Научные исследования и инновации иээ РАН

ИННОВАЦИИ № 02 (100), 2007

Научные исследования и инновации ИЭЭ РАН

И. И. Кумкова,

кандидат физ.-мат. наук, ученый секретарь ИЭЭ РАН

Ф. Г. Рутберг,

академик РАН, директор ИЭЭ РАН

Институт электрофизики и электроэнергетики РАН, Санкт-Петербург

Представлено описание основных направлений научных исследований ИЭЭ РАН и результаты исследований в области плотной низкотемпературной плазмы, имеющие значимые практические применения в приоритетных областях современной науки и техники, в создании новейших инновационных технологий, направленных на решение задач экологии, защиты окружающей среды и новых источников возобновляемой энергии.

The main scientific directions of IEE RAS activity are described. The results of investigations for dense low temperature plasma are presented as well as the applications of these results in priority fields of modern sciences for development of novel innovative technologies aimed to ecology, protection and improvement of environment and renewable energy production.

Институт электрофизики и электроэнергетики Российской академии наук, ранее Институт проблем электрофизики (ИПЭФ), был основан в 1992 г. в рамках Российской академии наук на базе НИИ «Электромаш» и ФТИ им. Иоффе РАН. В 2005 г. ИПЭФ получил новое название — «Институт электрофизики и электроэнергетики» (ИЭЭ) в результате слияния с отделом электроэнергетики РАН.

ИЭЭ состоит из 7 лабораторий. Его штат включает 168 человек, 85 из которых — ученые, среди них 6 профессоров, докторов наук (2 из них — члены Российской академии наук) и 24 кандидата наук. Также в нем работают инженеры-исследователи и техники, лаборанты, рабочие и управленческий персонал. ИЭЭ имеет свое конструкторское бюро и экспериментальное производство.

Основные направления деятельности ИЭЭ включают фундаментальные и прикладные исследования в области электрофизики, физики и техники низкотемпературной плазмы, аэродинамики, энергетики и электротехники, а именно:

I Фундаментальные исследования физики мощных импульсных разрядов (токи до 10 МА) высокой и сверхвысокой плотности (до № 1023 см-3).

II Фундаментальные исследования мощных импульсных генераторов плазмы и гиперскоростно-го ускорения макротел.

III Фундаментальные исследования электродуговых процессов в генераторах плотной плазмы, создание различных типов генераторов плотной плазмы и систем их электропитания.

IV Исследования в области применения плотной плазмы, разработки плазмохимических технологий, включая уничтожение высокотоксичных отходов, переработку муниципальных отходов с получением синтез-газа и водорода для экологически безопасного и безвредного для окружающей среды обеспечения энергией.

V Фундаментальные исследования импульсных разрядов в жидкостях и их применение в различных областях (медицина, биология, сельское хозяйство, экология и т. д.).

VI Исследования в области проектирования и создания новых типов систем электропитания, особенно на основе мощных емкостных накопителей, маховичных генераторов и специальных высокоскоростных электрических машин, систем для производства возобновляемой энергии. Результаты этих фундаментальных исследований

нашли значимые практические применения в приоритетных областях современной науки и техники, в создании новейших инновационных технологий, направленных на решение задач экологии, защиты окружающей среды и новых источников возобновляемой энергии.

Были разработаны и исследованы мощные трехфазные генераторы плазмы, переменного тока. Эти исследования позволили создать серию генераторов плазмы, работающих на воздухе, мощностью от 100 кВт до 1 МВт с ресурсом непрерывной работы электродов более 100 часов. Институт занимает лидирующее положение в мире по разработке, созданию

и исследованию уникальных многофазных генераторов плазмы мощностью от 10 до 500 кВт. Разрабатываются системы мощностью 1-2 МВт.

