Технические характеристики установки РАСТ-8 следующие:

- мощность - 1 МВт.

- температура в зоне плазменной дуги - 10 000-20 000 °C,

- температура в реакционной зоне - 1 000-1 300 °C,

- производительность по конденсаторам - 300-500 кг/ч,

- степень деструкции - 99,9999 %,

- количество твердых отходов на тонну перерабатываемых конденсаторов - 0,4 т.

Упрощенным вариантом «Плазмокса» и РАСТ-8 без установки центрифуги является плавильная печь фирмы Europlasma (г. Бордо, Франция) для переработки токсичной золы МСЗ (рис. 4). Мощность внедренных этой фирмой установок (во Франции, Японии и других странах) составляет от 6 до 41 т/сут. Нелетучие минеральные компоненты, в том числе соли тяжелых металлов, извлекаются из печи в виде расплава (вторичного продукта), а возгоны летучих веществ (кадмий, ртуть, свинец) после системы сорбции и улавливания собираются для последующего концентрирования, утилизации или захоронения.

Специалистами Института тепло- и массообмена им. А. В. Лыкова и ООО «Плазмактор» (г. Минск, Беларусь) разработана, изготовлена и испытана плазменная камерная печь периодического действия мощностью до 50 кВт и производительностью 20-30 кг/ч, показанная на рис. 2.3.6 [6]. Печь предназначена для обезвреживания сравнительно небольших объемов медицинских и биологических отходов. После загрузки отходов в количестве примерно 10-15 кг и включения плазмотрона цикл их переработки (сжигания) составляет примерно 10 мин и зависит от состава отходов. После завершения цикла работы плазмотрон выключается и печь переходит в режим остывания и разгрузки шлака. Суммарное время реализации всех стадий составляет около 30 мин, после чего печь готова к следующей загрузке и включению.



Рисунок 2.3.5 Плазменная печь для обезвреживания медико-биологических отходов

Плазменная установка переработки инфицированных медицинских отходов была разработана и спроектирована специалистами ЗАО «Плазма Тест». Принципиальная технологическая схема установки приведена на рис. 6. Основу оборудования составляет двухкамерная кессонная металлургическая печь с ванной расплава шлака и металла и плазмотроном на боковой стенке, обеспечивающим температурный уровень от 2 000 до 5 000 °С. Максимальная проектная пропускная способность по отходам - 60 кг/ч (500 т в год). По ряду технических и экономических факторов указанная установка не была введена в постоянную эксплуатацию.

Рис. 1.8 Технологическая схема плазменной установки ЗАО «Плазма Тест» для обезвреживания медицинских отходов

В целом рассмотренная технология обработки неподвижного слоя токсичных отходов ударной плазменной струей характеризуется низкой эффективностью тепло- и массообмена. Существенное усложнение установки за счет встроенной центрифуги для перемешивания расплава на поду печи кардинально не повышает эколого-технологические параметры процесса.

· Термическая обработка отходов в платном фильтрующем слое.

Наибольшее распространение в практике пиролиза и газификации твердых бытовых, промышленных и медицинских отходов нашли вертикальные шахтные печи. Классическим примером противоточной шахтной печи для пиролиза твердых отходов является реактор, разработанный ГУП МосНПО «Радон» [9], представленный на рис. 1.

Упаковки с отходами поступают через узел загрузки в верхние слои шахты и, опускаясь под действием силы тяжести, нагреваются за счет теплоты газов, движущихся вверх им навстречу.

Источником энергии служат дуговые плазмотроны, установленные в подовой части печи над ванной. В качестве плазмообразующего газа используется воздух. Применение воздушных плазмотронов достаточной мощности позволило отказаться от дополнительного топлива. В верхней части печи отходы проходят стадии сушки и пиролиза, сопровождающиеся интенсивным газовыделением.

В высокотемпературной зоне шахтной печи в нижних слоях отходов происходит возгонка летучих соединений. В то же время в среднем и верхнем уровнях шахты печи, в зоне относительно низких температур, эти соединения концентрируются и сорбируются в слое отходов. Коксовый остаток в значительной степени выжигается, а минеральные компоненты плавятся и поступают в зону накопления расплава.

Технологическая схема опытно-промышленной установки «Плутон», разработанной ГУП МосНПО «Радон» для обезвреживания радиоактивных отходов, с агрегатной нагрузкой 200-250 кг/ч [10] приведена на рис. 2. Эта установка позволяет перерабатывать смешанные твердые отходы, содержащие не только горючие компоненты (древесину, бумагу, ветошь, пластики), но и негорючие (металл, стекло, грунт, изоляционные материалы).

Температура отходящих газов на выходе из шахтной печи не превышала 250-300 °С, пирогаз (помимо горючих газов) содержал смолистые вещества и аэрозоли сажи и золы, которые подвергались обработке в многоступенчатой системе пылегазо- очистки. Температура шлакового расплава в ванне печи достигала 1 600-1 800 °С. После охлаждения был получен продукт, пригодный для безопасного хранения.

Рис. 2.3.7 Плазменная шахтная печь для переработки твердых радиоактивных отходов: 1 - узел загрузки; 2 - шахта; 3 - под; 4 - бокс приема шлака; 5 - плазмотрон; 6 - стопор; 7- выход пирогаза

На основе длительного цикла научно-исследовательских работ, выполненных на установке «Плутон», была разработка демонстрационного комплекса по переработке ТБО в Израиле с проектной нагрузкой 500 кг/ч (см. фото), введенного в опытную эксплуатацию в 2007 г. по контракту между РНЦ «Курчатовский институт» и израильской компанией EER (Environmental Energy Resources). Проектно-конструкторские работы были выполнены ООО «ВАМИ» (г. Санкт-Петербург) при участии ОАО «ВНИИАМ» и ОАО «НПО «Техэнергохимпром».

