CC BY
87
СЫРЬЯ
Резюме. В статье описан процесс плазменной газификации отходов в различных газифицирующих средах и его закономерности, которые были исследованы и использованы для разработки экспериментальной плазменной установки. По результатам термодинамического анализа и опытных исследований плазменной газификации ТБО в конденсированных продуктах процесса из органической массы ТБО получен высококалорийный топливный газ, а из минеральной массы - нейтральный шлак, состоящий в основном из карбида железа, моносиликата кальция, кремнезема и железа. Ключевые слова: плазменная технология, электродуговой плазмотрон, отходы.
Альфред Моссэ,
главный научный сотрудник отделения плазменных технологий Института тепло- и массообмена им. А.В. Лыкова НАН Беларуси, доктор технических наук, профессор
Василий Савчин,
завотделом электродуговой плазмы Института тепло- и массообмена им. А.В. Лыкова НАН Беларуси, кандидат технических наук
Проблема переработки и уничтожения углеродсодержащих отходов (УСО) различного происхождения, включая медико-биологические, весьма актуальна. В последние годы в научно-технической литературе появилось большое количество публикаций по использованию плазменных источников энергии (электродуговых генераторов плазмы) в установках высокотемпературной переработки различных отходов, содержащих органические и неорганические вещества (ТБО, промышленные и медицинские). Актуальность этого направления подтверждается выходом в свет в России справочника по термическому обезвреживанию отходов [1].
Особое место среди опасных углеродсодержащих отходов занимают медико-биологические отходы (МБО). Их опасность значительно выше, чем у большинства химических отходов [1]. Наиболее перспективной технологией переработки МБО является плазменная газификация [2-7]. В настоящей работе представлены результаты термодинамического расчета и экспериментов по получению высококалорийного синтез-газа плазменной газификацией МБО. Характерный состав
| №5 (183) | Май 2018 | НАУКА И ИННОВАЦИИ 67
16779746
С Н О N S Cl H2O Fe2O3 SiO2 CaCO3
34,15 5,85 6,29 8,16 0,94 5,3 32,31 3,0 2,0 2,0
Таблица. Химический состав МБО, масс.%.
МБО: бумага и картон - 36%, пищевые отходы - 21%, стекло - 2%, железо и его оксиды - 3%, пластмасса - 13%, древесина - 5%, резина, кожа и другие горючие вещества - 16%, текстиль - 2%, карбонат кальция - 2%.
Для термодинамического анализа плазменной газификации был использован химический состав МБО, представленный в таблице.
Расчеты плазменной газификации МБО выполнены на базе программы TERRA для следующих практически актуальных составов исходной технологической смеси: 10 кг МБО + 4 кг воздуха; 10 кг МБО + 1 кг водяного пара.
На рис. 1 показано изменение концентраций газообразных компонентов в зависимости от температуры воздушной и паровой газификации МБО. В обоих случаях с увеличением температуры концентрация синтез-газа (CO+H2) увеличивается до максимального значения при температуре Т=1600 К. При воздушной газификации МБО максимальная концентрация синтез-газа достигает
82,4% (СО - 31,7%, H2-50,7%), а при паровой газификации - 94,5% (СО - 33,6%, H2-60,9%). Концентрация окислителей (СО2+Н2О) при этой температуре не превышает 0,15%. При дальнейшем повышении температуры содержание синтез-газа незначительно снижается в связи с появлением в газовой фазе атомарного водорода (H), концентрация которого достигает 10,3% при воздушной и 11,3% при паровой газификации МБО (Т=3000 К). Составляющая балластирующего газа азота (N2) остается практически постоянной при 1200-3000 К - 15% и 3,4%. Концентрация хлористого водорода (HCl) мало изменяется в рассматриваемом интервале температур, варьируясь от 1,2% до 1,6% в обоих процессах. До Т=1900 К сера представлена сероводородом (H2S), который при повышении температуры диссоциирует на серу (S) и атомарный водород (Н). В газовой фазе при Т=1600 К появляются хлорид кальция (СаС12), железо (Fe), монооксид кремния (SiO) и хлор (С1) с суммарной концентра-
Рис. 1. Изменение концентраций компонентов газовой фазы в зависимости от температуры процесса воздушной (А) и паровой (Б) газификации МБО
цией менее 1%. Из сравнения рис. 1а и 1б следует, что при паровой газификации концентрация синтез-газа выше на 12,1%, а балластного газа азота - меньше на 11,6%.
