3. Скруббер - смолоотделитель;

4. Бойлер - дожигатель;

5. Установка обессоливания воды;

6. Фильтры газоочистки продуктов сгорания;

7. Скруббер - нейтрализатор;

8. Конденсатор - осушитель;

9. Мембранный сепаратор для первичного выделения водорода из состава газовой смеси;

10. Теплообменник - рекуператор тепла экзотермических реакций;

11. Аппарат паровой конверсии окиси углерода на водород;

12. Холодильник для охлаждения газовой смеси;

13. Сепаратор - осушитель;

14. Мембранный блок для концентрирования водорода, подаваемого на КЦА;

15. Аппарат парового риформинга углеводородов на водород;

16. Аппарат короткоцикловой адсорбции;

17. Метанатор;

18. Микроволновый плазмокаталитический реактор конверсии двуокиси углерода в окись углерода;

19. Магнетрон для поддержки СВЧ-разряда в плазмотроне;

20. Источник постоянного тока;

21. Теплообменник закалки продуктов реакций в плазмокаталитическом реакторе;

22. Форвакуумный насос для обеспечения запуска СВЧ-разряда в плазмокаталитическом реакторе;

23. Узел абсорбционного выделения СО;

24. Дожигатель кислорода.

25. Реактор для плазмотермической переработки отходов

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

27. Скруббер - смолоотделитель;

28. Бойлер - дожигатель;

29. Установка обессоливания воды;

30. Фильтры газоочистки продуктов сгорания.

Технологическая схема установки для получения водорода из ТБО работает следующим образом: твердые бытовые отходы подаются в шахтную печь плазмохимического реактора 1, в котором подвергаются тепловому воздействию горячего воздуха, подаваемого от электродуговых плазмотронов в слабовосстановительной атмосфере. При этом органические составляющие отходов подвергаются газификации и пиролизу, превращаясь в пиролизный газ (топливный газ), а неорганическая часть отходов переплавляется, превращаясь в стеклоподобный шлак.

Для ТБО типового состава в результате такой переработки в составе пиролизного газа получают (в % по массе) до 30-45 водорода, от 30 до 40 углекислого газа, 10-15 метана и других углеводородов; 4-5 двуокиси углерода, а также другие составляющие, такие как смола, пыль, сероводород, гидрохлорид, азот, влага и пр. Объем генерируемого пирогаза может составлять от 350 до 650 м³ на тонну отходов.

Пиролизный газ, имеющий на выходе из плазмохимического реактора 1 температуру 250-300 ⁰С, подают на циклон 2 промышленного типа, обеспечивающий осаждение частиц крупнее 2-3 мкм. Смолистые соединения улавливаются в полом скруббере - смолоотделителе 3, который работает в конденсационном режиме за счет подачи на орошение достаточно холодного растворителя (жидких углеводородов), что обеспечивает перевод смолистых соединений из газовой фазы во взвешенное состояние и в раствор. Раствор является горючим компонентом, который используют для приготовления технологического пара. Далее раствор, содержащий сепарированные смолистые вещества, в составе которых содержится до 60 % углерода, до 10 % водорода, до 30 % кислорода, а также некоторое количество серы, хлора, азота и алюминия, подают в бойлер-дожигатель 4, где сжигают (возможно, с некоторой добавкой другого топлива). Для получения технологического пара используют обессоленную воду, приготовленную установкой обессоливания воды 5 (обратноосмотической или дистилляционной). Продукты сжигания охлаждают и очищают на фильтрах 6 газоочистки продуктов сгорания перед последующем выбросом в атмосферу. Очищенный от пыли и смолы пирогаз имеет на выходе из скруббера - смолоотделителя 3 температуру около 35 ⁰С. Его подают в скруббер-нейтрализатор 7. Очищенную и осушенную конденсатором-сепаратором 8 газовую смесь подают далее на блок мембранного разделения 9, в котором концентрируют СО и углеводороды перед паровой конверсией. Блок снабжен собственным компрессором, который не показан на схеме. Наличие этого блока позволяет удалить водород из состава газовой смеси и снизить расход поступающего на конверсию газа примерно на треть (и, соответственно, уменьшить энергозатраты). Кроме того, присутствие водорода может снижать степень последующей конверсии окиси углерода.

Паровую конверсию СО проводят в две стадии: в реакторе среднетемпературной конверсии (при температурах 350-400 ⁰С) и низкотемпературной конверсии (при температурах 180-200 ⁰С). Перед подачей в реактор газовую смесь нагревают в теплообменнике - рекуператоре тепла экзотермических реакций 10 до температуры не ниже 385 ⁰С. В конвертор подают пар, нагретый до температуры 350-360 ⁰С в соотношении примерно 1,05-1,30 к объему газа, что обусловлено необходимостью 2-3-кратного избытка водяных паров по отношению к стехиометрическому соотношению реакции.

Реакция

CO + H₂O > H₂ + CO₂

протекает c выделением тепла. Температура смеси на выходе из реактора поднимается до уровня 430-450 ⁰С, что позволяет использовать ее для подогрева пирогаза в теплообменнике - рекуператоре тепла экзотермических реакций 10. В качестве катализатора в конверторе используют железохромовые композиции. Если в системе применяют низкотемпературный конвертор, то газовую смесь в него подают после рекуперативного охлаждения до температуры 190-200 ⁰С. В этом конверторе в качестве катализатора используют медьсодержащие смеси. Суммарный коэффициент конверсии окиси углерода достигает 98 %, что означает выход водорода около 370 л на 1 м³ исходной газовой смеси.

Полученная после конверсии смесь содержит около 55-60 % об. водорода и 0,2-0,3 % об. СО при температуре 210-220 ⁰С. Кроме того, выходящая смесь содержит до 30 % об. паров воды. Поэтому перед дальнейшей переработкой смесь охлаждают до температуры 20-30 ⁰С. После охлаждения в водяном холодильнике 12 сконцентрированную влагу отделяют в сепараторе - осушителе 13. Очищенную и осушенную газовую смесь подают на мембранный блок 14, обеспечивающий концентрирование водорода перед подачей смеси на следующую ступень переработки.

