Высокотемпературное окисление на базе ракетного двигателя

Этот метод основывается на результатах конверсии ракетно-космической техники в интересах экологии. Отработана высокотемпературная технология и создан промышленный модуль установки для обезвреживания супертоксичных веществ [1]. Метод базируется на термическом преобразовании обезвреживаемого вещества, включающий ряд последовательных стадий: высокотемпературное разложение (2000 -3500ºС), доокисление и химическое связывание элементов окисления, многоступенчатая система нейтрализации и улавливания конечных малотоксичных соединений (Рис.3.6.). По характеру физико-химических процессов предлагаемый режим занимает промежуточное положение между обычным сжиганием (Т<1500ºС) и плазменным обезвреживанием с характерным температурным уровнем в десятки тысяч градусов. Этот рабочий диапазон позволяет устранить принципиальный недостаток, присущий обычному сжиганию, выражающийся в образовании высокотоксичных промежуточных соединений типа диоксинов. С другой стороны, удается избежать основных недостатков плазменного метода, связанных с чрезвычайной сложностью и дороговизной технологического процесса [1].

Технический облик установки принципиально отличается от мусоросжигательных печей или камер плазменного обезвреживания., в которых основные процессы идут по условной

Окисление           2000 ºС

Многоступенчатая очистка малотоксичных продуктов реакции T ~ 3500º C

Окончательная очистка T ≤100º C

Жидкость (утилизация)

Твердое вещество (утилизация)

Термохимическое разложение T ≤3500º C

Газ (выхлоп)

Рис.3.6. Технологическая схема высокотемпературной установки на базе ракетного двигателя.

схеме «горение в объеме». В созданной установке основные исполнительные органы (камера сгорания РД, реакционная камера, абсорбер) расположены в последовательной цепи и работают по схеме организации процессов в высокоскоростном движущемся потоке. Обезвреживанию подвергались основные виды токсичных (фтор-, хлор-, серо-, фосфорсодержащих) соединений, пестициды, дихлофос, карбофос, дизенфецирующая жидкость на фенольной основе. Концентрации веществ в выхлопных газах соответствуют строгим экологическим нормам: HCl- 14 мг/м³ (при допустимой норме 30 мг/м³ ), HF - 0,14 мг/м³  (2 мг/м³ ), SO₂ -30 мг/м³ (50 мг/м³). По результатам анализа проб поглощающего раствора и твердого осадка концентрация диоксинов укладывается в допустимые нормативы [1].

Термоселект

Термоселект (ТС) - метод, не требующий предварительной сортировки отходов; он позволяет перерабатывать многие виды особых отходов, твердые отходы любого размера (до 700 мм) сочетая эти достоинства с довольно доступной ценой [1,25,41,42]. Исходным сырьем для технологического процесса являются бытовые и промышленные отходы (в том числе токсические), как поступающие, так и накопленные на городском полигоне для складирования отходов. Единственный вид отходов, который не перерабатывется технологией ТС являются радиоактивные. Схема технологии Термоселект представлена на рисунке 3.7. [42].

    Отходы подаются на гидравлический пресс. Далее спресованные отходы и отжатая из них вода попадают в горизонтальный канал. Объем спресованных отходов очень мал, за счет чего достигается высокая теплопроводность массы отходов и имеется полный контакт со стенками канала, который снаружи обогревается синтез - газом до достижения температуры стенок около 600ºС. Органическая составляющая отходов разлагается на CO, CO₂, H₂, смесь простейших углеводородов и твердый углерод. Неорганическая часть мусора нагревается до 600ºС. Брикеты, содержащие из органики, только углерод, а также образовавшиеся в канале газообразные продукты реакций разложения, подаются в высокотемпературный реактор, где в присутствии кислорода (в этом принципиальное отличие от пиролиза) углерод и продукты дальнейшего разложения превращаются в богатый энергией синтез - газ.

нагревание

пресс

р еактор Т 1200 ° С

Реактор-гомогенизатор

Выход гранулята

Шоковое охлаждение синтез газа

Спрессованное сырье 600 ° С

Рис. 3.7. Схема процесса «Термоселект» [42].

    При температуре 1200 ºC (время пребывания 2 сек) происходит деструкция хлорпроизводных углеводородов диоксинов и фуранов и других органических соединений. Последующее резкое охлаждение синтез - газа и содержащихся в нем примесей от 1200 ºC до 90 ºC в присутствии воды предотвращает повторное образование диоксинов и фуранов. Синтез - газ подвергается многостадийной очистке, предусматривающей адсорбционную очистку или конденсацию. Чистый синтез-газ используется или как источник энергии или для производства метанола. Тяжелые металлы, входящие в состав мусора, выносятся вместе с реакционным газом, поэтому его подвергают сложной газоочистке. [ 25,42-45]

    Неиспарившиеся неорганические соединения либо расплавляются, либо окисляются кислородом. Таким образом, в реакторе образуется расплав оксидов металлов со слоем шлака наверху (минеральный расплав). Металлический расплав выносится в реактор-гомогенизатор, а затем удаляется из зоны реакции отдельно от него. Стекловидный гранулят минерального расплава со свойствами, идентичными свойствам естественного минерала базальта, может найти применение, например, при строительстве дорог. Металлический гранулят можно использовать в тех отраслях, где невысоки требования к качеству металла [41].