На основе генераторов плазмы переменного тока были разработаны плазмохимические технологии для переработки отходов различного типа, в том числе для уничтожения и нейтрализации высокотоксичных отходов (фреоны, полихлорбифенилы, отравляющие вещества, пестициды, медицинские отходы и пр.) и переработки органосодержащих отходов (твердые бытовые отходы, отходы деревообрабатывающей промышленности, автомобильные покрышки и др.), причем в этом случае генерируется синтез-газ, который может быть использован для получения тепловой и электрической энергии, водорода или для производства жидких топлив.

Традиционные технологии сжигания отходов с относительно высоким содержанием органической компоненты не отвечают современным требованиям по обеспечению эколого-экономических показателей из-за образования вторичных токсичных веществ. Ситуация еще более обостряется в связи с увеличением содержания в перерабатываемых отходах фтор-хлорполимерных веществ.

Разработанные в ИЭЭ РАН методы высокотемпературной плазменной минерализации отходов свободны от этих недостатков и, кроме того, обладают рядом преимуществ. Особенностью новых плазменных технологий является использование в качестве дополнительного источника тепловой энергии не углеводородного или углеродного топлива, сжигаемого в печи, а нагретого в плазмотроне воздуха. Использование плазмотронов имеет целый ряд преимуществ, главные из которых — существенное снижение количества дымовых газов, отсутствие вторичных токсичных веществ (диоксинов и фуранов) и соответствие допустимых концентраций вредных продуктов в дымовых газах нормам выбросов.

Наиболее перспективным методом переработки и утилизации органосодержащих отходов является высокотемпературный плазменный пиролиз. Пиролиз — необратимое химическое изменение отходов под действием температуры без доступа кислорода. При этом органическая составляющая отходов газифицируется, минеральная — обращается в шлак. Проведение этого процесса при температурах 1200-1700°С (высокотемпературный пиролиз) приводит к более полной газификации органической части со снижением смол и других побочных продуктов до полного отсутствия. Применение плазменного пиролиза, хотя и требует определенных энергетических затрат, увеличивает эффективность процесса путем достижения двойного эффекта: ликвидации отходов, что чрезвычайно актуально, а также получения сырьевого продукта — синтез-газа. С каждого килограмма бытовых отходов можно получить ~2,5 м3 газа. Именно поэтому некоторые виды отходов деревообрабатывающей, пищевой и сельскохозяйственной промышленности, твердые

муниципальные отходы, накопленные или образующиеся в больших количествах, имеющие низкую токсичность и высокую теплотворную способность, следует подвергать плазменным процессам газификации или высокотемпературному плазменному пиролизу с получением синтез-газа.

Отходы, подлежащие немедленному уничтожению, имеющие высокую токсичность, низкую теплотворную способность (химические (полихлорбифе-нилы, пестициды, фреоны), военные, медицинские), образующиеся в относительно небольших количествах, следует подвергать процессам плазменного высокотемпературного окисления.

Ужесточение требований санитарно-эпидемиологического контроля и охраны окружающей среды в международной практике по обращению с отходами привело к тому, что в объеме отходов производства и потребления выделилась группа отходов, представляющих особую опасность для человека и окружающей среды. Эти виды отходов, обладающие специфическими свойствами, выделяются в отдельные потоки, для обращения с которыми применяются специальные правила. К таким видам отходов относятся инфицированные отходы здравоохранения. Правила запрещают применение таких общих принципов обращения с этими отходами, как сортировка, предварительная переработка и использование в качестве вторичного сырья. Кроме того, категорически запрещается смешивать их с бытовыми отходами и захоранивать на городских свалках.

Специфический характер опасных медицинских отходов связан с наличием в них биологических, инфекционных составляющих;химических, биохимических, токсических и фармацевтических препаратов; колющих и режущих предметов. Свойства медицинских отходов формируют требования к технологии их переработки, которая должна обеспечить дезинфекцию; детоксикацию; минимизацию по объему и весу продуктов переработки; полную механизацию и автоматизацию производства переработки; защиту обслуживающего персонала, населения прилежащих территорий и окружающей среды. Все эти требования приближают технологию переработки опасных медицинских отходов к технологиям переработки органических промышленных токсичных отходов.