В табл. 4 представлены результаты оценки ожидаемых экономических показателей при реализации вторичных продуктов плазмотермической переработки ТБО.

Ожидаемые экономические показатели при реализации вторичных продуктов плазмотермической переработки ТБО

Вид вторичного продукта	Выход продукта	Тариф на продукт	Выручка от реализации
Тепло	1 500-2 000 Ккал/кг ТБО	200-300 руб/Гкал	300-600 руб./т ТБО
Электроэнергия	1,3-1,5 МВт-ч/т ТБО	2-4 руб./кВт*ч	3-6 тыс. руб./т ТБО
Дизельное топливо из полимеров (ПО)	500-550 кг/ч на 0,5 т ПО/ч	16-18 руб./л	8-9 тыс. руб./ч
Шлак как стройматериал	140-160 кг/т ТБО	300-320 руб./т	50-60 руб./т ТБО
Теплоизоляция из шлака	120-150 кг/т ТБО	25-50 руб./кг	4-6 тыс. руб./т ТБО
Углекислотная продукция	1,35-1,50 т/т ТБО	20-40 руб./кг	30-50 тыс. руб./т ТБО
Технологический водород	50-100 кг/т ТБО	170-220 руб./кг	8,5-20 тыс. руб./т ТБО

Представленные экономические показатели позволяют проектировщикам выбрать необходимую концепцию организации технологической схемы плазмотермической переработки ТБО с учетом необходимости обеспечения требуемой рентабельности работы перерабатывающего комплекса.

Глава 3. Современная технология для переработки опасных отходов

3.1 Переработка медицинских и биологических отходов плазменным методом. Камерная печь. (Новая разработка Белоруссии)

Большие объемы медико-биологических отходов представляют серьезную опасность. Медицинские отходы, как правило, не сортированы и в ряде случаев имеют весьма сложный компонентный состав, не поддающийся точной идентификации. Наиболее перспективным решением данной проблемы является применение плазмо-термических методов. Разработана технология утилизации медико-биологических отходов в плазменной камерной печи периодического действия. Предлагаемое устройство предназначено для переработки небольших объемов отходов, образуемых в больницах, госпиталях и исследовательских лабораториях.

Увеличивающиеся объемы накапливаемых отходов, в том числе и медико-биологических, представляют серьезную опасность для человека и окружающей среды. Как правило, состав различных отходов весьма разнообразен и не поддается точной идентификации. Так, например, медико-биологические отходы в большинстве случаев содержат токсичные вещества и вредные биологические формы (вирусы, микробы, штаммы, прионы).

Типичный фазовый состав: 50-60 % по объему составляют жидкости, 20-40 % - твердые вещества, 10-20 % - газы. Содержание неорганических веществ составляет примерно 50 %, средняя теплотворная способность примерно 4000 ккал/кГ. Для утилизации таких отходов необходимо использовать специальные технологии. Исследования, проводимые в индустриально развитых странах, направлены на разработку новых технологий и оборудования для эффективной переработки бытовых, промышленных и, в первую очередь, медико-биологических отходов. Санитарно-гигиенические исследования типичных медико-биологических отходов, выполненные в различных странах, показывают, что их опасность для человека и окружающей среды значительно выше, чем у большинства химических отходов.

Медико-биологические отходы - это сложные смеси, содержащие лекарственные препараты, полупродукты, осмолившиеся вещества, органические растворители, воду и минеральные примеси. Качественное и количественное определение в них полупродуктов и осмолившихся веществ связано с определенными трудностями, поэтому химический состав таких отходов определяется и задается обычно в виде элементного состава. В состав медико-биологических отходов обычно входят химические соединения или отдельные элементы, такие как С, О, Н, N, Cl, S и другие. В табл. 1 представлен

(по данным канадской компании и литературным источникам [4]) средний элементный состав медико-биологических отходов.

Проблемы утилизации медицинских отходов вплоть до недавнего времени считались мало актуальными для стран СНГ, что совпадало и с общемировой оценкой ее важности. Однако, интерес и разнообразие подходов к этой проблеме, особенно в высокоразвитых странах (США, Германия, Япония, Израиль, Тайвань и др.), существенно возросли. Это связано как с декларируемой на межгосударственном уровне стратегической тенденцией на всестороннюю «экологизацию» среды обитания, как фактора, компенсирующего ее деградацию вследствие индустриального развития, так и с возрастанием конкретной опасности для населения от быстро накапливающихся объемов высокотоксичных и инфицированных отходов лечебных учреждений и медико-биологических производств.

Известно, что при производстве различных лекарственных препаратов образуются не только подлежащие дальнейшей утилизации вещества и продукты, но и разнообразные отходы: токсичные маточные растворы, кубовые остатки, фильтровальные ткани, активированный уголь и другие. Большое количество разнообразных отходов образуется в госпиталях и больницах в результате оказания медицинской помощи больным и как результат обслуживания медицинских приборов и оборудования.

Это могут быть пищевые отходы и перевязочные материалы, в том числе содержащие микробы и вирусы, а также различные виды отходов, содержащие использованные терапевтические медикаменты, в том числе с радиоактивными элементами, такими как ³Н, ¹⁴С, ^,5Р, ⁶⁰Со, ⁹⁰Sr, ¹³⁷Cs и другие.

Одним из наиболее перспективных направлений решения описанной проблемы является применение плазменных методов. Плазмотермическая переработка медико-биологических отходов, также как и других видов отходов, характеризуется полным разрушением материала отходов и уничтожением вредных веществ. Любые органические и неорганические вещества могут быть утилизированы в плазме при высокой температуре, которая достигается применением электродуговых генераторов плазмы - плазмотронов. Плавление зольного остатка позволяет получить химически инертные остеклованные вещества.

Наиболее перспективным вариантом данной технологии, которая в последнее время активно разрабатывается в США, Германии и Японии (фирмы «Вестингауз», «Плазма Энержи Корпорейшн» (США), «NUKEM» и «Siemens» (Германия), Prometron (Япония), Лаборатория INEL (США) и др.), является использование электродуговых плазменных печей. Опыт в области разработки аналогичных плазменных аппаратов для переработки различных промышленных, бытовых, радиоактивных и медицинских отходов имеется также в Институте тепло- и массобмена Национальной Академии Наук Беларуси (ИТМО НАН Беларуси).

