§ 1. Сравнительный анализ технологий

Исторически сложилось так, что промышленные технологии перерабоки углерод-содержащих отходов (кипящий слой, сжигание в МСЗ и др.) были

сориентированы на использование традиционных для тепловой энергетики принципов одно- или двухстадийного окисления углерода для получения

углекислого газа СО2 с использованием в качестве окислителя воздуха. В эти: огневых технологиях для поддержания рабочих температур (600...900 °С) при меняется дополнительное топливо (природный газ, уголь, мазут), которое н< позволяет перегревать и выдерживать газовую составляющую процесса дли тельное время при гарантированной среднемассовой температуре t = 1300 °( и выше. Минеральная часть отходов формируется в виде токсичных тверды: шлаков и требуются дополнительные экологически безопасные технологии дд их переработки (например, плазменные).

Важным фактором, существенно снижающим конкурентоспособность технологий с использованием воздуха в качестве окислителя, является наличие балластной составляющей газового продукта в виде азота. При увеличении производительности единичных агрегатов увеличиваются объемы и масса газовых потоков углекислого газа и транспортного азота, а эколого-технологи- ческая обработка больших газовых потоков снижает эффективность техноло- гий даже при возможных преимуществах основных технических устройств дл переработки отходов.

Уровень достигаемых температур в газовых потоках, ограниченное вре- мя пребывания всего объема газа при этих температурах и скорость нагрева газа не исключают возможностей синтеза вредных и особо вредных соедине- ний типа диоксинов, фуранов и им подобных ксенобиотиков. Поэтому систе- мы очистки газов должны включать устройства (например, дожигатели), пре- дотвращающие выбросы этих соединений в атмосферу. Отсюда стоимость экологического блока газоочистки становится соизмеримой со стоимостью ос­новного технологического оборудования не только по капитальным, но и по эксплуатационным затратам. Системы очистки отходящих газов создают соб­ственные твердые и жидкие отходы, которые необходимо подвергать допол­нительной переработке, чтобы нейтрализовать их вредность для окружающей среды.

Следует особо подчеркнуть, что рассматриваемые технологии не позво­ляют в принципе снизить количество СО₂, выбрасываемого в атмосферу, при оценке массы углекислого газа на единицу получаемых полезных продуктов (например, тепловой энергии). Этот показатель становится весьма важным в связи с введением международного контроля и оплаты за технологическое производство СО2 и выбросы его в атмосферу.

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 температур до 1600 °С и выше. При этом реализуются известные реакции газификации топлива:

2С + 0₂ = 2СО + 58,86 ккал/моль; (8.1)

С + Н₂0 = СО + Н₂ –28,38 ккал/моль; (8.2)

СО + Н₂0 = С0₂ + Н₂ +10,41 ккал/моль. (8.3)

Целесообразность использования реакций газификации с применением паров воды (8.2) и (8.3) основана на высоком уровне влажности отходов (ино­гда до 60 %). Пары воды образуются в низкотемпературной зоне рабочего про­странства аналогично тому, как это происходит при других существующих технологиях, включая технологии с использованием предварительно получен­ного топлива из отходов - брикетов или гранул. Однако в высокотемператур­ных технологиях затраты энергии на сушку исходного сырья (отходов) из балластной статьи, снижающей энергетическую и экологическую эффек­тивность, переводятся в технологическую статью затрат. Это дает существен­ное преимущество новым технологиям, повышает их энергетическую эффек­тивность за счет использования окислителя в виде перегретого пара до t> 1000 °С при получении синтез-газа, переводит часть затраченной энергии в потенциальную энергию получаемого газообразного топлива, а остальную часть позволяет утилизировать с большей эффективностью, чем при других технологиях.

Исключение из технологического цикла азота воздуха резко снижает возможность образования окислов азота. Связанный азот из отходов переходит в азот молекулярный и из-за малого количества и восстановительной атмосфе­ры в реакционной зоне не влияет ни на энергетику, ни на экологические пока­затели процесса.

С этим же связано одно из важнейших преимуществ, выводящее плаз­менные (высокотемпературные) технологии в принципиально иной класс про­цессов по экологичности и эффективности. Окисление углерода до моноокиси СО и исключение из технологического цикла балластного азота снижают ко­личество отходящих газов более чем в 5 раз по массе и в 3 раза по объему. Это позволяет эффективно очищать получаемый синтез-газ (СО + Н2 ≈ 90% и СО2 + N2 + Н2О ≈ 10 %), причем шлак практически не содержит окисленных веществ и не заражен диоксинами и фуранами. Относительно малая масса син­тез-газа позволяет проводить закалку газа в вихревых скрубберах (центробеж-но-барботажных аппаратах) со щелочным раствором. Эта операция принципи­ально предотвращает образование токсичных соединений (диоксинов, окислов азота, соединений серы, хлора и т.д.). Такое техническое решение гарантирует выполнение экологических требований к современным промышленным техно­логиям без использования многоступенчатых, сложных и дорогостоящих сис­тем газоочистки,

Для того чтобы обеспечить реализацию изложенных преимуществ высо­котемпературных технологий, необходимо в рабочем пространстве электропе­чи создать соответствующие условия. Технологии переработки отходов долж­ны осуществляться в слабоокислительной и восстановительной атмосферах и иметь две разделенные в пространстве зоны: среднетемпературную (t < 1000 °С) для сушки, пиролиза и газификации и высокотемпературную (t> 1300 °С) для завершения процессов газификации, плавления неорганической части отходов и нагрева газообразного продукта (синтез-газа) до оптимальной температуры.

Технические решения оборудования для каждой из рассматриваемых зон и конструктивных систем сопряжения этих зон могут быть различными. Сред-нетемпературная зона может выполняться вертикальной (шахтный вариант) или горизонтальной, включая дискретный (ступенчатый) или непрерывный (шнековый) вариант транспортировки сырья. Высокотемпературная зона должна прежде всего обеспечивать эффективный нагрев синтез-газа до сред-немассовой температуры t > 1200 °С.

Этот технологический этап является определяющим для оптимизации производительности, стоимостных и экологических показателей реализуемых технических решений. Кроме того, в этой зоне происходит расплавление твер­дого остатка, накопление расплава, периодический или непрерывный слив шлака и металла. Получаемые в качестве дополнительного продукта шлако-металлические смеси имеют инертные свойства и могут использоваться для дорожного строительства, получения вспененного гранулята, шлаковаты, ли­тых шлаковых изделий широкого назначения. Свойства и состав получаемых шлаков могут изменяться за счет введения в расплав CaO, Si0₂ и др.

Увеличение времени пребывания обрабатываемого сырья в каждой ра­бочей температурной зоне дает возможность с новых позиций обосновать значения требуемых температур по зонам, обеспечить последовательную температурно-технологическую связь этих зон с активным использованием плазменных потоков и поверхности расплавленных шлаков и металла в каче­стве нагревающих звеньев. Наконец, в плазменных технологиях реализованы известные принципы водородной энергетики, позволяющие снизить удельный объем углекислого газа, выбрасываемого в атмосферу при сжигании сдатез-газа (на 1 кВт-ч получаемой энергии).