体废弃物的最可靠的措施，在环境治理领域市场前景广阔。等离子体是气体与电弧接触而产生的一种高温、离子化和传导性的气体状态。由于电离气体的电导性，可使电弧能量迅速转变成热能，形成可达5500℃的高强度热源。超高温的特点使等离子体对处理对象的适应性更强。

物联网的应用涉及到各个领域，如工业，农业，物流，交通等等，使各行各业的资源配置更加合理，合作更加高效，提高了人们的生活质量。随着大数据时代的来临，物联网这种集获取信息，传输信息，处理信息和信息反馈于一身的的管理系统的应用前景是非常广阔的。

故障诊断一直以来都是学术界和工业界的重要研究课题。可靠性和安全性一直是衡量产品质量的重要指标，而故障诊断的能力对两者的影响巨大，尤其是危险性较高的行业。考虑到医疗废弃物焚烧，既有高温环境有可能面对医疗废弃物毒害的危险，对于焚烧炉的安全性的保障很重要，故障诊断功能必不可少。模糊推理这种不确定推理方式对模型的要求不高，更依赖于数据，很符合医疗废弃物裂解过程的特点。

技术实现要素：

本发明旨在针对现有会产生对环境有害的二噁英，等离子体焚烧炉故障造成燃料泄露或危及人身安全等问题，提出一种基于物联网的智能等离子体医疗废弃物垃圾裂解测控系统，实现医疗废弃物无害化和自动化处理，保障处理过程中设备和人身安全，并兼顾节能减排的目的。

本发明基于物联网的立式智能等离子体医疗废弃物裂解测控系统，其特征在于：包括立式等离子体裂解系统和数据监测控制系统。

所述立式等离子体裂解系统包括废物送料系统、废物等离子体燃烧系统、尾气处理系统与补风系统；其中，废物送料系统具有立式主燃烧炉和副燃烧炉，两者间通过管路连接；医疗废弃物由垃圾传送带传送，由碎料机粉碎后经主燃烧室进料口进入主燃烧炉；主燃烧率内部由上至下分为干燥区、第一燃烧区、第二燃烧区与燃尽区，第一燃烧区、第二燃烧区上安装有第一等离子炬与第二等离子炬；副燃烧炉上安装有第三等离子炬；主燃烧炉与副燃烧炉底部具有出灰口，下方设置灰烬收集器；副燃烧炉顶部安装有安全泄压装置。

所述尾气处理系统包括热交换器、冷却塔、活性炭吸附装置、除尘装置、除酸塔、第一单向阀、引风机，均通过尾气处理管路连接。

所述补风系统用于向主燃烧炉通热空气或向副燃烧炉通常温空气，辅助高温焚烧。

所述数据监测控制系统包括数据采集系统、数据监测储存系统，故障诊断系统，pid控制系统。其中，数据采集系统包括温度传感器、远程压力传感器、现场压力传感器与计数装置。温度传感器包括安装于干燥区、第一燃烧区、第二燃烧区与燃尽区的第一～第四温度传感器，副燃烧室上的第五温度传感器，热交换器和冷却塔之间的管路上的第六温度传感器，冷却塔和活性炭吸附装置之间的管路上的第七温度传感器，以及热交换器和主燃烧炉之间的管路上的第八温度传感器。

远程压力传感器与现场压力传感器包括安装于主燃烧炉上的第一现场压力表与第一远程压力传感器，以及安装于副燃烧炉的炉体顶部的第二现场压力表与第二远程压力传感器。

计数装置包括安装于主燃烧炉与副燃烧炉下方的灰烬收集器上灰烬计重器，以及安装于进料传送带上的速度测量装置。

数据监测储存系统用来监测数据采集系统采集到的各项数据，由pid控制系统根各项数据和故障诊断系统通过基于症状方法中的模糊推理法得到的故障诊断结果，调节传送带和等离子枪工作功率。

本发明的优点在于：

1、本发明基于物联网的立式智能等离子体医疗废弃物裂解测控系统，在处理对象方面，可以处理危险性较高的废物，其封闭式的处理系统使整个过程安全系数更高；

2、本发明基于物联网的立式智能等离子体医疗废弃物裂解测控系统，等离子体的超高温可以燃烧金属，所以免去了进行裂解之前的二次分类工作，避免了在医疗废弃物裂解过程中产生不必要的泄露污染；

3、本发明基于物联网的立式智能等离子体医疗废弃物裂解测控系统，采用了物联网的先进概念，使各个部分之间的配合更加高效，为自动化控制系统的工作提供了预备条件，使系统内所用到的设备在寿命内的效果最大化，减少能源浪费；

