СПОСОБ И УСТАНОВКА ПЛАЗМОТЕРМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ УГЛЕРОДСОДЕРЖАЩИХ ПРОМЫШЛЕННЫХ И СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ОТХОДОВ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПЛАЗМОГАЗА
METHOD AND PLANT FOR PLASMA THERMAL PROCESSING OF CARBON-CONTAINING INDUSTRIAL AND AGRICULTURAL WASTES FOR PRODUCTION OF PLASMAGAS

Изобретение относится к плазмотермической переработке и утилизации твердых и жидких промышленных и сельскохозяйственных отходов (биомассы), позволяющей преобразовать углеродсодержащие соединения и воду в плазмогаз, и может быть использовано в энергетике, на предприятиях химической промышленности, при переработке твердых бытовых отходов.
Утилизация углеродсодержащих отходов остается актуальной экологической и технической проблемой. Отходы жизнедеятельности сельскохозяйственных животных обычно накапливаются и тем самым загрязняют окружающую среду. Отходы жидких углеводородов (например, мазута) сливают, как правило, в отстойные сооружения. Отстоявшиеся (подтоварные) воды проходят очистку и сливаются в канализацию. При эксплуатации только одной котельной, расходующей за отопительный сезон до 14000 тонн мазута, в очистных сооружениях за год накапливается до 90-100 тонн загрязненного мазута и в канализацию с водой попадает от 5 до 20 тонн мазута в год. Таким образом, прямые потери мазута при существующей системе утилизации отходов составляют для одной котельной от 95 до 120 тонн в год (В.А.Корягин. Сжигание водотопливных эмульсий и снижение вредных выбросов. Санкт-Петербург, Недра, 1995, 304 с.).
Существующие способы и установки для переработки и использования углеродсодержащих отходов не обеспечивают эффективного решения проблемы их утилизации. Одна из главных причин этого - нестабильность и неопределенность состава отходов и соотношения входящих в них компонентов.
Известны промышленные способы получения синтез-газа путем газификации угля, основанной на взаимодействии угля с водяным паром:
2
2
С+НО↔H+СО
Эта реакция является эндотермической, равновесие сдвигается вправо при температурах выше 900°С. Разработаны технологические процессы, при которых наряду с упомянутой реакцией протекает экзотермическая реакция сгорания угля, обеспечивающая нужный тепловой баланс:
2
С+1/2О↔СО
Этим способом синтез-газ можно получать не только из угля, но и других источников углерода вплоть до городских и сельскохозяйственных отходов (Химические вещества из угля. Пер. с нем. / Под ред. Э.Фальбе. - М: Химия, 1980. - 616 с.).
Этот способ требует значительных энергетических затрат, но в результате не обеспечивает полной переработки отходов.
Известен также способ парциального окисления углеводородов, заключающийся в неполном термическом окислении углеводородов при температурах выше 1300°С:
n
n+2
2
2
СН+1/2nO→nСО+(n+1)Н
2
Способ применим к углеводородному сырью, но наиболее часто в промышленности используют высококипящую фракцию нефти - мазут. Соотношение СО:Н существенно зависит от применяемого способа получения синтез-газа. При газификации угля и парциальном окислении это соотношение близко к 1:1.
К недостаткам данного способа следует отнести ограниченную область применения и большие энергозатраты.
Известен способ получения синтез-газа путем переработки твердого углеродсодержащего топлива плазменной струей газифицирующего агента, в качестве которого используют смесь воздуха и водяного пара при соответствующем их соотношении (а.с. №1392084, 1988). В известном способе получения синтез-газа используются плазмотрон для дополнительного нагрева пароугольной смеси с целью повышения выхода синтез-газа из исходной смеси. Обычно используемый плазмотрон имеет мощность 100 кВт, длину электрического разряда около 10 см и срок службы около 100 ч.
Недостатком данного способа является то, что используемый плазмотрон не обеспечивает оптимальное время проведения реакции при заданной мощности из-за малой длины электрического разряда, что приводит к снижению выхода синтез-газа; небольшой срок службы плазмотрона из-за быстрой эрозии электродов.
Известен способ газификации твердого углеродсодержащего топлива в плазменной струе аргона и водяного пара при соответствующем их соотношении. Однако он не получил промышленного развития из-за балластирования продуктов реакции аргоном, углекислотой, а также из-за большого расхода электроэнергии, составляющего 1,35-2,5 кВт.ч на 1 куб.м синтез-газа (патент США №3840750).
