Предлагаемая технология основана на базовых свойствах микроволновой плазмы, позволяющих весьма эффективно воздействовать на целый ряд углеродосодержащих веществ, в том числе и на газообразные, с точки зрения их деструкции.
Применение микроволновой плазмы, дает возможность в замкнутом объеме реактора, без доступа кислорода добиться средних рабочих температур до 2500 0С. При этом скорость разогрева для разных веществ в реакторе будет составлять от 100 до 1000 0С/сек.
Параллельно действию высоких температур, мощное ионизирующее воздействие микроволновой плазмы в объеме реактора приводит к полному разложению сложных молекул углеродосодержащих веществ на простейшие молекулы и ионы, в усредненном соотношении 20 % и 80 % соответственно. Что позволяет, при использовании метода микроволновой плазменной деструкции веществ, достигать углеродной конверсии 99,0 - 99,8 %.
Это является важнейшим условием для переработки бытовых и промышленных отходов, а также для утилизации медицинских и опасных отходов.
Нарастающая динамика образования отходов и увеличение в их составе синтетических материалов, требует создания принципиально новой индустриальной техники и новых технологий по их переработке. Их разработка должна вестись с учетом воздействия на окружающую среду и человека, и соответствовать требованиям техногенной безопасности, которые не сводятся только к охране труда и технике безопасности.
Современный, идеальный технологический объект должен исключать при своем функционировании какое либо негативное воздействие на окружающую среду. Кроме того, современные требования создания новых технологий переработки отходов должны учитывать не только необходимость техногенной безопасности, но и восстановления уже нарушенной экологической целостности.
В мировой практике массовая утилизация твердых углеродосодержащих промышленных и бытовых отходов в основном осуществляется термическими методами. Эти технологические процессы являются экологически опасными из-за образования твердых, жидких и газообразных токсичных и канцерогенных веществ.
При сжигании твердых бытовых отходов на мусоросжигательных заводах образуется большое количество дымовых газов, содержащих SO, HCl, Nox , поли - ароматические углеводороды, хлорбензолы и тяжелые металлы (ртуть, висмут, свинец, кадмий, медь и др.), кроме того, после сжигания остается значительное количество золы, представляющую собой всю таблицу Менделеева.
Но, самыми опасными веществами, образующимися в процессе мусоросжигания, являются соединения группы диоксинов и фуранов. Из опыта мусоросжигания известно, что эмиссия диоксинов напрямую связана с наличием частиц пыли и углерода в дымовых газах. На многих мусоросжигательных заводах газоочистка основана на практически полном поглощении диокинов из дымовых газов при пропускании их через фильтры с активированным углем или тканевые фильтры, способные эффективно улавливать золу из газа. А далее, уже лабораторными методами, выделяется диоксин и уничтожается либо депонируется на специальных полигонах.
Задача эта весьма непростая и очень дорогостоящая. Например в Германии, в которой функционируют более 60 мусоросжигательных заводов разной мощности, ежегодно собирается и централизовано утилизируется до 7 кг диоксинов. Годовое содержание специализированных организаций обходится германскому бюджету около 10 млн. евро. Это того стоит, ведь 100 г диоксина достаточно, чтобы парализовать жизнь города с миллионным населением и вызвать в нем экологическую катастрофу.
Кроме того, диоксины стабильны по отношению к сильно щелочным и сильно кислым средам при нормальных условиях. Поэтому происходит их накопление в природе и организмах - период их разложения в почве составляет около 20 лет, а в воде около 3 лет.
К сожалению, все вышесказанное относится и к современным технологиям термической переработки отходов, методам непрямого сжигания - пиролиз, газификация, высокотемпературная газификация, плазменная газификация - системы очистки дымовых газов, энергетических синтез - газов громоздкие и очень дорогие (часто превышают стоимость основного технологического оборудования). И не гарантируют полную техногенную безопасность, что подтверждается частыми сообщениями в новостях о разного рода экологических авариях, связанных с выбросами в окружающую среду газов, содержащих токсичные и канцерогенные вещества.
Все диоксины являются кристаллическими соединениями с температурами плавления 200-400 0 С. Они хорошо растворяются в органических растворителях, жирах, а также в обычной воде. Диоксины, переходя в воду и почву, образуют комплексы с органическими веществами и очень хорошо распространяются в природе.
Обладая высокой адгезией, они легко прилипают к частицам пыли, почве, иловым осадкам в водоемах и переносятся воздухом и водой. Попадая в живые организмы, диоксины накапливаются и модифицируют биохимические процессы. У человека они подавляют иммунитет, влияют на генную систему, вызывают онкологические заболевания, нарушают работу эндокринной системы и обменные процессы.
