Инновации 21 февраля 2022

Мусор лучше не сжигать, а «взрывать»

Российские ученые разработали способ утилизации любых отходов без сжигания. На выходе нет никаких вредных выбросов, представляющих опасность для здоровья человека и окружающей среды. Технологию создал доктор физико-математических наук Сергей Фролов из Федерального исследовательского центра химической физики им. Н.Н. Семенова РАН (ФИЦ ХФ РАН)
Мусор лучше не сжигать, а «взрывать»
Иллюстрация предоставлена С. Фроловым

Подобное решение предлагалось еще в СССР: если обрабатывать мусор, причем несортированный, водяным паром температурой около 2000 °С, то он полностью разлагается. Поскольку процесс проходит без доступа кислорода, отходы не горят, а значит, не образуются опасные соединения. На выходе — синтез-газ, из которого получают жидкие топлива, электроэнергию, тепло. Но советские исследователи не смогли решить проблему создания чрезвычайно высокой температуры.

В группе Сергея Фролова из ФИЦ ХФ РАН изготовили и испытали импульсно-детонационный пароперегреватель (ИДП). Он позволяет получать пар с температурой более 2000 °С при стандартном атмосферном давлении благодаря циклической детонации тройных смесей «горючий газ — кислород — водяной пар». В рамках проекта Минобрнауки создана установка-демонстратор для глубокой паровой конверсии коммунальных и промышленных отходов в энергетический газ или синтез-газ (смесь СО и Н2).


ФРОЛОВ.jpg
Доктор физико-математических наук из Центра химической физики РАН Сергей Фролов
Фотография предоставлена С. Фроловым

В трубу установки вгоняют тройную смесь и поджигают. Происходит взрыв, порождающий детонационную волну. Через сотые доли секунды она с астрономической скоростью (до 2 км/с) влетает в реактор «бороться» с отходами. Через десятые доли секунды все повторяется. Раскаленный водяной пар расщепляет мусор до молекул, превращая все в синтез-газ. В продуктах переработки отсутствуют опасные соединения и канцерогены.

Сергей Фролов рассказал «Стимулу», какие исследования легли в основу изобретения. «Мы в течение многих лет изучаем явление, называемое газовой и гетерогенной (капельной, пленочной) детонацией, — говорит ученый. — ФИЦ ХФ РАН — старейшая и лучшая в мире научная школа по горению и детонации. Детонация — это стационарный самоподдерживающийся волновой режим протекания экзотермической реакции, распространяющейся со сверхзвуковой скоростью в химически активной среде, в котором зажигание и химическое превращение вещества происходит благодаря его сжатию и разогреву в лидирующей ударной волне. В отличие от детонации привычное нам горение — это стационарный самоподдерживающийся волновой режим протекания экзотермической реакции, распространяющейся с дозвуковой скоростью в химически активной среде, в котором зажигание и химическое превращение вещества происходит благодаря молекулярно-турбулентному переносу массы и энергии между свежей смесью и продуктами реакции».

В режиме детонации

ИДП — это обычная труба (например, длиной 3 м и диаметром 50 мм или длиной 6 м и диаметром 150 мм) с одним закрытым и одним открытым концом, оборудованная тремя входными отверстиями: для горючего газа (к примеру, природного газа), кислорода (или воздуха) и водяного пара (температура выше 100 °С). Через эти отверстия труба периодически (с частотой циклов, например, 5 Гц) заполняется горючей газовой смесью, разбавленной водяным паром. В каждом цикле по заполнении трубы такой смесью происходит зажигание смеси у закрытого конца трубы обычной свечой зажигания. После зажигания по смеси по направлению к открытому концу трубы распространяется ускоряющееся пламя, которое в некотором сечении трубы переходит в детонацию, так что вся остальная смесь сгорает в режиме детонации. Температура и давление продуктов детонации достигают значений выше 3000 °С и 20 атм, а сами продукты детонации в основном состоят из водяного пара (до 80 об. %) и диоксида углерода (до 20 об. %), а свободного кислорода вообще нет. Если используется воздух, то в продуктах есть азот.

magnifier.png Производительность опытного образца — 100 кг отходов в час. Как говорят разработчики, установка легко масштабируется до тонны в час и более. Конструкция очень простая и нематериалоемкая

Продукты детонации, истекая в виде очень плотной струи через открытый конец трубы, расширяются до атмосферного давления, но их температура остается выше 2000 °С. Чтобы уменьшить долю смеси, сгорающей в режиме ускоряющегося пламени, в трубе устанавливаются препятствия специальной формы. Таким образом, ИДП циклически переводит исходную горючую смесь, разбавленную водяным паром, в ультраперегретые продукты детонации, которые могут использоваться для бескислородной газификации любых органических отходов в реакторе простой формы (например, сферической), не допускающей скопления сырья.

