ОТРАСЛЕВОЙ РЕСУРС
О портале | О журнале | Свежий номер | Подписка | Отзывы | Реклама на портале | Реклама в журнале | English
ПЕРСОНАЛЬНАЯ СТРАНИЦА
Зарегистрированных посетителей: 20471

ЖУРНАЛ ТБО (№10 2017)
Просмотр выпуска
Архив номеров | Подписка

ПРОДАЕТСЯ ПОЛИГОН
НОВОСТИ

ФОРУМ
НА ФОРУМЕ ОБСУЖДАЮТ:
"Бумажный"ТБО"-спорим,коментируем, задаем вопросы авторам статей, доступных для скачивания
Сообщений: 349
Последнее сообщение: 23.10.2017 16:54


Переработка отработанных шин
Сообщений: 3854
Последнее сообщение: 23.10.2017 11:01


Штрафы за выброшенный на улице мусор вырастут
Сообщений: 7
Последнее сообщение: 20.10.2017 10:43


ПОПУЛЯРНЫЕ ТЕМЫ:
Переработка отработанных шин
Просмотров: 3765049
Последнее сообщение: 23.10.2017 11:01


Термохимическая переработка ТБО
Просмотров: 785847
Последнее сообщение: 12.10.2017 19:17


Раздельный сбор отходов
Просмотров: 313887
Последнее сообщение: 22.09.2017 14:02


ПЕРЕЙТИ НА ФОРУМ

МЕРОПРИЯТИЯ

КОНТАКТЫ
Адрес редакции: 105066, Москва, Токмаков пер., д. 16, стр. 2

Редакция:
Телефон: +7 (499) 267-40-10
E-mail: red@solidwaste.ru

Отдел подписки:
Прямая линия: 8 (800) 200-11-12
бесплатный звонок из любого региона России
E-mail: podpiska@vedomost.ru

Отдел рекламы:
Прямая линия:
+7 (499) 267-40-10
+7 (499) 267-40-15
E-mail: reklama@vedomost.ru

Вопросы работы портала:
E-mail: support@solidwaste.ru

ПОПУЛЯРНЫЕ ЗАПРОСЫ

Главная страница / Публикации по проблемам переработки и утилизации отходов и использованию вторичного сырья

"О целесообразности использования плазменных технологий"


А. Н. Тугов, д.т.н., В. Ф. Москвичев, к.т.н., ОАО «ВТИ»

Значительная часть твердых бытовых отходов, даже при самых развитых методах сбора и сортировки, подвергается термической утилизации с преимущественным сжиганием в механических колосниковых топках. Несмотря на то что за рубежом именно этот способ считается наилучшей технологией, в России ведется активная дискуссия о выборе метода термической утилизации ТБО, в частности с применением «плазменной газификации». В статье анализируется опыт использования плазменных технологий для переработки различных видов отходов. Отмечается, что для утилизации ТБО такие технологии практически не используются из-за более высоких по сравнению со слоевым сжиганием капитальных и эксплуатационных затрат. Экологические преимущества «плазменной газификации» также неочевидны.

В последние десятилетия в России наблюдается тенденция существенного увеличения объемов твердых бытовых отходов (ТБО) жилого сектора. В связи с этим в условиях постоянного ухудшения экологической обстановки решение проблемы переработки ТБО приобрело первостепенное значение.

Сложность решения этой проблемы обусловливается необходимостью применения сложного капиталоемкого оборудования и трудностью решения многофакторной задачи экологической и экономической обоснованности выбора конкретной технологии утилизации отходов. Значительное внимание решению этой проблемы уделяют и органы государственной власти Российской Федерации: так, в соответствии с положениями Основ государственной политики в области экологического развития Российской Федерации на период до 2030 года (утверждены Президентом РФ 28.04.2012) основными направлениями обращения с отходами являются предупреждение и сокращение образования отходов, развитие инфраструктуры их обезвреживания и поэтапное введение запрета на захоронение отходов, не прошедших сортировку и обработку.

Как показывает европейский опыт, для решения проблемы утилизации ТБО жилого фонда задействованы все методы переработки ТБО, включая рециклинг на основе раздельного сбора, сортировку и компостирование. Однако термическая переработка ТБО с выработкой электрической и тепловой энергии является основным и завершающим этапом на пути комплексного решения проблемы санитарной очистки от отходов. А для городов, особенно крупных, на текущий момент и на долгосрочную перспективу термические методы играют и будут играть ключевую роль в решении проблемы ТБО.

Из большого разнообразия предлагаемых и апробированных термических методов переработки ТБО наибольшее распространение получил метод прямого сжигания в слоевых топках с утилизацией энергии и многоступенчатой газоочисткой. В настоящее время только в Европе успешно эксплуатируются более 470 предприятий, основанных именно на этой технологии. Следует отметить, что согласно европейскому справочнику по наилучшим доступным технологиям «Сжигание отходов» [1] для термической утилизации ТБО именно эти методы считаются наиболее целесообразными с позиции минимального воздействия на окружающую среду по совокупности таких факторов, как выбросы в атмосферу (включая запах), сброс в водные объекты, образование твердых остатков после сжигания, технологический шум и вибрация, потребление сырья (реагентов) и т.д.

В ЕС выработку энергии из отходов рассматривают как одно из перспективных направлений в области охраны окружающей среды. Тем не менее различными зарубежными и отечественными фирмами периодически предлагаются и другие технологии термической переработки, якобы более экономичные, более экологически безопасные, особенно с точки зрения так называемой «диоксиновой угрозы».

