Плазменные технологии и устройства для переработки отходов

УДК 658.567.5:[621.039.6:533.9]

Моссэ, А. Л. Плазменные технологии и устройства для переработки отходов / А. Л. Моссэ, В. В. Савчин. – Минск : Беларуская навука, 2015. – 411 с. – ISBN 978-985-08-1856-0.

В настоящее время интерес и разнообразие подходов к решению проблемы переработки и уничтожения различных видов накопленных и образующихся отходов существенно возросли. Это связано с тенденцией на «экологизацию» среды обитания, а также с возрастанием опасности от быстронакапливающихся токсичных отходов.
В монографии рассмотрены основные промышленные технологии переработки и уничтожения отходов различного происхождения и оборудование 
для их термической переработки. Показано, что для реализации экологически чистой технологии переработки отходов перспективно применение низкотемпературной плазмы. Достоинствами метода являются высокая производительность при малых габаритах оборудования, возможность создания желательной газовой атмосферы и совместной переработки различных отходов 
без их предварительной сортировки. Высокие температуры обеспечивают 
большую глубину переработки отходов и эффективное уменьшение их объема. Данная технология реализуется в плазменных устройствах стационарного 
и мобильного исполнения, конструкции и методы расчета которых представлены в монографии.
Предназначена для сотрудников научных и промышленных организаций, а также для студентов, преподавателей, аспирантов и докторантов.
Табл. 51. Ил. 189. Библиогр.: 195 назв.

Р е ц е н з е н т ы:

член-корреспондент НАН Беларуси,  
доктор технических наук, профессор В. А. Бородуля,
доктор физико-математических наук, профессор Ю. А. Лебедев

ISBN 978-985-08-1856-0 
© Моссэ А. Л., Савчин В. В., 2015
 
 
 
 
© Оформление. РУП «Издательский дом 
 
 
 
 
    «Беларуская навука», 2015

ВВЕДЕНИЕ

Достигнутые успехи в создании плазменной техники и разработка на ее основе новых технологических процессов позволяют 
считать низкотемпературную плазму важным инновационным 
элементом новых промышленных технологий, позволяющим 
существенно интенсифицировать производство. Использование 
плазменных технологий открывает новые возможности для подхода к оптимальному управлению физико-химическими процес- 
сами, а также к более простой реализации весьма многообразных 
технологических процессов с максимально возможной эффективностью.
Важное значение в настоящее время приобретают плазменные методы для решения проблемы уничтожения и утилизации 
промышленных и бытовых отходов. Накопленный опыт исследований по плазменной переработке различных видов отходов 
(включая радиоактивные и конверсионные) убеждает в больших 
потенциальных возможностях использования плазмы для поиска и разработки новых направлений при решении задач переработки и уничтожения различных видов отходов и вредных веществ. При этом возможна реализация процессов, основанных 
на испарении, концентрации или термическом разложении соединений, входящих в состав отходов.
Основным элементом плазменных установок для переработки отходов в большинстве случаев является электрическая дуга, 
генерирующая термическую плазму любых газов с температурой 5000 К и более. При такой температуре полностью разлагаются любые сложные органические и неорганические соеди

нения до атомов и ионов. Главная отличительная особенность 
плазменной технологии заключается в значительной интенсификации процесса деструкции отходов, который протекает за 
весьма короткие промежутки времени за счет передачи энергии 
обрабатываемым материалам излучением и конвекцией. В результате фактически исключается необходимость применения 
окислителя для разложения (сжигания) отходов. Другая существенная особенность плазменных технологий переработки  
и уничтожения отходов – отсутствие каких-либо высокомолекулярных соединений в продуктах кинетической рекомбинации,  
т. е. разрушенные в плазме многоатомные соединения обратно 
не синтезируются.
Таким образом, можно утверждать, что применение низкотемпературной плазмы – одно из перспективных направлений 
в области утилизации опасных отходов. Посредством плазмы 
достигается высокая степень обезвреживания отходов различного происхождения, в том числе галогеносодержащих органических соединений, отходов медицинских учреждений. Плазменным методом ведется переработка твердых, пастообразных, 
жидких, газообразных; органических и неорганических отходов; радиоактивных отходов среднего и низкого уровня активности; бытовых отходов; канцерогенных веществ, на которые 
установлены жесткие нормы ПДК в воздухе, воде, почве, конверсионных отходов и др.
В книге представлен достаточно полный перечень ведущих 
мировых фирм и их разработок в области переработки отходов 
и создания плазменного оборудования. Особое внимание также 
уделено работам российских и белорусских организаций и компаний, которые в течение многих лет занимаются разработкой 
плазменных технологий и плазменного оборудования – электродуговых плазмотронов, плазменных модулей, плазменных 
реакторов и плазменных печей. Также представлены результаты работ по созданию стационарных и мобильных плазменных 
комплексов.
Одна из наиболее важных проблем при переработке токсичных отходов – это обезвреживание хлорорганических отходов. 

