Реактор преобразования отходов: пиролиз, газификация и гидротермальные пути

Реактор термической переработки отходов: пиролиз, газификация и гидротермальные процессы

Что такое реактор термической переработки отходов? Реактор термической переработки отходов — это аппарат, который преобразует низкоценные или опасные отходы, биомассу, пластик или шлам в энергию или химические вещества. Он определяется одним из четырех используемых процессов: пиролиз — нагрев в отсутствие кислорода при температуре 400-700°C для получения пиролизного масла, газа и угля; газификация при температуре 700-1200°C для получения синтез-газа с теплотворной способностью 10-30 МДж на нормальный кубический метр; гидротермальная карбонизация при температуре 180-250°C и давлении 20-40 бар для получения гидроугля из влажной биомассы; или анаэробное сбраживание при температуре 35-38°C для получения биогаза. Основная инженерная проблема — неоднородность сырья, поскольку твердые бытовые отходы, биомасса и шлам различаются по влажности, теплотворной способности и содержанию примесей от партии к партии, поэтому реактор должен быть рассчитан на поступающее сырье, а не на фиксированный состав. Материалы и внутренние компоненты выбираются с учетом абразивности, содержания смол, золы и коррозии, а не только с точки зрения основной химии.

1. Процессы переработки и соответствующие реакторы

Каждый процесс подходит для различных видов отходов и дает различный продукт:

• Пиролиз и газификация твердых отходов: Пиролиз нагревает отсортированные отходы или пластик в отсутствие кислорода при температуре 400-700°C, разлагая их на пиролизное масло, горючий газ и уголь, при этом выход масла составляет 30-60% по весу в зависимости от сырья. Газификация идет дальше, частично окисляя сырье при температуре 700-1200°C до синтез-газа из монооксида углерода и водорода с теплотворной способностью 10-30 МДж на нормальный кубический метр, который может быть сожжен или химически преобразован. Реакторы обычно представляют собой вращающуюся печь, аппарат с кипящим слоем или косвенно нагреваемый шнек. Основные проблемы — образование смол, которые загрязняют и выводят из строя последующее оборудование, а также абразивный износ внутренних частей от золы и угля. Подготовка, сушка и сортировка сырья имеют такое же значение, как и сам реактор, поскольку влажность выше примерно 30-40% и негорючие примеси нарушают энергетический баланс процесса.
• Гидротермальная переработка влажной биомассы: Для влажного сырья, такого как осадок сточных вод, пищевые отходы и навоз, сушка является дорогостоящим этапом, поэтому гидротермальные процессы перерабатывают материал при его естественной влажности. Гидротермальная карбонизация проводится при температуре 180-250°C и давлении 20-40 бар в течение 5-30 минут для преобразования органической фракции в гидроуголь — твердое вещество, похожее на уголь, с улучшенными характеристиками при обращении и более высокой энергетической плотностью. Реактор представляет собой аппарат с перемешивающим устройством или прямоточный сосуд под давлением, устойчивый к коррозионной водной фазе при высоких температурах, а также к песку и волокнам в сырье. Этот процесс позволяет избежать затрат на сушку, характерных для пиролиза, и хорошо подходит для переработки шлама и сельскохозяйственных остатков, когда целью является уменьшение объема, стабилизация и получение энергии, а не высокоценного жидкого продукта. Граница давления и коррозионностойкий мокрый путь являются ключевыми элементами конструкции.
• Анаэробное сбраживание для получения энергии и стабилизации: Для высокоорганических отходов анаэробное сбраживание в герметичном реакторе при температуре 35-38°C преобразует органические вещества в биогаз, примерно на 60% состоящий из метана, с выходом 0,3-0,6 м³ на кг ХПК в течение 15-30 дней. Реактор обычно представляет собой резервуар из стеклоэмалированной стали или бетона объемом от тысяч до 30 000 м³, перемешиваемый с интенсивностью 10-40 Вт/м³, с пространством над уровнем жидкости, контролируемым на предмет взрывоопасной атмосферы. Это самый мягкий с точки зрения температуры процесс переработки, но самый большой по объему, поскольку биологические процессы протекают медленно, а объем определяется временем пребывания. Реактор должен справляться с оседающим и абразивным песком, переменной концентрацией сырья и дигестатом, который необходимо обезвоживать, а его коррозия обусловлена следами сульфидов и любой кислотной фазой при нарушении биологического процесса. Это основной рабочий инструмент для переработки муниципальных и сельскохозяйственных отходов.

