38653

Исследование возможности переработки опасных отходов плазменным методом

Дипломная

Экология и защита окружающей среды

В настоящей работе проведен анализ плазмотермической переработки отходов, как за рубежом, так и в нашей стране. Показано, что для правильного решения экологически чистой утилизации отходов разного назначении, целесообразно использовать имеющуюся установку «Плутон» в г. Сергиев Посад, усовершенствовав ее отдельными узлами, типа газификаторов, за счет аналогичных имеющихся разработок в РФ

Русский

2013-09-28

14.51 MB

236 чел.

PAGE   \* MERGEFORMAT2

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«МАТИ - Российский государственный технологический университет имени К.Э.Циолковского» (МАТИ)

_______________________________

 КАФЕДРА: «Промышленная экология и безопасность производства»                            

РЕЦЕНЗЕНТ _______________________  РЕЦЕНЗЕНТ _________________________

«______»   июня 2013 г.                            «______»  июня 2013 г.

ЗАВ. КАФЕДРОЙ ____________________

«______»  июня  2013 г.

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА МАГИСТРА

по направлению 280700.68 «Техносферная безопасность»                                                    

ТЕМА: «Исследование возможности переработки опасных отходов плазменным методом»

Студент ________________________________  Тарараева Д.А.

  подпись          расшифровка подписи     

Руководитель ___________________________  Молчанова И.В.      подпись                                    расшифровка подписи 

       

 

Москва 2013 год


Аннотация


Оглавление:


Введение

«Согласно оценкам экспертов, около 15 % территории Российской Федерации по экологическим показателям находится в критическом состоянии. И бездействие может привести к необратимым последствиям для окружающей среды. Главными причинами таких проблем называют несовершенство системы природоохранного регулирования, несовершенство системы обращения с отходами в РФ, неэффективность управленческих и контрольных функций государства, слабые стимулы для использования современных чистых и так называемых зеленых технологий.

Распространённое в России удаление отходов на свалки (полигоны) следует рассматривать как вынужденное сиюминутное решение, в принципе противоречащее экологическим требованиям.

Принято Постановление Правительства Московской области от 30.09.2010г

«Строительстве на территории Московской области сети заводов плазменной газификации промышленных и бытовых отходов для производства электроэнергии».

Актуальность проблемы.

Рынок переработки ТБО в России практически неразвит вообще, о чем свидетельствует сложившаяся в стране крайне нерациональная система обращения с ТБО:

  •  Захоронение на полигонах/ свалках - 90-92% ТБО (36-37 млн. тонн в год), сжигание - не более 1.8% ТБО (~700 тыс. тонн в год), промышленная переработка - 3-4% ТБО (1.2-1.6 млн. тонн в год).
  •  Отсутствие системы раздельного сбора мусора.
  •  Высокие затраты на сбор и переработку отходов потребления (инфраструктура, трудоемкость сортировки, значительный расход энергии, примеси).
  •  Низкая конкурентоспособность и обеспеченность промышленности России сырьевыми ресурсами.
  •  Свалки мусора считаются наиболее экономичным способом избавления от отходов.
  •  Наличие нелегальных свалок.

Цели работы

Разработка комплексно - эффективной и экологически чистой технологии для уничтожения накопившихся отходов и накапливаемых вновь. Эти цели реализуются следующим образом:

Усовершенствование системы обращения отходами за счет:

  •  Утилизации отходов производства и потребления.
  •  Закрытия и переработки существующих и старых полигонов
  •  Снижения рисков экологической безопасности
  •  Максимально эффективного получение из отходов товаров и услуг потребления

В настоящей работе проведен анализ плазмотермической переработки отходов, как за рубежом, так и в нашей стране. Показано, что для правильного решения экологически чистой утилизации отходов разного назначении, целесообразно использовать имеющуюся установку «Плутон» в г. Сергиев Посад, усовершенствовав ее отдельными узлами, типа газификаторов, за счет аналогичных имеющихся разработок в РФ, провести испытания в опытно-промышленном масштабе на оборудовании «Плутон», различного морфологического состава, что позволит рекомендовать комплексную схему уничтожения опасных отходов с использованием отечественного оборудования.


ГЛАВА 1. Проблемы переработки опасных отходов в РФ и за рубежом.

  1.  Основные определения 

С каждым годом проблема твердых бытовых отходов становится все более серьезной. В России ежегодно образуется около 130 млн. м3 твердых бытовых отходов. Из этого количества промышленной переработке подвергается не более 3%, остальное вывозится на свалки и полигоны для захоронения. Утилизируемые отходы представляют собой серьезный источник загрязнения, однако при правильной организации управления отходами они могут являться неиссякаемым источником ресурсов.

Также одним из насущных экономических вопросов настоящего времени выступает вопрос вовлечения в хозяйственный оборот твердых бытовых отходов. Данная проблема связана с тем, что значительная часть твердых бытовых отходов является искусственно произведенными материалами, которые не могут быть самостоятельно превращены факторами природной среды в ее естественные компоненты. В то же время твердые бытовые отходы являются неисчерпаемым источником вторичных материальных ресурсов, которые весьма эффективно заменяют природные ресурсы в процессе производства.

Сложность этой проблемы состоит также в том, что разработка и производство новых материалов, а также изменение ассортимента потребляемой продукции опережают развитие технологий их вторичного использования или утилизации. Особенно это проявляется при утилизации твердых бытовых отходов на мусоросжигающих заводах, где из безобидных и нейтральных материалов могут образоваться высокотоксичные соединения.

Следует отметить, что низкий уровень вовлечения в хозяйственный оборот твердых бытовых отходов порожден не только технологическим развитием общества, но и сложившимися стереотипами культуры их обращения в быту, а также относительно поздним осознанием необходимости управления ими и отсутствием квалифицированных специалистов.

Рыночные теории предполагают в перспективе возможность увеличения использования отходов через экономические регуляторы. Однако в настоящее время ввиду несовершенства рыночного механизма сектор обращения отходов не может регулироваться только рыночными методами, безусловным остается присутствие государства в управлении отходами. Тем не менее проблеме управления вовлечением в хозяйственный оборот твердых бытовых отходов уделяется недостаточное внимание. Все вышеизложенное определяет актуальность темы исследования.

1.2 Характеристика отходов

В общем, отходами называются продукты деятельности человека в быту, на транспорте, в промышленности, не используемые непосредственно в местах своего образования и которые могут быть реально или потенциально использованы как сырье в других отраслях хозяйства или в ходе регенерации.

Отходы потребления — непригодные для дальнейшего использования по прямому назначению и списанные в установленном порядке машины, инструменты, бытовые изделия.

К твердым бытовым отходам (ТБО) относятся отходы, образующиеся в жилых и общественных зданиях, торговых, зрелищных, спортивных и других предприятиях (включая отходы от текущего ремонта квартир), отходы от отопительных устройств местного отопления, смет, опавшие листья, собираемые с дворовых территорий, и крупногабаритные отходы. Такое определение соответствует зарубежному термину «твердые муниципальные отходы» (Municipal Solid Waste). ТБО классифицируют по источникам образования, по морфологическому составу, по степени опасности, по направлениям переработки и т. д. Юридической основой для классификации ТБО в России служит Федеральный классификационный каталог отходов (ФККО), который классифицирует отходы по происхождению, агрегатному состоянию и опасности

Твердые бытовые отходы (ТБО) у нас в Российской Федерации представляют собой грубую механическую смесь самых разнообразных материалов и гниющих продуктов, отличающихся по физическим, химическим и механическим свойствам и размерам. ТБО, собранные у нас, перед их переработкой необходимо обязательно подвергнуть сепарации по группам, если таковая имеет смысл (для небольших жилых объектов; отдельных лечебных, оздоровительных и других подобных учреждений; поселков и мелких городов сепарация ТБО по группам, по-видимому, экономически нецелесообразна).

1.3 Классификация отходов

По происхождению:

-отходы производства (промышленные отходы)

Промышленные отходы — твердые отходы, полученные в результате жизнедеятельности производства (не использованные остатки сырья, возникающие в ходе технологических процессов).

Отходы, не используемые в рамках данного производства, но применяемые в других производствах, являются вторичным сырьём.

-строительные отходы

Строительные отходы — образуются в результате строительно-монтажных работ, работ по ремонту зданий, сооружений дорожной инфраструктуры, а также при их сносе. Состоят из боя кирпича, застывшего раствора в кусковой форме, щебня, древесных отходов, металлического лома, промышленной тары и др. Класс опасности 3-4.

-отходы потребления (коммунально-бытовые)

Отходы потребления образуются в промышленности и в быту.

Твердые бытовые отходы — образуются в жилом секторе, в предприятиях торговли, административных зданиях, учреждениях, конторах, дошкольных и учебных заведениях, культурно-спортивных учреждениях, железнодорожных и автовокзалах, аэропортах, речных портах. Кроме того к ТБО относятся крупногабаритные отходы, дорожный и дворовый мусор. Состоят из бумаги, пластмассы, мебели, стекла, одежды и вещей, отслуживших свой срок, пищевых отходов. Класс опасности 4-5.

По агрегатному состоянию:

  •  Твердые
  •  Жидкие
  •  Газообразные

По классу опасности для окружающей природной среды:

1й — чрезвычайно опасные

2й — высоко опасные

3й — умеренно опасные

4й — малоопасные

5й — практически неопасные

Классификация отходов Таблица

Класс опасности отхода для окружающей природной среды

Степень вредного воздействия опасных отходов на окружающую природную среду

Критерии отнесения опасных отходов к классу опасности для окружающей природной среды

I КЛАСС Чрезвычайно опасные

Очень высокая

Экологическая система необратимо нарушена. Период восстановления отсутствует

II КЛАСС Высокоопасные

Высокая

Экологическая система сильно нарушена. Период восстановления не менее 30 лет после полного устранения источника вредного воздействия

III КЛАСС Умеренно опасные

Средняя

Экологическая система нарушена. Период восстановления не менее 10 лет после снижения вредного воздействия от существующего источника

IV КЛАСС Малоопасные

Низкая

Экологическая система нарушена. Период самовосстановления  не менее 3-х лет

V КЛАСС Практически не опасные

Очень низкая

Экологическая система практически не нарушена.

Классификация медицинских отходов Таблица

Категория опасности

Характеристика морфологического состава

Отходы, не имеющие контакта с биологическими жидкостями пациентов, инфекционными больными, нетоксичные отходы. Пищевые отходы всех подразделений ЛПУ кроме инфекционных (в т.ч. кожно-венерологических фтизиатрических). Мебель, инвентарь, неисправное диагностическое оборудование, не содержащие токсичных элементов. Неинфицированная бумага, смет, строительный мусор и т.д.

Потенциально инфицированные отходы. Материалы и инструменты, загрязненные выделениями, в т.ч. кровью. Выделения пациентов. Патологоанатомические отходы. Органические, операционные отходы (органы, ткани и т.п.). Все отходы из инфекционных отделений (в т.ч. пищевые). Отходы из микробиологических лабораторий, работающих с микроорганизмами 3-4 групп патогенности. Биологические, отходы вивариев.

Материалы, контактирующие с больными особо опасными инфекциями. Отходы из лабораторий, работающих с микроорганизмами 1-4 групп патогенности. Отходы фтизиатрических, микологических больниц. Отходы от пациентов с анаэробной инфекцией.

Просроченные лекарственные средства, отходы от лекарственных и диагностических препаратов, дезсредства, не подлежащие использованию, с истекшим сроком годности. Цитостатики и другие химпрепараты. Ртутьсодержащие предметы, приборы и оборудование.

Все виды отходов, содержащие радиоактивные компоненты.

Твердые бытовые отходы (ТБО) после сепарации (если таковая целесообразна) следует подразделять на следующие группы.

А. Отходы из природных материалов (ОПМ)

1. Пищевые (гниющие) отходы.

2. Отходы медицинских, лечебных, научно-исследовательских организаций, в том числе хирургии и стоматологии, а также возможно отходы лечебных ветеринарных учреждений.

3. Полимерные отходы из природных материалов, в том числе отходы древесины, картона, целлюлозно-бумажные, оберточные материалы.

Б. Производственные отходы.

1. Металлические отходы.

2. Отходы отработанных химических источников тока (ОХИТ).

3. Бой стекла и стеклопосуды.

4. Отходы полимерных материалов синтетической химии, в том числе резина и резино-технические изделия и все оберточные материалы и полимерная тара из продуктов синтетической химии.

5. Радиоактивные отходы.

Существуют рассчитанные на год нормы накопления бытовых отходов на одного человека, на одно место в гостинице, на квадратный метр торговой площади магазина и т. д. В крупных городах на нормы накопления мусора, как правило, влияют уровень развития легкой и пищевой промышленности, индустрии упаковочных материалов, климатическая зона и, конечно же, менталитет и благосостояние населения. В промышленных городах центральной части России норма отходов на душу населения оценивается сейчас в 225-250 килограммов в год. Для сравнения: в развитых европейских странах, таких как Бельгия, Великобритания, Германия, Дания, Италия, Нидерланды, Швеция, Швейцария, Япония, этот показатель уже в 1995-1996 годах достиг 340-440 килограммов, в Австрии и Финляндии - свыше 620, а в США превысил 720 килограммов на одного человека в год.

Постоянные компоненты бытовых отходов, обычно попадающие в дворовые контейнеры, - бумага, картон, пищевые остатки, текстиль, древесина, листва, черный и цветной металл, кости, стекло, кожа, резина, камни, керамика, полимерные материалы. Зачастую туда же выбрасываются крупногабаритные отходы: строительный мусор, отслужившая свой век мебель, бытовая техника и другие. Многие отходы токсичны. Только одна "пальчиковая" батарейка заражает солями тяжелых металлов и химикатами 20 кубометров мусора, а с разбитыми термометрами и ртутьсодержащими приборами на свалки ежегодно попадает большое количество ртути, во Франции эта цифра подсчитана - 5 тонн.

Последние 20-25 лет при более или менее постоянном составе всех прочих компонентов в общей массе отходов растет доля полимерных материалов. В промышленно развитых странах, таких, как Япония и государства Европейского Союза, она наибольшая - 10-15%, в Москве - всего 6%, но рост налицо: в 1960 году доля полимеров в бытовых отходах столицы составляла 0,7%. Это, очевидно, связано со все большим применением полимерной упаковки, которая в 1960-х годах была большой редкостью.

1.4 Управление отходами

Управление отходами в России на федеральном уровне составляет основу организационно-правового механизма деятельности по обращению с отходами. Однако в зависимости от уровня управленческой иерархии (субъект РФ, муниципальное образование, конкретное предприятие) этот механизм приобретает свои особенности.

В соответствии со ст. 6 Федерального закона «Об отходах производства и потребления» от 24 июня 1998 г. № 89-ФЗ к полномочиям субъектов РФ в области обращения с отходами относятся: 

  •  проведение мероприятий по предупреждению и ликвидации чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера, возникающих при осуществлении обращения с отходами;
  •  разработка и реализация региональных программ в области обращения с отходами, участие в разработке и выполнении федеральных целевых программ в данной области;
  •  участие в проведении государственной политики в области обращения с отходами на территории соответствующего субъекта РФ;
  •  принятие в соответствии с законодательством России собственных законов и иных нормативных правовых актов субъектами РФ, контроль за их исполнением;
  •  осуществление государственного контроля за деятельностью в области обращения с отходами на объектах хозяйственной и иной деятельности, за исключением федеральных объектов;
  •  участие в организации обеспечения населения информацией в области обращения с отходами.

Таким образом, в каждом субъекте РФ разрабатываются, принимаются и реализуются региональные программы по управлению отходами на территории данного субъекта РФ. Считается, что в настоящее время существуют два основных пути решения проблемы обезвреживания отходов на региональном уровне: переработка на мусоросжигательных и мусороперерабатывающих заводах и захоронение на оборудованных полигонах с последующей рекультивацией их территорий. 

Первый способ в большинстве субъектов РФ сейчас мало приемлем вследствие высокой стоимости, как правило, импортных заводов, недостаточной разработанности отечественной технологии переработки отходов, также невозможности обеспечения экологических требований российского законодательства при эксплуатации таких заводов. При этом, к сожалению, на сегодняшний день продолжается «интервенция» иностранных технологий по термической переработке ТБО. Например, подарок одной из американских фирм администрации г. Череповца - две установки по сжиганию ТБО, не прошедшие государственной экологической экспертизы. 

Считается, что сейчас самое главное в данном вопросе не техническое решение, а создание организационной системы взаимодействия свалок и окружающих (вмещающих их) территорий. Эта система должна создать, во-первых, условия, делающие экономически выгодным применение новейших технологий утилизации мусора и других отходов, и, во-вторых, закрепить эти условия соответствующими правовыми механизмами хотя бы на региональном уровне.

Поэтому в настоящее время задача региональных органов государственной власти и местного самоуправления - формировать на своих территориях целостную систему управления отходами, которая должна опираться на федеральные нормативные правовые акты, учитывать региональную специфику экологических проблем, обоснованно применять экономические механизмы, использовать современные технологии управления. 

Управление отходами должно включать в себя организацию их сбора, удаления (транспортирования), переработки и захоронения, а также реализацию мероприятий по уменьшению количества отходов, направляемых на переработку и захоронение. 

Минимизация количества отходов, направляемых на объекты их переработки и захоронения, решается в мировой практике на основе включения в схему управления операций сортировки ТБО и других отходов, выделения ресурсов, пригодных для дальнейшего использования.

Считается, что сегодня принципиально возможны три взаимодополняющих друг друга направления сепарации отходов:

  •  селективный покомпонентный сбор бытовых отходов у населения в местах образования с последующей «доводкой до кондиции» компонентов на специальных сортировочных установках (пунктах);
  •  селективный пофракционный сбор в местах образования так называемых коммерческих отходов, образующихся в нежилом секторе населенных пунктов (отходы рынков, магазинов, учреждений, школ и других организаций непроизводственного сектора), с последующим извлечением из них ценных компонентов на специальных объектах;
  •  сортировка промышленных отходов в заводских условиях с возможностью их дальнейшей комплексной переработки.

Селективный сбор у населения отходов потребления (макулатура, текстиль, пластмассы, стеклотара и пр.) практикуется во многих странах. Такой подход позволяет предотвратить попадание в ТБО ряда ценных компонентов, перерабатываемых или используемых повторно, а также опасных компонентов. Раздельный сбор вторичного сырья позволяет добиться значительного сокращения объемов ТБО, что существенно снижает загрузку полигонов по захоронению отходов, уменьшает число стихийных свалок, оздоровляет экологическую обстановку. Дальнейшая переработка собираемого таким образом сырья является экологичным, энерго- и ресурсосберегающим производством, ведет к экономии ценнейшего, а подчас стратегически важного сырья.

При этом возможны такие варианты организации селективного сбора ТБО в местах их образования, как чисто селективный (покомпонентный) сбор отходов в различные контейнеры и так называемый коллективно-селективный сбор ряда компонентов в один контейнер.

Одним из важнейших мероприятий в области с обращения с отходами, в том числе ТБО, является вариант раздельного сбора вторичного сырья с помощью организации стационарных и передвижных пунктов приема.

В российских условиях в ближайшее время сложно организовать повсеместный селективный сбор отходов потребления у населения. Это объясняется неподготовленностью наших граждан к раздельному накоплению ТБО или ручной их сортировке перед утилизацией в соответствующие контейнеры, отсутствием соответствующих условий и технического обеспечения (например, специализированных контейнеров), наличием в жилых домах «интегрирующих» мусоропроводов и др. Поэтому сейчас более предпочтителен не покомпонентный, а пофракционный сбор «коммерческих» бытовых отходов с направлением обогащенных фракций на специальные государственные или муниципальные комплексы по сортировке и переработке таких отходов, создание которых не требует очень больших капиталовложений. 

В то же время остается актуальным создание (точнее, восстановление существовавших в советское время) пунктов приема вторсырья от населения, а также организация в порядке эксперимента в отдельных регионах (прежде всего в крупнейших мегаполисах - Москве и Санкт- Петербурге) контейнерного сбора отдельных компонентов от населения. В итоге одновременно будут обеспечиваться получение ценной, пользующейся спросом, продукции и сокращение количества отходов, направляемых на захоронение или сжигание. 