По сравнению с неплазменными печами, даже использующими интенсивные газодинамические режимы обработки, плазменные технологии имеют ряд существенных преимуществ: уменьшение объема печи в 8-10 раз (при сохранении производительности по сырью), соответствующее снижение площади производственных помещений, снижение примерно на порядок объема отходящих газов и увеличение температуры в реакционной зоне печи до 1800 - 2000 К. Это позволяет плавить зольный остаток, образующийся от сжигания отходов и исключить образование в газовой фазе токсичных компонентов. Также важной особенностью этого метода является допустимость более грубого диспергирования отходов. Это имеет значение при обработке суспензий и эмульсий с высокой пластической вязкостью, затрудняющей их распыление.

Основным элементом плазменных установок для переработки отходов в большинстве случаев является электрическая дуга, генерирующая в плазмотроне термическую плазму любых газов, с температурой свыше 5000 К. При этой температуре полностью разлагаются любые сложные органические и неорганические соединения до атомов и ионов. Главная отличительная особенность плазменной технологии заключается в значительной интенсификации процесса деструкции отходов, который протекает за весьма короткие промежутки времени за счет интенсивной передачи энергии обрабатываемым материалам. В результате фактически исключается необходимость применения кислорода для разложения отходов. Другая существенная особенность данной технологии переработки и уничтожения отходов - отсутствие каких-либо высокомолекулярных соединений в продуктах кинетической рекомбинации.

Выбор режимов и аппаратурного оформления процесса обезвреживания определяется химическим составом и концентрацией веществ, входящих в состав отходов (кубовые остатки, сточные воды, терапевтические препараты и другие).

На основании результатов экспериментальных исследований, накопленных в отделе электродуговой плазмы ИТМО НАН Беларуси, а также результатов исследований других организаций можно утверждать, что плазменный метод является самым надежным и экологически чистым для переработки медико-биологических отходов и жидких отходов производств синтетических лекарственных препаратов, таких как кубовые остатки производств хлоргидрата аминокетона, амидопирина, ацетоуксусного эфира, фтивазида, пара-нитроацетофенона, метациклина гидрохлорида, левомитицина и других.

Известны также результаты по плазменному сжиганию жидких отходов производств левомитицина, диазолина, эфедрина, аминокапроновой кислоты, валидола, рентгеноконтрастных препаратов, этамида и хинозола.

· Плазменная камерная печь.

В Институте тепло- и массообмена НАН Беларуси разработана, изготовлена и проходит тестирование многофункциональная плазменная печь камерного типа для переработки медицинских, биологических и других видов отходов [5].

Рис Схема печи

Многофункциональная плазменная камерная печь периодического действия в тестированном варианте предназначена для переработки 10-15 кГ упакованных и не сортированных медицинских отходов за один рабочий цикл, время которого составляет примерно 10 минут. За один час с учетом времени загрузки отходов и выгрузки шлаков можно осуществить два цикла переработки.

В плазменной печи в качестве горелки используется плазмотрон ПДС-3 [6], мощностью от 50 до 75 кВт. В качестве рабочего плазмообразующего газа применяется атмосферный воздух с расходом от 5,0 до 10,0 м³/час, давление которого при подаче в плазмотрон составляет 5 атм.

Возможно использование и других плазмообразующих газов. Так как в камере печи происходит пиролиз органического вещества отходов и лишь частичное их окисление (сгорание) из-за недостатка кислорода, газ из печи отводится в специальную циклонную камеру дожигания. В нее дополнительно подается воздух для полного сгорания отходов. Газообразные продукты плазменного пиролиза и сгорания поступают в систему газоочистки и на анализ, а затем выбрасываются в атмосферу.

Были произведены расчеты основных параметров процесса переработки медико-биологических отходов в плазменной печи камерного типа [7]. В качестве изменяемого параметра был взят расход воздуха в плазмотроне, другие параметры были зафиксированы. Так потеря энергии, расходуемой на нагрев оборудования и излучение в окружающее пространство за счет теплопроводности материалов, составляет 31,7 МДж за цикл. Температура отводимых из плазменной печи газов 2000 К. Тепловая энергия, выделяемая в результате переработки отходов составляет 100 МДж за один цикл.

3.2 ФГУП МОС «Радон» Установка «Плутон» (Сергиев Посад)

Внедрение на АЭС процесса плазменной переработки твердых радиоактивных отходов (РАО) представляет технологически и экономически выгодную альтернативу созданию комплексов многостадийного обращения с твердыми радиоактивными отходами (ТРО) на основе технологий сжигания, плавления, цементирования, прессования и суперкомпактирования, а также исключает необходимость повторного кондиционирования продуктов переработки через 30-50 лет.

Основные современные технологии обработки твердых радиоактивных отходов атомных электростанций включают процессы предварительной подготовки ТРО к переработке, такие как извлечение отходов из хранилищ, их фрагментирование и сортировку, а также методы термической переработки, в основном, сжигания горючих твердых и жидких РАО с последующим цементированием зольного остатка.

Кондиционирование негорючих ТРО проводится методами прессования и суперкомпактирования; упаковки с компактированными и цементированными отходами размещаются на длительное хранение в невозвратных защитных контейнерах, в них же размещается и часть отходов, не подвергшихся переработке. Все перечисленные «холодные» методы кондиционирования характеризуются относительно невысокими коэффициентами сокращения объема отходов, поэтому требуют больших площадей и объемов хранилищ для размещения кондиционированных форм РАО. Такие технологии, не предусматривающие существенных изменений и стабилизации физико-химических свойств отходов, по своей сути являются решениями, отложенными на 30-50 лет.

Термические методы обеспечивают глубокую переработку отходов и разрушение органических и биологических компонентов, а также повышение качества продуктов, предназначенных для длительного хранения или захоронения. Наиболее распространенными для обращения с горючими радиоактивными отходами являются технологии сжигания, однако их главным недостатком является получение легко выщелачиваемого и пылящего продукта - радиоактивной золы, которая требует дальнейшей переработки и кондиционирования.