    Технология Термоселект включает уникальный процесс высокоскоростного охлаждения, исключающий повторное образование диоксинов, обеспечивает процесс обработки отходов и дополнительную выработку энергии и ресурсов, используя пиролизную газификацию и систему плавления (система газификации и преобразования газа) исключающие обычное сжигание. ТС неагрессивен к окружающей среде. Система ТС вырабатывает очищенный синтетический газ из отходов, который может быть использован как источник энергии, а также производит металлы и шлаки, т.е. ресурсы, пригодные для использования. Швейцарская компания TERMOSELEKT S.A - разработчик этой технологии. 7 заводов, построенных по этой технологии, лицензированы и работают в Японии (таблица 3.5.) [45].

Таблица 3.5.

    В 2007 г. между ООО «НПП Эко-Синтез Текноледжи» (г. Комсомольск, Полтавской области, Украина) и компанией TERMOSELEKT S.A., Швейцария (Локарно) заключен контракт на поставку технологического оборудования TERMOSELEKT для строительства завода мощностью 100 тыс. тонн в год по переработке бытовых и промышленных отходов в г. Комсомольск, Полтавской области, Украина. [43 ]. Предполагается использовать бурый уголь в качестве дополнительного топлива [43].

Гидрирование

Гидрированием (гидрогенизацией) твердого топлива называется процесс превращения органической части топлива в жидкие продукты, обогащенные водородом и используемые как жидкое топливо. Гидрирование твердого топлива представляет собой деструктивный каталитический процесс, протекающий при высокой температуре и повышенном давлении. В этих условиях происходит разрыв межмолекулярных и валентных связей в органической массе топлива, и протекают реакции деструкции и деполимеризации высокомолекулярных структур. Одновременно с гидрированием углеродных соединений протекают реакции гидрирования соединений, содержащих серу, кислород и азот. В качестве катализаторов применяют различные контактные массы на основе соединений Ni, Pt, Co, Fe, Pd, Cu, V и др.[42] на основе соединений молибдена, никеля или железа. Изменением параметров процесса (температура, давление, время контактирования) и состава катализатора процесс гидрогенизации может быть направлен в сторону получения продуктов заданного состава. Выход жидких и газообразных продуктов гидрирования твердого топлива существенно зависит от содержания в нем летучих веществ.

    Этот метод не требует рассортировки мусора и более полно, чем пиролиз и термоселект, использует материальный потенциал отходов. Кроме того, разновидность гидрирования - гидрирующее ожижение, - позволяет получать из несортируемых смесей полимеров высококачественный бензин и дизельное топливо. Метод гидрирования безвреден для окружающей среды, поскольку гетероатомы, входящие в состав молекул полимеров, образуют в ходе реакции гидрирования соединения с водородом, которые технически легко выделяются из смеси. Обычно гидрирование - многоступенчатый процесс при температуре 300 - 500ºС и давлении 200 - 400 бар. Время превращения - от 15 мин до нескольких часов в зависимости от состава исходного сырья. В результате образуется газовая фаза, масляная фракция и твердый осадок, включающий неорганические примеси, содержащиеся в отходах даже в случае, когда эта фаза не может быть подвергнута утилизации, требуемый объем на захоронение сокращается на 90% по сравнению с необработанными отходами.

Технология плавки

 Специалистами Московского института стали и сплавов разработана принципиально новая технология плавки, которую предложено применять для утилизации твердых бытовых отходов. Мусор в этом случае будет не сжигаться, а плавиться — при температуре до тысячи пятисот градусов и при постоянной подаче технического кислорода. Более высокая, чем при сжигании, температура способствует полному разложению вредных соединений в отходящих газах. Анализ этих газов показал отсутствие в них хлорорганических и органических соединений и весьма малую запыленность. Большое достоинство такого метода — возможность получения из бытового мусора тех ценных компонентов, которые в нем содержатся, включая, например, драгоценные металлы. Подаваемый в ванну кислород интенсивно перемешивает расплав, помогая быстрому растворению и образованию крупных капель металла. Более тяжелые, нежели шлак, эти капли опускаются на самое дно — в наиболее спокойную зону ванны, концентрируясь там в виде донного слоя. Оттуда их время от времени изымают, направляя на дальнейшую переработку. Выпускают из ванны и более легкую — шлаковую — часть расплава, которая идет на производство строительных материалов. Содержащиеся в отходах углерод и углеводороды тоже находят свое применение — их можно использовать как низкокалорийное топливо. Предлагаемая технология, таким образом, не только экологически безвредна, но и позволяет извлекать из мусора реальную экономическую выгоду.

Первые предприятия, утилизирующие бытовые отходы этим полезным и экологически чистым способом, будут построены в подмосковных городах Ногинске и Подольске [47].