Наладить раздельный сбор мусора населением – еще не все. Надо создать сеть специальных предприятий по утилизации отходов. Необходимы предприятия для переработки разных видов отходов: дерева, полиэтилена, алюминиевых банок, отслуживших кино- и фотоматериалов и даже изъятых из оборота отслуживших информационных компьютерных носителей, которых становится все больше. Необходима комплексная городская программа по сбору вторсырья, которая свяжет воедино работу всех звеньев, всех организаций - административных, воспитательных, финансовых, производственных. Будут перерабатывающие мощности - востребуется и раздельный сбор отходов населением. 

Сортировке на специальных объектах после фракционного сбора должны подвергаться исключительно отходы нежилого сектора (торговых и других предприятий непроизводственной сферы, административных учреждений, учебных заведений и т. п.), характеризующиеся повышенным содержанием незагрязненной макулатуры, металлов, пластмассы и низким содержанием пищевых остатков (см. таблицу). 

Чтобы решить имеющиеся проблемы, внедряется принципиально новый подход, который основан не только на задачах охраны окружающей среды, но и на поиске механизма получения прибыли от крупномасштабной механизированной переработки отходов. Для этого создается специализированная отрасль обращения с отходами, в которой основным звеном являются муниципальные заводы по переработке отходов. Однако в настоящее время такие заводы не имеют экономической самостоятельности из-за несовершенной тарифной политики и неэффективной системы управления. Тем не менее, постепенно осуществляется переход к инновационному типу управления, базирующемуся на нововведениях, обеспечивающих прогрессивное развитие отрасли. 

Рисунок 1.1 Основные компоненты управления отходами.


2. Основы плазмотермических методов переработки опасных отходов

2.1 Обоснование и выбор схемы переработки твердых отходов.

Москва — современный, быстро растущий и развивающийся мегаполис, но, как и во многих городах не только России, но и мира, проблема уничтожения отходов является приоритетной. Система обращения с отходами лечебно - профилактических учреждений (ЛПУ) в городе требует незамедлительного пересмотра. Несмотря на то, что медицинские отходы составляют лишь 2 % от общей массы твердых бытовых отходов (ТБО), опасность данного вида отходов не вызывает сомнений, а если процентное соотношение перевести в реальные цифры — до 30 тысяч тонн эпидемиологически опасных отходов в год — с тенденцией к интенсивному росту, то данная проблема должна искать незамедлительно решения. Увеличивающиеся объемы опасных отходов представляют серьезную опасность населению и окружающей среде.

Как было отмечено на V Международной конференции «Проблемы обращения с отходами лечебно-профилактических учреждений» [7], несмотря на проводимую ЛПУ города работу по сбору, хранению, транспортированию и уничтожению медицинских отходов в соответствии с имеющимися нормативными требованиями, положение дел остается неудовлетворительным. Опасность существующей системы заключается в дальнейшем загрязнении окружающей среды и как следствие несет реальную угрозу здоровью нынешнего и будущего поколений. Ситуация осложняется отсутствием специализированного оборудования по обеззараживанию отходов классов «Б» и «В» в местах образования, отсутствием специализированного транспорта и единой, систематизированной схемы вывоза отходов, а также отсутствием специализированных полигонов захоронения опасных медицинских отходов. На практике вывоз и захоронение отходов ЛПУ нередко осуществляется в общем потоке с ТБО.

В Москве с каждым годом растет число потенциальных источников отходов здравоохранения (ЛПУ, учреждения скорой помощи, учреждения судебной мед. экспертизы, НИИ медицинского профиля, санитарно-профилактические учреждения, станции переливания крови,  микробиологические, биохимические и физические лаборатории, аптеки, медицинские училища и др.). Современный уровень медицины помогает справиться с неизлечимыми ранее болезнями. Однако новые эпидемии могут прийти, откуда не ждут  − из мусорного бака. Недостаточная утилизация отходов ЛПУ может спровоцировать распространение чумы и СПИДа.

Из множества различных методов обработки отходов здравоохранения только термические гарантируют полную дезинфекцию и уничтожение. К таким методам относятся непрямое, двухступенчатое сжигание в бескислородной атмосфере — пиролиз. Основными средствами реализации на российском рынке выступают установки «ЭЧУТО», «Турмалин», «Мюллер» и плазмотермические установки. Обеззараживание химическими или физическими методами с помощью таких средств как химический утилизатор «Sterimed-junior», термохимические утилизаторы «Newster», СВЧ-установки УОМО-01/150, стерилизаторы «Steriflash» и «ЭКОС» Т-300, технологии автоклавирования «Sterival» и т.д. может и должно применяться, но только в качестве звена в цепочке обращения с медицинскими отходами.

Термическая обработка отходов - одна из наиболее распространенных и эффективных технологий, позволяющих значительно сокращать объем отходов. Недостатком традиционной термической обработки (огневого обезвреживания) отходов является образование пылящего и непригодного для вторичного использования продукта - золы, которая концентрирует в себе токсичные элементы. Различные методы дальнейшего кондиционирования зольного остатка требуют создания дополнительных промышленных устройств, транспортирования зольного остатка на переработку, внесения дополнительных материалов и в конечном итоге существенного увеличения энергетических затрат. Использование для нагрева печей и камер дожигания дымовых газов устройств сжигания углеводородных жидких или газовых топлив с избытком воздуха приводит к образованию больших объемов дымовых газов, нуждающихся в очистке от токсичных химических веществ и летучей золы перед выбросом в атмосферу, эффективность сжигания органических компонентов отходов обеспечивается также за счет двух-, трехкратного избытка воздуха, подаваемого в камеру дожигания.

В связи с этим в последние годы в мировой практике обращения с ТБО наметилась устойчивая тенденция перехода от технологий огневого обезвреживания, не обеспечивающих надежной экологической безопасности для населения и окружающей среды, к технологиям высокотемпературной плазмотермической переработки отходов. Эти технологии гарантируют существенное сокращение выбросов в атмосферу диоксинов и фуранов (наиболее токсичных переработки отходов) до экологически и санитарно-гигиенически безопасных уровней, а также радикальное решение проблемы избавления от золошлаковых отходов, образующихся при традиционных способах огневого обезвреживания ТБО.

Современные плазменные методы прямой переработки токсичных отходов позволяют получать зольный остаток в виде продукта, пригодного для складирования, транспортирования или повторного использования. Кроме того, преимуществом плазменной технологии перед обычными методами сжигания являются как повышенные коэффициенты сокращения объема отходов и снижения объемов образующихся твердых остатков, так и получение продукта (зольного остатка) в виде плавленого шлакового компаунда, обладающего высокой химической стойкостью к агрессивным воздействиям окружающей среды.

Многолетние научные исследования и опытные работы по моделированию и испытанию плазменных процессов позволили создать технологию и оборудование, позволяющие проводить глубокую термическую переработку токсичных отходов различного происхождения. Отходы содержат, как горючие, так и негорючие (до 40-50 % масс.) компоненты, что позволяет получать из последних плавленый шлак - чрезвычайно устойчивый к агрессивным воздействиям и механически прочный конечный продукт - с возможностью фиксации в шлаковом компаунде не менее 90 % токсичных компонентов.

Это делает разработанную технологию привлекательной не только в экологическом отношении, но и в экономическом аспекте. Плавленый шлак, близкий по своим свойствам к стеклу или керамике, практически является предельно достижимым по своим свойствам (плотности, химической стойкости) состоянием неорганического остатка переработки любых смешанных отходов.

Анализ морфологии поступающих на переработку и захоронение токсичных отходов показал, что количество отходов, пригодных для переработки в шахтных плазменных печах, в десятки раз выше, чем пригодных для сжигания в топливных печах. Разработанные варианты плазменных технологий позволяют эффективно перерабатывать практически все опасные промышленные, медицинские и бытовые отходы.

В условиях густонаселенного города, где на счету каждый квадратный метр земли, очень сложно выделить площади даже под маломасштабные пиролизные установки, у которых санитарно-защитная зона 30 м., хотя основной и порой непреодолимой преградой встает недостаточное финансирование. Однако в Москве должно существовать предприятие по централизованному уничтожению опасных отходов, и в этом случае пиролизные установки должны уступить место более производительным (до 4000 т. в сутки) плазменным установкам. 


2.1 Плазменные методы переработки бытовых отходов на мировом рынке 

Анализ работ по применению плазменных методов в технологии переработки отходов, выполненных ведущими мировыми фирмами, дает возможность судить о перспективности этого направления. В настоящее время в мире более 30 компаний специализируются на разработке плазменных технологий и оборудования для переработки и уничтожения токсичных отходов различного происхождения. А количество организаций, использующих разработки плазменных технологий и оборудования для переработки отходов различного происхождения в США, Германии, во Франции, в России, Белоруссии, Чехии, Италии, Израиле, Бразилии, Канаде, Китае, на Тайване, в Индии, Австралии и ряде других стран, примерно на порядок больше исходя из технологических и коммерческих соображений, фирмы по-разному представляют и рекламируют результаты своих работ.

Так, известная американская фирма West- inghouse (USA) приводит параметры своих плазменных установок (для переработки отходов), которые имеют производительность в диапазоне от 24 до 220 т в день. Она производит и поставляет на мировой рынок стационарные и мобильные плазменные комплексы для переработки и уничтожения различных отходов.

Одной из крупнейших европейских компаний является Europlasma Group (Франция), поставляющая на рынок ЕС и стран Юго-Восточной Азии плазменные установки производительностью от 5 до 70 т в день.

Компания Tetronics Ltd (Великобритания) - мировой лидер в области разработки, изготовления и поставки электродуговых генераторов постоянного тока (DC) для широкого спектра приложений, включая рекуперацию ТБО, переработку опасных отходов, восстановление металлов и других производственных процессов. Компания организует работу с клиентами с помощью полного обеспечения производственного цикла утилизации отходов, образующихся на предприятиях, начиная с испытаний материалов на испытательном центре Tetronics Ltd и заканчивая разработкой и поставкой на предприятия заказчика установки с полной коммерческой комплектацией. Компания также осуществляет последующую техническую поддержку и сервисное обслуживание. В течение последних десятилетий ее технологии широко используются более чем в 80 производствах (для обширных и разнообразных наборов приложений). Вероятно, в это количество входят не только плазменные комплексы, но и отдельно плазменные нагревательные устройства - плазмотроны, которые входят в состав разработанных технологических установок.

Достаточно широко на мировом рынке представлены разработки фирмы Prometron Technics Corporation (Япония), которая ранее сотрудничала с российскими и белорусскими организациями по разработке плазменной шахтной печи для переработки медицинских отходов. Проект плазменной шахтной печи разработан в Белоруссии, комплектация частично осуществлена российским и белорусским оборудованием остальное подобрано в Японии Плазменная шахтная печь смонтирована в муниципальном госпитале г. Токио. Сейчас эта компания стабильно работает на рынке производства плазменного оборудованш (не только для переработки медицин ких отходов) совместно с фирмами США и Канады.

К современным разработкам относится и оборудование фирмы E.S.1 (Израиль) - мобильные плазменные установки, которые успешно работают не только в Израиле, но и в странах - членах ЕС.

Следует отметить, что некоторые фирмы указывают не только мощность и производительность своего плазменного оборудования, но и его стоимость. Так, например, стоимость установки мощностью 100 кВт составляет примерно 1 млн долл., стоимость установки мощностью
1 000 кВт - примерно 10 млн долл. Таким образом, стоимость 1 кВт мощности установки составляет примерно 1 тыс. долл. Это дает возможность судить и об экономической эффективности плазменных методов.

Однако основным сдерживающим фактором для более широкого применения и использования плазменных технологий, по мнению как сторонников, так и оппонентов, являются их стоимость и недостаточно большой ресурс работы генераторов низкотемпературной плазмы - плазмотронов.

В тематическом обзоре «Переработка отходов в термической плазме» указывается, что по определению экономика переработки и уничтожения отходов должна иметь отрицательное значение, то есть быть затратной. Но несмотря на это, плазменная технология, которая добавляет значение стоимости энергозатрат вследствие увеличения температуры процесса, в конечном итоге снижает стоимость утилизации отходов. Это происходит за счет снижения капитальных затрат, уменьшения технологических стадий процесса и материалоемкости оборудования. Кроме того, конечная стоимость переработки и уничтожения отходов различного происхождения, конечно, связана с законодательством, действующим в каждой конкретной стране, и является более высокой для опасных отходов, чем для других видов отходов.

Сравнение плазменных технологий с другими технологиями переработки и уничтожения отходов показывает, что в большинстве случаев их основными преимуществами являются снижение количества отходящих газов, уменьшение габаритных размеров и сокращение инвестиционных затрат. Кроме того, следует отметить более высокую мобильность плазменных установок, быстрый запуск (остановка) и выход на технологический режим.

Очевидно, что технология плазменной обработки отходов более выгодна там, где надо перерабатывать токсичные отходы, стоимость хранения которых высока и экологически опасна, или там, где имеют место жесткие стандарты на выбросы, что делает низкотемпературное сжигание отходов дорогим. Как правило, это относится к опасным отходам, в частности к радиоактивным отходам среднего и низкого уровня активности, к медицинским и биологическим отходам, содержащим радионуклиды и токсичные компоненты, и пр.

Стоимость процесса рассматривается как функция ежедневной производительности, основанной на показателе 30 тыс. т отходов в год, то есть 100 т в день. Если производство работает 24 ч в сутки, а комплекс обслуживается четырьмя сменами операторов, где каждая смена состоит из 3 чел. Показано, что технология уничтожения отходов является экономически целесообразной даже без учета возможности утилизации тепловой энергии отходящих газов.

Зависимость удельной стоимости (долл. США на тонну отходов) от удельной производительности (тонна в день) показана на диаграмме, представленной на рисунке 1.2. Очевидно, что (для всех составляющих стоимости) итоговая цена переработки и уничтожения отходов с помощью плазменных методов снижается при увеличении производительности

Рис. 1.2 Зависимость удельной стоимости переработки отходов от суточной производительности производства : 1 – общие затраты; 2 – стоимость электроэнергии; 3 – стоимость обслуживания; 4 – накладные расходы; 5 – амортизационные расходы; 6 – техническое обслуживание и ремонт

комплекса. И это снижение весьма существенно, в 5-6 раз. Также в обзоре [1] указывается на универсальность технологии: с помощью применения плазмы достигается высокая степень обезвреживания отходов, образующихся в различных секторах экономики, включая галогеносодержащие органические соединения, медицинские отходы, слаборадиоактивные отходы, бытовые отходы и пр., на которые установлены жесткие нормы ПДК в воздухе, воде, почве. При этом следует учитывать, что переработка таких отходов осуществляется в любом их виде (твердые, пастообразные, жидкие, газообразные, органические и неорганические). Разработанные и предлагаемые для реализации ведущими мировыми фирмами (Westinghouse Plasma Corporation, Tetronics Ltd, Phoenix Solutions Co., RETECH, Inc., Integrated Environmental Technologies, Pyrogenesis Corp.) технологии удовлетворяют всем экологическим требованиям.

В России, так же как и в ранее упомянутых странах, применение низкотемпературной плазмы рассматривается как одно из перспективных направлений в области утилизации опасных отходов.

2.2 Технологическая схема переработки бытовых отходов

Получение газообразного топлива из углей, а также из твердых веществ, включающих как органическую, так и неорганическую составляющую (в том числе из промышленных, радиоактивных и бытовых отходов) – в настоящее время актуальная задача. Получаемые горючие газы (пирогаз) могут быть использованы в энергетических (для газовых турбин и котельных установок) и в технологических (производство целевых продуктов) целях.

Одним из возможных путей газификации твердых органических веществ является использование шахтных реакторов. При этом в некоторых случаях представляет интерес жидкое шлакоудаление, позволяющее использовать получаемый экологически чистый шлак для производства строительных материалов.

Такой процесс требует газообразного окислителя, в качестве которого могут выступать кислород, воздух и водяной пар. Причем для получения высококалорийного газа количество воздуха должно быть минимальным ввиду значительной концентрации в нем азота. Для обеспечения жидкого шлакоудаления и поддержания температурного уровня процесса, целесообразно иметь повышенную температуру в окислительном дутье.

Рис. 1.3 Установка термического обезвреживания (пиролиз — газификация):

1, 5 — гидроцилиндры; 2 — загрузчик; 3 — плазмотрон; 4 — задвижка; 6 — бункер; 7 — питатель; 8 — взрывной клапан; 9 — подвод сжатого воздуха для охлаждения (Z)y = 20); 10 — запорные устройства; 11 — выпускной лоток; К —контрольные точки

В этой связи возможным вариантом такого процесса является использование электродугового плазмотрона для нагрева воздуха. Это позволяет, с одной стороны, обеспечить необходимую энергию для плавления неорганической части сырья, а с другой — поддерживать требуемый температурный уровень процесса при не очень больших расходах воздуха. Наиболее перспективно использовать этот процесс для газификации остекловывания бытовых и промышленных отходов. В этом случае использование плазмотрона позволяет поддерживать жидкое шлакоудаление при наличии практически любых органических включений (и получать экологически чистый шлак, пригодный для изготовления стройматериалов). Кроме того, при наличии в отходах хлора восстановительная среда, образующаяся в процессе газификации, предотвращает образование диоксинов. Преимуществом этого процесса является также существенно меньшее количество подлежащих очистке газов (по сравнению с процессом сжигания отходов). При этом теплотворная способность получаемых горючих газов позволяет во многих случаях получать такое количество энергии, которое не только компенсирует затраты энергии в плазмотроне, но может отпускаться внешним потребителям (особенно при использовании современных газотурбинных установок с высоким КПД).

2.3 Высокотемпературная переработка отходов 

  •  Плазменные источники энергии

В последние годы в зарубежной и отечественной технической литературе появилось огромное количество публикаций в основном рекламного характера по использованию плазменных источников энергии в установках высокотемпературной переработки различных органических отходов. Рассмотрим основные варианты использования плазменных источников энергии в технологиях высокотемпературной переработки и обезвреживания твердых бытовых, промышленных и медицинских отходов.

В практике высокотемпературной переработки органических отходов нашли широкое применение три метода:

  1.  сжигание, заключающееся в огневой окислительной обработке отходов продуктами сгорания дополнительного топлива. При этом токсичные органические компоненты подвергаются полному окислению с образованием СО2, Н2О, N2, а минеральные составляющие извлекаются в виде твердых продуктов или расплава;
  2.  пиролиз - процесс термического разложения органических отходов без доступа окислителя, в результате которого образуются твердый углеподобный остаток и пиролизный газ, содержащий высококипящие смолообразные вещества. Теплота сгорания газа около 13-21 МДж/м3. При низких температурах пиролиза (около 400‒600 °С) образуется больше жидких смолообразных продуктов, а при высоких (около 700‒900 °С) - больше газообразных продуктов;
  3.  газификация - процесс термической обработки органических отходов окислителем (воздухом, кислородом, водяным паром, углекислым

газом или их смесью) с расходом ниже стехиометрического, с получением генераторного газа (синтез-газа) и твердого или расплавленного минерального продукта.

Рассмотрим основные варианты использования плазменных источников энергии в технологиях высокотемпературной переработки и обезвреживания твердых бытовых, промышленных и медицинских отходов:

  •  Плазменная ликвидация супертоксикантов

Жидкие и диспергированные (пылевидные) твердые отходы, содержащие стойкие органические загрязнители, могут подвергаться обезвреживанию непосредственно в плазменной дуге [1]. При температурах выше 4 000°С за счет энергии электрической дуги в плазмотроне молекулы кислорода и отходов расщепляются на атомы, радикалы, электроны и положительные ионы. При остывании в плазме протекают реакции с образованием простых соединений СО2, Н2О, HCl, HF, P4O10 и др. Степень разложения полихлорированных дибензодиоксинов и фуранов (ПХДД и ПХДФ), полихлорбифенилов (ПХБ), хлор-, фтор-, сера-, фосфорсодержащих пестицидов достигала 99,9999 %. Испытания, включающие деструкцию смесей CCl4 с метилэтилкетоном и водой и деструкцию трансформаторного масла, содержащего 13-18 % ПХБ и столько же трихлорбензола, показали, что эффективность уничтожения хлорсодержащих компонентов превышала 99,9995 % [1].

При обезвреживании хлорсодержащих отходов в результате разрушения химических связей между атомами исходных соединений в плазме образуется большое количество ионов хлора, которые при медленном остывании отходящих газов (отсутствии их эффективной закалки) взаимодействуют с ионами углерода, кислорода и водорода, вновь образуя вторичные супертоксиканты, в том числе диоксины и фураны.

Сотрудниками Института металлургии Уральского отделения РАН  в 2007 г. разработан способ утилизации жидких отходов, содержащих ПХБ, заключающийся в предварительном их испарении и подаче непосредственно в струю плазмообразующего газа [2].

