Производство тепловой энергии

Существуют различные способы обработки отходов, с помощью которых может быть восстановлена энергия. Наиболее подходящая обработка зависит от вида отходов и их химического состава. Таким образом, в общих чертах основными процессами, используемыми компанией Condorchem Envitech, являются следующие:

Биометанизация

Биометанизация представляет собой биологический, многоступенчатый процесс при отсутствии кислорода, который превращает наиболее разлагаемую фракцию органического вещества в биогаз. Это осуществляется гетерогенной популяцией микроорганизмов, образующих смесь газов, состоящую в основном из метана и углекислого газа, с другими газами в меньшей пропорции (например, водяным паром, CO, N₂, H₂, H₂S и др.).

Биогаз является источником энергии, поскольку это горючий газ с высокой теплоемкостью (5750 ккал /м3), энергия которого используется в когенерационных двигателях, котлах и турбинах (вырабатывающих электроэнергию, тепло или в качестве биотоплива).

Тип сброженного материала значительно влияет на выход и состав получаемого биогаза. Для максимального производства лучше всего использовать отходы, богатые жирами, белками или углеводами, так как их разложение влечет за собой образование значительного количества летучих жирных кислот, предшественников метана.

Биометанизация является подходящим процессом для очистки и рекуперации сельскохозяйственных, животноводческих и городских отходов, а также для стабилизации осадка, образующегося при очистке городских сточных вод.

Пиролиз

Пиролиз представляет собой термическое разложение материала при отсутствии добавленного кислорода, поэтому разложение происходит за счет тепла, без реакций горения. Основные детали этого процесса показаны ниже.

• В отходах, подлежащих обработке присутствует только кислород.
• Рабочие температуры находятся в диапазоне от 300°C до 800°C.
• В результате этого процесса получается следующее:
  •  Синтез-газ (основными компонентами которого являются CO, CO₂, H₂, CH₄) и более летучие соединения, образующиеся при крекинге органических молекул, вместе с уже существующими в отходах.
  • Жидкие отходы, в основном состоящие из длинноцепочечных углеводородов, таких как гудроны, масла, фенолы или воски, которые образуются при конденсации при комнатной температуре.
  • Твердый остаток, состоящий из всех негорючих материалов, которые либо не были преобразованы, либо образовались в результате молекулярной конденсации, наряду с высоким содержанием угля, тяжелых металлов и других инертных компонентов, уже находящихся в отходах.
•  Поскольку наиболее летучие соединения не окисляются, теплотворная способность синтез-газа в процессе пиролиза колеблется в пределах 10-20 Мдж/нм³.

Низкие рабочие температуры вызывают меньшее улетучивание углерода и других загрязняющих веществ-предшественников в газовом потоке, таких как тяжелые металлы или диоксины. Таким образом, сжигаемые газы теоретически будут нуждаться в меньшей очистке, чтобы соответствовать минимальным пределам выбросов, установленным в директиве по сжиганию. Соединения, которые не улетучиваются, останутся в остатках пиролиза, и ими нужно должным образом управлять.

Для обработки отходов пиролизом необходимо выполнить ряд требований. Однако трудно установить, какой тип отходов считается подходящим или неподходящим, поскольку он тесно связан с типом используемого реактора и условиями эксплуатации. В основном, наиболее подходящими отходами считаются бумага, картон, древесная щепа, садовые отходы и выборочная пластмасса. При этом, крупные отходы, металлы, строительные материалы, опасные отходы, стекло и пластмассы, такие как ПВХ, не являются приемлемыми.

Газификация

Газификация представляет собой процесс частичного окисления вещества в присутствии меньшем количестве кислорода, чем требуется стехиометрически. В общих чертах детали процесса газификации потока отходов заключаются в следующем:

• Воздух, кислород или пар используются в качестве источника кислорода, а иногда и в качестве носителя для удаления продуктов реакции.
• Рабочая температура обычно превышает 750°C.
• Химические реакции, протекающие в этом процессе, бывают двух типов: молекулярный крекинг – температура заставляет более слабые молекулярные связи распадаться на более мелкие молекулы, которые обычно являются летучими углеводородами – и конверсия газа. Эти реакции газификации являются специфическими технологическими процессами, и водяной пар в них обычно вмешивается в качестве реагента.
• В результате процесса газификации получается следующее:
  • Синтез-газ, состоящий в основном из CO, H₂, CO₂ и N₂, если в качестве газификатора используется воздух, и CH4 в меньшей пропорции. Гудроны, галогенированные соединения и частицы в качестве вторичных продуктов.
  • Твердый остаток негорючих и инертных материалов, присутствующих в отходах, которые обычно содержат часть негазифицированного углерода. Свойства этого остатка аналогичны шлаку из печей мусоросжигательных заводов.
  • Количество, состав и теплотворная способность газов из процесса газификации зависят от состава отходов, а также от температуры и объема используемого воздуха и пара.

Синтез-газ из процесса газификации потенциально имеет несколько применений:

• В качестве сырья при производстве органических соединений, таких как прямой синтез метанола, аммиака или для его превращения в водород с помощью пара или каталитического риформинга.
• В качестве топлива при производстве электроэнергии с помощью тепловых циклов, отличных от циклов водяного пара, будь то комбинированные или простые циклы, в газовых турбинах или двигателях внутреннего сгорания.
• Как топливо в традиционных котлах или печах.

