Переработка отходов методом пиролиза: характеристика, преимущество, виды и сырье

Мировая ситуация с ТБО

Каждый день человек оставляет после себя хлам, который нуждается в утилизации. Каждый год объемы отбросов увеличиваются на 3%. По подсчетам специалистов это около 60 млн тон. Для размещения такого объема отходов понадобится площадь, равная территории Италии или Франции, а также новые технологии.

В мировой практике известно более 20 методов переработки ТБО

Поэтому проблема переработки, а также вторичного использования мусора очень актуальна для всех стран мира. Подсчитано, что более 30% ТБО – это упаковочные материалы: пластиковые пакеты, картон и другое.

ТБО или твердые бытовые отходы – это вещи, изделия или продукция, потерявшие свои функциональные свойства или выбрасываемые потребителем по причине ненадобности, а также бытовые отходы, образующиеся в процессе жизнедеятельности человека.

В России катастрофическое положение с использованием отбросов и технологиями их утилизации. На каждого гражданина, включая грудных младенцев, приходится около 2 тысяч тонн не переработанных отходов. Это утверждение касается только официально зарегистрированных мусорных полигонов, а если учесть стихийные свалки, цифра увеличится вдвое.

Различные способы утилизации

Мусорные отходы во всем мире занимают огромные площади. Они отравляют окружающую среду, загрязняют грунтовые воды и отравляют воздух. Так как накапливать хлам бесконечно невозможно, существует несколько технологий, чтобы избавиться от бытовых отходов:

• захоронение;
• компостирование;
• термическая переработка.

Различные способы утилизации

Захоронение

Это наиболее популярный способ избавления от утиля. Технология применяется для тех отходов, которые не горят и не выделяют токсины. В процессе эксплуатации полигона ТБО происходит выделение свалочных газов в атмосферу, меняются геопоказатели грунтов под телом полигона, что приводит к увеличению фильтрационной способности грунтов и, как следствие, к загрязнению грунтовых вод.

Это несовершенный технологический метод утилизации отходов, так как не позволяет на 100% обезопасить природу от проникновения веществ, образующихся в процессе гниения. Многий утиль может исчезнуть только через десятки лет.

Компостирование

Компостирование отходов – это способ преобразования органических продуктов при помощи микроорганизмов в смесь, которую можно использовать при выращивании растений. Данный метод требует тщательной предутилизационной подготовки, так как разложение отходов происходит естественным способом.

Термопереработка

Используется для нетоксичных отходов. К основным достоинствам данного способа переработки отходов можно отнести:

Технологическая схема переработки отходов на мусоросжигательных заводах

• обеззараживание и обезвреживание мусорной массы;
• уничтожение любых патогенных микроорганизмов под воздействием высоких температур;
• значительное уменьшение объема отходов (объем утиля сокращается в 10 раз);
• получение энергии, которую можно использовать для освещения и отопления помещений.

Данный метод можно считать наиболее эффективным, так как в процессе горения отходы превращаются в золу, которая не является опасной для окружающей среды. Ее можно захоронить, не опасаясь гниения, следовательно, не будут выделяться в атмосферу токсичные газы.

К основным недостаткам можно отнести загрязнение воздуха, так как в процессе горения выделяется диоксин, цианит и другие вещества, оказывающие негативное воздействие на человека и окружающую среду.

Плазменный метод является наименее затратным и 100% экологичным. Эта технология уже успешно используется во многих развитых странах мира: США, Японии, Англии и других. Применение плазменной технологии позволит снизить негативное воздействие на окружающую среду и человека.

Что представляет собой плазменная утилизация?

До XX века мусор аккумулировался на многочисленных свалках мира. Проблема его утилизации не была острой из-за сравнительно небольшого количества отходов и наличия у человечества обширных площадей для организации мусорных свалок. В прошлом столетии учёные обнаружили, что многие виды выбрасываемых веществ способны навредить окружающей среде. Под воздействием солнца и влаги они разлагаются и загрязняют воздух, воду и почву планеты. Первый опыт сжигания мусора оказался не менее опасным, чем бездействие.