Количество таких отходов, получаемых при производстве и применении хлорорганических веществ, исчисляется миллионами 
тонн. К ним относятся отслужившие срок изделия из хлорорганических полимеров, отработанные хлорорганические растворители (в том числе и с токсичными добавками), диэлектрики 
(многохлористые дифенилы), пришедшие в негодность пестициды, отходы хлорорганических производств и др. Размещение 
хлорорганических отходов на полигонах и захоронение должно 
быть исключено ввиду невозможности их разложения биологическими методами, а также возможности окисления многих из 
них кислородом воздуха под воздействием солнечного излучения с образованием вторичных токсичных продуктов. 
Разработке и промышленной реализации плазмохимических 
технологий переработки отходов, главным образом хлорорганических и других галогенов (брома и фтора), уделяется большое 
внимание во многих промышленно развитых странах. К настоящему времени разработано и реализовано несколько опытнопромышленных и промышленных процессов по уничтожению 
различных видов отходов. К сожалению, технические и технологические данные по их практической реализации в научной 
и патентной литературе практически отсутствуют, а известная 
информация носит в основном рекламный характер. Однако 
известно, что во всех случаях используются электродуговые 
плазменные реакторы одноструйного или трехструйного типа, 
а также плазменные печи, которые перерабатывают в основном 
отходы, подаваемые в виде дисперсных материалов или диспергированных растворов. Возможна также переработка отходов  
в виде суспензий или эмульсий. Особое место в этом ряду занимают твердые, пакетированные или кусковые отходы, переработка которых возможна в специальных технологических 
устройствах – плазменных печах различного конструктивного 
исполнения.
Большой объем исследований по технологиям переработки токсичных отходов и внедрения их в промышленность выполнен в бывшем Советском Союзе, а теперь на постсоветском 
пространстве, в России, Беларуси и Казахстане. Во всех этих 

работах активное участие принимал и принимает в настоящее 
время Институт тепло- и массообмена академии наук Беларуси. 
В лаборатории плазменной технологии института для переработки и уничтожения промышленных токсичных отходов разработана и создана плазменная установка с реактором на основе трехструйной камеры смешения. Исследованы технологии 
уничтожения хлорорганических отходов (хлористый метилен  
и метилхлороформ), органических отходов с токсичными добавками, пестицидов с истекшим сроком годности и других токсич-
ных отходов, которые содержат хлор. Также исследованы технологии уничтожения галогенов (chlorofluorocarbons) и броморганических отходов. Работы выполнялись по заказам финской, 
израильской, немецкой и французской фирм. По результатам 
научно-исследовательских работ изготовлены и переданы заказчикам плазменные технологические установки для переработки 
токсичных отходов в опытно-промышленном и промышленном 
масштабах. 
В лаборатории плазменной технологии ИТМО Национальной 
академии наук Беларуси совместно с организациями «МосНПОРадон» (г. Москва, РФ) и ГУП Всероссийский проектный и научно-исследовательский институт комплексной энергетической 
технологии (г. Санкт-Петербург, РФ) в течение ряда лет проводились работы по разработке и исследованию плазменной технологии переработки радиоактивных отходов среднего и низкого 
уровня активности. В результате этих исследований предложена 
и разработана технологическая установка на базе шахтной печи 
с плазменными или топливно-плазменными нагревателями для 
комплексной переработки различных типов радиоактивных отходов. Такая плазменная шахтная печь позволяет перерабатывать различные твердые радиоактивные отходы: бумагу, картон, 
древесину, спецодежду, резиновые перчатки, поливинилхлоридный пластикат, трупы подопытных животных, бой лабораторной 
посуды, куски керамики и бетона и другой строительный мусор. 
Таким образом, могут перерабатываться, с одновременным остекловыванием, различные виды не идентифицированных, радиоактивных отходов. Результаты работы нашли практическую  
реализацию на промышленных предприятиях.

Опыт, накопленный при разработке технологии и оборудования для переработки радиоактивных отходов, позволил пе- 
рейти к работам по переработке и уничтожению других видов 
твердых отходов: промышленных, бытовых и медико-биологических. По заказам японской и немецкой фирм разработаны, изготовлены и поставлены заказчикам плазменные шахтные печи 
для переработки и уничтожения промышленных и медико-биологических отходов. 
Предлагаемая монография ставит своей целью показать состояние проблем в решении комплекса экологических и энерге- 
тических задач уничтожения бытовых и промышленных отходов 
с одновременным использованием этих отходов как возобновляемого энергетического сырья. При этом в качестве основного 
фактора приоритетности предусматривается минимально отри- 
цательное воздействие на окружающую среду. Рассматривая возможные пути решения этой комплексной задачи, содержание 
монографии ориентировано на анализ перспективных, высокотемпературных технологий, не требующих специальной трудоемкой и энергозатратной подготовки исходного сырья к переработке, а также технологий, позволяющих получать конечные 
экологически чистые продукты переработки, пригодные для повторного использования.
Обзор и анализ известных и опубликованных результатов 
работ показывают, что высокотемпературная газификация отходов в случае плазменного нагрева и окисления водяным паром 
экономически и экологически является наиболее выгодным технологическим процессом. Высокая температура в реакционной 
зоне позволяет осуществлять необходимое глубокое разложение 
отходов с образованием простых соединений, что значительно 
упрощает их очистку от вредных примесей; переводить в жидкий, безопасный в экологическом отношении шлак все не пиролизуемые остатки; проводить оперативно тонкую регулировку 
процесса газификации изменением расхода окислителя и мощности плазменных генераторов. Разработаны и реализованы 
схемы утилизации тепла, получения электроэнергии и использования ее для работы генераторов низкотемпературной плазмы, 
которые генерируют плазму различных газов для работы печи.

