В советской фантастике был описан светлый проект борьбы с мусором — загружать его в ракеты и отправлять на Солнце, чтоб он сгорел. Недешево, но идея хорошая.
В Институте электрофизики и электроэнергетики РАН под руководством академика Рутберга (о его награждении премией "Глобальная энергия" журнал "Наука" писал в N2) создан промышленный генератор плазмы, в котором для переработки бытового мусора применяется низкотемпературный плазмохимический процесс. При этом не только утилизуются отходы, но и вырабатывается электроэнергия. Проект завода по переработке твердых бытовых отходов был представлен на экспертизу в фонд "Сколково". Академик Евгений Велихов, руководитель секции ядерных технологий инновационного фонда, дал положительное заключение, предложив первый промышленный образец построить на территории Сколкова.
— Сейчас мы плотно работаем на эту тему с фондом, — говорит заместитель директора компании "Плазмохимические технологии" Сергей Терехов. — Существует протокол, подписанный всеми сторонами. Если все сложится удачно, то к концу года уже будет первое воплощение — не в металле еще, наверное, но хотя бы в начале строительства. И тогда через год уже может быть построен завод.
Убивает все известные диоксины
Сейчас мусоросжигательные заводы не способны обеспечить полное сгорание отходов из-за относительно невысокой температуры — 800-1000 градусов. Поэтому в атмосферу выбрасываются тонны вредных веществ, в том числе диоксины, представляющие серьезную угрозу всему живому. Промышленные фильтры, способные полностью очистить дым от вредных примесей, наукой пока не придуманы.
Плазмогенератор Рутберга создает рабочую область реактора, с температурами от 1200 до 2000 градусов, где идет процесс пиролиза (термического разложения) и плазменной газификации органических отходов. В качестве плазмообразующего газа используется атмосферный воздух и водяные пары. В ходе пиролиза органики образуется синтез-газ — смесь монооксида углерода и водорода (СО и Н2), при дальнейшем сгорании которого выделяются углекислый газ и вода.
Рабочим органом плазмогенератора является плазмотрон — система электродов, создающих электрическую дугу, которая разогревает газ до ионизированного состояния. Сама установка представляет из себя реакторную колонну, в середине которой расположены генераторы плазмы, а в верхнюю часть засыпаются измельченные и гранулированные органические отходы. Попадая внутрь реактора, органика подвергается процессу газификации. Полученный синтетический газ может как подаваться на газовую турбину, которая вырабатывает электрический ток, так и использоваться для производства жидкого топлива и водорода. Несгораемые остатки в виде стеклоподобного шлака опускаются вниз.
— Плазма генерируется в плазмотроне при температуре от 2 до 6 тысяч градусов — объясняет принцип работы генератора академик. — Две тысячи — это минимум, шесть — это обычно максимум, хотя при необходимости можно и больше. В принципе, низкотемпературная плазма — это от пары тысяч до миллиона градусов, высокотемпературная — это сотни миллионов, те температуры, которые существуют при термоядерной реакции или в центре Солнца. Мы же оперируем температурами, которые соответствуют поверхности Солнца — это как раз и есть примерно 6 тысяч.
Так как в реактор попадает относительно холодное вещество (органические отходы), плазма разбавляется в нем, и температура внутри опускается до примерно полутора тысяч градусов — от 1200 до 1800. Этого вполне достаточно, чтобы поддерживался процесс плазмохимической реакции, но при этом не тратить лишней электроэнергии. Температура не ниже 1200 необходима, чтобы не было условий для образования диоксинов. Поэтому струя плазмы, испускаемая генераторами, регулируется таким образом, чтобы температура органической смеси находилась в установленных пределах — ниже нельзя, выше нет необходимости.
— В генератор подается защитный рабочий газ, то есть тот же воздух, — поясняет Рутберг, — чтобы ограничить область электрических дуг, где температура может быть и десять, и двадцать, и тридцать тысяч градусов. Через них продувается воздух, часть которого идет по краям объема, защищая стенки генератора — в итоге все перемешивается и создается рабочая температура плазмы.
