В 2012 компания РИТМ выполняла работу по проектированию и внедрению системы управления контуром охлаждения для экспериментальной установки плазменной переработки органических отходов в синтетический газ для Института электрофизики и электроэнергетики Российской академии наук. Для получения преимуществ перед традиционными термическими процессами переработки отходов в реторте плазменного реактора достигались температуры плазмы более 1200 °С.

Основные предпосылки внедрения технологии:

  • Необходимость прекращения загрязнения планеты.
  • Огромное количество скопившихся отходов, необходимость переработки твердых бытовых отходов.
  • Рост цен и близкий горизонт исчерпаемости традиционных энергоносителей.
  • Необходимость поиска альтернативных источников энергии, в том числе возобновляемых.
  • Поиск путей повышения эффективности утилизации отходов.

Предпосылки внедрения технологии в России:

  • Первенство российской науки в области плазменных технологий.
  • Возможность сочетания борьбы с отходами и выработки из них энергии.
  • Потребность в малой распределенной энергетике.
  • Необходимость обновления энергетической отрасли.

Описание технологии

Плазма — сильно нагретый газ, в котором молекулы частично или полностью диссоциированы, а атомы частично или полностью ионизованы. Поскольку свойства плазмы существенно отличаются от свойств газов принято плазму считать четвертым агрегатным состоянием вещества.

Высокие температуры плазмы (более 1200°С) обеспечивают ключевое преимущество перед традиционными термическими процессами переработки отходов.

Плазменная газификация — термохимический процесс, при котором органическая составляющая твердого топлива (отходов) под действием струи плазмы переходит в газообразную форму — газифицируется — образуя горючий газ, называемый синтез-газом, состоящий в основном из смеси оксида углерода СО и водорода Н2. Полученный синтез-газ используется:

  • В энергетических циклах для выработки тепловой и электрической энергии. При этом можно применять наиболее эффективную на сегодняшний день технологию сжигания в комбинированном паро-газовом цикле, для достижения эффективности выработки электроэнергии 60% и выше.
  • В каталитических установках для производства искусственных жидких топлив, спиртов, эфиров.
  • Для получения водорода.

Преимущества плазменной газификации

  • Аллотермическая газификация (энергия в процесс вводится от стороннего теплоносителя — плазмы).
  • Высокая эффективность процесса.
  • Увеличение производительности.
  • Снижение весо-габаритных параметров.
  • Полная конверсия теплоты сгорания топлива в теплоту сгорания синтез-газа.
  • Смещение равновесия реакций в сторону увеличения выхода СО и Н2.
  • Экологическая чистота и безопасность процесса, полная деструкция вредных и токсичных веществ, содержащихся в отходах.
  • Широкий спектр сырья доступного для переработки: твердые бытовые отходы, отходы древесины, отходы сельского хозяйства, лигнин, быстрорастущие сорта деревьев, кустарников, трав, коровий навоз, куриный помет, осадки сточных вод, отработанные автомобильные покрышки, отходы пластмасс, каменный уголь, бурый уголь, торф, лигнит, сланец, нефтешламы, битуминозные пески.

Принципиальная схема установки плазменной газификации твердых бытовых отходов для производства электрической и тепловой энергии

1 — разрыватель мусорных пакетов; 2 — барабанный сепаратор; 3 — ручная сортировка; 4 — сепаратор черных и цветных металлов; 5 — измельчители отходов; 6 — барабанная сушилка; 7 — пеллетайзер; 8 — склад RDF; 9 — нория; 10 — автоматический питатель; 11 — газификатор; 12 — генератор плазмы; 13 — горячий циклон; 14 — квенчер; 15 — система газоочистки; 16 — компрессор; 17 — газгольдер; 18 — газовая турбина; 19 — парогенератор; 20 — выхлопная труба; 21 — паровая турбина; 22 — конденсатор; 23 — теплообменник; 24 — электрогенераторы; 25 — трансформаторная подстанция; 26 — опора ЛЭП.

Технологический цикл переработки твердых бытовых отходов

Доставка и разгрузка отходов

Отходы доставляются автомобильным транспортом с мест их сбора или образования и выгружаются на крытой площадке.