Ввод отходов осуществляется совместно с нейтрализующим агентом - негашеной известью, измельченной до крупности менее 74 мкм. Связывание хлора в CaCl2 предотвращает синтез вторичных органических супертоксикантов.

Рис. 1.4 Технологическая схема установки плазменной переработки пестицидов

ФГУП «Инженерный центр имени М. В. Келдыша» (бывший НИИ тепловых процессов) разработал технологию и реактор (рисунке 2.3.1) для плазменной переработки пестицидов.

Отличительная особенность этой технологии - нейтрализация кислотных газов в системе мокрой очистки за ступенью закалки отходящих газов.

Высокие затраты энергии и сложность аппаратурного оформления реакторов ограничивают возможности широкого применения способа окислительного обезвреживания отходов непосредственно в плазменной струе. Более перспективным является применение способа с впрыском жидких отходов в плазменную струю для переработки отходов в восстановительной среде в целях получения ценных товарных продуктов.

В России был разработан и доведен до стадии опытно-промышленных испытаний пиролиз жидких хлорорганических отходов в низкотемпературной восстановительной плазме, позволяющий получать ацетилен, этилен, хлористый водород и продукты на их основе [3].

Принципиальная схема плазмохимической установки для переработки хлорорганических отходов в органические продукты приведена на рис. 2.3.3.

Рис. 1.5 Принципиальная схема плазмохимической установки хлорорганических отходов

Технологический процесс состоит из следующих стадий:

  •  пиролиза отходов;
  •  очистки газов пиролиза от гомологов ацетилена и углеводородов С3 С4
  •  синтеза хлорорганических продуктов.

Пиролиз отходов осуществляется в плазмоагрегате, состоящем из плазмотрона 2, плазмохимического реактора 3, закалочного устройства 4. Питание плазмотрона осуществляется от системы электропитания 1.

Плазмоагрегат работает следующим образом: плазмообразующий газ нагревается в плазмотроне до среднемассовой температуры порядка 3 200  –

4 700°С, затем в виде низкотемпературной плазмы поступает в плазмохимический реактор, куда форсунками впрыскиваются хлорорганические отходы. Полученный газ подвергают скоростной закалке в закалочном устройстве, а затем охлаждают, очищают от сажи, осуществляют селективную очистку от гомологов ацетилена и углеводородов С3, С4. Очищенный газ направляют на синтез хлорорганических продуктов.

Производительность установки по отходам - 750 кг/ч, энергозатраты на переработку отходов - не более 2 кВт-ч/кг.

Процесс является замкнутым, безотходным, рентабельным и применятся в химической и нефтехимической промышленности.

Рис. 1.6 Установка высокотемпературного обезвреживания опасных отходов

  •  Воздействие на слой токсичных отходов ударной плазменной струи

В 1990-х гг. фирма MGC Moser - Glaser (Швейцария) разработала и внедрила в г. Мюттенце установку высокотемпературного обезвреживания опасных отходов мощностью 1 т/ч (рис. 3). Технология получила название «Плазмокс»[4]. Центральным элементом установки является центрифуга с установленной в ней плазменной горелкой. Отходы в бочках подаются питателем в медленно вращающуюся водоохлаждаемую центрифугу, где распределяются на поду печи. Плазменная горелка постоянного тока мощностью 1,2 МВт нагревает плазменной горелкой. Отходы в бочках  

Рис. 1.7 Плазменная печь фирмы EUROPLASMA для переработки токсичной золы МСЗ

попадаются питателем в медленно вращающуюся водоохлаждаемую центрифугу, где распределяются на поду печи. Плазменная горелка постоянного тока мощностью 1,2 МВт нагревает материал и разрушает токсичные органические вещества. На поду образуется расплав минеральных компонентов с температурой около 1 600 °С. Термическая деструкция органических компонентов осуществляется главной плазменной горелкой. Образующиеся газы через пережим, в котором устроена еще одна горячая зона, с помощью второй плазменной горелки мощностью 0,3 МВт поступают в окислительную камеру, где находятся в течение 2 с при

1 200 °С.

Технология и установка плазмохимического уничтожения ПХБ-содер- жащих конденсаторов предложена американской фирмой Retech Systems LLC. Плазменно-дуговая центробежная установка (Plasma Arc Centrifugal Treatment System, РАСТ-8; цифра 8 соответствует диаметру центрифуги в футах;

(1 фут = 0,3048 м) разрабатывалась фирмой с 1985 г. [5].

ПХБ-содержащие конденсаторы измельчаются в специальном устройстве и шнековым питателем подаются в первичную камеру переработки. В реакционную зону первичной камеры подаются кислород (воздух) и отходы, на которые воздействует поток плазмы из электродугового плазмотрона. При высокой температуре в первичной камере переработки (температура в реакционной зоне - до 1 300 °C) происходит деструкция ПХБ (пиролиз и сжигание) и плавление неорганических компонентов отходов. В результате образуются газообразные отходы, направляемые на дальнейшую переработку, и шлак.

При вращении центрифуги происходит равномерный прогрев и перемешивание отходов и шлакового расплава, благодаря чему достигается высокая степень деструкции ПХБ и других токсичных компонентов отходов. В установке РАСТ-8 используется оригинальная система формирования факела плазмы с использованием водоохлаждаемых электродов.

Газообразные отходы поступают во вторичную камеру переработки. Все газы, выходящие из первичной камеры, должны выдерживаться в этой камере при температуре не ниже 980°С не менее 2 с при концентрации кислорода не менее 6 %.

Технические характеристики установки РАСТ-8 следующие:

- мощность - 1 МВт.

- температура в зоне плазменной дуги - 10 000-20 000 °C,

- температура в реакционной зоне - 1 000-1 300 °C,

- производительность по конденсаторам - 300-500 кг/ч,

- степень деструкции - 99,9999 %,

- количество твердых отходов на тонну перерабатываемых конденсаторов - 0,4 т.

Упрощенным вариантом «Плазмокса» и РАСТ-8 без установки центрифуги является плавильная печь фирмы Europlasma (г. Бордо, Франция) для переработки токсичной золы МСЗ (рис. 4). Мощность внедренных этой фирмой установок (во Франции, Японии и других странах) составляет от 6 до 41 т/сут. Нелетучие минеральные компоненты, в том числе соли тяжелых металлов, извлекаются из печи в виде расплава (вторичного продукта), а возгоны летучих веществ (кадмий, ртуть, свинец) после системы сорбции и улавливания собираются для последующего концентрирования, утилизации или захоронения.

Специалистами Института тепло- и массообмена им. А. В. Лыкова и ООО «Плазмактор» (г. Минск, Беларусь) разработана, изготовлена и испытана плазменная камерная печь периодического действия мощностью до 50 кВт и производительностью 20-30 кг/ч, показанная на рис. 2.3.6 [6]. Печь предназначена для обезвреживания сравнительно небольших объемов медицинских и биологических отходов. После загрузки отходов в количестве примерно 10-15 кг и включения плазмотрона цикл их переработки (сжигания) составляет примерно 10 мин и зависит от состава отходов. После завершения цикла работы плазмотрон выключается и печь переходит в режим остывания и разгрузки шлака. Суммарное время реализации всех стадий составляет около 30 мин, после чего печь готова к следующей загрузке и включению.

Рисунок 2.3.5 Плазменная печь для обезвреживания медико биологических отходов

Плазменная установка переработки инфицированных медицинских отходов была разработана и спроектирована специалистами ЗАО «Плазма Тест». Принципиальная технологическая схема установки приведена на рис. 6. Основу оборудования составляет двухкамерная кессонная металлургическая печь с ванной расплава шлака и металла и плазмотроном на боковой стенке, обеспечивающим температурный уровень от 2 000 до 5 000 °С. Максимальная проектная пропускная способность по отходам - 60 кг/ч (500 т в год). По ряду технических и экономических факторов указанная установка не была введена в постоянную эксплуатацию.

Рис. 1.8 Технологическая схема плазменной установки ЗАО «Плазма Тест» для обезвреживания медицинских отходов

В целом рассмотренная технология обработки неподвижного слоя токсичных отходов ударной плазменной струей характеризуется низкой эффективностью тепло- и массообмена. Существенное усложнение установки за счет встроенной центрифуги для перемешивания расплава на поду печи кардинально не повышает эколого-технологические параметры процесса.

  •  Термическая обработка отходов в платном фильтрующем слое

Наибольшее распространение в практике пиролиза и газификации твердых бытовых, промышленных и медицинских отходов нашли вертикальные шахтные печи. Классическим примером противоточной шахтной печи для пиролиза твердых отходов является реактор, разработанный ГУП МосНПО «Радон» [9], представленный на рис. 1.

Упаковки с отходами поступают через узел загрузки в верхние слои шахты и, опускаясь под действием силы тяжести, нагреваются за счет теплоты газов, движущихся вверх им навстречу.

Источником энергии служат дуговые плазмотроны, установленные в подовой части печи над ванной. В качестве плазмообразующего газа используется воздух. Применение воздушных плазмотронов достаточной мощности позволило отказаться от дополнительного топлива. В верхней части печи отходы проходят стадии сушки и пиролиза, сопровождающиеся интенсивным газовыделением.

В высокотемпературной зоне шахтной печи в нижних слоях отходов происходит возгонка летучих соединений. В то же время в среднем и верхнем уровнях шахты печи, в зоне относительно низких температур, эти соединения концентрируются и сорбируются в слое отходов. Коксовый остаток в значительной степени выжигается, а минеральные компоненты плавятся и поступают в зону накопления расплава.

Технологическая схема опытно-промышленной установки «Плутон», разработанной ГУП МосНПО «Радон» для обезвреживания радиоактивных отходов, с агрегатной нагрузкой 200-250 кг/ч [10] приведена на рис. 2. Эта установка позволяет перерабатывать смешанные твердые отходы, содержащие не только горючие компоненты (древесину, бумагу, ветошь, пластики), но и негорючие (металл, стекло, грунт, изоляционные материалы).

Температура отходящих газов на выходе из шахтной печи не превышала 250-300 °С, пирогаз (помимо горючих газов) содержал смолистые вещества и аэрозоли сажи и золы, которые подвергались обработке в многоступенчатой системе пылегазо- очистки. Температура шлакового расплава в ванне печи достигала 1 600-1 800 °С. После охлаждения был получен продукт, пригодный для безопасного хранения.

 

Рис. 2.3.7 Плазменная шахтная печь для переработки твердых радиоактивных отходов: 1 - узел загрузки; 2 - шахта; 3 - под; 4 - бокс приема шлака; 5 - плазмотрон; 6 - стопор; 7- выход пирогаза

На основе длительного цикла научно-исследовательских работ, выполненных на установке «Плутон», была разработка демонстрационного комплекса по переработке ТБО в Израиле с проектной нагрузкой 500 кг/ч (см. фото), введенного в опытную эксплуатацию в 2007 г. по контракту между РНЦ «Курчатовский институт» и израильской компанией EER (Environmental Energy Resources). Проектно-конструкторские работы были выполнены ООО «ВАМИ» (г. Санкт-Петербург) при участии ОАО «ВНИИАМ» и ОАО «НПО «Техэнергохимпром».

Шахтная печь для термической переработки отходов (твердых бытовых, промышленных, медицинских и биологических) с агрегатной нагрузкой до 200 кг/ч разработана Инстиутом тепло- и массообмена им. А.В. Лыкова совместно с другими организациями Республики Беларусь [11, 12]. В качестве плазменных горелочных устройств применяются электродуговые плазмотроны постоянного и переменного тока.

Шахтный процесс переработки дал возможность реализовать режим противотока при нагревании и термической обработке отходов, а охлаждение и фильтрацию отходящих газов - непосредственно в самом слое. Для этого в состав шихты добавляли органический фильтрующий материал - мелкие древесные опилки.

Глубокое регенеративное использование теплоты отходящих газов, присущее описанным выше противоточным шахтным печам пиролиза и газификации органических отходов обеспечивает минимальные затраты дополнительной энергии на процесс. Однако при использовании противоточных печей (реакторов) проявляются и существенные недостатки. Пиролизные смолопродукты, формирующиеся в значительных количествах в верхней зоне (в зоне относительно низких температур) выносятся из печи восходящим (встречным) газовым потоком, загрязняя собой продуцируемый синтез-газ. Это ведет к необходимости тщательной многоступенчатой очистки синтез-газа, существенно усложняя процесс и увеличивая как стоимость оборудования, так и эксплуатационные расходы.

Рисунок 2.3.8 Технологическая схема установки «Плутон»

В прямоточных реакторах с нисходящим потоком продукты пиролиза, сформированные в верхней низкотемпературной зоне печи, проходят через нижнюю высокотемпературную зону реактора, где подвергаются

термическому разложению. При этом увеличиваются выход горючего газа и его теплота сгорания и, что самое существенное, отпадает необходимость в очистке синтез-газа от смолопродуктов.

  •  Дожигание отходящих из печей газов с помощью плазменных источников энергии

В последние годы практикуется двухступенчатое термическое обезвреживание органических отходов: в первой ступени, реализуемой в виде камерной, барабанной, шахтной печи или реактора псевдоожиженного слоя, осуществляется неполное сжигание, пиролиз или газификация отходов, а во второй ступени проводится дожигание продуктов неполного горения (углерод, Н2, СО, CmHn, смолы), поступающих с газообразным потоком из первой ступени [16].

Отдельные фирмы, например Euro- plasma (Франция), предлагают использовать в камерах дожигания плазменный источник энергии (рис. 4).

Рис. 1.9 Технологическая схема установки термической переработки отходов с плазменным дожигателем

Аналогичное решение применили ряд фирм и организаций, в том числе Институт тепло- и массообмена им. А. В. Лыкова, установив плазмотроны в камере дожигания газов пиролиза, отходящих из шахтной печи [17].

Однако расчетные и экспериментальные исследования показывают, что плазменные генераторы не могут обеспечить эффективное перемешивание относительно большого объема дымовых газов с поддержанием их температуры на уровне около 1 200‒1 250 °С при времени их пребывания при указанной температуре не менее 2,0 °С.

Опыт свидетельствует, что только применение футерованной цилиндрической камеры дожигания с тангенциальным вводом дополнительного газообразного или жидкого топлива приводит к эффективному турбулентному перемешиванию газообразных продуктов и практически полному окислению остаточных органических соединений отходящих газов. 

2.4 Плазмотермическая переработка бытовых отходов в России

В последние годы в мировой практике обращения с ТБО наметилась устойчивая тенденция перехода от сжигательных технологий, не обеспечивающих надежной экологической безопасности для населения, к технологиям высокотемпературной плазмотермической переработки отходов, гарантирующей существенное сокращение выбросов в атмосферу диоксинов и фуранов (наиболее токсичных продуктов переработки отходов) до экологически и санитарно-гигиенических безопасных уровней, а также радикальное решение проблемы избавления от золошлаковых отходов, образующихся при традиционных способах сжигания ТБО.

  •  Тепло и электроэнергия

В предлагаемых для России и других стран схемах (технологических комплексов) предусматривается совмещенное использование (отработанной уже на пилотных установках) технологии плазмотермической переработки ТБО с промышленными энергоблоками парогазовых установок комбинированного цикла, например, газотурбинных установок (ГТУ), выпускаемых ОАО «Авиадвигатель». Один из вариантов технологической схемы такой установки представлен на рис. 1. В этой схеме для обеспечения работы ГТУ мощностью 25 МВт (или блока из двух ГТУ по 25 МВт каждая) используется природный газ с учетом его доступности на внутреннем рынке России.

Рисунок 2.4.1. Принципиальная блок-схема комбинированной газотурбинной

энергогенерирующей установки, совмещающей плазмохимическую переработку ТБО с конверсией полихлорвиниловых отходов в высококалорийное жидкое топливо:

1 – блок питания плазмотронов, 2 – узел загрузки ТБО в реактор, 3 – плазменный реактор-газификатор, 4 – подовая часть реактора, 7 – бойлер, 9 – газовая турбина, 10 – котел-утилизатор, 11 – паровая турбина, 12 – конденсатор, 13 – вентиляторная градирня, 15 – водоподготовка, 16 – блок каталитической газоочистки, 17 – газгольдер, 22 – агрегат изготовления теплоизоляционного материала, 23 – конвертор полимеров в жидкое топливо, 24 – оборудование для выработки продукции, содержащей углекислоту.

Две ГТУ суммарной мощностью до 50 МВт позволяют при сооружении энергоперерабатывающего комплекса обеспечить быстрое упреждающее начало коммерческих поставок электроэнергии (и, следовательно, снижение возможной кредитной нагрузки на инвестированный капитал за счет возврата кредитных средств), поскольку поставляемые промышленные энергоблоки можно быстро ввести в эксплуатацию независимо от сопрягаемой мусороперерабатывающей части технологического комплекса.

Технологический комплекс работает следующим образом. Горючий (пиролизный) газ, генерируемый в результате переработки отходов в плазмотермических реакторах, подвергается сжиганию в реакторах-дожигателях, а получаемые в результате этого продукты сгорания, имея на выходе температуру около 1 100–1 200 0С, подаются в котлы-утилизаторы (бойлеры), в которых вырабатывается пар высоких параметров.

Котел-утилизатор имеет двухсекционную (двухконтурную) конструкцию. В первом контуре, куда подаются отработавшие горячие газы из газовых турбин (при температуре на выходе около 500 0С), происходит получение пара, который затем подается во второй контур бойлера, где осуществляется его перегрев. Приготовленный таким образом сухой пар подается на паровую турбину для выработки электроэнергии. Сбросной поток отработавшего газа из первого контура, а также отработавший пар из паровой турбины могут использоваться в целях коммерческого теплоснабжения.

Промышленный энергоблок (например, ГТЭ-25 ПЭР ОАО «Авиадвигатель», рис. 2) в составе двух газовых и одной паровой турбины с промежуточным перегревом пара обеспечивает выработку 65–67 МВт электроэнергии (в том числе 20 МВт – с паротурбинного электрогенератора) с суммарным КПД (на клеммах) около 51–52 % [1].

Поскольку котлы-утилизаторы, в которых за счет энергии продуктов сгорания пирогаза обеспечивается получение дополнительного количество пара (сверх получаемого за счет отработавших газов от газовых турбин), в составе энергоблока может быть использована либо более мощная паровая турбина (на 25–26 МВт), либо вторая паровая турбина (на 5–6 МВт) в дополнение к штатной турбине промышленной парогазовой установки.

Таким образом, используя четыре плазмотермических реактора суммарной производительностью 8–10 т отходов в час с паротурбинным энергоблоком на 5–6 МВт в комбинации с промышленной парогазовой установкой, состоящей из двух ГТУ и одной ПТУ (паротурбинной установки), на комбинированном энергоперерабатывающем технологическом комплексе возможно ежегодно утилизировать около 50 тыс. т ТБО с выработкой более 450 тыс. МВт*ч электроэнергии для поставки внешним потребителям. 

Рисунок 2.4.2 Парогазотурбинные установки комбинированного цикла на базе ГТД ПС 90-А

Кроме того, за счет отходящих газов ГТУ на выходе из первых контуров котлов-утилизаторов возможно получение более 100 тыс. Гкал/год тепловой энергии при температуре теплоносителя около 90–95 0С в дополнение к 1 400–1 500 тыс. Гкал/год с отработавшим паром ПТУ при температуре 170–180 0С.

Другой вариант технологической схемы энергоперерабатывающей установки предполагает обеспечение работы комбинированного парогазового энергоблока преимущественно за счет получаемого от переработки отходов горючего пирогаза с подмешиванием к нему (при необходимости) 10–15 % природного газа. Такая установка работает следующим образом. Горючий (пиролизный) газ, генерируемый в результате переработки отходов в плазмотермических реакторах, имея на выходе температуру 200–250 0С, подвергается предварительной очистке от пыли и агрессивных хлористых и сернистых компонентов, и после компримирования до давления 12–15 атм. подается непосредственно в камеры сгорания газовых турбин.

Отработавший газ из газовой турбины, имея температуру около 400 0С, поступает в котел-утилизатор (бойлер), где используется для приготовления пара с температурой около 300 0С, который затем под давлением 4-5 атм. подается на паровую турбину. Сбросной поток отработавшего газа, а также отработавший пар из паровой турбины могут быть использованы для теплоснабжения. В качестве комбинированного энергоблока возможно использование промышленной ГТУ-ТЭЦ «Янус» (Пермского завода) с двумя турбинами ГТУ-4П по 4 МВт и одной паровой турбиной мощностью 3 МВт.

