И.И.Кумкова, 

ученый секретарь Института электротехники и электороэнергетики РАН, кандидат физико-математических наук.

Исследование процессов плазменной газификации твердых отходов – эта та область науки, где России, несмотря на многочисленные проблемы, удалось сохранить одну из лидирующих позиций. Ф.Г. Рутберг - академик РАН, директор Института электрофизики и электроэнергетики РАН, уверен: «В мире лет через 10-15 применение плазмы по своему масштабу, будет больше чем металлургия и химия вместе взятые». 

Продемонстрируем лишь одно из возможных направлений плазменных технологий на примере экспериментальной установки для исследований процессов плазменной газификации твердых отходов.

Установка (РИС. 1) состоит из следующих основных узлов: реактор-газификатор, генераторы плазмы с системами питания, дожигатель, система охлаждения и очистки отходящих газов. Условная производительность установки составляет 50 кг/ч и зависит от типа отходов. Применяются высоковольтные генераторы плазмы переменного тока промышленной частоты мощностью до 50 кВт, использующие в качестве плазмообразующей среды воздух.

Принцип действия вкратце можно описать следующим образом: высокотемпературная плазменная газификация с возможным получением электроэнергии или утилизацией остаточного тепла, с последующей многоступенчатой очисткой дымовых газов в соответствии с нормами защиты окружающей среды.

Реактор-газификатор шахтного типа представляет собой вертикальный металлический цилиндр с огнеупорной футеровкой (РИС. 2). Твердые отходы при помощи загрузочного устройства поступают в реактор и заполняют внутренний объем. В верхней части реактор имеет расширение — бункер для хранения запаса материала, достаточного для проведения непрерывной работы установки. Источник энергии — генератор плазмы — может быть установлен как сверху реактора, так и на одном из боковых фланцев. В первом случае поток горячей плазмы из генератора через специальное распределительное устройство попадает в центр загрузки, во втором — распределяется по окружности шахты через ряд боковых равномерно расположенных отверстий. Дополнительно реактор-газификатор снабжен несколькими ярусами дутьевых отверстий, через которые возможна подача воздуха или пара, служащих для управления внутренними процессами.

Нижняя часть реактора погружена в водяную ванну, образуя гидравлический затвор, препятствующий проникновению в него атмосферного воздуха. Устройство удаления золы и шлаков включает колосниковую решетку, установленную в водяной ванне, которая медленно вращается вокруг вертикальной оси. При этом горячий минеральный остаток удаляется из реактора и попадает на дно водяной ванны.

После вывода реактора на стационарный режим его работа поддерживается непрерывной подачей плазменного и, при необходимости, воздушного дутья и периодической порционной подачей загрузочным устройством твердых отходов по мере понижения их уровня в реакционной камере. Полученный в результате синтез-газ непрерывно отбирается из нижней части реактора. В ТАБЛ. 1 представлены энергетические характеристики синтез-газа для разных видов отходов.

РИС. 2. Реактор-газификатор: 1 — узел загрузки; 2 — накопитель¬ный бункер; 3 — генератор плазмы; 4 — шахта реактора; 5 — отверстия ввода дополнительного дутья; 6 — датчики темпе¬ратуры; 7 — выход продукт-газа; 8 — вращающийся колосник; 9 — водяной затвор.

Полученный синтез-газ подвергается дополнительной подготовке для дальнейшего использования. Он может направляться на сжигание в газовую котельную и служить частичной заменой природного газа, или направляется в квенчер, а затем подвергается очистке. Очищенный синтез-газ направляется в компрессор, затем в отделитель влаги, фильтр и газовую турбину.

Для стабильности работы энергетического оборудования, вне зависимости от колебаний состава исходных отходов, рекомендуется подмешивание природного газа, в этом случае может быть увеличена мощность энергетической установки. Газовая турбина производит электроэнергию. Газы, выходящие из турбины, поступают в котел-утилизатор тепла, где генерируется пар, и этот пар поступает на паровую турбину, где также вырабатывается электроэнергия. Пар из паровой турбины возвращается в котел-утилизатор, а дымовые газы из котла-утилизатора выбрасываются через трубу в атмосферу. Возможны и многие другие схемы использования синтез-газа.

Проведение процесса плазменной газификации при температуре более 1200 °С позволит избежать появления в синтез-газе жидких фракций (смол), которые образуются в больших количествах при более низких температурах, что исключает необходимость их дальнейшей утилизации. Также высокая температура процесса позволяет достигнуть полного разрушения токсичных и трудноразлагаемых составляющих отходов и, при наличии в отходах хлорсодержащих составляющих, исключить синтез вторичных особо токсичных веществ (диоксинов).

На описанной экспериментальной установке проведены серии экспериментов по плазменной газификации отходов древесины, каменного угля, лигнита. Запланированы эксперименты с отходами пластмасс, RDF и автомобильными шинами. По их завершении предполагается перейти к созданию опытно-промышленного образца установки производительностью 1-2 т/ч.

Разработанная и созданная установка позволяет перерабатывать твердые бытовые отходы с получением топливного газа. Установка с применением плазменных технологий для газификации твердых отходов, безусловно, имеет большие перспективы, поскольку успешная реализация подобных проектов позволит решать одновременно две проблемы: утилизации отходов и производства энергии из возобновляемых источников.