В последнее время к таким наиболее обсуждаемым предложениям относятся технологии высокотемпературной переработки отходов, включая переработку несортированных «свежих» ТБО с использованием плазмотронов, или, как их называют сами разработчики, «плазменной газификации» отходов. Прежде всего следует отметить, что часто употребляемый в публикациях, технико-коммерческих предложениях и рекламных проспектах термин «плазменная газификация отходов» не является точным. Под плазменной переработкой специалисты понимают процесс, при котором вещество (в данном случае ТБО) при температуре порядка 6–9 тыс. °С переходит в состояние плазмы, то есть происходит «ионизация» его атомов за счет потери электронов с внешней орбиты. При последующем охлаждении плазмы и создании определенных условий происходит образование новых химических соединений, например синтез-газа, свободного от вредных веществ.

В предлагаемых технологиях «плазменной газификации» переработка отходов происходит при температуре, которая в несколько раз ниже. Поэтому, когда говорят о плазменных технологиях утилизации отходов, имеют в виду технологии высокотемпературных (в лучшем случае до 2 000 °С) переработки и обезвреживания отходов, когда генерируемая в плазмотронах плазма выступает в роли лишь одного из источников энергии.

Опыт использования плазменных источников энергии в технологиях высокотемпературной переработки и обезвреживания твердых бытовых, промышленных и медицинских отходов обобщается в статье [2], где рассматриваются основные варианты их применения:

  • плазмохимическая ликвидация супертоксикантов непосредственно в плазменной дуге;
  • воздействие на слой токсичных отходов ударной плазменной струей;
  • термическая обработка отходов в плотном фильтруемом слое с использованием плазмотронов;
  • дожигание отходящих из печей газов с помощью плазмотронов.
Конструктивные особенности и описание некоторых установок указанных типов представлены в статьях [2, 3]. Большинство этих технологий в той или иной степени прошли экспериментальное опробование на установках, перерабатывающих различные отходы, включая и ТБО, с применением плазмотронов.

Следует отметить, что конструкции плазмотронов весьма разнообразны и существует много специфических моментов в условиях их эксплуатации, поэтому их выбор для установки термической переработки ТБО представляется непростой задачей. В известных технологиях в основном используют электродуговые плазмотроны постоянного или переменного тока. Их мощность составляет до 10 МВт, тепловой КПД (отношение количества энергии, уносимой в единицу времени газом из плазмотрона, к мощности электрической дуги) достигает 85 %.

На рисунке показана принципиальная схема одного из наиболее распространенных плазмотронов с изображением процесса зарождения и прохождения плазменной дуги.
Технологический процесс протекает следующим образом.

К электродам A и К, разделенным изоляционной прокладкой H, подводится переменный или постоянный ток. Между электродами возникает электрическая дуга J, в которую через патрубок C вводится плазмообразующий газ, переходящий (на выходе из канала плазмотрона) в плазменную струю. Для повышения эффективности работы плазмотрона один из электродов оснащен вихревой камерой сгорания D и электрической горелкой для розжига E. Оба электрода оснащены системами водяного охлаждения – F и I; кроме того, для уменьшения тепловых потерь и отделения внутренней поверхности реактора от наружного пространства предусмотрена общая изоляционная защита B.

В работе [4] приведено описание разработанных до 1995 г. технологий переработки отходов с применением в качестве источника нагрева плазмотронов. Это технологии фирм «Канада Ресопшин лтд», Plasma Energy Corporation (США), Westinghouse (США), Mason and Hanger National, Inc. (США), «Сибэкотерм» (г. Новосибирск).

В конце 1990-х – начале 2000-х гг. пилотные установки «плазменной газификации», на которых перерабатывали бытовые отходы, осадок сточных вод и отработанные автомобильные покрышки, были разработаны и запущены в эксплуатацию в Японии компанией Hitachi Metals совместно с корпорацией Westinghouse Electric. Были последовательно построены: в 1999 г. демонстрационное предприятие в г. Йоши производительностью 12 т/сут; в 2002 г. первый завод Eco Valley производительностью 17,2 т/сут по ТБО и 4,8 т/сут по осадкам сточных вод, расположенный недалеко от г. Михама и Миката, и, наконец, в 2003 г. второй завод Eco Valley в г. Уташинай, префектура Хоккайдо, производительностью по отходам, в зависимости от соотношения перерабатываемых ТБО и осадков сточных вод от 165 до 220 т/сут [5, 6]. В настоящее время компания Alter NRG (Канада) предлагает коммерческие проекты заводов по газификации отходов мощностью до 680 т/сут [7, 8].

В статье [9] сообщается, что в мире уже более 30 компаний (в США, Германии, во Франции, в России, Белоруссии, Чехии, Италии, Израиле, Бразилии, Канаде, Китае, Индии, Австралии, на Тайване и в других странах) специализируются на разработке плазменных технологий и оборудования для переработки и уничтожения отходов различного происхождения. Основными разработчиками и поставщиками таких технологий помимо упомянутой фирмы Alter NRG (Канада), объединившейся в 2007 г. с Westinghouse Plasma Corporation (США), являются Plasco Energy Group Inc. (Канада), Europlasma (Франция), Advance Plasma Power (Великобритания), Tetronics Ltd (Великобритания), Prometron Technics Corporation (Япония), E.S.T. (Израиль) и др.