Таким образом, с помощью четырех плазмотермических реакторов суммарной производительностью 8–10 т отходов в час с паротурбинным энергоблоком на 3 МВт в комбинации с промышленной газотурбинной установкой из двух ГТУ мощностью по 4 МВт, на энергоперерабатывающем комплексе возможно обеспечить ежегодную утилизацию около 50 тыс. т ТБО с выработкой 80–85 тыс. МВт*ч электроэнергии для поставки внешним потребителям. Кроме того, за счет отходящих газов газовых турбин и отработавшего горячего пара ПТУ можно получить более 150 тыс. Гкал/год тепловой энергии при температуре теплоносителя не менее 120–130 0С. Суммарный КПД такой энергогенерирующей установки может составлять не менее 32 %.

Эта технологическая схема энергоперерабатывающего комплекса предполагает необходимость применения специальной камеры сжигания для газовой турбины, способной обеспечить ее работоспособность на низкокалорийном топливном газе, каковым является получаемый из отходов пирогаз. Такая камера сгорания разработана, испытана и запатентована в РФ [2]. При этом следует заметить, что поскольку в камере сгорания газовой турбины средняя по ее объему температура продуктов сгорания, а также время их пребывания в пределах зоны повышенной температуры оказываются недостаточными для обеспечения надежной деструкции диоксинов и фуранов, система газоочистки должна включать в себя аппараты их каталитической нейтрализации.

Рисунок. 2.4.3 Модуль каталитической низкотемпературной деструкции диоксинов, фуранов и NOx

Такие аппараты поставляются на рынок фирмой CRI CATALIST [3]. В технологии этой фирмы, именуемой Shell Dioxin Destruction System (SDDS), используется специально разработанный катализатор, обеспечивающий практически полную (не ниже 99,9 % начальной концентрации, что гарантирует не превышение установленной предельной концентрации вредных выбросов, составляющей 0,1 нг/м3) деструкцию диоксинов и фуранов в одноступенчатом процессе при температуре 140–160 0С:

C12HnCl8-nO2 + (9+0,5n)O2 → (n-4)H2O + 12CO2 + (8-n)HCl

Газоочистные модули SDDS поставляются в блоках, имеющих сравнительно небольшие габариты (210 х 143 х 142 см) и высокую пропускную способность при незначительном падении давления проходящих газов (3–3,5 мбар). Производительность по пирогазу – 70 тыс.м3/ч (100 тыс. т ТБО в год).

  •  Дизельное топливо из полимеров

Известно, что заметную долю в составе ТБО составляют отработавшие изделия из пластмассы (полихлорвиниловых изделий), из которых может быть получено достаточно высококалорийное жидкое топливо типа дизельного. Известна, например [4], технология немецкой компании Clyvia technology GmbH (патент ФРГ №102005010151), в которой реализуется каталитическая деполимеризация углеродсодержащих полимерных отходов (крекинг высокомолекулярных углеводородных соединений) для получения дизельного топлива (рис. 4). Пирогаз от плазмотермического реактора после предварительной очистки подается в газовую турбину; туда же подается и жидкое топливо, полученное от переработки ПХВ на конверторе. Производительность установки по топливу – 500 кг/ч.

Рисунок 2.4.4 Дизель – реактор КDV-500 для получения жидкого дизельного топлива из полимеров

Использование (получаемого путем конверсии отсортированных из ТБО полимерных отходов) высококалорийного жидкого «дизельного» топлива с низкокалорийным пирогазом, образующимся при плазмотермической переработке ТБО, для обеспечения работы газотурбинного генератора (в целях обеспечения экономической рентабельности мусороперерабатывающих предприятий), а также теплоснабжения внешних потребителей осуществляется на основе технологической схемы, аналогичной схеме, представленной на рис. 1. В такой схеме пирогаз от плазмотермического реактора после предварительной очистки подается в газовую турбину; туда же подается и жидкое топливо, полученное от переработки ПХВ на конверторе (рис. 4).

Конструкторское бюро ОАО «Авиадвигатель» совместно с ОАО «СНИИП» разработало [2] двухзонную камеру сгорания для обеспечения работы газовой турбины на двух разных видах топлива (рис. 2). Атмосферный воздух, сжатый в осевом компрессоре газотурбинного двигателя, поступает в диффузор камеры сгорания. Жидкое топливо, сгорая в зоне дежурного горения, обеспечивает запуск двигателя и режим холостого хода. В зоне дежурного горения обеспечивается режим диффузионного горения на богатой смеси (при коэффициенте избытка воздуха α < 1). Основное топливо (пирогаз – до 80 % всего топлива) подается в основную зону горения, где смешивается с воздухом и воспламеняется от дежурной зоны горения. В основной зоне горения обеспечивается режим гомогенного горения бедной смеси (при коэффициенте избытка воздуха α > 1) также при более низкой температуре, что обеспечивает снижение образования окислов азота. Таким образом, обеспечивается устойчивое горение бедной смеси. Продукты горения направляются на лопатки соплового аппарата турбины.

Установка работает следующим образом. На переработку направляются два потока отходов: полимерные и смешанные ТБО, имеющие типовой морфологический состав. Отходы первого потока после предварительной сортировки поступают из накопителя в конвертор, где подвергаются переработке на жидкое топливо, отходы второго потока – на переработку в плазмотермические реакторы (количество которых определяется потребной производительностью завода), после чего получаемый из них пиролизный газ подвергается предварительной газоочистке.

Оба вида топлива – жидкое и газообразное, а также компримированный воздух подаются в двухзонные комбинированные камеры сгорания, продукты сгорания в которых используются для обеспечения работы газовых турбин и соответствующих электрогенераторов. Отработавшие горячие продукты сгорания из газовых турбин подаются в бойлеры, в которых из приготовленной в системе химводоподготовки воды приготавливается пар для питания паровой турбины с электрогенератором. Таким образом, в комбинированном газопаротурбинном цикле производится электроэнергия для поставки внешним потребителям, и, возможно, тепло, которое может поставляться внешним потребителям. Отработавшие газы из бойлеров проходят через систему газоочистки и выбрасываются в атмосферу в виде экологически безопасного газового выброса. Вся технологическая система автоматизирована.

  •  Теплоизоляционные материалы из шлака

Наиболее распространенным вариантом коммерческого использования шлака, получаемого в результате плазмотермической переработки ТБО, является его гранулирование и применение в качестве добавок к строительным материалам. Стоимость такого продукта на рынке оценивается как примерно 2 500 руб./т. Вместе с тем его стоимость может быть существенно повышена, если с помощью специальных технологий переработать его в стекловату или теплоизоляционный материал. Последнее основано на том, что по своему химическому составу шлак весьма близок к природному базальту, из которого изготавливается теплоизоляционный материал (маты, полотна). Эта технология хорошо отработана (рис. 5) и используется на ряде российских предприятий, например, в ООО «Теплотроника» [5].

Рисунок 2.4.5 Технологическое оборудование для производства теплоизоляционного материала из шлака

Эта технология предусматривает плавку базальта, превращение его из жидкой фазы в тонкие нити с последующим формованием из них матов, имеющих пористую структуру, и, следовательно, обладающей высокими теплоизолирующими свойствами наряду с высокой жаростойкостью (пожаробезопасностью). Поскольку жидкий шлак является естественным продуктом термической переработки отходов (в отличие от производства теплоизоляционного материала из базальта), исключается необходимость затрат энергии на плавление исходного сырья. Учитывая, что рыночная стоимость базальтового теплоизоляционного материала составляет в среднем 5 500 руб./м3, использование этой технологии в составе комплексов переработки отходов может заметно повысить их экономическую рентабельность.

До недавнего времени большим спросом пользовались утеплители из стекловолокна и минерального волокна на основе доменных шлаков. Однако данная продукция имеет ряд недостатков: выделение мельчайшей стеклянной пыли при механическом разрушении теплоизоляции, колючесть волокон, низкая температура применения (до 400 0С), а также наличие связующего, которое постепенно испаряется в виде токсичных газов, таких как фенол, формальдегид, аммиак и др., что, в конечном итоге, приводит к образованию пустот между изолируемой поверхностью и теплоизоляцией. Кроме того, стекловата и минеральная вата на основе доменных шлаков являются вторичным материалом, так как изготавливаются из смеси компонентов, порой включающих отходы различных производств, что, в свою очередь, может способствовать процессам гниения или окисления изолируемых поверхностей. Срок службы перечисленных утеплителей ограничен, поскольку через 10–15 лет происходит их разрушение.

Практика производства теплоизоляционных материалов в последнее время идет по пути использования базальтовой теплоизоляции. Базальтовая теплоизоляция намного качественнее по свойствам, чем минеральные волокна или волокна с такой же структурой, имеющей в своем составе стекло. Базальтовое волокно (даже при условии длительной эксплуатации) остается прочным, емким и невосприимчивым к агрессивным средам, а сам материал не выделяет токсинов. Теплоизоляция из базальтовых горных пород отличается экологической и радиационной безопасностью, негорючестью, химической стойкостью и огнестойкостью, долговечностью, инертностью к изолированной поверхности, имеет неограниченный срок службы и высокий температурный диапазон применения от 300 до 900 0С. Утеплитель на основе базальтового волокна «дышит», не закупоривает изолируемые поверхности, негигроскопичен, не выделяет вредных веществ во всех средах. Уникальные свойства материалов из базальтового волокна делают их применение универсальным в различных отраслях промышленности. В последние 10 лет изделия из базальтового волокна стали широко применяться в строительстве, энергетике, коммунальном хозяйстве и многих других отраслях промышленности.

Стоимость базальтовой крошки требуемого фракционного состава (15–25 мм) зависит от удаленности месторождения базальта и доходит до 900 тыс. руб. за одну тонну. Выход волокна из расплава составляет обычно 85 %. Стоимость готовой продукции из базальтовой ваты составляет не менее 1 500 руб. за 1 м3 при плотности теплоизоляционного материала 20–50 кг/м3 (то есть от 30 до 75 тыс. руб./кг).

Следует подчеркнуть, что производство теплоизоляционных материалов и изделий из базальтового сырья требует наличия достаточно громоздкого (габариты составляют около 4 × 4 × 20 м, масса – около 35 т) плавильного оборудования, нуждающегося к тому же в использовании природного газа или мазута в качестве топлива.

В то же время технология плазмотермической переработки ТБО обеспечивает не только экологически безопасную утилизацию отходов, но и получение в качестве вторичного продукта минерализованного шлака, обладающего рядом замечательных свойств, что, в частности, делает его пригодным для производства теплоизоляционных материалов, не уступающих по качествам базальтовому волокну.

Возможность использования шлакового расплава, образуемого в результате плазмотермической переработки ТБО, базируется на идентичности усредненного состава шлакового расплава (по основным компонентам) с химическим составом горных пород габбро-базальтовой группы. В табл. 1 представлены показатели состава горных пород и шлакового расплава, образующегося в различных производствах.

Показатели состава горных пород и шлакового расплава, образующегося в различных производствах

Химический компонент

Содержание химических компонентов, % масс.

Горные породы габбро-базальтовой группы

Шлаки от переработки ТБО на заводе «Экотехпром», Москва

Шлаки от переработки отходов на установке «Плутон» НПО «Радон»

SiO2

3951

46,156,3

3556

Al2O3

1019

69,3

18,827,9

Fe2O3

1018

916,3

1,58,5

CaO

813

915,6

2,18,7

MgO

412

1,72,8

1,22,9

Na2O

В сумме 2–5

5,67,2

2,611,1

K2O

1,121,3

0,62,1

SO3

1,52,2

Основной показатель, определяющий пригодность сырья для производства минеральной ваты, – это модуль кислотности Мк, который представляет собой отношение суммы процентного содержания в сырье кислых оксидов (кремнезема SiO2 и глинозема Al2O3) к сумме процентного содержания в нем основных оксидов (кальция CaO и магния MgO). Модуль кислотности минеральной ваты типа А – не менее 1,4; типов Б и В – не менее 1,2 (ГОСТ 4640). Для ваты на основе горных пород рекомендуется иметь модуль кислотности на уровне 1,7–2,2; для базальтового волокна – более 2,2.

Учитывая приведенные в табл. 1 данные, нетрудно определить, что модуль кислотности шлака для базальтовой крошки составляет 3,2:

SiO2 + Al2O3 = 45,0 +14,5 = 59,5 %;

CaO + MgO = 10,5 +8,0 = 18,5 %;

Мк = 59,5 % : 18,5 % = 3,2.

Для шлака, образующегося в результате переработки ТБО на основе сжигательной технологии, применяемой на московском заводе МГУП «Экотехпром», по усредненным данным, представленным в табл. 1, модуль кислотности составляет примерно 4,0:

SiO2 + Al2O3 = 51,2 +7,6 = 58,8 %;

CaO + MgO = 12,3 + 2,2 = 14,5 %;

Мк = 58,8 % : 14,5 % = 4,06.

Для шлака, образующегося в результате переработки отходов на основе плазмотермической технологии, по усредненным данным для установки «Плутон» МосНПО «Радон», модуль кислотности составляет не менее 9,0:

SiO2 + Al2O3 = 45,5 +23,3 = 68,8 %;

CaO + MgO = 5,4 + 2,0 = 7,4 %;

Мк = 68,8 % : 7,4 % = 9,3.

Таким образом, по показателю кислотного модуля шлаковый расплав, получаемый в результате переработки ТБО по плазмотермической технологии, не уступает базальтовому сырью и соответствует требованиям ГОСТ 4640 для изготовления теплоизоляционного волокна и изделий из него. Выход шлакового расплава при таком компонентном составе отходов исходя из указанной зольности составит 21 тыс. т в год при производительности перерабатывающего комплекса 100 тыс. т в год. 

В настоящее время оборудование для производства теплоизоляционных материалов из минерального сырья производится как в России, так и за рубежом. Наиболее известным поставщиком комплектного технологического оборудования в России является пермское предприятие ООО «Теплотроника». Ориентировочная стоимость полного комплекта технологического оборудования с его установкой «под ключ» составляет 25 млн руб.

Одним из ведущих зарубежных поставщиков аналогичного технологического оборудования является научно-производственная компания Basalt Fiber & Composite Materials Technology DevelopmentBF&CM TD»). При поставках этого оборудования к производственным помещениям предъявляются следующие требования: высота в месте установки плавильной печи должна составлять 10 м; ширина – 12 м; длина – 40 м. Необходимые инженерные коммуникации: газ среднего давления (0,03–0,04 МПа, расход 350 м3/ч), электроэнергия (3 ×380 В, 50 Гц), установленная мощность (600 кВА (с учетом двукратного резерва), сжатый воздух (60 м3/мин), давление (0,12 МПа), водоснабжение (до 5 м3/ч (оборотное с градирней), давление воды (0,3 МПа), канализация для обеспечения бытовых нужд.

  •  Углекислотная продукция из вторичного сырья

Еще одним направлением повышения рентабельности плазмотермической переработки ТБО является производство продукции, содержащей углекислоту, на основе использования вторичных продуктов переработки отходов. Актуальность использования этой технологии в Московском регионе связана с тем, что в настоящее время в Москве имеется единственный производитель продукции, содержащей углекислоту, – хладокомбинат № 7, использующий устаревшую технологию и технологическое оборудование. При этом суммарная потребность в «сухом льде» составляет около 40 т в день (в летнее время), потребность в жидкой двуокиси углерода – около 200 т в день, а спрос на углекислый газ исчисляется тысячами баллонов.

Диоксид углерода применяется в различных отраслях пищевой и химической промышленности, машиностроении, металлургии, энергетике, в сельском хозяйстве и др. Технология его производства зависит от вида источника сырья (углекислого газа), а энергетические затраты – от совершенства термодинамических циклов, схем и оборудования.

Наиболее часто используемым источником сырья являются дымовые газы, хотя они содержат всего 10–20 % диоксида углерода. Извлечение чистого диоксида углерода из дымовых газов, получаемых при сжигании природного газа, основано на абсорбционно-десорбционном методе, который отличается сложностью и относительно невысокой энергетической эффективностью. Вследствие этого, а также роста цен на природный газ, себестоимость диоксида углерода существенно возрастает.

В настоящее время основное внимание разработчиков и производителей углекислотных установок, использующих для получения углекислого газа продукты конверсии природного газа, сконцентрировано на совершенствовании техники сжигания природного газа за счет повышения термических КПД: с ~0,80–0,85 для существующих котлов до 0,95–0,98. Однако вряд ли можно ожидать заметного снижения себестоимости производства углекислого газа при использовании этих технологий. Более эффективным представляется использование дымовых (технологических) газов, образующихся в качестве побочного продукта основного производства, например, плазменной переработки отходов различного происхождения.

Еще одним важным резервом снижения себестоимости получения углекислого газа является использование бросовых источников теплоты в виде водяного пара и горячей воды. Смысл такого подхода состоит в том, что водяной пар с температурой выше 130–140 0С, необходимый для извлечения диоксида углерода из дымовых газов абсорбционно-десорбционным методом, в существующих установках получают за счет сжигания природного газа в котлах. Поскольку технологические комплексы плазменной переработки отходов, как правило, предполагают применение принципа когенерации, то есть использования газопаротурбинных энергоустановок для выработки электроэнергии и бросового тепла за счет отработавших газов и пара, напрашивается идея совмещения технологии плазменной переработки отходов с производством продукции, содержащей углекислоту. При этом заслуживает внимания и тот факт, что наличие в составе установки по переработке отходов автономного источника электроэнергии также может рассматриваться как фактор, способствующий повышению общей эффективности работы блока получения продукции (содержащей углекислоту), а с учетом конъюнктуры рынка на такую продукцию (о чем будет сказано ниже) – и как фактор обеспечения повышенной рентабельности переработки отходов. 

В настоящее время наиболее совершенное технологическое оборудование для производства продукции, содержащей углекислоту, предлагается швейцарской фирмой Asco Kohlensaure AG [6]. На рис. 6 показана типовая установка Asco Kohlensaure AG для производства жидкой углекислоты. Установки такого типа выпускаются с производительностью (по жидкой углекислоте) от 70 до 1 000 кг/ч; соответствующая производительность по «сухому льду» составляет от 30 до 400 кг/ч. В качестве исходного сырья для получения углекислого газа используется природный газ, дизельное топливо или керосин, а также любое их сочетание. Работа установки включает последовательные операции «мокрой очистки» (промывки) используемых в качестве исходного сырья технологических газов, абсорбции СО2, отделение побочных фракций, охлаждение СО2, сжижение СО2.

Рисунок 2.4.6 Высокопроизводительная автоматизированная установка фирмы ASCO для получения жидкой углекислоты

Среди отечественных производителей оборудования для выпуска продукции, содержащей углекислоту, следует отметить Краснодарский компрессорный завод [7] и Научно-производственное объединение «Автогазтранс» [8]. Краснодарский компрессорный завод предлагает к поставке комплект оборудования для выделения и очистки углекислого газа, отвечающего требованиям ГОСТ 8050-85, а также углекислотные станции УВЖС, предназначенные для получения жидкой углекислоты и «сухого льда» по схеме высокого давления.

Состав (и стоимость) оборудования для выделения и очистки углекислого газа и схемы обвязки определяются на стадии проектирования с учетом данных об объеме и составе исходного газа. В зависимости от способа получения исходного сырья в состав оборудования могут входить: скруббер холодный, абсорбер, промывная колонка, десорбер, теплообменник раствора, холодильник раствора, холодильник абсорбера, холодильник газа, регенератор или колонка с содовым раствором, колонка с раствором KMnO4, колонка с активированным углем.

Установки УВЖС служат для сжижения очищенного углекислого газа и разливки его в углекислотные баллоны емкостью 40–50 л при давлении 55–75 бар или для получения «сухого льда» в ледоформах в виде блоков размером 200×200×850 мм и массой 42–44 кг. Они выпускаются в трех вариантах: УВЖС-1 для получения «сухого льда» и жидкой углекислоты; УВЖС-2 для получения только «сухого льда»; УВЖС-3 для получения только жидкой углекислоты. В табл. 2 представлены основные характеристики установки УВЖС-1:

Основные технические характеристики установки УВЖС-1

Производительность номинальная по жидкой углекислоте при давлении газа на всасывании 1 кг/см2 и температуре всасывания 0 0С, кг/ч

220–250

Производительность номинальная по сухому льду при давлении газа на всасывании 1 кг/см2 и температуре всасывания 0 0С, кг/ч

60–70

Давление всасывания, кг/см2

1,0–1,7

Давление нагнетания, кг/см

70–75

Мощность электропривода компрессора, кВт

75–90

Электропитание, В; Гц

3×380; 50

Температура охлаждающей воды для конденсаторов номинальная, 0С

22

Расход воды, м3/ч

14

Стоимость углекислотных установок УВЖС, объявленная заводом, на условиях поставки в течение 120–150 дней после получения предоплаты, составляет (без НДС): 4 250 тыс. руб. за УВЖС-1; 4 190 тыс. руб. за УВЖС-2; 3 660 тыс. руб. за УВЖС-3.