Удельная теплота сгорания синтез-газа, полученного при воздушной газификации, составляет 3280, а при паровой - 3530 ккал/кг. Этот высококалорийный газ может быть использован в качестве рабочего тела газотурбинных и газопоршневых установок для генерирования электроэнергии.
На рис. 2 представлено изменение концентраций конденсированных компонентов в зависимости от температуры воздушной и паровой газификации МБО. В обоих случаях углерод полностью переходит в газовую фазу при температуре выше 1250 К, образуя СО (рис. 1). Тем самым обеспечивается стопроцентная газификация углерода. В температурном интервале 1200-2200 К минеральная часть МБО представлена в основном диоксидом кремния (8Ю2), моносиликатом кальция (Са8Ю3), карбидом железа (Бе3С) и железом. При температуре выше 2200 К минеральные компоненты МБО полностью переходят в газовую фазу, образуя соответствующие газообразные соединения (рис. 1). Сравнение рис. 2а и 2б демонстрирует их качественное и количественное подобие.
Отметим, что в газообразных и конденсированных продуктах плазменной газификации МБО отсутствуют вредные примеси.
Удельные энергозатраты на процесс газификации МБО возрастают с повышением температуры во всем расчетном диапазоне (рис. 3). Видно, что температурные зависимости удельных энергозатрат при воздушной и паровой га-
РАЗРАБОТКА
ню Юм 15«) мм ги» это т. к
Рис. 2. Изменение концентраций компонентов конденсированной фазы в зависимости от температуры процесса воздушной (А) и паровой (Б) газификации МБО
зификации МБО качественно подобны. При этом удельные энергозатраты на вторую превышают таковые на первую во всем диапазоне температур. Для оптимальной температуры (Т=1600 К), при которой достигается максимальный выход синтез-газа (рис. 1), удельные энергозатраты на воздушную газификацию МБО составляют 1,92 кВт-ч/кг, а на паровую - 2,44 кВт-ч/кг. Меньшие энергозатраты на воздушную газификацию МБО связаны с компенсацией эндотермического эффекта за счет тепловыделения реакции окисления углерода, содержащегося в отходах.
Максимальный выход синтез-газа при плазменной газификации МБО в воздушной и паровой средах достигается при температуре 1600 К. При воздушно-плазменной газификации МБО может быть получен высококалорийный синтез-газ с концентрацией 82,4% (СО - 31,7%, Н2 - 50,7%), а при па-ро-плазменной - с концентрацией 94,5% (СО - 33,6%, Н2 - 60,9%). Удельная теплота сгорания синтез-газа, образуемого при воздушной газификации, - 3410 ккал/кг, а при паровой - 4640 ккал/кг. При оптимальной температуре (1600 К) удельные энергозатраты на воздушную газификацию МБО составляют 1,92 кВт-ч/кг, а на паровую - 2,44 кВт-ч/кг. Этот высокока-
лорийный синтез-газ может быть использован в качестве рабочего тела газотурбинных и газопоршневых установок для генерирования электроэнергии.
Найденные параметры и выявленные закономерности процесса плазменной газификации УСО в различных газифицирующих агентах были учтены при разработке экспериментальной плазменной установки. Основными ее элементами являются высокоресурсный плазмотрон постоянного тока номинальной мощностью 70 кВт и реактор периодического действия производительностью по МБО до 30 кг/ч [8]. Процесс плазменной газификации брикетированных или пакетированных отходов осуществляется в реакторе при среднемас-совой температуре до 1600 К. В состав экспериментальной установки (рис. 4) кроме реактора (3) с плазмотроном (4) входят системы электроснабжения и управления, газо- и водоснабжения реактора с плазмотроном и очистки отходящих газов (7). Установка также снабжена системой отбора газообразных (8) и конденсированных продуктов (10) процесса газификации ТБО для проведения их анализа.
Время полного цикла переработки МБО составляет 30 мин. В качестве газифицирующего агента использовался плазмообразующий
газ - воздух с расходом 12 кг/ч. Под воздействием воздушного плазменного факела органическая часть МБО газифицировалась, а неорганическая - плавилась и скапливалась в зоне шлакообразования реактора.
Получен газ следующего состава, об.%: СО - 26,5, Н2 - 44,6, N - 28,9. Расхождение между экспериментом и расчетом не превышает 16%. В газообразных и конденсированных продуктах плазменной газификации МБО вредных примесей не выявлено.
