JSC TRIVIM Ltd.

Доклад на секции экологии Международной Академии Наук Экологии и Безопасности жизнедеятельности 28 ноября 2013г.

 

ПИРОЛИЗНАЯ   ТЕХНОЛОГИЯ   ДЛЯ   ПЕРЕРАБОТКИ

ЖИДКИХ   УГЛЕРОДСОДЕРЖАЩИХ   ОТХОДОВ

В   ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЮ   И   БИОДИЗЕЛЬНОЕ   ТОПЛИВО

 

В.А. Морозов, ООО «ТРИВИМ Лтд», г.Саров, vmfs@bk.ru;  А.Г. Рафаилов, ОАО «Вертолетный Производственный Комплекс «КОНВЕРС-МИЛЬ», Москва, convers-fn@mail.ru .

 

Аннотация.

Обсуждается новая энергоэффективная технология использования коммунальных и сельскохозяйственных стоков, основанная на применении сверхкритической воды.

Ключевые слова: сточные воды; энергоэффективность; рецикл воды; сверхкритическая вода.

 

PYROLYSIS TECHNOLOGY FOR PROCESSING

LIQUID CARBONIFEROUS WASTE

IN THE ELECTRIC POWER AND BIODIESEL FUEL

 

V.A.Morozov, JSC TRIVIM Ltd, Sarov, vmfs@bk.ru ; A.G.Rafailov, «KONVERS-MIL JSC Helicopter Industrial Complex», Moscow, convers-fn@mail.ru .

 

Summary.

The new power effective technology of use of the municipal and agricultural drains, based on application of supercritical water is discussed.

Keywords: sewage; energy efficiency; water recycling; supercritical water.

 

     Эффективная переработка отходов, помогающая защитить от чрезмерного загрязнения окружающую среду, становится все более актуальной российской проблемой. Особенно остро эта проблема существует в сферах жилищно-коммунального хозяйства и сельскохозяйственного производства. Здесь один из главных экологических приоритетов принадлежит задаче утилизации сточных вод.

     Недавно разработанный процесс — гидротермальное окисление жидких углеродсодержащих сред — демонстрирует необычайно высокий коэффициент разрушения органических отходов (99,99%). При этом отсутствуют выбросы вредных компонентов отходящих газов, связанные с традиционным сжиганием, и возможен рецикл воды.

     Работы с промышленными реакторами гидротермального окисления активно ведутся за рубежом и в нашей стране. Примером может служить ирландская компания SCFI - технология  AquaCritox® утилизации илов очистных сооружений. В нашей стране следует отметить работы ООО «ЭкоЭнергоТех», Москва.

     Рассмотрим возможности гидротермального окисления для решения экологических проблем подробнее.

     Принципиальная схема процесса показана на рисунке справа. Основным элементом схемы является сосуд с водой, находящейся в сверхкритическом (СК) состоянии. Последнее означает, что давление и температура в сосуде превышают 217 атм и 374 град. С, соответственно. В левом нижнем углу показано место СК-области на фазовой диаграмме воды «давление – температура». Важно, что в СК-воде растворимость газов и органических сред близка к 100%, а неорганические вещества становятся почти нерастворимыми. 

     При добавлении в СК-воду углеродсодержащей среды (коммунальных или с/х стоков) и  кислорода воздуха в течение нескольких десятков секунд происходит полное окисление углерода до его двуокиси. Поскольку температура процесса ниже 600 град. С, окислы азота не образуются. Это выгодно отличает такую реакцию от традиционного сжигания отходов в среде воздуха. Еще одной важной особенностью реакции гидротермального окисления является то, что при количестве углеродсодержащего вещества в смеси с СК-водой более 10% реакция окисления становится автотермичной. Это означает, что по сравнению с традиционными пиролизом или газификацией углеродсодержащих отходов гидропиролиз не требует стороннего подогрева. В случае жидких отходов не требуется и их энергозатратная сушка перед традиционным пиролизом или газификацией. Всё это определяет относительно лучшую экономику процесса.

 

     Как показано на рисунке, кислород воздуха может и не подаваться в реактор. Экспериментально установлено, что в этом случае в продуктах реакции появляются оксид углерода и водород – компоненты синтез-газа. Это дает возможность использовать жидкие углеродсодержащие отходы для получения газового моторного топлива или в качестве сырья для синтеза жидкого моторного топлива (синтеза Фишера-Тропша). В первом варианте газовый двигатель может являться приводом электрогенератора. Полезными продуктами соответствующего устройства будут электроэнергия и сбросное тепло двигателя. Во втором случае целевым продуктом может быть дизельное топливо, а сопутствующими продуктами станут бензиновый растворитель и пищевой парафин.

Инженерный аспект гидропиролиза.

 

Инсталляция технологии иллюстрируется следующим рисунком, заимствованным у компании SCFI – разработчика аналогичного процесса. 

