Мусор лучше не сжигать, а «взрывать»

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).

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.

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. %)».

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).

«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».