На сжигание направляются тщательно сортированные отходы, не содержащие негорючие компоненты, которые могут вывести из строя узлы печи сжигания и выгрузки зольного остатка. Таким образом, значительная часть смешанных отходов, зачастую влажных, содержащих наряду с горючими компонентами мелкие металлические детали, куски кабеля, строительный мусор, теплоизоляцию, комки земли, направляется на цементирование, прессование или суперкомпактирование. Все эти кондиционированные формы в результате постепенного разложения и гниения органических материалов теряют свои прочностные качества: нарушается герметичность упаковки, в объеме отходов образуются пустоты, возможны выходы наружу радиоактивных конденсатов.

· Установка «ПЛУТОН»

Плазменная технология позволяет эффективно перерабатывать смешанные отходы сложного состава с получением продукта, который не содержит органические материалы и не теряет свою химическую стойкость и механическую прочность в течение десятков и сотен лет.

Одной из наиболее эффективных разработок специалистов ГУП МосНПО «Радон» является технология плазменного сжигания ТРО низкого и среднего уровней активности. На предприятии создана и эксплуатируется установка «Плутон», обеспечивающая плазменную переработку отходов сложной морфологии с получением кондиционированного продукта в одну стадию и высоким коэффициентом сокращения объемов РАО. Стеклоподобный конечный продукт, плавленый шлак, пригоден для захоронения или длительного хранения на полигоне кондиционированных радиоактивных отходов.

Устройство и вид шахтной печи плазменной установки «Плутон» приведены на рисунке 1.

Органическая часть радиоактивных отходов подвергается пиролизу в печи шахтного типа с производительностью 200-250 кг/час в условиях недостатка кислорода, в то время как процесс плавления шлака проводится в окислительной атмосфере, что способствует полному уничтожению органических компонентов шлака и получению более однородного продукта.

Нагрев плавителя шахтной печи до температур 1500-1800^оС возможен благодаря использованию дуговых плазмотронов постоянного тока, разработанных на ГУП МосНПО «Радон». На рисунке 2 представлены разрез и плазменный факел работающего плазмотрона.

Плавленый шлак (рис. 3) представляет собой базальтоподобный монолит, где содержание оксида алюминия достигает 28% мас., оксида кремния - до 56% мас.; оксида натрия - от 2,5% мас. до 11% мас. В матрице шлака надежно фиксируются радиоактивные изотопы, а также оксиды тяжелых металлов, таких как свинец, никель, медь, цинк и т.д.

Плотность шлака составляет 2,5-3,5 г/см³. Он является чрезвычайно устойчивым к химическому воздействию материалом (см. таблицу). Скорость выщелачивания из шлака в воду натрия, одного из самых «подвижных» элементов, в среднем на порядок ниже подобного показателя для боросиликатных стекол и на два-три порядка ниже, чем у цементных матриц. Скорость выщелачивания большинства других элементов, в том числе тяжелых металлов, еще ниже, поэтому подобный шлаковый компаунд можно рассматривать как одно из самых совершенных средств консервации радиоактивных элементов и неорганических токсикантов.

Таблица 2. Характеристики химической стойкости шлаков

Компонент	Na+	137Cs	239Pu
Скорость выщелачивания, г/см2*сут	(2-3) *10-6	(0,3-5)*10-6	(0,8-2)*10-7
Доля выщелоченного компонента (100 суток), %	1,1	0,61	0,008

Приемные контейнеры со шлаковым компаундом загружаются в невозвратные защитно-транспортные контейнеры и размещаются на полигоне долговременного хранения кондиционированных форм РАО в Научно-производственном комплексе ГУП МосНПО «Радон».

ГУП МосНПО «Радон» получил разрешение Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору РФ на переработку твердых радиоактивных отходов низкого и среднего уровней активности плазменным методом в 2007 году, и с 2008 года на установке «Плутон» ведется плановая переработка ТРО.

На переработку принимаются твердые радиоактивные отходы смешанного типа, близкие по морфологическому составу ТРО атомных электростанций. Наряду с горючими материалами (бумагой, древесиной, текстилем, кожей, полимерами) перерабатываемые отходы включают до 30-40% негорючих компонентов (строительного мусора, стекла, грунта, ила, металлического скрапа, теплоизоляционных материалов и т.д.). Суммарная влажность отходов может достигать 40% при влажности содержимого отдельных упаковок до 90%. Удельная активность ТРО, принимаемых на термическую переработку, ограничивается, согласно условиям действия лицензии, значениями 2,2*10⁵ Бк/кг по б-излучающим радионуклидам и 3,7*10⁶ Бк/кг по в-излучающим радионуклидам.

В 2009-2011 годах плазменным методом в шахтной печи установки «Плутон» были переработаны такие «неудобные» для других высокотемпературных технологий отходы, как активированный уголь, неорганические сорбенты и донные отложения (илы), выгруженные из аппаратов очистки ЖРО и сборников стоков системы спецканализации. Эти виды отходов характеризуются высоким содержанием влаги (до 90%), в сухом остатке илов доля органических веществ достигала 50%.

Плазменным методом успешно перерабатываются ранее подпрессованные смешанные отходы после извлечения из тары и переупаковки в крафт-мешки, а также отходы, подвергшиеся суперкомпактированию в металлической упаковке.

Проблема переработки перечисленных выше видов радиоактивных отходов весьма актуальна для атомных электростанций. Плазменная технология способна в значительной степени снизить ее остроту.

· Преимущества плазменной технологии.

Практика ГУП МосНПО «Радон» показывает, что удельные капитальные затраты на создание подобной установки и эксплуатационные расходы на переработку РАО плазменным методом (на единицу массы перерабатываемых отходов) за счет высокой производительности плазменной установки не превышают затрат на сжигание. При этом установка способна перерабатывать одновременно отходы, поступающие на сжигание, плавление, прессование и суперкомпактирование. Плазменная переработка ТРО исключает также стадию цементирования продукта сжигания РАО - зольного остатка.