Известен способ переработки и использования отходов углеводородов, включающий разогрев отходов углеводородов до температуры 20-90°С, добавление воды, смешивание отходов углеводородов с тяжелым жидким топливом, диспергирование, подачу водотопливной эмульсии на сжигание (патент РФ №2204761, МПК, опубл. 20.06.2003).
Недостатком этого способа является его низкая эффективность.
Известен способ получения синтез-газа из отходов пластмасс, включающий спутную подачу дисперсного сырья, плазмы и водяного пара, их смешение, последующую плазмотермическую газификацию сырья и отвод получающихся продуктов (патент РФ 2213766, МПК C10J 3/14, C10J 3/16, C10J 3/18, опубл. 10.10.2003).
Недостатком известного способа является трудность управления процессом, так как для управления химическим составом получаемого синтез-газа необходимо подавать метан в исходную смесь реагентов.
Наиболее близким к предлагаемому способу плазмотермической переработки углеродсодержащих отходов является способ газификации твердого углеродсодержащего топлива путем его термообработки плазменной струей газифицирующего агента, в качестве которого используют смесь водяного пара и кислорода при соотношении компонентов на углеродную массу угля, вес.%: водяной пар 15-45, кислород 55 -85, затем смесь водяного пара и кислорода подают в плазмотрон и с помощью источника возбуждают электродуговой разряд, стабилизированный парокислородным дутьем (а.с. №878774, МПК С10J 3/18, опубл. 07.11. 1981). Согласно этому способу, предполагающему газификацию твердого углеродсодержащего топлива, образованный в плазмотроне плазменный поток окислителя направляют в реактор, куда одновременно подают подсушенное пылевидное твердое топливо. В реакторе при средней температуре 1100-1700°С протекают реакции газификации углерода топлива.
Возможности применения способа прототипа ограничены переработкой только твердого топлива. Кроме того, к недостаткам данного способа следует отнести ограниченную область применения, низкую производительность процесса. Другие его недостатки - необходимость использования кислорода и предварительная сушка топлива, что требует значительных энергетических затрат.
В основу предлагаемого изобретения положена задача преобразования (конверсии) органической части водоорганических дисперсных систем при утилизации и/или обезвреживании конденсированных (жидких и твердых) промышленных, сельскохозяйственных, бытовых и иных отходов методом плазменной газификации в высококалорийный горючий плазмогенераторный газ (ПГГ) для последующего его использования с целью получения тепловой и/или электрической энергии либо выделения различных химических элементов, в том числе водорода, и/или синтеза различных химических соединений, в том числе метанола и других искусственных жидких топлив.
В результате использования предлагаемого изобретения появляется возможность энергоэффективно перерабатывать промышленные, сельскохозяйственные, бытовые отходы и другие углеродсодержащие материалы независимо от их состава с более высокой степенью превращения в целевой продукт - плазмогаз.
3
Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе плазмотермической переработки углеродсодержащих промышленных и сельскохозяйственных отходов для получения плазмогаза, включающем плазменную газификацию углеродсодержащих соединений, формирование электрической дуги в жидкости с получением высококалорийного плазмогаза, в качестве плазмообразующей среды используют углеродосодержащую ультрадисперсную гетерофазную систему с развитой поверхностью границы раздела фаз, состоящую из водоорганических суспензий или(и) эмульсий, содержащих твердые или(и) жидкие органические компоненты в количестве 0,07…0,7 от массы воды, которую формируют в циркулирующем потоке при комбинированном воздействии на нее гидродинамических сил, создавая центры кавитации с последующим образованием кавитационных пузырьков, и ультразвуковых полей с частотой 19,5…100 кГц, с интенсивностью ультразвукового воздействия 1,5…2,5 Вт/см, при этом плазмотермическое преобразование водоорганических суспензий или(и) эмульсий осуществляют путем прокачки ультрадисперсной гетерофазной системы через зону электродугового разряда, а часть образовавшегося в результате плазмохимического преобразования плазмогаза вводят в регулируемый циркулирующий поток для интенсификации процесса формирования ультрадисперсной гетерофазной системы.
В предлагаемом способе в качестве углеродсодержащих соединений используют твердые и жидкие промышленные, сельскохозяйственные и бытовые отходы с содержанием органической фазы 6-70 вес.%.
