На основе получения мощного вихревого движения твердых частиц с помощью электровибраторов разработан эффективный метод термической переработки горючих отходов (ТБО), при котором твердые частицы, участвуя в сложном хаотически упорядоченном движении, дробятся на все более мелкие фрагменты, на поверхности которых протекают реакции газификации в условиях сверхкритического состояния газовой среды. Целенаправленное использование вибрационно-вихревых режимов (ВВ-режимов) для проведения процессов газификации открывает широкие возможности для утилизации разного рода горючих отходов: твердых бытовых и промышленных (ТБПО), нефтесодержащих шламов (отходов нефтедобычи, транспорта, переработки и распределения нефти и нефтепродуктов), биологических и т.п. - с высокой энергетической эффективностью, экологической чистотой и низкими затратами.

       Газификация - широко используемый в металлургии способ переработки некоксующихся углей - осуществляется в вихревых реакторах или печах с кипящим слоем при температурах 600-1100°С в атмосфере газифицирующего агента (воздух, кислород, водяной пар, диоксид углерода или их смесь). В результате реакции образуются синтез-газ (H2, СО), туман из жидких смолистых веществ, бензопирена и диоксинов. Реакция газификации протекает в среде с восстановительными свойствами, поэтому оксиды азота и серы практически не образуются. Масса тумана при 600°С может доходить до 30% от массы синтез-газа. При увеличении температуры газификации доля тумана в массе синтез-газа падает и при температуре более 1100°С близка к нулю.

       Предлагаемые технологии термической переработки основаны на двухстадийной схеме, показанной в общем виде на Рис. На первой стадии перерабатываемый материал подвергается газификации в вибрационно-вихревой печи в сверхкритической газовой среде с восстановительными свойствами. Получаемый при этом энергетический продукт синтез-газ, содержащий водород Н2, окись углерода СО и в ряде случаев углеводороды или другие органические соединения, подается на циклон, где происходит окончательное отделение синтез-газа от золы уноса и перераспределение тепловой энергии. Синтез-газ подается на сжигание (паровой, водяной котел, газовые турбины или энергетические дизели) или на каталитический синтез метанола. Зола, остающаяся после газификации, может содержать незначительное количество углерода и соли тяжелых металлов, растворимые в воде. После проверки золы на отсутствие бензопирена, диоксинов и тяжелых металлов в подвижной форме она может быть направлена на захоронение или дальнейшую переработку.

              При газификации можно сжигать следующие виды топлива:

• углеродсодержащие материалы с содержанием углерода от 10% до 40% (зола уноса тепловых электростанций, шлаки котельных, почва, загрязненная углем и т.д.);
• нефтешламы из нефтехранилищ, почва, загрязненная нефтью и нефтепродуктами, отходы нефтеперерабатывающих предприятий;
• отходы деревообрабатывающей, целлюлозно-бумажной, лесной (опилки, щепа, кора, лигнин и т.д.);
• различные виды ила очистных сооружений, полей фильтрации, ила после метантанков при биологической обработке и т.д.;
• твердые бытовые отходы;
• больничные отходы;
• отходы покрасочных производств и лакокрасочной промышленности;
• старые автомобильные покрышки, отходы производств резинотехнических изделий, полимерные отходы;
• отходы сельскохозяйственного производства;
• почва, загрязненная различного вида органическими веществами;
• различного рода отходы химических производств;
• отходы фармацевтической промышленности (активированный уголь после использования и пр.).

       Газификация осуществляется в реакторе, который представляет собой газодинамический измельчитель, в котором вихревое движение создается специальным пространственным расположением электровибраторов. При этом реализуется многокаскадное ударное измельчение при регулируемых скоростях соударений, близких к порогу разрушения материала. Принцип получения вихревого движения малозатратен и составляет величину порядка 1 кВт/час на 1 тн измельчаемого материала. Специфической особенностью данного процесса является такая его организация, что выделяющееся при горении тепло концентрируется в зоне пространственного вихря, где происходит непрерывное измельчение сырья, что позволяет совершать процессы газификации на поверхности частиц, ввиду их высокой реакционной способности, при этом извлекается водород из воды и окись углерода из углеродосодержащих соединений. Некоторая часть углерода сгорает полностью с образованием углекислого газа СО2, за счет чего в зоне газификации поддерживается необходимая температура. Среда реактора характеризуется восстановительными свойствами и поэтому оксиды серы и азота практически не образуются.

