Плазменная переработка мусора

Утилизировать промышленные и бытовые отходы человечество начало 20 лет назад. До этого мусор выбрасывался на полигоны по всему миру, откуда вредные вещества распространялись в почву, грунтовые воды, открытый океан.

Опыт Европы и Америки по сжиганию промышленного мусора в печах оказался негативным. Построенные в конце двадцатого века мусоросжигательные заводы загрязняют воздух, воду и биосферу высокотоксичными соединениями. Фураны и диоксины выпадают с осадками, накапливаются в земле, попадают в пищевую цепочку человека.

Для обезвреживания опасных веществ и отходов производства был разработан метод плазмохимического разложения органики. Плазменная переработка мусора позволяет расщеплять сложные полимеры до газообразных углеводородов и оксида углерода. Выбросы токсинов сокращаются на 99%, а полученные вещества можно использовать как безопасное топливо и сырье для органического синтеза.

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.

Биоразлагаемые материалы и выведение микроорганизмов, способных перерабатывать синтетические полимеры, – вопрос отдаленного будущего. А проблему утилизации откладывать уже нельзя.

Плазменная технология утилизации отходов

Ни один из методов прошлого не позволяет безопасно перерабатывать твердый бытовой мусор и токсичные промышленные отходы. Поэтому ученые нашли выход в термолизе, который ранее применялся для газификации твердого топлива – кокса, сланца, гудрона, дерева. Технология не нова, но в окончательном виде нашла применение в переработке опасных отходов.

Общий принцип плазменной обработки отходов заключается в термическом разложении с неполным окислением под воздействием водяного пара, кислорода воздуха и давления. Чтобы исходное сырье не сгорало, нужно контролировать поступление окислителя – воздуха. Пиролиз начинается при температурах более 1000°C. На выходе из установки образуется смесь водорода, монооксида углерода с примесями других горючих газов.

Получаемый сигаз служит топливом для электростанций, сырьем для получения метанола и высших спиртов, аммиака, азотных удобрений, синтетического моторного масла и горючего. Данный метод синтеза был придуман в Германии в двадцатых годах прошлого столетия, как альтернатива нефтяной промышленности.

Разложение искусственной органики из ТБО требует более жестких условий внутри реактора и стабильную низкотемпературную плазму. Поэтому в девяностых годах прошлого века на базе института им. Курчатова ученые из России, Украины и Израиля разработали плазматроны, пригодные для газификации любых веществ, включая уничтожение химического оружия.

В Институте электрофизики и электроэнергетики РАН был построен первый в мире компактный и энергоэффективный плазматрон с температурой до 1000000°K. Из-за незначительного финансирования науки, установка не может выйти в серийное производство. На Западе корпорацией Westinghouse разрабатываются плазматроны, позволяющие уже сегодня перерабатывать отходы при температуре плазмы до 6273°K. Установки прошли тестирование в Канаде, Японии и Нидерландах.

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.

Важно, чтобы плазменная газификация отходов проходила при температуре выше 1200°C, тогда в реакторе не будут образовываться смолы и диоксины, а исходное сырье полностью распадается на простые соединения.

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.

Плазменное решение для переработки мусора

Первый промышленный плазматрон для ТБО, разработанный в Российском Курчатовском институте, был изготовлен на Мариупольском машиностроительном заводе в Украине в 2010 году. Устройство было перевезено в Израиль для запуска предприятия по переработке мусора в окрестностях Кармиэля. Эффективность данной разработки до сих пор не удалось превзойти. Из-за снижения финансирования иностранными партнерами и геополитических проблем дальнейшие исследования по этому проекту были заморожены.

Попытки перенести разработку на попечение наукограда «Сколково» привели только к созданию прототипа нового плазменного мусоросжигателя Институтом электрофизики и электроэнергетики в 2012 году. Серийный промышленный образец устройства к 2019 году так и не появился.

К 2025 году в Москве и Татарстане планируют построить экспериментальные плазменные мусороперерабатывающие электростанции с привлечением партнеров из Европы и Америки. Если с финансированием проекта не возникнет сложностей, подобные установки появятся в масштабах страны.

Технология плазменной газификации Westinghouse Plasma Corporation

WPC занимается созданием лидирующей технологической базы для превращения отходов цивилизации в чистую энергию без вреда для Земли. В американской корпорации ученые из разных стран работают над платформой коммерческих промышленных заводов и небольших базовых версий газификаторов.

Пока технология плазменного пиролиза применяется в мире на трех промышленных объектах. Установки позволяют превращать в горючий газ бытовой мусор горожан, ядовитые отходы заводов, осадок водостоков.

Один из заводов Air Products, расположенный в Англии, ежемесячно избавляет планету от 30 килотонн мусора в виде:

• ТБО;
• промышленных отбросов;
• отходов рознично-оптовой торговли;
• медицинского биомусора;
• отходов переработки нефти;
• ядовитого шлака из мусора, сжигаемого на свалках.

