В вариантах, показанных на рисунка 2.5.5 и 2.5.8, нижний фурменный пояс в зоне плавильной камеры реактора включает 3-4 барботажных фурмы по периметру камеры, предназначенных для обогрева ванны расплава.

Для ввода горячего технологического газа в расплав шлака в подовой камере реактора могут применяться металлургические газокислородные фурмы, предназначенные, например, для продувки стали в конверторах производства НТПФ «Эталон». Фурменный кессон, снабженный системой водяного охлаждения (рисунке 2.5.9), устанавливается в боковой стенке плавильной камеры и обеспечивает «пробулькивание» подаваемого от плазмотронов (внешнего генератора) под давлением и при температуре 1 700-1 750 ⁰С горячего воздуха через расплав шлака, поддерживая его, таким образом, в жидком состоянии.

Удаление жидкого шлака из плавильной камеры осуществляется, как правило, двумя способами: либо через сливные летки с запорным устройством или без него, либо сифоном. Удаление жидкого расплава через сливные летки при отсутствии запорного устройства осуществляется в непрерывном режиме. При этом предусматриваются раздельные сливные летки: для удаления шлака и для удаления расплавленного металла; последние располагаются ниже по высоте стенки плавильной камеры.

Запорное устройство предназначено для перекрытия сливного отверстия, что предполагает наличие определителей уровня шлака и жидкого металла в плавильной камере [8] или визуального контроля над уровнем расплава в плавильной камере посредством смотрового окна (рисунок 2.5.10).

Рисунок 2.5.10. Подовая часть реактора с устройствами слива шлака

Известно конструктивное решение системы удаления жидкого шлака из плавильной камеры [9], включающее микроволновые индикаторы уровня расплава в камере и сливные каналы, снабженные управляемыми от приводов заглушками и индукционными прогревателями (рисунок 2.5.11).

Рис 2.5.11 Устройство удаления расплава из плавильной камеры реактора 12, 13 - микроволновые индикаторы уровня; 6, 7 - заглушки; 8, 9 - приводы заглушек; 14, 15 - индукционные или омические нагреватели каналов слива.

При устройстве плавильной камеры с сифоном по мере поступления зольных остатков в барботажную ванну плавильной камеры, их смешивания с расплавленным шлаком и плавлением происходит вытеснение расплава через сифон в сливной лоток и далее в шлакосборник.

Конструкция подовой части реактора может включать также встроенные нагреватели любого типа (индукционные, омические и пр.) для поддержания шлакового компаунда в жидком состоянии и предотвращения его затвердевания в ванне расплава, а также для затвердевания шлака в каналах слива [9].

Конструкция узла загрузки реактора должна обеспечить дозированную подачу в реактор отходов, поддержание количества (столба) отходов в шахте на постоянном уровне и максимально возможного ограничения проникновения в шахту воздуха в процессе загрузки и с подаваемыми отходами. Это может достигаться применением подающих механизмов, обеспечивающих определенную герметичность канала загрузки, или применением устройств шлюзования и подпрессовки подаваемого в шахту материала в целях вытеснения из него излишков воздуха. В качестве примера конструкции подающего механизма (рис. 12) можно привести реактор, разработанный в Институте теплофизики Сибирского отделения РАН [10]. В конструкции этого реактора использован горизонтальный поршневой механизм подачи отходов в шахту, который наряду с проталкиванием порции отходов от загрузочного бункера к шахте выполняет функцию уплотнения, не допуская проникновения воздуха в пространство шахты извне.

Поршневой механизм в данной конструкции может быть заменен шнековым устройством. Наибольшее распространение в настоящее время получили шиберные затворы (рис. 13) в составе вертикальных шлюзованных загрузочных коробов. Такие шиберы могут быть водоохлаждаемыми [11], что особенно важно для нижних (по отношению к верхней части шахты) шиберов, поскольку в начальный период пуска реактора - прогрева подовой части и шахты - они могут подвергаться сильному тепловому (лучевому) воздействию со стороны разогретых нижних частей реактора.