Диоксины обладают высокой термостойкостью. Эффективное разложение этих веществ происходит только при температурах выше 1250 0 С с выдержкой более 2 сек. Причем, следует понимать, что это процесс обратимый (частично обратимый), во время охлаждения, при температурах 450 - 200 0 С - диоксины синтезируются вновь.
При нагревании (горении) хлор-, бром-, азот-, серосодержащих органических веществ, диоксины образуются в два этапа - образующиеся бензолы сначала преобразуются в фенолы и ди - феноловые эфиры, а затем, в присутствии кислорода, в смесь диоксинов и фуранов. Другими словами, на сегодняшний день, в технологиях и процессах переработки отходов присутствует замкнутый круг - основным мероприятием для снижения концентрации диоксинов в дымовых газах, является уменьшение выбросов органического углерода.
То есть обеспечение полного его выгорания. Но, это самое полное выгорание, достигается за счет принудительного, интенсивного кислородного (воздушного) продувания зон горения отходов, для повышения рабочих температур до 1250 - 1350 0 С. Что в свою очередь снова провоцирует синтез диоксинов. Кроме того, избыток кислорода провоцирует образование NOx. Какой - то мрачный хоровод получается. Причем - это относится не только к устаревшим технологиям термической переработки отходов, но и к самым современным - основанным на работе электродуговой плазмы.
С учетом как аналитической информации, так и результатов собственных опытов по газификации разного вида отходов и термической деструкции газов, мы определили алгоритм получения дымовых и энергетических газов с (практически) нулевым содержанием сложных углеводородных молекул и окислов азота, то есть смол, нафталенов, диоксинов и Nоx - вне зависимости от морфологического состава отходов.
Известно, что при охлаждении дымовых и энергетических газов в различных температурных фазах происходят определенные химические превращения веществ. Например при достижении интервала температур 620 - 520 0 С начинается активная трансформация NO в NO2 , причем процесс образования основного количества NO2 происходи достаточно быстро, от 0,6 - й до 2 - й секунды с момента входа в температурный интервал.. Подобным образом ведут себя и сложные углеводородные молекулы.
При достижении интервала температур 450 - 200 0 С начинается бурная рекомбинация диоксинов, фуранов, нафталенов, нафталинов и других сложных углеводородных молекул. Процесс образования основного количества диоксинов происходит очень быстро, от 0,7 -й до 1,2 -й секунды. Отсюда вывод, все процессы охлаждения газов должны быть максимально скоростными и заканчиваться в течении 0,5 - 0,6 сек максимально. Т. е. процессы термической деструкции и охлаждения должны проходить в «зеленой зоне».
Технология очистки дымовых газов методом плазменной деструкции может применяться, в первую очередь, как элемент техногенной безопасности мусоросжигательных и мусороперерабатывающих заводов. Также может быть применима на угольных ТЭС, в химической промышленности. Т. е. везде, где присутствует в технологическом цикле выброс дымовых газов в атмосферу либо необходимость в очистке энергетических газов перед использованием в системах электрогенерации или сжижения.
Модульный принцип построения технологии позволяет очищать любой объем газов, путем группирования отдельных модулей в технологические комплексы.
Учитывая наличие в серийном производстве магнетронов мощностью 25 -50 -75 - 100 кВт (основа СВЧ - генератора), целесообразно производить плазменные горелки на соответствующие мощности.
Принцип действия технологии основан на мощном ионизирующем влиянии плазменного факела на обрабатываемый газ. Причем плазмообразующим газом является сам же обрабатываемый газ и весь процесс протекает без доступа кислорода. Кроме того температура плазменного факела составляет около 2200 - 2500 0С.
При таком, двойном воздействии происходит полное разложение углеводородных молекул на простейшие молекулы и ионы. С момента выхода газа из реактора с температурой 1150 0 С начинается процесс его охлаждения. Если этим процессом не управлять, то по мере охлаждения газа будет происходить рекомбинация сложных углеводородных молекул и в том числе диоксинов. Что собственно и происходит (в разной степени) при использовании воздушных охладителей, мокрых и сухих скрубберов, пенных охладителей, тарельчатых и прочих. Вне всяких сомнений эти процессы нужны и полезны.
Газы чистятся, моются, сушатся - на это работают серьезные технологии, тратиться большое количество электроэнергии, расходуется значительное количество химикалий и воды. Работают очистные сооружения. Короче, очень мощно, очень дорого, но результат не стопроцентный - нужно добавлять еще абсолютные, каталитические и ионообменные фильтры. Причина одна - существующие технологии не позволяют производить быстрое охлаждение за очень короткий промежуток времени. А задача состоит именно в этом.
