Electroplasma installation for gasification of organic wastes with obtaining fuel gas.pdf Введение В современном мире одним из глобальных направлений развития технологий является непрерывное повышение эффективности и экологичности способов обращения с органическими отходами. К органическим отходам (ОО) относятся: муниципальные (твердые коммунальные отходы (ТКО)), сельскохозяйственные (рисовая лузга, солома с/х культур и т.д.), отходы деревообработки, биологические (медицинские, биологические иловые отложения (БИО) и т.д.). Несмотря на различную природу этих отходов, все они состоят из одинаковых химических элементов: углерода, водорода, кислорода, азота, хлора, серы, золы (комплекс неорганических элементов и соединений), воды (влаги), но содержат опасные для окружающей среды элементы и соединения (болезнетворные микроорганизмы, тяжелые металлы и т. д.). Влияние ОО на окружающую среду разнообразно. Данные отходы оказывают существенное негативное влияние на окружающую среду - почву, водоемы, атмосферу, биосферу. Всё более и более возрастающие объёмы отходов приводят к поиску новых более эффективных способов их переработки. На смену открытым полигонам и земляным засыпкам, при эксплуатации которых происходит экологическое загрязнение окружающей среды, приходят термические способы переработки: сжигание, пиролиз, газификация. Как показывают результаты анализа современной научно-технической и патентной документации, плазменные технологии активно развиваются для переработки ОО с производством синтез-газа (топливного газа), используя его, в дальнейшем, в энергогенерирующих устройствах. Газификация ОО является сложным физико-химическим процессом с большим количеством эффектов. Состав ОО может меняться в широком диапазоне, что требует создания гибкой и универсальной технологии. Пока еще не решены основные технические проблемы, сдерживающие широкое применение плазменных технологий для переработки техногенных отходов, а именно низкий ресурс работы плазмотронов, большие энергозатраты для их пиролиза. Одним из важнейших преимуществ, выводящих плазменные технологии в принципиально иной класс процессов по экологичности и эффективности, является возможность окисления углерода до моноокиси СО и исключения балластного азота. Последнее снижает количество отходящих газов более чем в 5 раз по массе и в 3 раза по объему. Это позволяет эффективно очищать получаемый синтез-газ с теплотворной способностью до 10 мДж/м3. Дальнейшее применение полученного синтез-газа в энергогенерирующих установках позволяет выработать электроэнергию. Такое техническое решение гарантирует выполнение экологических требований к современным промышленным технологиям без использования многоступенчатых, сложных и дорогостоящих систем очистки. Технология переработки углеродсодержащих отходов основана на высокотемпературном (более 1200 С) плазменном воздействии и газификации органической составляющей утилизируемых отходов на основе электродуговой плазмы с целью получения полезных (товарных) продуктов - высококалорийного синтез-газа и инертного (остеклованного) шлака, пригодного к использованию в качестве строительного материала. Целью работы является экспериментальная отработка электроплазменной технологии переработки органических отходов для получения высококалорийного синтез-газа в производстве тепло- и электроэнергии. Результаты экспериментальных исследований газификации отходов На основе проведенных термодинамических расчетов в ПК «АСТРА» плазменных процессов газификации органических отходов в диапазоне температур 300-3000 К получены исходные данные для разработки опытного образца ЭПУ в составе экспериментального стенда Института теплофизики по исследованию электродуговых плазмотронов различного назначения. На рис. 1 представлена схема электроплазменной установки, на которой проводились экспериментальные исследования газификации отходов в воздушно-плазменной среде. Производительность установки составляет 20 кг/ч для отработки технологического процесса плазменной утилизации возобновляемых углеродсодержащих отходов как отдельного (опилки, ветошь, полиэтилен), так и смешанного