Технический результат достигается также тем, что предлагаемая установка плазмотермической переработки углеродсодержащих промышленных и сельскохозяйственных отходов для получения плазмогаза, содержащая плазмохимический реактор с электродной системой, источник электропитания, загрузочную емкость, циклон, газгольдер и гидронасос, дополнительно содержит роторно-пульсационный кавитатор, соединенный трубопроводом с ультразвуковым активатором, сообщающимся с коаксиальной вихревой камерой и плазмохимическим реактором, контур подачи получаемого плазмогаза в ультразвуковой активатор и дозирующее устройство, установленное в контуре подачи плазмогаза в ультразвуковой активатор, при этом плазмохимический реактор соединен с загрузочной емкостью.
Плазмохимический процесс переработки жидких отходов основан на поперечной прокачке водоорганической суспензии через зону электродугового разряда, расположенного между двумя электродами, погруженными в жидкость. Электрическая дуга, развивающаяся в газовом «пузыре», обеспечивает перевод компонентов суспензии в газообразное состояние с высокой степенью превращения обрабатываемых компонентов в плазмогаз. Образующиеся продукты реакции содержат достаточно много водяного пара. Водяной пар конденсируется, а горячая дистиллированная вода может быть использована в качестве теплоносителя для системы отопления.
Предлагаемый способ плазмотермической переработки углеродсодержащих отходов осуществляют следующим образом.
Обрабатываемые жидкие или твердые исходные компоненты смешивают с водой в весовом соотношении 1:15…1:1,5 в зависимости от обводнености исходных материалов. Включают гидродинамическое кавитационное устройство, совмещенное с источником ультразвуковых колебаний и обрабатывают данную смесь компонентов в режиме рециркуляции по контуру. Режим обработки устанавливают в зависимости от физико-химических свойств исходных компонентов. Затем направляют обрабатываемую среду из гидродинамического кавитационного устройства, совмещенного с источником ультразвуковых колебаний, через трубопроводную систему в осесимметричную вихревую камеру, в которой поток обрабатываемой смеси закручивают и подают в зону угольных электродов, тем самым увеличивая теплосъем в зоне разряда. В качестве плазмообразующей среды используют пары жидкости, содержащие воду с добавлением органических соединений в виде суспензий или эмульсий. Плазмотермическое преобразование осуществляют на поперечной прокачке водоорганической фазы через зону электродугового разряда. В качестве органических соединений используют твердые и жидкие промышленные, сельскохозяйственные и бытовые отходы с содержанием органической фазы 6…70 вес.%.
В предлагаемом способе плазмотермической переработки углеродсодержащих промышленных и сельскохозяйственных отходов реализован комбинированный способ диспергирования смеси углеродсодержащих соединений, совмещающий центробежный эффект и эффект гидродинамической и ультразвуковой кавитации с генерированием и наложением на обрабатываемую среду суспензию (эмульсию) акустических и ультразвуковых колебаний.
Кавитация (коллапс пузырьков) и, как следствие, высокое качество диспергирования среды (средний диаметр Заутера от 80…100 мкм) обеспечивает протекание химических реакций с большими скоростями при пониженных температурах.
Способ получения плазмогаза из отходов включает подачу измельченного твердого или диспергируемого жидкого сырья, плазмы и водяного пара, их смешение, последующую плазмотермическую газификацию сырья и отвод получающихся продуктов. При этом подача двухфазного потока дисперсного сырья осуществляется по касательной к цилиндрическому электроду, тем самым создается закрученный поток жидкости, который увеличивает теплосъем в зоне разряда. Полученные продукты газификации отводят в противотоке к исходной двухфазной струе. Для повышения выхода синтез-газа необходимо обеспечить оптимальное время контакта реагирующих продуктов с плазмой. Способ реализуется в устройстве, содержащем плазмотермической реактор, гидродинамический кавитационный преобразователь, совмещенный с источником ультразвуковых колебаний, узлы регулируемого ввода дисперсного сырья, узлы вывода плазмогаза и твердых частиц. Способ позволяет повысить экономическую эффективность плазмотермического процесса получения плазмогаза высокого качества за одну технологическую стадию.
На чертеже представлена общая схема установки для осуществления способа.