Рисунок 2.5.12 Конструкция поршневого механизма подачи отходов в шахту 1 - Плазменная электропечь для переработки ТБО с получением синтез-газа и расплавленного шлака: 1 - плазмотроны; 2 - рабочее пространство (шахта); 3 - подовый электрод; 4 - летка для слива шлака; 5 - летка для слива металла; 6 - механизм загрузки; 7 - бункер загрузки; 8 - диагностический газозабор; 9 - подача окислителя; 10 - патрубок забора синтез-газа; 11 - футеровка; 12 - водоохлаждаемые панели

Чаще всего шлюзованный загрузочный короб, находящийся над верхней потолочной частью реактора, выполняется двух- или трехсекционным (рис. 14), причем система автоматизированного управления загрузкой обеспечивает последовательное открытие и закрытие заслонок шиберов сверху вниз, что и ограничивает проникновение воздуха в шахту. Конструкция такого шлюза показана на рис. 14.

При переработке опасных отходов, например радиоактивных или содержащих вредные химические компоненты, особенно важно исключить возможность утечек при загрузке реактора, а также минимизировать подсос воздуха извне в целях предотвращения опасного выброса из реактора в случае непроизвольного «хлопка» при образовании взрывоопасной смеси. Это достигается применением узла загрузки, обладающего гарантированной защищенностью от утечек и подсоса воздуха [12]. Схема устройства такого загрузочного узла представлена на рис. 15. Особенность его устройства - в обеспечении надлежащей степени уплотнения загрузочного тракта за счет применения самоуплотняющегося поршня и практически полной герметичности внутриреакторного пространства, а также с помощью достижения высокой степени выдавливания остатков воздуха из межфракционного пространства в объеме загружаемых порций отходов.

Управление открытием и закрытием шиберов обеспечивается по сигналам от индикаторов уровня отходов в загрузочном бункере и в самой шахте [13]. Индикатор уровня отходов в шахте предназначен для слежения за поддержанием полной загрузки шахт отходами на протяжении всего цикла их переработки; индикатор уровня отходов в загрузочном бункере предназначен для управления подачей конвейером отходов от приемного накопителя.

В качестве индикаторов уровня чаще всего используются микроволновые датчики (радары); они могут быть двух типов [14]: «работающие на просвет» и «работающие на отражение» (рисунке 2.5.16).

Рисунок 2.5.14 Конструкция трехсекторного шиберного затвора

Рисунок 2.5.15 Схема узла загрузки, обеспечивающего надежную герметизацию внутриреакторного пространства и подпрессовку загружаемых порций отходов

Рисунок 2.5.16 Микроволновые индикаторы уровня фирмы VEGA, работающие «на просвет» (слева) и «по отражению» (справа)

Индикаторы уровня, работающие «на просвет», включают излучатель и приемник, которые размещаются на противоположных сторонах контролируемого объема (приемного бункера, загрузочной трубы, шахты) и реагируют на перекрытие столбом отходов линии визирования между ними. На рисунке 2.5.17 показан пример размещения блока индикации уровня на приемном бункере узла загрузки реактора, отходы к которому подаются в данном случае посредством герметизированного трубного цепного конвейера (справа).

Индикатор(ы) уровня, работающий(ие) «по отражению», устанавливаются в водоохлаждаемых гнездах на потолочной части шахты так, что антенна направлена вертикально вниз, и реагируют на уровень столба отходов внутри шахты. Возможна также установка индикаторов уровня расплава в плавильной камере; при этом микроволновые излучатели и приемники размещаются в потолочной части камеры.

Необходимость наличия средств защиты реактора от перегрузок при ударном повышении внутришахтного давления обусловлена тем фактом, что высокотемпературная (плазменная) технология переработки углеродосодержащих отходов базируется на использовании в качестве окислителя связанного кислорода и паров воды в условиях повышенной (до 1 600 ⁰С и выше) температуры в реакционной зоне; при этом реализуются известные реакции газификации топлива, а именно:

С + O₂ = 2СО; С + Н₂O = СО + Н₂ и СО + Н₂O = СO₂ + Н₂,

с образованием горючих компонентов - водорода и моноксида углерода, которые при смешении с воздухом могут образовывать горючую смесь, в результате чего могут происходить «хлопки» с ударным повышением давления.

Для предотвращения возникновения разрушающих нагрузок в реакторе предусматривается установка предохранительного «взрывного» клапана (рис. 18), посредством которого продукты взрыва сбрасываются непосредственно в атмосферу, минуя систему газоочистки и другое технологическое оборудование.

Контроль над температурой в шахтной печи осуществляется с помощью термопар, устанавливаемых в гнездах по всей высоте корпуса шахты. Для контроля над составом продуктов газификации и пиролиза по высоте шахты могут быть встроены патрубки отбора проб для подачи на газоанализаторы.

