Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Термические методы переработки отходов 7
1.1. Область применения 7
1.2. Сжигание 9
1.3. Газификация 11
1.4. Пиролиз 12
1.5. Переработка отходов в расплавах 14
1.6. Плазменные методы переработки отходов 16
1.6.1. Плазменное сжигание 19
1.6.2. Плазменный пиролиз с постепенным образованием расплава 21
1.6.3. Плазменный пиролиз в реакторе с ванной расплава, образованной Джоулевым теплом, и свободно горящей дугой 22
1.6.4. Плазменный пиролиз с выпуском остеклованного шлака 24
1.6.5. Комбинированный метод. Газификация и плазменный пиролиз 26
1.6.6. Плазменная газификация с добавлением твердого топлива, образованием расплава инертной массы и утилизацией остаточного тепла ; 28
1.7. Выводы 29
Глава 2. Электродуговые генераторы плазмы, используемые в технологических процессах 31
2.1. Введение 31
2.2. Плазмотроны постоянного тока 31
2.3. Плазмотроны переменного тока 34
2.4. Выводы 41
Глава 3. Плазменная переработка отходов: обоснование и проверка основных принципов 43
3.1. Выбор и обоснование метода переработки отходов 43
3.2. Научные основы процесса плазмохимической переработки отходов 45
3.3. Проверка основных принципов процесса плазменного сжигания отходов 49
3.3.1. Описание лабораторной установки 49
3.3.2. Описание экспериментов на лабораторной установке 58
3.4. Выводы 70
Глава 4. Разработка технологии плазменной переработки медицинских отходов 72
4.1. Характеристика перерабатываемых отходов 75
4.2. Разработка принципиальной технологической схемы 77
4.3. Материальный баланс 78
4.4. Тепловой баланс 81
4.5. Вторичные отходы плазменной переработки 88
4.6. Конструирование реакторного узла 89
4.7. Конструирование системы охлаждения и очистки газов 99
4.8. Принцип работы установки 103
4.9. Выводы 108
Глава 5. Разработка технологии и создание установки плазменной переработки жидких супертоксикантов 109
5.1. Характеристики отравляющих веществ и обоснование выбора имитаторов 114
5.2. Разработка принципиальной технологической схемы установки 117
5.3. Материальный и тепловой балансы 118
5.4. Описание конструкции установки 121
5.5. Проведение экспериментов по плазмохимической переработке жидких имитаторов отравляющих веществ 127
5.6. Выводы 132
Заключение 134
Литература
- Переработка отходов в расплавах
- Плазмотроны постоянного тока
- Научные основы процесса плазмохимической переработки отходов
- Разработка принципиальной технологической схемы
Введение к работе
В результате интенсивных исследований и разработок ученых и инженеров в последние десятилетия плазмохимические процессы стали широко использоваться во многих областях науки и промышленности.
Высокоразвитые страны вкладывают большие средства в совершенствование плазменных технологий, что обусловлено рядом их преимуществ перед традиционными. Это происходит за счет использования устройств генерирующих плазму, обладающую высокой температурой и электропроводностью. Оказываемое мощное энергетическое воздействие на обрабатываемые вещества, позволяет значительно интенсифицировать скорости протекания химических реакций. При этом устройства и аппараты плазмохимических процессов становятся значительно проще, что позволяет уменьшить габариты установок.
Воздействуя на обрабатываемые вещества и являясь универсальным теплоносителем и реагентом, плазма обладает электрическим и магнитным полем, а также сильным световым излучением, что позволяет синтезировать ряд новых веществ с уникальными свойствами, которые невозможно получить другими методами.
Плазмохимическими процессами легко управлять, их можно моделировать и автоматизировать, используя один вид энергии — электричество.
Началом истории плазменных технологий можно считать исследования, проведенные в 1781-1784 годах Генри Кавендишем (1731-1810) и Джозефом Пристли (1733-1804) по получению окиси азота из воздуха в электрическом разряде. Основополагающим в области генерации низкотемпературной плазмы было получение в 1802 году профессором Петербургской Медико-хирургической академии В.В. Петровым электрической дуги [1] и первую демонстрацию плазмы сэром Хемфри Деви в 1804 году.
В конце 1800-х годов в Германии компания SIEMENS применила плазменную технологию для производства некоторых видов металла и, позднее, плазменный нагрев использовался для переработки азотных удобрений.
