CC BY
78
УДК 504
ПЛАЗМОХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ УТИЛИЗАЦИИ УГЛЕВОДОРОДОСОДЕРЖАЩИХ ОТХОДОВ
В.В. Соловей, профессор, д.т.н., В.Н. Лисьев, доцент, к.т.н., Т.В. Воловина, аспирант, А.В. Кухарская, инженер, ХНАДУ
Аннотация. При проведении плазмохимической реакции процесс проходит при невысоких среднемассовых температурах, так как активности компонентов с возбужденными электронными оболочками достаточно для достижения желаемого эффекта. В этом случае суммарные затраты энергии на проведение реакции могут быть в несколько раз меньше, чем в термических или каталитических процессах.
Ключевые слова: энедоэргические реакции, межразрядный промежуток, фольгиро-ванный фторопласт, эмульгированные частицы.
Введение
Интерес к неравновесным плазмохимическим процессам, стимулированным колебательным возбуждением основного электронного состояния реагентов, связан с возможностью достижения в них наиболее высокой энергетической эффективностью эндоэргических реакций [1]. Высокий КПД неравновесных процессов является следствием селективности, т.е. локализации энергии, вкладываемой в разряд, лишь на одном выделенном канале реакций. В разрядах умеренного давления при температурах электронов 1 - 3 эВ большая часть мощности разряда расходуется на возбуждение колебательных уровней молекул. Колебательно-возбужденные молекулы достаточно медленно дезактивируются при столкновениях и в тоже время быстро вступают в химические реакции, что позволяет направить большую часть энерговклада в нужные химические превращения, оставляя газ в целом холодным (обратные реакции при этом заторможены).
Анализ публикаций
При проведении плазмохимической реакции процесс проходит при невысоких среднемассовых температурах, так как активности компонентов с возбужденными электронными оболочками достаточно для достижения желаемого эффекта. В этом случае суммарные затраты энергии на проведение реакции могут быть в несколько раз меньше, чем в термических или каталитических процессах [2].
Особенности высокочастотной плазмы барьерного разряда состоят в том, что природа термодинамической неравновесности является следствием динамических факторов, обусловленных конечной скоростью передачи энергии от электрического поля молекулам, атомам и ионам газовой среды и связанной с этим, формированием раз-
личных состояний плазмы по мере развития процесса. Если процесс развития разряда останавливать на интересующей стадии, а затем запускать процесс заново, то усредненные характеристики плазмы будут принципиально иными, в сравнении с параметрами в стабилизированном состоянии разрядов. Это собственно и является отличительной особенностью предлагаемой технологии.
Эксперименты показали, что генерацию разряда необходимо осуществлять в соответствии с режимами, обеспечивающими деионизацию реакционного пространства в межразрядный промежуток времени. Необходимый эффект достигается выбором временных и амплитудных параметров импульсов возбуждения разряда, с обязательной переполюсовкой и введением реактивных ограничителей тока. Возможности разработанного способа динамической стабилизации плазмы и проведения разряда без контакта с металлическими электродами открывают новые возможности в реализации систем, обладающих долговечностью, большим диапазоном мощности рабочих температур и давлений, способностью работать в разнообразных, в том числе, агрессивных средах.
Цель и постановка задачи
Цель роботы - возможность применения описанной технологии для осуществления эндотермических реакций, на реализацию которых необходимы затраты энергии от внешнего источника.
Характеристика и возможность применения предложенной технологии на практике
Технология обеспечивает получение продуктов конверсии с заданным давлением, причем подъем давления осуществляется за счет увеличения объема при переводе жидких компонентов в газообразную фазу. В этом случае отпадает необходимость в газовых компрессорах. Благодаря разра-
ботанной методике создания динамически стабилизированных неравновесных свойств плазмы, обеспечивается протекание реакции при давлении порядка 4^5 МПа. При плазмохимических методах конверсии затраты энергии на проведение процесса сводятся к покрытию энтальпии реакции с коэффициентом полезного использования энергии около 80 % [3].
