5. Плазмохимическая переработка промышленных и бытовых отходов

В последнее десятилетие одним из наиболее востребованных направлений использования низкотемпературной плазмы, температурный интервал которой лежит от 1500 до 50000К, является область переработки промышленных и бытовых отходов.

В силу своего основного преимущества - чрезвычайно концентрированной удельной энергии плазма лучше, чем что-либо, пригодна для обезвреживания, уничтожения и утилизации отходов. Плазмохимический метод в этой области является сильной альтернативой термическому способу балгодаря высокой интенсивности процесса.

Кроме высокой удельной производительности реакционного объема (до 100000 кг/ч.м³) необходимо отметить еще несколько явных его достоинств, а именно:

1. Для плазмохимического метода отсутствуют ограничения по фазовому состоянию и химическому составу отходов. Этим способом можно перерабатывать также трудногорючие и негорючие отходы.

2. Плазмохимическая технология переработки сырья, в данном частном случае - отходов, является сама по себе безотходной, то есть конечным звеном в цепи множества химических и биологических процессов.

3. Плазмохимический метод является также ресурсосберегающим. Например, переработка 1 т хлорорганических отходов позволяет экономить от 0,1 до 0,3 т суммы ацетилена, этилена, до 0,7 т хлора, от 0,3 до 1,1 т карбида кальция. Для производства плазмохимического ацетилена в этом процессе требуется меньше электроэнергии (21,6 МДж/кг вместо 38,9 МДж/кг) по сравнению с карбидным методом. При переработке трудногорючих и негорючих хлорорганических отходов экономится от 0,1 до 1 т топлива на 1 т отходов по сравнению с методом термического обезвреживания.

Для сравнения полезно указать следующие недостатки термического метода (сжигание в печах, топках):

1.Ограничение по сырью. Нельзя перерабатывать негорючие отходы, для обезвреживания трудногорючих отходов требуется вводить дополнительное топливо.

2.Низкая интенсивность процесса. Удельная производительность реакционного объема составляет не более 100 кг/ч.м³. В этой связи печи имеют большую металлоемкость и требуют для размещения значительных площадей.

3.Невозможность переработки отходов в целевые ценные продукты.

4.Потери углерода сырья, наиболее дорогостоящего компонента отходов, в виде углекислого газа.

В зависимости от характера отходов, от потребностей региона, от особенностей основного производства процесс переработки отходов в плазме может быть организован либо как ликвидация (уничтожение) отходов с развалом их молекул до простейших безвредных соединений, которые в большинстве своем представляют высококалорийное топливо, либо как направленное производство ценных целевых продуктов. В первом случае используется окислительный плазмообразующий газ, во втором - восстановительный, в основном, водород. При переработке углеродсодержащих отходов в окислительной плазме получается синтез-газ, используемый дальше во многих процессах. Ценным продуктом плазмохимической переработки подобных отходов может быть высококачественная ультрадисперсная сажа.

Переработка бытовых отходов в плазме также может быть организована с получением конвертированного газа высокой калорийности.

Достаточно много работ выполнено по утилизации жидких органических, фосфорорганических, хлорорганических отходов в плазме, а также по обезвреживанию сточных вод, содержащих органические примеси различных производств, различных вредных веществ, в том числе радиоактивных отходов.

В качестве одного из примеров предлагаем на рассмотрение процесс переработки хлорсодержащих органических отходов ряда производств химической промышленности.

Ключевым звеном схемы по переработке указанных отходов является плазмохимических модуль. Плазмообразующим газом может служить либо водород, что является более предпочтительным, либо хлорсодержащие газы. Образующийся пирогаз содержит ацетилен, этилен, метан, водород, хлористый водород, технический углерод (сажа). Особенно целесообразным и уместным представляется включение плазмохимического метода переработки хлорорганических и органических отходов в производство синтеза различных хлорорганических продуктов, например, винилхлорида.

Из анализа результатов термодинамических расчетов системы С-Н-Сl следует, что необходимую для производства винилхлорида смесь С₂Н₂:НСl = 1 20%об. можно получить при 1500-1800К и соотношении С:Сl  2. При этом выход ацетилена (по углероду) должен достигать 80-90% (мас.), а затраты энергии должны быть относительно невелики (не более 2 кВтч/кг смеси). Эти расчеты подтверждены в экспериментах на многих установках.

В кинетических расчетах разложения хлоруглеводородов предполагается, что за времена 10^-6 с исходные соединения распадаются на НСl, СН₄, С₂Н₄ и Н₂. Если же в них присутствуют ароматические группы, то образуется еще и С₂Н₂. Затем эти углеводороды разлагаются по схеме, предложенной для разложения метана Касселем. Начальные соотношения СН₄:С₂Н₄:С₂Н₂ получают в предположении различных мест разрыва связей С-С и С-Н в хлоруглеводороде. В расчетах при решении системы уравнений химической кинетики и гидродинамики струи учитывали также закалку продуктов реакции со скоростью 5.10⁶ К/с, которая "включалась" на различных отрезках реактора. Результаты расчетов хорошо согласуются с данными многих экспериментов.

Необходимую для производства винилхлорида смесь с равными концентрациями С₂Н₂ и НСl получали либо пиролизом бензина с концом кипения 165 ^оС в хлорсодержащих плазменных струях, либо пиролизом смесей хлоруглеводородов в струе водорода. В первом случае смесь, содержавшая по 17-20% (об.) С₂Н₂ и НСl, образовывалась при 1550-1700 К за (515).10^-5 с. Во втором случае смесь получалась за 10^-4 с при 1400-1700К.

Накопленный теоретический и экспериментальный материал лег в основу разработки проекта по переработке хлорсодержащих органических отходов производств химической промышленности на плазменном модуле производительностью 3000 т/год по сырью.

В качестве сырья использовались хлорсодержащие органические отходы производств дихлорэтана, винилхлорида, хлористого аллила, эпихлоргидрина, трихлорэтилена, четыреххлористого углерода, перхлорэтилена, хлорбензолов, гербицидов (ленацила, метаксона, 2,4 Д-кислоты), перхлорвиниловой смолы, окиси этилена, тяжелых органических остатков (отработанных масел, керосина, ароматических углеводородов, кубовых остатков ректификации нефти, мазута) смеси органических и хлорсодержащих органических отходов (отработанный керосин, абсорбент и кубовые остатки производства перхлоруглеродов; отработанный керосин и дихлорпропановая фракция; дихлорпропановая фракция, кубовые остатки производства перхлоруглеродов и отработанный абсорбент производства бутадиена и изопропена).

В качестве сырья использовалось также газообразное сырье: метановодородная фракция, этиленсодержащие газовые выбросы производства разветвленных карбоновых кислот.

При переработке хлорорганических и органических отходов в водородной плазме образовывается пирогаз, содержащий ацетилен, этилен, метан, водород, хлористый водород, технический углерод (сажа).

Использование газов пиролиза может осуществляться по различным направлениям в зависимости от потребности в конечном продукте, наличии производств, в которых можно использовать ацетилен, этилен, пирогаз.