В начале 1900-х годов в Германии сотрудниками компании BASF создается дуговая печь для получения оксида азота путем нагрева воздуха (метод Шерхерра). Примерно в это же время в Норвегии строится установка для получения оксида азота методом, основанным на пропускании воздуха через дугу, создаваемую электрическим разрядом постоянного тока, помещенную в сильное продольное магнитное поле (метод Беркеланда-Эйде). Эти способы просуществовали до конца 20-х годов прошлого века и были вытеснены появлением более экономичных и производительных [2].
Один из первых способов электрокрекинга природного газа, с целью получения ацетилена был осуществлен в Германии в 1940 году.
Первые попытки развития теории плазменных технологий и разработка специального оборудования создали предпосылки для широкого внедрения их в промышленность. С середины 60-х годов прошлого века начала развиваться плазмохимия и смежные области науки — физика плазмы, физика высоких температур, электроника и электротехника. Это позволило разработать первые, сравнительно простые и недорогие устройства для генерирования плазмы (плазмотроны).
Одной из первых плазменных технологий, получивших широкое применение в различных отраслях промышленности, стала плазменная резка и сварка металлов. Это обуславливается возможностью их использования, как для черных, так и цветных металлов и их сплавов, обладающих высокой теплопроводностью, при этом отсутствуют структурные изменения, из-за малой зоны термического воздействия.
В настоящее время разработаны новейшие технологии сварки высокопрочных и хладостойких сталей, титановых и алюминиевых сплавов, а также технологии наплавки медных сплавов на сталь. Процессы отличаются высокой производительностью, точностью и экономичностью. Накоплен большой опыт использования средств технического оснащения в виде стационарных, переносных устройств и поточных линий [3,4].
Успехи, достигнутые в создании промышленных технологий в области плазменной резки и сварки, стимулировали распространение плазменной техники на область металлургии. Существенным моментом явилась необходимость пересмотра энергетической основы промышленности, с постепенным исключением из энергетического баланса дефицитных видов топлива. Термическая плазма, как средство превращения электрической энергии в технологическое тепло, используется в металлургических процессах[5,6].
Низкотемпературная плазма позволяет обеспечить получение материалов с улучшенными или особыми свойствами, интенсифицировать и упростить технологический процесс. Вот лишь некоторые примеры использования плазмотронов в металлургическом производстве: процессы восстановления металлов из их окислов; восстановление железосодержащего сырья; получение металлов и их сплавов; получение порошковых материалов; синтез двуокиси титана; получение моноокиси кремния [7, 8].
Высокие температуры, полученные в зоне генерации электрических разрядов, открыли новые возможности для химической технологии. В условиях низкотемпературной плазмы реализуют такие процессы, как пиролиз углеводородного сырья, с целью получения окислов углерода, получения тугоплавких соединений нитридов, карбидов, оксидов; (производство кремния и ферросилиция). Разработаны технологии, обеспечивающие получение продуктов высокой чистоты, а также получение дисперсных и ультрадисперсных порошков разнообразных соединений [9].
По многим направлениям ведутся исследования высокотемпературных технологических процессов и создаются опытные и опытно-промышленные установки. Одним из таких направлений является плазменная модификация
поверхности материала. Обработка, например, рельсовой головки, в среде азотной плазмы увеличивает ее прочность и износостойкость. Кроме закалки при этом появляется возможность имплантации ионизированного азота непосредственно в поверхность металла, что приводит к повышению твердости рельса. Другим примером является плазменное нанесение покрытия. В плазменную струю подается материал в виде порошка или проволоки, который расплавляется и разгоняется до высокой скорости. Частицы напыляемого материала, взаимодействуя с разогретой поверхностью, создают тугоплавкие покрытия, стойкие к агрессивным средам [10].
Технология переработки горючих ископаемых решает задачи создания новых процессов, опережающих традиционные химические методы. К таким технологиям относятся процессы плазмохимической переработки нефти и угля. Уголь является наиболее перспективным сырьем для получения энергии и химических продуктов. Плазмохимический процесс переработки угля на синтез-газ или ацетилен при использовании минерального остатка для получения ценных, содержащихся в нем, веществ, и с учетом экологической чистоты этих процессов имеют большое будущее [11,12].