Шахтная печь для термической переработки отходов (твердых бытовых, промышленных, медицинских и биологических) с агрегатной нагрузкой до 200 кг/ч разработана Инстиутом тепло- и массообмена им. А.В. Лыкова совместно с другими организациями Республики Беларусь [11, 12]. В качестве плазменных горелочных устройств применяются электродуговые плазмотроны постоянного и переменного тока.

Шахтный процесс переработки дал возможность реализовать режим противотока при нагревании и термической обработке отходов, а охлаждение и фильтрацию отходящих газов - непосредственно в самом слое. Для этого в состав шихты добавляли органический фильтрующий материал - мелкие древесные опилки.

Глубокое регенеративное использование теплоты отходящих газов, присущее описанным выше противоточным шахтным печам пиролиза и газификации органических 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 (в зоне относительно низких температур) выносятся из печи восходящим (встречным) газовым потоком, загрязняя собой продуцируемый синтез-газ. Это ведет к необходимости тщательной многоступенчатой очистки синтез-газа, существенно усложняя процесс и увеличивая как стоимость оборудования, так и эксплуатационные расходы.

Рисунок 2.3.8 Технологическая схема установки «Плутон»

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 увеличиваются выход горючего газа и его теплота сгорания и, что самое существенное, отпадает необходимость в очистке синтез-газа от смолопродуктов.

· Дожигание отходящих из печей газов с помощью плазменных источников энергии

В последние годы практикуется двухступенчатое термическое обезвреживание органических отходов: в первой ступени, реализуемой в виде камерной, барабанной, шахтной печи или реактора псевдоожиженного слоя, осуществляется неполное сжигание, пиролиз или газификация отходов, а во второй ступени проводится дожигание продуктов неполного горения (углерод, Н₂, СО, C_mH_n, смолы), поступающих с газообразным потоком из первой ступени [16].

Отдельные фирмы, например Euro- plasma (Франция), предлагают использовать в камерах дожигания плазменный источник энергии (рис. 4).



Рис. 1.9 Технологическая схема установки термической переработки отходов с плазменным дожигателем

Аналогичное решение применили ряд фирм и организаций, в том числе Институт тепло- и массообмена им. А. В. Лыкова, установив плазмотроны в камере дожигания газов пиролиза, отходящих из шахтной печи [17].

Однако расчетные и экспериментальные исследования показывают, что плазменные генераторы не могут обеспечить эффективное перемешивание относительно большого объема дымовых газов с поддержанием их температуры на уровне около 1 200?1 250 °С при времени их пребывания при указанной температуре не менее 2,0 °С.

Опыт свидетельствует, что только применение футерованной цилиндрической камеры дожигания с тангенциальным вводом дополнительного газообразного или жидкого топлива приводит к эффективному турбулентному перемешиванию газообразных продуктов и практически полному окислению остаточных органических соединений отходящих газов.

2.5 Плазмотермическая переработка бытовых отходов в России

В последние годы в мировой практике обращения с ТБО наметилась устойчивая тенденция перехода от сжигательных технологий, не обеспечивающих надежной экологической безопасности для населения, к технологиям высокотемпературной плазмотермической переработки отходов, гарантирующей существенное сокращение выбросов в атмосферу диоксинов и фуранов (наиболее токсичных продуктов переработки отходов) до экологически и санитарно-гигиенических безопасных уровней, а также радикальное решение проблемы избавления от золошлаковых отходов, образующихся при традиционных способах сжигания ТБО.

· Тепло и электроэнергия.

В предлагаемых для России и других стран схемах (технологических комплексов) предусматривается совмещенное использование (отработанной уже на пилотных установках) технологии плазмотермической переработки ТБО с промышленными энергоблоками парогазовых установок комбинированного цикла, например, газотурбинных установок (ГТУ), выпускаемых ОАО «Авиадвигатель». Один из вариантов технологической схемы такой установки представлен на рис. 1. В этой схеме для обеспечения работы ГТУ мощностью 25 МВт (или блока из двух ГТУ по 25 МВт каждая) используется природный газ с учетом его доступности на внутреннем рынке России.

Две ГТУ суммарной мощностью до 50 МВт позволяют при сооружении энергоперерабатывающего комплекса обеспечить быстрое упреждающее начало коммерческих поставок электроэнергии (и, следовательно, снижение возможной кредитной нагрузки на инвестированный капитал за счет возврата кредитных средств), поскольку поставляемые промышленные энергоблоки можно быстро ввести в эксплуатацию независимо от сопрягаемой мусороперерабатывающей части технологического комплекса.



Рисунок 2.4.1. Принципиальная блок-схема комбинированной газотурбинной энергогенерирующей установки, совмещающей плазмохимическую переработку ТБО с конверсией полихлорвиниловых отходов в высококалорийное жидкое топливо: 1 - блок питания плазмотронов, 2 - узел загрузки ТБО в реактор, 3 - плазменный реактор-газификатор, 4 - подовая часть реактора, 7 - бойлер, 9 - газовая турбина, 10 - котел-утилизатор, 11 - паровая турбина, 12 - конденсатор, 13 - вентиляторная градирня, 15 - водоподготовка, 16 - блок каталитической газоочистки, 17 - газгольдер, 22 - агрегат изготовления теплоизоляционного материала, 23 - конвертор полимеров в жидкое топливо, 24 - оборудование для выработки продукции, содержащей углекислоту.

Технологический комплекс работает следующим образом. Горючий (пиролизный) газ, генерируемый в результате переработки отходов в плазмотермических реакторах, подвергается сжиганию в реакторах-дожигателях, а получаемые в результате этого продукты сгорания, имея на выходе температуру около 1 100-1 200 ⁰С, подаются в котлы-утилизаторы (бойлеры), в которых вырабатывается пар высоких параметров.

Котел-утилизатор имеет двухсекционную (двухконтурную) конструкцию. В первом контуре, куда подаются отработавшие горячие газы из газовых турбин (при температуре на выходе около 500 ⁰С), происходит получение пара, который затем подается во второй контур бойлера, где осуществляется его перегрев. Приготовленный таким образом сухой пар подается на паровую турбину для выработки электроэнергии. Сбросной поток отработавшего газа из первого контура, а также отработавший пар из паровой турбины могут использоваться в целях коммерческого теплоснабжения.