Технологии переработки ТБО с применением плазмотронов предлагают в основном фирмы Allter NRG, Plasco Energy Group Inc. и Europlasma – CHO Power. Так, имеются сведения о заводе по производству энергии из отходов по технологии Allter NRG в Шанхае (Китай, 2010). В статье [10] сообщается о строительстве компаниями Allter NRG и Geoplasma LLS завода производительностью 1,05 млн т/год в г. Сент-Люси (Флорида, США) с запланированным пуском в эксплуатацию в 2009 г. (однако в апреле 2012 г. контракт был аннулирован). В статье [11] упоминается об эксплуатации демонстрационных установок для переработки ТБО по технологии фирмы Plasco Energy Group Inc. в г. Кастеллгали (Испания) производительностью 5 т/сут ТБО и в г. Оттава (Канада) производительностью 100 т/сут ТБО. Там же говорится о начале строительства более крупных установок этой же фирмы в округе Ред-Дир и в г. Ванкувере (Канада) производительностью 112,5 и 150 тыс. т/год ТБО соответственно, с пуском в 2010 г. Однако следует отметить, что в более поздней публикации этого же автора (в конце 2011 г.) [12], а также на официальном сайте компании (plascoenergygroup.com) о запуске этих заводов в эксплуатацию не упоминается. В то же время на этом сайте и в статье [13] сообщается об очередном подписанном соглашении с администрацией Оттавы о строительстве завода производительностью 150 тыс. т/год со сдачей в эксплуатацию в 2015 г.
В статье [10] приводятся данные о проектах компании Europlasma – CHO Power в области переработки ТБО. В частности, сообщается о якобы введенном в эксплуатацию в 2009 г. заводе в Morcenx (Les Landes), Франция, ежесуточно перерабатывающем 150 т отходов, и о трех планируемых заводах производительностью 200–400 т/сут для переработки ТБО, неопасных отходов производства и отходов анаэробной переработки биомассы – все с запуском в 2010–2011 гг. Фактически, по данным официальных сайтов этих компаний (europlasma.com и cho-power.com), строительство демонстрационного завода в Morcenx завершено только летом 2012 г. Однако из-за различных неполадок этот завод, предназначенный в основном для сжигания щепы, до сих пор не введен в эксплуатацию. Последняя авария произошла в феврале 2013 г., из-за чего завод был остановлен на три месяца для ремонта поврежденного оборудования. Важно упомянуть, что отдельным направлением компании Europlasma является переплав с использованием плазмотронов твердых остатков, образующихся при сжигании ТБО в слоевых колосниковых топках [10].

Несмотря на то что плазменные технологии хорошо изучены и освоены (по крайней мере, за рубежом), широкого применения для обезвреживания муниципальных отходов они не получили. Перечень действующих плазменных установок представлен в коммерческом предложении [14], из которого видно, что в настоящее время в эксплуатации находятся всего четыре установки производительностью более 100 т/сут, использующие «плазменные технологии». Более того, следует отметить, что на этих установках перерабатывают не столько ТБО, сколько промышленные и опасные отходы. Известна лишь одна действующая установка производительностью 37,5 тыс. т/год (5 т/ч), которая специализируется на утилизации преимущественно ТБО (находится в эксплуатации в качестве демонстрационного проекта при поддержке правительства Канады).

При этом следует отметить, что теплота сгорания перерабатываемых на этой установке ТБО находится на уровне 4000 ккал/кг, что более чем в два раза выше по сравнению с российскими отходами. Следовательно, для переработки отечественных несортированных ТБО на этой и аналогичных установках потребуется существенная подготовка отходов.

Так, например, в материальном балансе переработки ТБО по технологии компании Advanced Plasma Power, приведенном в статье [15], из 100 тыс. т смешанных ТБО, поступающих на завод после их подготовки к «плазменной» переработке, непосредственно на «плазменную» переработку направляется только 60 тыс. т. Подготовка включает предварительную сушку отходов, при которой удаляется до 22 тыс. т влаги, что соответственно усложняет работу установки и увеличивает ее стоимость.

Из приведенных данных следует, что на рынке услуг практически нет реализованных проектов установок по переработке значительного количества смешанных отходов (и особенно ТБО из жилого фонда) с использованием плазменного нагрева. Это вызвано, по всей видимости, причинами технического и экономического характера.

В статье [16] указывается, что основными сдерживающими факторами, препятствующими широкому промышленному использованию плазменных технологий для переработки отходов, являются недостаточно большой ресурс работы генераторов низкотемпературной плазмы – плазмотронов, а также тот факт, что плазменный дуговой разряд является относительно локальным источником нагрева, что требует (для обеспечения удовлетворительного теплопереноса) тщательного измельчения перерабатываемого материала.

По прогнозам экспертов, промышленные установки, реализованные по технологиям с использованием плазменного нагрева, будут существенно уступать по удельным капитальным и эксплуатационным затратам традиционному сжиганию. По оценкам, практическая реализация такой установки для переработки ТБО в промышленном масштабе будет стоить 700–970 долл. в пересчете на 1 т годовой производительности. В то же время капитальные затраты завода на традиционное слоевое сжигание отходов с подвижными колосниковыми решетками составляют 500–600 долл. на 1 т/год [17].

В статье [18] сравнивается энергетическая эффективность (в пересчете на суммарную энергию горючих компонентов получаемого синтезгаза) процессов плазменной и автотермической газификации при температуре 1400 К (1 126,85 °C) для одного и того же вида топлива (отходов). Показано, что дополнительный энергетический выход по синтез-газу, достигаемый за счет «плазмы», при существующих методах преобразования энергии даже без учета потерь с охлаждением, балластирования рабочей смеси в реакторе и т.д. не может покрыть реальные затраты электроэнергии. Установлено также, что дальнейшее повышение температуры сопровождается лишь незначительным увеличением химической энергии синтез-газа, то есть с энергетической точки зрения не является эффективным. Следовательно, использование плазменных технологий создает дополнительные проблемы, снижающие надежность и экономичность установки в целом.

Вызывают сомнения и экологические преимущества (существенно меньшее воздействие на окружающую среду и упрощенная схема газоочистки), о которых заявляют разработчики «плазменных» технологий.
Получаемый синтез-газ необходимо подвергать глубокой очистке от вредных примесей, которые образуются в восстановительной среде при высоких температурах: сероводорода, аммиака, фосфина, арсина, хлористого водорода и др.
А эффективность быстрой закалки синтез-газа, применяемая для разрушения таких соединений, как диоксины и фураны, до сих пор не доказана независимыми исследованиями.