Плазменная технология обеспечивает высокие коэффициенты сокращения объема смешанных отходов. После размещения продукта в невозвратных защитных контейнерах в хранилищах кондиционированных форм ТРО на долговременное хранение соответствующие коэффициенты варьируются в диапазоне от 25 до 40, тогда как весь комплекс операций по сжиганию, цементированию, прессованию и суперкомпактированию отходов смешанной морфологии дает коэффициенты сокращения объема 4-8. Учитывая конечный объем продуктов переработки и связанные с этим капитальные и эксплуатационные затраты на хранение кондиционированных отходов, плазменная переработка твердых РАО становится в 1,5-2,5 раза выгоднее многостадийной переработки ТРО с использованием процессов сжигания, цементирования и компактирования отходов. Широкий спектр отходов, принимаемых на переработку, и одностадийный процесс получения продукта, пригодного для длительного хранения, определяют преимущества плазменного метода по сравнению со сжиганием.

Применение плазменно-пиролитического метода переработки радиоактивных отходов в шахтной печи наиболее экономически оправдано на атомных электростанциях, где себестоимость электроэнергии невысока. Вдобавок ее внедрение повышает не только экономическую эффективность, но и экологическую безопасность обращения с радиоактивными отходами различной морфологии.

Термическая переработка РАО сопровождается образованием дымовых газов, содержащих, наряду с радиоактивными аэрозолями, неорганические вредные химические вещества и органические токсиканты. Как показывает практика эксплуатации, установка плазменной переработки ТРО «Плутон» оказывает меньшее воздействие на окружающую среду по сравнению с установкой сжигания отходов в камерной печи.

В результате исследований, выполненных ГУП МосНПО «Радон» совместно с НПО «Тайфун», установлено, что в пиролизных газах на выходе плазменной шахтной печи концентрация полихлорированных дибензо-п-диоксинов и дибензофуранов (диоксины/фураны) в пересчете на токсический эквивалент (ТЭ), в среднем, в пять раз меньше, чем в дымовых газах на выходе камерной печи сжигания отходов.

Содержание суммы диоксинов/фуранов в отходящих газах на выходе системы газоочистки установки «Плутон» не превышало 0,014-0,02 нг/м³ ТЭ, что примерно в пять раз ниже европейского норматива для установок сжигания отходов. Концентрация тяжелых металлов в технологических газовых выбросах в атмосферу также была ниже нормативов, установленных в странах Западной Европы.

Таким образом, внедрение плазменно-пиролитической технологии для переработки твердых радиоактивных отходов АЭС поможет повысить экономическую эффективность обращения с РАО, имеющими разнообразную морфологию, за счет экономии объема хранилищ отходов и уменьшения количества оборудования и операций кондиционирования, а также позволит размещать РАО на длительное хранение с обеспечением безопасности окружающей среды. Плазменная технология не только решает проблему вновь образующихся эксплуатационных отходов, но и обеспечивает глубокую термическую переработку радиоактивных отходов, накопленных ранее и компактированных в металлических бочках, освобождая место для хранения ТРО.

3.3 Институт Электрофизики РАН Санкт Петербург

Рассмотрим прямоточный газогенератор, разработанный Институтом электрофизики и электроэнергетики РАН [13]. Реакто-газификатор представляет собой вертикальную шахту, футерованную огнеупорным кирпичом (рис. 3). Отход, загружаемый через верхнюю крышку, полностью заполняет внутренний объем реактора и лежит на колосниковой решетке, расположенной в нижней части шахты.

Плазмотрон установлен на одном из боковых фланцев, и поток горячей плазмы распределяется по окружности шахты через ряд боковых равномерно расположенных отверстий. Возможен вариант установки плазмотрона в крышке по оси реактора. Полученный в результате синтез-газ отбирается из нижней части реактора.

Проведение процесса газификации при температуре более 1 200°С позволяет избежать появления в синтез-газе жидких фракций (смол). Высокая температура процесса обеспечивает разрушение токсичных органических составляющих отходов и, при наличии в отходах хлорсодержащих примесей, исключает синтез вторичных супертоксикантов (диоксинов/фуранов) [14].



Рисунок 2.3.9 Реактор - газификатор

В целом следует заметить, что технология высокотемпературной прямоточной газификации отходов имеет больший потенциал эффективной работы, чем процесс пиролиза, что обусловлено высокой температурой процесса, почти полной конверсией углеродосодержащих веществ в синтетический горючий газ, а также получением безвредного неорганического шлака.

С повышением температуры в реакторе до величин порядка 1 100?1 200 °С за счет использования плазменно-дуговых источников энергии возникла возможность и целесообразность использования в качестве теплоносителя и реагента-окислителя водяного пара.

В настоящее время отсутствуют какие - либо технические средства, кроме плазмотронов, позволяющие разогреть большие количества Н₂О до плазменного состояния. Уровень развития плазмотронной техники позволяет утверждать, что мощные электродуговые генераторы водяной плазмы, устойчиво и надежно работающие в течение длительного времени, займут свое место в промышленности [15].

Помимо существенного повышения теплоты сгорания синтез-газа, а следовательно, общей энергетической эффективности процесса газификации использование Н₂О в качестве плазмообразующего газа исключает разбавление целевого продукта инертным (балластным) компонентом - азотом воздуха, не создает вредных примесей оксидов азота, упрощая систему газоочистки и сокращая объемы ее аппаратов.

Эти два фактора повышают энергетическую и экологическую привлекательность высокотемпературной паровой газификации твердых бытовых, промышленных и медицинских отходов.

Институтом Электрофизики и электроэнергетики РАН разработана плазмохимическая установка для переработки смешанных медицинских отходов. Технология основана на двухзонной высокотемпературной обработки отходов с последующей многоступенчатой детоксикацией дымовых газов в соответсвии с нормами по защите окружающей среды и обезвреживанием твердых отходов.