Установка плазменной газификации водоорганических дисперсных систем включает плазмохимический реактор 1 со сменными цилиндрическими угольными электродами 2, генерирующими плазму, источник электропитания 3, коаксиальную вихревую камеру 4, трубопровод 5, роторно-пульсационный кавитатор 6, гидронасос 7, загрузочную емкость 8, циклон 9, газгольдер 10, ультразвуковой активатор 11, дозирующее устройство для плазмогаза 12 в контуре подачи плазмогаза в ультразвуковой активатор 11. Плазмохимический реактор 1 соединен трубопроводом с загрузочной емкостью 8.
Заявленный способ реализуется следующим образом.
Рабочую емкость 8 заполняют обрабатываемыми жидкими или(и) твердыми исходными компонентами и водой в весовом соотношении 1:15…1:1,5, в зависимости от обводнености исходных материалов, и направляют гидронасосом 7 в роторно-пульсационный кавитатор 6, где производят ее первичное диспергирование с образованием суспензии или(и) эмульсии. Далее ее направляют по трубе 5 через ультразвуковой активатор 11, где подвергают обработке в ультразвуковом поле с частотой 19,5…100 кГц. Путем обработки в ультразвуковом активаторе получают ультрадисперсную углеродосодержащую гетерофазную систему с развитой поверхностью границы раздела фаз, состоящую из водоорганических суспензий или(и) эмульсий регулируемого состава, которую направляют в вихревую камеру 4. Далее ультрадисперсную углеродосодержащую гетерофазную систему с развитой поверхностью границы раздела фаз, полученную из углеродсодержащих промышленных и сельскохозяйственных отходов, направляют в плазмохимический реактор 1, где она частично превращается в плазмогаз. Полученный плазмогаз направляют в циклон 9 для отделения от него твердых и жидких частиц и далее в газгольдер 10. Часть полученного реакционного плазмогаза через дозатор 12 направляют в ультразвуковой активатор 11 для интенсификации процесса образования ультрадисперсной углеродосодержащей гетерофазной системы. Непрореагировавшие углеродосодержащие компоненты из плазмохимического реактора 1 направляют в загрузочную емкость 8 для повторной переработки.
Режим рециркуляции по контуру устанавливают в зависимости от физико-химических свойств исходных компонентов, добиваясь оптимального расхода обрабатываемой жидкости.
Пример. Плазмотермическая переработка отходов целлюлозы и полиэтилена.
3
В качестве плазмообразующей среды используют углеродосодержащую ультрадисперсную гетерофазную систему с развитой поверхностью границы раздела фаз, состоящую из водоорганических суспензий или(и) эмульсий регулируемого состава, которую получают из отходов целлюлозы и полиэтилена путем формирования в циркулирующем потоке при комбинированном воздействии на нее гидродинамических сил и ультразвуковых полей с частотой 57 кГц, с интенсивностью ультразвукового воздействия 2,0 Вт/см. Плазмотермическое преобразование водоорганических суспензий или(и) эмульсий, содержащих твердые или(и) жидкие органические компоненты в количестве 0,5 от массы воды, осуществляют путем прокачки ультрадисперсной гетерофазной системы через зону электродугового разряда. Часть образовавшегося в результате плазмохимического преобразования плазмогаза вводят в регулируемый циркулирующий поток для интенсификации процесса формирования ультрадисперсной гетерофазной системы. Непрореагировавшие углеродосодержащие компоненты из плазмохимического реактора направляют в загрузочную емкость для повторной переработки.
3
3
Оценка энергоэффективности предлагаемого способа плазменной газификации показывает, что 1 кг отходов (целлюлоза - 60%, полиэтилена - 30% и 10% жидкости) требует около 1 кВт·ч электроэнергии, которая расходуется на диссоциацию этих веществ с получением синтез газа в количестве 1,1…1,4 нм из одного килограмма отходов. При сгорании плазмогаза выделяется тепло с общей энергией 125.45 ккал на один грамм-моль. Это соответствует 2800 ккал/нм, что эквивалентно 3,26 кВт·ч электроэнергии.
Таким образом, в результате плазменной газификации из 1 кг отходов образуется такое количество плазмогаза, которое эквивалентно количеству энергии, равному 3,59…4,56 кВт·ч.
Использование синтезированного газа для автономного энергоснабжения плазменной установки позволяет существенно снизить электрические затраты на переработку отходов и тем самым сделать энергонезависимым процесс их переработки.
2
2
Усредненный химический состав полученного газа, следующий: H 40…45%, СО 55…60%, СO1…2%.
Предлагаемый способ обеспечивает существенную интенсификацию процесса получения плазмогаза с высокими потребительскими и теплофизическими характеристиками.