В соответствии с вышеизложенной концепцией, обеспечение максимальной рентабельности плазмотермической переработки ТБО предполагает максимально возможное и целесообразное использование вторичных продуктов переработки отходов. Применительно к задаче выработки углекислоты к таким продуктам относятся: сбросные газы от газификации и пиролиза органических компонентов отходов в плазмохимических реакторах, выхлопные газы энергогенерирующих установок, работающих на пирогазе с частичной подсветкой природным газом (или только на природном газе, если это предусмотрено регламентом их работы); пар, получаемый за счет утилизации сбросного тепла выхлопных газов установок, а также отработавший пар паротурбинных генераторов; избыточная электроэнергия при ее наличии после покрытия собственных технологических нужд и поставок внешним потребителям или, в случае экономической целесообразности использования вырабатываемой электроэнергии, – для обеспечения производства сопутствующих продуктов вместо строительства линий электропередачи и подключения к региональным электросетям.

На рисунке 2.4.7 представлены результаты расчета газовых потоков и их состава при работе завода по переработке отходов с производительностью 3,5 т отходов в час и наличии в составе энергоблока завода двух газотурбинных установок с электрической мощностью 6 МВт каждая. Как следует из представленных таблиц, после десорбции СО2 из очищенного газа можно получить до 1 900 м3 углекислого газа в час.

Опыт эксплуатации углекислотного оборудования на Московском хладокомбинате № 7 свидетельствует, что расход углекислого газа составляет примерно 400 м3 на тонну «сухого льда». Другими словами, по углекислому газу обеспечивается выработка порядка 4,75 т «сухого льда» в час.

Если принять, как показано расчетами, что количество сбросного тепла от работы энергоблока равно примерно 22 Гкал/ч, а теплоемкость пара при температуре 150 0С составляет 656 ккал/кг, то этого тепла достаточно для получения примерно 15 т пара в час. По опыту Московского хладокомбината № 7 потребность в паре при температуре 140 0С и давлении 2 атм. составляет примерно 5 т на выработку 1 т «сухого льда». Таким образом, по пару обеспечивается выработка, по крайней мере, 3 т «сухого льда» в час. Заметим также, что на выработку жидкой углекислоты расходуется не более 3 т пара на тонну.

Что касается потребности в электроэнергии, то опыт Хладокомбината № 7 свидетельствует о потребных затратах примерно 630 кВт*ч/т «сухого льда»

Рисунок 2.4.7 Расчет газовых потоков и их состава при работе завода по переработке отходов

или порядка 300 кВт*ч/т жидкой углекислоты. Таким образом, на выработку трех тонн «сухого льда» (выработка по пару) в час затраты электроэнергии составят порядка 1890 кВт*ч, то есть почти 2 МВт вырабатываемой электрической мощности.

Принимая во внимание, что оптовая стоимость «сухого льда» на рынке составляет, как минимум, 20 руб./кг, за 3 тонны «сухого льда» в час можно ожидать выручки 60 тыс. руб. Другими словами, максимальная расчетная величина выручки составляет около 16 млн долл. в год.

Для сравнения: при продаже 22 Гкал/ч тепла внешним потребителям с учетом действующего тарифа 1 000 руб./Гкал выручка составит примерно 22 тыс. руб. За счет продажи 1 890 кВт*ч электроэнергии внешним потребителям с учетом тарифа 2,5 руб./кВт*ч выручка составит примерно 4 725 руб. Таким образом, чистая выгода от использования внутренних ресурсов для производства продукции, содержащей углекислоту, вместо продажи их внешним потребителям наверняка превысит 30 тыс. руб./ч, что гарантирует годовую выручку не менее 8 млн долл. Это обеспечит окупаемость углекислотного оборудования менее, чем за один год. При этом следует отметить, что в вышеприведенных расчетах не принимались во внимание затраты на создание инфраструктуры для поставки тепла и электроэнергии внешним потребителям, а также связанные с этим организационные затраты.

Важным обстоятельством является также фактор возможного повышения качества и, как следствие, цены за продукцию, содержащую углекислоту и производимую на основе импортных технологий и оборудования. Так, например, стоимость жидкой углекислоты (на которую, например, в Москве существует очевидный дефицит) может составлять от 4 до 10 руб./кг в зависимости от качества продукта. К сожалению, отечественное оборудование не обеспечивает необходимого во многих случаях качества.

  •  Получение технологического водорода

Наиболее многообещающим путем достижения высокой рентабельности плазмотермической переработки ТБО следует считать использование технологии получения водорода, являющегося топливом для энергетических установок различного предназначения.

Наиболее распространенными методами получения водорода из природных углеводородов являются методы парового реформинга метана (природного газа), а также частичного окисления тяжелых фракций нефтепродуктов и газификации углей или биомассы сельскохозяйственных отходов в сочетании с газовой сепарацией водорода. Поскольку очевидно, что принципы газификации применимы к переработке органосодержащих отходов, справедливо было бы предположить, что вслед за освоением технологии получения водорода из биомассы сельскохозяйственных отходов станет актуальной задача получения водорода из ТБО.

До настоящего времени известна лишь одна американская компания – Startech Environmental Corp. [9], которая, занимаясь разработкой оборудования для плазменной переработки отходов, практически реализует задачу получения водорода из синтез-газа, генерируемого в процессе плазменного пиролиза отходов различного происхождения, включая шлам из фильтрационных отстойников, медицинские отходы, ТБО, отработавшие органические растворители, автомобильные шины и пр. Для выделения водорода из состава синтез-газа используются блоки мембранной сепарации. Количество водорода, которое может быть получено таким образом, определяется составом синтез-газа, что, в свою очередь, зависит от состава перерабатываемых отходов и режима газификации. По оценкам специалистов компании Startech, разработанная ими технология получения водорода из ТБО способна обеспечить максимальный выход водорода на уровне 58 кг/т ТБО [10].

Для получения водорода из пирогаза могут быть использованы следующие известные процессы [11]:

прямая сепарация водорода из состава газовой смеси (пирогаза), образуемой в результате плазменного пиролиза ТБО;

паровая конверсия окиси углерода, реализуемая в соответствии со следующей химической реакцией –

(3500С)

CO + H2O H2 + CO2 + 0,3 эВ/мол.

(катализатор)

Как следует из уравнения данной химической реакции, этот процесс является экзотермическим, то есть идет с выделением тепла, так что теплота продуктов конверсии может быть использована для подогрева исходных компонентов до необходимой температуры;

Паровой реформинг метана –

(8500С)

CH4 + H2O  3H2 + CO – 2,1 эВ

(катализатор)

и более тяжелых фракций углеводородов в составе пирогаза – CnHm + nH2O (0,5m + n)H2 + nCO.

Нетрудно предположить, что получаемый в результате этих реакций моноксид углерода СО после разделения с водородом может быть вновь направлен на паровую конверсию, способствуя таким образом повышению суммарного выхода водорода.

По крайней мере, в порядке постановки задачи, можно указать также на возможность использования процесса частичного окисления углеводородов –

CH4 + 0,3 H2O + 0,4 O2  0,9 CO + 0,1 CO2 + H2 ,

А также плазменного катализа углеводородов –

CH4  C + 2 H2 – 0,72 эВ.

Нетрудно заметить, что последний процесс дает даже некоторый энергетический выигрыш по сравнению с паровым реформингом метана, упомянутым выше.

Заслуживает внимания и технология плазменного реформинга двуокиси углерода, которая на протяжении длительного времени разрабатывалась в Институте водородной энергетики РНЦ «Курчатовский институт» (диссоциация углекислого газа в СВЧ-разряде в сверхзвуковом газовом потоке), (0,9 ГГц).

CO2  CO + 0,5 O2 – 2,9 эВ/мол.

Этот процесс позволяет превращать двуокись углерода СО2, образуемую в результате паровой конверсии моноксида углерода, снова в моноксид углерода, замыкая таким образом цепочку (рециклинга)

[CO + H2O  H2 + CO2  CO + …], что фактически означает реализацию технологии получения водорода из воды (пара).

Поскольку известна технология получения водорода из воды путем ее электролиза, а реализация процесса плазменного рециклинга двуокиси углерода также требует определенных затрат электроэнергии на работу высокочастотного плазмотрона, представляет интерес сравнить удельные энергозатраты в этих двух технологиях.

Ученые РНЦ «Курчатовский институт» [12] показали, что метод плазменного катализа характеризуется незначительными разрядными энергозатратами по сравнению с суммарными энергозатратами, составляющими не более 0,050,1 кВт*ч/м3 водорода. Для сравнения: большинство современных электролизеров обычного типа характеризуются удельными энергозатратами на уровне 3,7–4 кВт*ч/м3, а для экспериментальных образцов высокотемпературных электролизеров, работающих при температурах до 900 0С, этот показатель может быть снижен до величины порядка 2,5 кВт*ч/м3.

Следует указать на возможность применения двух различных методов на первом этапе процесса переработки пирогаза на водород – прямой сепарации водорода из состава газовой смеси (пирогаза), а именно «мембранного метода» и так называемого «метода короткоцикловой абсорбции» (КЦА). В табл. 3 представлено сравнение основных параметров сепарации водорода из газовой смеси, обеспечиваемой этими двумя методами.

Сопоставление технических параметров основных методов сепарации водорода из пирогаза

Параметры

Мембранный метод

КЦА

Степень извлечения водорода, %

85–90

70–80

Требуемый объем инвестиций (отн.ед.)

1

2,1

Эксплуатационные расходы (отн. ед.)

1

0,81

Себестоимость водорода (отн.ед.)

1

1,33

Минимальное начальное содержание водорода в пирогазе, % об.

15–20

50

Максимальная степень чистоты сепарированного водорода, %

85–95

99,99

Давление водорода на выходе относительно начального

ниже

такое же

Давление газа в сбросном потоке относительно начального

такое же

ниже

Простота конструкции

очень простая

средняя

Простота обслуживания

простая

средняя

Мембранный метод – более простой, однако он может потребовать применения многоступенчатой очистки. Поскольку конструктивно даже многоступенчатая система очистки не представляется сложной, приведем возможные схемы построения таких систем с указанием параметров эффективности извлечения и очистки водорода применительно к типовому составу пирогаза.

Исходя из возможных параметров сепарации водорода посредством мембранной технологии, можно сделать вывод, что, применяя двух-трехступенчатый мембранный сепаратор, из одной тонны ТБО, прошедшей переработку в плазмохимическом реакторе, можно получить 50–60 кг водорода. С использованием второй фазы переработки – паровой конверсии – выработка водорода может составить уже 85–100 кг на тонну отходов. Используя другие возможности глубокой переработки пирогаза, выход водорода может быть доведен до 140–160 кг на тонну отходов.

Технологическая схема установки для получения водорода из ТБО [13] представлена на рис. 2.4.8.

Рисунок 2.4.8 Принципиальная технологическая схема установки для плазмотермической переработки ТБО с получением водорода:

  1.  Реактор для плазмотермической переработки отходов;
  2.  Циклон для отделения твердых частиц (пыли) от газообразных продуктов переработки отходов;
  3.  Скруббер – смолоотделитель;
  4.  Бойлер – дожигатель;
  5.  Установка обессоливания воды;
  6.  Фильтры газоочистки продуктов сгорания;
  7.  Скруббер – нейтрализатор;
  8.  Конденсатор – осушитель;
  9.  Мембранный сепаратор для первичного выделения водорода из состава газовой смеси;
  10.  Теплообменник – рекуператор тепла экзотермических реакций;
  11.  Аппарат паровой конверсии окиси углерода на водород;
  12.  Холодильник для охлаждения газовой смеси;
  13.  Сепаратор – осушитель;
  14.  Мембранный блок для концентрирования водорода, подаваемого на КЦА;
  15.  Аппарат парового риформинга углеводородов на водород;
  16.  Аппарат короткоцикловой адсорбции;
  17.  Метанатор;
  18.  Микроволновый плазмокаталитический реактор конверсии двуокиси углерода в окись углерода;
  19.  Магнетрон для поддержки СВЧ-разряда в плазмотроне;
  20.  Источник постоянного тока;
  21.  Теплообменник закалки продуктов реакций в плазмокаталитическом реакторе;
  22.  Форвакуумный насос для обеспечения запуска СВЧ-разряда в плазмокаталитическом реакторе;
  23.  Узел абсорбционного выделения СО;
  24.  Дожигатель кислорода.
  25.  Реактор для плазмотермической переработки отходов
  26.  Циклон для отделения твердых частиц (пыли) от газообразных продуктов переработки отходов;
  27.  Скруббер – смолоотделитель;
  28.  Бойлер – дожигатель;
  29.  Установка обессоливания воды;
  30.  Фильтры газоочистки продуктов сгорания.

Технологическая схема установки для получения водорода из ТБО работает следующим образом: твердые бытовые отходы подаются в шахтную печь плазмохимического реактора 1, в котором подвергаются тепловому воздействию горячего воздуха, подаваемого от электродуговых плазмотронов в слабовосстановительной атмосфере. При этом органические составляющие отходов подвергаются газификации и пиролизу, превращаясь в пиролизный газ (топливный газ), а неорганическая часть отходов переплавляется, превращаясь в стеклоподобный шлак.

Для ТБО типового состава в результате такой переработки в составе пиролизного газа получают (в % по массе) до 30–45 водорода, от 30 до 40 углекислого газа, 10–15 метана и других углеводородов; 4–5 двуокиси углерода, а также другие составляющие, такие как смола, пыль, сероводород, гидрохлорид, азот, влага и пр. Объем генерируемого пирогаза может составлять от 350 до 650 м3 на тонну отходов.

Пиролизный газ, имеющий на выходе из плазмохимического реактора 1 температуру 250–300 0С, подают на циклон 2 промышленного типа, обеспечивающий осаждение частиц крупнее 2–3 мкм. Смолистые соединения улавливаются в полом скруббере – смолоотделителе 3, который работает в конденсационном режиме за счет подачи на орошение достаточно холодного растворителя (жидких углеводородов), что обеспечивает перевод смолистых соединений из газовой фазы во взвешенное состояние и в раствор. Раствор является горючим компонентом, который используют для приготовления технологического пара. Далее раствор, содержащий сепарированные смолистые вещества, в составе которых содержится до 60 % углерода, до 10 % водорода, до 30 % кислорода, а также некоторое количество серы, хлора, азота и алюминия, подают в бойлер-дожигатель 4, где сжигают (возможно, с некоторой добавкой другого топлива). Для получения технологического пара используют обессоленную воду, приготовленную установкой обессоливания воды 5 (обратноосмотической или дистилляционной). Продукты сжигания охлаждают и очищают на фильтрах 6 газоочистки продуктов сгорания перед последующем выбросом в атмосферу. Очищенный от пыли и смолы пирогаз имеет на выходе из скруббера – смолоотделителя 3 температуру около 35 0С. Его подают в скруббер-нейтрализатор 7. Очищенную и осушенную конденсатором-сепаратором 8 газовую смесь подают далее на блок мембранного разделения 9, в котором концентрируют СО и углеводороды перед паровой конверсией. Блок снабжен собственным компрессором, который не показан на схеме. Наличие этого блока позволяет удалить водород из состава газовой смеси и снизить расход поступающего на конверсию газа примерно на треть (и, соответственно, уменьшить энергозатраты). Кроме того, присутствие водорода может снижать степень последующей конверсии окиси углерода.

Паровую конверсию СО проводят в две стадии: в реакторе среднетемпературной конверсии (при температурах 350–400 0С) и низкотемпературной конверсии (при температурах 180–200 0С). Перед подачей в реактор газовую смесь нагревают в теплообменнике – рекуператоре тепла экзотермических реакций 10 до температуры не ниже 385 0С. В конвертор подают пар, нагретый до температуры 350–360 0С в соотношении примерно 1,05–1,30 к объему газа, что обусловлено необходимостью 2–3-кратного избытка водяных паров по отношению к стехиометрическому соотношению реакции.

Реакция CO + H2OH2 + CO2 протекает c выделением тепла. Температура смеси на выходе из реактора поднимается до уровня 430–450 0С, что позволяет использовать ее для подогрева пирогаза в теплообменнике – рекуператоре тепла экзотермических реакций 10. В качестве катализатора в конверторе используют железохромовые композиции. Если в системе применяют низкотемпературный конвертор, то газовую смесь в него подают после рекуперативного охлаждения до температуры 190–200 0С. В этом конверторе в качестве катализатора используют медьсодержащие смеси. Суммарный коэффициент конверсии окиси углерода достигает 98 %, что означает выход водорода около 370 л на 1 м3 исходной газовой смеси.

Полученная после конверсии смесь содержит около 55–60 % об. водорода и 0,2–0,3 % об. СО при температуре 210–220 0С. Кроме того, выходящая смесь содержит до 30 % об. паров воды. Поэтому перед дальнейшей переработкой смесь охлаждают до температуры 20–30 0С. После охлаждения в водяном холодильнике 12 сконцентрированную влагу отделяют в сепараторе – осушителе 13. Очищенную и осушенную газовую смесь подают на мембранный блок 14, обеспечивающий концентрирование водорода перед подачей смеси на следующую ступень переработки.

В табл. 4 представлены результаты оценки ожидаемых экономических показателей при реализации вторичных продуктов плазмотермической переработки ТБО.

Ожидаемые экономические показатели при реализации вторичных продуктов плазмотермической переработки ТБО

Вид вторичного продукта

Выход продукта

Тариф на продукт

Выручка от реализации

Тепло

1 500–2 000 Ккал/кг ТБО

200–300 руб/Гкал

300–600 руб./т ТБО

Электроэнергия

1,3–1,5 МВт-ч/т ТБО

2–4 руб./кВт*ч

3–6 тыс. руб./т ТБО

Дизельное топливо из полимеров (ПО)

500–550 кг/ч на 0,5 т ПО/ч

16–18 руб./л

8–9 тыс. руб./ч

Шлак как стройматериал

140–160 кг/т ТБО

300–320 руб./т

50–60 руб./т ТБО

Теплоизоляция из шлака

120–150 кг/т ТБО

25–50 руб./кг

4–6 тыс. руб./т ТБО

Углекислотная продукция

1,35–1,50 т/т ТБО

20–40 руб./кг

30–50 тыс. руб./т ТБО

Технологический водород

50–100 кг/т ТБО

170–220 руб./кг

8,5–20 тыс. руб./т ТБО

Представленные экономические показатели позволяют проектировщикам выбрать необходимую концепцию организации технологической схемы плазмотермической переработки ТБО с учетом необходимости обеспечения требуемой рентабельности работы перерабатывающего комплекса.

Вывод к главе 1


Глава 2 Современная технология для переработки опасных отходов.

2.4 Переработка медицинских и биологических отходов плазменным методом. Камерная печь. (Новая разработка Белоруссии) 

Большие объемы медико-биологических отходов представляют серьезную опасность. Медицинские отходы, как правило, не сортированы и в ряде случаев имеют весьма сложный компонентный состав, не поддающийся точной идентификации. Наиболее перспективным решением данной проблемы является применение плазмо-термических методов. Разработана технология утилизации медико-биологических отходов в плазменной камерной печи периодического действия. Предлагаемое устройство предназначено для переработки небольших объемов отходов, образуемых в больницах, госпиталях и исследовательских лабораториях.

Увеличивающиеся объемы накапливаемых отходов, в том числе и медико-биологических, представляют серьезную опасность для человека и окружающей среды. Как правило, состав различных отходов весьма разнообразен и не поддается точной идентификации. Так, например, медико-биологические отходы в большинстве случаев содержат токсичные вещества и вредные биологические формы (вирусы, микробы, штаммы, прионы).

Типичный фазовый состав: 50-60 % по объему составляют жидкости, 20-40 % - твердые вещества, 10-20 % - газы. Содержание неорганических веществ составляет примерно 50 %, средняя теплотворная способность примерно

4000 ккал/кГ. Для утилизации таких отходов необходимо использовать специальные технологии. Исследования, проводимые в индустриально развитых странах, направлены на разработку новых технологий и оборудования для эффективной переработки бытовых, промышленных и, в первую очередь, медико-биологических отходов. Санитарно-гигиенические исследования типичных медико-биологических отходов, выполненные в различных странах, показывают, что их опасность для человека и окружающей среды значительно выше, чем у большинства химических отходов.