Производительность установки - 150-200 кг/час. Потребляемая мощность - 150-250 Расход воды - 43 м3/час кВт Расход воздуха - 1300 кг/час. Уменьшение объема отходов - до 400 раз Габаритные размеры - 26*32*15 м

Рис плазмохимическая установка для переработки смешанных медицинских отходов 1-коробка с отходами; 2-ленточный транспортер; 3-рольганг; 4-загрузочные лотки; 5-пневмоцилиндр; 6-загрузочная камера; 7,11-плазмотроны; 8-барабанная печь; 9-камера выгрузки шлака; 10-камера дожигания; 12-камера закаливания; 13-квенчер; 14-рекуператор; 15-комбинированный аппарат газоочистки; 16-аэрозольный фильтр; 17-адсорбер; 18-этажерка для монтажа технологического оборудования; 19-газодувка; 20-дымовая труба.



ПЕРЕРАБОТКА: жидкие токсичные отходы

ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ: 1-10 кг/ч

МОЩНОСТЬ ПЛАЗМОТРОНОВ: 3-30 кВт

ПЕРЕРАБОТКА: опасные медицинские отходы

ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ: 150-200 кг/ч

МОЩНОСТЬ ПЛАЗМОТРОНОВ: 150-250 кВт

КОРПУС БАРАБАННОЙ ПЕЧИ.

Данные технологии в 2-3 раза дешевле, чем предлагаемые зарубежными компаниями как по капитальным затратам так и по стоимости переработки. При этом качество переработки отходов лучше.

Глава 4. Экологические аспекты

4.1 Новые технологические схемы переработки отходов

Известны схемы плазменных мусороперерабатывающих установок и технологических комплексов, в которых горючий газ (так называемый сингаз или пирогаз), генерируемый в результате термической деструкции отходов (пиролиза и газификации органических компонентов перерабатываемой массы отходов), либо подвергается сжиганию с последующим использованием высокотемпературных продуктов сгорания для получения пара в котлах-утилизаторах (бойлерах) и привода паротурбинных энергогенерирующих агрегатов, либо пирогаз (после предварительной газоочистки) используется в качестве топлива для дизельных или газотурбинных электрогенераторов. Технико-экономическая оценка указанных схем показывает, что их окупаемость (с учетом потребных капитальных и эксплуатационных затрат) преимущественно зависит от действующих тарифов на переработку ТБО.

В сложившейся мировой практике уровень тарифов на переработку тонны бытовых (муниципальных) отходов составляет, в среднем, 135 евро для предприятий производительностью свыше 100 тыс. т/год, 180 евро - для предприятий производительностью от 50 до 75 тыс. т/год и 230 евро - для предприятий производительностью менее 50 тыс. т/год. Такие тарифы обеспечивают создание предприятий плазмотермической переработки ТЮО с периодом окупаемости 5-7 лет, что в большинстве случаев является приемлемым для потенциальных западных инвесторов.

В то же время в России создание мусороперерабатывающих предприятий пока не стало инвестиционно привлекательным, поскольку в силу ряда обстоятельств региональные и городские власти, несмотря на очевидную экологическую актуальность, не в состоянии обеспечить финансирование переработки отходов по тарифам, которые сделали бы функционирование этих предприятий рентабельным. Так, например, тариф за переработку тонны ТБО на московском мусороперерабатывающем заводе производительностью 250 тыс. т/год составляет 1 640 руб. (45 евро).

Решение задачи создания экономически рентабельных заводов плазмотермической переработки ТБО возможно при использовании новых технологических схем эффективной переработки отходов с одновременной выработкой электроэнергии и тепла на основе использования современных комбинированных энергоагрегатов и получением коммерчески ценных вторичных продуктов переработки.

4.2 Шахтные печи для термической обработки ТБО Выбросы в атмосферу

Параметр (единицы)	Предел	Ожидаемый
Золы (мг/мі) Зола (мг/м )	20	<16 -17
Диоксид серы (об ч/млн)	60	<5
Оксиды азота (об ч/млн)	150	69-84
Хлористый водород (мг/мі) Общие диоксины (нг-экв.токсичн./м ) (нг-экв.токсичн./м )	100 0.05	86-93 0.00004-0.0026

К числу наиболее важных инженерно-технических задач, подлежащих решению в целях дальнейшего развития и внедрения технологии высокотемпературной плазменной обработки отходов, следует отнести разработку оптимальной конструкции высокотемпературного реактора.

Наибольшее распространение в практике пиролиза и газификации ТБО нашли реакторы с вертикальными шахтными печами противоточного и прямоточного типов.

Логика и мировые тенденции развития технологии обезвреживания и утилизации бытовых и промышленных отходов уверенно ведут к замещению технологий захоронения и традиционных технологий огневого обезвреживания технологиями высокотемпературной газификации и пиролиза с использованием плазмодуговых источников тепла (плазмотронов). Россия оказалась среди пионеров развития и практической реализации этих технологий, однако до настоящего времени их применение не получило распространения и находится в стадии становления и развития.

К числу наиболее важных инженерно-технических задач, подлежащих решению в целях дальнейшего развития и внедрения технологии высокотемпературной плазменной обработки отходов, следует отнести разработку оптимальной конструкции высокотемпературного реактора. В международной практике плазмохимической обработки отходов используются реакторы различных конструктивных типов: шахтные реакторы, слоевые реакторы с механическими колосниковыми решетками, реакторы кипящего слоя, барабанные вращающиеся печи, многоподовые печи, циклонные реакторы и др. Наибольшее распространение в практике пиролиза и газификации ТБО нашли реакторы с вертикальными шахтными печами противоточного и прямоточного типов.

Основными конструктивными элементами реакторов являются:

· корпус реактора, включая несущую оболочку, жаропрочную футеровку, рубашку охлаждения, каналы отвода газообразных продуктов переработки, каналы ввода в реактор водяного пара и других сопутствующих реагентов;

· загрузочный узел с элементами уплотнения внутреннего объема печи и устройствами контроля заполнения внутриреакторного объема обрабатываемым материалом;

· разгрузочный узел для выпуска расплава из реактора;

· узлы установки плазмотронов на корпусе реактора и подачи технологического газа в реактор;

· средства контроля и защиты реактора от перегрузок при ударном повышении внутришахтного давления.