Проблема загрязнения окружающей среды, связанная с образованием, накоплением, транспортировкой и хранением отходов, привела к формированию новой отрасли промышленности — переработки отходов. Разрабатываются и исследуются новые технологии, основанные на использовании низкотемпературной плазмы [13]. Их отличие от традиционных термических технологий выражено в существенном повышении температуры процесса, обеспечении глубокой деструкции, уменьшении объема отходящих газов и возможности размещения установок в непосредственной близости к местам образования отходов[14,15].
В настоящее время актуальной задачей является создание и исследование новых методов переработки отходов, а также использование их для воспроизводства электрической и тепловой энергии.
Данная работа посвящена разработке, созданию и исследованию плазменных технологий и установок переработки отходов.
Переработка отходов в расплавах
Широко применяемые в настоящее время методы термической переработки отходов обладают рядом принципиальных недостатков. К ним в первую очередь относятся образование и выброс в атмосферу больших количеств токсичных веществ: золы уноса, содержащей тяжелые металлы, сажи, монооксида углерода, оксидов серы и азота, соединений хлора, а также таких супертоксикантов как диоксины и фураны. Шлаки также содержат недогоревший углерод и полиароматику.
Образование большого количества токсичных веществ по принятым в настоящее время технологиям приводит к тому, что удовлетворить жесткие требования по выбросам можно лишь при использовании чрезвычайно дорогих очистных сооружений, которые к тому же значительно повышают эксплуатационные затраты. Низкие экологические и экономические показатели таких технологий привели к поиску и созданию новых методов переработки отходов. Этими методами стали процессы высокотемпературной минерализации отходов под действием изотермической плазмы, полученной пропусканием плазмообразующего газа через электрическую дугу. Интервал изменения температуры таких процессов достаточно широк и составляет 2000-10000 К. Время полного превращения отходов, в условиях плазмохимического процесса, составляет 0,01-0,5 сек, в зависимости от природы отходов и температуры процесса.
Эффективность ввода тепловой энергии для одновременного стимулирования химических и физических изменений в веществе представлена на Рис. 1.9.
График показывает отличие плазменного нагрева по сравнению с нагревом на природном топливе. Плазменные процессы обеспечивают высокие и эффективные температуры переработки, которые не могут быть достигнуты другими методами нагрева. Различные стадии преобразования вещества под действием тепла представлены на Рис. 1.10. Практические значения диссоциация продуктов сгорания приобретает только при температурах выше 1800 К, что связано с затратой энергии, необходимой для распада молекул на атомы. Наиболее распространенные составляющие газов промышленной технологии это СОг, СО, НгО, Ог, N2 и 1. Легче всего диссоциирует диоксид углерода, а трудней всего идет образование атомарного водорода. При увеличении температуры (выше 1800 К) процессы диссоциации и расход тепла на них приобретают все большее значение. В частности диссоциация определяет предельную температуру, около 3000 К, которая достижима при сжигании холодного топлива в кислороде. Таким боразом прцесс диссоциации ограничивает технологические возможности химической энергии топлива, так как не позволяет получить особо высокие температуры. Линия 3000 К — это верхний предел достижимой температуры при промышленной переработке отходов с использованием традиционных видов топлива. Традиционное сжигание не дает возможности разложить продукты на элементарные молекулы, таким образом в системах сжигания происходит образование смолы и несгораемого углерода [27]. Реализация технологических процессов с высокими температурами возможна только с использованием электрической энергии.
Плазменная диссоциация позволяет получить полное разложение практически всех известных органических и многих неорганических соединений до простейших атомов и молекул элементов, входящих в состав отходов. В этих условиях могут образовываться термодинамически-устойчивые двух-трех атомные соединения — оксиды, гидриды, галогениды — в зависимости от химической природы отходов и плазмообразующего газа.
Для ионизации атомов различных веществ необходимы затраты разных количеств энергии. Степень ионизации при данной температуре зависит главным образом от содержания в газообразной среде элементов с низким потенциалом ионизации. Ощутимая термическая ионизация может иметь место при температурах 5000-6000 К.
Высокотемпературный газовый поток за счет происходящих в нем процессов диссоциации и ионизации обладает высоким энергосодержанием. Греющая способность такого потока при воздействии на поверхность вещества достигает значений на 1-2 порядка выше, чем греющая способность, которая может быть достигнута при использовании топлива. Последнее обстоятельство позволяет ускорять многие технологические процессы, связанные с обработкой материалов.