Наилучшим технологическим процессом для переработки токсичных отходов в свете специфических требований является высокотемпературная минерализация. При этом происходит практически полное выгорание органической части отходов (около 60% масс.) с образованием минеральных веществ и полное обеззараживание неорганической части, что позволяет не только обезвредить, но и сократить объем подлежащих захоронению отходов в 50-400 раз.

Особенностью плазмохимичесокго метода является использование в качестве дополнительного источника тепловой энергии низкотемпературной плазмы, полученной в плазмотроне. Это имеет целый ряд преимуществ:

ИННОВАЦИИ № 02 (100), 2007

ИННОВАЦИИ № 02 (100), 2007

— использование в качестве источника энергии низкотемпературной плазмы приводит к интенсификации химических процессов;

— использование в качестве окислительного агента воздуха, нагретого в плазмотроне до высокой температуры, при сжигании низкокалорийных отходов и заданной температуре в печи снижает количество дымовых газов и при необходимости существенно увеличивает коэффициент избытка воздуха; высокая температура может быть использована для высокой скорости закалки, позволяющей создать метастабильные и неравновесные состояния; использование электрической энергии вместо топлива выгоднее по стоимостным показателям, а применение плазмотронов промышленной частоты существенно снижает их стоимость из-за наличия широкого ассортимента стандартного оборудования;

— для автономных установок небольшой производительности применение электрической энергии исключает проблемы доставки, хранения и подачи топлива, повышает безопасность процесса сжигания;

— упрощается процесс регулирования температурного режима за счет возможности изменения тепловой мощности плазменной струи и достаточно простой операции отключения и запуска плазмотронов.

В результате длительных теоретических и экспериментальных исследований импульсно-периодических разрядов в жидкостях в ИЭЭ РАН предложен новый метод электроразрядной обработки воды.

Были исследованы электрофизические, гидродинамические и эмитирующие характеристики импульсного разряда в жидкости, что позволило использовать разряд для очистки воды от микробного загрязнения. Впервые были определены пределы оптимальных режимов разряда для подавления роста споровых культур в зависимости от их концентрации в воде и материала электрода. Впервые в мире было обнаружено, что наноструктуры оксидов металла появляются в результате импульсных периодических разрядов в воде, обнаружено взаимодействие между наноструктурами и микроорганизмам, что обусловливает биологическую активность воды и ее длительное бактерицидное воздействие (до 6-12 месяцев).

Установлено, что степень бактерицидности воды, возникающей после подобной обработки, пропорциональна электрической энергии, вложенной в разряд.

Обеззараживание воды традиционным методом хлорирования, несмотря на кажущуюся простоту и дешевизну такого метода, имеет ряд существенных недостатков, обусловленных прежде всего летучестью и ядовитыми свойствами хлора и его соединений. Исследования последних лет, в частности, указывают на то, что резкий рост онкологических и сердечно-сосудистых заболеваний непосредственно связан с обеззараживанием воды с помощью хлорирования. Эти обстоятельства побуждают к поиску альтернативных безопасных методов обеззараживания воды.

Стерилизация воды с помощью импульсно-периодических разрядов может стать незаменимой в случаях, когда по каким-либо причинам невозможно применение химических средств обеззараживания или требуется длительное хранение запасов воды с гарантией ее стерильности. Кроме того, на сегодняшний день трудно предсказать все те области, где может быть применено такое уникальное свойство облученной воды, как ее биологическая активность, выражающаяся в ее бактерицидности.