Например, для данной технологии производительностью 1000 м3/час - каждые 0,5 секунды нужно получить на выходе 0,14 м3 газа с температурой 50 0С при минимальных показателях концентрации диоксинов, нафталенов и других сложных углеводородов. Для этой цели газ подается в реактор термической деструкции, где подвергается воздействию температур около 2200 - 2500 0С и мощному ионизирующему воздействию. В результате обрабатываемый газ разогревается до 1500 - 1700 0С и разлагается на простейшие молекулы и ионы.
Далее газ поступает в теплообменник № 2, где должен охладиться до 450 0С - это верхняя граница начала рекомбинации сложных углеводородов. В этой температурной области от 1150 0С до 450 0С может происходить только одна заметная трансформация, N2 + O2 = 2NO это в области температур 1000 - 620 0С и далее 2NO + O2 = 2NO2 , в области температур 620 - 520 0С и это при условии избытка кислорода. Другими словами, нет кислорода - нет NОx. Далее газ проходит в теплообменник № 3, типа газ - газ.
Учитывая, что при попадании газа в температурную область 450 - 200 0С начинается рекомбинация сложных углеводородов и протекает она достаточно быстро - начиная с 0,7 секунды от момента входа газа в эту область до 1,2 сек происходит новообразование основного количество сложных молекул. Поэтому теплообменник № 3 настроен таким образом, чтобы за каждые 0,5 сек охлаждать 0,14 м3 газа до температуры 50 0С. Т. е. , охлаждение происходит быстрее, чем начнется процесс рекомбинации. Поэтому в составе газа будут присутствовать в основном простые молекулы, а сложных ароматических углеводородов будет пренебрежимо малое количество.
Для этой цели в теплообменник подается атмосферный воздух с температурой - 110 0С, полученный в турбодетандере. После теплообменника воздух выбрасывается в атмосферу, а очищенный газ проходит далее на технологические нужды.
Учитывая наличие собственных энергозатрат в технологию введены узлы утилизации тепла и электрогенерации. Теплообменник № 1 выполняет очень важную функцию - защищает стенки реактора от перегрева и разрушения, выполнен в виде «рубашки» с принудительной циркуляцией охлаждающей воды. Является основным устройством для выработки пара, т. к. утилизирует в среднем 1200 - 1400 0С температуры, работает совместно с теплообменником № 2, утилизирующим 700 0С, на общий котел - экономайзер и паровую турбину с генератором, мощностью до 100 кВт.
Технология обладает рядом конкурентных преимуществ:
- в предлагаемой технологии не применяются катализаторы, химические реактивы, расходные вещества и материалы - высокая степень универсальности технологии - может очищаться газ, полученный из любого углеводородного сырья
- качество очистки газа не зависит от начального состава углеродосодержащего сырья
- весь процесс абсолютно экологически чистый, вода для теплообмена используется в режиме оборотного водоснабжения и не контактирует с отходами, не становится радиоактивной, вся технологическая система находится под давлением и выбросы в атмосферу отсутствуют
- электромагнитное излучение не превышает 10 мкВт/см2
- использование модульной структуры данной технологии, позволяет очищать любые объемы газа, путем группирования и комбинирования модулей
- технология не требует проведения строительных работ и фундаментов, подключается по месту через бай - пасс
- технология требует подключение к сети только в момент запуска, далее работает на собственном энергобалансе
- технология отличается низкими эксплуатационными расходами и низкой ценой самого оборудования
Технологический Проект имеет целью захват 1 % мирового рынка в течении 5 лет. Другими словами, при стабильных темпах развития данного сегмента рынка, объемы продаж данной технологии к 2018 году должны составить 9 млрд. $.
Учитывая непрекращающуюся кампанию по ужесточению требований к техногенной безопасности промышленных предприятий во всех странах мира, учитывая динамику прироста бытовых и промышленных отходов, учитывая состояние дел в мусоросжигательной сфере - можно с уверенностью говорить о том, что объем рынка просто безграничный. По самым скромным оценкам, мировой объем рынка газоочистительного оборудования составляет около 900 млрд. $/год.
Конкуренция в применении данного способа очистки газа, при помощи СВЧ плазменной ионизации обрабатываемого газа с использованием в качестве ионизирующего агента самого обрабатываемого газа, при наличии высоких температур, при наличии управляемого скоростного охлаждения - отсутствует.
В мире таких технологий не существует. Наиболее функционально близкой является технология «дожигания» газов с помощью электродуговой плазмы воздуха, т. е. технология косвенной ионизации обрабатываемых газов.
Широкого развития она не получила, в следствии высокой стоимости электродуговых электродов и крайне ограниченного срока службы электрода (300 часов), плюс значительный уровень дополнительного загрязнения обрабатываемого газа, продуктами температурной эрозии самого электрода.