       Перерабатываемое сырье загружается в реактор снизу шнековыми питателями. Совместно с сырьем подается воздух или водяной пар. Отбор синтез-газа происходит в верхней части реактора, а выгрузка зольного остатка - в нижней. Движение рабочей массы в реакторе происходит под действием пространственного вихря. Пространственный вихрь имеет ряд особенностей. Частицы сырья по внешней стенки вихря совершают вращательно-подъемное движение, а по внутренней стенке вихря вращательно-опускаемое. При таком движение частиц происходит их непрерывное измельчение. Поверхность, образующаяся в месте деструкции частиц, обладает повышенной реакционной способностью, и все реакции разложения и присоединения происходят в приповерхностном слое при температурах существенно ниже традиционных.

       Газовая среда реактора ввиду избыточного давления, возникающего из-за перехода жидких и твердых веществ в газообразное состояние, находится в состоянии, которое характеризуется как сверхкритическое состояние газовой среды. Современные представления трактуют сверхкритическое состояние как наличие свободных молекул и многочисленных слабо связанных кластеров молекул. Расстояния между присутствующими в сверхкритической фазе частицами (молекулами и кластерами) значительно больше, чем в классической жидкости, но намного меньше, чем в обычных газах. Внутри кластеров молекулы располагаются хаотическим образом, то есть вовсе не так, как они располагаются в настоящей жидкой фазе данного вещества. Энергия взаимодействия молекул в кластерах очень невелика. В то же время скорости, с которыми отдельные молекулы входят в кластеры и покидают их, очень высоки. Отсюда вытекает исключительно низкая вязкость и одновременно высокая диффузионная способность сверхкритической среды. Обе характеристики исключительно важны и лежат в основе практического использования вещества в сверхкритическом состоянии. Можно сказать и так: сверхкритические среды - это газы, сжатые до плотностей, приближающихся к плотностям жидкостей.

              Характеристические особенности процесса:

• процесс газификации имеет высокий энергетический КПД (до 95%), позволяющий перерабатывать материалы с малым содержанием горючих составляющих (с зольностью до 90%) или с высокой влажностью (до 60%);
• принцип организации вихревого движения газового потока в реакторе и обеспечивают крайне низкий вынос пылевых частиц с синтез-газом, что дает возможность сильно сократить капитальные затраты на газоочистное и энергетическое оборудование;
• в некоторых случаях, когда необходимо проводить очистку газовых выбросов от соединений серы, хлора или фтора, пыли, паров ртути, очищать синтез-газ оказывается проще, чем дымовые газы, благодаря низкой температуре, меньшему объему и более высокой концентрации загрязнителей; кроме того, сера присутствует в синтез-газе в восстановленных формах (H2S, COS), которые много проще поглотить, чем SO2;
• при газификации происходит частичное разложение азотсодержащих органических соединений в бескислородной среде, что дает меньшее количество окислов азота в дымовых газах;
• сжигание газа в современных газовых горелках - наиболее чистый способ сжигания из всех известных; за счет высокой полноты сгорания дымовые газы содержат чрезвычайно мало оксида углерода и остаточных углеводородов;
• сжигание в две стадии позволяет резко уменьшить образование диоксинов (полихлорированных дибензодиоксинов и дибензофуранов), поскольку даже при наличии хлора подавляется появление в дымовых газах ароматических соединений (предшественников диоксинов) и обеспечивается низкое содержание пылевых частиц (катализаторов образования диоксинов в дымовых газах);
• зола, выгружаемая из реактора, имеет низкую температуру и практически не содержит недогоревшего углерода;
• при утилизации некоторых видов отходов имеется возможность извлечения из синтез-газа товарных материалов для последующей переработки (например, нефтепродуктов, олигомеров олефинов и др.);
• выбор оборудования для утилизации тепла при сжигании синтез-газа не ограничивается паровым или водяным котлом; возможно также применение газовых турбин и энергетических дизелей; предлагаемая схема переработки легче вписывается в имеющуюся промышленную инфраструктуру, например, синтез-газ может подаваться в имеющуюся топку для замены части кондиционного топлива.

       Производительность установки мусоросжигания может наращиваться путем установки нескольких модулей-реакторов вышеуказанного размера.

       В настоящее время ведется разработка реакторов иных типоразмеров. Остальное оборудование, включающее, в том числе энергетическое и очистное оборудование, как правило, комплектуется из существующего, имеющегося в производстве. В ряде случаев производится модернизация этого оборудования. Совместно со специализированным КБ и заводом-изготовителем ведется проработка вопроса применения газовой турбины, работающей на получаемом синтез-газе. Совместно с ВНИИ "Нефтехим" (г.Санкт-Петербург) разрабатывается технологическая схема синтеза метанола из получаемого синтез-газа.

E-mail: tk-oil@bk.ru