Суть процесса

Ранее плазменную технологию применяли для газификации дерева, гудрона, сланца, кокса и других видов твёрдого топлива. Термолиз, так называется технология, одинаково применим как для переработки бытового мусора, так и для утилизации токсичных промышленных отходов.

Суть плазменного воздействия в том, что происходит термическое разложение отходов с неполным окислением. Изменение подвергаемых термолизу веществ происходит под воздействием:

• давления;
• кислорода;
• водяного пара.

Плазменная газификация начинается при температуре от 1000°C и выше. Не даёт сгореть обрабатываемому мусору кислород.

Результаты плазменной переработки

В описываемом процессе переработки отходов получают сигаз, включающий:

• монооксид углерода;
• водород;
• другие горючие газы.

Субстанция является хорошим топливом для вырабатывающих электричество станций, а также сырьём для получения таких продуктов производства:

• горючее;
• синтетическое моторное масло;
• азотные удобрения;
• аммиак;
• высшие спирты;
• менатол.

История создания

Описываемый метод был разработан в 20-е гг. прошлого столетия в Германии. На тот момент он рассматривался как альтернатива промышленности, основанной на добыче нефти.

Так как для разложения искусственных органических веществ из ТБО (твёрдых бытовых отходов) возможно при наличии стабильной низкотемпературной плазмы и жёстких условий в реакторе, в 90-х гг. XX века учёные из РФ, Израиля и Украины создали плазмотрон —  плазменную установку, способную газифицировать любые вещества, включая и химическое оружие.

Учёные Института электрофизики и электроэнергетики РАН построили плазмотрон, обладающий целым рядом важных преимуществ:

• энергоэффективнность;
• компактность;
• температура может достигать1000000°K.

Массовое производство установки не может быть запущенно по причине скудного финансирования научной сферы РФ.

Параллельно с российскими разработчиками учёные корпорации Westinghouse создали плазматроны, в которых температура достигает 6273°K. Устройства уже прошли проверку и готовы перерабатывать большие объёмы отходов.

Технология газификации отходов

Плазмохимическая газификация отходов – один из методов обработки мусора. Исходным сырьем являются следующие отходы:

• бытовые;
• опасные отходы;
• стройматериалы;
• металлолом;
• уголь;
• биоматериал;
• жидкости;
• шламы.

Технология плазменной газификации отходов не требует тщательной и кропотливой подготовки исходного материала.

Внедрение технологии WPC в мусороперерабатывающий бизнес положительно влияет на планету: влияние человека и продуктов жизнедеятельности сводится к минимуму. Выброс вредных парниковых газов уменьшается.

Плазменная газификация – это проверенная технология, решающая текущие проблемы, способствующая выработке топлива и энергии, сохраняющая природу. Кроме экологической составляющей есть и финансовая выгода. Проходя через установку, отходы превращаются в электричество, топливо (дизель и этанол) и другие виды полезного вторсырья.

Загрузочный узел

Разное агрегатное состояние отходов (жидкое или твердое) требует предварительной обработки. В качестве теплоизолирующей подстилки применяют кокс. Он удерживает тепло плазматронов. В будущем планируется его заменить на BRIQs. Плавкость шлака регулируется известняком. Благодаря ему достигается остеклованность и невыщелачиваемость конечного продукта переработки. Известняк заменяют на фосфогипс.

Плазменный реактор-газификатор (ПРГ)

ПРГ обеспечивает преобразование органических и опасных соединений в газообразное вещество. Газ выходит через верхний отдел, а расплавленный при высокой температуре шлак вытекает через нижнюю зону реактора. Для поддержания процесса требуются кислород и водяной пар. Стенки плазменного реактора газификации выполнены из прочного материала с огнеупорным покрытием. Это позволяет поддерживать высокую температуру и защищает от коррозии.

По мере завершения процедуры на выходе образуется синтез-газ. Его температура достигает 870 градусов, а давление приближено по значению к атмосферному.

Шлаки, оставшиеся на дне реактора — смесь негорючих неорганических веществ, которые подлежат дальнейшей переработке.

Установка разделения воздуха

Для преобразования отходов в газ реактор снабжается кислородом. Установка работает за счет охлаждения потока воздуха, который подается под высоким давлением. Сжижение воздуха с выделением азота способствует получению чистого кислорода. Также эта установка позволяет заполнить цистерны жидким O2, используемым при чрезвычайных ситуациях. Он подается через испаритель и потом в виде газа поступает в реактор.