Плазменный реактор предназначен для плазменной газификации ТБО, включая токсичные отходы различного происхождения. Реактор представляет собой куб, футерованный огнеупорным кирпичом. Реакционный объем реактора - 90 литров. В стенке реактора предусмотрен смотровой лючок
Рис. 3. Изменение удельных энергозатрат на воздушную (1) и паровую (2) газификацию МБО в зависимости от температуры процесса
Рис. 4. Принципиальная схема экспериментальной установки для плазменной газификации МБО: 1 - зона газификации; 2 - патрубок для подачи брикетированных или пакетированных отходов; 3 - реактор; 4 - электродуговой плазмотрон; 5 - плазменный факел; 6 - блок охлаждения отходящих газов; 7 - блок газоочистки с рукавным фильтром; 8 - система отбора газа на анализ; 9 - система вытяжной вентиляции; 10 - зона шлакообразования
для измерения температуры пирометром в объеме реактора (рис. 5).
Процесс плазменной газификации МБО осуществляется следующим образом (см. рис. 4). После включения плазмотрона и прогрева реактора до температуры внутренней поверхности футеровки 1100 К, измеряемой на расстоянии 0,2 м от крышки реактора, через патрубок (2) в зону газификации (1) подаются брикетированные или пакетированные МБО. Масса каждого брикета - 0,4 кг. МБО газифицируются в воздушном (или паровом) плазменном факеле (5), обеспечивающем среднемассовую температуру в объеме реактора до 1700 К. Образующиеся газообразные продукты выводятся из реактора в систему охлаждения отходящих газов (6), а конденсированные - скапливаются в зоне шлакообразования. Совмещение зон тепловыделения от факела, зоны газификации и шлакообразования способствует интенсификации процесса переработки МБО. Охлажденные газообразные продукты поступают далее в блок очистки, а затем с помощью системы отбора газ подается на анализатор. Система вытяжной
вентиляции (9) обеспечивает разряжение в реакторе до 10 мм водяного столба.
Время полного цикла переработки медико-биологических отходов составляет 30 мин. Для полного разложения диоксинов необходимо выдерживать газ в течение 2 с при температуре не менее 1500 К [9], обеспечиваемой тепловой мощностью плазменного факела.
В качестве плазмообразующего газа использовался воздух с расходом 12 кг/ч. Мощность плазмотрона составляла 72 кВт (240 А, 300 В). После прогрева реактора в течение 15 мин было последовательно загружено 20 брикетов МБО (см. таблицу) общей массой 8 кг. Под воздействием воздушного плазменного факела среднемассо-
вая температура в камере достигала 1600 К, органическая часть МБО газифицировалась, а неорганическая - плавилась и скапливалась в зоне шлакообразования реактора. Полученный синтез-газ непрерывно выводился из установки через системы охлаждения и очистки. Расплавленная минеральная часть отходов была удалена из реактора после выключения плазмотрона и охлаждения реактора.
По результатам экспериментальных исследований плазменной газификации МБО определены режимы работы плазменного реактора, сделан анализ отходящих газов, получены образцы конденсированных продуктов, отобранных из зоны шлакообразования, и определено остаточное содержание углерода в шлаке. По результатам газового анализа, выполненного на газовом хроматографе SRI 8610C, получен следующий состав газа на выходе из блока очистки, об.%: СО - 26,5, H2 - 44,6, N2 - 28,9. Суммарная концентрация синтез-газа - 71,1%, что достаточно хорошо согласуется с данными термодинамического расчета. Согласно последнему, выход синтез-газа при температуре 1600 К исчислялся 82,4% (СО - 31,7%, H2 - 50,7%). Таким образом, расхождение между экспериментом и расчетом по выходу целевого продукта не превышает 16%.
Рис. 5. Общий вид реактора с плазмотроном (А) и реактор в действии - вид зоны газификации МБО (Б)
В результате рентгенофазового анализа, выполненного на установке ДРОН-3, был исследован состав шлака, масс.%: Бе3С - 63, Са8Ю3 - 21, 8Ю2 - 13, Бе - 3. Абсорбционно-ве-совым методом определено также содержание углерода в образце шлака, составившее 2,8 масс.%, что соответствует степени газификации углерода в составе МБО, равной 91,8%. В данном случае расхождение между опытным и расчетным значениями степени газификации углерода не превышает 9%.