Передвижная электрическая дуга
Самый изнашиваемый элемент плазмотрона — электроды. В плазмогенераторах, производимых иностранными компаниями, вне зависимости от того, из каких сплавов они сделаны, электроды разрушаются за 200-400 часов работы. В плазмотроне Рутберга, за счет специальной организации режима горения, когда электрическая дуга не привязывается к одной точке, а перемещается в магнитном поле, ресурс увеличен до двух тысяч часов, минимум до тысячи. Кроме того, по стоимости и простоте производства разработанные институтом электроды существенно дешевле зарубежных аналогов. В них используется либо чистая медь, либо порошковое соединение меди с железом.
Замена электродов в плазмотроне не представляет технологической проблемы — по словам Рутберга, она может быть произведена буквально за пять минут без какого-либо ущерба для общего процесса. Так как внутри реакторной колонны довольно большая масса вещества, она разогревается и остывает инертно.
— Вы можете все отключить хоть на полчаса, — говорит ученый. — Как процесс разогрева плазмохимического реактора может занять целые сутки, так и остывает он примерно столько же. Это раз. Второе, вы можете менять электроды последовательно, поскольку плазмотрон в реакторе не один — их там два, три, может быть и четыре. Вообще, мы рассчитываем на время непрерывной эксплуатации установки в 8 тысяч часов — то есть останавливать ее на профилактику можно раз или два в год.
— Из ста процентов мусора после переработки на сортировочной линии, — говорит Дмитрий Аронин, генеральный директор компании "Плазмотехнические технологии", — то есть после отбора всего полезного, что может быть использовано как вторсырье — это металл, бумага, стекло, пластик — остается порядка 25-30% органики, которую надо куда-то девать. Вся это органика может без проблем использоваться для газификации в плазмохимическом реакторе. Из того, что в нем переработается, останется 5-7 процентов остеклованного шлака, который в дальнейшем может применяться в дорожном строительстве.
Та установка, которую "Плазмохимические технологии" готовы поставить сейчас, способна перерабатывать 12 тысяч тонн мусора в год и будет производить до 2 мегаватт электроэнергии. Около половины производимой электроэнергии будет уходить на разогрев рабочей зоны реактора и поддержание процесса — так что авторы проекта рассчитывают на чистую отдачу электроэнергии не меньше мегаватта в час. За счет нагрева воды в контуре охлаждения станция будет производить и тепловую энергию, которая может использоваться для отопления. Получаемый в установке синтетический газ может быть сырьем для дальнейшей переработки.
— Из синтез-газа мы можем получать что угодно, — говорит Рутберг. — Можем вытащить водород — причем самый дешевый в производстве получится водород. Можем сжигать в газотурбине, под котлом, чтобы получить энергию, а можем производить спирты и дизтопливо. К сожалению, у нас в России не развито каталитическое производство, но за рубежом есть отработанные технологии. С их помощью можно получать и этанол, и метанол.
Сколковский мусор наружу не выйдет
— Но главное даже не это, — считает Аронин, — а то, что в трубу нашего предприятия по переработке мусора будет вылетать только CO2 и H2O — углекислый газ и вода. Те диоксины и фураны, которыми печально знамениты все мусоросжигательные заводы, исключены. Поэтому мы предложили фонду "Сколково" поставить первый завод по плазмохимической переработке твердых бытовых отходов на их территории. Параметры будущего города нам подходят. В среднем, один человек производит около полутонны мусора в год. Если население Сколкова составит 20-25 тысяч человек, как сейчас планируется, то такой завод производительностью полторы тонны в час проблему утилизации мусора решит полностью.
Подобных плазмохимических производств в мире пока нет. Существующие плазмогенераторы, говорит академик Рутберг, используются на других технологических принципах и давно морально устарели. Однако в Санкт-Петербурге уже действует опытная плазмогенераторная установка производительностью до 200 килограммов бытовых отходов в час, на которой отрабатываются все технологические процессы.
Также ведутся переговоры с зарубежными компаниями. Филипп Рутберг рассказал, что, например, проявили заинтересованность исландцы. Прибрежные воды острова загрязнены бытовым пластиком — его приносят атлантические течения.
— Пластик как сырье для плазмохимического реактора идеален. Чем больше пластика, тем лучше. Потому что он по энергосодержанию приближается к углю. То есть плазмохимическая утилизация всего того пластика, который плавает в океане (о катастрофических масштабах загрязнения "Наука" писала в N2), была бы наилучшим способом решения этой проблемы.
Подпись
Сверху в установку засыпаются измельченные отходы. В центре выжигающий их плазмотрон. Отвод полученного синтез-газа — справа внизу. Несгораемые остатки опускаются на дно