4、本发明基于物联网的立式智能等离子体医疗废弃物裂解测控系统，是智能控制的，从进料到排气均是自动化完成，还可自行调节医疗废弃物裂解功率，面向不同的使用需求，减少人工步骤，降低操作难度和污染泄露的可能性；

5、本发明基于物联网的立式智能等离子体医疗废弃物裂解测控系统，加入了故障检测系统，实时数据由前端传感器传输到计算终端，实时监测系统是否产生故障，很大程度上避免了故障处理不及时带来的安全隐患。

附图说明

图1为本发明基于物联网的立式智能等离子体医疗废弃物裂解测控系统中立式等离子体裂解系统结构示意图。

图2为本发明基于物联网的立式智能等离子体医疗废弃物裂解测控系统控制方式流程图。

1-主燃烧炉2-副燃烧炉3-第一等离子炬

4-第二等离子炬5-第三等离子炬6-灰烬收集器

7-热交换器8-冷却塔201a-活性炭吸附装置

10-除尘装置11-除酸塔12-第一单向阀

13-引风机14-第一补风机15-第二补风机

16-第一截止阀17-第二截止阀18-气动阀

19-第三截止阀20-第四截止阀21-第二单向阀

22-第三单向阀23-第一温度传感器24-第二温度传感器

25-第三温度传感器26-第四温度传感器27-第五温度传感器

28-第六温度传感器29-第七温度传感器30-第八温度传感器

31-第一现场压力表32-第一远程压力传感器33-第二现场压力表

34-第二远程压力传感器

具体实施方式

下面结合实施例，并配合附图对本发明中的各部分设计方法作进一步的说明。

本发明基于物联网的立式智能等离子体医疗废弃物裂解测控系统，主要包括两部分，分别是立式等离子体裂解系统和数据监测控制系统，两者由信息传输装置相连接。

所述立式等离子体裂解系统处理的对象是医疗废弃物，主要可分为七大类：(1)感染性废物：携带病原微生物具有引发感染性疾病传播危险的医疗废弃物，包括被病人血液、体液、排泄物污染的物品，传染病病人产生的垃圾等医疗废弃物塑料制品；(2)病理性废物：在诊疗过程中产生的人体废弃物和医学试验动物尸体及组织等；(3)损伤性废物：够刺伤或割伤人体的废弃的医用锐器，包括医用针、解剖刀、手术刀、玻璃试管等；(4)药物性废物：过期、淘汰、变质或被污染的废弃药品，包括废弃的一般性药品，废弃的细胞毒性药物和遗传毒性药物等；(5)化学性废物：具有毒性、腐蚀性、易燃易爆性的废弃化学物品，如废弃的化学试剂、化学消毒剂、汞血压计、汞温度计等；(6)基因毒性废物：细胞毒素、抗肿瘤药物和基因毒性药剂等不能高压处理，只能在指定的焚化炉中焚烧；(7)放射性废物：核放疗、放射性免疫测定和细菌学检测过程中产生的任何废品，必须藏在规定的地方使其腐烂，存放同类型废品的塑料袋或窗口均采用统一颜色及标志。

立式等离子体裂解系统包括废物送料系统、废物等离子体燃烧系统、尾气处理系统与补风系统，如图2所示。

所述废物送料系统负责医疗废弃物传送和粉碎，由垃圾传送带将医疗废弃物传送至碎料机进行粉碎，由碎料机将医疗废弃物中大粒径物体粉碎成细小粒径，提高高温焚烧效率。碎料机粉碎后的医疗废弃物颗粒经进料口进入废物等离子体燃烧系统。

所述废物等离子体燃烧系统由主燃烧炉1和副燃烧炉2组成，两者间通过管路连接。

上述主燃烧炉1为立式布局，自上而下燃烧，主要用于干燥和高温焚烧医疗废弃物，其炉体内部由上至下分为干燥区、第一燃烧区、第二燃烧区与燃尽区，主燃烧炉1具有第一等离子炬3、第二等离子炬4、第一进气口与第一出气口。副燃烧炉2同为立式布局，自下而上燃烧，用于焚烧主燃烧炉1产生的可燃气体和进一步高温裂解硫化物等大分子气体，去除甲烷等可燃气体、硫化物等难分解气体，进一步净化空气。副燃烧炉2具有第三等离子炬5、安全泄压装置、第二进气口、第三进气口与第二出气口。