Для практической апробации разработанной технологии, в качестве корпуса реактора был использован сосуд из нержавеющей стали, с толщиной стенок 8мм и объемом 1,5 л., оснащенный манометром ОБМ1-160, подключенным через мембрану. Электродный блок выполнен в виде емкостного делителя изготовленного из двустороннего фольгированного фторопласта толщиной 1,5 мм, в котором верхний слой фольги выполнял роль общего электрода, а на нижнем слое фольги, разделенном на 64 элемента (размером (5x5) мм с диэлектрическими промежутками между элементами в 2 мм), были размещены разрядные электроды из нержавеющей фольги, что обусловлено необходимостью равномерного распределения электрического потенциала в зоне осуществления плазмохимической реакции. Зазор между разрядными электродами и поверхностью реакционной смеси (сырья) составлял 5мм. От высоковольтного высокочастотного источника питания (с падающей вольт - амперной характеристикой) на электроды емкостного делителя подавалось напряжение, в режиме холостого хода достигавшее 30 кВ. Частота тока выбиралась, исходя из резонансных характеристик конструкции и ее значение составляло не менее 30 КГц. При зажигании разряда напряжение на электродах составляло (3-7) кВ, ток не превышал 1,7 мА. Среднее потребление энергии каждым электродом составило ~5 Вт.
В реакторе размещалась смесь реагентов, в качестве которых использовали: декан (толщиной слоя СюН22 1,5мм на поверхности воды слоем 5 мм); водноспиртовые растворы (метанол); соап (стоки масложиркомбината); суспензия измельченного растительного сырья (зеленой массы) в воде (табл. 1).
Производительность экспериментальной установки составила (200^103)л Н2/час, в зависимости от вида применяемого сырья. Содержание СО в продуктах конверсии не превышало (0,5^4,5)%..
Решения проблемы утилизации бытовых и промышленных жиросодержащих отходов сдерживается, прежде всего, тем, что применяемые технологии их переработки не обеспечивают защиту окружающей среды и являются технически консервативными и экономически не эффективными. Так, грубодисперсные примеси жиросодержащих сточных вод пищевой промышленности выделяются, чаще всего, отстаиванием, флотацией, а мелкодисперсные - адсорбцией или осаждением
в центробежном поле. С помощью этих методов из сточных вод удаляются взвешенные вещества крупностью (5-10)мм и более. Для удаления более мелких эмульгированных частиц необходимо их предварительно укрупнять коагуляцией, фло-куляцией и другими методами, обуславливающими слипание частиц с образованием крупных агломератов, которые затем осаждаются. Биологическая очистка сточных вод молоко- и мясоперерабатывающих предприятий, жиркомбинатов и фабрик мороженого возможна только после снижения, до определенного уровня содержания, в них органических веществ, в первую очередь таких, как жиры, т.е. после предварительного применения локальных очистных сооружений.
Таблица 1 Результаты исследований по
применению плазмохимических методов утилизации жиров из сточных вод масложировой промышленности
Вид сырья сырья, гКоличество водорода ,лКоличество Время работы Расход энергии, кВт/ч на м3 водорода
Декан (С10Н22 +Н2О) 150 650 3 часа 1,615
Метанол, 65% раствор 280 336 20 мин 0,345
Соап - стоки масложирком-бината, 20 % водно-жировая эмульсия 200 150 15 мин 1,56
Суспензия растительного сырья в воде, 25 % по сухому остатку 175 268 18 мин 1,82
Рассмотрим более детально практические эколо-го-экономические аспекты внедрения плазмохи-мических методов в пищевой промышленности.
В процессе производства маргарина образуются органические отходы, утилизация которых представляет собой серьезную экологическую проблему. В то же время, эти отходы могут быть использованы для получения водорода, являющегося необходимым технологическим компонентом в масложировом производстве.
Исходя из суммарных потерь жира при рафинации и гидрогенизации (до 80 кг на 1т саломаса) можно констатировать, что количество водорода, образующегося в процессе плазмохимической переработки органических отходов, составляет ~(180-200)м3 водорода на 1 т производимой продукции. На производство 1 т саломаса требуется
до 80м3 технического и до 50 м3 пищевого водорода (с учетом расхода водорода на приготовление катализатора). Следовательно, возвращаемое в технологический цикл количество конверсионного водорода достаточно для осуществления процесса гидрогенизации. Подлежит конверсии и красный саломас (количество которого составляет (5-15)кг на тонну готового саломаса), что обеспечит дополнительное количество товарного водорода.