По сравнению с традиционным сжиганием плазмохимические установки имеют ряд следующих существенных преимуществ: - Возможность регулирования температуры в основном реакторе в интервале от 1000 до 10000 К. - Глубокая деструкция отходов при одновременном уменьшении объема отходящих газов. - Многократно меньшие весогабаритные характеристики реактора и установки в целом по сравнению с печными агрегатами. - Возможность полного автоматизированного управления технологическим процессом. - Минимальные затраты времени и средств на ремонтные работы высокотемпературных источников плазмы. - Более полная конверсия углерода в оксиды углерода СО и СОг. - Использование уже имеющейся, недорогой электрической энергии. - Побочные продукты плазменной переработки легко прогнозируются, безвредны и приемлемы с точки зрения охраны окружающей среды. Использование плазмохимических установок при сжигании целесообразно для относительно небольших количеств концентрированных высокотоксичных веществ I и II класса опасности, опасных отходов здравоохранения, а также при пиролизе галогеносодержащих газообразных, жидких и твердых отходов. Особенно целесообразно их использование на месте образования или хранения высокотоксичных отходов. В этих условиях, возможно, применять плазмохимические установки в стационарном блочном исполнении, так и передвижные на транспортной основе.
Плазмотроны постоянного тока
Плазмотрон переменного тока может иметь одну разрядную камеру (Рис. 2.5) в форме цилиндра, конуса или шара и размещенную в ней систему электродов или состоять из комбинации нескольких разрядных камер, являющихся однофазными плазмотронами [46, 47, 48, 49]. Конструктивно системы электродов могут быть выполнены в виде трубок, колец и прямых или изогнутых стержней. Во всех конструкциях плазмотронов переменного тока, поступающий в рабочую камеру газ образует у стенок относительно холодную газовую завесу, где проводимость практически отсутствует. Вследствие этого положительный столб дуги не касается стенок. Под воздействием потока рабочего газа дуги вытягиваются в направлении выхода из электродуговой камеры.
Во всех генераторах плазмы, в том числе и переменного тока, происходит преобразование электрической энергии в тепловую. Процесс может происходить с к.п.д. стремящимся к 1, однако, поскольку нагрев газа в камере плазмотрона осуществляется за счет теплообмена с дуговым разрядом, то неизбежны различного рода потери энергии. Для уменьшения величины этих потерь необходимо уметь управлять основными энергетическими потоками. Это возможно только тогда, когда установлена взаимосвязь между характером основных физических процессов, протекающих в камере плазмотрона и такими управляемыми параметрами как расход, давление газа, сила тока и напряжение горения дуги [50, 51, 52,53].
Экспериментально установлено существование в однокамерных плазматронах переменного тока двух режимов горения дуг: диффузного и контрагированного [54]. При диффузном режиме дуги занимают значительную часть объема разрядной камеры. Разряд носит ярко выраженный турбулентный характер. Наблюдаются пульсирующие сгустки плазмы, колебания давления и пульсации напряжения.
Характерным для диффузного режима горения дуг является сравнительно низкая температура 5000-6000 К. При такой температуре необходимая концентрация электронов Пе=10!5-1016 см-3 при значении токов от нескольких сотен до нескольких тысяч ампер и плотностях тока порядка J =10 -10 А/см не может быть достигнута за счет термической ионизации рабочего газа. Как следует из уравнения Саха:
Одним из способов достижения необходимой концентрации электронов может быть ионизация паров металла, поступающего с электродов. Этот принцип реализован в однокамерных плазмотронах со стержневыми вольфрамовыми (п„=7,8 эВ) электродами [56].
Другим способом получения необходимой концентрации электронов является использование постороннего предионизатора. В конструкции однокамерных плазмотронов с рельсовыми медными электродами необходимая концентрация создается внешним плазменным инжектором. Механизм создания носителей тока обеспечивает концентрацию не только между электродами, но и в значительной части объема разрядной камеры. Это приводит к тому, что дуги не контрагируются, а носят диффузный характер и занимают значительную часть объема камеры.
Рассматривая механизм передачи энергии при диффузном режиме горения дуг, излучением можно пренебречь. Реальное значение для нагрева имеет принудительная конвекция и продув части газа через дугу. Затем энергия этого газа за счет указанных механизмов перераспределяется среди остальной массы рабочего газа, что ведет к нагреванию до средней массовой температуры.
