- •Оглавление
- •Введение
- •1. Плазма в химической технологии
- •1.1. Основные предпосылки использования плазмы в химических процессах
- •1.2. Плазмохимические процессы
- •2. Генераторы низкотемпературной плазмы
- •2.1. Выбор типа разряда и конструкции плазмотрона
- •2.2.Электродуговые плазмотроны
- •2.3. Высокочастотные плазмотроны
- •3. Теоретические основы плазмохимических процессов
- •3.1. Термодинамика плазмохимических процессов
- •3.2. Термодинамический анализ процессов превращения углеродсодержащих веществ в квазиравновесной низкотемпературной плазме
- •Энергии (энтальпии) энергоносителя Кривая 1 2 3 4 5 6 7
- •3.3. Кинетика плазмохимических процессов
- •Применимость классической химической кинетики к плазмохимическим процессам
- •3.4. Некоторые кинетические особенности и механизм превращения твёрдых углеродсодержащих веществ в плазме
- •4. Плазмохимическая переработка углеродсодержащего сырья
- •4.1. Научное обоснование плазмохимической переработки углеродсодержащих соединений
- •Промышленная реализация плазмохимического получения ацетилена из газообразных и жидких углеродсодержащих соединений
- •4.2.3. Плазмохимическое получение ацетилена из угля
- •Пребывания, с:
- •4.3. Плазменная конверсия углеродсодержащего природного сырья
- •Показатели процесса плазменной газификации подмосковного бурого угля и горючего сланца Джамского проявления
- •Характеристика твёрдого остатка плазменной паровой газификации горючего сланца
- •Распределение металлов в продуктах плазмохимической переработки горючих сланцев Джамского проявления
- •Содержание различных элементов в исходном сланце и степень их концентрирования в шлаке плазмохимической переработки (мас.%)
- •Баланс распределения рения в продуктах плазмохимической переработки горючих сланцев
- •Баланс распределения урана в продуктах плазмохимической переработки горючих сланцев
- •Сравнительная оценка различных способов получения водорода по сырьевым и энергетическим расходным показателям*)
- •Сырья плазменным способом:
- •4.4. Плазменное получение технического углерода (сажи)
- •В состав производства сажи входят:
- •4.5. Совмещение процессов пиролиза и газификации в одном блоке. Эксергетический и термоэкономический анализ этой энерготехнологической системы
- •Парокислородной газификацией
- •Описание технологических схем
- •5. Плазмохимическая переработка промышленных и бытовых отходов
- •Углеводородный, хлоруглеводородный вариант
- •Топливный вариант
- •Сажевый вариант
- •6. Плазменно-энергетические технологии использования твёрдых топлив для снижения выброса парниковых газов
- •Заключение
- •Рекомендованная литература
- •Переработка углеродсодержащих веществ в высокотемпературной плазме
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 50000 К) является область переработки промышленных и бытовых отходов.
В силу своего основного преимущества – чрезвычайно концентрированной удельной энергии плазма лучше, чем любое другое воздействие, пригодна для обезвреживания, уничтожения и утилизации отходов. Плазмохимический способ в этой области является сильной альтернативой термическому способу благодаря высокой интенсивности процесса. Кроме высокой удельной производительности реакционного объёма (до 100 тыс. кг/ч.м3) необходимо отметить еще несколько явных его достоинств, а именно:
Для плазмохимического способа отсутствуют ограничения по фазовому состоянию и химическому составу отходов. Этим способом можно перерабатывать также трудногорючие и негорючие отходы.
Плазмохимическая технология переработки сырья (в данном частном случае отходов) является сама по себе безотходной, т.е. конечным звеном в цепи множества химических и биологических процессов.
Плазмохимический способ является также ресурсосберегающим. Например, переработка 1 т хлорорганических отходов позволяет экономить от 0,1 до 0,3 т суммы ацетилена и этилена, до 0,7 т хлора, от 0,3 до 1,1 т карбида кальция. Для производства плазмохимического ацетилена требуется меньше электроэнергии (21,6 МДж/кг вместо 38,9 МДж/кг) по сравнению с карбидным способом. При переработке трудногорючих и негорючих хлорорганических отходов экономится от 0,1 до 1 т топлива на 1 т отходов по сравнению со способом термического обезвреживания.
Здесь полезно указать следующие недостатки термического способа (сжигание в печах, топках):
Ограничение по сырью. Нельзя перерабатывать негорючие отходы, для их обезвреживания требуется вводить дополнительное топливо.
Низкая интенсивность процесса. Удельная производительность реакционного объёма составляет не более 100 кг/(ч.м3). В этой связи печи имеют большую металлоемкость и требуют для размещения значительных площадей.
Невозможность переработки отходов в целевые ценные продукты.
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 своём 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 плазмохимический 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 способа переработки хлорорганических и органических отходов в производство синтеза различных хлорорганических продуктов, например, винилхлорида.
Из анализа результатов термодинамических расчётов системы С-Н-Сl следует, что необходимую для производства винилхлорида смесь С2Н2:НСl = 1 (20 об.%) можно получить при 1500-1800 К 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 расчёты подтверждены в экспериментах на многих установках.
В кинетических расчётах разложения хлоруглеводородов предполагается, что за время 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 расчётах 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 расчётов 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 (515).10-5с. Во втором случае смесь получалась за 10-4с при 1400-1700 К.
Накопленный теоретический и экспериментальный материал лёг 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, тяжёлых 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 сырьё: метановодородная фракция, этиленсодержащие газовые выбросы производства разветвленных карбоновых кислот.
При переработке хлорорганических и органических отходов в водородной плазме образуется 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, наличия производств, в которых можно использовать ацетилен, этилен, пирогаз. Приведем некоторые варианты использования пирогаза.