Промышленный энергоблок (например, ГТЭ-25 ПЭР ОАО «Авиадвигатель», рис. 2) в составе двух газовых и одной паровой турбины с промежуточным перегревом пара обеспечивает выработку 65-67 МВт электроэнергии (в том числе 20 МВт - с паротурбинного электрогенератора) с суммарным КПД (на клеммах) около 51-52 % [1].

Поскольку котлы-утилизаторы, в которых за счет энергии продуктов сгорания пирогаза обеспечивается получение дополнительного количество пара (сверх получаемого за счет отработавших газов от газовых турбин), в составе энергоблока может быть использована либо более мощная паровая турбина (на 25-26 МВт), либо вторая паровая турбина (на 5-6 МВт) в дополнение к штатной турбине промышленной парогазовой установки.

Таким образом, используя четыре плазмотермических реактора суммарной производительностью 8-10 т отходов в час с паротурбинным энергоблоком на 5-6 МВт в комбинации с промышленной парогазовой установкой, состоящей из двух ГТУ и одной ПТУ (паротурбинной установки), на комбинированном энергоперерабатывающем технологическом комплексе возможно ежегодно утилизировать около 50 тыс. т ТБО с выработкой более 450 тыс. МВт*ч электроэнергии для поставки внешним потребителям.



Рисунок 2.4.2 Парогазотурбинные установки комбинированного цикла на базе ГТД ПС 90-А

Кроме того, за счет отходящих газов ГТУ на выходе из первых контуров котлов-утилизаторов возможно получение более 100 тыс. Гкал/год тепловой энергии при температуре теплоносителя около 90-95 ⁰С в дополнение к 1 400-1 500 тыс. Гкал/год с отработавшим паром ПТУ при температуре 170-180 ⁰С.

Другой вариант технологической схемы энергоперерабатывающей установки предполагает обеспечение работы комбинированного парогазового энергоблока преимущественно за счет получаемого от переработки отходов горючего пирогаза с подмешиванием к нему (при необходимости) 10-15 % природного газа. Такая установка работает следующим образом. Горючий (пиролизный) газ, генерируемый в результате переработки отходов в плазмотермических реакторах, имея на выходе температуру 200-250 ⁰С, подвергается предварительной очистке от пыли и агрессивных хлористых и сернистых компонентов, и после компримирования до давления 12-15 атм. подается непосредственно в камеры сгорания газовых турбин.

Отработавший газ из газовой турбины, имея температуру около 400 ⁰С, поступает в котел-утилизатор (бойлер), где используется для приготовления пара с температурой около 300 ⁰С, который затем под давлением 4-5 атм. подается на паровую турбину. Сбросной поток отработавшего газа, а также отработавший пар из паровой турбины могут быть использованы для теплоснабжения. В качестве комбинированного энергоблока возможно использование промышленной ГТУ-ТЭЦ «Янус» (Пермского завода) с двумя турбинами ГТУ-4П по 4 МВт и одной паровой турбиной мощностью 3 МВт.

Таким образом, с помощью четырех плазмотермических реакторов суммарной производительностью 8-10 т отходов в час с паротурбинным энергоблоком на 3 МВт в комбинации с промышленной газотурбинной установкой из двух ГТУ мощностью по 4 МВт, на энергоперерабатывающем комплексе возможно обеспечить ежегодную утилизацию около 50 тыс. т ТБО с выработкой 80-85 тыс. МВт*ч электроэнергии для поставки внешним потребителям. Кроме того, за счет отходящих газов газовых турбин и отработавшего горячего пара ПТУ можно получить более 150 тыс. Гкал/год тепловой энергии при температуре теплоносителя не менее 120-130 ⁰С. Суммарный КПД такой энергогенерирующей установки может составлять не менее 32 %.

Эта технологическая схема энергоперерабатывающего комплекса предполагает необходимость применения специальной камеры сжигания для газовой турбины, способной обеспечить ее работоспособность на низкокалорийном топливном газе, каковым является получаемый из отходов пирогаз. Такая камера сгорания разработана, испытана и запатентована в РФ [2]. При этом следует заметить, что поскольку в камере сгорания газовой турбины средняя по ее объему температура продуктов сгорания, а также время их пребывания в пределах зоны повышенной температуры оказываются недостаточными для обеспечения надежной деструкции диоксинов и фуранов, система газоочистки должна включать в себя аппараты их каталитической нейтрализации.

Рисунок. 2.4.3 Модуль каталитической низкотемпературной деструкции диоксинов, фуранов и NO_x

Такие аппараты поставляются на рынок фирмой CRI CATALIST [3]. В технологии этой фирмы, именуемой Shell Dioxin Destruction System (SDDS), используется специально разработанный катализатор, обеспечивающий практически полную (не ниже 99,9 % начальной концентрации, что гарантирует не превышение установленной предельной концентрации вредных выбросов, составляющей 0,1 нг/м³) деструкцию диоксинов и фуранов в одноступенчатом процессе при температуре 140-160 ⁰С:

C₁₂H_nCl_8-nO₂ + (9+0,5n)O₂ > (n-4)H₂O + 12CO₂ + (8-n)HCl

Газоочистные модули SDDS поставляются в блоках, имеющих сравнительно небольшие габариты (210 х 143 х 142 см) и высокую пропускную способность при незначительном падении давления проходящих газов (3-3,5 мбар). Производительность по пирогазу - 70 тыс.м³/ч (100 тыс. т ТБО в год).

· Дизельное топливо из полимеров.

Известно, что заметную долю в составе ТБО составляют отработавшие изделия из пластмассы (полихлорвиниловых изделий), из которых может быть получено достаточно высококалорийное жидкое топливо типа дизельного. Известна, например [4], технология немецкой компании Clyvia technology GmbH (патент ФРГ №102005010151), в которой реализуется каталитическая деполимеризация углеродсодержащих полимерных отходов (крекинг высокомолекулярных углеводородных соединений) для получения дизельного топлива (рис. 4). Пирогаз от плазмотермического реактора после предварительной очистки подается в газовую турбину; туда же подается и жидкое топливо, полученное от переработки ПХВ на конверторе. Производительность установки по топливу - 500 кг/ч.