主燃烧炉1中，第一等离子炬3位于第一燃烧区中，安装于主燃烧炉1的炉体侧壁上，物料经干燥区初步干燥后，经第一等离子炬3起到进一步干燥和初步焚烧的作用。第一等离子炬3向上倾斜设置，喷射火焰轴线与医疗废弃物下落方向成45度角，形成主动对流燃烧方式，增加燃烧效率。第二等离子炬4位于第二燃烧区中，安装于主燃烧炉1的炉体侧壁上，起到进一步焚烧的作用。第二等离子炬4向上倾斜设置的喷射火焰轴线与医疗废弃物下落方向成60度角，形成主动对流燃烧的同时，增加纵深燃烧深度，进一步提高燃烧效率。燃尽区作为灰烬收区，底面具有出灰口，下方设置灰烬收集器6，自动收集主燃烧炉1产生的炉渣。第一进气口、第一出气口均位于主燃烧室1的干燥区处，第一进气口位置高于第一出气口，第一进气口主要用于向干燥区输送热空气，提高医疗废弃物的干燥效率；第一出气口主要用于将焚烧产生的可燃气体混合物输送至副燃烧炉2。

副燃烧炉2中，第三等离子炬5位于副燃烧炉2中部，用于焚烧进入到副燃烧炉2内的主燃烧炉1产生的可燃气体和进一步高温裂解硫化物等大分子，便于后期尾气环保处理。第三等离子炬5向下倾斜设置，喷射火焰轴线与尾气垂直流动方向成45度角，形成主动对流高温焚烧方式，增加燃烧、裂解效率。副燃烧炉2底面具有出灰口，下方设置灰烬收集器6，自动收集副燃烧炉2产生的炉渣。第二进气口通过管路与第一出气口连通；第三进气口连接补风系统，实现向副燃烧炉2内导入常温空气。第三进气口位于副燃烧炉2的炉体下部，且位于燃尽区上部；第三进气口的位置高于第二进气口位置，便于密度轻的尾气与密度相对重的空气充分混合，提高后续燃烧效率。第二出气口位于副燃烧炉2的炉体顶部，通过管路连下游的接尾气处理系统，便于燃尽的尾气输送至下游尾气处理系统。安全泄压装置6安装在副燃烧炉2顶部，用于保证设备安全，防止超压。

所述尾气处理系统包括热交换器7、冷却塔8、活性炭吸附装置9、除尘装置10、除酸塔11、第一单向阀12、引风机13，均通过尾气处理管路连接。其中，热交换器7的进口通过管路连接副燃烧炉2的第二出气口，使常温空气与副燃烧炉2内二次焚烧后产生的1000-1500度高温尾气在热交换器7内充分热交换，回收其中热量。热交换器7通过管路与主燃烧炉1的第一进气口连通，将被升温后的空气引入干燥区，参与干燥和燃烧，提高主燃烧炉1内初始温度和能量，提高烘干效率，实现节能减排、降低生产成本。冷却塔8位于热交换器7下游，采用喷淋降温方法，进一步降低烟气温度至常温，便于下游设备对烟气的进一步净化处理。活性炭吸附装置9位于冷却塔8下游，内置活性炭、消石灰，吸收烟气中的少量残余的二噁英及重金属，进一步净化烟气。除尘装置10位于活性炭吸附装置9下游，用于清除烟气中的固体颗粒物、灰烬，避免环境污染。除酸塔11位于除尘装置10下游，采用25％氢氧化钠溶液，用于清除烟气中的二氧化硫及酸性物质，此为排放大气前最后一次净化烟气，使排放气体达到环保要求。引风机13位于尾气处理管路末端，引风机13出口直通大气，引风机13采用变频调速风机，风速可调，用于克服管道及各设备的风阻，将净化后的烟气排放入室外；同时根据主副燃烧炉的炉体压力调节引风机13速度，使等离子体高温裂解焚烧系统工作于微负压状态，避免管路超压、燃气外漏等不利现象发生。第一单向阀12位于引风机13入口处，用于防止尾气反流。