Паротурбинный генератор и воздушный конденсатор

Паровая турбина способствует снижению давления пара, который впоследствии преобразуется в воду. Полученная жидкость повторно поступает в котлы. Эта функция нужна для снижения затрат. Энергия, образующаяся при конденсации, превращается в электричество.

Охлаждение газа, очистка от пыли и хлороводорода

Полученный синтез-газ отправляется в скруббер и специальные колонны, оснащенные оросителем. Там он охлаждается, проходит систему очистки от пыли, хлороводорода и других примесей.

Очищенное вещество перенаправляется в верхний отдел оросительной колонны к мокрому электрофильтру для тщательной очистки от частиц пыли.

Удаление ртути

После охлаждения синтез-газ проходит через угольный фильтр для очистки от следов ртути. Как правило, монтируется сразу 2 фильтра, которые удаляют 99,7% примесей ртути. Замену фильтров производят 1 раз в год. После прохождения цикла очистки сингаз следует на линию очистки от серы.

Гидролиз карбонилсульфида

Этап требуется для преобразования карбонилсульфида в сероводород. Газ проходит через катализатор, где разделяется на сероводород и углекислый газ. После обработки сера преобразуется в газообразное вещество, что облегчает последующую очистку.

Сероочистка

На этом этапе из синтез-газа выводится сероводород и переводится в серу. Ее складируют или продают. Система очистки CrystaSulf позволяет за один шаг преобразовать сероводород в твердую серу и удалить ее, не затрагивая углекислый газ и водород.

Мокрый электрофильтр

Фильтрация необходима для удаления мельчайших частиц пыли (менее микрона). Сингаз подается в электрофильтр и распределяется по трубкам. Здесь частицы становятся отрицательно заряженными и по мере продвижения они оседают возле заземленных трубок. Вода, протекающая по этим трубкам смывает осадок.

Сходства и различия пиролиза и газификации отходов

Пиролиз и газификация — два похожих метода утилизации отходов. Они схожи по следующим пунктам:

• при термообработке в итоге образуется меньший объем смол и фуранов по сравнению с процедурой сжигания;
• равное количество золы по мере завершения процесса;
• для поддержания процесса требуется определенная влажность сырья. Для газификации — 50%, а для пиролиза допустимый уровень колеблется в рамках от 20-40%;
• средний объем дыма.

Несмотря на идентичность, они различаются по итоговому продукту. При пиролизе продукт частично преобразуется в газ, в то время как плазменная переработка обеспечивает полное преобразование.

Литература

1. Бернадинер М. Н., Шурыгин А. П. Огневая переработка и обезвреживание промышленных отходов. — М.: Химия, 1990. — 304 с.

2. Способ утилизации жидких отходов. Патент РФ, №2353857, опубликовано 27.04.2009. Бюллетень №12.

3. Плазмохимическая переработка отходов хлорорганических производств /А. М. Тухватуллин // Химическая промышленность. -1986. -№9.

4. G. Ondrey, К. Fouhy. Plasma arcs sputter new waste // Chemical engineering. — 1991. — December. — S. 32-35.

5. Перспективы плазмохимического уничтожения ПХБ-содержащих конденсаторов и других токсичных отходов / А. П. Цыганков // Экология производства. — 2004. -№ 5. — С. 75-79.

6. Моссэ А. Л., Горбунов А. В., Савчин В. В. Электродуговые плазменные устройства для переработки и уничтожения токсичных отходов: материалы 4-го Международного симпозиума по теоретической и прикладной плазмохимии II Ивановский государственный технологический университет, 13-18 мая 2005 г.

7. Гонопольский А. М., Федоров О. Л. Обезвреживание отходов медицинских учреждений в герметичной плазменной печи // Чистый город. -1999.-№ 1(5) — С. 28-31.

8. Опыт внедрения системы сбора, транспортировки и плазменной переработки медицинских отходов (на примере Московской городской инфекционной клинической больницы №1)/А. М. Гонопольский I/ Чистый город. — 1999. — № 3 (7). -С. 16-20.