Сортировка отходов

Ручной или механизированный отбор из потока отходов металла, стекла и других неорганических включений с возможной их последующей реализацией в качестве вторсырья. Из отходов также необходимо удалить излишнюю влагу.

Измельчение и гранулирование отходов

Эта операция необходима с точки зрения оптимизации процессов, происходящих внутри реактора-газификатора, поскольку гранулометрический состав загружаемого топлива существенно влияет на газодинамический режим обтекания его окислителем и как следствие на выходные параметры процесса и полноту переработки. В результате этой технологической операции получается RDF — Refuse Derived Fuel — топливо, произведенное из отходов.

Подача отходов в реактор-газификатор

Осуществляется непрерывно или квази-непрерывно в верхнюю часть реактора-газификатора с помощью механических средств через специальные шлюзовые затворы, препятствующие попаданию излишних и неучтенных количеств воздуха в реакционный объем.

Плазменная газификация отходов

Отходы полностью заполняют шахту реактора-газификатора снизу доверху и по мере срабатывания перемещаются в его нижнюю часть. В верхнюю часть также поступает поток воздушной плазмы от плазмотронов. Таким образом, твердая фаза и газообразные продукты движутся сверху вниз прямотоком. Реализуется обращенная схема газификации с псевдостационарным слоем. Разогретый окислитель (кислород в составе воздуха) вступает в реакцию с органическими: веществами загруженных отходов, окисляет их, но не полностью, поскольку окислитель подается с недостатком. В результате часть твердого вещества сгорает, а часть образует горячий кокс (углерод отходов), на котором впоследствии (ниже по высоте реактора) протекают реакции восстановления диоксида углерода до монооксида, а водяного пара до водорода. В нижней части реактора-газификатора организуется отбор полученного синтез-газа, в котором кроме основных компонентов присутствуют примеси азота (из подаваемого в реактор воздуха), диоксида углерода и водяного пара (не полностью восстановленных на горячем коксе) и других веществ, образовавшихся в процессе окисления отходов.

Удаление и переработка шлаков

Несгораемые остатки отходов накапливаются в нижней части реактора-газификатора, откуда постоянно или периодически удаляются. Если используется жидкое шлакоудаление, то для поддержания необходимой температуры в нижней части реактора-газификатора устанавливается генератор плазмы. Дополнительно это способствует выжиганию остаточного углерода из золы и шлака, а процесс газификации становится комбинированным.

Охлаждение и очистка продукт-газа

Синтез-газ удаляется из нижней части реактора-газификатора, имеет достаточно высокую температуру (выше 1000 °С) и содержит кроме теплоценных компонентов некоторое количество примесей. В зависимости от состава отходов такими примесями могут быть НСl, НF, Н2S, NОX; и др. Первым этапом использования полученного газа является его охлаждение до температур применения в последующих технологических цепочках. Этот процесс реализуется с помощью специальных закалочных устройств либо теплообменников и может быть организован с рекуперацией тепла (производство пара для собственных нужд, сушка отходов и др.). Далее охлажденный синтез-газ поступает в систему газоочистки. Количество ступеней очистки и номенклатура аппаратов данного этапа выбирается на этапе проектирования с учетом требований по примесям последующего. технологического оборудования и норм ПДК в месте размещения установки.

Выработка электрической и тепловой энергии

В зависимости от условий в районе размещения установки возможна организация различных энергетических циклов либо с преимущественным получением. тепла, либо с преимущественным получением электроэнергии. Возможно также производить жидкое топливо или другие продукты органического синтеза, либо чистый водород. Наконец можно просто поставлять синтез-газ стороннему потребителю.

Для преимущественного получения тепловой энергии синтез-газ сжигается под котлом утилизатором, вырабатывающим перегретый пар высокого давления, который направляется на лопатки паровой турбины для выработки электроэнергии для компенсации собственных затрат. Остаточное низкопотенциальное тепло реализуется потребителям в виде пара либо горячей воды.