Сравнительный анализ будет выполнен на основе обзора  
и сравнения представленных технологий и оборудования для 
реализации этих технологий. Будет показано, что плазменные 
методы пиролиза устраняют недостатки известных классических методов. Также в монографии будут представлены новые 
и достаточно интересные публикации по недавно разработанным проектам, комбинированным технологическим схемам  
и устройствам, которые указывают на целесообразность и эффективность реализации плазменных технологий. 
Монография предназначена для сотрудников научных организаций, разработчиков плазмотермических технологий и оборудования, а также может быть использована студентами, преподавателями, докторантами и аспирантами высших учебных 
заведений.

Глава 1

ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ  
ДЛЯ ПРОЦЕССОВ ПЛАЗМОТЕРМИЧЕСКОЙ  
ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ

1.1. Плазменные методы в технологии переработки  
токсичных отходов

Одной из наиболее серьезных экологических проблем, стоящих перед человечеством, является загрязнение окружающей 
среды бытовыми и промышленными отходами, которые в большинстве случаев обладают такими нежелательными свойствами, как токсичность, канцерогенность, мутагенность, коррозийность, реакционная способность, пожароопасность. В настоящее 
время в индустриально развитых странах введены жесткие нормы и условия по размещению и оборудованию полигонов для 
складирования и захоронения опасных отходов.
В последние годы проблема утилизации токсичных отходов  
стала актуальной в Республике Беларусь, Российской Федерации,  
Республике Казахстан и других странах СНГ, что совпадает  
и с общемировой оценкой ее важности. Это связано с декларируемой на межгосударственном уровне стратегической тенденцией  
на всестороннюю «экологизацию» среды обитания как фактора, 
компенсирующего ее деградацию вследствие индустриального 
развития, а также с возрастанием конкретной опасности для населения от накапливающихся объемов высокотоксичных и инфицированных отходов производства и потребления.
Наиболее распространенным способом переработки опасных  
органических отходов является их сжигание. Для этих целей ши- 
роко применяются промышленные тепловые агрегаты [1.1–1.8], 
например асфальтовые или цементные печи, паровые котлы, 
циркуляционные печи с псевдоожиженным слоем, вращающиеся 
обжиговые печи. При температуре в таких печах и устройствах 
1000–1200 °С дожигание образующихся летучих органических 

соединений проводят во вторичных камерах с дополнительной 
подачей топлива и окислителя. В некоторых случаях для повышения температуры в горелках воздух обогащают кислородом.
Проведенные исследования [1.1, 1.9–1.13, 1.15–1.17] требуют  
критического отношения к огневому обезвреживанию токсичных 
отходов в связи с возможностью вторичных процессов образования чрезвычайно вредных соединений: диоксинов и фуранов 
[1.14]. Недостатком огневого обезвреживания является также 
использование дополнительного топлива (обычно природного  
газа) [1.19–1.21], что существенно увеличивает объемы отходящих 
газов, а соответственно значительно возрастает нагрузка на систему газоочистки, ее размеры и материалоемкость.
Низкие экологические показатели и ограниченное число отходов, состав которых приемлем для использования в существующих печах, приводят к поискам и разработкам новых технологий.
Проблема полного уничтожения токсичных отходов актуальна, 
прежде всего, с точки зрения отрицательного воздействия их на 
окружающую среду. Из известных способов наименьший вред 
окружающей среде наносит высокотемпературный (плазменный) метод переработки отходов. Основой данной технологии 
является термохимическое разложение органической составляющей материала отходов (высокотемпературный пиролиз) до 
атомарного уровня и при этом неорганическая составляющая 
переводится в расплав и остекловывается. Под воздействием 
плазменного потока, генерируемого плазменной горелкой, отходы разлагаются. Температура электрической дуги может достигать от 6000 до 10 000 К [1.18], а среднемассовая температура 
плазменного потока 3000–6000 К [1.19]. Важное преимущество 
такого процесса – его практическая универсальность. Проведенные исследования и испытания показали высокую эффективность данной технологии для переработки отходов различного происхождения, таких, как отработавшие автомобильные 
шины; осадки сточных вод; опасные шлаки; зола и шлаки после сжигания твердого топлива и бытовых отходов; металлическая стружка; медицинские и ветеринарные отходы (включая