Медико-биологические отходы - это сложные смеси, содержащие лекарственные препараты, полупродукты, осмолившиеся вещества, органические растворители, воду и минеральные примеси. Качественное и количественное определение в них полупродуктов и осмолившихся веществ связано с определенными трудностями, поэтому химический состав таких отходов определяется и задается обычно в виде элементного состава. В состав медико-биологических отходов обычно входят химические соединения или отдельные элементы, такие как С, О, Н, N, Cl, S и другие. В табл. 1 представлен

(по данным канадской компании и литературным источникам [4]) средний элементный состав медико-биологических отходов.

Проблемы утилизации медицинских отходов вплоть до недавнего времени считались мало актуальными для стран СНГ, что совпадало и с общемировой оценкой ее важности. Однако, интерес и разнообразие подходов к этой проблеме, особенно в высокоразвитых странах (США, Германия, Япония, Израиль, Тайвань и др.), существенно возросли. Это связано как с декларируемой на межгосударственном уровне стратегической тенденцией на всестороннюю «экологизацию» среды обитания, как фактора, компенсирующего ее деградацию вследствие индустриального развития, так и с возрастанием конкретной опасности для населения от быстро накапливающихся объемов высокотоксичных и инфицированных отходов лечебных учреждений и медико-биологических производств.

Известно, что при производстве различных лекарственных препаратов образуются не только подлежащие дальнейшей утилизации вещества и продукты, но и разнообразные отходы: токсичные маточные растворы, кубовые остатки, фильтровальные ткани, активированный уголь и другие. Большое количество разнообразных отходов образуется в госпиталях и больницах в результате оказания медицинской помощи больным и как результат обслуживания медицинских приборов и оборудования.

Это могут быть пищевые отходы и перевязочные материалы, в том числе содержащие микробы и вирусы, а также различные виды отходов, содержащие использованные терапевтические медикаменты, в том числе с радиоактивными элементами, такими как 3Н, 14С, ,5Р, 60Со, 90Sr, 137Cs и другие.

Одним из наиболее перспективных направлений решения описанной проблемы является применение плазменных методов. Плазмотермическая переработка медико-биологических отходов, также как и других видов отходов, характеризуется полным разрушением материала отходов и уничтожением вредных веществ. Любые органические и неорганические вещества могут быть утилизированы в плазме при высокой температуре, которая достигается применением электродуговых генераторов плазмы - плазмотронов. Плавление зольного остатка позволяет получить химически инертные остеклованные вещества.

Наиболее перспективным вариантом данной технологии, которая в последнее время активно разрабатывается в США, Германии и Японии (фирмы "Вестингауз", "Плазма Энержи Корпорейшн" (США), "NUKEM" и "Siemens" (Германия), Prometron (Япония), Лаборатория INEL (США) и др.), является использование электродуговых плазменных печей. Опыт в области разработки аналогичных плазменных аппаратов для переработки различных промышленных, бытовых, радиоактивных и медицинских отходов имеется также в Институте тепло- и массобмена Национальной Академии Наук Беларуси (ИТМО НАН Беларуси).

По сравнению с неплазменными печами, даже использующими интенсивные газодинамические режимы обработки, плазменные технологии имеют ряд существенных преимуществ: уменьшение объема печи в 8-10 раз (при сохранении производительности по сырью), соответствующее снижение площади производственных помещений, снижение примерно на порядок объема отходящих газов и увеличение температуры в реакционной зоне печи до 1800 - 2000 К. Это позволяет плавить зольный остаток, образующийся от сжигания отходов и исключить образование в газовой фазе токсичных компонентов. Также важной особенностью этого метода является допустимость более грубого диспергирования отходов. Это имеет значение при обработке суспензий и эмульсий с высокой пластической вязкостью, затрудняющей их распыление.

Основным элементом плазменных установок для переработки отходов в большинстве случаев является электрическая дуга, генерирующая в плазмотроне термическую плазму любых газов, с температурой свыше 5000 К. При этой температуре полностью разлагаются любые сложные органические и неорганические соединения до атомов и ионов. Главная отличительная особенность плазменной технологии заключается в значительной интенсификации процесса деструкции отходов, который протекает за весьма короткие промежутки времени за счет интенсивной передачи энергии обрабатываемым материалам. В результате фактически исключается необходимость применения кислорода для разложения отходов. Другая существенная особенность данной технологии переработки и уничтожения отходов - отсутствие каких-либо высокомолекулярных соединений в продуктах кинетической рекомбинации.

Выбор режимов и аппаратурного оформления процесса обезвреживания определяется химическим составом и концентрацией веществ, входящих в состав отходов (кубовые остатки, сточные воды, терапевтические препараты и другие). 

На основании результатов экспериментальных исследований, накопленных в отделе электродуговой плазмы ИТМО НАН Беларуси, а также результатов исследований других организаций можно утверждать, что плазменный метод является самым надежным и экологически чистым для переработки медико-биологических отходов и жидких отходов производств синтетических лекарственных препаратов, таких как кубовые остатки производств хлоргидрата аминокетона, амидопирина, ацетоуксусного эфира, фтивазида, пара-нитроацетофенона, метациклина гидрохлорида, левомитицина и других.

Известны также результаты по плазменному сжиганию жидких отходов производств левомитицина, диазолина, эфедрина, аминокапроновой кислоты, валидола, рентгеноконтрастных препаратов, этамида и хинозола.

  •  Плазменная камерная печь

В Институте тепло- и массообмена НАН Беларуси разработана, изготовлена и проходит тестирование многофункциональная плазменная печь камерного типа для переработки медицинских, биологических и других видов отходов [5].

Рис Схема печи

Многофункциональная плазменная камерная печь периодического действия в тестированном варианте предназначена для переработки 10-15 кГ упакованных и не сортированных медицинских отходов за один рабочий цикл, время которого составляет примерно 10 минут. За один час с учетом времени загрузки отходов и выгрузки шлаков можно осуществить два цикла переработки.

В плазменной печи в качестве горелки используется плазмотрон ПДС-3 [6], мощностью от 50 до 75 кВт. В качестве рабочего плазмообразующего газа применяется атмосферный воздух с расходом от 5,0 до 10,0 м3/час, давление которого при подаче в плазмотрон составляет 5 атм.

Возможно использование и других плазмообразующих газов. Так как в камере печи происходит пиролиз органического вещества отходов и лишь частичное их окисление (сгорание) из- за недостатка кислорода, газ из печи отводится в специальную циклонную камеру дожигания. В нее дополнительно подается воздух для полного сгорания отходов. Газообразные продукты плазменного пиролиза и сгорания поступают в систему газоочистки и на анализ, а затем выбрасываются в атмосферу.

Были произведены расчеты основных параметров процесса переработки медико-биологических отходов в плазменной печи камерного типа [7]. В качестве изменяемого параметра был взят расход воздуха в плазмотроне, другие параметры были зафиксированы. Так потеря энергии, расходуемой на нагрев оборудования и излучение в окружающее пространство за счет теплопроводности материалов, составляет 31,7 МДж за цикл. Температура отводимых из плазменной печи газов 2000 К. Тепловая энергия, выделяемая в результате переработки отходов составляет 100 МДж за один цикл.

2.5 ФГУП МОС «Радон» Установка «Плутон» (Сергиев Посад)

Внедрение на АЭС процесса плазменной переработки твердых радиоактивных отходов (РАО) представляет технологически и экономически выгодную альтернативу созданию комплексов многостадийного обращения с твердыми радиоактивными отходами (ТРО) на основе технологий сжигания, плавления, цементирования, прессования и суперкомпактирования, а также исключает необходимость повторного кондиционирования продуктов переработки через 30-50 лет.

Основные современные технологии обработки твердых радиоактивных отходов атомных электростанций включают процессы предварительной подготовки ТРО к переработке, такие как извлечение отходов из хранилищ, их фрагментирование и сортировку, а также методы термической переработки, в основном, сжигания горючих твердых и жидких РАО с последующим цементированием зольного остатка.

Кондиционирование негорючих ТРО проводится методами прессования и суперкомпактирования; упаковки с компактированными и цементированными отходами размещаются на длительное хранение в невозвратных защитных контейнерах, в них же размещается и часть отходов, не подвергшихся переработке. Все перечисленные «холодные» методы кондиционирования характеризуются относительно невысокими коэффициентами сокращения объема отходов, поэтому требуют больших площадей и объемов хранилищ для размещения кондиционированных форм РАО. Такие технологии, не предусматривающие существенных изменений и стабилизации физико-химических свойств отходов, по своей сути являются решениями, отложенными на 30-50 лет.

Термические методы обеспечивают глубокую переработку отходов и разрушение органических и биологических компонентов, а также повышение качества продуктов, предназначенных для длительного хранения или захоронения. Наиболее распространенными для обращения с горючими радиоактивными отходами являются технологии сжигания, однако их главным недостатком является получение легко выщелачиваемого и пылящего продукта – радиоактивной золы, которая требует дальнейшей переработки и кондиционирования.

На сжигание направляются тщательно сортированные отходы, не содержащие негорючие компоненты, которые могут вывести из строя узлы печи сжигания и выгрузки зольного остатка. Таким образом, значительная часть смешанных отходов, зачастую влажных, содержащих наряду с горючими компонентами мелкие металлические детали, куски кабеля, строительный мусор, теплоизоляцию, комки земли, направляется на цементирование, прессование или суперкомпактирование. Все эти кондиционированные формы в результате постепенного разложения и гниения органических материалов теряют свои прочностные качества: нарушается герметичность упаковки, в объеме отходов образуются пустоты, возможны выходы наружу радиоактивных конденсатов.

  •  Установка «ПЛУТОН»

Плазменная технология позволяет эффективно перерабатывать смешанные отходы сложного состава с получением продукта, который не содержит органические материалы и не теряет свою химическую стойкость и механическую прочность в течение десятков и сотен лет.

Одной из наиболее эффективных разработок специалистов ГУП МосНПО «Радон» является технология плазменного сжигания ТРО низкого и среднего уровней активности. На предприятии создана и эксплуатируется установка «Плутон», обеспечивающая плазменную переработку отходов сложной морфологии с получением кондиционированного продукта в одну стадию и высоким коэффициентом сокращения объемов РАО. Стеклоподобный конечный продукт, плавленый шлак, пригоден для захоронения или длительного хранения на полигоне кондиционированных радиоактивных отходов.

Устройство и вид шахтной печи плазменной установки «Плутон» приведены на рисунке 1.

Рис. . Устройство и вид шахтной печи установки «Плутон»

Органическая часть радиоактивных отходов подвергается пиролизу в печи шахтного типа с производительностью 200-250 кг/час в условиях недостатка кислорода, в то время как процесс плавления шлака проводится в окислительной атмосфере, что способствует полному уничтожению органических компонентов шлака и получению более однородного продукта.

Нагрев плавителя шахтной печи до температур 1500-1800оС возможен благодаря использованию дуговых плазмотронов постоянного тока, разработанных на ГУП МосНПО «Радон». На рисунке 2 представлены разрез и плазменный факел работающего плазмотрона.

Рис.  Плазменный источник нагрева – плазмотрон

Плавленый шлак (рис. 3) представляет собой базальтоподобный монолит, где содержание оксида алюминия достигает 28% мас., оксида кремния – до 56% мас.; оксида натрия – от 2,5% мас. до 11% мас. В матрице шлака надежно фиксируются радиоактивные изотопы, а также оксиды тяжелых металлов, таких как свинец, никель, медь, цинк и т.д.

Рис. . Шлак в приемных контейнерах

Плотность шлака составляет 2,5-3,5 г/см3. Он является чрезвычайно устойчивым к химическому воздействию материалом (см. таблицу). Скорость выщелачивания из шлака в воду натрия, одного из самых «подвижных» элементов, в среднем на порядок ниже подобного показателя для боросиликатных стекол и на два-три порядка ниже, чем у цементных матриц. Скорость выщелачивания большинства других элементов, в том числе тяжелых металлов, еще ниже, поэтому подобный шлаковый компаунд можно рассматривать как одно из самых совершенных средств консервации радиоактивных элементов и неорганических токсикантов.

Таблица 2. Характеристики химической стойкости шлаков

Компонент

Na+

137Cs

239Pu

Скорость

выщелачивания,

г/см2*сут

(2-3) *10-6

(0,3-5)*10-6

(0,8-2)*10-7

Доля

выщелоченного компонента

(100 суток), %

1,1

0,61

0,008

Приемные контейнеры со шлаковым компаундом загружаются в невозвратные защитно-транспортные контейнеры и размещаются на полигоне долговременного хранения кондиционированных форм РАО в Научно-производственном комплексе ГУП МосНПО «Радон».

ГУП МосНПО «Радон» получил разрешение Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору РФ на переработку твердых радиоактивных отходов низкого и среднего уровней активности плазменным методом в 2007 году, и с 2008 года на установке «Плутон» ведется плановая переработка ТРО.

На переработку принимаются твердые радиоактивные отходы смешанного типа, близкие по морфологическому составу ТРО атомных электростанций. Наряду с горючими материалами (бумагой, древесиной, текстилем, кожей, полимерами) перерабатываемые отходы включают до 30-40% негорючих компонентов (строительного мусора, стекла, грунта, ила, металлического скрапа, теплоизоляционных материалов и т.д.). Суммарная влажность отходов может достигать 40% при влажности содержимого отдельных упаковок до 90%. Удельная активность ТРО, принимаемых на термическую переработку, ограничивается, согласно условиям действия лицензии, значениями
2,2*10
5 Бк/кг по α-излучающим радионуклидам и 3,7*106 Бк/кг по β-излучающим радионуклидам.

В 2009-2011 годах плазменным методом в шахтной печи установки «Плутон» были переработаны такие «неудобные» для других высокотемпературных технологий отходы, как активированный уголь, неорганические сорбенты и донные отложения (илы), выгруженные из аппаратов очистки ЖРО и сборников стоков системы спецканализации. Эти виды отходов характеризуются высоким содержанием влаги (до 90%), в сухом остатке илов доля органических веществ достигала 50%.

Плазменным методом успешно перерабатываются ранее подпрессованные смешанные отходы после извлечения из тары и переупаковки в крафт-мешки, а также отходы, подвергшиеся суперкомпактированию в металлической упаковке.

Проблема переработки перечисленных выше видов радиоактивных отходов весьма актуальна для атомных электростанций. Плазменная технология способна в значительной степени снизить ее остроту.

  •  Преимущества плазменной технологии

Практика ГУП МосНПО «Радон» показывает, что удельные капитальные затраты на создание подобной установки и эксплуатационные расходы на переработку РАО плазменным методом (на единицу массы перерабатываемых отходов) за счет высокой производительности плазменной установки не превышают затрат на сжигание. При этом установка способна перерабатывать одновременно отходы, поступающие на сжигание, плавление, прессование и суперкомпактирование. Плазменная переработка ТРО исключает также стадию цементирования продукта сжигания РАО – зольного остатка.

Плазменная технология обеспечивает высокие коэффициенты сокращения объема смешанных отходов. После размещения продукта в невозвратных защитных контейнерах в хранилищах кондиционированных форм ТРО на долговременное хранение соответствующие коэффициенты варьируются в диапазоне от 25 до 40, тогда как весь комплекс операций по сжиганию, цементированию, прессованию и суперкомпактированию отходов смешанной морфологии дает коэффициенты сокращения объема 4-8. Учитывая конечный объем продуктов переработки и связанные с этим капитальные и эксплуатационные затраты на хранение кондиционированных отходов, плазменная переработка твердых РАО становится в 1,5-2,5 раза выгоднее многостадийной переработки ТРО с использованием процессов сжигания, цементирования и компактирования отходов. Широкий спектр отходов, принимаемых на переработку, и одностадийный процесс получения продукта, пригодного для длительного хранения, определяют преимущества плазменного метода по сравнению со сжиганием.

Применение плазменно-пиролитического метода переработки радиоактивных отходов в шахтной печи наиболее экономически оправдано на атомных электростанциях, где себестоимость электроэнергии невысока. Вдобавок ее внедрение повышает не только экономическую эффективность, но и экологическую безопасность обращения с радиоактивными отходами различной морфологии.

Термическая переработка РАО сопровождается образованием дымовых газов, содержащих, наряду с радиоактивными аэрозолями, неорганические вредные химические вещества и органические токсиканты. Как показывает практика эксплуатации, установка плазменной переработки ТРО «Плутон» оказывает меньшее воздействие на окружающую среду по сравнению с установкой сжигания отходов в камерной печи.

В результате исследований, выполненных ГУП МосНПО «Радон» совместно с НПО «Тайфун», установлено, что в пиролизных газах на выходе плазменной шахтной печи концентрация полихлорированных дибензо-п-диоксинов и дибензофуранов (диоксины/фураны) в пересчете на токсический эквивалент (ТЭ), в среднем, в пять раз меньше, чем в дымовых газах на выходе камерной печи сжигания отходов.

Содержание суммы диоксинов/фуранов в отходящих газах на выходе системы газоочистки установки «Плутон» не превышало 0,014-0,02 нг/м3 ТЭ, что примерно в пять раз ниже европейского норматива для установок сжигания отходов. Концентрация тяжелых металлов в технологических газовых выбросах в атмосферу также была ниже нормативов, установленных в странах Западной Европы.

Таким образом, внедрение плазменно-пиролитической технологии для переработки твердых радиоактивных отходов АЭС поможет повысить экономическую эффективность обращения с РАО, имеющими разнообразную морфологию, за счет экономии объема хранилищ отходов и уменьшения количества оборудования и операций кондиционирования, а также позволит размещать РАО на длительное хранение с обеспечением безопасности окружающей среды. Плазменная технология не только решает проблему вновь образующихся эксплуатационных отходов, но и обеспечивает глубокую термическую переработку радиоактивных отходов, накопленных ранее и компактированных в металлических бочках, освобождая место для хранения ТРО.

2.6 Институт Электрофизики РАН Санкт Петербург

http://iperas.nw.ru/ 

http://www.nanonewsnet.ru/articles/2011/plazmennoe-reshenie

Рассмотрим прямоточный газогенератор, разработанный Институтом электрофизики и электроэнергетики РАН [13]. Реакто - газификатор представляет собой вертикальную шахту, футерованную огнеупорным кирпичом

(рис. 3). Отход, загружаемый через верхнюю крышку, полностью заполняет внутренний объем реактора и лежит на колосниковой решетке, расположенной в нижней части шахты.

Плазмотрон установлен на одном из боковых фланцев, и поток горячей плазмы распределяется по окружности шахты через ряд боковых равномерно расположенных отверстий. Возможен вариант установки плазмотрона в крышке по оси реактора. Полученный в результате синтез-газ отбирается из нижней части реактора.

Проведение процесса газификации при температуре более 1 200°С позволяет избежать появления в синтез-газе жидких фракций (смол). Высокая температура процесса обеспечивает разрушение токсичных органических составляющих отходов и, при наличии в отходах хлорсодержащих примесей, исключает синтез вторичных супертоксикантов (диоксинов/фуранов) [14].

Рисунок 2.3.9 Реактор - газификатор

В целом следует заметить, что технология высокотемпературной прямоточной газификации отходов имеет больший потенциал эффективной работы, чем процесс пиролиза, что обусловлено высокой температурой процесса, почти полной конверсией углеродосодержащих веществ в синтетический горючий газ, а также получением безвредного неорганического шлака.

С повышением температуры в реакторе до величин порядка 1 100−1 200 °С за счет использования плазменно-дуговых источников энергии возникла возможность и целесообразность использования в качестве теплоносителя и реагента-окислителя водяного пара.

В настоящее время отсутствуют какие - либо технические средства, кроме плазмотронов, позволяющие разогреть большие количества Н2О до плазменного состояния. Уровень развития плазмотронной техники позволяет утверждать, что мощные электродуговые генераторы водяной плазмы, устойчиво и надежно работающие в течение длительного времени, займут свое место в промышленности [15].

Помимо существенного повышения теплоты сгорания синтез-газа, а следовательно, общей энергетической эффективности процесса газификации использование Н2О в качестве плазмообразующего газа исключает разбавление целевого продукта инертным (балластным) компонентом - азотом воздуха, не создает вредных примесей оксидов азота, упрощая систему газоочистки и сокращая объемы ее аппаратов.