На данном этапе работы очевидно, что обработанная предложенным методом вода обладает высоким бактерицидным потенциалом к широкому спектру составляющих сообщество микроорганизмов, обитающих в природной воде. В частности, в отношении грибных организмов установлены пределы оптимальных режимов для подавления их роста в зависимости от концентрации спор в воде, от материала электродов, а также зависимость эффекта подавления роста от времени инкубации спор в воде после облучения. Кроме того, обработанная вода обладает уникальным свойством — продленной биологической активностью, которая существует длительное время (иногда до года) после проведенной обработки, свойством, которое отсутствует у воды, обработанной ультрафиолетовым облучением и озонированием. Это качество обработанной воды может быть использовано при добавлении ее (как агента) в загрязненную воду с целью обеззараживания при отсутствии возможности для работы электрической аппаратуры.

Исследования обработанной воды при длительном (до 3 месяцев) использовании ее в качестве единственного источника питья для экспериментальных животных и кратковременном внутривенном введении не выявили токсического воздействия на организм животных, а также патологических реакций и отклонений в функционировании внутренних органов.

На основе описанных выше технологий разработаны и созданы следующие установки.

Плазмохимическая установка для уничтожения твердых медицинских отходов

Назначение установки: уничтожение опасных отходов, образующихся в медицинских учреждениях.

Принцип действия: высокотемпературное двухстадийное термическое окисление с последующей многоступенчатой детоксикацией дымовых газов в соответствии с нормами защиты окружающей среды.

В установке реализованы следующие принципы организации процесса переработки отходов:

двухстадийное высокотемпературное окисление: в печи и в камере дожигания; обязательная закалка дымовых газов; многоступенчатая очистка дымовых газов от летучей золы, паров тяжелых металлов, кислых газов, диоксинов и фуранов.

Рис. 1. Общий вид установки

1 — коробка с отходами;

2 — ленточный транспортер;

3 — рольганг;

4 — загрузочная камера;

5 — барабанный реактор;

6 — камера выгрузки;

7, 8 — плазмотроны;

9 — камера дожигания;

10 — камера закаливания;

11 — квенчер;

12 — рекуператор;

13 — комбинированный аппарат газоочистки;

14 — аэрозольный фильтр;

15 — адсорбер;

16 — газодувка;

17 — труба рассеивания

Производительность:

150-250 кг/час

Потребляемая мощность:

150-200 кВт.

При расчетах технологического процесса использовался усредненный за год состав опасных отходов здравоохранения Санкт-Петербурга. Установка располагается в непосредственной близости от места образования медицинских отходов. Ее производительность составляет 200 кг/час. Предполагается наличие соответствующих площадок, помещений, важнейших коммуникаций (электроэнергия, вода, сжатый воздух).

Плазмохимическая установка для уничтожения жидких токсичных отходов

Назначение: уничтожение жидких фтор- хлорорганиче-ских особо токсичных отходов.

Принцип действия: высокотемпературная двухстадийная минерализация с последующей многоступенчатой очисткой дымовых газов в соответствии с нормами защиты окружающей среды.

Производительность:

1-10 кг/час

Потребляемая мощность:

3-10 кВт.

Установка плазменной газификации твердых бытовых отходов с получением топливного газа

Некоторые виды отходов деревообрабатывающей, пищевой, сельскохозяйственной промышленности, а также твердые бытовые отходы, накопленные или образующиеся в больших количествах, имеющие низкую токсичность и высокую теплотворную способность, следует подвергать плазменным процессам газификации или пиролиза с получением синтез-газа.

Данная установка реализует разработанную в Институте электрофизики и электроэнергетики РАН плазмохимическую технологию, которая позволяет не только уничтожить отходы или сократить их объем, но и получить из них продукты для последующего коммерческого использования (синтез-газ, топливный газ, керамические силикаты, металлы). Чистый синтез-газ (смесь СО и Н2) используется в качестве химического сырья или для выработки электроэнергии. Топливный газ содержит смолы и углеводороды.