9. Способ и установка для переработки радиоактивных отходов. Патент РФ, № 2320038, опубликовано 20.03.2008. Бюллетень № 8.

10. Плазменные технологии: расширение возможности переработки отходов: материалы Международной конференции «Стратегия безопасности использования атомной энергии — прошлое, настоящее и будущее» / И. И. Кадыров . — СПб. — 25-29 сентября 2006 г.

11. Моссэ А. Л., Савчин В. В. Плазмотермическая обработка токсичных отходов II Твердые бытовые отходы. — 2006. — № 12. — С. 22-24.

12. Савчин В. В., МоссэА. Л. Разработка и исследование плазменной шахтной печи для утилизации радиоактивных отходов: материалы 5-го Международного симпозиума по теоретической и прикладной плазмохимии // Ивановский государственный технологический университет, 3-8 сентября 2008 г.

13. Установка для плазменной газификации различных видов отходов: теплоэнергетика высоких температур / А. Н. Братцев . — 2006. -Т. 44. -№6.~ С. 832-837.

14. Переработка твердых отходов методом плазменной газификации: вода и экология: проблемы и решения /А.Н. Братцев . — 2006. -№4.~ С. 69-73.

15. Петров С. В. Плазменная газификация отходов: мир техники и технологии. — 2009. — № 7. — С. 54-55.

16. Бернадинер И. М. Диоксины и другие токсиканты при высокотемпературной переработке и обезвреживании отходов. — М.: Издательский дом МЭИ, 2007. — 48 с.

17. Савчин В. В., Моссэ А. Л. Плазменные методы в технологии переработки РАО: материалы VМеждународной конференции «Сотрудничество для решения проблемы отходов». — Харьков, 2008. -С. 50-52.

Безотходная переработка отходов

Сейчас в мировой
практике применяется больше
десятка технологий сжигания
бытовых отходов. По оценке
Всероссийского теплотехнического
института (ВТИ), вырабатываемая при
их реализации тепловая энергия
наиболее эффективно используется в
трех случаях: при сжигании твердых
отходов на колосниковых решетках, в
топке с псевдоожиженным (кипящим)
слоем и по технологии, называемой
«Пиролиз — высокотемпературное
сжигание».

Сжигание на
колосниках в слоевой топке
считается самой распространенной
технологией. По этому методу
работают большинство зарубежных
мусоросжигательных заводов и все,
построенные до настоящего времени
в России. Сжигание отходов в топках
с псевдоожиженным слоем широко
распространено в Японии. В Европе
таких заводов только два — в Испании
и Германии, строительство еще двух
ведется во Франции и в России
(Москва). В США работает завод по
сжиганию отходов в циркулирующем
псевдоожиженном слое. К сожалению,
обе эти технологии не решают
проблему утилизации и
обезвреживания твердых остатков —
шлака и особенно летучей золы,
которая улавливается системой
газоочистки. Но если шлак можно
использовать, например на засыпке
оврагов или в строительстве (см.
«Наука и жизнь» № 5, 1996 г.), то золу приходится
захоранивать на специально
оборудованных полигонах, поскольку
она адсорбирует тяжелые металлы и
другие токсичные вещества. Есть и
другие пути переработки твердых
остатков, но все они требуют
дополнительных материальных
затрат.

Обезвредить золу
и шлак позволяют комбинированные
технологии сжигания отходов при
высокой температуре. К ним
относится, например, практически
безвредная комбинированная
технология немецкой фирмы
«Сименс» под названием
«Пиролиз — высокотемпературное
сжигание». С
ее внедрением переработка ТБО
стала почти полностью безотходной.

Первый
крупномасштабный завод, работающий
по данной технологии, построен в
городе Вюрте (Германия). Новый метод
сочетает в себе низкотемпературный
пиролиз (обработку отходов без
доступа кислорода) и последующее их
сжигание при высокой температуре.
Сейчас на заводе идут промышленные
испытания. После начала
эксплуатации он сможет принимать
100000 тонн бытовых отходов в год.