Рисунок 2.4.4 Дизель - реактор КDV-500 для получения жидкого дизельного топлива из полимеров

Использование (получаемого путем конверсии отсортированных из ТБО полимерных отходов) высококалорийного жидкого «дизельного» топлива с низкокалорийным пирогазом, образующимся при плазмотермической переработке ТБО, для обеспечения работы газотурбинного генератора (в целях обеспечения экономической рентабельности мусороперерабатывающих предприятий), а также теплоснабжения внешних потребителей осуществляется на основе технологической схемы, аналогичной схеме, представленной на рис. 1. В такой схеме пирогаз от плазмотермического реактора после предварительной очистки подается в газовую турбину; туда же подается и жидкое топливо, полученное от переработки ПХВ на конверторе (рис. 4).

Конструкторское бюро ОАО «Авиадвигатель» совместно с ОАО «СНИИП» разработало [2] двухзонную камеру сгорания для обеспечения работы газовой турбины на двух разных видах топлива (рис. 2). Атмосферный воздух, сжатый в осевом компрессоре газотурбинного двигателя, поступает в диффузор камеры сгорания. Жидкое топливо, сгорая в зоне дежурного горения, обеспечивает запуск двигателя и режим холостого хода. В зоне дежурного горения обеспечивается режим диффузионного горения на богатой смеси (при коэффициенте избытка воздуха б < 1). Основное топливо (пирогаз - до 80 % всего топлива) подается в основную зону горения, где смешивается с воздухом и воспламеняется от дежурной зоны горения. В основной зоне горения обеспечивается режим гомогенного горения бедной смеси (при коэффициенте избытка воздуха б > 1) также при более низкой температуре, что обеспечивает снижение образования окислов азота. Таким образом, обеспечивается устойчивое горение бедной смеси. Продукты горения направляются на лопатки соплового аппарата турбины.

Установка работает следующим образом. На переработку направляются два потока отходов: полимерные и смешанные ТБО, имеющие типовой морфологический состав. Отходы первого потока после предварительной сортировки поступают из накопителя в конвертор, где подвергаются переработке на жидкое топливо, отходы второго потока - на переработку в плазмотермические реакторы (количество которых определяется потребной производительностью завода), после чего получаемый из них пиролизный газ подвергается предварительной газоочистке. Оба вида топлива - жидкое и газообразное, а также компримированный воздух подаются в двухзонные комбинированные камеры сгорания, продукты сгорания в которых используются для обеспечения работы газовых турбин и соответствующих электрогенераторов. Отработавшие горячие продукты сгорания из газовых турбин подаются в бойлеры, в которых из приготовленной в системе химводоподготовки воды приготавливается пар для питания паровой турбины с электрогенератором. Таким образом, в комбинированном газопаротурбинном цикле производится электроэнергия для поставки внешним потребителям, и, возможно, тепло, которое может поставляться внешним потребителям. Отработавшие газы из бойлеров проходят через систему газоочистки и выбрасываются в атмосферу в виде экологически безопасного газового выброса. Вся технологическая система автоматизирована.

· Теплоизоляционные материалы из шлака.

Наиболее распространенным вариантом коммерческого использования шлака, получаемого в результате плазмотермической переработки ТБО, является его гранулирование и применение в качестве добавок к строительным материалам. Стоимость такого продукта на рынке оценивается как примерно 2 500 руб./т. Вместе с тем его стоимость может быть существенно повышена, если с помощью специальных технологий переработать его в стекловату или теплоизоляционный материал. Последнее основано на том, что по своему химическому составу шлак весьма близок к природному базальту, из которого изготавливается теплоизоляционный материал (маты, полотна). Эта технология хорошо отработана (рис. 5) и используется на ряде российских предприятий, например, в ООО «Теплотроника» [5].

Рисунок 2.4.5 Технологическое оборудование для производства теплоизоляционного материала из шлака

Эта технология предусматривает плавку базальта, превращение его из жидкой фазы в тонкие нити с последующим формованием из них матов, имеющих пористую структуру, и, следовательно, обладающей высокими теплоизолирующими свойствами наряду с высокой жаростойкостью (пожаробезопасностью). Поскольку жидкий шлак является естественным продуктом термической переработки отходов (в отличие от производства теплоизоляционного материала из базальта), исключается необходимость затрат энергии на плавление исходного сырья. Учитывая, что рыночная стоимость базальтового теплоизоляционного материала составляет в среднем 5 500 руб./м³, использование этой технологии в составе комплексов переработки отходов может заметно повысить их экономическую рентабельность.

До недавнего времени большим спросом пользовались утеплители из стекловолокна и минерального волокна на основе доменных шлаков. Однако данная продукция имеет ряд недостатков: выделение мельчайшей стеклянной пыли при механическом разрушении теплоизоляции, колючесть волокон, низкая температура применения (до 400 ⁰С), а также наличие связующего, которое постепенно испаряется в виде токсичных газов, таких как фенол, формальдегид, аммиак и др., что, в конечном итоге, приводит к образованию пустот между изолируемой поверхностью и теплоизоляцией. Кроме того, стекловата и минеральная вата на основе доменных шлаков являются вторичным материалом, так как изготавливаются из смеси компонентов, порой включающих отходы различных производств, что, в свою очередь, может способствовать процессам гниения или окисления изолируемых поверхностей. Срок службы перечисленных утеплителей ограничен, поскольку через 10-15 лет происходит их разрушение.