Диффузный режим горения дуг сохраняется в разрядной камере в диапазоне давлений 0,14-0,35 МПа (при работе на азоте и воздухе). Вольтамперные характеристики при малых токах падающие, а с ростом тока (I 10 кА) становятся растущими. К росту напряжения, во всех случаях, приводит увеличение величины расхода. Увеличение расхода газа и увеличение мощности приводят к возрастанию величины к.п.д. Растущие вольтамперные характеристики при больших токах вызваны тем, что достигаются такие температуры плазмы, при которых электропроводность зависит от величины температуры незначительно (кулоновское рассеивание). Увеличение расхода газа увеличивает отвод тепла. Это приводит к тому, что температура и электропроводность остаются постоянными и для увеличения силы тока необходимо увеличение напряжения [57].
В Институте проблем электрофизики Российской Академии Наук за последние 30 лет разработаны несколько серий плазматронов переменного тока. Наиболее известны однокамерные трехфазные плазмотроны с электродами стержневого и рельсового типа [58, 59]. Эти устройства обладают широким диапазоном мощности (от 5 КВт до 1 МВт), возможностью изменения расходов плазмообразующего газа и способностью работать на инертных и окислительных газах и воздухе. Системы питания таких плазмотронов, работают на промышленной частоте (50-60 Гц) поэтому значительно дешевле и проще систем питания для плазмотронов постоянного тока, так как изготавливаются из стандартных электротехнических устройств. Кроме того системы питания позволяют обеспечивать плавное регулирование рабочего тока. Эти особенности плазмотронов переменного тока, а также возможность длительной (более 100 часов) работы без замены электродов, позволили использовать их в современных технологических процессах, в том числе для переработки различных видов отходов.
Плазмотроны такого типа устанавливаются на корпусе плазменного реактора в местах определяемых технологической схемой, как правило это специальные амбразуры изолированные огнеупорными материалами. Плазменный факел проникает в реактор и медленно разогревает внутренний объем реактора. Конструкция амбразур позволяет направлять плазменные газы и создавать циркулирующие потоки: вихревые, прямоточные и противоточные. Продукты переработки попадая в реактор взаимодействуют не с плазменной струей, а с объемом плазмы. Медленный разогрев реактора (6-8 часов) благоприятно влияет на состояние огнеупорной футеровки, которая кроме частых теплосмен не воспринимает быстрый нагрев, более 50 градусов в час, и разрушается. Кроме того, медленный разогрев позволяет создать внутри реактора равномерное температурное поле, при котором возможно протекание, как гомогенных, так и гетерогенных процессов во всем объеме.
Используя комбинации из двух и более плазмотронов с разными плазмообразующими газами, можно при необходимости создавать различные температурные зоны в одном реакторном объеме и управлять ходом плазмохимических реакций.
Научные основы процесса плазмохимической переработки отходов
Процесс доведения отходов от исходного состояния до состояния, при котором возможен их безопасный выход в окружающую среду, протекает через ряд последовательных стадий. Вместе с тем понимание химической, физико-химической и теплофизической природы протекающих процессов и явлений оказывает существенную помощь при выборе правильных технологических решений.
Наиболее сложны процессы, протекающие в печном агрегате. Важнейшими характеристиками инсинератора, определяющими полноту процесса высокотемпературной минерализации отходов, являются среднемассовая температура в нем и коэффициент избытка воздуха.
Температура сжигания отходов может быть принята на основе длительного опыта эксплуатации сжигателей бытовых отходов. В наиболее совершенных из них температура в печи поддерживается на уровне 1000-1200 С, а в камере дожигания 1200-1400 С. Несмотря на то, что адиабатическая температура сжигания отходов вследствие низкой теплотворной способности может быть и ниже 1000 С, приходится идти на увеличение расхода дополнительного топлива. Это связано с тем, что интервал температур, в пределах которого при наличии в отходах хлорсодержащих компонентов протекает интенсивное образование диоксинов, составляет 800-1000 С. Этот факт установлен в результате длительного опыта эксплуатации мусоросжигателей и установок по сжиганию промышленных хлорсодержащих отходов, а также экспериментов, проведенных в последние годы. Коэффициент избытка воздуха суммарное количество воздуха, фактически введенное в топку на 1 кг сжигаемых отходов, Go - теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания до термодинамически равновесных продуктов (С02, Н20, S02 и др.). Обычно при однокамерном сжигании бытовых отходов коэффициент избытка воздуха выбирают равным 2 [66]. Это требует значительных дополнительных затрат энергии на подогрев излишнего воздуха.
