2.3 Плазменный пиролиз

Самым оптимальным методом для уничтожения биологических отходов ученые называют плазменный пиролиз в установках на его основе - электродуговых плазмотронах. В плазменных системах используется электрический ток, который ионизирует инертный газ (например, аргон), и формирует элек­трическую дугу с температурой свыше 6000°С.

Пиролиз (от греч. руг - огонь, жар и lysis - разложение, распад) - разло­жение химических соединений при нагревании. Это комбинированная техно­логия немецкой фирмы "Сименс". С ее внедрением переработка отходов ста­ла почти полностью безотходной.

Первый крупномасштабный завод, работающий по данной технологии, построен в городе Вюрте (Германия). Метод сочетает в себе низкотемпера­турный пиролиз (обработку отходов без доступа кислорода) и последующее их сжигание при высокой температуре.

Комбинированная технология фирмы "Сименс" выгодно отличается от прочих тем, что, во-первых, из бытовых отходов получают материалы, при­годные для использования практически без дальнейшей обработки. Во-вторых, выходящие из установки газы по степени очистки отвечают самым строгим требованиям, более того, зачастую содержание в них вредных ве­ществ гораздо ниже установленных пределов. Наконец, метод дает возмож­ность использовать выделяемое при сжигании отходов тепло для производ­ства электроэнергии и централизованного теплоснабжения или направлять его на технологические нужды.

Преимущества пиролизных установок:

-достигаются практически полная утилизация материально энергетических ресурсов ТБО и энергоавтономность всего технологического цикла;

-поскольку термическое разложение происходит без доступа воздуха, нет условий для образования таких токсичных соединений, как диоксин, фуран, бензапирен и др.;

-замкнутость схемы, компактность оборудования и экологическая чисто­ та определяют возможность размещения такого предприятия в черте любого города;

-учитывая, что минеральная составляющая ТБО - экологически чистый после термообработки шлак - может использоваться для дорожных работ, такую технологию можно отнести к категории полностью безотходных;

- эти установки позволяют получать прибыль за счет реализации произве­денной продукции (пар, электроэнергия) в отличие от действующих сегодня производств, где эксплуатационные затраты значительно превосходят доход от реализации, а рентабельность предприятий основывается на платежах на­селения за переработку мусора.

Плазменные технологии дугового разряда были разработаны и впервые использованы в промышленности в конце 19 века в качестве источника экс­тремально высоких температур. В начале 20 века плазменные горелки начали использоваться в химической промышленности для получения ацетилена из природного газа. Построенная в эти годы в городке Марл в Германии уста­новка получения ацетилена с использованием плазменной горелки до сих пор остается самой крупной в мире (150 МВт).

Плазменные дуговые горелки вновь привлекли внимание в начале 60-х го­дов прошлого века, когда в США проводились работы по моделированию ус­ловий экстремально высоких температур достигаемых при входе космиче­ского аппарата в плотные слои атмосферы. Используя водоохлаждаемый медный электрод, была построена плазменная горелка мощностью 50 МВт для проведения испытаний теплозащитных материалов для космических ап­паратов.

Другим важным применением плазменной технологии стала разработка новых методов преобразования энергии с помощью МГД (магнитогидроди-намических) генераторов. С использованием плазменных технологий в 80-х годах в СССР на базе института высоких температур РАН были построены экспериментальные электростанции, работающие на принципах МГД генера-тора.

В настоящее время плазменные технологии широко используются по все­му миру в различных отраслях промышленности: химической, металлургиче­ской, а также для переработки отходов.