В настоящее время классическим примером противоточной шахтной печи для пиролиза отходов является реактор, разработанный ГУП МосНПО «Радон» (рис. 1). Этот реактор представляет собой вертикальную шахтную печь с верхней загрузкой отходов через шлюзованный канал и нижним одноярусным расположением плазменных нагревателей в потолочной части плавильной камеры, с отводом газообразных продуктов переработки отходов из верхней части печи и отводом жидкого шлака из подовой части печи через запорный узел слива [1]. На его основе был сконструирован реактор демонстрационной установки для плазмотермической переработки ТБО в Израиле [2] (рис. 2).

Рис. 2.5.1 Схема противоточного реактора шахтного типа

В данном конструктивном исполнении вертикальная шахтная печь прямоугольного постоянного сечения (1,05 х 1,05 м) на всю высоту ее (7,2 м) по внутренней поверхности снабжена тепловой защитой (футеровкой) из высокоглиноземистого огнеупорного материала.

Футеровка имеет многослойную структуру в виде кирпичной кладки: внутренний слой составляет жаропрочный материал типа муллитокорунд, обладающий высокой химической коррозионной стойкостью; внешние слои выполняются из теплоизоляционных материалов шамотной группы и базальтовой ваты. Состав огнеупоров и толщины отдельных слоев изменяются в соответствии с расчетной тепловой нагрузкой в различных частях реактора.

Нижняя горизонтальная часть реактора (плавильная камера), футерованная огнестойким материалом, имеет сводчатую конфигурацию длиной 3,4 м, шириной 1,05 м и высотой в середине 50 см.

Рисунок 2.5.2. Конструкция реактора шахтного типа со сменным подом

Поскольку наиболее разрушительному воздействию подвержены места стыковки жаропрочных элементов, свод плавильной камеры может выполняться в виде муллитового блока, а подовая часть - в виде плиты из бадделеитокорунда (бакора). Наибольшему тепловому воздействию подвержен запорный камень сливного узла, поэтому он выполняется из особо стойкого материала, к примеру силита. Конструкция подовой части печи может содержать также водоохлаждаемые панели по внешней поверхности камеры (как, например, на рисунке 2.5.12).

Под печи предполагает его периодическую замену и ремонт в процессе эксплуатации. Для сокращения потерь времени на профилактические остановы печи в связи с необходимостью ремонта футеровки плавильной камеры подовая часть может быть сменной. В этих целях реактор выполняется в виде разъемной конструкции: стационарной верхней (шахтной) части печи и сменной подовой части (рис. 3), которая может быть отсоединена от шахты и отодвинута на колесной опоре из-под шахты в целях установки на ее место отремонтированной подовой части, подготовленной для работы [3].

Для квадратной (прямоугольной) в сечении шахтной печи характерна возможность сводообразования («закозливания») - образования заторов по высоте шахты вследствие заклинивания столба отходов между стенками шахты. Во избежание этого целесообразно корпус шахтной печи выполнять круглым в сечении (в настоящее время - диаметром до 2 м) с небольшим расширением книзу (с конусностью примерно 3-5 ⁰).

Диаметр реактора в зоне сушки и пиролиза (так называемой швельшахты) предпочтительно должен быть меньше, чем в зоне газификации. Это дает возможность поддерживать скорость движения газов в зоне пиролиза на заданном уровне, что улучшает теплообмен и способствует быстрому протеканию процесса, равномерности распределения газов по сечению. Нижняя часть реактора (горн), в которой происходит газификация коксового остатка и выделяется тепло, необходимое для протекания других стадий процесса (пиролиза, сушки) и плавления шлака, требует наличия футеровки из огнеупорного материала. Швельшахта, предназначенная для сушки и пирогенетического разложения отходов, может выполняться из металла и иметь рубашку водяного охлаждения до отметки отбора пиролизных газов из реактора; это исключает шлакование ее стенок и в совокупности с расширяющемся книзу диаметром позволяет избежать сводообразования.

Уменьшенный диаметр швельшахты по сравнению с горном обеспечивает равномерное распределение дутья по сечению шахты, что немаловажно при неоднородности слоя отходов.

Рисунок 2.5.3 Сменная подовая часть реактора шахтного типа

Глубокое регенеративное использование теплоты отходящих газов, присущее противоточным шахтным печам пиролиза и газификации 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 относительно низких температур, выносятся из печи восходящим газовым потоком, загрязняя собой продуцируемый синтез-газ. Это ведет к необходимости иметь многоступенчатую очистку синтез-газа, существенно усложняя процесс и увеличивая стоимость оборудования и эксплуатационные расходы. В этой связи в большинстве случаев предпочтение отдается прямоточным реакторам.

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 увеличивается выход горючего газа и его теплотворная способность и, что самое существенное, отпадает необходимость в очистке синтез-газа от смолопродуктов.

Прямоточный реактор-газификатор, разработанный Институтом электрофизики и электроэнергетики РАН [4], представляет собой вертикальную шахту, футерованную огнеупорным кирпичом. Отходы, загружаемые через верхнюю крышку, заполняют внутренний объем и лежат на колосниковой решетке, расположенной в нижней части шахты (рис. 2.5.4). Генерируемый синтез-газ отбирается из нижней части реактора.

Рис. 2.5.4 Схема конструкции прямоточного реактора-газификатора

Применение плазмотронов в качестве источников тепловой энергии для реализации термохимических процессов в реакторах при температурах 1 100-1 200 ⁰С обеспечивает возможность и целесообразность использования в качестве теплоносителя и реагента-окислителя водяного пара. В настоящее время отсутствуют какие-либо технические средства, кроме плазмотронов, позволяющие разогреть большие количества Н₂О до плазменного состояния.

Помимо существенного повышения теплоты сгорания синтез-газа, а, следовательно, общей энергетической эффективности процесса газификации, использование Н₂О в качестве плазмообразующего вещества исключает разбавление целевого продукта инертным (балластным) компонентом - азотом воздуха, не создает вредных примесей окислов азота, упрощая схему газоочистки и сокращая объем ее аппаратов. Эти два фактора повышают энергетическую и экологическую привлекательность высокотемпературной паровой газификации ТБО, промышленных и медицинских отходов.