Цель оптимизации конструкции плазмохимического реактора - это достижение максимально возможного уровня его энергетической эффективности. Обычно уровень эффективности реактора составляет 75-80 %. Однако если рассматривать эффективность реактора в более широком аспекте - в рамках энергетической эффективности всей технологической установки по переработке отходов с учетом получения энергии за счет энергетического потенциала отходов, то полная энергетическая эффективность такой эколого-энергетической системы может зависеть также и от параметров синтез-газа, используемого как топливо для работы энергогенерирующих агрегатов (газовых и паровых турбин, поршневых двигателей разного типа, теплопроизводящих котлов и пр.). При этом полная энергетическая эффективность всей системы будет зависеть не только от совершенства конструкции реакторов, но и от выбора надлежащих режимов их работы с точки зрения получения параметров синтез-газа, оптимальных для эффективной работы энергогенерирующих агрегатов. А это предполагает наличие системы автоматизированного регулирования режимов работы плазмотронов, параметров подачи в процессорное пространство реакторов технологического газа, водяного пара и, возможно, некоторых других реагентов. Иначе говоря, оптимальная конструкция реактора предполагает также наличие системы многопараметрического автоматизированного регулирования режимов его работы, включая систему датчиков и аппаратную часть, а также соответствующее программное обеспечение, реализующее основанный на экспериментальных данных алгоритм взаимозависимости входных и выходных параметров работы реактора.

4.3 Преимущество технологии

Технология плазменной газификации разработана для решения широкого круга задач одной, из которых является преобразование 97,97% любых видов отходов, включая био-отходы, опасные отходы, в электроэнергию/ синтетическое топливо (дизельное топливо, этанол) и другие полезные материалы (1тонна отходов равна 1-1,3 МВт/ч электроэнергии).

Является технологией промышленного использования, имеет коммерчески успешные инсталляции по всему миру (Япония, Индия, Англия, Китае, США). Ведутся работы по проектированию и строительству в странах Евросоюза.

Применение плазменной газификации неотъемлемо связано с Киотским соглашением по уменьшению влияния на атмосферу человека. Влияние на природу и человека ниже мировых норм ПДК в 10-15 раз

4.4 Условия в России для внедрения технологии плазменной газификации

2. Объем промышленных и бытовых отходов на душу населения в год составляет более одной тонны.

3. Размещения отходов на полигоне за тонну - от 20 до 60 дол. США

4. Утилизация промышленных отходов - от 100 до 700 дол. США тонну отходов

5. Оптовая цена электроэнергии - от 30 до 70 дол. США за МВт/час

4.5 Маркетинговые преимущества технологии

Возможность использовать технологию плазменной газификации для переработки разнородного исходного сырья при его минимальной подготовке уникальна. Это позволяет смешивать разное исходное сырье, такое как бытовые отходы, опасные отходы, строительный мусор и лом, автомобильный лом, уголь с высоким содержанием золы, биомассу, жидкости и шламы. Такая универсальность позволяет компаниям оптимизировать работы по типу доступного исходного сырья.

Установка плазменной газификации работает при температуре, превышающей 5500°С, гарантируя практически полное преобразование исходного сырья в синтетический газ. Неорганические вещества выводятся у основания газификатора в виде инертного шлака, который охлаждается и превращается в неопасный не выщелачиваемый продукт, который можно продавать как наполнитель для строительного материала.

Совокупная энергия, извлеченная из исходного сырья, переработанного газификатором, составляет примерно 80%. Эта регенерированная энергия представляет собой чистый, обогащенный синтетический газ, который можно использовать для генерации электроэнергии, получения жидкого топлива или иной энергетической продукции. Из всей энергии, необходимой для процесса газификации, на питание плазменных факелов расходуется только 2-5%.

Модульная и масштабируемая конструкция нашей установки позволяет быстро устанавливать систему плазменной газификации повсюду, что делает плазменную технологию доступной во всем мире

Рисунок 2.1.1 Реализованные проекты

Рисунок 2.1.2 Экологический процесс

Плазменный реактор-газификатор (ПРГ).

Стандартные реакторы-газификаторы (ПРГ) G65 Р5 W15 осуществляют превращение органических компонентов смеси опасных отходов в синтез-газ, который выходит из его верхней части, и превращение неорганических компонентов в расплавленный шлак, вытекающий из нижней части.