Высокие температуры утилизируемых материалов, получаемые при плаз­менном горении составляют 1300-2000°С по сравнению с 850°С при обычном сжигании, что являются ключевым преимуществом плазменной технологии переработки опасных отходов. Главный элемент такой технологии - это тер­мохимическое разложение органических компонентов материала отходов до атомарного уровня и их ионизация с последующим получением газа (смеси, содержащей СО и Н2), который может в дальнейшем применяться в качестве чистого топлива или, как первичный продукт, для органического синтеза. При этом неорганический компонент (металлы, силикаты) переводятся в рас­плав и остекловываются. Получаемые твердые отходы представляют собой экологически безопасный инертный материал, который может применяться в строительстве или в качестве абразивного материала. Другое важное пре­имущество такого процесса - его практическая универсальность, т.е. широ­кий спектр перерабатываемых материалов (твердые, жидкие и газообразные). Проведенные испытания показали высокую эффективность данной техноло­гии для переработки: муниципальных твердых отходов; использованных шин; угольных отходов; осадков сточных вод; опасных шлаков; шлаков после сжигания мусора; металлической стружки; биологических отходов (включая инфицированный материал); пестицидов и других ядохимикатов; материалов, содержащих асбест; отходов керамики; отходов растворителей и лакокрасочных изделий; загрязненных почв; смешанных отходов; продуктов нефтепереработки; радиоактивных отходов; отравляющих веществ; взрывча­тых веществ.

Принцип работы. Плазменные горелки используют газ и мощные элек­троды для создания плазмы. Плазма — это ионизированный газ со свободны­ми электронами, который создает ток и магнитное поле.

Температура в конвертере может быть в 3 раза выше, чем на поверхности Солнца (более 6000°С, до 17000°С). Молекулы отходов при такой температу­ре сильно возбуждаются, и наступает такой момент, когда молекулы просто распадаются на элементарные составляющие, т. е. атомы. Происходит их диссоциация. Энергия плазмы поглощается молекулами и расходуется на их собственную деструкцию. Органические молекулы, содержащие углерод, улетучиваются, или превращаются в газы. Эти газы могут быть в дальней­шем переработаны и использованы для получения какого-либо топлива (ме­танол, этанол).

В отличие от инсинераторов, в которых применяется сжигание отходов, здесь не происходит никакого горения, а, следовательно, и окисления. Плаз­менные горелки работают в герметичных камерах, без доступа воздуха. Здесь происходит истинный пиролиз, который не нуждается в кислороде.

Рисунок 3 - Плазменная горелка

Работа плазменных конвертеров контролируется компьютером, они про­сты в использовании, эксплуатируются при нормальном атмосферном давле­нии, безопасны и не создают много шума.

Единственное что не может перерабатываться в плазменных конвертерах, это радиоактивные материалы, такие как стержни атомных реакторов. Если поместить их в конвертер, может произойти взрыв.

Рабочий процесс системного плазменного конвертора состоит из пяти стадий:

Загрузка. Важнейшим преимуществом является возможность загрузки отходов в любой форме (твердой, жидкой, газообразной).

Плазменное разложение материала. Отходы разлагаются при нагреве за счет излучения от плазменной горелки. Температура в плазме достигает 17000°С, в среде окружающей плазму - 4000°С.

Удаление конвертерного газа из камеры разложения и его охлаждение до 30°.

Фильтрование конвертерного газа для удаления кислоты. Для уменьшения кислотности используется процесс нейтрализации.

Финальная очистка конверторного газа и удаление оксида азота. На выходе установки конверторный газ может отгружаться потребителям, как топливо, или как химическое сырье.

Смеситель отходов

Плазменная горелка

Плазменная камера

Теплоотводные камеры сгорания

Система газовых фильтров

Измельчитель отходов

Бункер отходов

Рисунок 4 - Схема плазменной установки для пиролиза отходов

Таким образом, плазменный конвертор это не только установка по пере­работке опасных отходов, но он также является генерирующей станцией, по­зволяющей обеспечить энергией себя и сторонних потребителей.

В России разработкой технологии плазменной переработки опасных отхо­дов (отравляющие вещества) занимается фирма ПЛАТЕКС в сотрудничестве с Институтом высоких температур РАН. Данная компания обладает ноу-хау на конструкцию высокостойких катодов для плазменных горелок.