Рассмотрим более подробно наиболее отработанную технологию корпорации Westinghouse Plasma Corporation/AlterNRG, которую активно продвигает на российском рынке ЗАО «ТБК Инновации».
Предлагаемая технология основывается на использовании плазменного нагрева с получением синтез-газа (который в последующем применяется для получения тепловой и электрической энергии), инертного остеклованного шлака (в который преобразуются неорганические отходы и который может в дальнейшем использоваться в промышленном производстве) и металлов.

В общем плане процесс переработки отходов организован следующим образом.
Отходы из мусоровозов выгружаются в приемный бункер, откуда они поступают на мощную дробилку для измельчения до требуемого размера. Шламы сточных вод частично высушивают (до 50 % влажности), а автопокрышки разрезают до получения кусков необходимых размеров для их смешивания с ТБО и другими отходами перед процессом газификации. Подготовленные к переработке отходы поступают в верхнюю часть реактора-газификатора, принципиальная схема которого представлена на рис. 2. Используемый в технологии реактор-газификатор AlterNRG отличается от других типов газификаторов прежде всего конструкцией плазмотронов с регулируемой мощностью, их расположением в донной части (относительно зоны газификации) и наличием подушки из крупнокускового кокса, не позволяющей массе газифицируемого продукта опускаться ниже определенной отметки по высоте газификатора. Благодаря этим отличиям газификатор обеспечивает переработку отходов, существенно различающихся по своим морфологическим и физико-химическим свойствам.

Реактор AlterNRG оснащается шестью плазмотронами, разработанными фирмой Westinghouse Plasma Corp. Диапазон мощности каждого из плазмотронов составляет от 300 до 800 кВт. В нормальных условиях эксплуатации плазмотроны потребляют мощность до 600 кВт, суммарно – до 3,6 МВт. Сменные электроды в плазмотронах в среднем работают 1 000–1 200 ч. Замена электродов производится за 30 мин без остановки технологического процесса.

В реакторе-газификаторе происходит газификация углеродсодержащих соединений при температурах до 2 тыс. °C. Температура поддерживается за счет плазмотронов, которые генерируют поток газа с температурой от 2 800 до 5 500 °C (в зависимости от состава и влажности сырья), а также за счет частичного окисления органических веществ. Для процесса газификации по технологии Westinghouse Plasma Corporation/ AlterNRG также необходимы: металлургический кокс и известняк. Металлургический кокс используется в процессе газификации в качестве коксовой подушки, поглощающей тепловую энергию плазменной струи и помогающей поддерживать тепло в зоне газификации реактора за счет дополнительной теплоотдачи в процессе медленного сгорания металлургического кокса. Известняк используется для контроля плавления шлака и обеспечения удовлетворительных характеристик его текучести. Добавление известняка также обеспечивает полное остекловывание шлака, делая его менее чувствительным к изменениям состава подаваемых отходов. Для более полной газификации материалов реакторы продуваются потоком окислителя с 95%-ным содержанием кислорода.

Из реактора синтез-газ, имеющий температуру ~900 °C, поступает в высокотемпературный теплообменник, в котором происходит «закаливание» газа водой с охлаждением до температуры 90–130 °C. Считается, что это предотвращает рекомбинацию указанных выше токсичных соединений. После нескольких ступеней абсорбционно-конденсационной очистки синтезгаз направляют на производство водорода, промежуточной химической продукции или тепловой (электрической) энергии. Высокая температура в донной части реактора (~1 650 °C) превращает неорганическое материалы (почвы, металлы, стекло, кремний и т.д.) в металлы и остеклованный шлак, которые в жидком виде удаляются через нижнюю часть плазменной печи.
Преимущества применения «плазменной газификации» отходов разработчики этой и других подобных «плазменных технологий» видят в следующем:

  • «всеядность» и отсутствие необходимости подготовки отходов для их переработки;
  • экологичность, в основном (как считают разработчики) за счет отсутствия условий образования диоксинов;
  • получение остеклованного экологически безопасного шлака, который (опять же по мнению разработчиков) может испольоваться в различных промышленных целях;
  • получение синтез-газа, применение которого для получения электроэнергии якобы наиболее эффективно реализует энергопотенциал ТБО.
Однако, как ни странно, большинство дополнительных эксплуатационных издержек, вызванных технологией переработки несортированных ТБО с использованием плазменного нагрева, связаны именно с заявленными разработчиками «преимуществами» и вызваны в основном:
  • необходимостью подготовки отходов к «плазменной газификации»;
  • низкой энергоэффективностью технологического процесса по сравнению с прямым сжиганием ТБО;
  • дополнительными издержками на переработку шлака, дальнейшее использование которого вызывает большие сомнения;
  • низким ресурсом работы плазмотронов;
  • ограничением по мощности;
  • необходимостью применения (в некоторых технологиях) дополнительных материалов.

Проведем анализ перечисленных замечаний на примере наиболее проработанной технологии «плазменной газификации» отходов, представленной ЗАО «ТБК Инновации» и рекомендованной для строительства объектов по переработке ТБО в Московской области.

Регламентом данной технологии предусматриваются четыре наиболее важные последовательно производимые технологические операции: погрузочно-разгрузочная, газификация с получением синтез-газа, его очистка и производство электроэнергии.
Рассмотрим более детально прохождение этих стадий применительно к термической переработке ТБО с реальной теплотой сгорания, т. е. примерно 1 600 ккал/кг, и влажностью 40 % и выше.

