При современном уровне развития промышленности проблема переработки отходов приобретает первостепенное значение. С каждым годом в сфере обращения с отходами вводятся новые законы, ужесточаются экологические нормы.

Крупные промышленные компании и муниципальные структуры в этой ситуации вынуждены вкладывать значительные средства в уничтожение отходов. Особо острая ситуация с отходами, являющимися источниками вредных и токсичных веществ. Эти отходы, как правило, не могут быть захоронены и требуют специальных технологий утилизации. Как результат создание экологически безопасных технологий переработки отходов с каждым годом приобретает все большую инвестиционную привлекательность. Традиционный метод уничтожения отходов - сжигание в мусоросжигательных печах.

Однако, при обычном сжигании углеводородов, содержащих галогены (это полихлорвиниловые пластики, хлорсодержащие масла, пестициды и т.д.), образуются высокотоксичные диоксины. Поэтому наиболее токсичные виды отходов помещаются в спецхранилища ввиду их крайней опасности и в связи с отсутствием технологий их утилизации. Наиболее перспективной технологией утилизации токсичных веществ является плазмохимическая технология, основанная на высокотемпературном плазмохимическом воздействии и полном разложении утилизируемых продуктов с помощью дуговой плазмы с получением полезного продукта, синтез-газа, который представляет собой смесь водорода и оксида углерода и является ценным энергетическим сырьем. Основным преимуществом плазмохимической технологии является универсальность по отношению к типу вещества и малые габариты, позволяющие создать передвижные технологические модули.

Однако, широкое практическое распространение плазменных технологий сдерживается отсутствием надежных дуговых плазмотронов с достаточным ресурсом непрерывной работы. Существующие плазмотроны, как правило, требуют для работы использования в качестве плазмообразующего дорогостоящего инертного газа, в то время как оптимальным, с точки зрения плазмохимических реакций, плазмообразующим газом является водяной пар. Электрическая дуга в мощных плазмотронах приводит к интенсивной эрозии электродов. Плазменные установки приходится часто останавливать для замены электродов. Решение этих проблем, в части создания новых источников плазмы позволит поднять плазменные технологии на новый уровень. В представленной работе описан плазмохимический реактор с новым источником дуговой плазмы лишенный этих недостатков. Продемонстрирована утилизация широкого спектра отходов, включая полихрорированные бифенилы, при этом синтез газ получаемый в реакторе соответствует по содержанию диоксинов экологическим стандартам.

Плазменный реактор с расплавляемыми электродами

Базовая схема плазмохимического реактора показана на рисунке 1. Фотография реактора с плазмотроном мощностью 500 кВт показана на рисунке 2. Реактор состоит из двух реакционных камер со специальными ваннами. Перед первым стартом плазмохимического реактора в ванны загружается металлический лом. Электрическая дуга зажигается между этими ваннами через специальный водоохлаждаемый канал. Отходы подаются на поверхность расплавленного металла. Плазмохимическая реакция газификации протекает в камерах реактора при температуре 1300-1500^оС. Продукты газификации выводятся из камер плазмохимического реактора и поступают в систему газоочистки.

Во время работы на поверхности металла образуется слой расплавленного шлака. Шлак должен удаляться по мере накопления или непрерывно для установок большой производительности с помощью специального устройства шлакоудаления.

По сравнению с плазмохимическими реакторами, использующими традиционные плазмотроны, новый реактор обладает стратегическими преимуществами:

1) Полное отсутствие эрозии электродов.

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

2) Возможность использования водяного пара в качестве плазмообразующего газа.

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

3) Возможность практически неограниченного увеличения мощности.

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

Рис. 1. Схема плазмохимического реактора для утилизации токсичных отходов.

Рис. 2. Плазмохимический реактор для утилизации токсичных отходов мощностью 500 кВт.

Перспективы промышленного применения реактора с расплавляемыми электродами

Технические характеристики реактора обеспечивают возможности для широкого применения в технологии переработки ряда отходов.

Уничтожение токсичных органических отходов, содержащих стойкие органические загрязнители, включая хлорированные и фторированные масла, пестициды, отходы химического производства, пластики и т. п. Для демонстрации возможностей технологии были выполнены испытания по переработке хлорорганических отходов. Испытания реактора проводились по следующей схеме. Жидкие хлорсодержащие отходы подавались в реакционную камеру на поверхность расплава. Содержание хлора с отходах 15% по весу. В результате реакции газификации, взаимодействия пара с отходами, образуются синтез газ (смесь водорода, CO и HCl). Полученный синтез газ подвергается быстрому охлаждению закалке, одновременно проходя очистку от HCl в центробежно-барботажном аппарате. Проведенные эксперименты по уничтожению трансформаторного масла марки ТХД (трихлордифенил) показали, что концентрация диоксинов в синтез газе не превышает 0,05 нг/м3 (норма, установленная американским агентством по защите окружающей среды EPA - 0.1 нг/м3).

Важной сферой применения плазмохимического реактора является утилизация отходов, возникающих при обогащении минерального сырья, например, угольных и нефтяных шламов. Проведенные испытания показали, что настоящий реактор может использоваться для получения высококачественного портланд-цемента из угольного шлама и отходов дробления известняка.

Одним из важнейших направлений промышленного применения является создание на базе представленной разработки мобильных установок по плазменной утилизации отходов. На базе представленного плазмохимического реактора разрабатывается мобильный вариант установки, размещенный на трейлере (рисунок 3). Мобильная установка предназначена для утилизации токсичных отходов на местах хранения, а также для ликвидации последствий аварий связанных с разливом токсичных веществ.

Рис. 3. Схема мобильной установки для утилизации токсичных отходов.

Вывод

Разработанный плазмохимический реактор обладает рядом стратегических преимуществ, которые обеспечивают существенные конкурентные преимущества по сравнению с традиционными технологиями уничтожения токсичных отходов.

Предтеченский М.Р.

Международный научный центр по теплофизике и энергетике, Новосибирск, Россия

Тухто О.М.

Институт теплофизики Сибирского отделения РАН, Новосибирск, Россия

Коваль И.Ю.

Новосибирский государственный университет, Новосибирск, Россия