В газообразных и конденсированных продуктах плазменной газификации ТБО вредных примесей не выявлено.
Удельные энергозатраты на газификацию отходов в плазменном реакторе по результатам экспериментов составили 2,25 - 4,5 кВт-ч/ кг., а в расчете - 1,92 кВт-ч/кг (рис. 3). Расхождение данных значений удельных энергозатрат на процесс объясняется тем, что в термодинамических расчетах определяются минимально возможные энергозатраты в изолированной термодинамической системе без учета обмена теплом и работой с окружающей средой. На практике же как сам плазменный реактор, так и плазмотрон характеризуются значительными тепловыми потерями в окружающую среду и с охлаждающей водой. Кроме того, в опытных значениях учитываются энергозатраты на предварительный нагрев реактора до подачи ТБО. Во втором и последующих циклах переработки МБО дополнительных затрат на предварительный нагрев реактора не будет. При этом расхождение между экспериментальными и расчетными значениями удельных энергозатрат на плазменную газификацию МБО составит около 15%.
РАЗРАБОТКА
Рис. 6.
Технологическая схема процесса переработки в плазменном реакторе с учетом утилизации тепла синтез-газа
Плазменная камерная печь периодического действия мощностью 50 кВт и производительностью 50 кг/ч изготовлена и поставлена по заказам фирм ECO.F.C. Financial Consultants Ltd (Израиль) и Funcamp Co. Ltd (Бразилия).
Выполнены работы по созданию промышленного комплекса по переработке медико-биологических отходов и летучей золы, образуемой при сжигании бытовых и медицинских отходов, по заказу фирмы Maple Canada Group (Тайвань). Технологическая схема процесса с учетом утилизации тепла синтез-газа (один из вариантов - рис. 6) прошла презентацию в Правительстве Тайваня.
Разработанная в результате выполненных исследований установка для плазменной газификации УСО может быть использована в медицинских учреждениях, медико-биологических и химических производствах для обезвреживания и переработки МБО и токсичных отходов. Ее целесообразно также применять для изучения и реализации других технологических процессов.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской
Федерации по Соглашению о субсидии № 14.607.21.0118 (уникальный идентификатор проекта RFMEF160715X0118) и Министерства образования и науки Республики Казахстан (3078/ГФ4 и 0071/ПЦФ). СП
ЛИТЕРАТУРА
1. Обезвреживание отходов термическим способом (Сжигание отходов) / Информационно-технический справочник по наилучшим доступным технологиям, ИТС 9-2015. М., 2015.
2. Мессерле В. Е., Моссэ А. Л., Никончук А. Н., Устименко А. Б. . Плаз-мохимическая переработка медико-биологических отходов // Инженерно-физический журнал. 2015. Т. 88, №6. С. 1420-1425.
3. Моссэ А. Л., Савчин В. В. Моделирование процесса переработки медико-биологических отходов в плазменной камерной печи // Инженерно-физический журнал. 2006. Т. 79, №4. С. 12-16.
4. Моссэ А. Л., Савчин В. В. Плазмотермическая обработка токсичных отходов // Твердые бытовые отходы (ТБО). 2006, №12. С. 22-24.
5. Mosse A. L., GorbunovA. V., SauchynV. V. Plasma furnaces for toxic waste processing // Journal of High Temperature Material Processes, An International Quarterly of High Technology Plasma Processes. 2006. Vol. 11, Iss. 2. P. 205-218.
6. Zhdanok S. A., Mosse A. L. Plasma methods for Toxic Wastes Processing // Plasma Assisted Decontamination of Biological and Chemical Agents. Springer Science + Business Media B. V., 2008. Р.143-149.
7. Моссэ А. Л., Савчин В. В. Плазменные технологии и устройства для переработки отходов.- Минск, 2015.
8. Голыш В. И., Карпенко Е. И., Лукьященко В. Г., Мессерле В. Е., Устименко А. Б., Ушанов В. Ж. Высокоресурсный электродуговой плазмотрон // Химия высоких энергий. 2009. Т. 43, №4. С. 371-376.
9. Мессерле В. Е., Моссэ А. Л., Устименко А. Б. Плазменная газификация углеродсодержащих отходов: термодинамический анализ и эксперимент // Теплофизика и аэромеханика. 2016. Т. 23, №4. С. 146-157.
EBS^^ http://innosfera.by/2018/05/Plasma_Technologies