Волгоградский «Химпром» станет одним из первых предприятий в Рос­сии, где будет размещена плазменная установка по уничтожению химиче­ских и биологических отходов. Данный проект реализуется под эгидой меж­дународной экологической организации Арктический Совет при поддержке национального Агентства США по охране окружающей среды. В ноябре 2005-го года представители этих организаций посетили ВОАО «Химпром».

Они обсудили с руководством предприятия вопросы, касающиеся дальней­шего участия завода в новом экологическом проекте.

На мировом рынке представлены более десятка крупных фирм-производителей оборудования плазменной переработки отходов. Среди них выделяются несколько крупных транснациональных корпораций, акции ко­торых высоко котируются на мировых биржах:

Фирма Startech, (США) поставляет широкую номенклатуру оборудова­ния для плазменной переработки с различной производительностью (до 100 т/час). Данное оборудование может монтироваться в виде стационарной установки, либо в мобильном варианте — на транспортной платформе. Дан­ная фирма уже имеет значительный опыт промышленной эксплуатации таких установок (более 10 поставок в разные страны мира). В частности эта компа­ния осуществляет активные поставки оборудования в страны Восточной Ев­ропы (Польша, Чехия).

Плазменный конвертер фирмы Startech

Startech Environmental - это всемирно признанная, отмеченная наградами эколого-энергетическая компания, специализирующаяся на производстве и сбыте принципиально новых патентованных установок для плазменной ути­лизации отходов, получивших название плазменных конвертеров - Plasma Converter System.

Рисунок 5- Плазменный конвертер фирмы Startech

Системы Plasma Converter позволяют осуществлять безопасную и эконо­мичную утилизацию отходов вне зависимости от степени их опасности или токсичности, преобразуя большую часть в полезные и ценные продукты. Та­ким образом, плазменные конвертеры защищают окружающую среду и спо­собствуют повышению уровня здоровья и безопасности общества. В конвер­терах реализован замкнутый цикл поэлементной утилизации отходов, что по­зволяет безопасно и необратимо разрушать твердые коммунально-бытовые отходы, органические и неорганические отходы, твердые, жидкие и газооб­разные вещества, опасные и неопасные отходы, промышленные отходы, электронные отходы, медицинские и химические отходы, другие особые ви­ды отходов. Большая их часть преобразуется в полезные товарные продукты, в том числе металлы и синтезированный газ: так называемый "плазмоконвер-тированный" газ (Plasma Converted Gas - PCG).

Рисунок 6 - Газовый фильтр тонкой очистки

Существует много возможностей коммерческого применения PCG: его, в частности, можно использовать для производства "зеленой электроэнергии", а также жидкого топлива, получаемого из газа по технологии Gas-To-Liquid (GTL): этанола, синтетического дизельного топлива и других "альтернатив­ных" видов топлива на основе высших спиртов. Из синтетической газовой смеси PCG можно также выделить и рекуперировать водород, а затем ис­пользовать его или продать.

Плазменные конверторы компании Startech - это, по сути, промышленные системы, производящие товарные продукты из сырья, которое раньше счита­лось отходами.

Компания Startech считает все отходы, как опасные, так и неопасные, цен­ными возобновляемыми ресурсами.

Рисунок 7 - Загрузка отходов в плазменную камеру производится транспортером

Фирма Tetronics Limited, (Англия), другой крупный поставщик такой техники. Данная фирма построила более десятка крупных заводов в Японии по переработке металлургических шлаков и золы для снижения объема захо­раниваемых отходов и нейтрализации опасных компонентов (тяжелых ме­таллов).

Фирма Integrated Environmental Technologies, LLC, (США) построила 4 завода по переработке отходов (на Гавайях, в Японии, в Малайзии).

Фирма PEAT International, (США) построила 4 завода в разных странах (3 на Тайване и 1 в США).

Таким образом, технология плазменной переработки опасных отходов яв­ляется весьма перспективным направлением в области их утилизации. Дан­ная технология конкурентоспособна и является экономически выгодной. В настоящее время она активно развивается и находит все более широкое рас­пространение в мире.