вида. Основная задача плазменно-термической электропечи - повышение экологической и экономической эффективности процесса переработки углеродсодержащих отходов. Рис. 1. Схема электроплазменной установки Процесс переработки твердых отходов в плазменно-термической электропечи осуществляется следующим образом. Углеродсодержащие отходы с насыпным весом 150-200 кг/м3 поступают в затаренном виде в коробках с габаритными размерами 200×200×250 мм и через загрузочное устройство 2 подаются в рабочее пространство печи. Загрузочное устройство оснащено шлюзовой камерой, предотвращающей выход дымовых газов в атмосферу из рабочей камеры плазменной печи при избыточном давлении и подсос атмосферного воздуха в рабочую камеру при разряжении в ней. К маслостанции подключено и загрузочное устройство. Управление маслостанцией и контроль давления в системе гидроприводов происходит автоматической системой на основе промышленного контроллера. Продвижение отходов по наклонному поду в зоне газификации 3 осуществляется с помощью гидравлического толкателя 1, подключенного к маслостанции и блоку управления. Предварительный прогрев футеровки и зоны газификации осуществляется газовой горелкой 5 мощностью 42 кВт и плазмотроном 6 мощностью 50 кВт до температуры 1200 ○С. Контроль температуры в камере осуществляется термопарой и через нормирующий преобразователь подается сигнал в АСУ. При достижении рабочей температуры в камере печи 1200 C подается управляющий сигнал от контроллера на источник питания для последующего снижения мощности плазмотрона с целью дальнейшего поддержания температуры и переплава неорганического остатка отходов. Среднемассовая температура воздушной плазмы, истекающей из плазмотрона, составляет 4000 К. Выделяющийся в зоне газификации топливный газ (синтез-газ) отбирается из камеры печи. Он подается в центробежно-барбатажный аппарат (ЦБА) для его дальнейшей закалки, газификации и очистки от содержащейся в нем пыли. Перед ЦБА осуществляется отбор газа газоанализатором и аналитический контроль состава получаемого синтез-газа. Встроенной термопарой в дымоход перед ЦБА происходит мониторинг температуры отбираемого топливного газа. Образовавшийся после газификации отходов зольный остаток, содержащий частицы недожога и углеродный остаток, попадает в зону горения 4 (рис. 1), где под действием струи плазмы происходит дожигание углерода и переплавление минеральной части отходов в инертный шлак. После ЦБА топливный газ подается в камеру дожигателя, где сгорает до СО2. Для охлаждения дымовых газов в смеситель поступает требуемое количество атмосферного воздуха, контролируемого системой автоматического управления. Управляющий сигнал формируется в зависимости от требуемой температуры выбрасываемых дымовых газов в атмосферу. Источником энергии для газификации органической части и расплава неорганической служит плазмотрон, а также химическая энергия реакций окисления углерода. Кислород поступает в печь через плазмотрон с плазмообразующим газом. Образовавшийся в процессе переработки модельных отходов зольный остаток под воздействием струи плазмы с температурой 4000 К переплавляется в инертный шлак. По мере наполнения ванны жидкого расплава шлак периодически сливается через летку 7 в откатную тележку 8. Эксплуатационные параметры электропечи определяются устойчивой работой ее составляющих элементов. Одним из главных, конечно, является плазмотрон. Ниже представлены его экспериментальные характеристики. Для поддержания высокой температуры в камере печи используется электродуговой плазмотрон. Для бесперебойной работы установки требуется надежная длительная работа плазмотрона. В связи с этим был разработан и изготовлен плазмотрон мощностью 50 кВт и проведены его испытания с подачей различного расхода плазмообразующего воздуха (3-6)•10-3 кг/с с изменением величины тока от 120 до 200 А. Вольт-амперная характеристика (ВАХ) дуги является важнейшей электрофизической и энергетической характеристикой дугового плазмотрона. Она определяет область устойчивого горения дуги при изменении определяющих параметров: силы тока, расхода и рода плазмообразующего газа, давления