所述补风系统由第一补风机14、第二补风机15、第一截止阀16、第二截止阀17、气动阀18、第三截止阀19、第四截止阀20、第二单向阀21、第三单向阀22组成，通过管路链接。其中，第一补风机14通过第一补风管路与热交换器7相连；第二补风机15通过第二补风管路与副燃烧炉2的第三进气口相连；第一补风机14与第二补风机15可同时或单独工作，也可互为备份，用于向主燃烧炉1通热空气或向副燃烧炉2通常温空气，辅助高温焚烧。第一补风机14或第二补风机15可保证在任一台故障的情况下，另一台的补风量仍然满足系统补风需求。第一截止阀16、第三截止阀19安装于第一补气管路上；第二截止阀17、第四截止阀20安装于第而补齐管上；气动阀18安装于第一补气管路与第二补气管路间安装的连通管路上，该连通管路一端连接于第一截止阀16、第三截止阀19之间，另一端连接于第二截止阀17、第四截止阀20。通过第一截止阀16、第三截止阀19、气动阀18用于控制第一补风机14、第二补风机15的工作模式及补风量大小，通过气动阀18进行控制，实现第一补风机14与第二补风机15的同时工作或者单独各自补风工作。第二单向阀21与第三单向阀22分别安装在第一补气管路和第二补气管路上，用于防止可燃气体反流，造成设备危险。

上述等离子炬是通过电弧来产生高温气体，可在氧化，惰性或还原的环境下工作，可以为气化、裂解、熔融和冶炼等各种功能的工业炉提供热源。传统的垃圾处理方式主要是焚烧和填埋，填埋的效率不高，而在传统的焚烧炉里处理垃圾，由于温度并不是很高，所以会产生对环境有极大危害的二噁英。医疗废弃物与普通的垃圾不同，它包含着一些有传染性和病毒性的物体，如果处理的不彻底，会对环境造成不可估量的影响，有些甚至是遗传性的。等离子体医疗废弃裂解炉可以达到3000℃-6000℃的高温，医疗废弃物在负压的作用下进入主燃烧室，被直接作用于表面，得到裂解，形成玻璃渣状的废渣，副燃室将主燃室产生的可燃气体进行二次燃烧，经过后续的冷却，除酸，灰尘吸附等步骤，生成可排放于大气中的气体，产生的热还可以在主燃室的干燥区被重复利用。由于等离子炬产生的高温是可以融化金属，玻璃等可能出现在医疗废弃物中并且熔点较高的物质，所以再进行焚烧之前，并不需要将医疗废弃物进行有机物和无机物的再次分类，直接由传送带送入进料口即可，这不但简便了操作，更重要的是在再次分类的过程中，可能会造成有害物质的泄露，而等离子医疗废弃物裂解炉避免了这一问题。

本发明裂解测控系统采用了物联网的概念，应用到整个裂解测控系统中。物联网是指通过各种信息传感器，射频识别技术，全球定位系统，红外感应器，激光标准器等各种装置与技术，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程，实现负物品和过程的智能化感知、识别和管理。物联网处理信息功能主要可以分为四部分：(1)获取信息的功能：主要是通过传感器等感知设备将想要得到的信息通过一定的方式表达出来；(2)传送信息的功能：包括信息的发送、传输、接受环节，一般是将获取的信息上传到电脑或计算终端的过程；(3)处理信息的功能：对上传到计算终端的信息进行处理，通过表征的信息获得可以制定决策的信息；(4)施效信息的功能：针对制定出的决策信息，调节事物的状态，使对象处于预先设计的状态。

针对上述物联网的概念，本发明中设计了数据监测控制系统，可实现整个立式等离子体裂解系统的自主运行。由于立式等离子体裂解系统工作流程中的补风机，阀门和引风机的气动是通过手动完成，在此不计入pid控制系统内。上述数据监测控制系统建立在立式等离子体裂解系统运行条件下，调节立式等离子体裂解系统中各部分正常运行。

数据监测控制系统包括数据采集系统、数据监测储存系统，故障诊断系统，pid控制系统。

其中，数据采集系统包括温度传感器、远程压力传感器、现场压力传感器与计数装置。

其中，温度传感器包括安装于干燥区、第一燃烧区、第二燃烧区与燃尽区的第一～第四温度传感器23～26，副燃烧室上的第五温度传感器27，热交换器7和冷却塔8之间的管路上的第六温度传感器28，冷却塔8和活性炭吸附装置9之间的管路上的第七温度传感器29，以及热交换器7和主燃烧炉1之间的管路上的第八温度传感器30。

远程压力传感器与现场压力传感器包括安装于主燃烧炉1上的第一现场压力表31与第一远程压力传感器32，以及安装于副燃烧炉2的炉体顶部的第二现场压力表33与第二远程压力传感器34。

