Плазменная технология уничтожения отходов

При современном уровне развития промышленности проблема переработки отходов приобретает первостепенное значение. В большинстве стран с каждым годом вводятся новые законы, ужесточаются экологические нормы. Крупные промышленные компании и муниципальные структуры в этой ситуации вынуждены вкладывать значительные средства в уничтожение отходов. C каждым годом cоздание экологически безопасных технологий переработки отходов приобретает все большую инвестиционную привлекательность

Далеко не все виды отходов могут быть утилизированы традиционным сжиганием в мусоросжигательных печах. Например, при обычном сжигании углеводородов, содержащих галогены, образуются высокотоксичные диоксины. Поэтому наиболее токсичные виды отходов помещаются в спецхранилища ввиду их крайней опасности и в связи с отсутствием технологий их утилизации. Наиболее перспективной технологией утилизации токсичных веществ является плазмохимическая технология, основанная на высокотемпературном плазмохимическом воздействии и полном разложении утилизируемых продуктов с помощью дуговой плазмы с получением полезного продукта, синтез-газа, который представляет собой смесь водорода и оксида углерода и является ценным энергетическим сырьем.

Основным преимуществом плазмохимической технологии является универсальность по отношению к типу вещества и малые габариты, позволяющие создать передвижные технологические модули. Однако, широкое практическое распространение плазменных технологий сдерживается отсутствием надежных дуговых плазмотронов с достаточным ресурсом непрерывной работы. Существующие плазмотроны, как правило, требуют для работы использования в качестве плазмообразующего дорогостоящего инертного газа, в то время как оптимальным, с точки зрения плазмохимических реакций, плазмообразующим газом является водяной пар. Электрическая дуга в мощных плазмотронах приводит к интенсивной эрозии электродов. Плазменные установки приходится часто останавливать для замены электродов. Нами разработан принципиально новый плазмотрон не имеющий каких-либо ограничений на ресурс электродов. На базе нового плазмотрона разработан плазмохимический реактор для утилизации самых опасных органических отходов.

Плазмохимический реактор: Базовая идея

Внутри герметичного корпуса две реакционные камеры со специальными ваннами. (см. схему). В ванны загружается металлический лом. Электрическая дуга зажигается между этими ваннами и металл в них плавится. Отходы подаются на поверхность расплавленного металла. Плазмохимическая реакция газификации протекает в камерах реактора при температуре 1300оС. Продукты газификации выводятся из камер плазмохимического реактора и поступают в систему газоочистки. Во время работы на поверхности металла образуется слой расплавленного шлака. Шлак удаляется по мере накопления или непрерывно. По сравнению с плазмохимическими реакторами использующими традиционные плазмотроны, новый реактор обладает рядом стратегических преимуществ:

Технические преимущества:

Полное отсутствие эрозии электродов.
Поверхность расплавленного металла, который служит электродами, не подвержена эрозии, поэтому новый плазмохимический реактор не имеет ограничений на ресурс работы электродов.

Возможность использования водяного пара в качестве плазмообразующего газа.
В известных аналогах в качестве плазмообразующего газа используются аргон, азот или воздух. Затем, соответственно, воздушная или азотная плазма смешивается с реагентами - паром и отходами. Для повышения эффективности работы реактора необходимо в качестве плазмообразующего газа использовать пар. Однако использование пара приводит к интенсивной эрозии электродов. В нашем случае использование в качестве электродов жидкого металла позволяет использовать пар в качестве плазмообразующего газа.

Возможность практически неограниченного увеличения мощности.
Известно, что для увеличения мощности плазмотронов приходится увеличивать разрядный ток. Увеличение разрядного тока также приводит к интенсификации процесса эрозии электродов. Использование жидких электродов, не подверженых эрозии открывает новые возможности для наращивания мощности плазмотронов.

Конкурентные преимущества

по сравнению с мусоросжигательными печами: 1. возможность уничтожения опасных высокотоксичных хлорированных или фторированных углеводородов. 2. технология полностью отвечает современным требования по экологии, в продуктах переработки отсутствуют диоксины. 3. возможность перерабатывать любые отходы (даже не горючие) в одном процессе без предварительной сортировки. 4. снижение капитальных затрат за счет уменьшения объема реактора и затрат на газоочистку. 5. производство товарных продуктов: синтез- газа и химически инертного гранулированного шлака (синтез-газ может быть использован как сырье для химического производства, или как топливо для получения тепловой или электрической энергии; шлак может использоваться в строительной индустрии). 6. отсутствие затрат на содержание золоотвалов и переработку золы. 7. возможность извлечения ценных металлов, если они содержались в отходах. 8. возможность создания мобильных установок для утилизации отходов.

по сравнению с плазмохимическими реакторами, использующими традиционные дуговые плазматроны: 1. резкое увеличение надежности и ресурса непрерывной работы. 2. использование водяного пара в качестве плазмообразующего газа вместо дорогостоящих инертных газов. 3. более глубокая переработка отходов. 4. снижение эксплуатационных расходов. 5. возможность «неограниченного» увеличения мощности реактора.

Демонстрационная версия

Предназначен для уничтожения высокотоксичных, в том числе и негорючих, отходов в плазме водяного пара. Реактор работает при пониженном давлении, что полностью исключает вероятность попадания продуктов разложения отходов в атмосферу.

Мощность электрической дуги Плазмообразующий газ Расход плазмообразующего газа Производительность Рабочая температура в реакционных камерах до 200 кВт азот, воздух, CO2, водяной пар 3-5 г/с до 100 кг/ч 1300С

Промышленный образец

нажмите на изображение, чтобы
просмотреть в полный размер

Мощность - 500 киловатт (0.5 МВ)

Производительность - до 1500 тонн токсичных отходов в год

Результаты испытаний

Испытания реактора проводились по следующей схеме. Жидкие хлорсодержащие отходы подавались в реакционную камеру на поверхность расплава. В результате реакции газификации, взаимодействия пара с отходами, образуются синтез газ (смесь водорода, CO и HCl). Полученный синтез газ подвергается быстрому охлаждению закалке, одновременно проходя очистку от HCl в центробежно-барботажном аппарате.

Схема газификации запрещенного трансформаторного масла. В экспериментах измерялась концентрация диоксинов в полученном синтез газе. Результаты в таблице.

Смесь (изопропиловый спирт + бензол + CCl4)

Трансформаторное масло марки ТХБ

Концентрация хлора, % вес. Плазмообразующий газ Температура в реакторе, С Концентрация диоксинов в полученом синтез газе, TEQ, ng/Nm3

10% воздух 1100 20

20% пар 1300 0,02

40% пар 1300 0,05

Проведенные эксперименты по уничтожению трансформаторного масла марки ТХБ (трихлорбифенил) показали, что концентрация диоксинов/фуранов в синтез газе не превышает TEQ= 0,05 нг/м3 (норма установленная американским агентством по защите окружающей среды EPA - 0.1 нг/м3), т. е. продемонстрирована применимость плазмохимического реактора для уничтожения опасных высокотоксичных хлороорганических отходов.