Использование плазменных генераторов, работающих на воздухе, для дополнительного ввода энергии в сжигатель отходов вносит определенную специфику в организацию процесса, который правильнее называть высокотемпературным окислением. Как известно [67], при высоких температурах в воздушной плазме синтезируется значительное количество оксидов азота. Реакция между азотом и кислородом протекает по цепному механизму, включающему следующие основные элементарные стадии:
Достаточно сказать, что при температуре 2500С концентрация NO в газе на выходе из плазмотрона может достигать 50 г/м3. Для того, чтобы предотвратить попадание сверхнормативных количеств оксидов азота с дымовыми газами в атмосферу, необходимо предусматривать технические решения, направленные на подавление их выброса.
Одним из таких технических решений является организация процесса сжигания при недостатке воздуха. При сжигании в печи отходы последовательно проходят зоны сушки, выхода летучих, горения кокса, газификации и шлака. Летучие компоненты отходов, представляющие собой смесь легких и тяжелых углеводородов, мономеров, образующих полимеры, и других органических соединений, при наличии достаточного количества кислорода, сгорают в надслоевом пространстве печи.
В зоне горения образовавшегося после выхода летучих кокса при достаточном содержании кислорода вблизи слоя происходит сгорание угля. При недостатке кислорода зона сгорания угля имеет небольшие размеры и дальнейшее сгорание кокса протекает в зоне газификации. При недостатке кислорода и в присутствии паров воды процесс сгорания протекает с образованием значительных количеств СО и H2. Вследствие значительно более высокой скорости реакции даже при небольшой остаточной концентрации кислорода в дымовых газах водород сгорает, а диоксид углерода выходит из печи с дымовыми газами. Для дожигания СО, остаточных количеств углеводородов и разрушения оставшихся или синтезированных в печи органических веществ служит камера дожигания.
Как известно, водород и диоксид углерода являются хорошими восстановителями оксидов азота. Процесс восстановления протекает при температуре 900-1100 С.
Таким образом, сжигание отходов с недостатком кислорода должно приводить к значительному снижению концентрации оксидов азота на выходе из печи.
Вместе с тем, хорошо известно, что сжигание топлива с недостатком кислорода может приводить к образованию сажи. Сажа состоит из очень мелких (до 0.01 мкм) частиц со слоистой кристаллической структурой. Она с трудом поддается сжиганию и улавливанию в системах газоочистки. Однако при организации процесса плазменного сжигания в печи количество образовавшейся сажи будет небольшим. Сгорание летучих будет происходить при высоком содержании кислорода в дымовых газах, что должно предотвратить образование значительных количеств сажи. Кроме того известно [68], что повышенное содержание воды в дымовых газах понижает выход сажи. С сажеобразованием в печи можно бороться также путем ввода катализаторов (например, водного раствора Са(МОз)2). Наличие в составе установки камеры дожигания также будет способствовать снижению ее содержания в дымовых газах. По имеющимся данным [69] при температуре 1150-1200 С и времени пребывания 1,5-1,7 сек при коэффициенте избытка воздуха 1,15-1,2 степень выгорания сажи составляет 97-99%.
В процессе горения хлор выходит из ПХВ уже при температуре более 200 С в виде хлористого водорода НС1. Вместе с тем нельзя исключить образования в печи и небольших количеств элементарного хлора С12, идущего по реакции Дикона: 4НС1 + 02 « 2С12 +2Н20, хлорорганических соединений, органических соединений более сложного состава имеющих общее название — диоксины. Политетрафторэтилен пиролизуется в основном до мономера C2F4 и термически устойчивых газообразных соединений CF4 и C2F6. Полное превращение этих продуктов в СОг и HF возможно только при высокой температуре и в присутствии водяного пара.
Сера, содержащаяся в отходах, при взаимодействии с кислородом воздуха образует диоксид серы SO2. При недостатке кислорода возможно образование более токсичного, чем SO2, соединения — сероводорода H2S.