Расплавление шлака достигается за счёт высоких температур в нижней части реактора. В процессе поглощаются кислород и водяной пар. Высокая температура способствует значительному ускорению различных химических реакций газификации и позволяет сплавить неорганические части загрузочного материала вместе. ПРГ имеет соответствующее огнеупорное покрытие, способное выдержать высокие температуры и коррозионное действие расплавленного шлака и горячего сингаза внутри реактора.

Донный шлак представляет собой смесь негорючих неорганических веществ, в том числе подлежащих рекуперации металлов. Шлак поступает в соответствующую систему для дальнейшей обработки.

Рисунок 2.1.3 Бизнес процесс

Конструкция ПРГ стандартная основывается на конструкции плазменной печи производства Вестингхаус Плазма Корпорэйшн (WPC), представляющей собой вертикальную шахтную печь.

4.6 Система плазменных горелок

Каждый реактор оснащаются стандартными плазматронами марки «Маге 11L», «Маге 11», «Маге 3» с регулируемой мощностью в донной части. Диапазон мощности каждого составляет от 100 до 2400 кВт. В нормальных условиях плазматроны работают при средней мощности. Избыточная мощность необходима для беспроблемного преодоления нештатных ситуаций, пусконаладочных работ и технического обслуживания.

Система плазменных горелок рассчитана на 500 000 часов непрерывной работы в агрессивных средах, прошла проверку временем и зарекомендовала себя как надежный элемент общего технологического процесса.

Сменные электроды в среднем работают 500 - 1200 часов. Замена электродов производится за 30 минут без остановки технологического процесса.

4.7 Установка разделения воздух

Для более полной газификации материалов реакторы продуваются потоком воздуха с 95% содержанием кислорода. Система снабжения кислородом представляет собой сжижающую установку разделения воздуха. Она работает по принципу охлаждения воздуха под давлением до сжижения с последующим отделением газообразного азота в ректификационной колонне.

Этот процесс позволяет получить кислород высокой чистоты. Одним из преимуществ данного способа является возможность запасания жидкого кислорода в цистернах для последующего использования в случае нештатной ситуации. Аргон, основной остаточный газ воздуха, присутствует в получаемых газах, в основном в кислороде.

4.8 Охлаждение газа, очистка от пыли и хлороводорода

Нагретый синтез-газ направляется в скруббер и колонны с распылительным орошением для охлаждения, очистки и обработки. Сингаз попадает в скруббер Вентури, а затем в колонну с распылительным орошением для охлаждения, очистки от пыли, хлороводорода и прочих нежелательных примесей. Очищенный синтетический газ выходит через верхнюю часть оросительной колонны и направляется к мокрому электрофильтру для более тонкой пылеочистки.

Паротурбинный генератор и воздушный конденсатор.

Давление пара снижается в паровой турбине, пар преобразуется в жидкую воду в конденсаторе, и отправляется обратно в котёл через систему рециркуляции пара. Выделяемая при конденсации энергия преобразуется в электрическую. В паровом котле используется очищенная сливная вода для минимизации затрат. Это необходимо, чтобы компенсировать потери пара, используемого для газификации

Конденсатор с воздушным охлаждением выбран, чтобы свести потребление воды к минимуму. Хотя вариант с охладительной башней дешевле и эффективней, он потребует около 1700 м³/сут подпиточной воды для восполнения потерь от испарения и продувки. Конденсатор с воздушным охлаждением не требует подпиточной воды, поэтому он и был выбран.

Удаление ртути. Охлаждённый сжатый синтез-газ проходит через фильтр с активированным углём для удаления следовых количеств ртути перед процессом сероочистки. Два последовательно установленных фильтра обеспечивают удаление до 99.75%. Согласно расчётам, фильтры требуют замены только раз в год. После удаления ртути газ поступает на линию сероочистки.

Гидролиз карбонилсульфида. В процессе гидролиза газ проходит через слой катализатора, где COS превращается в H₂S и С0₂. После такой обработки практически вся сера в сингазе переводится в сероводород, который легко удаляется на следующей стадии. Сероочистка. В блоке сероочистки H₂S удаляется из сингаза и преобразуется в элементарную серу, которую можно складировать на станции или продать. Используемая здесь технология сероочистки называется «CiystaSulfo. Она была выбрана за избирательное удаление H₂S без удаления С0₂ , СО и Н₂ , а также за возможность одноэтапной переработки H₂S в твёрдую серу.

4.9 Удаление примесей и контроль выбросов