Этап погрузочно - разгрузочных работ

Существует ошибочное мнение, что «плазменная газификация» ТБО не требует предварительной сортировки отходов и позволяет перерабатывать отходы влажностью до 65 %.
В действительности в соответствии с представленной технологией ЗАО «ТБК Инновации» отходы перед загрузкой в реактор-газификатор направляют в дробилку, которая должна работать круглосуточно (так как отходы сразу же подаются в реактор) с производительностью, необходимой для процесса переработки отходов. Следует отметить очень сложную систему управления работой дробилки и реактора. Кроме того, во всех материалах проекта указывается, что влажность отходов, поступающих на переработку, не должна превышать 26 %. Следовательно, необходимо произвести их подсушку.
И наконец, в реактор еще должны подаваться известь и кокс в целях удержания тепла плазмотронов в газификационной зоне реактора. Поскольку эти вещества имеют очень разные свойства, они должны быть подвергнуты тщательному перемешиванию в приемном бункере.
Следует отметить, что тщательная подготовка ТБО перед подачей в реактор является не спецификой конкретной технологии, в частности предлагаемой ЗАО «ТБК Инновации», а, как отмечалось ранее, реальной необходимостью для процесса «плазменной газификации» как такового. Таким образом, применение «плазменных технологий» для переработки ТБО требует существенной подготовки отходов перед их загрузкой в реактор, которая сложна, многостадийна и требует дополнительных капитальных и эксплуатационных затрат.

Что касается «всеядности» данного процесса, то такое заявление справедливо только в том случае, если установка в целом ориентирована на переработку опасных отходов.

Это, безусловно, потребует существенного усложнения всего технологического процесса, в том числе и погрузочно-разгрузочных работ. Поскольку опасных отходов в общем количестве отходов крупных городов не так уж много (до 15 %), а основную массу все же составляют бытовые отходы, то возникает вопрос: зачем же применять более дорогие и технически более сложные процессы для переработки основной массы неопасных отходов? Очевидно, что если эти процессы разделить, то уменьшатся капитальные и эксплуатационные расходы на весь комплекс по переработке отходов, что особенно позитивно скажется на переработке бытовых отходов.

Этап газификации с получением синтез - газа и его очисткой

Как считают разработчики проектов «плазменной газификации», одним из главных достоинств процесса является его экологическая безопасность, достигаемая прежде всего за счет отсутствия условий для образования диоксинов: за счет поддержания высокой температуры во внутреннем объеме реактора эти вещества разрушаются на молекулярном уровне.
Возможность работы реактора с высокими температурами при переработке ТБО вызывает сомнения. Несмотря на то что плазмотроны генерируют поток плазмы с температурой от 2 500 до 7 500 °C, отходы все же газифицируются, как правило, при температуре ~1 200 °C, а фактически – при еще более низкой температуре. Рассмотрим это более подробно. Как указывают авторы анализируемого проекта, реактор «плазменной газификации» представляет собой вертикальную шахтную печь, сходную с обычно используемой в литейной промышленности для переработки металлолома. Изнутри он облицован футеровкой из соответствующего огнеупора, который выдерживает высокие внутренние температуры и агрессивную среду реактора.
Аналогичные реакторы (печи) опробовались в 70–80-х гг. прошлого столетия. Одним из недостатков такого типа печей большой производительности было образование прогаров в слое отходов, т. е. неравномерность выгорания отходов по сечению реактора. Поэтому в реакторе возникали значительные температурные перепады по поперечному сечению слоя отходов с выносом мелких несгоревших частиц. Учитывая наличие таких отклонений дальнейшие разработки подобных печей были приостановлены.
При высокой температуре в реакторе и значительных температурных перепадах в слое отходов возникнут проблемы и с подбором футеровки из соответствующего огнеупора. Одной из причин приостановки ввода в эксплуатацию «плазменной установки» по переработке инфицированных медицинских отходов, построенной специалистами ЗАО «Плазма Тест» на территории Московской городской инфекционной клинической больницы № 1 [2], были проблемы с подбором огнеупора для реактора, хотя максимальная проектная пропускная способность по отходам составляла всего 60 кг/ч.

Аналогичные проблемы возникали и на упомянутом ранее предприятии Eco Valley [8] (технология ЗАО «ТБК Инновации» опирается на опыт эксплуатации именно этого предприятия).
В частности, большой внутренний диаметр реактора вызывал плохое распределение вдуваемого воздуха и распространение струи плазмы по его сечению, в результате чего на его стенках происходило налипание углеродсодержащих частиц и исходного сырья. Возникали проблемы и в плане быстрого износа огнеупорного материала: в зоне высоких температур футеровка плавилась, а расплавленные частицы уносились синтез-газом. После серии опытно-экспериментальных исследований температура синтез-газа, выходящего из реактора, была понижена с 1200 до 900 °С, то есть до уровня температур дымовых газов на выходе из топки котла при слоевом сжигании ТБО.

Для плазменных технологий проблемы с футеровкой, точнее, с ресурсом ее работы обусловлены также неоднородностью температур по сечению реактора из-за применения плазмотронов, которые генерируют плазму с высокой температурой. Попытки решить эту проблему существенно усложняют конструкцию корпуса.
Например, футеровка реактора фирмы «Хубер» (J.M.Huber Corp., США) представляет собой вертикальную камеру из пористого графита, через поры которого непрерывно подается инертный газ (азот). Плазмохимический реактор, представляемый академиком Ф. Г. Рутбергом, внутри покрыт высокотемпературной керамикой, которая должна выдерживать температуру до 1700 °С.

