Создание способа безотходной переработки балластной фракции твердых коммунальных отходов в синтез-газ в расплаве металла с получением композиционных строительных материалов

технологической схемы производства синтез-газа (электроэнергии) с использованием расплавной газификации. Основная идея газификации – использование металлургической плавильной печи для конверсии углеродосодержащих отходов при высокой температуре в ванне, содержащей раствор углерода в расплавленном железе, с продувкой кислородосодержащим газом. В этом случае нагретый до высоких температур расплав обеспечивает эффективный подвод тепла к реагентам и перенос химически растворённого кислорода (в форме FexOy) к углероду, поступающему с отходами. В данном процессе можно использовать два вида кислородосодержащего газа: водяной пар и молекулярный кислород (воздух). Каждый из этих газов имеет определённые преимущества: кислород (воздух) обеспечивает дополнительное выделение тепла в реакции окисления углерода, а процесс с использованием водяного пара приводит к образованию дополнительного количества водорода, но требует и дополнительных затрат энергии.
Из термодинамического анализа сделаны следующие выводы:
1. Процесс пиролиза отходов не является предпочтительным по сравнению с паровой конверсией и парциальным окислением. Этот процесс приводит к высокому энергопотреблению и малому выходу синтез-газа.
2. Оптимальный процесс – паро-воздушная (-кислородная) конверсия с соотношением воздуха (кислорода) к пару, обеспечивающим как нейтральный тепловой баланс (постоянство температуры в печи), так и дополнительное количество получаемого синтез-газа.
3. Оптимальное объёмное соотношение [O2]/[H2O] в кислородосодержащем газе по оценке равно 1,4. Это значение соответствует массовому соотношению MH2O/(MH2O + MO2), равному 0,28.
Выполнено моделирование безотходной технологической схемы производства синтез-газа (электроэнергии) с использованием расплавной газификации с целью выбора оптимальной технологической схемы.
Установлено, что процесс пиролиза отходов не выгоден по сравнению с паровой переработкой и частичным окислением. Этот процесс ведёт к высокому потреблению энергии при низком уровне производства синтез-газа.
Проведённое моделирование показало, что смеси чистый кислород/H2O или обогащенный воздух/H2O являются оптимальными окислителями. Эти окислители производят максимальный общий выход мощности. Более того, высокое содержание воды в реагентах увеличивает производство H2 в синтез-газе и, значит, ведёт к дополнительному производству электричества. Однако, наивысший теоретический предел содержания воды в 55% массы (при 100% рекуперации тепла) должен быть уменьшен из-за массово-тепловых ограничений на скорость передачи энергии от продуктов к окислителю и отходам. Таким образом, оптимальное содержание воды по массе в окислителе 20–23% для чистого кислорода и 11–23% для обогащённого воздуха.
Проведено численное моделирование процессов в ванне расплава, результаты которого показывают, что:
1. основные процессы, определяющие общее время газификации отходов: нагрев гранулы, её пиролиз и растворение кокса в металлической ванне.
2. лимитирующую стадию, которая характеризует общую скорость газификации, определяет решение самосогласованной системы, принимающей в расчёт все указанные процессы.
Характеристическое время газификации сильно зависит от двух основных параметров: размеров гранулы и температуры металлической ванны. При температурах ниже 1600 K и начальном размере 1,2 см лимитирующий процесс – растворение кокса (характеристическое время 150 с), в то время как при высоких температурах (T>1800 K), лимитирующим является процесс пиролиза гранулы, характеризующийся временем процесса 200 с. Уменьшение размеров гранулы в области высоких температур ведёт к уменьшению времени процесса как t~1/d2.
Выполнена разработка макетной установки газификации горючей фракции твёрдых углеводородсодержащих отходов в расплаве металла с производством синтез газа. Сделаны выбор габаритов и расчет базовых параметров установки для генерации синтез-газа в плазменно-расплавном реакторе.
Разработана конструкция экспериментальной установки. Рабочая эскизная конструкторская документация установки представлена в Приложении к Отчёту.

Результатами данной работы является:
1. Изготовление, сборка и наладка узлов макетной установки и установки в целом.
2. Разработка тeхнологичeского рeгламeнта переработки балластной фракции твердых коммунальных отходов в части способов подготовки и предварительной сепарации балластной фракции твердых коммунальных отходов с выделением горючей и негорючей составляющих.
Технологический регламент приведен в Приложении Отчёту.

В ходе выполнения третьего этапа данной работы были проведены макетные эксперименты в обоснование технологического процесса газификации твердых органических материалов в расплаве металла в индукционном тигле. В ходе испытаний обеспечивались и контролировались следующие параметры:
- температура расплава металла;
- концентрация H2 в выходной газовой смеси из установки;
- концентрация CO в выходной газовой смеси из установки;
- состав газовой смеси (объемная концентрация) на выходе из установки.
Был разработан Технологический регламент с целью отработки на экспериментальной установке технологического режима процесса переработки твердых коммунальных отходов в синтез-газ в расплаве металла, а также определения норм расхода материальных ресурсов и энергии и образования целевых продуктов (синтез-газа и строительных композиционных материалов).

Производительность модуля составляет 44 000 т мусора в год. Унифицированный модуль переработки является рентабельным и окупается за 5-6 лет. Производимый синтез-газ сжигается в газовой турбине. Завод из 8-ми модулей будет отпускать потребителям электрическую мощность 18,2 МВт и тепло 23,7 Гкал/час.
Был разработан общий технологический регламент переработки балластной фракции твердых коммунальных отходов в части способов подготовки и предварительной сепарации балластной фракции твердых коммунальных отходов с выделением горючей и негорючей составляющих, получения синтез-газа, и использование негорючей составляющей в виде композиционных строительных материалов с использованием шлака расплавного процесса газификации с целью отработки на макетной установке технологического режима процесса переработки твердых коммунальных отходов в синтез-газ в расплаве металла, а также определения норм расхода материальных ресурсов и энергии и образования целевых продуктов (синтез-газа и строительных композиционных материалов).
Была подана заявка на изобретение (полезную модель): «Устройство для электротермической переработки отходов» (№ 2008139184 от 02.10.2008 г.).