Эти два фактора повышают энергетическую и экологическую привлекательность высокотемпературной паровой газификации твердых бытовых, промышленных и медицинских отходов.

Институтом Электрофизики и электроэнергетики РАН разработана плазмохимическая установка для переработки смешанных медицинских отходов. Технология основана на двухзонной высокотемпературной обработки отходов с последующей многоступенчатой детоксикацией дымовых газов в соответсвии с нормами по защите окружающей среды и обезвреживанием твердых отходов.

Производительность установки - 150-200 кг/час. Потребляемая мощность - 150-250

Расход воды - 43 м3/час кВт Расход воздуха – 1300

кг/час. Уменьшение объема отходов - до 400 раз Габаритные размеры - 26*32*15 м

Рис плазмохимическая установка для переработки смешанных медицинских отходов

1-коробка с отходами; 2-ленточный транспортер; 3-рольганг; 4-загрузочные лотки; 5-пневмоцилиндр; 6-загрузочная камера; 7,11-плазмотроны; 8-барабанная печь; 9-камера выгрузки шлака; 10-камера дожигания; 12-камера закаливания; 13-квенчер; 14-рекуператор; 15-комбинированный аппарат газоочистки; 16-аэрозольный фильтр; 17-адсорбер; 18-этажерка для монтажа технологического оборудования; 19-газодувка; 20-дымовая труба.

ПЕРЕРАБОТКА: жидкие токсичные отходы

ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ: 1-10 кг/ч

МОЩНОСТЬ ПЛАЗМОТРОНОВ: 3-30 кВт

ПЕРЕРАБОТКА: опасные медицинские отходы

ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ: 150-200 кг/ч

МОЩНОСТЬ ПЛАЗМОТРОНОВ: 150-250 кВт

КОРПУС БАРАБАННОЙ ПЕЧИ

Данные технологии в 2-3 раза дешевле, чем предлагаемые зарубежными компаниями как по капитальным затратам так и по стоимости переработки. При этом качество переработки отходов лучше.


Выводы к главе 2

 


ГЛАВА 3 Экологические аспекты

  1.  Новые технологические схемы переработки отходов

Известны схемы плазменных мусороперерабатывающих установок и технологических комплексов, в которых горючий газ (так называемый сингаз или пирогаз), генерируемый в результате термической деструкции отходов (пиролиза и газификации органических компонентов перерабатываемой массы отходов), либо подвергается сжиганию с последующим использованием высокотемпературных продуктов сгорания для получения пара в котлах-утилизаторах (бойлерах) и привода паротурбинных энергогенерирующих агрегатов, либо пирогаз (после предварительной газоочистки) используется в качестве топлива для дизельных или газотурбинных электрогенераторов. Технико-экономическая оценка указанных схем показывает, что их окупаемость (с учетом потребных капитальных и эксплуатационных затрат) преимущественно зависит от действующих тарифов на переработку ТБО.

В сложившейся мировой практике уровень тарифов на переработку тонны бытовых (муниципальных) отходов составляет, в среднем, 135 евро для предприятий производительностью свыше 100 тыс. т/год, 180 евро – для предприятий производительностью от 50 до 75 тыс. т/год и 230 евро – для предприятий производительностью менее 50 тыс. т/год. Такие тарифы обеспечивают создание предприятий плазмотермической переработки ТЮО с периодом окупаемости 5–7 лет, что в большинстве случаев является приемлемым для потенциальных западных инвесторов.

В то же время в России создание мусороперерабатывающих предприятий пока не стало инвестиционно привлекательным, поскольку в силу ряда обстоятельств региональные и городские власти, несмотря на очевидную экологическую актуальность, не в состоянии обеспечить финансирование переработки отходов по тарифам, которые сделали бы функционирование этих предприятий рентабельным. Так, например, тариф за переработку тонны ТБО на московском мусороперерабатывающем заводе производительностью 250 тыс. т/год составляет 1 640 руб. (45 евро).

Решение задачи создания экономически рентабельных заводов плазмотермической переработки ТБО возможно при использовании новых технологических схем эффективной переработки отходов с одновременной выработкой электроэнергии и тепла на основе использования современных комбинированных энергоагрегатов и получением коммерчески ценных вторичных продуктов переработки.

3.2 Шахтные печи для термической обработки ТБО

Выбросы в атмосферу

Параметр (единицы)

Предел

показатель

Ожидаемый

Золы (мг/м³)

Зола (мг/м )

20

<16 -17

Диоксид серы (об ч/млн)

60

<5

Оксиды азота (об ч/млн)

150

69-84

Хлористый водород (мг/м³)

Общие диоксины

(нг-экв.токсичн./м )

(нг-экв.токсичн./м )

100

0.05

86-93

0.00004-0.0026

К числу наиболее важных инженерно-технических задач, подлежащих решению в целях дальнейшего развития и внедрения технологии высокотемпературной плазменной обработки отходов, следует отнести разработку оптимальной конструкции высокотемпературного реактора. 

Наибольшее распространение в практике пиролиза и газификации ТБО нашли реакторы с вертикальными шахтными печами противоточного и прямоточного типов.

Логика и мировые тенденции развития технологии обезвреживания и утилизации бытовых и промышленных отходов уверенно ведут к замещению технологий захоронения и традиционных технологий огневого обезвреживания технологиями высокотемпературной газификации и пиролиза с использованием плазмодуговых источников тепла (плазмотронов). Россия оказалась среди пионеров развития и практической реализации этих технологий, однако до настоящего времени их применение не получило распространения и находится в стадии становления и развития.

К числу наиболее важных инженерно-технических задач, подлежащих решению в целях дальнейшего развития и внедрения технологии высокотемпературной плазменной обработки отходов, следует отнести разработку оптимальной конструкции высокотемпературного реактора. В международной практике плазмохимической обработки отходов используются реакторы различных конструктивных типов: шахтные реакторы, слоевые реакторы с механическими колосниковыми решетками, реакторы кипящего слоя, барабанные вращающиеся печи, многоподовые печи, циклонные реакторы и др. Наибольшее распространение в практике пиролиза и газификации ТБО нашли реакторы с вертикальными шахтными печами противоточного и прямоточного типов.

Основными конструктивными элементами реакторов являются:

  •  корпус реактора, включая несущую оболочку, жаропрочную футеровку, рубашку охлаждения, каналы отвода газообразных продуктов переработки, каналы ввода в реактор водяного пара и других сопутствующих реагентов;
  •  загрузочный узел с элементами уплотнения внутреннего объема печи и устройствами контроля заполнения внутриреакторного объема обрабатываемым материалом;
  •  разгрузочный узел для выпуска расплава из реактора;
  •  узлы установки плазмотронов на корпусе реактора и подачи технологического газа в реактор;
  •  средства контроля и защиты реактора от перегрузок при ударном повышении внутришахтного давления.

В настоящее время классическим примером противоточной шахтной печи для пиролиза отходов является реактор, разработанный ГУП МосНПО «Радон» (рис. 1). Этот реактор представляет собой вертикальную шахтную печь с верхней загрузкой отходов через шлюзованный канал и нижним одноярусным расположением плазменных нагревателей в потолочной части плавильной камеры, с отводом газообразных продуктов переработки отходов из верхней части печи и отводом жидкого шлака из подовой части печи через запорный узел слива [1]. На его основе был сконструирован реактор демонстрационной установки для плазмотермической переработки ТБО в Израиле [2] (рис. 2).

Рис. 2.5.1 Схема противоточного реактора шахтного типа

В данном конструктивном исполнении вертикальная шахтная печь прямоугольного постоянного сечения (1,05 х 1,05 м) на всю высоту ее (7,2 м) по внутренней поверхности снабжена тепловой защитой (футеровкой) из высокоглиноземистого огнеупорного материала.

Футеровка имеет многослойную структуру в виде кирпичной кладки: внутренний слой составляет жаропрочный материал типа муллитокорунд, обладающий высокой химической коррозионной стойкостью; внешние слои выполняются из теплоизоляционных материалов шамотной группы и базальтовой ваты. Состав огнеупоров и толщины отдельных слоев изменяются в соответствии с расчетной тепловой нагрузкой в различных частях реактора.

Нижняя горизонтальная часть реактора (плавильная камера),  футерованная огнестойким материалом, имеет сводчатую конфигурацию длиной 3,4 м, шириной 1,05 м и высотой в середине 50 см.

Рисунок 2.5.2. Конструкция реактора шахтного типа со сменным подом

Поскольку наиболее разрушительному воздействию подвержены места стыковки жаропрочных элементов, свод плавильной камеры может выполняться в виде муллитового блока, а подовая часть – в виде плиты из бадделеитокорунда (бакора). Наибольшему тепловому воздействию подвержен запорный камень сливного узла, поэтому он выполняется из особо стойкого материала, к примеру силита. Конструкция подовой части печи может содержать также водоохлаждаемые панели по внешней поверхности камеры (как, например, на рисунке 2.5.12).

Под печи предполагает его периодическую замену и ремонт в процессе эксплуатации. Для сокращения потерь времени на профилактические остановы печи в связи с необходимостью ремонта футеровки плавильной камеры подовая часть может быть сменной. В этих целях реактор выполняется в виде разъемной конструкции: стационарной верхней (шахтной) части печи и сменной подовой части (рис. 3), которая может быть отсоединена от шахты и отодвинута на колесной опоре из-под шахты в целях установки на ее место отремонтированной подовой части, подготовленной для работы [3].

Для квадратной (прямоугольной) в сечении шахтной печи характерна возможность сводообразования («закозливания») – образования заторов по высоте шахты вследствие заклинивания столба отходов между стенками шахты. Во избежание этого целесообразно корпус шахтной печи выполнять круглым в сечении (в настоящее время – диаметром до 2 м) с небольшим расширением книзу (с конусностью примерно 3–5 0).

Диаметр реактора в зоне сушки и пиролиза (так называемой швельшахты) предпочтительно должен быть меньше, чем в зоне газификации. Это дает возможность поддерживать скорость движения газов в зоне пиролиза на заданном уровне, что улучшает теплообмен и способствует быстрому протеканию процесса, равномерности распределения газов по сечению. Нижняя часть реактора (горн), в которой происходит газификация коксового остатка и выделяется тепло, необходимое для протекания других стадий процесса (пиролиза, сушки) и плавления шлака, требует наличия футеровки из огнеупорного материала. Швельшахта, предназначенная для сушки и пирогенетического разложения отходов, может выполняться из металла и иметь рубашку водяного охлаждения до отметки отбора пиролизных газов из реактора; это исключает шлакование ее стенок и в совокупности с расширяющемся книзу диаметром позволяет избежать сводообразования.

Уменьшенный диаметр швельшахты по сравнению с горном обеспечивает равномерное распределение дутья по сечению шахты, что немаловажно при неоднородности слоя отходов.

 

Рисунок 2.5.3 Сменная подовая часть реактора шахтного типа

Глубокое регенеративное использование теплоты отходящих газов, присущее противоточным шахтным печам пиролиза и газификации отходов, обеспечивает минимальные затраты дополнительной энергии на процесс. Однако, при использовании противоточных печей (реакторов) проявляются и существенные недостатки: пиролизные смолопродукты, формирующиеся в значительных количествах в верхней зоне относительно низких температур, выносятся из печи восходящим газовым потоком, загрязняя собой продуцируемый синтез-газ. Это ведет к необходимости иметь многоступенчатую очистку синтез-газа, существенно усложняя процесс и увеличивая стоимость оборудования и эксплуатационные расходы. В этой связи в большинстве случаев предпочтение отдается прямоточным реакторам.

В прямоточных реакторах с нисходящим потоком продукты пиролиза, сформированные в верхней низкотемпературной зоне печи, проходят через нижнюю высокотемпературную зону реактора, где подвергаются термическому разложению. При этом увеличивается выход горючего газа и его теплотворная способность и, что самое существенное, отпадает необходимость в очистке синтез-газа от смолопродуктов.

Прямоточный реактор-газификатор, разработанный Институтом электрофизики и электроэнергетики РАН [4], представляет собой вертикальную шахту, футерованную огнеупорным кирпичом. Отходы, загружаемые через верхнюю крышку, заполняют внутренний объем и лежат на колосниковой решетке, расположенной в нижней части шахты (рис. 2.5.4). Генерируемый синтез-газ отбирается из нижней части реактора.

Рис. 2.5.4 Схема конструкции прямоточного реактора-газификатора

Применение плазмотронов в качестве источников тепловой энергии для реализации термохимических процессов в реакторах при температурах 1 100–1 200 0С обеспечивает возможность и целесообразность использования в качестве теплоносителя и реагента-окислителя водяного пара. В настоящее время отсутствуют какие-либо технические средства, кроме плазмотронов, позволяющие разогреть большие количества Н2О до плазменного состояния.

Помимо существенного повышения теплоты сгорания синтез-газа, а, следовательно, общей энергетической эффективности процесса газификации, использование Н2О в качестве плазмообразующего вещества исключает разбавление целевого продукта инертным (балластным) компонентом – азотом воздуха, не создает вредных примесей окислов азота, упрощая схему газоочистки и сокращая объем ее аппаратов. Эти два фактора повышают энергетическую и экологическую привлекательность высокотемпературной паровой газификации ТБО, промышленных и медицинских отходов.

Для высокотемпературной газификации отходов наибольшее применение находят шахтные реакторы противоточного и прямоточного типов с нисходящим потоком загружаемого сырья.

В прямоточных реакторах с нисходящим потоком продукты пиролиза, сформированные в верхней низкотемпературной зоне реактора, проходят через нижнюю высокотемпературную зону газогенератора, где подвергаются термическому разложению. При этом увеличивается выход горючего газа и его теплота сгорания и, что самое существенное, отпадает необходимость в очистке синтез-газа от смолопродуктов. Этот, казалось бы, очевидный фактор, довольно часто игнорируется разработчиками промышленных высокотемпературных реакторов. Можно видеть массу примеров практической реализации противоточных реакторов, дополняемых многоступенчатыми системами дожигания и очистки отходящих пиролизных газов.

На рис. 5 представлена конфигурация одного из возможных вариантов прямоточного шахтного высокотемпературного реактора с нисходящим газифицируемым потоком загружаемого сырья, с трехъярусным по высоте размещением тепловых фурм для подачи горячего водяного пара, с использованием плазменных источников тепла, с жидким шлакоудалением, с принудительным охлаждением гарнисажной футеровки плавильной камеры и высокотемпературной зоны шахты, с нижним отводом продуцируемого синтез-газа после прохождения зоны высокотемпературной блокировки.

Конфигурация этого реактора базируется, в основном, на технических решениях немецкой компании WES = Waste & Energy Solution GmbH [5], реализуемых в составе процесса высокотемпературной конверсии отходов (процесс HTCW = High Temperature Conversion of Waste).

В своих проектах компания WES применяет этот реактор с использованием технического кислорода без плазменных источников тепла. Задачей сегодняшнего дня является конструктивная модификация такой конфигурации реактора применительно к паровой конверсии отходов с использованием плазменных источников тепла.

Отдельные установки с жидким шлакоудалением отличаются друг от друга способом обеспечения тепловых режимов, необходимых для поддержания процессов в зонах термической переработки отходов и расплавления шлака. Переработка происходит, в основном, в результате пиролиза и газификации органической части отходов при температуре более 1 600 °С в процессорной зоне над ванной металлического расплава. В качестве теплоносителя используется электродуговая термическая плазма, генерируемая плазмотронами.

Размещение плазмотронов по высоте шахты может быть одноярусным или многоярусным. При одноярусной схеме обогрева плазмотроны размещаются в монтажных гнездах по разным сторонам шахты либо в потолочной части плавильной камеры так, что плазменные струи направляются под углом к поверхности ванны расплава. Например, на рисунке 2.5.6 показаны плазмотроны, установленные в потолочной части плавильной камеры реактора, типа показанного на рисунке 2.5.1.

В целях облегчения и ускорения замены плазмотронов для профилактического обслуживания и ремонта могут применяться специальные механизмы, которые обеспечивают быстрое и безопасное извлечение плазмотронов из установочных гнезд с одновременным перекрытием установочных каналов тепловыми задвижками. Пример такого механизма показан на рис. 7.

Рисунок 2.4.5 Вариант конструкции реактора с трехъярусным вводом тепла

Известны конструктивные решения плазменных реакторов с ярусным размещением плазменных генераторов (плазмотронов) по высоте реактора [6, 7].  Многоярусное размещение генераторов тепловой энергии по высоте реактора, схематично представленное на рисунке 2.5.5, позволяет снизить интенсивность тепловой нагрузки на теплозащитные конструкции и контролировать термические режимы по высоте реактора. Ввод тепла в процессорное пространство реактора и в объем плавильной камеры производится посредством фурм.

Рисунок 2.5.6 Установка плазмотронов в потолочной части плавильной камеры

Рисунок 2.5.7 Механизм быстрой замены плазмотронов

Поскольку процессы, происходящие в разных по высоте частях реактора, требуют обеспечения разных тепловых режимов, температура подаваемого в реактор технологического газа может быть разной для разных фурменных поясов. Так, в верхней части шахты (рис. 8) свободная влага из отходов испаряется под воздействием горячих газовых продуктов пиролиза и газификации, поступающих из нижней зоны шахты. Подсушенные твердые отходы поступают в среднюю зону шахты, где при температуре 400–800 0С происходит их термическое химическое разложение под воздействием газообразных продуктов, поступающих снизу.

Коксовый остаток смеси, поступая к основанию шахты, сгорает при взаимодействии с горячим воздухом, поступающим через фурмы среднего яруса, и смешивается с восходящим от шлакового расплава горячим воздухом. С помощью регулирования расхода и температуры воздуха, подаваемого в нижнюю часть шахты, в слое отходов в нижней зоне шахты поддерживается температура ниже температуры оплавления зольного остатка (1 150–1 200 0С), что препятствует ошлаковыванию зольного остатка в зоне реактора выше уровня среднего фурменного пояса, сохраняя тем самым газопроницаемость столба отходов и обеспечивая непрерывное поступление негорючего компонента отходов на поверхность расплава в плавильной камере. Это достигается наличием вынесенных плазменных генераторов технологического газа (см. рис. 8), снабженных водоохлаждаемыми смесительными камерами, от которых технологический газ при заданной температуре подается в реактор сквозь встроенные в футеровку сопла (дутьевые фурмы), равномерно расположенные по окружности корпуса шахты.

Рисунок 2.5.8 Схема устройства реактора с вынесенными плазменными генераторами технологического газа

Поддержание шлакового компаунда в жидком состоянии обеспечивается подводом к ванне расплава горячего воздуха от плазмотронов. Обычно плазмотроны располагаются над зеркалом ванны расплава так, что генерируемые ими факелы горячей плазмы направляются в сторону поверхности расплава, обеспечивая, таким образом, его прогрев. Однако, поскольку шлак отличается низкой теплопроводностью, подводимое к его поверхности тепло не обеспечивает прогрев глубинных слоев расплава, так что для поддержания шлака в жидком состоянии и предотвращения его затвердевания приходится обеспечивать обдув поверхности ванны воздухом с повышенной температурой и, следовательно, более высокий расход энергии. Более выгодным оказывается обогрев ванны расплава путем продувки ее объема горячим воздухом, подаваемым от плазмотронов непосредственно внутрь объема жидкой ванны.

В вариантах, показанных на рисунка 2.5.5 и 2.5.8, нижний фурменный пояс в зоне плавильной камеры реактора включает 3–4 барботажных фурмы по периметру камеры, предназначенных для обогрева ванны расплава.

Рисунок 2.5.9. Металлургические газокислородные фурмы

Для ввода горячего технологического газа в расплав шлака в подовой камере реактора могут применяться металлургические газокислородные фурмы, предназначенные, например, для продувки стали в конверторах производства НТПФ «Эталон». Фурменный кессон, снабженный системой водяного охлаждения (рисунке 2.5.9), устанавливается в боковой стенке плавильной камеры и обеспечивает «пробулькивание» подаваемого от плазмотронов (внешнего генератора) под давлением и при температуре 1 700–1 750 0С горячего воздуха через расплав шлака, поддерживая его, таким образом, в жидком состоянии.

Удаление жидкого шлака из плавильной камеры осуществляется, как правило, двумя способами: либо через сливные летки с запорным устройством или без него, либо сифоном. Удаление жидкого расплава через сливные летки при отсутствии запорного устройства осуществляется в непрерывном режиме. При этом предусматриваются раздельные сливные летки: для удаления шлака и для удаления расплавленного металла; последние располагаются ниже по высоте стенки плавильной камеры.