     В отличие от ирландской технологии в нашем случае кислород воздуха в СК-реактор не подается – имеет место гидропиролиз органической среды. Такая среда (отходы) загружается в емкость, где формируется водная суспензия отходов с заданными влажностью, гомогенностью и степенью измельчения твердых частиц. Насосом высокого давления суспензия загружается в реактор с СК-водой. Продукты реакции – высокоэнтальпийная парогазовая смесь – проходят последовательно три теплообменных аппарата и попадают в сепаратор. 

      При этом энтальпия смеси последовательно снижается: подогревается загружаемая в реактор суспензия, образуется пар для турбины, вращающей вспомогательный электрогенератор. В сепараторе выделяется синтез-газ. Одна часть газа сжигается в газотурбинном двигателе, приводящем основной электрогенератор. Другая часть газа направляется на синтез дизельного топлива. Вспомогательный электрогенератор обслуживает работу насосов и контрольно-измерительной аппаратуры. Целевыми энергоносителями устройства являются электроэнергия основного электрогенератора и дизельное топливо.

     Экологические характеристики дизельного топлива соответствуют требованиям Евро-4. Соотношение между количествами газового и жидкого моторных топлив может регулироваться по требованию потребителя технологии. Сконденсированная в сепараторе вода обеззараживается действием высоких давлений, температур и может использоваться в рецикле. Минеральный остаток, в зависимости от состава отходов, может служить компонентом органоминеральных удобрений или строительных смесей. На данном рисунке показан и стартовый подогреватель, нужный для запуска процесса. 

     Некоторые варианты источников сырья технологии показаны на рисунке справа.Оценки показали, что, например, из 200 кг/час водной суспензии древесины с влажностью 80…85% можно получить 150 кВт электроэнергии или 10 кг/час дизельного топлива. При этом оборудование для получения 150 кВт электроэнергии помещается в 20-футовый контейнер. В нижней правой части следующего рисунка показана фотография опытно-промышленной установки гидропиролиза с производительностью по суспензии 400 кг/час (10 куб.м/сутки). Центральное место на фотографии занимают два СК-реактора. Высота реакторов – 2,5 м. Справа от фотографии установки в направлении сверху вниз приведены изображения основного периферийного оборудования опытно-промышленной установки – шламового насоса, коллоидной мельницы, емкости для загрузки сырья.

     Технология имеет двойное применение. Наиболее значимым для страны представляется гражданское использование технологии: с/хозяйственное производство и жилищно-коммунальном хозяйство. Это иллюстрируется рисунком ниже.

     Возможность рецикла воды позволяет предложить использование технологии в гражданском строительстве. На рисунке выше показана одна секция здания типового проекта П-44К. Для этого здания объем стоков составляет 70 куб.м/сутки. Такой объем отходов может быть переработан семью установками, показаных выше. Это технически несложно и означает, что 95% потребляемой таким зданием воды может быть возвращено для повторного использования в качестве технической воды. (Объем воды для питья не превышает нескольких процентов от общего объема потребляемой в жилищном секторе воды.) При этом радикально снизится нагрузка на водоподготовку и водоотведение. Следует отметить, что в данном случае такое оборудование является составной частью новых коммуникаций, а не отдельно взятым производством.

 

     Кардинально может измениться и облик городских очистных сооружений. Слева внизу на предыдущем рисунке показан вид сверху на сегодняшние очистные сооружения. Видны бассейны аэрации и иловые поля, являющиеся источниками зловонных запахов. Характерное время гидротермального окисления измеряется секундами, что позволяет перерабатывать стоки в реальном времени. Это позволяет отказаться от сегодняшнего накопления стоков, иловых полей и перерабатывать стоки так, как показано в нижней части последнего рисунка.

 

     Оборотное водоснабжение жилых зданий и реконструкция очистных сооружений могут составить реальное содержание реформ в сфере жилищно-коммунального хозяйства страны. (Завышение тарифов и замена ржавых труб на нержавые не составляют содержание реформ по сути понятия «реформа».)

 

      Поскольку органосодержащие отходы являются возобновляемым источником энергии, то гидропиролиз жидких отходов жизнедеятельности людей может эффективно использоваться для автономного энергообеспечения хозяйственного освоения Сибири и Дальнего Востока.

 

     Сельскохозяйственное производство – наиболее важная сфера применения этой технологии. Предлагается следующее объяснение такого утверждения. Мировой технологией утилизации с/х отходов является метантенковая технология, в которой 60% углерода почвенных угодий сжигается вместе с газом и изымается, таким образом, из естественного кругооборота углерода  конкретных почвенных угодий. Это наносит вред естественному плодородию почв и делает невозможным производство экологически чистой продукции там, где используется метантенковая технология. А для энергоэффективного использования отходов  в гидротермальном окислении достаточно 10…15% углерода, что означает существенно меньший вред, наносимый естественному плодородию почв.           Следует отметить, что тиражирование предлагаемой технологии замыкается на такие значимые понятия как «продовольственная безопасность страны» и «здоровье нации».

 

      Ближайшей задачей авторы технологии видят разработку типового проекта сельскохозяйственного применения гидротермального окисления с/х отходов. Это позволит придать технологии свойства товара и будет способствовать её массовому применению.