Для высокотемпературной газификации отходов наибольшее применение находят шахтные реакторы противоточного и прямоточного типов с нисходящим потоком загружаемого сырья.

В прямоточных реакторах с нисходящим потоком продукты пиролиза, сформированные в верхней низкотемпературной зоне реактора, проходят через нижнюю высокотемпературную зону газогенератора, где подвергаются термическому разложению. При этом увеличивается выход горючего газа и его теплота сгорания и, что самое существенное, отпадает необходимость в очистке синтез-газа от смолопродуктов. Этот, казалось бы, очевидный фактор, довольно часто игнорируется разработчиками промышленных высокотемпературных реакторов. Можно видеть массу примеров практической реализации противоточных реакторов, дополняемых многоступенчатыми системами дожигания и очистки отходящих пиролизных газов.

На рис. 5 представлена конфигурация одного из возможных вариантов прямоточного шахтного высокотемпературного реактора с нисходящим газифицируемым потоком загружаемого сырья, с трехъярусным по высоте размещением тепловых фурм для подачи горячего водяного пара, с использованием плазменных источников тепла, с жидким шлакоудалением, с принудительным охлаждением гарнисажной футеровки плавильной камеры и высокотемпературной зоны шахты, с нижним отводом продуцируемого синтез-газа после прохождения зоны высокотемпературной блокировки.

Конфигурация этого реактора базируется, в основном, на технических решениях немецкой компании WES = Waste & Energy Solution GmbH [5], реализуемых в составе процесса высокотемпературной конверсии отходов (процесс HTCW = High Temperature Conversion of Waste).

В своих проектах компания WES применяет этот реактор с использованием технического кислорода без плазменных источников тепла. Задачей сегодняшнего дня является конструктивная модификация такой конфигурации реактора применительно к паровой конверсии отходов с использованием плазменных источников тепла.

Отдельные установки с жидким шлакоудалением отличаются друг от друга способом обеспечения тепловых режимов, необходимых для поддержания процессов в зонах термической переработки отходов и расплавления шлака. Переработка происходит, в основном, в результате пиролиза и газификации органической части отходов при температуре более 1 600 °С в процессорной зоне над ванной металлического расплава. В качестве теплоносителя используется электродуговая термическая плазма, генерируемая плазмотронами.

Размещение плазмотронов по высоте шахты может быть одноярусным или многоярусным. При одноярусной схеме обогрева плазмотроны размещаются в монтажных гнездах по разным сторонам шахты либо в потолочной части плавильной камеры так, что плазменные струи направляются под углом к поверхности ванны расплава. Например, на рисунке 2.5.6 показаны плазмотроны, установленные в потолочной части плавильной камеры реактора, типа показанного на рисунке 2.5.1.

В целях облегчения и ускорения замены плазмотронов для профилактического обслуживания и ремонта могут применяться специальные механизмы, которые обеспечивают быстрое и безопасное извлечение плазмотронов из установочных гнезд с одновременным перекрытием установочных каналов тепловыми задвижками. Пример такого механизма показан на рис. 7.



Рисунок 2.4.5 Вариант конструкции реактора с трехъярусным вводом тепла

Известны конструктивные решения плазменных реакторов с ярусным размещением плазменных генераторов (плазмотронов) по высоте реактора [6, 7]. Многоярусное размещение генераторов тепловой энергии по высоте реактора, схематично представленное на рисунке 2.5.5, позволяет снизить интенсивность тепловой нагрузки на теплозащитные конструкции и контролировать термические режимы по высоте реактора. Ввод тепла в процессорное пространство реактора и в объем плавильной камеры производится посредством фурм.

Рисунок 2.5.7 Механизм быстрой замены плазмотронов

Поскольку процессы, происходящие в разных по высоте частях реактора, требуют обеспечения разных тепловых режимов, температура подаваемого в реактор технологического газа может быть разной для разных фурменных поясов. Так, в верхней части шахты (рис. 8) свободная влага из отходов испаряется под воздействием горячих газовых продуктов пиролиза и газификации, поступающих из нижней зоны шахты. Подсушенные твердые отходы поступают в среднюю зону шахты, где при температуре 400-800 ⁰С происходит их термическое химическое разложение под воздействием газообразных продуктов, поступающих снизу.

Коксовый остаток смеси, поступая к основанию шахты, сгорает при взаимодействии с горячим воздухом, поступающим через фурмы среднего яруса, и смешивается с восходящим от шлакового расплава горячим воздухом. С помощью регулирования расхода и температуры воздуха, подаваемого в нижнюю часть шахты, в слое отходов в нижней зоне шахты поддерживается температура ниже температуры оплавления зольного остатка (1 150-1 200 ⁰С), что препятствует ошлаковыванию зольного остатка в зоне реактора выше уровня среднего фурменного пояса, сохраняя тем самым газопроницаемость столба отходов и обеспечивая непрерывное поступление негорючего компонента отходов на поверхность расплава в плавильной камере. Это достигается наличием вынесенных плазменных генераторов технологического газа (см. рис. 8), снабженных водоохлаждаемыми смесительными камерами, от которых технологический газ при заданной температуре подается в реактор сквозь встроенные в футеровку сопла (дутьевые фурмы), равномерно расположенные по окружности корпуса шахты.



Рисунок 2.5.8 Схема устройства реактора с вынесенными плазменными генераторами технологического газа

Поддержание шлакового компаунда в жидком состоянии обеспечивается подводом к ванне расплава горячего воздуха от плазмотронов. Обычно плазмотроны располагаются над зеркалом ванны расплава так, что генерируемые ими факелы горячей плазмы направляются в сторону поверхности расплава, обеспечивая, таким образом, его прогрев. Однако, поскольку шлак отличается низкой теплопроводностью, подводимое к его поверхности тепло не обеспечивает прогрев глубинных слоев расплава, так что для поддержания шлака в жидком состоянии и предотвращения его затвердевания приходится обеспечивать обдув поверхности ванны воздухом с повышенной температурой и, следовательно, более высокий расход энергии. Более выгодным оказывается обогрев ванны расплава путем продувки ее объема горячим воздухом, подаваемым от плазмотронов непосредственно внутрь объема жидкой ванны.

...