Термическое обезвреживание отходов является одной из основных технологий их утилизации, и имеет несколько классификационных признаков, например, по типу применяемых горелочных устройств. При сжигании отходов используются различные типы горелочных устройств, которые отличаются конструкцией, принципом работы и назначением. Рассмотрим основные типы горелочных устройств, используемых для сжигания отходов:
1. Топливные: газовые, жидкостные, твердотопливные;
2. Плазменные: индукционные, электро-дуговые;
3. Керамические;
4. Инфракрасные.
Последние две 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 нашего огромного опыта 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.
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. 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.
Дизельная горелка Ecoflame MAX 20
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.
Сравним технические характеристики двух типов горелочных устройств.
Технические характеристики |
Дизельная горелка |
Плазменная горелка |
Мощность |
86,4-237 кВт |
75 кВт |
Вид топлива/газ |
Дизельное |
Воздух, N2, O2, Ar, Ar+CO, Ar+CO2 и другие смеси |
Расход топлива/газа |
7,3-20 кг/ч |
5,4-36 кг/ч |
Потребляемая мощность |
0,45 кВт |
187 |
Гарантийный срок службы |
8760 часов |
катод 1000 часов анод 500 часов |
Охлаждение |
Воздух из окружающей среды |
Вода 60-80 л/минуту |
По данным технических характеристик КПД плазменной горелки составляет не более 40%. На ряду 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.
Наименование параметра |
Значение |
Низшая теплота сгорания отходов |
4462 ккал/кг |
Расход дизельного топлива |
12 л/ч |
Минимально требуемая мощность горелок |
119 кВт |
Газ для плазменных горелок |
Воздух |
Стоимость дизельного топлива |
55 руб/л |
Тариф на водопотребление |
37 р/м3 |
Тариф на электроэнергию |
8 руб/кВт |
Количество требуемых дизельных горелок |
1 ед. |
Количество требуемых плазменных горелок |
2 ед. |
Расходы на сжигание с плазменной горелкой |
3170 р/ч |
Расходы на сжигание с дизельной горелкой |
660 р/ч |
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.
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.