БОНДАРЕНКО ИВАН ИГОРЕВИЧ

Вернуться в библиотеку

УДК 621.365.91:533.9

ПЛАЗМЕННАЯ ПЕРЕРАБОТКА УГЛЕРОДСОДЕРЖАЩИХ ТЕХНОГЕННЫХ ОБРАЗОВАНИЙ И ОТХОДОВ¹

В.С. Чередниченко, А.С. Аньшаков, В.А. Фалеев, А.А. Даниленко
ОАО «Сибэлектротерм», Институт теплофизики СО РАН

Приведены результаты экспериментальных исследований технологического процесса плазменной газификации техногенных образований на примере утилизации твердых бытовых отходов. Дано описание шахтной электропечи, проведен сравнительный анализ полученных и расчетных данных. Показана перспективность высокотемпературной газификации углеродсодержащих отходов.

Среди большого разнообразия техногенных образований и отходов значительное место занимают муниципальные и некоторые промышленные отходы, содержащие до 80 % углеводородного сырья.

К муниципальным отходам относят твердые бытовые отходы (ТБО), отходы муниципальных учреждений, отходы очистных сооружений или иловые осадки. К промышленным отходам относят токсичные вещества (хлорорганика, радиоактивные вещества, пестициды), неорганические материалы (битое стекло, бетонные изделия), сельскохозяйственные, сточные воды и многое другое. Любые виды отходов (бытовые, медицинские, слабо радиоактивные и др.) являются смешанными, так как морфологический состав их достаточно сложен и разнороден, содержит органические и неорганические компоненты. В плазмотермических устройствах возможна совместная переработка бытовых и промышленных отходов [1-3].

Для расчета энергетических характеристик твердых бытовых отходов используют их вещественный состав, т. е. содержание основных химических элементов в ТБО в усредненном для данной местности виде: углерод, водород, кислород, азот, сера, вода (влага), зола. Такой же набор элементов имеет любое другое твердое органическое топливо.

Существующие промышленные методы уничтожения, обезвреживания и утилизации муниципальных отходов [полигоны, cортировка, земляная засыпка, сжигание (МСЗ), биотермическое компостирование, низко- и среднетемпературный пиролиз] не отвечают требованиям природоохранного законодательства. Анализ современных способов переработки ТБО показывает, что в настоящее время происходит смещение технологических аспектов переработки в сторону существенного увеличения температуры в реакционной зоне по сравнению с известными мусоросжигательными установками (например, использование электрошлаковых печей, барботажной плавки в печи Ванюкова, плазменных электротехнологий). Одновременно наблюдается функциональное разделение процессов на стадии; например, газификация органической части ТБО с получением синтез-газа (смесь СО + Н₂) и последующее сжигание его в энергетических котлах или использование в качестве ценного продукта в химических производствах. К новым электротехнологиям относится экологически чистая плазменная технология утилизации отходов (Т_пл ~ 5000 К), позволяющая осуществлять глубокое разложение всех соединений с образованием простых веществ, переводить в жидкий шлак все непиролизуемые (неорганические) остатки, проводить высокотемпературный пиролиз (T > 1200 °С) и получать синтез-газ с теплотворной способностью - 10 МДж/м³.

Плазменная технология наиболее полно удовлетворяет требованиям безрасходного нагрева жидких, твердых и пастообразных углеводородов, чтобы получить из них высококалорийный синтез-газ. При этом пиролиз углеводородной составляющей отходов протекает наиболее полно и достаточно быстро при температуре в реакционной зоне 1200—1600 °С и более, сравнительно легко достигаемой при использовании электродуговых нагревателей газов (плазмотронов). В зависимости от назначения (сжигание, газификация, обезвреживание) и требуемой производительности установки по переработке отходов мощность плазмогенераторов составляет от нескольких десятков киловатт до 1—3 МВт. Разработанные конструкции плазмотронов с газовихревой стабилизацией дуги обеспечивают ресурс непрерывной работы в течение нескольких сотен часов [4].

Переход на высокотемпературную (плазменную) технологию и новые технические решения для переработки углеродсодержащих отходов базируются на использовании в качестве окислителя связанного кислорода и паров воды с одновременным существенным повышением температуры в реакционной зоне до 1600 °С и выше. При этом реализуются известные реакции газификации топлива (1,2,3):

Для расчета термодинамического равновесного состава синтез-газа при заданной температуре константа равновесия фаз (4):

(4)

где: [СО], [Н₂O], [Н₂], [СO₂] - мольное (процентное) содержание СО, Н₂O, Н₂, СO₂ в синтез-газе.

На экспериментальной базе Института теплофизики СО РАН создана опытная установка для пиролиза и сжигания углеродсодержащих отходов различного происхождения плазменным методом (разработка технической документации и изготовление осуществлены в ОАО «Сибэлектротерм»). Переработка происходит, в основном, в результате газификации органической части отходов при температуре более 1600 °С в зоне реакции над ванной металлического расплава. В качестве теплоносителя используется электродуговая термическая плазма, генерируемая плазмотронами. Плазмообразующим газом является воздух. Дополнительным источником тепловой энергии при газификации служит еще энергия химических реакций.