Процессы полного превращения указанных выше соединений до СС 2, НгО, НС1, HF, SO2 протекают в камере дожигания. Понятие коэффициента избытка воздуха в камере дожигания вследствие малости количества горючих компонентов, по-видимому, теряет смысл. Важнейшими характеристиками камеры дожигания, определяющими полноту сгорания органических и горючих неорганических веществ, является температура, время пребывания, остаточное содержание кислорода и паров воды. Из опыта эксплуатации инсинераторов токсичных промышленных и бытовых отходов известно, что температура в камере дожигания 1200-1400 С при времени пребывания дымовых газов 2 сек достаточна для обезвреживания с высокой эффективностью всех токсичных органических продуктов, в том числе и галогенсодержащих. Остаточное содержание кислорода и паров воды при этом на уровне 8-10 % об. является по-видимому приемлемым.
Стадию закалки (т.е. быстрого охлаждения) дымовых газов проводят для того, чтобы уменьшить количество вредных компонентов (свободного хлора, диоксинов и фуранов). При быстром охлаждении СЬ не успевает образоваться. Закалка проводится обычно либо впрыском воды, либо подмешиванием холодного воздуха, либо быстрым охлаждением в теплообменных аппаратах.
Для снижения концентрации оксидов азота в дымовых газах их закалку можно совместить с восстановлением оксидов азота путем впрыска аммиачной воды. Аммиак при температуре 900-1000 С восстанавливает оксиды азота по реакции:
Более технологично вводить вместо аммиачной воды раствор мочевины, которая при температуре выше 132 С разлагается с выделением аммиака.
На стадии мокрой газоочистки проводится очистка дымовых газов от летучей золы, остаточной сажи, тяжелых металлов, кислых газов.
Частички летучей золы, а также сконденсировавшихся при охлаждении дымовых газов паров соединений тяжелых металлов в аппаратах мокрой газоочистки за счет инерционных эффектов высаживаются на поверхность капель, пузырей или пленок жидкости. Для создания инерционных эффектов, например, в горловине трубы Вентури дымовые газы разгоняются до скорости 90-120 м/с. Туда же впрыскиваются капли орошающей жидкости. За счет разницы скоростей капель и твердых частичек, имеющих скорость газового потока, последние высаживаются на поверхности капель и уносятся с жидкостью.
Разработка принципиальной технологической схемы
В процессе эксперимента из газохода отбирались пробы дымовых газов и проводился анализ на содержание в них оксида азота и оксида углерода. Для проведения анализов использовался газоанализатор типа MSI-2000. Диапазон измерения по оксиду азота составлял 0-1000 ррт, по оксиду углерода — 0-2000 ррт.
Поскольку ожидаемые концентрации указанных компонентов дымовых газов при сжигании древесины значительно превышают пределы измерения газоанализатора, отбираемую пробу дымовых газов необходимо было перед подачей в газоанализатор предварительно разбавлять. Во время эксперимента поддерживались постоянными расход отбираемой пробы и расход разбавляющего воздуха. Показания газоанализатора корректировались в соответствии со степенью разбавления газовой пробы.
Проведено три опыта. По техническим причинам не удалось отобрать пробы отходящих газов при проведении опыта №2, поэтому из дальнейшего анализа он исключен. Измеренные значения температур и концентраций NO и СО представлены на рисунках (Рис. 3.16, Рис. 3.17, Рис. 3.18, Рис. 3.19 и Рис. 3.20 соответственно).
Анализ изменения температур, концентраций СО и NO, а также, визуальные наблюдения позволяют выделить несколько стадий процесса плазменного сжигания. В начале процесса после загрузки древесных кубиков ( 1-2 мин.) наблюдается резкое падение температуры в реакторе (примерно на 100-120С). Это связано с тем, что в этот период интенсивно протекают процессы прогрева и сушки материала, выхода из него летучих веществ. Начало окисления летучих вызывает рост температуры. Наиболее интенсивно этот процесс протекает у колосниковой решетки. В нижней части слоя через 5-7 минут происходит устойчивое воспламенение топлива, начинается стадия активного сгорания летучих, выделившихся в нижних слоях, и выгорания углерода (коксового остатка). Этот процесс сопровождается продолжением возрастания температуры. При этом в более высоких слоях топлива протекает стадия сушки и выхода летучих. В связи с тем, что вторичный воздух не подавался в надслоевое пространство, летучие не сгорали в верхней части реактора, а в значительной мере уносились с потоком дымовых газов. На это указывает значительное содержание смол в отбираемых пробах дымовых газов и в скрубберном растворе. На отсутствие горения в надслоевом пространстве указывают также сравнительно низкие температуры газа в этой зоне аппарата. Запись температур в реакторе при слоевом сжигание модельных отходов древесины, масса 25 кг, влажность 13%.