Для температур, при которых отходы могут превращаться в плазму (более 6 000 °С), конструирование реактора вообще представляется трудноразрешимой задачей, по крайней мере, в обозримой перспективе. Таким образом, по условиям надежной работы реактора температура процесса с использованием плазменного нагрева должна находиться в пределах от 900 до 1 200 °С. Такой температурный уровень выдерживается и во многих других известных и уже отработанных технологиях, основу которых составляют процессы пиролиза и газификации. Однако, как показал многолетний опыт эксплуатации, все эти технологии существенно уступают традиционному сжиганию ТБО по технико-экономическим показателям.
Экологические преимущества установок с применением так называемых «плазменных технологий», по сравнению со сжиганием, включая решение диоксиновой проблемы, также далеко не очевидны. Прежде всего следует отметить, что практически на всех современных установках для сжигания ТБО обеспечиваются регламентированные выбросы вредных веществ с дымовыми газами, которые при необходимости могут быть существенно оптимизированы.
Снижение уровня диоксинов до нормативных значений осуществляют в две стадии: с помощью технологических методов и газоочистки. Это касается и установок с применением плазмотронов. Несмотря на высокую температуру (выше 1 200–1 300 °С, а в некоторых случаях и до 1 600 °С), при которой якобы (по мнению сторонников плазменного метода) новосинтез диоксинов вообще уже не происходит, на всех объектах с применением плазмотронов устанавливается оборудование для удаления диоксинов. При этом в сравнительных таблицах, приводимых в аналитических материалах, чаще всего указывается, что величина выбросов диоксинов ниже значений, предусматриваемых Директивой 2000/76/ ЕС Европейского парламента и Совета «О сжигании отходов», т. е. наличие диоксинов в дымовых газах все же имеется. Следовательно, можно констатировать, что при сжигании полученного синтез-газа новосинтез диоксинов происходит и требуется дополнительная очистка дымовых газов для получения нормативных значений.

Что касается решения вопросов общей газоочистки синтез-газа, образующегося при газификации ТБО с использованием плазменного нагрева, то это относительно новая проблема, и поэтому схема его очистки достаточно сложна. Так, например, по технологии фирмы «ТБК Инновации» синтез-газ последовательно проходит скруббер Вентури, колонну с распылительным орошением, мокрый электрофильтр, фильтр с активированным углем и поступает на установки сероочистки и селективного каталитического восстановления оксидов азота. Дополнительно в некоторых технологиях используют закалку газа, суть которой заключается в том, что горячий синтетический газ выходит из реактора с температурой около 1 200 °C, а затем охлаждается в водотрубном теплообменнике примерно до 200 °C практически «молниеносно». Следует отметить, что в этом случае возникают большие сомнения относительно применения обычно используемого в таких случаях трубчатого теплообменника.
Кроме того, работоспособность вообще любого теплообменника при температуре запыленного газа с температурой 1 200 °C весьма сомнительна. В синтез-газе содержатся плавкие частицы, которые могут полностью зашлаковать поверхность теплообмена.

Кроме того, следует учитывать, что для снятия такого количества тепла потребуется не менее 200 т/ч охлаждающей воды, которая должна нагреться с 30 до 60 °C. (Для сведения в пароводяной системе блока будет функционировать не более 80 т/ч воды.) Предполагается, что нагретая вода будет использоваться в тепловой схеме блока, т. е. теоретически потери тепла при такой схеме отсутствуют. Однако фактически возникают большие проблемы при использовании такого низкопотенциального тепла, по крайней мере, для выработки электроэнергии.
Ориентировочные расчеты показывают, что при закалке синтеза будет теряться около 0,4 МВт/ч тепловой энергии на 1 т ТБО.
Оценим теперь общую эффективность энергоиспользования ТБО, имеющих наиболее распространенную теплоту сгорания – 1 600 ккал/кг, с использованием технологий плазменного нагрева.

Этап выработки электроэнергии

Большинство разработчиков «плазменных установок» утверждают, что они могут вырабатывать от 0,8 до 1,2 МВт/ч электроэнергии (то есть от 2 880 до 4 320 МДж) на 1 т перерабатываемых отходов, что зависит от состава отходов и их влажности. Проведем грубую ориентировочную оценку данного утверждения для технологии фирмы «ТБК Инновации».

Итак, основные потоки поступающей теплоты в реактор связаны:

  • с подачей 31 т/ч ТБО с калорийностью 1 600 ккал/кг, что составляет 57,7 МВт/ч тепла;
  • с плазменными горелками общей мощностью 3,6 МВт, которые после превращения электрической энергии в тепловую с максимально возможным КПД плазмоторона 80% дают 2,9 МВт/ч.

Следовательно, общее количество тепла, переходящее в синтез-газ (без учета потерь со шлаком, в окружающую среду и т.п. и за вычетом тепла, теряющегося при закалке газа), составит примерно 48,2 МВт/ч.
Примем за основу, что весь этот синтез-газ сжигается, пар вырабатывается без каких-либо тепловых потерь и далее направляется в паровую турбину для выработки электроэнергии. КПД выработки электроэнергии в паровой турбине примем равным 22 %, что является наиболее распространенным современным показателем для турбин малой мощности. Следовательно, максимальная выработка электрической энергии составит около 10,6 МВт/ч.
Если из этого количества электроэнергии вычесть энергию, пошедшую на плазмотроны реактора, то отпуск электроэнергии «на сторону» составит чуть более 7 МВт/ч, или на 1 т отходов приходится 0,23 МВт/ч (815 МДж), что существенно меньше величины, указанной разработчиками. По-видимому, при расчете указанных показателей разработчики этих технологий пользовались значительно более высокими значениями теплоты сгорания отходов, в которые входили не только ТБО, но и другие отходы с большей калорийностью, например автопокрышки или кокс, который часто упоминается в материалах разработчиков.

Следует отметить, что постановлением правительства Москвы от 27.04.08 № 313-ПП «О развитии технической базы городской системы обращения с коммунальными отходами в г. Москве» предусматривается «повышение энергетической эффективности предприятий по термической переработке отходов с доведением показателей по выработке электрической энергии до уровня мировых стандартов 0,4–0,45 МВтч (1440–1620 МДж) на тонну отходов». Следовательно, предлагаемая технология не отвечает требованиям данного постановления.
Если выполнить аналогичные расчеты для установки с такой же производительностью по ТБО, но с использованием традиционного слоевого сжигания, то получим отпуск электроэнергии с 1 т отходов примерно 0,4 МВт/ч (1440 МДж).

