Сырья плазменным способом:

1 – источник; 2 – пароперегреватель; 2' – запасной пароперегреватель; 3 – плазмотрон; 3'– запасной плазмотрон; 4 – камера смешения; 5 – форкамера; 6 – реактор; 7 – труба Вентури; 8 – сепаратор

Принцип действия плазменного модуля заключается в следующем. Генерируемый в пароводяном плазмотроне 3, мощностью 500 кВт каждый, высокотемпературный поток частично ионизированного водяного пара со среднемассовой температурой 3200 К и расходом 108 кг/ч поступает в камеру смешения 4, в которую также поступает поток газообразных углеводородных отходов с расходом 60,3 кг/ч через систему отверстий тангенциально к плазменному потоку. После предварительного перемешивания в камере смешения 4, перемешивание реагентов продолжается в форкамере 5 с одновременным протеканием эндотермической реакции конверсии. Завершается процесс конверсии в имеющем футеровку плазмохимическом реакторе 6 с температурой стенок порядка 1700 К.

Реакционный поток из плазмохимического реактора 6 поступает в водоохлаждаемый канал форкамеры и трубу Вентури 7, где происходит его интенсивное охлаждение за счет испарения и нагрева воды, подаваемой через форсунку. Для предотвращения капельного уноса из трубы Вентури в плазменном модуле установлен охладитель-сепаратор 8 и система вентилей, позволяющих в период разогрева футеровки реактора и при отклонениях от рекомендованных параметров процесса направлять газы на свечу.

Регулирование температуры газов на выходе из плазменного модуля в пределах 400-450^оС осуществляется за счет изменения расхода воды в форсунку трубы Вентури 7. Реакторная часть плазменного модуля заканчивается запорной арматурой.

Основной аппарат плазменного модуля – плазмохимический реактор имеет высоту около 2 м, диаметр около 1,3 м. Габариты плазмотрона: длина 0,8-1,0 м, диаметр 0,6-0,7 м и КПД 0,75-0,8. Энергозатраты на производство синтез-газа с учетом всех теплопотерь составляют 4,03 кВт.ч/кг или 1,875 кВт.ч/м³. Степень конверсии углеводородных отходов – более 99%.

Газодисперсный поток реакционной смеси, поступающий на постплазменную стадию (конверсия, очистка и разделение) характеризуется следующими параметрами:

- расход потока 293 кг/ч (424 м³/ч);

- температура потока 700 К (427^оС);

- давление 0,1 МПа;

- содержание высокодисперсной сажи 8 г/м³

- состав газовой фазы потока Н₂ 37,82; СО 18,11;

реакционной смеси (мол.%): СН₄ 0,40,2; С₂Н₂ 0,30,2

Н₂О 42,44; С_конд. 1,00,5.

Требуемое соотношение Н₂:СО может регулироваться изменением рабочих параметров плазмотрона, а также изменением соотношения плазмообразующего газа (водяного пара) и исходного сырья (углеводородных отходов).

Постплазменная стадия состоит из конверсии СО, улавливания технического углерода (сажи) и очистки водорода от примесей. Конверсию СО в СО₂, сопровождающуюся получением дополнительного количества водорода, а также улавливание сажи проводится традиционными способами. Очистка водорода производится металлогидридным способом извлечения водорода из водородсодержащего потока. Этот способ обеспечивает получение водорода сверхвысокой чистоты. Он основан на способности некоторых металлов и сплавов образовывать при адсорбции водорода гидриды, которые легко разлагаются при определённых условиях, выделяя водород. Металлогидридный способ извлечения и очистки водорода отличается сравнительной простотой, безопасностью и незначительными энергозатратами.

Плазменная установка гибкого типа не только позволяет обезвреживать органические отходы широкого диапазона, но и производит водород необходимой чистоты для нужд региональной промышленности.

В ряде стран (Швеция, США, ЮАР и др.) ещё в начале 80-х гг. прошлого века уже были реализованы проекты по производству конвертированного газа плазменным способом. Так в ЮАР построен завод по получению губчатого железа (250-300 тыс. т/год), на котором использован плазменный реактор мощностью 40 МВт для производства синтез-газа из отходящих доменных газов и газов, получаемых при переработке угля. Применение плазменной технологии при выплавке стали сокращает потребление кокса в расчёте на 1 т железа с 500 до 50 кг в результате замены значительной части кокса дешёвым углём.

На обычных установках восстановительной металлургии синтез-газ получают паровой конверсией природного газа; применение плазмы снижает его расход на 50%, устраняет необходимость в сероочистке и сокращает пускоостановочные операции.

Разработан плазменный генератор, пригодный для конверсии различного сырья (угля, мазута, полукокса, биомассы) в синтез-газ требуемого состава (от 43 до 62% СО и от 55 до 35% Н₂ при содержании СО₂ не более 3%). Уголь газифицируется в плазменном реакторе при температуре 1400^оС, синтез-газ проходит через колонну, заполненную горячим коксом для регулирования содержания в газе СО₂ и воды. Потребление энергии плазменным генератором при получении газа с высоким содержанием СО не превышает 7-10% от общего энергопотребления в процессе. Можно получить также синтез-газ с повышенной концентрацией водорода (до 30-40%), но процесс будет экономичен только при весьма дешёвой электроэнергии.

При плазменной газификации угля в отсутствие кислорода среди конечных продуктов не образуются такие вредные для окружающей среды выбросы, как оксиды азота и серы, полициклические и ароматические углеводороды, диоксин. Твёрдый остаток газификации выводится из реактора в виде расплавленного шлака. Шлак гранулируется при быстром охлаждении водой с получением стекловидного продукта, содержащего в связанном виде соли тяжёлых металлов: никеля, ванадия, хрома, кобальта, железа. Эти соли не выщелачиваются водой, поэтому шлаковые выбросы не вызывают загрязнения грунтовых вод.

Разработан процесс получения топливного газа из угля, торфа и различных органических отходов (в том числе из автопокрышек). Стоимость такого топлива сопоставима со стоимостью импортируемой в США нефти.