Практика производства теплоизоляционных материалов в последнее время идет по пути использования базальтовой теплоизоляции. Базальтовая теплоизоляция намного качественнее по свойствам, чем минеральные волокна или волокна с такой же структурой, имеющей в своем составе стекло. Базальтовое волокно (даже при условии длительной эксплуатации) остается прочным, емким и невосприимчивым к агрессивным средам, а сам материал не выделяет токсинов. Теплоизоляция из базальтовых горных пород отличается экологической и радиационной безопасностью, негорючестью, химической стойкостью и огнестойкостью, долговечностью, инертностью к изолированной поверхности, имеет неограниченный срок службы и высокий температурный диапазон применения от 300 до 900 ⁰С. Утеплитель на основе базальтового волокна «дышит», не закупоривает изолируемые поверхности, негигроскопичен, не выделяет вредных веществ во всех средах. Уникальные свойства материалов из базальтового волокна делают их применение универсальным в различных отраслях промышленности. В последние 10 лет изделия из базальтового волокна стали широко применяться в строительстве, энергетике, коммунальном хозяйстве и многих других отраслях промышленности.

Стоимость базальтовой крошки требуемого фракционного состава (15-25 мм) зависит от удаленности месторождения базальта и доходит до 900 тыс. руб. за одну тонну. Выход волокна из расплава составляет обычно 85 %. Стоимость готовой продукции из базальтовой ваты составляет не менее 1 500 руб. за 1 м³ при плотности теплоизоляционного материала 20-50 кг/м³ (то есть от 30 до 75 тыс. руб./кг).

Следует подчеркнуть, что производство теплоизоляционных материалов и изделий из базальтового сырья требует наличия достаточно громоздкого (габариты составляют около 4 Ч 4 Ч 20 м, масса - около 35 т) плавильного оборудования, нуждающегося к тому же в использовании природного газа или мазута в качестве топлива.

В то же время технология плазмотермической переработки ТБО обеспечивает не только экологически безопасную утилизацию отходов, но и получение в качестве вторичного продукта минерализованного шлака, обладающего рядом замечательных свойств, что, в частности, делает его пригодным для производства теплоизоляционных материалов, не уступающих по качествам базальтовому волокну.

Возможность использования шлакового расплава, образуемого в результате плазмотермической переработки ТБО, базируется на идентичности усредненного состава шлакового расплава (по основным компонентам) с химическим составом горных пород габбро-базальтовой группы. В табл. 1 представлены показатели состава горных пород и шлакового расплава, образующегося в различных производствах.

Показатели состава горных пород и шлакового расплава, образующегося в различных производствах

Химический компонент	Содержание химических компонентов, % масс.
	Горные породы габбро-базальтовой группы	Шлаки от переработки ТБО на заводе «Экотехпром», Москва	Шлаки от переработки отходов на установке «Плутон» НПО «Радон»
SiO2	39-51	46,1-56,3	35-56
Al2O3	10-19	6-9,3	18,8-27,9
Fe2O3	10-18	9-16,3	1,5-8,5
CaO	8-13	9-15,6	2,1-8,7
MgO	4-12	1,7-2,8	1,2-2,9
Na2O	В сумме 2-5	5,6-7,2	2,6-11,1
K2O		1,12-1,3	0,6-2,1
SO3	-	1,5-2,2	-

Основной показатель, определяющий пригодность сырья для производства минеральной ваты, - это модуль кислотности М_к, который представляет собой отношение суммы процентного содержания в сырье кислых оксидов (кремнезема SiO₂ и глинозема Al₂O₃) к сумме процентного содержания в нем основных оксидов (кальция CaO и магния MgO). Модуль кислотности минеральной ваты типа А - не менее 1,4; типов Б и В - не менее 1,2 (ГОСТ 4640). Для ваты на основе горных пород рекомендуется иметь модуль кислотности на уровне 1,7-2,2; для базальтового волокна - более 2,2.

Учитывая приведенные в табл. 1 данные, нетрудно определить, что модуль кислотности шлака для базальтовой крошки составляет 3,2:

SiO₂ + Al₂O₃ = 45,0 +14,5 = 59,5 %;

CaO + MgO = 10,5 +8,0 = 18,5 %;

М_к = 59,5 % : 18,5 % = 3,2.

Для шлака, образующегося в результате переработки ТБО на основе сжигательной технологии, применяемой на московском заводе МГУП «Экотехпром», по усредненным данным, представленным в табл. 1, модуль кислотности составляет примерно 4,0:

SiO₂ + Al₂O₃ = 51,2 +7,6 = 58,8 %;

CaO + MgO = 12,3 + 2,2 = 14,5 %;

М_к = 58,8 % : 14,5 % = 4,06.

Для шлака, образующегося в результате переработки отходов на основе плазмотермической технологии, по усредненным данным для установки «Плутон» МосНПО «Радон», модуль кислотности составляет не менее 9,0:

SiO₂ + Al₂O₃ = 45,5 +23,3 = 68,8 %;

CaO + MgO = 5,4 + 2,0 = 7,4 %;

М_к = 68,8 % : 7,4 % = 9,3.

Таким образом, по показателю кислотного модуля шлаковый расплав, получаемый в результате переработки ТБО по плазмотермической технологии, не уступает базальтовому сырью и соответствует требованиям ГОСТ 4640 для изготовления теплоизоляционного волокна и изделий из него. Выход шлакового расплава при таком компонентном составе отходов исходя из указанной зольности составит 21 тыс. т в год при производительности перерабатывающего комплекса 100 тыс. т в год.

В настоящее время оборудование для производства теплоизоляционных материалов из минерального сырья производится как в России, так и за рубежом. Наиболее известным поставщиком комплектного технологического оборудования в России является пермское предприятие ООО «Теплотроника». Ориентировочная стоимость полного комплекта технологического оборудования с его установкой «под ключ» составляет 25 млн руб.

Одним из ведущих зарубежных поставщиков аналогичного технологического оборудования является научно-производственная компания Basalt Fiber & Composite Materials Technology Development («BF&CM TD»). При поставках этого оборудования к производственным помещениям предъявляются следующие требования: высота в месте установки плавильной печи должна составлять 10 м; ширина - 12 м; длина - 40 м. Необходимые инженерные коммуникации: газ среднего давления (0,03-0,04 МПа, расход 350 м³/ч), электроэнергия (3 Ч380 В, 50 Гц), установленная мощность (600 кВА (с учетом двукратного резерва), сжатый воздух (60 м³/мин), давление (0,12 МПа), водоснабжение (до 5 м³/ч (оборотное с градирней), давление воды (0,3 МПа), канализация для обеспечения бытовых нужд.