Для преимущественного получения электрической энергии необходимо реализовать комбинированный паро-газовый цикл на основе либо газовой турбины либо газо-поршневого двигателя. В этих устройствах энергия сгорания синтез-газа преобразуется в кинетическую энергию вращения вала, на котором расположен генератор электроэнергии. Тепло отходящих газов используется для выработки пара высокого давления, направляемого на паровую турбину, где также происходит выработка электроэнергии. Остаточное низкопотенциальное тепло реализуется потребителям в виде пара либо горячей воды.

Выбор конкретного аппаратного оформления этого процесса осуществляться на этапе проектирования с учетом конкретных условий в районе размещения установки и требований заказчика.

Рассеивание дымовых газов в атмосфере

На выходе установки устанавливается дымовая труба, выводящая отработанные газы в атмосферу. Уровень загрязняющих веществ при применении предлагаемой к реализации технологии на несколько порядков ниже, чем при традиционном сжигании и с гарантией укладывается в самые жесткие нормы выбросов.

Переработка вторичных отходов

На этапе очистки синтез-газа, в зависимости от выбранных типов аппаратов, возможно образование потоков отработанных реагентов в жидкой либо твердой фазе. При необходимости (в зависимости от возможностей их утилизации в месте размещения установки) организуется дополнительная технологическая цепочка их переработки.

Технико-экономические показатели проекта

Ниже представлены технико-экономические показатели для наиболее востребованных комплексов по переработке твердых бытовых отходов.

Выходные продукты предприятия и их использование

Основной продукт

Электрическая энергия — реализуется на собственные нужды, либо в сеть, либо сторонним потребителям

Тепловая энергия — реализуется на собственные нужды, либо сторонним потребителям, либо используется в подсобном хозяйстве (для разведения рыбы, для выращивания овощей, фруктов и др. в теплицах).

Побочные продукты

Вторсырьё (лом черных и цветных металлов, бой стекла) — реализуется на перерабатывающие предприятия.

Отсев песка, камней и т.д. — используется в строительстве, либо отправляется на полигон для захоронения.

Остеклованный шлак — используется в дорожном строительстве, либо используется для производства тротуарной плитки или теплоизоляции, либо отправляется на полигон для захоронения.

Возможные продукты

Отработанные реагенты систем газоочистки могут быть подвергнуты дополнительным технологическим процессам для извлечения из них полезных веществ (сера, соли и т.д.).

Установка производительностью 60 тыс. тонн в год может производить 10-30 тыс. тонн жидкого топлива в зависимости от сырья. Ориентировочная стоимость блока устройств для осуществления синтеза по методу Фишера-Тропша для данной производительности составляет -100 млн. руб.

Основное оборудование комплекса размещается в специальных корпусах из легких конструкций. При желании Заказчика комплекс зданий может быть оформлен в едином архитектурном стиле. Санитарная зона комплекса по действующим нормативам в РФ — 500 метров.

Экспериментальные стенды ИЭЭ РАН

Все предлагаемые технологические процессы с использованием генераторов плазмы проходят экспериментальную апробацию и отработку на специальных исследовательских стендах ИЭЭ РАН. Стенды обладают развитой инфраструктурой и снабжены новейшей диагностической аппаратурой, которые постоянно модернизируются и совершенствуются. При институте существует опытное производство.

Установка плазменного уничтожения опасных рискованных отходов здравоохранения

Отходы поступают на установку в картонных коробках фиксированного размера. Специальные механические устройства обеспечивают непрерывную подачу с заданной частотой коробок с отходами в реактор барабанного типа, где под воздействием воздушной плазмы происходит полное выгорание органической составляющей отходов и обезвреживание минеральной. Образовавшиеся газы поступают на вторую стадию: дожигание — где также при помощи воздушной плазмы осуществляется окончательное разложение и полное окисление. Далее поток газов направляется на многоступенчатую систему охлаждения и очистки. Несгораемая минеральная составляющая отходов образует шлак и выводится с противоположной стороны барабанного реактора.