计数装置包括安装于主燃烧炉与副燃烧炉下方的灰烬收集器上灰烬计重器，以及安装于进料传送带上的速度测量装置；灰烬计重器与速度测量装置分别用来测量灰烬收集器内灰烬重量和传送带速度。通过上述传感器和技术装置实现了裂解过程中数据信息获取功能，且获得的数据信息均会实时地上传到数据监测储存系统中。为了适应等离子炬燃烧的高温环境防止医疗废弃物的腐蚀，上述所有传感器均可耐高温，且防腐蚀。

数据监测储存系统用来监测数据采集系统采集到的各项数据，根各项数据和系统故障情况，调节传送带和等离子枪工作功率。在对系统进行初步检查后，开启传送带并提速至额定速度，将测量到的实际燃烧功率和设定的需求燃烧功率输入到pid控制器进行结算，输出量为传送带速率调整量。在此过程中，数据采集系统采集到的数据会进行实时上传，并由故障诊断系统进行故障诊断，一旦发现异常，会暂停传送带进料，排除故障，此步骤的优先级为最高，可以中断装置的运作。排除故障之后可重新启动系统。上述pid控制系统采用的是在工业中最常使用的经典pid控制器，其中包括比例单元，积分单元和微分单元，分别用来调节系统误差，减小稳定误差和提高反应速度。

上述故障诊断的方法通常可分为两种，一种是基于解析模型的方法，另一种是基于数据的方法。本发明中，等离子医疗废弃物裂解系统的数学模型未被建立，所以基于数据的故障诊断方法更适用于本发明。基于数据的方法又可分为两类：基于症状的方法和基于定性模型的方法。因为对本发明的现象捕捉的操作更为便捷，所以采用的是基于症状方法中的模糊推理法进行故障诊断。这种方法克服了基于信号处理方法的缺点，适合人的逻辑思维，摆脱了大量知识细节需求的限制，便于模块化使操作简便，是工业流程中适用性较高的方法。

模糊推理是指所处理事件概念本身是模糊的，一个对象是否符合这个概念难以明确地确定的过程。具体到本发明中，即等离子医疗废弃裂解系统是否发生某种故障是不确定的，需要模糊推理进行故障诊断。

与二值逻辑不同，模糊逻辑使用隶属度来描述个体属于某个集合的强度。设u为给定的论域(问题所限定的范围)，u到[0,1]闭区间的任一映射μa：u→[0,1]:u→μa(u)都确定u的一个模糊子集a，u为条件自变量，μa为模糊集的隶属函数，μa(u)为u对于a的隶属度。模糊推理的规则是确定从条件论域到结论论域的模糊关系，其流程如图2所示。其中的清晰化是指将模糊向量转化为确定值，比如最大隶属度。具体到本发明，根据表中前述各传感器的名称、灰烬计重器，以及对整个pid控制系统的安全要求，将故障诊断给定的条件论域x设置为{等离子炬使用寿命，第一温度传感器23测量值，第二温度传感器24测量值，第三温度传感器25测量值，第四温度传感器26测量值，第五温度传感器27测量值，第六温度传感器28测量值，第七温度传感器29测量值，第八温度传感器30测量值，第一远程压力传感器32测量值，第二远程压力传感器34测量值，第一现场压力表31测量值、第二现场压力表33测量值，燃烧功率测量值，灰烬计重器测量值，进料传送带速度}，将结论论域y设置为{等离子炬报废，进料口堵塞，出灰口堵塞，排气/泄压装置故障(排气装置是指燃烧炉之间连接进行气体交换的部件，以及燃烧炉和后面热交换器，除酸塔，和排放到大气中的部件，基本以管道的形式存在)，热交换器故障，冷却塔失效，装置破损(主副燃烧室及各连接管道破损)}。

模糊推理比较常用的方法是zadeh推理模型，主要原理描述如下：

ifxisfthenyisg

其中，f和g是条件论域x和结论论域y上的模糊集。描述了x或y发生的可信度。此处描述的是单输入单输出的判断规则，但是等离子体医疗废弃裂解系统是很复杂的，需要多输入判断更加准确。所有模糊推理的完成都是需要提前指定推理的规则，具体到本发明中，指定如下几条规则：

rule1：if1)p11，等离子炬用寿命到期,and

2)p12，燃烧功率下降，and

3)p13，第二/三/五温度传感器测量值下降，

then第一/二/三等离子炬报废(a1,b1)

rule2：if1)p21，燃烧功率未下降,and

2)p22，灰烬计重器测量值变化微小，and

3)p23，进料传送带速度未改变，

then出灰口堵塞(a2,b2)

rule3：if1)p31，燃烧功率下降,and