· Углекислотная продукция из вторичного сырья.

Еще одним направлением повышения рентабельности плазмотермической переработки ТБО является производство продукции, содержащей углекислоту, на основе использования вторичных продуктов переработки отходов. Актуальность использования этой технологии в Московском регионе связана с тем, что в настоящее время в Москве имеется единственный производитель продукции, содержащей углекислоту, - хладокомбинат № 7, использующий устаревшую технологию и технологическое оборудование. При этом суммарная потребность в «сухом льде» составляет около 40 т в день (в летнее время), потребность в жидкой двуокиси углерода - около 200 т в день, а спрос на углекислый газ исчисляется тысячами баллонов.

Диоксид углерода применяется в различных отраслях пищевой и химической промышленности, машиностроении, металлургии, энергетике, в сельском хозяйстве и др. Технология его производства зависит от вида источника сырья (углекислого газа), а энергетические затраты - от совершенства термодинамических циклов, схем и оборудования.

Наиболее часто используемым источником сырья являются дымовые газы, хотя они содержат всего 10-20 % диоксида углерода. Извлечение чистого диоксида углерода из дымовых газов, получаемых при сжигании природного газа, основано на абсорбционно-десорбционном методе, который отличается сложностью и относительно невысокой энергетической эффективностью. Вследствие этого, а также роста цен на природный газ, себестоимость диоксида углерода существенно возрастает.

В настоящее время основное внимание разработчиков и производителей углекислотных установок, использующих для получения углекислого газа продукты конверсии природного газа, сконцентрировано на совершенствовании техники сжигания природного газа за счет повышения термических КПД: с ~0,80-0,85 для существующих котлов до 0,95-0,98. Однако вряд ли можно ожидать заметного снижения себестоимости производства углекислого газа при использовании этих технологий. Более эффективным представляется использование дымовых (технологических) газов, образующихся в качестве побочного продукта основного производства, например, плазменной переработки отходов различного происхождения.

Еще одним важным резервом снижения себестоимости получения углекислого газа является использование бросовых источников теплоты в виде водяного пара и горячей воды. Смысл такого подхода состоит в том, что водяной пар с температурой выше 130-140 ⁰С, необходимый для извлечения диоксида углерода из дымовых газов абсорбционно-десорбционным методом, в существующих установках получают за счет сжигания природного газа в котлах. Поскольку технологические комплексы плазменной переработки отходов, как правило, предполагают применение принципа когенерации, то есть использования газопаротурбинных энергоустановок для выработки электроэнергии и бросового тепла за счет отработавших газов и пара, напрашивается идея совмещения технологии плазменной переработки отходов с производством продукции, содержащей углекислоту. При этом заслуживает внимания и тот факт, что наличие в составе установки по переработке отходов автономного источника электроэнергии также может рассматриваться как фактор, способствующий повышению общей эффективности работы блока получения продукции (содержащей углекислоту), а с учетом конъюнктуры рынка на такую продукцию (о чем будет сказано ниже) - и как фактор обеспечения повышенной рентабельности переработки отходов.

В настоящее время наиболее совершенное технологическое оборудование для производства продукции, содержащей углекислоту, предлагается швейцарской фирмой Asco Kohlensaure AG [6]. На рис. 6 показана типовая установка Asco Kohlensaure AG для производства жидкой углекислоты. Установки такого типа выпускаются с производительностью (по жидкой углекислоте) от 70 до 1 000 кг/ч; соответствующая производительность по «сухому льду» составляет от 30 до 400 кг/ч. В качестве исходного сырья для получения углекислого газа используется природный газ, дизельное топливо или керосин, а также любое их сочетание. Работа установки включает последовательные операции «мокрой очистки» (промывки) используемых в качестве исходного сырья технологических газов, абсорбции СО₂, отделение побочных фракций, охлаждение СО₂, сжижение СО₂.

Среди отечественных производителей оборудования для выпуска продукции, содержащей углекислоту, следует отметить Краснодарский компрессорный завод [7] и Научно-производственное объединение «Автогазтранс» [8]. Краснодарский компрессорный завод предлагает к поставке комплект оборудования для выделения и очистки углекислого газа, отвечающего требованиям ГОСТ 8050-85, а также углекислотные станции УВЖС, предназначенные для получения жидкой углекислоты и «сухого льда» по схеме высокого давления.

Состав (и стоимость) оборудования для выделения и очистки углекислого газа и схемы обвязки определяются на стадии проектирования с учетом данных об объеме и составе исходного газа. В зависимости от способа получения исходного сырья в состав оборудования могут входить: скруббер холодный, абсорбер, промывная колонка, десорбер, теплообменник раствора, холодильник раствора, холодильник абсорбера, холодильник газа, регенератор или колонка с содовым раствором, колонка с раствором KMnO₄, колонка с активированным углем.

Установки УВЖС служат для сжижения очищенного углекислого газа и разливки его в углекислотные баллоны емкостью 40-50 л при давлении 55-75 бар или для получения «сухого льда» в ледоформах в виде блоков размером 200Ч200Ч850 мм и массой 42-44 кг. Они выпускаются в трех вариантах: УВЖС-1 для получения «сухого льда» и жидкой углекислоты; УВЖС-2 для получения только «сухого льда»; УВЖС-3 для получения только жидкой углекислоты. В табл. 2 представлены основные характеристики установки УВЖС-1:

Основные технические характеристики установки УВЖС-1

Производительность номинальная по жидкой углекислоте при давлении газа на всасывании 1 кг/см2 и температуре всасывания 0 0С, кг/ч	220-250
Производительность номинальная по сухому льду при давлении газа на всасывании 1 кг/см2 и температуре всасывания 0 0С, кг/ч	60-70
Давление всасывания, кг/см2	1,0-1,7
Давление нагнетания, кг/см	70-75
Мощность электропривода компрессора, кВт	75-90
Электропитание, В; Гц	3Ч380; 50
Температура охлаждающей воды для конденсаторов номинальная, 0С	22
Расход воды, м3/ч	14

Стоимость углекислотных установок УВЖС, объявленная заводом, на условиях поставки в течение 120-150 дней после получения предоплаты, составляет (без НДС): 4 250 тыс. руб. за УВЖС-1; 4 190 тыс. руб. за УВЖС-2; 3 660 тыс. руб. за УВЖС-3.