Таким образом, по сравнению с прямым сжиганием ТБО использование технологий с плазменным нагревом не дает никаких преимуществ в выработке электроэнергии с единицы перерабатываемых отходов. Возможно, целесообразно использовать данные технологии для химического синтеза, в том числе с получением искусственного жидкого топлива. Однако этот вариант вряд ли позволит рационально реализовать получаемый синтез-газ на установках большой мощности, в которых нуждаются крупные города.

Заключение

В статье [9] делается вывод о том, что переработка отходов с использованием плазменного нагрева выгодна в том случае, когда технология уничтожения отходов является экономически целесообразной даже без учета возможности утилизации образующегося синтез-газа, то есть если надо перерабатывать токсичные, медицинские или биологические отходы, содержащие радионуклиды и токсичные компоненты и т.д. Информация о таких установках, в частности, опубликована в статьях [2, 3].

Плазменные технологии также целесообразны, если необходимо осуществлять процессы испарения, концентрирования или термического разложения соединений, входящих в состав отходов, при абсолютном исключении присутствия окислительных или восстановительных газов. В этом случае нагрев системы должен происходить не в результате сжигания, а с использованием высокотемпературной плазмы, что позволяет проводить технологический процесс в атмосфере инертного газа.
Например, в статье [19] приводится описание процесса переработки многослойной упаковки тетра пак, основанного на использовании термической нейтральной плазмы, что позволяет восстанавливать алюминий и одновременно извлекать пластик, содержащиеся в исходном продукте (упаковке). Температура процесса в данном случае составляет 650–700 °С.
Наконец, «плазменные технологии» целесообразно применять при создании мобильных систем небольшой производительности для переработки широкого спектра отходов, при необходимости включая и бытовые.

Применительно к термической переработке ТБО городского жилого фонда сфера использования плазмотронов, по-видимому, должна ограничиваться переработкой твердых остатков от сжигания, а также (при отсутствии природного газа) как альтернатива вспомогательным горелкам в режимах пуска, останова и для стабилизации горения при сжигании отходов с низкой теплотой сгорания.
Использовать же плазменные технологии вместо традиционного сжигания для решения проблемы санитарной очистки населенных пунктов от ТБО, а тем более считать эти технологии перспективными, даже для небольших городов, не имеет никакого смысла.

ЛИТЕРАТУРА
1. Integrated Pollution Prevention and Control: Reference Document on Best Available Techniques for Waste Incineration/ European Commission, 2006. – 638 p.
2. Бернадинер М. Н., Бернади- нер И. М. Высокотемпературная обработка отходов. Плазменные источники энергии // Твердые бытовые отходы. – 2011. – № 4. – С. 16–19.
3. Бернадинер М. Н., Бернадинер И. М. Высокотемпературная обработка отходов. Плазменные источники энергии // Твердые бытовые отходы. – 2011. – № 5. – С. 24–27.
4. В. С. Чередниченко, А. М. Казанов, А. С. Аньшаков и др. Современные методы переработки твердых бытовых отходов / – Новосибирск: ИТ СО РАН, 1995. – 55 с.
5. Акшель В. А., Кадерлеев М. К., Жиганов Б. А. ECO VALLEY: Получение энергии из отходов // Твердые бытовые отходы.– 2011. – № 3. – С. 17–18.
6. Акшель В. А., Кадерлеев М. К., Жиганов Б. А. ECO VALLEY: Получение энергии из отходов // Твердые бытовые отходы. – 2011. – № 4. – С. 20–21.
7. Додж Эд. Плазменная газификация: источник чистого топлива // Твердые бытовые отходы. – 2010. – № 10. – С. 54–59.
8. Акшель В. А., Кадерлеев М. К., Жиганов Б. А. ECO VALLEY: Получение энергии из отходов // Твердые бытовые отходы. – 2011.– № 5. – С. 21 – 22.
9. Моссэ А. Л., Савченко Г. Э. Плазменные методы в технологии переработки бытовых отходов // Твердые бытовые отходы. – 2012. – № 2. – С. 16 – 20.
10. Падалко О. В. Плазменная газификация отходов – правильный выбор // Твердые бытовые отходы. – 2009. – № 5. – С. 70–77.
11. Падалко О. В. Высокотемпературная газификация отходов // Твердые бытовые отходы. – 2009. – № 3. – С. 25–31.
12. Падалко О. В. Высокотемпературная газификация отходов: новые направления развития // Твердые бытовые отходы. – 2011. – № 10. – С. 20–22.
13. Технология плазменной газификации отходов реализована в Канаде // Твердые бытовые отходы. – 2013. – № 2. – С. 4.
14. Livits J., McKenna A., Seif F. Предложение по оборудованию для обработки отходов посредством плазменного реактора и импульсной системы питания для Калининградской области,
Россия. Проект компаний «Американское торговое партнерство в России», S.A.A. International holdings corp. (CANADA) ltd. и Dutemp corp. – 2007. – 51 с.
15. Падалко О. В. Переработка отходов методами высокотемпературной газификации // Твердые бытовые отходы . – 2009. – № 4. – С. 34–41.
16. 1Артемов А. В., Переславцев А.В., Крутяков Ю.А. и др. Экологический аспект плазменной переработки твердых отходов // Экология и промышленность России. – 2011. – Сент. – С. 20–23.
17. Михайлова Н. В. Термическое обезвреживание отходов. В поисках осуществимых решений//Твердые бытовые отходы. – 2009. – №3.– С. 14– 20.
18. Батенин В. М., Ковбасюк В. И.,Кретова Л. Г., Медведев Ю. В. Термическая утилизация твердых бытовых отходов // Теплоэнергетика. – 2011. – № 3. – С. 62–66.
19. Моссэ А. Л., Савчин В. В., Ложечник А. В. Переработка упаковки с помощью термической плазмы // Твердые бытовые отходы – 2008. – № 1. – С. 36–38.