На выходе завод получает очищенный синтетический газ, который трансформируется в энергетические решения для электростанций, топливных элементов и химических продуктов:

• этиловый спирт;
• метанол;
• пропанол;
• дизельное топливо;
• горючее для ракетных двигателей.

Суть технологического решения компании – реакторы, оснащенные плазменными горелками. Через электрический дуговой разряд высокого напряжения пропускают воздух под давлением. Газы ионизируются и нагреваются, как от удара молнии, и направляются в камеру при температуре 5000°C. Получаемый сигаз очищается от твердых частиц, тяжелых металлов и серы. Расплавленный шлак собирают для использования как композитный материал в строительстве.

Плазменная утилизация отходов на заводах корпорации Westinghouse позволяет полностью разлагать мусор на безопасные и ценные соединения.

Установка Плутон: плазменно-пиролитическая переработка твердых РАО

Радиоактивные отходы атомных электростанций нельзя сжечь или закопать в землю без вреда для экологии. Период полураспада отдельных отбросов АЭС может составлять сотни лет, на протяжении которых вещество будет загрязнять воду и почву.

Российская госкомпания Радон нашла способ сделать РАО компактнее, снизить риск утечки радиации из отбросов без повторных перезахоронений каждые полвека.

Твердые радиоактивные отходы проходят плазменный пиролиз на установках Плутон. К обработке допускаются вещества до среднего уровня активности. Технология позволяет перерабатывать разнородные материалы со сложным составом всего за одну стадию с получением концентрированного РАО в сокращенном до 95% объеме. Остекленевший радиоактивный шлак можно допускать к длительному захоронению без опасения утечки или растворения в грунтовых водах.

Плазменная печь для сжигания отходов АЭС работает при температуре 1800°C за счет дуговых плазмотронов гальванического тока собственной разработки. Органика уничтожается без остатка, а несгораемые элементы расплавляются, фиксируя в кристаллической решетке изотопы радиоактивных элементов и тяжелые металлы. Получаемый компактный твердый слиток, состоящий из оксидов натрия, алюминия и кремния, по составу практически идентичен стеклу.

Скорость разрушения слитка в природе ниже, чем у устойчивых боро-кремниевых стекол, поэтому установка Плутон – совершенное средство для полной консервации токсинов и радиоизотопов.

Технологические плазмотроны в составе плазменных систем

В промышленности плазма используется для пиролиза органики в химическом синтезе. Это может быть растительное сырье, каменный и бурый уголь, твердые фракции нефти.

В качестве образующей плазму среды выступают инертные газы, азот, аммиак, вода или воздух. Поток высокоионизированного газа позволяет расщеплять сырье и получать чистый водород с монооксидом углерода. Полученный продукт после фильтрации и очистки можно использовать в реакторе для синтеза сложных органических соединений, которые другим путем получить нельзя.

Технологические плазменные системы могут работать при мощности 3500 кВт. Для стабилизации плазменного пучка используются электромагниты.

Промышленные плазменные системы для синтеза производит Российская компания Плазмариум на базе плазматронов зарубежных коллег. Фирма выпускает передвижные плазменные установки для утилизации отходов «MGS».

Преимущество мобильных установок плазменного пиролиза – в модульной конструкции и быстром развертывании систем по утилизации мусора. Состав газовоздушной смеси регулируется электроникой для снижения концентрации оксида азота в сингазе. Устройство позволяет работать с эффективностью до 99% непосредственно на полигоне по сбору бытовых отходов. Для утилизации медицинских биоматериалов и останков скота используется герметичный загрузчик отходов.

Реактор плазменного сжигания мусора работает в автоматическом режиме под управлением ПО без участия персонала. Разложение происходит по методу паровой плазмохимической реакции и исключает выброс вредных веществ в окружающую среду.

По показателям энергетической эффективности такие установки уступают полноценным заводам по плазменному сжиганию отходов, зато справляются с уничтожением опасного мусора без вреда для экологии.

Экономические показатели плазменной газификации

При проектировании плазменных установок по сжиганию мусора учет финансовых выгод при получении сырья и энергии – не основная задача, а дополнительный бонус. Главное – не допустить превращение планеты в пластиковую помойку.

Рост цен на ископаемые источники энергии и скорое израсходование природных углеводородов делает плазменное сжигание отходов экономически выгодным и полезным.

Скопившихся отходов на полигонах и в окружающей среде хватит на несколько десятилетий, при этом будет поступать и новый мусор. ТБО станет до конца столетия выгодным возобновляемым источником энергии.

Для постройки одного завода потребуются инвестиции в 900.000.000 руб., а время для ожидаемой окупаемости затрат составит около 4 лет.

При годовой переработке мусора 60кТ завод будет зарабатывать на производимом газе, электричестве и вторсырье:

Помимо приобретения оборудования, ежегодные затраты на обслуживание, логистику, закупку энергии и зарплаты персонала составят 53.000.000 рублей.

Положительный экономический опыт имеют страны с плазменной утилизацией мусора: Великобритания, Нидерланды, США и Канада. Россия имеет лучшие научные разработки в области плазменного пиролиза, поэтому есть все перспективы выйти в лидеры рынка по плазменной переработке.