Экологичность — 100%

«Экологичность такой газификации, — поясняет Сергей Фролов, — состоит в том, что, во-первых, в реакторе нет горения, то есть отходы газифицируются в отсутствие свободного кислорода, который, как известно, способствует образованию диоксинов и фуранов при наличии хлорсодержащих веществ, таких как пластики; во-вторых, ввиду отсутствия горения в реакторе вообще нет выхлопной трубы: есть выходной патрубок, через который непрерывно выходит продукт газификации — синтез-газ, состоящий только из водорода (до 50‒60 об.%) и СО (до 40‒50 об. %)».


ТВЕРДЫЕ ОТХОДЫ.jpg
Иллюстрация предоставлена С. Фроловым

По словам ученого, часть синтез-газа (до 30%) можно использовать для замены природного газа в ИДП, то есть природный газ нужен только для вывода реактора-газификатора на рабочий режим. Другая часть синтез-газа (более 70%) идет потребителю для производства химических веществ (метанол, аммиак, водород, моторные топлива и др.), для экологически чистого производства электричества с помощью поршневых или газотурбинных установок или для экологически чистого производства тепла в котельных.

Экологическая чистота при сжигании смеси водорода и СО достигается тем, что продукты горения этой смеси состоят только из воды и СО2. Более того, ввиду высокой реакционной способности водорода для получения тепла и электричества можно сжигать смеси, сильно обедненные горючим, так что выход СО2 (парниковый газ) можно уменьшить в разы.

Для функционирования такого реактора-газификатора нужны следующие составляющие: измельченное сырье (органический мусор), вода, кислород и немного природного газа для выхода на режим. Начальное измельчение сырья требуется для обеспечения непрерывной работы реактора. Ударные волны, поступающие в реактор, сами обладают гигантской разрушительной силой, так что измельченный мусор распыляется в еще более мелкие частицы.  При наличии в сырье неорганических веществ последние окисляются, образуя простейшие твердые оксиды, которые непрерывно или периодически извлекаются через днище реактора. Хлор-, сера-, фтор- или азотсодержащие вещества, имеющиеся в сырье, превращаются в простейшие хлориды, сульфиды, фториды или нитриды водорода (HCl, H2S, HF, NH3), которые можно выводить из реактора с избыточной водой и разделять для получения товарных химических соединений (кислот, аммиака).

magnifier.png В трубу установки вгоняют тройную смесь (горючий газ — кислород — водяной пар) и поджигают. Происходит взрыв, порождающий детонационную волну. Через сотые доли секунды она с астрономической скоростью (до 2 км/с) влетает в реактор «бороться» с отходами

«Твердые отходы — отличный и безопасный материал для дорожных покрытий, кровли, плитки и так далее, — говорит Сергей Фролов. — Данным методом можно обезвреживать или безопасно уничтожать медицинские и другие твердые, жидкие и газообразные отходы. Ввиду положительного энергетического баланса метод экономически эффективен и дешев (срок окупаемости два-три года). Мировых аналогов нет».

Производительность опытного образца — 100 кг отходов в час. Как говорят разработчики, установка легко масштабируется до тонны в час и более. Конструкция очень простая и нематериалоемкая. Для повышения производительности можно сделать сотни таких установок и разместить их возле водоочистных сооружений, а для работы установок брать воду, сбрасываемую в водоемы.

Эффективность новой технологии делает возможным полностью обеспечить собственные нужды в горючем газе и электроэнергии и примерно 50% продавать. Кроме того, по словам Сергея Фролова, технология безотходна, и, что очень ценно, обеспечивает газификацию любых отходов. Разработка может быть использована в рамках национального проекта «Экология».

Темы: Инновации

Еще по теме:
04.08.2022
«Мегафон» создал уникальную систему видеоаналитики для безопасности городов. При помощи систем нейроаналитики она может ...
29.07.2022
Национальный чемпион Biocad начинает клинические испытания лекарства от одного из редких наследственных заболеваний. Это...
22.07.2022
Сотрудник Московского университета запатентовал новый движитель для наземного транспорта. Его разработка разрешает давни...
21.07.2022
Студенты Санкт-Петербургского политехнического университета создают шлем для проведения электроэнцефалографии с «сухими»...
Наверх