среды, геометрических размеров разрядной камеры плазмотрона. По виду ВАХ и уровню достижимых значений напряжения и силы тока дуги определяются параметры источника электропитания, обеспечивающего надежную работу плазмотрона в длительном режиме. На рис. 2 представлены экспериментальные ВАХ в зависимости от расхода плазмообразующего газа. Рис. 2. Вольт-амперные характеристики электродугового плазмотрона В [1-7] приведены основные показатели процесса газификации различного вида модельных органических отходов (полиэтиленовые гранулы, опилки, текстиль). Для определения оптимального технологического процесса газификации отходов проводились предварительные расчеты для нескольких вариантов технологии. Из вариантов расчета в условиях термодинамического равновесия образуется синтез-газ, имеющий теплотворную способность 11.7 МДж/м3. Следующим вариантом было увеличение поступающего кислорода. Избыточная часть кислорода вступала в реакцию с углеродом. Это привело к уменьшению содержания водорода в синтез-газе и увеличению содержания СО и СО2. При этом значительно снизилось потребление энергии от плазмы с 1.52 до 0.4 кВтч/кг. А теплотворная способность получаемого синтез-газа практически не изменилась и составила 11.1 МДж/м3. Дальнейшее увеличение расхода кислорода приведет процесс газификации в режим автотермии. Плазмотрон будет необходим только для стабилизации процесса и компенсации тепловых потерь. При добавлении воды порядка 20 % (имитируя влажные отходы), в результате получился синтез-газ с соотношением Н2:СО = 2:1 с калорийностью 11.58 МДж/м3. Также проводились расчеты для отдельных компонентов отходов. Результаты расчетов показали, что при газификации 1 кг текстиля синтез-газ имеет теплотворную способность 11.46 МДж/м3, а его получаемый объем составляет 1.54 м3. Использование воды (водяного пара) в качестве дополнительного окислителя повышает калорийность синтез-газа до 11.7 МДж/м3. С учетом тепловой энергии нагретых до 1500 К газа, пара и расплавленного шлака при газификации 1 кг текстиля возможно получение 6.86 кВтч тепловой энергии. Древесина отличается от полиэтилена и текстиля значительно. В ее составе достаточно кислорода и воды для полной газификации внутреннего углерода. Значительный избыток влажности в составе древесины увеличивает удельные энергозатраты на ее газификацию. Поэтому целесообразно подсушивать опилки до влажности 20 %. Этой влажности достаточно для полной газификации имеющегося углерода в составе опилок. При изменении количества окислителя и воздуха значения калорийности и объема синтез-газа с учетом нагретых до 1500 К продуктов газификации общая тепловая и химическая энергия составляет не менее 14 МДж/м3 на 1 кг отходов. На рис. 3 представлены экспериментальные результаты газификации полиэтиленовых гранул. Из графика видно, что при газификации основной массы отходов происходит пик калорийности синтез-газа, затем идет постепенное уменьшение. Этот пик вызван тем, что при экспериментальных исследованиях отходы подавались в камеру газификации плазменной электропечи порционно через определенные промежутки времени. Для обеспечения постоянства калорийности синтез-газа необходимо обеспечить непрерывную подачу отходов. Рис. 3. Экспериментальные данные калорийности топливного газа при газификации 1 кг полиэтилена Заключение Проведенный предварительный термодинамический расчет плазменной газификации органических отходов, которые использовались в экспериментальных исследованиях на лабораторной электроплазменной установке производительностью 20 кг/ч, показал возможность получения синтез-газа. Сравнение расчетных и экспериментальных данных для процесса высокотемпературной газификации органических отходов показывает хорошую сходимость. В процессе газификации органических отходов получен высококалорийный топливный газ с теплотворной способностью 12-14 МДж/м3. Для создания высокой температуры в камере плазменной электропечи разработан плазмотрон мощностью до 50 кВт. Получены вольт-амперные характеристики электродугового плазмотрона, показывающие его стабильную работу с высоким КПД - более 80 %.

Скачать электронную версию публикации