В соответствии с вышеизложенной концепцией, обеспечение максимальной рентабельности плазмотермической переработки ТБО предполагает максимально возможное и целесообразное использование вторичных продуктов переработки отходов. Применительно к задаче выработки углекислоты к таким продуктам относятся: сбросные газы от газификации и пиролиза органических компонентов отходов в плазмохимических реакторах, выхлопные газы энергогенерирующих установок, работающих на пирогазе с частичной подсветкой природным газом (или только на природном газе, если это предусмотрено регламентом их работы); пар, получаемый за счет утилизации сбросного тепла выхлопных газов установок, а также отработавший пар паротурбинных генераторов; избыточная электроэнергия при ее наличии после покрытия собственных технологических нужд и поставок внешним потребителям или, в случае экономической целесообразности использования вырабатываемой электроэнергии, - для обеспечения производства сопутствующих продуктов вместо строительства линий электропередачи и подключения к региональным электросетям.

На рисунке 2.4.7 представлены результаты расчета газовых потоков и их состава при работе завода по переработке отходов с производительностью 3,5 т отходов в час и наличии в составе энергоблока завода двух газотурбинных установок с электрической мощностью 6 МВт каждая. Как следует из представленных таблиц, после десорбции СО₂ из очищенного газа можно получить до 1 900 м³ углекислого газа в час.

Опыт эксплуатации углекислотного оборудования на Московском хладокомбинате № 7 свидетельствует, что расход углекислого газа составляет примерно 400 м³ на тонну «сухого льда». Другими словами, по углекислому газу обеспечивается выработка порядка 4,75 т «сухого льда» в час.

Если принять, как показано расчетами, что количество сбросного тепла от работы энергоблока равно примерно 22 Гкал/ч, а теплоемкость пара при температуре 150 ⁰С составляет 656 ккал/кг, то этого тепла достаточно для получения примерно 15 т пара в час. По опыту Московского хладокомбината № 7 потребность в паре при температуре 140 ⁰С и давлении 2 атм. составляет примерно 5 т на выработку 1 т «сухого льда». Таким образом, по пару обеспечивается выработка, по крайней мере, 3 т «сухого льда» в час. Заметим также, что на выработку жидкой углекислоты расходуется не более 3 т пара на тонну.

Что касается потребности в электроэнергии, то опыт Хладокомбината № 7 свидетельствует о потребных затратах примерно 630 кВт*ч/т «сухого льда» или порядка 300 кВт*ч/т жидкой углекислоты. Таким образом, на выработку трех тонн «сухого льда» (выработка по пару) в час затраты электроэнергии составят порядка 1890 кВт*ч, то есть почти 2 МВт вырабатываемой электрической мощности.



Рисунок 2.4.7 Расчет газовых потоков и их состава при работе завода по переработке отходов

Принимая во внимание, что оптовая стоимость «сухого льда» на рынке составляет, как минимум, 20 руб./кг, за 3 тонны «сухого льда» в час можно ожидать выручки 60 тыс. руб. Другими словами, максимальная расчетная величина выручки составляет около 16 млн долл. в год.

Для сравнения: при продаже 22 Гкал/ч тепла внешним потребителям с учетом действующего тарифа 1 000 руб./Гкал выручка составит примерно 22 тыс. руб. За счет продажи 1 890 кВт*ч электроэнергии внешним потребителям с учетом тарифа 2,5 руб./кВт*ч выручка составит примерно 4 725 руб. Таким образом, чистая выгода от использования внутренних ресурсов для производства продукции, содержащей углекислоту, вместо продажи их внешним потребителям наверняка превысит 30 тыс. руб./ч, что гарантирует годовую выручку не менее 8 млн долл. Это обеспечит окупаемость углекислотного оборудования менее, чем за один год. При этом следует отметить, что в вышеприведенных расчетах не принимались во внимание затраты на создание инфраструктуры для поставки тепла и электроэнергии внешним потребителям, а также связанные с этим организационные затраты.

Важным обстоятельством является также фактор возможного повышения качества и, как следствие, цены за продукцию, содержащую углекислоту и производимую на основе импортных технологий и оборудования. Так, например, стоимость жидкой углекислоты (на которую, например, в Москве существует очевидный дефицит) может составлять от 4 до 10 руб./кг в зависимости от качества продукта. К сожалению, отечественное оборудование не обеспечивает необходимого во многих случаях качества.

· Получение технологического водорода.

Наиболее многообещающим путем достижения высокой рентабельности плазмотермической переработки ТБО следует считать использование технологии получения водорода, являющегося топливом для энергетических установок различного предназначения.

Наиболее распространенными методами получения водорода из природных углеводородов являются методы парового реформинга метана (природного газа), а также частичного окисления тяжелых фракций нефтепродуктов и газификации углей или биомассы сельскохозяйственных отходов в сочетании с газовой сепарацией водорода. Поскольку очевидно, что принципы газификации применимы к переработке органосодержащих отходов, справедливо было бы предположить, что вслед за освоением технологии получения водорода из биомассы сельскохозяйственных отходов станет актуальной задача получения водорода из ТБО.