2. Инженерные решения для неоднородного, абразивного сырья

Успех или провал переработки отходов зависит от того, как реактор справляется с агрессивным, переменным сырьем:

• Управление износом материалов и внутренних компонентов: Каждый реактор термической переработки отходов одновременно борется с абразивным износом и коррозией. Реакторы пиролиза и газификации подвергаются воздействию горячего угля и золы, которые изнашивают внутренние части печи или аппарата с кипящим слоем, поэтому стандартными решениями являются огнеупорная футеровка, закаленные лопатки и сменные износостойкие пластины, а материал слоя в аппарате с кипящим слоем выбирается как по реакционной способности, так и по устойчивости к истиранию. Гидротермальные реакторы и реакторы анаэробного сбраживания борются с коррозией от водной фазы, следов сульфидов и хлоридов, поэтому там, где позволяет химия, используются нержавеющая сталь 316L, дуплексная сталь или футеровка из стеклоэмалированной стали. Философия проектирования заключается в том, чтобы сделать точки износа дешевыми и доступными — носок печи, слой, нижний клапан, — потому что что-то будет заменяться по графику независимо от сплава. Расчет на среднее сырье недооценивает нагрузку; конструкция должна выдерживать поступление песка, соли и влаги.
• Обработка, перемешивание и производительность сырья: В отличие от химического реактора, питаемого чистыми реагентами, реактор для переработки отходов получает непредсказуемое сырье в объеме 50-1000 тонн в день, поэтому подготовка, сортировка, измельчение, сушка и дозирование сырья доминируют в установке. Сам реактор нуждается в надежном перемешивании, которое поддерживает движение твердых частиц без чрезмерного износа — шнек или вращающийся механизм для твердых веществ, трубчатый смеситель или мешалка с низким сдвигом для суспензий, а также выгрузка, которая не будет засоряться тряпками, камнями или нерасплавленным пластиком. Производительность определяется худшим днем поступления сырья, а не средним, и энергетическим балансом, поскольку высокая влажность и негорючие примеси потребляют энергию, которую процесс призван производить. Реактор переработки, который не может надежно питаться и опорожняться, является обузой, какой бы элегантной ни была его химия.
• Очистка продукта, безопасность и выбросы: Продукт реактора редко является конечным товарным продуктом; он нуждается в очистке. Пиролизное масло кислое, нестабильное и водянистое, и его необходимо улучшать; синтез-газ содержит смолы, твердые частицы и кислые газы, которые загрязняют двигатели и требуют очистки; биогаз содержит сероводород и силоксаны, которые повреждают генераторы. Поэтому реактор специфицируется вместе с системой очистки газа или жидкости, системами безопасности для легковоспламеняющихся продуктов, системами контроля взрывоопасной атмосферы в пространствах над уровнем жидкости в установках анаэробного сбраживания и системами сброса любых отходящих газов. Разрешения на выбросы во многом определяют конструкцию, от контроля NOx и диоксинов при сжигании до управления запахами и фильтратом при сбраживании. Реактор является сердцем установки по переработке отходов в энергию или химические вещества, но его приемлемость зависит от очистки и контроля выбросов вокруг него.

Матрица сравнения процессов переработки отходов

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

В: В чем разница между пиролизом и газификацией при переработке отходов?