Запорное устройство предназначено для перекрытия сливного отверстия, что предполагает наличие определителей уровня шлака и жидкого металла в плавильной камере [8] или визуального контроля над уровнем расплава в плавильной камере посредством смотрового окна (рисунок 2.5.10).

Рисунок 2.5.10. Подовая часть реактора с устройствами слива шлака

Известно конструктивное решение системы удаления жидкого шлака из плавильной камеры [9], включающее микроволновые индикаторы уровня расплава в камере и сливные каналы, снабженные управляемыми от приводов заглушками и индукционными прогревателями (рисунок 2.5.11).

Рис 2.5.11 Устройство удаления расплава из плавильной камеры реактора

12, 13 – микроволновые индикаторы уровня; 6, 7 – заглушки; 8, 9 – приводы заглушек; 14, 15 – индукционные или омические нагреватели каналов слива.

При устройстве плавильной камеры с сифоном по мере поступления зольных остатков в барботажную ванну плавильной камеры, их смешивания с расплавленным шлаком и плавлением происходит вытеснение расплава через сифон в сливной лоток и далее в шлакосборник.

Конструкция подовой части реактора может включать также встроенные нагреватели любого типа (индукционные, омические и пр.) для поддержания шлакового компаунда в жидком состоянии и предотвращения его затвердевания в ванне расплава, а также для затвердевания шлака в каналах слива [9].

Конструкция узла загрузки реактора должна обеспечить дозированную подачу в реактор отходов, поддержание количества (столба) отходов в шахте на постоянном уровне и максимально возможного ограничения проникновения в шахту воздуха в процессе загрузки и с подаваемыми отходами. Это может достигаться применением подающих механизмов, обеспечивающих определенную герметичность канала загрузки, или применением устройств шлюзования и подпрессовки подаваемого в шахту материала в целях вытеснения из него излишков воздуха. В качестве примера конструкции подающего механизма (рис. 12) можно привести реактор, разработанный в Институте теплофизики Сибирского отделения РАН [10]. В конструкции этого реактора использован горизонтальный поршневой механизм подачи отходов в шахту, который наряду с проталкиванием порции отходов от загрузочного бункера к шахте выполняет функцию уплотнения, не допуская проникновения воздуха в пространство шахты извне.

Поршневой механизм в данной конструкции может быть заменен шнековым устройством.Наибольшее распространение в настоящее время получили шиберные затворы (рис. 13) в составе вертикальных шлюзованных загрузочных коробов. Такие шиберы могут быть водоохлаждаемыми [11], что особенно важно для нижних (по отношению к верхней части шахты) шиберов, поскольку в начальный период пуска реактора – прогрева подовой части и шахты – они могут подвергаться сильному тепловому (лучевому) воздействию со стороны разогретых нижних частей реактора.

 

Рисунок 2.5.12 Конструкция поршневого механизма подачи отходов в шахту

1 – Плазменная электропечь для переработки ТБО с получением синтез-газа и расплавленного шлака: 1 – плазмотроны; 2 – рабочее пространство (шахта); 3 – подовый электрод; 4 – летка для слива шлака; 5 – летка для слива металла; 6 – механизм загрузки; 7 – бункер загрузки; 8 – диагностический газозабор; 9 – подача окислителя; 10 – патрубок забора синтез-газа; 11 – футеровка; 12 – водоохлаждаемые панели

Рисунок 2.5.13 Одноступенчатый шибер с электроприводом

Чаще всего шлюзованный загрузочный короб, находящийся над верхней потолочной частью реактора, выполняется двух- или трехсекционным (рис. 14), причем система автоматизированного управления загрузкой обеспечивает последовательное открытие и закрытие заслонок шиберов сверху вниз, что и ограничивает проникновение воздуха в шахту. Конструкция такого шлюза показана на рис. 14.

При переработке опасных отходов, например радиоактивных или содержащих вредные химические компоненты, особенно важно исключить возможность утечек при загрузке реактора, а также минимизировать подсос воздуха извне в целях предотвращения опасного выброса из реактора в случае непроизвольного «хлопка» при образовании взрывоопасной смеси. Это достигается применением узла загрузки, обладающего гарантированной защищенностью от утечек и подсоса воздуха [12]. Схема устройства такого загрузочного узла представлена на рис. 15. Особенность его устройства – в обеспечении надлежащей степени уплотнения загрузочного тракта за счет применения самоуплотняющегося поршня и практически полной герметичности внутриреакторного пространства, а также с помощью достижения высокой степени выдавливания остатков воздуха из межфракционного пространства в объеме загружаемых порций отходов.

Управление открытием и закрытием шиберов обеспечивается по сигналам от индикаторов уровня отходов в загрузочном бункере и в самой шахте [13]. Индикатор уровня отходов в шахте предназначен для слежения за поддержанием полной загрузки шахт отходами на протяжении всего цикла их переработки; индикатор уровня отходов в загрузочном бункере предназначен для управления подачей конвейером отходов от приемного накопителя.

В качестве индикаторов уровня чаще всего используются микроволновые датчики (радары); они могут быть двух типов [14]: «работающие на просвет» и «работающие на отражение» (рисунке 2.5.16).

Рисунок 2.5.14 Конструкция трехсекторного шиберного затвора

Рисунок 2.5.15 Схема узла загрузки, обеспечивающего надежную герметизацию внутриреакторного пространства и подпрессовку загружаемых порций отходов

Рисунок 2.5.16 Микроволновые индикаторы уровня фирмы VEGA, работающие «на просвет» (слева) и «по отражению» (справа)

Индикаторы уровня, работающие «на просвет», включают излучатель и приемник, которые размещаются на противоположных сторонах контролируемого объема (приемного бункера, загрузочной трубы, шахты) и реагируют на перекрытие столбом отходов линии визирования между ними. На рисунке 2.5.17 показан пример размещения блока индикации уровня на приемном бункере узла загрузки реактора, отходы к которому подаются в данном случае посредством герметизированного трубного цепного конвейера (справа).

 

Рисунок 2.5.17 Установка блока индикации уровня отходов в приемном бункере, находящимся над шиберным затвором в верхней части шахты реактора

Индикатор(ы) уровня, работающий(ие) «по отражению», устанавливаются в водоохлаждаемых гнездах на потолочной части шахты так, что антенна направлена вертикально вниз, и реагируют на уровень столба отходов внутри шахты. Возможна также установка индикаторов уровня расплава в плавильной камере; при этом микроволновые излучатели и приемники размещаются в потолочной части камеры.

Необходимость наличия средств защиты реактора от перегрузок при ударном повышении внутришахтного давления обусловлена тем фактом, что высокотемпературная (плазменная) технология переработки углеродосодержащих отходов базируется на использовании в качестве окислителя связанного кислорода и паров воды в условиях повышенной (до 1 600 0С и выше) температуры в реакционной зоне; при этом реализуются известные реакции газификации топлива, а именно: С + O2 = 2СО; С + Н2O = СО + Н2 и СО + Н2O = СO2 + Н2, с образованием горючих компонентов – водорода и моноксида углерода, которые при смешении с воздухом могут образовывать горючую смесь, в результате чего могут происходить «хлопки» с ударным повышением давления.

Рисунок 2.5.18 Установка взрывного клапана в верхней части реактора

Для предотвращения возникновения разрушающих нагрузок в реакторе предусматривается установка предохранительного «взрывного» клапана (рис. 18), посредством которого продукты взрыва сбрасываются непосредственно в атмосферу, минуя систему газоочистки и другое технологическое оборудование.

Контроль над температурой в шахтной печи осуществляется с помощью термопар, устанавливаемых в гнездах по всей высоте корпуса шахты. Для контроля над составом продуктов газификации и пиролиза по высоте шахты могут быть встроены патрубки отбора проб для подачи на газоанализаторы.

Цель оптимизации конструкции плазмохимического реактора – это достижение максимально возможного уровня его энергетической эффективности. Обычно уровень эффективности реактора составляет 75–80 %. Однако если рассматривать эффективность реактора в более широком аспекте – в рамках энергетической эффективности всей технологической установки по переработке отходов с учетом получения энергии за счет энергетического потенциала отходов, то полная энергетическая эффективность такой эколого-энергетической системы может зависеть также и от параметров синтез-газа, используемого как топливо для работы энергогенерирующих агрегатов (газовых и паровых турбин, поршневых двигателей разного типа, теплопроизводящих котлов и пр.). При этом полная энергетическая эффективность всей системы будет зависеть не только от совершенства конструкции реакторов, но и от выбора надлежащих режимов их работы с точки зрения получения параметров синтез-газа, оптимальных для эффективной работы энергогенерирующих агрегатов. А это предполагает наличие системы автоматизированного регулирования режимов работы плазмотронов, параметров подачи в процессорное пространство реакторов технологического газа, водяного пара и, возможно, некоторых других реагентов. Иначе говоря, оптимальная конструкция реактора предполагает также наличие системы многопараметрического автоматизированного регулирования режимов его работы, включая систему датчиков и аппаратную часть, а также соответствующее программное обеспечение, реализующее основанный на экспериментальных данных алгоритм взаимозависимости входных и выходных параметров работы реактора.

  1.  Преимущество технологии 

Технология плазменной газификации разработана для решения широкого круга задач одной, из которых является преобразование 97,97% любых видов отходов, включая био-отходы, опасные отходы, в электроэнергию/ синтетическое топливо (дизельное топливо, этанол) и другие полезные материалы (1тонна отходов равна 1-1,3 МВт/ч электроэнергии).

Является технологией промышленного использования, имеет коммерчески успешные инсталляции по всему миру (Япония, Индия, Англия, Китае, США). Ведутся работы по проектированию и строительству в странах Евросоюза.

Применение плазменной газификации неотъемлемо связано с Киотским соглашением по уменьшению влияния на атмосферу человека. Влияние на природу и человека ниже мировых норм ПДК в 10-15 раз

  1.  Условия в России для внедрения технологии плазменной газификации:
  2.  Отсутствие доступа к энерго- и теплосетям.
  3.  Объем промышленных и бытовых отходов на душу населения в год составляет более одной тонны.
  4.  Размещения отходов на полигоне за тонну - от 20 до 60 дол. США
  5.  Утилизация промышленных отходов - от 100 до 700 дол. США тонну отходов
  6.  Оптовая цена электроэнергии - от 30 до 70 дол. США за МВт/час

  1.   Маркетинговые преимущества технологии 

Возможность использовать технологию плазменной газификации для переработки разнородного исходного сырья при его минимальной подготовке уникальна. Это позволяет смешивать разное исходное сырье, такое как бытовые отходы, опасные отходы, строительный мусор и лом, автомобильный лом, уголь с высоким содержанием золы, биомассу, жидкости и шламы. Такая универсальность позволяет компаниям оптимизировать работы по типу доступного исходного сырья.

Установка плазменной газификации работает при температуре, превышающей 5500°С, гарантируя практически полное преобразование исходного сырья в синтетический газ. Неорганические вещества выводятся у основания газификатора в виде инертного шлака, который охлаждается и превращается в неопасный не выщелачиваемый продукт, который можно продавать как наполнитель для строительного материала.

Совокупная энергия, извлеченная из исходного сырья, переработанного газификатором, составляет примерно 80%. Эта регенерированная энергия представляет собой чистый, обогащенный синтетический газ, который можно использовать для генерации электроэнергии, получения жидкого топлива или иной энергетической продукции. Из всей энергии, необходимой для процесса газификации, на питание плазменных факелов расходуется только 2-5%.

Модульная и масштабируемая конструкция нашей установки позволяет быстро устанавливать систему плазменной газификации повсюду, что делает плазменную технологию доступной во всем мире

Рисунок 2.1.1 Реализованные проекты

Рисунок 2.1.2 Экологический процесс

  1.  Плазменный реактор-газификатор (ПРГ)

Стандартные реакторы-газификаторы (ПРГ) G65 Р5 W15 осуществляют превращение органических компонентов смеси опасных отходов в синтез-газ, который выходит из его верхней части, и превращение неорганических компонентов в расплавленный шлак, вытекающий из нижней части.  

Расплавление шлака достигается за счёт высоких температур в нижней части реактора. В процессе поглощаются кислород и водяной пар. Высокая температура способствует значительному ускорению различных химических реакций газификации и позволяет сплавить неорганические части загрузочного материала вместе. ПРГ имеет соответствующее огнеупорное покрытие, способное выдержать высокие температуры и коррозионное действие расплавленного шлака и горячего сингаза внутри реактора.

Донный шлак представляет собой смесь негорючих неорганических веществ, в том числе подлежащих рекуперации металлов. Шлак поступает в соответствующую систему для дальнейшей обработки.

Рисунок 2.1.3 Бизнес процесс

Конструкция ПРГ стандартная основывается на конструкции плазменной печи производства Вестингхаус Плазма Корпорэйшн (WPC), представляющей собой вертикальную шахтную печь.

  1.  Система плазменных горелок

Каждый реактор оснащаются стандартными плазматронами марки «Маге 11L», «Маге 11», «Маге 3» с регулируемой мощностью в донной части. Диапазон мощности каждого составляет от 100 до 2400 кВт. В нормальных условиях плазматроны работают при средней мощности. Избыточная мощность необходима для беспроблемного преодоления нештатных ситуаций, пусконаладочных работ и технического обслуживания.

Система плазменных горелок рассчитана на 500 000 часов непрерывной работы в агрессивных средах, прошла проверку временем и зарекомендовала себя как надежный элемент общего технологического процесса.

Сменные электроды в среднем работают 500 - 1200 часов. Замена электродов производится за 30 минут без остановки технологического процесса.

  1.  Установка разделения воздух

Для более полной газификации материалов реакторы продуваются потоком воздуха с 95% содержанием кислорода. Система снабжения кислородом представляет собой сжижающую установку разделения воздуха. Она работает по принципу охлаждения воздуха под давлением до сжижения с последующим отделением газообразного азота в ректификационной колонне.

Этот процесс позволяет получить кислород высокой чистоты. Одним из преимуществ данного способа является возможность запасания жидкого кислорода в цистернах для последующего использования в случае нештатной ситуации. Аргон, основной остаточный газ воздуха, присутствует в получаемых газах, в основном в кислороде.

  1.  

Охлаждение газа, очистка от пыли и хлороводорода

Нагретый синтез-газ направляется в скруббер и колонны с распылительным орошением для охлаждения, очистки и обработки. Сингаз попадает в скруббер Вентури, а затем в колонну с распылительным орошением для охлаждения, очистки от пыли, хлороводорода и прочих нежелательных примесей. Очищенный синтетический газ выходит через верхнюю часть оросительной колонны и направляется к мокрому электрофильтру для более тонкой пылеочистки.

Паротурбинный генератор и воздушный конденсатор

Давление пара снижается в паровой турбине, пар преобразуется в жидкую воду в конденсаторе, и отправляется обратно в котёл через систему рециркуляции пара. Выделяемая при конденсации энергия преобразуется в электрическую. В паровом котле используется очищенная сливная вода для минимизации затрат. Это необходимо, чтобы компенсировать потери пара, используемого для газификации

Конденсатор с воздушным охлаждением выбран, чтобы свести потребление воды к минимуму. Хотя вариант с охладительной башней дешевле и эффективней, он потребует около 1700 м3/сут подпиточной воды для восполнения потерь от испарения и продувки. Конденсатор с воздушным охлаждением не требует подпиточной воды, поэтому он и был выбран.

Удаление ртути. Охлаждённый сжатый синтез-газ проходит через фильтр с активированным углём для удаления следовых количеств ртути перед процессом сероочистки. Два последовательно установленных фильтра обеспечивают удаление до 99.75%. Согласно расчётам, фильтры требуют замены только раз в год. После удаления ртути газ поступает на линию сероочистки.

Гидролиз карбонилсульфида. В процессе гидролиза газ проходит через слой катализатора, где COS превращается в H2S и С02. После такой обработки практически вся сера в сингазе переводится в сероводород, который легко удаляется на следующей стадии. Сероочистка. В блоке сероочистки H2S удаляется из сингаза и преобразуется в элементарную серу, которую можно складировать на станции или продать. Используемая здесь технология сероочистки называется «CiystaSulfo. Она была выбрана за избирательное удаление H2S без удаления С02 , СО и Н2 , а также за возможность одноэтапной переработки H2S в твёрдую серу.

  1.  Удаление примесей и контроль выбросов

Для работы с ртутью и прочими примесями необходимо принять специальные меры. Загрязняющие вещества удаляются из синтез-газа до производства электроэнергии.

1.Мокрый электрофильтр

Очистка от частиц размерами менее микрона требует применения мокрого электрофильтра, поскольку удаление субмикронных частиц в оросителях не гарантируется.

2.Переработка сточных вод

Водные потоки от оросительной башни, сепараторов, парового котла и прочих установок накапливаются в резервуаре для сточных вод. Здесь отходы смешиваются и перекачивается в систему очистки, системы удаления взвешенных частиц, тяжелых металлов и токсичных компонентов. Очистка сточных вод представляет собой физико-химический процесс, который происходит во флокуляционной камере, фильтровальном резервуаре и системе химической обработки. Очищенная вода хранится в отдельном резервуаре.

3.Потребление воды

В расчётных условиях, объект не требует поставок пресной воды. Внутренние требования включают восполнение потерь воды в паровом котле, оросительной башне, электрофильтре и скруббере. Все потребности в воде удовлетворяются с помощью очищенной воды, вырабатываемой в процессе газификации. Существует возможность сбора пресной воды путем охлаждения воздуха в летние месяцы до его поступления в турбину и сбора конденсата.

Вывод к главе 3


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

71751. Предикаты раздела WHERE оператора SELECT 55 KB
  Вводит данные в таблицу, заменяя при этом все записи, вызывающие конфликт. Этот оператор аналогичен INSERT за исключением того, что при конфликте нового значения с существующим уникальным ключом новое значение будет записано вместо старого. Первый вариант оператора просто вставит указанные...
71752. Введение в БД MySQL. Типы данных 85 KB
  Цель работы Ознакомление с базой данных MySQL: получение навыков запуска консоли для работы с MySQL корректного формирования и набора команд для работы с БД. Изучить имеющиеся типы данных для столбцов в базе данных MySQL освоить операции создания таблиц.
71753. Изменение таблицы. Выбор данных из таблиц 53 KB
  Оператор ALTER охватывает широкий набор действий, которые изменяют структуру таблицы. Этот оператор используется для добавления, изменения или удаления столбцов существующей таблицы, а также для удаления индексов. Несколько операторов ALTER могут быть объединены в одно предложение...
71754. Создание баз данных 112.5 KB
  Поскольку базы данных и таблицы MySQL хранятся как файлы файловой системы, вы столкнетесь с неприятными различиями - в поведении реализаций для Unix и Win32. Именно, все файловые системы для Win32 нечувствительны к регистру, в то время как файловые системы Unix различают регистр.
71755. ИЗУЧЕНИЕ КОНСТРУКЦИЙ ПОДШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ 1.05 MB
  Цель работы: ознакомиться с классификацией и конструкциями основных типов подшипников качения. 1 Классификация подшипников качения Подшипники качения классифицируют по следующим основным признакам: направление действия воспринимаемых нагрузок форме тел качения конструктивным...
71756. Типы и конструкции подшипников качения 225.5 KB
  Ознакомиться с типами и конструкциями наиболее распространенных подшипников качения и их условными обозначениями. Изучить конструкцию трех различных подшипников (получить у преподавателя), начертить их эскиз, измерить и поставить габаритные размеры и расшифровать их условное обозначение.
71757. Электротехнические материалы: Методические указания 344 KB
  Цель работы: Экспериментальное исследование магнитных характеристик ферромагнитных материалов. Снятие кривой намагничивания и гистерезисных циклов. Определение по кривой намагничивания магнитной проницаемости и ее зависимость от напряженности магнитного поля.
71758. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВАТТМЕТРОВЫМ МЕТОДОМ МАГНИТНЫХ СВОЙСТВ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЙ СТАЛИ 340.5 KB
  Методические указания к лабораторной работе №7 по курсу «Электротехнические материалы» для студентов специальности 1-53 01 05 «Автоматизированные электроприводы» - ГУ ВПО «Белорусско-Российский университет», 2005 г. Методические указания содержат основные сведения о магнитных свойствах электротехнической стали.
71759. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ (Часть 2) 2.94 MB
  Изложены основные теоретические положения и методические указания к выполнению следующих лабораторных работ по курсу Материаловедение: Изучение зависимости между структурой и свойствами чугунов Закалка стали Отпуск закаленной стали Изучение зависимости между структурой и свойствами стали...