Источник: журнал "Твердые бытовые отходы" №9,10 2014
Подписка на журнал

С полными текстами всех статей
вы можете ознакомиться
на страницах журнала



Статьи журнала "Твердые бытовые отходы"
Самый эффективный способ обращения с отходами
Нет пророка в своем отечестве. Ищем технологии, ездим за рубеж, составляем справочники, доказываем ...
Оптимизация использования биогаза полигонов ТКО
В статье излагаются предложения по углублению энергетической утилизации тврдых коммунальных отходов...
Спрессовал отходы – получил  доходыСпрессовал отходы – получил доходы
Проблема сокращения объема отходов в последние годы стала повсеместно популярной, а экологические в...
Как неудачный эксперимент захватил Москву
Как это ни прискорбно, но точную статистику по отходам найти невозможно. Разные источники предлагают...
О  целесообразности использования  плазменных технологийО целесообразности использования плазменных технологий
Значительная часть твердых бытовых отходов, даже при самых развитых методах сбора и сортировки, п...
Мусоровозы и их особенностиМусоровозы и их особенности
В настоящее время в России распространены несколько типов мусоровозов, одним из которых является му...
Рециклинг шин:  технологии и оборудованиеРециклинг шин: технологии и оборудование
Переработка шин и резинотехнических изделий – одна из наиболее актуальных проблем, из числа поставл...
Европоддоны из макулатурыЕвроподдоны из макулатуры
В статье рассказывается о технологии, позволяющей использовать низкосортную макулатуру для производс...



ГК ЧИСТЫЙ ГОРОД


ALLISON TRANSMISSION

КАТАЛОГ ВТОРСЫРЬЯ

Получить ознакомительный номер «Экология производства»

Получите бесплатный комплект ознакомительных материалов о журнале «Твердые бытовые отходы»!
ЦЕНЫ НА ВТОРСЫРЬЕ

КАТАЛОГ ПРЕДПРИЯТИЙ
ЭКОПАРТНЕР
Разработка Согласование Продление проектов: ПНООЛР, ПДВ, ПДС, Экоплатежи Разработка Согласование: ООС, ОВОС, СЗЗ Лицензии на опасные отходы, Паспорт опасного отхода

ООО "ВЕНЖЕЛ"
Сбор, переработка и продажа вторичного сырья

ООО " МСК"
Компания ООО «МСК» предоставляет услуги по вывозу всех видов отходов: ТБО и КГМ, уборку и вывоз снега по Москве и Московской области, контейнерами от 8м3 до 35м3 и а/м ГАЗель-1,5т. ООО «МСК» также ...

ВСЕ ПРЕДПРИЯТИЯ

ПОПУЛЯРНЫЕ ЗАПРОСЫ

СДЕЛАЙ САМ

Еще по теме "Утилизация жидких бытовых отходов"

МЕНЮ ПОРТАЛА "ТВЕРДЫЕ БЫТОВЫЕ ОТХОДЫ"

© 2007-2017 Издательский дом "Отраслевые ведомости".
Вся информация, размещённая на данном сайте, принадлежит ЗАО "Отраслевые ведомости".
Несанкционированное копирование информации без ссылки на источник категорически запрещено
Разработка, поддержка, информационно-технологическое сопровождение — ООО «Отраслевые информационные технологии«

Rambler's Top100 Рейтинг@Mail.ru
Mon, 23 Oct 2017 21:49:44
Настоящим, в соответствии с Федеральным законом № 152-ФЗ «О персональных данных» от 27.07.2006 года, Вы подтверждаете свое согласие на обработку компанией ООО «Концепция связи XXI век» персональных данных: сбор, систематизацию, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), использование, передачу в целях продвижения товаров, работ, услуг на рынке путем осуществления прямых контактов с помощью средств связи, продажи продуктов и услуг на Ваше имя, блокирование, обезличивание, уничтожение.

Компания ООО «Концепция связи XXI век» гарантирует конфиденциальность получаемой информации. Обработка персональных данных осуществляется в целях эффективного исполнения заказов, договоров и иных обязательств, принятых компанией в качестве обязательных к исполнению.

В случае необходимости предоставления Ваших персональных данных правообладателю, дистрибьютору или реселлеру программного обеспечения в целях регистрации программного обеспечения на Ваше имя, Вы даёте согласие на передачу своих персональных данных.

Компания ООО «Концепция связи XXI век» гарантирует, что правообладатель, дистрибьютор или реселлер программного обеспечения осуществляет защиту персональных данных на условиях, аналогичных изложенным в Политике конфиденциальности персональных данных.

Настоящее согласие распространяется на следующие персональные данные: фамилия, имя и отчество, место работы, должность, адрес электронной почты, почтовый адрес доставки заказов, контактный телефон, платёжные реквизиты. Срок действия согласия является неограниченным. Вы можете в любой момент отозвать настоящее согласие, направив письменное уведомление на адрес: podpiska@vedomost.ru с пометкой «Отзыв согласия на обработку персональных данных».

Обращаем Ваше внимание, что отзыв согласия на обработку персональных данных влечёт за собой удаление Вашей учётной записи с соответствующего Интернет-сайта и/или уничтожение записей, содержащих Ваши персональные данные, в системах обработки персональных данных компании ООО «Концепция связи XXI век», что может сделать невозможным для Вас пользование ее интернет-сервисами.

Давая согласие на обработку персональных данных, Вы гарантируете, что представленная Вами информация является полной, точной и достоверной, а также что при представлении информации не нарушаются действующее законодательство Российской Федерации, законные права и интересы третьих лиц. Вы подтверждаете, что вся предоставленная информация заполнена Вами в отношении себя лично.

Настоящее согласие действует в течение всего периода хранения персональных данных, если иное не предусмотрено законодательством Российской Федерации.

Принимаю условия соглашения