О: Оба процесса термически разлагают отходы без полного сгорания, но в разной степени и с разными продуктами. Пиролиз нагревает сырье в отсутствие кислорода при температуре 400-700°C, разлагая его на пиролизное масло, горючий газ и уголь, с выходом масла 30-60% по весу. Газификация допускает ограниченное количество кислорода или пара и проводит реакцию при температуре 700-1200°C, преобразуя сырье в основном в синтез-газ — монооксид углерода и водород — с теплотворной способностью 10-30 МДж на нормальный кубический метр, который может быть сожжен или химически улучшен. Пиролиз лучше подходит для получения жидких продуктов из пластика и биомассы; газификация лучше подходит для чистого газообразного топлива и для сырья, которое легко газифицируется. Оба процесса сталкиваются с проблемами смол и золы, и оба требуют сушки и сортировки сырья, поскольку влага и негорючие примеси нарушают энергетический баланс.

В: Почему неоднородность сырья является самой большой проблемой для реакторов термической переработки отходов?

О: Потому что твердые бытовые отходы, биомасса и шлам различаются по влажности, теплотворной способности, размеру частиц и содержанию примесей от партии к партии, в то время как реактор проектируется исходя из предположений о составе сырья. Высокая влажность (более 30-40%) и негорючие примеси потребляют энергию, которую процесс призван производить; хлор и металлы вызывают коррозию и загрязнение; камни или нерасплавленный пластик блокируют выгрузку. В отличие от химического реактора, питаемого чистыми реагентами с фиксированной скоростью, реактор для переработки отходов должен справляться с поступающим сырьем, поэтому его приемлемость зависит от подготовки, сортировки, измельчения, сушки и дозирования сырья, надежного перемешивания, которое не изнашивается и не блокируется, а также от материалов, выбранных для худшего сценария (песок, соль, влага), а не для среднего. Химия реактора часто является легкой частью; выживание в условиях поступающего сырья — это трудная часть.

В: Какие материалы используются в реакторах термической переработки отходов?

О: Это зависит от процесса и наихудшего возможного сырья. Реакторы пиролиза и газификации подвергаются абразивному износу от горячего угля и золы, поэтому в них используются огнеупорная футеровка, закаленные лопатки и сменные износостойкие пластины, а материал слоя в аппарате с кипящим слоем выбирается с учетом устойчивости к истиранию. Гидротермальные реакторы и реакторы анаэробного сбраживания борются с коррозией от водной фазы, следов сульфидов и хлоридов, поэтому там, где позволяет химия, используются нержавеющая сталь 316L, дуплексная сталь или футеровка из стеклоэмалированной стали, а реакторы анаэробного сбраживания обычно представляют собой большие резервуары из стеклоэмалированной стали. Конструкция предусматривает, чтобы точки износа были дешевыми и доступными — носок печи, слой, нижний клапан, — потому что ожидается их замена по графику. Сплав выбирается для пиковых нагрузок, а не для средних, поскольку состав отходов колеблется.

В: Как реактор термической переработки отходов поддерживает цели циркулярной экономики?

О: Переводя материалы из категории отходов в категорию ресурсов. Вместо захоронения на свалках или сжигания отходов, биомассы или шлама, реактор извлекает энергию в виде синтез-газа, биогаза или пиролизного масла, извлекает материалы в виде угля или гидроугля, которые могут быть использованы в качестве топлива или почвенной добавки, и уменьшает объем и опасность остатков, подлежащих захоронению. Гидротермальная карбонизация и анаэробное сбраживание дополнительно стабилизируют влажные органические отходы и снижают затраты на их транспортировку и неприятный запах. Реактор является техническим центром установки по переработке отходов в энергию или химические вещества, а его экономическая и экологическая целесообразность основана на надежной переработке переменного сырья в стабильный, товарный продукт, поэтому обработка сырья и очистка продукта проектируются как часть одной системы.