Опыт №3. Примерно через 13-15 мин после начала эксперимента температуры газа в районе колосниковой решетки достигают максимальных значений 1100-1300 С. При этом во всем слое топлива протекает стадия активного выгорания углерода. Процесс выгорания углерода можно разделить по времени на два этапа. Первый этап, протекающий при наиболее высокой температуре, является восстановительным.
В этот период в верхних слоях топлива ощущается нехватка кислорода, который интенсивно расходуется в нижних слоях. На это указывает высокое содержание СО в дымовых газах. Как видно из графиков содержание СО резко возрастает с начала процесса и поддерживается в этот период на высоком уровне. Второй этап выгорания углерода протекает при избыточном содержании кислорода вследствие уменьшения количества топлива. В этот период происходит полное сгорание угля до СОг, при этом содержание СО в дымовых газах снижается. В связи с тем, что отношение количества воздуха к количеству топлива постоянно повышается, температура в печи падает. В районе 35-40-ой минуты СО практически не обнаруживается в дымовых газах.
Отличие двух опытов, проведенных с различными расходами подаваемого дутьевого воздуха, заключается только в продолжительности стадии выгорания углерода. При этом сокращение времени выгорания во втором опыте достигается в основном за счет сокращения первого этапа.
Точное определение времени процесса сгорания по температурным кривым затруднительно. По-видимому, активный процесс сгорания заканчивается тогда, когда прекращается резкое изменение температуры и начинается медленное, практически линейное, ее падение. Зависимость скорости выгорания углерода от количества подаваемого дутьевого воздуха подтверждает, что горение угля в этой области протекает в диффузионной области и не определяется кинетикой процесса.
Наиболее интересный факт, полученный в процессе экспериментов, заключается в том, что практически от начала процесса на протяжении стадий выхода летучих и восстановительного этапа стадии выгорания углерода оксид азота в дымовых газах не обнаруживался. При этом содержание NO до начала загрузки топлива составляло примерно 4000 ррт. Такое количество NO соответствует, с учетом разбавления, температуре плазмообразующего воздуха на выходе из плазмотрона 1900 С. Как видно из графиков на Рис. 3.19 и Рис. 3.20 содержание NO в дымовых газах тем ниже, чем выше содержание СО. При этом при содержании СО выше 3000-7000 ppm NO в дымовых газах не обнаруживается. При дальнейшем снижении содержания СО концентрация NO возрастает и при минимальном содержании СО выходит на первоначальный уровень. Установленный факт говорит о том, что при наличии восстановительных зон в реакторе количество оксидов азота, і - \ і вводимых с плазмообразующим воздухом, может быть снижено до С ( %.Я минимума. объемом от 1 до 10 см3 предварительно фасовались в бумажные пакеты примерно по 1,5 кг. Опыты проводились с целью определения времени сгорания одного пакета.
Перед началом экспериментов изменена схема расположения плазмотронов на реакторе. ПТ(1) занял место на амбразуре нижней камеры в зоне предварительного подогрева, а ПТВ переместился на верхнюю амбразуру верхней камеры и был дополнительно снабжен завихряющей лопаткой. Кроме того, в стыковочный узел ПТВ подавался перегретый пар.
Реактор предварительно разогревался тремя плазмотронами до 800 С, затем через шлюзовое загрузочное устройство подавался пакет с отходами весом 1,5 кг. Плазмотроны ПТ(1) и ПТ(2) отключались, рабочий воздух закрывался, дутьевой воздух подавался в нижнюю и верхнюю камеры соответственно. Температура над колосниковой решеткой падала до 550-600 С. Через 2-3 минуты наблюдалось воспламенение пакета, при этом протекало обильное кратковременное дымообразование в течение 20-30 секунд, (процесс выделения смол, которые не успевали сгорать на поверхности материала и в объеме реактора). Вслед за этим пакет разрушался, и количество дыма уменьшалось. Сгорание проходило на поверхности материала с выносом отдельных несгоревших фрагментов. Время сгорания пакета составило 4 минуты (Рис. 3.21).