Комбинированная
технология фирмы «Сименс»
выгодно отличается от прочих тем,
что, во-первых, из бытовых отходов
получают материалы, пригодные для
использования практически без
дальнейшей обработки. Во-вторых,
выходящие из установки газы по
степени очистки отвечают самым
строгим требованиям, более того,
зачастую содержание в них вредных
веществ гораздо ниже установленных
пределов. Наконец, метод дает
возможность использовать
выделяемое при сжигании отходов
тепло для производства
электроэнергии и
централизованного теплоснабжения
или направлять его на
технологические нужды.

Актуальность проблемы утилизации отходов

Химическая промышленность, автомобилестроение и распространение пластмасс в быту уже нанесли непоправимый ущерб экологии планеты. Искусственные полимеры разлагаются столетиями, медленно отравляя биосферу.

В развивающихся странах производственный и бытовой мусор до сих пор выбрасывается сотнями тонн на землю или в океан. Загрязнения из стран Азии прибивает к европейским берегам в виде микропластика, который обнаруживается уже на вершине Альпийских гор.

В России и странах СНГ полигоны ТБО переполняются городскими отходами, что в ближайшие 10 лет приведет к необратимым последствиям. Захоронения мусора в землю или сжигание в котлах не решают проблему, напротив, ускоряет высвобождение ядов в окружающую среду.

Единственное правильное решение – не использовать пластик в качестве упаковок и емкостей для продуктов питания. Однако цивилизация, живущая одним днем, не откажется от удобства в угоду решению проблем экологии будущего поколения.

Ресурсы биомассы для газификации

В нашей стране экономически доступного
биологического сырья очень много — дрова, кора, ветви, пни
и др.
лесосечные отходы, отходы деревообрабатывающих и мебельных
производств,
лигнин, отходы зерноочистительных производств, различные
виды соломы
и  стеблей растений (пшеница, рис, лен, кукуруза,
подсолнечник,
хлопчатник и пр.), тростник, плодовые косточки и ореховая
скорлупа,
различные  промышленные и бытовые отходы. Во многих
местах сырье
для газификации буквально валяется под ногами. По разным
оценкам в
Россия ежегодно
накапливается до 300 млн. тонн различных органических
отходов, в т.ч.
до 50
млн. т. бытового мусора.
Некоторые свойства различных лигносодержащих отходов в
сравнении с
каменным углем:

Сырье	Теплотворная способность мДж/кг	Влажность %	Зола %
каменный уголь	25-32	1-10	0,5-6
древесина	10-20	10-60	0,2-1,7
солома	14-16	4-5	4-5
рисовая шелуха	13-14	9-15	15-20
хлопчатник	14	9	12
кукуруза	13-15	10-20	2-7

Существует шесть основных направлений 
использования энергетического
потенциала
биологического сырья и отходов:

Газификация биомассы является одним из
наиболее дешевых и экологически
безопасных способов получения электрической и тепловой
энергии.
Существует два прямых способа получения газа из биомассы —
микробиологический и термический (пиролитический).
Древесина содержит
мало воды и довольно медленно поддается биоразложению.
Поэтому для нее
и большинства целлюлоза- и лигниносодержащих отходов
наиболее простым и эффективным способом газификации
является
термическая (пиролитическая) газификация.

Установки плазменной газификации отходов

Устройство можно разделить на четыре основных узла:

1. Реактор-газификатор.
2. Генератор плазмы.
3. Дожигатель.
4. Система очистки.

В плазменном генераторе используется воздушная среда и электрическая дуга переменного тока мощностью до 50000 Вт.

Реактор газификатора изготавливают из металла, внутреннюю поверхность облицовывают тугоплавкой керамикой. Плазменная переработка ТБО начинается с загрузки высушенного и измельченного мусора в шахту. Через ярусные дюзы подаются воздух и водяной пар, затем смесь обрабатывается потоком низкотемпературной плазмы.

Конструкция реактора может быть двух типов:

• с кольцевым плазматроном – равномерно распределяет поток по периметру камеры;
• с центральным генератором плазмы – выпускает горячий пучок в загрузочный центр.

Для изоляции камеры дно устройства погружено в резервуар с водой. Гидрозатвор исключает смешивание веществ из реактора с атмосферой. Снизу шлак и несгораемые элементы улавливаются чугунным колосником и при вращении решетки попадают на дно водного резервуара. Там зольный остаток остывает, затем нейтрализуется и удаляется. Шлак образуется в количествах, не превышающих 7% изначальной массы, он представлен оксидами и карбонатами металлов и кремния. Спекшийся шлак можно использовать как нетоксичный строительный материал.

