Сравнение технологий сжигания отходов с использованием топливных и плазменных горелочных устройств

1. Топливные: газовые, жидкостные, твердотопливные;

2. Плазменные: индукционные, электро-дуговые;

3. Керамические;

4. Инфракрасные.

Последние две керамические и инфракрасные не нашли применения в области термического обезвреживания отходов в связи со специфическими особенностями их использования, техническими сложностями систем управления, механическими повреждениями в процессе эксплуатации, высокой стоимости разработки и производства и экологическими аспектами. Первые же два типа горелок, особенно топливные, оказались значительно более перспективными в адаптации с технологиями сжигания отходов. На основании огромного опыта компании Эко-Спектрум в области по обращению с отходами рассмотрим, в чем отличие, преимущества и ограничения применения двух типов горелок и какую предпочтительнее применять в технологии термического обезвреживания и утилизации отходов.

Преимущества топливных горелок

Топливные горелки в зависимости от вида используемого топлива имеют конструкционные отличия, но принцип работы одинаков. На первом этапе происходит подача топлива – для жидкого топлива через форсунку, газовые горелки используют систему подачи газа. После осуществляется смешивание топлива с воздухом в определенных пропорциях, а далее воспламенение смеси при помощи искры (для газовых горелок) или запального факела (в случае жидкотопливных). В результате сгорания топлива выделяется тепло, необходимое для разогрева инсинератора, нагрева отхода и воздуха, подаваемого для реакции горения, испарения воды, компенсации теплопотерь через стенки корпуса и за счет уноса тепла дымовыми газами в атмосферу. На старте работы инсинератора источником необходимого количество тепла для термического обезвреживания отходов являются только горелки, после выхода работы инсинератора на рабочий режим компенсация тепла происходит или частично или полностью за счет отходов, многие из которых имеют высокий энергетический потенциал. Необходимо отметить, что уникальная авторская технология футеровки инсинераторов за счет многослойного монтажа изоляционных материалов создает эффект «термоса», то есть тепло, образуемое при сжигании отходов в отличии от других поставщиков аналогичного оборудования сохранится, создавая экономию потребления топлива до 85% (сокращение теплопотерь).    Управление горелочными устройствами происходит через систему управления по различным параметрам: температура, давление, расход топлива и воздуха, обеспечивая тем самым стабильный режим работы и безопасность эксплуатации.

Инсинератор HURIKAN 2000 R на дизельных горелках  lamborghini

Недостатки плазменных горелок

Плазменная горелка имеет принципиальные отличия от топливной тем, что вместо различных видов топлива использует в качестве источника тепла электричество и создает высокотемпературную плазму путем ионизации газа или смеси газов. Внутри плазменной горелки создается электрическая дуга между электродами при прохождении электрического тока через газовую среду, находящуюся внутри горелки. При прохождении тока через инертный газ, он нагревает его до очень высокой температуры, под воздействием которой молекулы газа начинают терять электроны и ионизироваться, в результате чего и образуется плазма – четвертое состояние вещества, характеризующееся наличием свободных ионов и электронов. Горячая плазма выталкивается из сопла горелки наружу под действием давления и магнитного поля. Вследствие генерирования чрезвычайно высоких температур (тысячи градусов Цельсия) горелка требует эффективного охлаждения – водяного или воздушного, чтобы предотвратить повреждение компонентов устройства. Для настройки горелки на определенный технологический процесс осуществляется контроль силы тока, напряжения, скорости подачи газа и других параметров.

Плазменная горелка PyroGenesis APT

Несмотря на более высокие температурные режимы, которые могут обеспечить плазменные горелки, массового применения они не нашли по причине ряда ограничений:

1. Высокие капительные затраты на производство и установку;

2. Высокие эксплуатационные расходы электроэнергии для генерации плазмы;

3. Необходимость высококвалифицированного персонала для настройки, обслуживания и мониторинга работы. Обучение и поддержание штата таких сотрудников – дополнительная финансовая нагрузка;

4. Требуется надежная система охлаждения из-за высоких температур для предотвращения перегрева и повреждения оборудования, что добавляет дополнительных технических требований и затрат;

5. Ограниченные возможности масштабируемости для условий работы на большом количестве отходов. Увеличение мощности требует значительного увеличения размеров и энергопотребления;

6. Повышенные требования к качеству сжигаемых отходов – необходимо обеспечить высокую однородность сырья. Наличие посторонних и неоднородных материалов затрудняет процесс и требует дополнительные меры предосторожности;

7. Высокая энергоемкость, что является ограничением для потребителей с высоким тарифом на электроэнергию;

8. Потенциальное вредное воздействие электромагнитных полей, создаваемых устройством, на здоровье и окружающую среду;

9. Меньшее количество выбросов от процесса функционирования горелки, но потребление электроэнергии также несет свой вклад в экологические аспекты на этапе производства этого количества электроэнергии, необходимого для эксплуатации;

10. Ограниченный срок службы плазмотронов, ресурс работы в подавляющем большинстве не превышает нескольких сотен часов;

11. Регуляторные барьеры в области лицензирования, сертификации, в вопросах безопасности эксплуатации, привлечения дополнительной экономической поддержки для оправдания инвестиций в дорогостоящее оборудование.

Сравнительный анализ горелок

Сравним технические характеристики двух типов горелочных устройств.

По данным технических характеристик КПД плазменной горелки составляет не более 40%.

Сравнение затрат на утилизацию отходов

Наряду с техническими характеристиками весомое значение имеет уровень материальных затрат на термическое обезвреживание отходов. Сравним расходы на сжигание при использовании плазменных и топливных горелочных устройств на примере «хвостов» сортировки ТКО.

Вывод:

Расходы на сжигание при использовании плазменной горелки в сравнении с топливной в 4,8 раз выше. Вероятно, достижение высоких температур для плазменных горелок является преимуществом по сравнению с топливными, однако в большинстве случаев является избыточным и нецелесообразным. Настолько высокие расходы могут быть оправданны только для уничтожения чрезвычайно опасных отходов – например радиоактивных отходов, где в результате воздействия высоких температур зольный остаток с радионуклидами остекловывается. Дымовые газы в преобладающем большинстве требуется дополнительно очищать перед сбросом в атмосферу как при использовании топливных горелок, так и для технологий с применением плазменных устройств. Для топливных горелок характерно наличие большего количества углекислого газа и воды в составе дымовых газов, однако необходимо учесть количество CO₂, выбрасываемого в атмосферу при производстве электроэнергии, питающей плазменные горелки.

Для информации: компания Эко-Спектрум разработала установку улавливания СО2 из дымовых газов, который может быть реализован в качестве ВМР. 

Товарный СО2 извлекается прямо в процессе сжигания отходов, читать статью: https://ecospectrum.ru/science/sensation/

Таким образом, для обоих типов горелок есть свои отличительные преимущества, однако при выборе необходимо оценивать все параметры экономического, экологического, эксплуатационного, человеческого и других факторов и комплексно подходить к определению технологии термического обезвреживания и утилизации отходов и ее специфики.