Основные технические характеристики

  • Производительность по отходам — 150 кг/ч.
  • Потребляемая мощность — 200 кВт.
  • Потребление сжатого воздуха — 1092 Нм/ч.
  • Потребление воды — 2,3 м3/ч

Область применения, результаты

Установка может применяться в местах локального скопления или образования опасных медицинских отходов в количествах -1200 тонн в год. В результате работы установки образуются следующие вторичные потоки веществ:

  • Около 17 кг/ч твердых несгораемых остатков, что в 9 раз меньше исходной массы отходов и до 400 раз меньше по объему. Этот материал нетоксичен и может быть использован в строительных целях либо захоронен традиционными методами.
  • Около 4000 м3 дымовых газов по содержанию загрязняющих веществ удовлетворяющих самым жестким экологическим нормам.
  • Около 300 кг/ч отработанного скрубберного раствора содержащего около 25 кг натриевых солей и частиц уловленной летучей золы с кислотностью РН 8-9.5, что определяет возможность слива его в обычные канализационные сети. При отсутствии такой возможности этот раствор подвергается дополнительной переработке с возможным извлечением полезных продуктов, либо с дальнейшим захоронением твердых остатков.

Плазменное уничтожение жидких токсичных отходов

Технология предназначена для гарантированного уничтожения особо токсичных жидких отходов:

  • Полихлорбифенилов.
  • Фтор-хлор-бром-углеводородов и других галогеносодержащих веществ.
  • Фреонов.
  • Боевых отравляющих веществ и продуктов их переработки.
  • Прочих жидких токсичных отходов.

Реализуется метод высокотемпературной плазменной минерализации в две стадии с последующей многоступенчатой системой охлаждения и очистки отходящих газов. Переработка производится в двух последовательно установленных камерах — камере-предтопке и камере дожигания. Предварительно диспергированные с использованием сжатого воздуха отходы впрыскиваются в первую камеру. Воспламенение осуществляется закрученной плазменной струей. Процессы протекают при температуре 1200-1300 °С. Газы из предтопка с высокой скоростью подаются в камеру дожигания. Здесь при температуре 1400-1500 °С происходит окончательное окисление исходных веществ и продуктов их неполного окисления, для чего в реактор вводится поток горячего воздуха из плазмотрона.

Значительное время пребывания дымовых газов в камере дожигания (-2 с) обеспечивают полную минерализацию органических веществ. Далее дымовые газы поступают в камеру закалки, где быстро охлаждаются до температуры 380-400 °С за счет впрыска воды и ввода холодного воздуха, и подаются в систему газоочистки. Здесь они подвергаются дальнейшему охлаждению и 3-х ступенчатой очистке от кислых газов и аэрозольных частиц. В качестве метода газоочистки принят мокрый щелочной метод, а для очистки от аэрозольных частиц используется волокнистый фильтр. Очищенные дымовые газы дополнительно очищаются от окислов азота, а затем выбрасываются в атмосферу.

Электроразрядная обработка воды

Импульсные электрические разряды в воде являются способом непосредственного обеззараживания воды практически от всех известных патогенных бактерий и спор грибных культур за счет действия УФ-излучения, ударных волн и других факторов. Разработана и создана установка для бактерицидной очистки воды импульсными электрическими разрядами малой мощности.

Воздействие разряда позволяет как непосредственно обеззаразить воду практически от всех известных патогенных бактерий и спор грибных культур за счет воздействия УФ-излучения, ударных волн и других факторов, так и служит источником ионов и наночастиц металлов или их оксидов, которые образуют с водой дисперсии, способные в течение длительного срока, оказывать бактерицидное действие. Продолжительность сохранения бактерицидных свойств достигает одного года и больше.

Вода, обработанная с помощью предлагаемой установки, может стать незаменимой как в экстремальных случаях, когда по каким-либо причинам невозможно применение химических средств обеззараживания или требуется длительное хранение запасов воды с гарантией ее стерильности, так и каждодневной жизни, например для очистки бассейнов или первичной обработки стоков, имеющих сильное микробное и споровое загрязнение: больницы, птичьи фермы, некоторых видов производств и др. Кроме того возможно использование этой воды для обработки поверхностей с целью их обеззараживания. Водные дисперсии наночастиц металлов и их оксидов могут быть использованы в медицине.

В результате совместной работы с ИЭЭ РАН компания РИТМ получила свой первый опыт работы с технологиями возобновляемой энергетики и эффективной переработки отходов в энергетические ресурсы.