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.