Однако не все отходы пригодны для газификации; её можно использовать для очистки только определенных материалов. Подаваемый материал должен быть обеспечен следующими свойствами: минимальным содержанием инертных или влажных компонентов; размером частиц 80-300 мм; достаточным количеством углерода, позволяющим проводить реакции процесса газификации без опасных веществ; и, по возможности, высокой теплотворной способностью.

Сжигание

Во время сжигания происходит горение, которое представляет собой химическую реакцию, основанную на полном термическом окислении в избытке кислорода. Общие требования к сжиганию отходов заключаются в следующем:

• Избыточный кислород по отношению к стехиометрической реакции во время горения обеспечивает полное окисление.
• Температура горения обычно находится между 850°C и 1100°C после последнего впрыска вторичного воздуха, в зависимости от состава галогенированного соединения очищаемого остатка.
• В результате процесса сжигания получается следующее:
  • Газы горения, состоящие в основном из CO₂, H₂O, непрореагировавших O₂ и N₂ при подаче воздуха в газ горения, а также другие соединения в меньших пропорциях из различных компонентов отходов. Компоненты, присутствующие в меньших количествах, будут зависеть от состава отходов, подлежащих очистке. Например, они могут содержать кислые газы из реакций с галогенами, серой, летучими металлами или органическими соединениями, которые не окисляются. Наконец, газы сгорания будут содержать частицы, которые переносятся газами.
  • Твердые отходы, в основном состоящие из инертного шлака, золы и отходов системы очистки дымовых газов.

Общий процесс преобразует практически всю химическую энергию, содержащуюся в топливе, в тепловую энергию, оставляя некоторую химическую энергию не преобразованной в газе сгорания и очень небольшую часть химической энергии, не преобразованной в золе. Тепло от этого процесса используется для получения перегретого пара с выходом тепла порядка 80%, из-за тепловых потерь как в топке, так и в котле, и минимальной температуры, необходимой для выхода газа горения из котла-утилизатора.

Процессы сжигания очень гибкие с точки зрения гетерогенного топлива, поэтому они могут обрабатывать городской мусор (ТБО), промышленные отходы, опасные отходы, осадки сточных вод и больничные отходы.

Производство плазмы

Плазма представляет собой состояние вещества, состоящего из газа, подвергнутого воздействию высоких температур, в котором практически все атомы ионизированы. В результате получается среда, образованная смесью электронов, ионов и свободных нейтральных частиц, являющаяся в целом электрически нейтральной, но проводящей электричество.

Описание этого процесса:

• Плазма формируется путем пропускания инертного газа через электрическое поле между двумя электродами, образующими так называемую плазменную дугу.
• Рабочая температура колеблется в пределах 5000-15000°C.
• Внутри газа происходят следующие реакции: диссоциация атомов, потеря электронов из внешних слоев и образование положительно заряженных частиц.
• Обоснование этого процесса заключается в следующем: если газ в указанных выше условиях ввести в электрическое поле, то в результате движения свободных электронов к положительному полюсу электрического поля образуется электрический ток, а положительные частицы будут двигаться к отрицательному полюсу. Этот электрический ток определяет удельное сопротивление и, следовательно, преобразование в тепло, которое зависит от напряжённости электрического поля. Таким образом, при увеличении напряженности электрического поля увеличивается электронная и катионная напряженность, происходит превращение в тепло и повышается температура газа.
• Практическим ограничением этого процесса является механическая и термическая прочность электродов.

В качестве термического метода обработки отходов, плазма имеет 3 варианта:

• Обработка опасного газа, молекулярная структура которого разрушается при воздействии рабочих температур. Наглядными примерами являются уничтожение ПХД, диоксинов, фуранов и пестицидов.
• Остеклование опасных отходов, как органических, молекулярная структура которых разрушается, так и неорганических, путем их сплавления в стекловидную массу. После охлаждения и затвердевания расплава, отходы физически попадают в стекловидную массу, превращаясь в инертное твердое вещество, что сводит к минимуму возможность выщелачивания.
•  Плазменная газификация, при которой тепловая энергия, содержащаяся в самой плазме, используется в качестве источника тепла от (обычно электрической) энергии, потребляемой для ее производства. Таким образом, конечными продуктами являются: газ, состоящий в основном из окиси углерода и водорода, и твердый остаток, состоящий из инертного, как правило, остекленевшего шлака.

В результате испытаний, проведенных на опытной установке, эта технология может обрабатывать широкий спектр отходов, таких как ТБО, промышленные отходы, биомасса, бытовые отходы, утилизация транспортных средств, шины, пластмассы и специальные отходы.

Иерархия обращения с отходами устанавливает тип обработки и приоритет, который должны получать отходы; например, когда повторное использование и рециркуляция невозможны, необходимо рассмотреть вопрос о рекуперации.

“Рекуперация” – это любая операция, основной результат которой заключается в том, что отходы служат полезной цели за счет замены других материалов, которые в противном случае использовались бы для выполнения определенной функции; или когда отходы подготавливаются для выполнения этой функции на заводе или в экономике в целом.

При рекуперации энергии отходы в основном используются в качестве топлива или каким-либо другим способом для производства энергии.

Процессы рекуперации энергии резко сокращают объем отходов при производстве обычно электрической или тепловой энергии. Энергия часто потребляется в самом процессе, так что управление отходами находит дополнительную экономию при приобретении электроэнергии.