Чтобы установка работала непрерывно, нужно поддерживать струю плазмы, периодически впрыскивать воздушно-паровую смесь и контролировать уровень ТБО в камере реактора по мере трансформации в сигаз. Синтез-газ откачивается непрерывно с нижней части реакционной камеры, проходит осушение и фильтрацию. В дальнейшем сигаз транспортируется в котельную для использования вместо природного газа. Чтобы получить топливо из мусора, затрачивается электроэнергия на поддержание плазменного заряда. Однако вырабатываемый газ компенсирует энергетические затраты (при идеальных условиях реакции) в 4 раза.

Плазменная технология утилизации отходов решает сразу две задачи: уничтожение мусора с минимальным вредом для планеты и получение электроэнергии из возобновляемого источника – отбросов.

Синтез-газ по энергетическим параметрам уступает метану или пропану, его использование в качестве топлива для электростанций возможно в паровых турбинах. Для стабилизации горения в сигаз добавляют малый процент природного газа.

Плазменная газификация ТБО электродуговой плазмой разрушает вещество на молекулярном уровне, позволяет проводить реакцию в замкнутой системе, не выбрасывать в атмосферу дым с вредными соединениями.

Преимущества плазменной переработки

Описываемый метод имеет свои плюсы и минусы. Лидером утилизации отходов он стал благодаря таким преимуществам:

1. Самодостаточность системы переработки – замкнутый цикл производства. Получаемые газы не загрязняют воздух, а отправляются на электростанции.
2. Полученный на выходе продукт в 300 раз меньше переработанного мусора.
3. Отходы не нужно готовить к утилизации.
4. В 3 раза меньше расходы на организацию утилизационных процессов.

В России технология только начинает развиваться. В таких странах как Индия, США, Китай, Англия и Япония она успешно применяется. Учёные уверены, что она положительно скажется на экологии планеты.

Литература по газификации древесины и биомассы

По газификации древесины и биоресурсов написано много
книг
и статей, в т.ч. доступных в россисйкой и мировой сети.Ниже
приведен
небольшой
перечень
для
начинающих:
Теплоэнергетические
основы
промышленной
слоевой
газификации
растительной
биомассы,
Сергеев
В.В.,
автореф.
докторской
диссертации, СПб, 2009
г., 32 с.

Биоэнергия:
технология,
термодинамика. Издержки. Д.Бойлз, М.,
Агропромиздат,
1987 г.,187 с.Benchmarking Biomass Gasification Technologies for
Fuels,
Chemicals and Hydrogen Production,  J.P.
Ciferno,J.J.
Marano, U.S. Department of Energy National Energy
Technology Laboratory, 2002 г., 65 с.Wood
gas
as
engine
fuel,
FAO
Forestry
Department,
1986
г.,
136
с.

автор Абушенко А.В., май
2010

Экономическая выгода плазменной газификации

Установки вырабатывают энергию и топливо из мусора. Его количество на полигонах обеспечит заводы сырьем на десятки лет вперед.

Строительство одного завода требует вложений от 9 млрд. руб. (по данным 2020 года), однако предприятие окупается спустя 4 года. Затраты на обслуживание, логистику и зарплаты рабочих составят от 53 млн. руб. ежегодно.

При переработке 60 кТ мусора доход предприятия составит:

• 30 млн. руб. — переработка ТБО;
• 132,5 млн. руб. — продажа электроэнергии;
• 146,5 млн. руб. — продажа тепла для отопления;
• 21,5 млн. руб. — переработка металла;
• 20,2 млн. руб. — переработка стекла.

Великобритания, Нидерланды, США и Канада — страны с положительным опытом и доходом от предприятий, осуществляющих плазменную газификацию. В России ведутся научные исследования, которые в дальнейшем выведут страну на лидирующие позиции.

Внедрение плазменной газификации отходов спасет природу от захламления и является финансово выгодным мероприятием. Этот фактор привлекает инвесторов. Заводы по переработке отходов совершенствуются и разрастаются, что положительным образом сказывается на планете.