Назначение установки: переработка твердых бытовых отходов с получением топливного газа с последующим использованием его в газовой турбине для получения электроэнергии или для производства перегретого пара при сжигании его в бойлере (или парогазовый цикл как более эффективный).

Принцип действия: высокотемпературный плазменный пиролиз или газификация с получением электроэнергии или утилизацией остаточного тепла с последующей многоступенчатой очисткой дымовых газов в соответствии с нормами защиты окружающей среды.

Производительность: 5000 кг/час Потребляемая мощность: 2000 кВт.

Основные потребители предполагаемой продукции: муниципальные предприятия, заводы химической и машиностроительной промышленности, предприятия теплоэнергетики, медицинские учреждения.

ИННОВАЦИИ № 02 (100), 2007

ИННОВАЦИИ № 02 (100), 2007

Установка электроразрядной обработки воды

В ИЭЭ РАН создан промышленный образец установки электроразрядной обработки воды, работающий от сети переменного тока напряжением 220 В и частотой 50 Гц. Мощность установки ~250 Вт, производительность — 1-10 л/мин, размеры: 60x60x80 см.

Производительность установки в зависимости от потребности может быть существенно увеличена. Устройство снабжено автоматической системой подачи рабочих электродов, что позволяет осуществлять длительную и непрерывную эксплуатацию в автономном режиме.

В тесном сотрудничестве с научными институтами Российской академии наук на базе Института электрофизики и электроэнергетики РАН в 2000 г. был создан инновационно-технологический центр «АРТЕС» для осуществления инновационной деятельности, разработки и внедрения наукоемких технологий, которые могут быть коммерциализованы и конкурентоспособны на внутреннем и внешнем рынках.

Деятельность Центра концентрируется на новейших инновационных технологиях, направленных на решение задач экологии, защиты окружающей среды, ликвидации и переработки отходов различного типа, в том числе твердых бытовых отходов, медицинских и особо токсичных, а также на внедрение новейших плазменных методов получения энергии от возобновляемых источников.

Основными задачами инновационного центра «АРТЕС» являются:

— содействие разработке и внедрению наукоемких технологий;

коммерциализация интеллектуальных продуктов;

— участие в реализации наукоемких и высокотехнологических проектов и социально значимых программ;

— подготовка научных, административных и инженерно-технических кадров для сопровождения наукоемких и высокотехнологичных проектов;

— развитие инновационной инфраструктуры;

- укрепление международного научно-технического сотрудничества.

Инновационный центр «АРТЕС» располагает высококвалифицированными сотрудниками, имеет опыт соответствующей работы, обладает ноу-хау, имеет в собственности необходимое оборудование и информационно-консультационные базы данных.

На базе реконструируемого здания стендового комплекса ИЭЭ РАН ведется работа по созданию инновационной структуры. Малым предприятиям предоставляются офисные, производственные и лабораторные помещения в аренду и весь комплекс необходимых услуг. Такая инфраструктура призвана содействовать развитию и коммерциализации наукоемких технологий, разрабатываемых институтами и учреждениями РАН, развитию связей фундаментальной и прикладной науки с производством.

Малые предприятия, входящие в состав центра, ведут работы по проведению и внедрению результатов научно-технических работ, созданию систем автоматизации и сбора данных, разработке и испытаниям высокотехнологичных механических, плазменных, электрических, электромагнитных устройств и систем.

ПОДПИСКА- 2007

на июль-декабрь по Объединенному каталогу.

На почте с апреля 2007 г. проводится подписная кампания на журнал «Инновации» по Объединенному каталогу «Пресса России “ПОДПИСКА-2007”», второе полугодие».

Условия оформления подписки (аннотация, индекс(ы), стоимость) вы найдете в I томе каталога, на страницах, указанных в Тематическом и Алфавитном указателях.

ТРЕБУЙТЕ КАТАЛОГ НА ПОЧТЕ!

Контактные номера телефонов специалиста по распространению Агентства ИД «Экономическая газета» — (495) 152-65-58.