Основой экспериментальной установки является шахтная электропечь с металлическим водоохлаждаемым кожухом (рис. 1). Внутренние размеры рабочего пространства печи - 2.3 х 0,8 х 0,4 м. Печь оборудована двумя воздушными плазмотронами с регулируемой общей мощностью от 25 до 150 кВт. Плазмотроны расположены на противоположных сторонах печи, а плазменные струи направлены под углом к поверхности ванны расплава. Подача отходов осуществляется через загрузочное устройство в верхней части печи. Предусмотрен слив металла и шлака через летку. Образующийся в печи синтез-газ из реакционной зоны с температурой 1200 °С поступает в вихревой скруббер, где вступает в контакт с холодным щелочным раствором и подвергается закалке и очистке от твердых частиц, оксидов серы и азота, хлористого водорода, тяжелых металлов. Далее парогазовая смесь поступает в бак-отстойник, а затем вентилятором синтез-газ подается в камеру сжигания. Продукты сгорания через вентиляцию выбрасываются в атмосферу. В процессе газификации отходов в печи поддерживается небольшое разрежение (50—100 Па). Производительность печи по переработке отходов составляет до 300 кг/ч.

По высоте шахтной печи заподлицо с футеровкой установлены 4 термопары для контроля за динамикой изменения температуры. Концентрации H₂, CO, NO_X по газовому тракту измерялись газоанализаторами типа ПЭМ-1 и ПЭМ-2. При проведении экспериментальных исследований в печь загружали (как правило единовременно) модельные отходы следующего состава (% масс.): бумага - 35, пищевые отходы (картофель) - 39, текстиль - 9, резина - 4, дерево - 10, песок, камни - 2, стекло - 1.

На рис.2 приведена зависимость производительности печи по газификации органической части отходов от суммарной мощности плазмотронов; на проиводительность заметно влияет влажность ТБО. Полученные результаты позволили оценить расход электроэнергии, необходимой для пререботки 1 кг отходов. Количество электроэнергии, затрачиваемое на газификацию топлива в реакционной камере с учетом КПД плазмотронов составляет 0,65 кВт*ч/кг при влажности ТБО 45%. Эти значения энергозатрат соответствуют литературным данным, например, привденным в работах [5, 6].

Рисунок 2 - Влияние мощности плазмотронов на производителность установки.
Влажность ТБО: - 29%; - 45%; - 50%.

Анализ данных исследования зависимости удельных энергозатрат на переработку единицы отходов показывает, что в диапазоне изменения влажности 25-50 % величина удельных энергозатрат изменяется от 0,4 до 0,75 кВт*ч/кг, это свидетельствует о том, что в целях экономии электроэнергии отходы необходимо подвергать предварительной сушке.

На рис. 3 приведены расчетные (прямая) и экспериментальные (точки) значения, характеризующие влияние расхода плазмообразующего воздуха на удельные энергозатраты (Е) при влажности ТБО 34,7 %. Следует отметить неплохое совпадение расчетных и экспериментальных данных. При расходе воздуха около 0,3 г/с плазмотрон необходим только как стабилизатор горения отходов. При этом удельные энергозатраты составляют около 0,1 кВт*ч/кг.

В экспериментах по газификации и сжиганию отходов высокую надежность очистки отходящих газов показал экологический блок установки, состоящий из центробежно-баротажного аппарата (вихревой сркуббер) и камеры сжигания синтез-газа. Контрольные измерения состава дымовых газов показали, что по основным параметрам они не превышают нормы ПДК. Электродуговые плазмотроны устойчиво и надежно работали в широком диапазоне изменения мощности и расхода воздуха (тепловой КПД составлял 0,8-0,85). Объемная доля водорода в синтез-газе составляла 45—50 %, а оксида углерода - не превышала 30%. При этом калорийность полученного синтез-газа была равна 12,5 МДж/м³.

Результаты исследования позволили создать промышленную плазменную электропечь для уничтожения медицинских и слаботоксичных отходов с мощностью плазмотрона 500 кВт, которая успешно работает в Южной Корее.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. В.С. Чередниченко, А.М. Казанов, А.С. Аныдаков и др., Современные методы переработки твердых бытовых отходов. Новосибирск: Ин-т теплофизики СО РАН, 1995. 55 с.
2. S.L. Camacho, Plasma Pyrolysis of Hydrocarbon Wastes //Proc. of the BNCE Technical Conf at Wadham College. Oxford, England, 25-27 Sept. 1990.
3. Муниципальные и промышленные отходы: способы обезвреживания и вторичной переработки / Аналитические обзоры ГПНТБ. Новосибирск: Изд-во Сиб. отд. РАН, 1995. 156 с.
4. В.С. Чередниченко, А.С. Аныдаков, М.Г. Кузьмин, Плазменные электротехнологичекие установки: Учебное пособие для вузов / Под ред. В.С. Чередниченко. Новосибирск: Изд. НГТУ, 2005. 508 с.
5. Arc Plasma Processes. A Maturing Technology in Industry // UIE Arc Review. Paris, 1988. 72 p.
6. Plasma Technology for a better Environment / Ed. by R. Wolf. Paris: UIE, 1992. 144 p.