До настоящего времени известна лишь одна американская компания - Startech Environmental Corp. [9], которая, занимаясь разработкой оборудования для плазменной переработки отходов, практически реализует задачу получения водорода из синтез-газа, генерируемого в процессе плазменного пиролиза отходов различного происхождения, включая шлам из фильтрационных отстойников, медицинские отходы, ТБО, отработавшие органические растворители, автомобильные шины и пр. Для выделения водорода из состава синтез-газа используются блоки мембранной сепарации. Количество водорода, которое может быть получено таким образом, определяется составом синтез-газа, что, в свою очередь, зависит от состава перерабатываемых отходов и режима газификации. По оценкам специалистов компании Startech, разработанная ими технология получения водорода из ТБО способна обеспечить максимальный выход водорода на уровне 58 кг/т ТБО [10].

Для получения водорода из пирогаза могут быть использованы следующие известные процессы [11]:

прямая сепарация водорода из состава газовой смеси (пирогаза), образуемой в результате плазменного пиролиза ТБО;

паровая конверсия окиси углерода, реализуемая в соответствии со следующей химической реакцией - (350⁰С)

CO + H₂O H₂ + CO₂ + 0,3 эВ/мол. (катализатор)

Как следует из уравнения данной химической реакции, этот процесс является экзотермическим, то есть идет с выделением тепла, так что теплота продуктов конверсии может быть использована для подогрева исходных компонентов до необходимой температуры;

Паровой реформинг метана - (850⁰С)

CH₄ + H₂O 3H₂ + CO - 2,1 эВ (катализатор)

и более тяжелых фракций углеводородов в составе пирогаза -

C_nH_m + nH₂O (0,5m + n)H₂ + nCO.

Нетрудно предположить, что получаемый в результате этих реакций моноксид углерода СО после разделения с водородом может быть вновь направлен на паровую конверсию, способствуя таким образом повышению суммарного выхода водорода.

По крайней мере, в порядке постановки задачи, можно указать также на возможность использования процесса частичного окисления углеводородов -

CH₄ + 0,3 H₂O + 0,4 O₂ 0,9 CO + 0,1 CO₂ + H_{2 ,}

А также плазменного катализа углеводородов -

CH₄ C + 2 H₂ - 0,72 эВ.

Нетрудно заметить, что последний процесс дает даже некоторый энергетический выигрыш по сравнению с паровым реформингом метана, упомянутым выше.

Заслуживает внимания и технология плазменного реформинга двуокиси углерода, которая на протяжении длительного времени разрабатывалась в Институте водородной энергетики РНЦ «Курчатовский институт» (диссоциация углекислого газа в СВЧ-разряде в сверхзвуковом газовом потоке), (0,9 ГГц).

CO₂ CO + 0,5 O₂ - 2,9 эВ/мол.

Этот процесс позволяет превращать двуокись углерода СО₂, образуемую в результате паровой конверсии моноксида углерода, снова в моноксид углерода, замыкая таким образом цепочку (рециклинга)

[CO + H₂O H₂ + CO₂ CO + …], что фактически означает реализацию технологии получения водорода из воды (пара).

Поскольку известна технология получения водорода из воды путем ее электролиза, а реализация процесса плазменного рециклинга двуокиси углерода также требует определенных затрат электроэнергии на работу высокочастотного плазмотрона, представляет интерес сравнить удельные энергозатраты в этих двух технологиях.

Ученые РНЦ «Курчатовский институт» [12] показали, что метод плазменного катализа характеризуется незначительными разрядными энергозатратами по сравнению с суммарными энергозатратами, составляющими не более 0,050,1 кВт*ч/м³ водорода. Для сравнения: большинство современных электролизеров обычного типа характеризуются удельными энергозатратами на уровне 3,7-4 кВт*ч/м³, а для экспериментальных образцов высокотемпературных электролизеров, работающих при температурах до 900 ⁰С, этот показатель может быть снижен до величины порядка 2,5 кВт*ч/м³.

Следует указать на возможность применения двух различных методов на первом этапе процесса переработки пирогаза на водород - прямой сепарации водорода из состава газовой смеси (пирогаза), а именно «мембранного метода» и так называемого «метода короткоцикловой абсорбции» (КЦА). В табл. 3 представлено сравнение основных параметров сепарации водорода из газовой смеси, обеспечиваемой этими двумя методами.

Сопоставление технических параметров основных методов сепарации водорода из пирогаза

Параметры	Мембранный метод	КЦА
Степень извлечения водорода, %	85-90	70-80
Требуемый объем инвестиций (отн.ед.)	1	2,1
Эксплуатационные расходы (отн. ед.)	1	0,81
Себестоимость водорода (отн.ед.)	1	1,33
Минимальное начальное содержание водорода в пирогазе, % об.	15-20	50
Максимальная степень чистоты сепарированного водорода, %	85-95	99,99
Давление водорода на выходе относительно начального	ниже	такое же
Давление газа в сбросном потоке относительно начального	такое же	ниже
Простота конструкции	очень простая	средняя
Простота обслуживания	простая	средняя

Мембранный метод - более простой, однако он может потребовать применения многоступенчатой очистки. Поскольку конструктивно даже многоступенчатая система очистки не представляется сложной, приведем возможные схемы построения таких систем с указанием параметров эффективности извлечения и очистки водорода применительно к типовому составу пирогаза.

Исходя из возможных параметров сепарации водорода посредством мембранной технологии, можно сделать вывод, что, применяя двух-трехступенчатый мембранный сепаратор, из одной тонны ТБО, прошедшей переработку в плазмохимическом реакторе, можно получить 50-60 кг водорода. С использованием второй фазы переработки - паровой конверсии - выработка водорода может составить уже 85-100 кг на тонну отходов. Используя другие возможности глубокой переработки пирогаза, выход водорода может быть доведен до 140-160 кг на тонну отходов.

Технологическая схема установки для получения водорода из ТБО [13] представлена на рис. 2.4.8.

Рисунок 2.4.8 Принципиальная технологическая схема установки для плазмотермической переработки ТБО с получением водорода:

1. Реактор для плазмотермической переработки отходов;

2. Циклон для отделения твердых частиц (пыли) от газообразных продуктов переработки отходов;

...