Расход электроэнергии на получение 1м3 водорода предлагаемым методом не превышает (1,8-2) (кВт/ч)/м3(табл. 1), что примерно вдвое ниже, чем при использовании электролизного метода.
Кроме того, возможно эффективное использование плазмохимической технологии для очистки ретурного водорода. Ретурный водород, отходящий из автоклавов гидрогенизации в масложиро-вом производстве, содержит примеси (воду, окись и двуокись углерода, низко- и высокомолекулярные жирные кислоты, альдегиды, метан и различные тяжелые углеводороды), являющиеся сырьем для дальнейшего получения водорода. При последующей очистке ретурного газа промыванием водой, введение перед скруббером плазмохимиче-ской обработки исключает запах промывных вод и наличие в них органических остатков. Кроме того, полностью исключает образование на насадке скруббера пробок из жировой массы. Фактически скруббер служит лишь для конденсации излишней воды и отмывки водорода от углекислоты.
Таким образом, проведенные теоретические и экспериментальные исследования показывают, что применение плазмохимической обработки сточных вод, содержащих жиры, в пищевой промышленности позволяет совместить в едином процессе эффективность очистки сточных вод от жиров с высокорентабельным процессом получения водорода, являющегося необходимым технологическим компонентом в масложировом производстве, и для его использования в качестве высо -коэффективного энергоносителя. Можно утверждать, что применение плазмохимической обработки жиросодержащих сточных вод в пищевой промышленности повышает долговечность бетонных конструкций очистных сооружений и, поэтому, экологически целесообразно и экономически эффективно.
Результаты проведенных испытаний показали, что использование в качестве исходного сырья водозольной суспензии (размер твердой фракции 50-500 мкм) обеспечивает получение водорода при расходе энергии 1,8+1,9 кВт/нм3Н2. Подобным образом может быть подвергнута обработке зола уноса парогенераторов ТЭС, содержащая
значительное (до 40-50 %) углерода, что позволит снизить потери с механическим недожегом.
Более глубокое понимание физико-химических механизмов процессов, предложенной плазмохи-мической технологии конверсии углеродсодержа-щих соединений позволит оптимизировать управление реагирующими энергетическими и материальными потоками с целью создания необходимых условий их взаимодействия. Рассмотренный метод обеспечивает комплексное использование электрических и магнитных полей, для интенсификации термохимического взаимодействия реагентов. Наряду с плазмохимической технологией термохимической активацией водородсодержа-щих энергоносителей, может быть эффективно использована СВЧ и ВЧ техника с целью газификации твердых компонентов и конверсии газообразных продуктов реакции, которые обеспечивают получение высокореакционных продуктов в газовой фазе, в основном водорода, являющегося стабилизатором горения.
Выводы
Энергохимическая активация низкореакционного энергоносителя создает необходимые условия его воспламенения и стабилизацию горения, что открывает широкие возможности эффективного использования нетрадиционных энергоресурсов (твердых, газообразных и жидких отходов органического происхождения).
Таким образом, разработка научных основ плаз-мохимических и термо-химических технологий утилизации углеводородсодержащих отходов и создание оборудования для их реализации, позволит расширить топливно-энергетическую базу и в значительной степени снизить отрицательное влияние технологических и энергетических установок на окружающую среду.
Литература
1. Русанов В.Д. и др. Успехи физ.наук. - 1981. -
Т.134. - № 2. - 185 с.
2. Васильев К.Г. и др. В кн.: Химия плазмы. - М.:
Энергоатомиздат. - 1982. - Вып. 9. - 3 с.
3. Бальцани В., Скандола Ф., Инфелта П.П. и др.
Энергетические ресурсы сквозь призму фотохимии и катализа: Э66 / Пер. с англ. /Под ред. М. Гретцеля. - М.: Мир, 1986. -632 с.
4. Чеховой Ю.Н., Барбышев Б.Н. К расчету под-
светки факела при сжигании низкосортных углей // Энергетика и электрификация. -1984. - Т.4. - С.14-18.
5. Дьячков Б.Г., Блинова В.А., Нефедова М.Г. Эф-
фективность топливно-электрических процессов. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 136 с.
Рецензент: Э.Б. Хоботова, профессор, д.х.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 4 сентября 2006 г.
