Пар нам поможет…

Пар нам поможет…

Как не утонуть в отходах? Ученые ЛЭТИ предлагают решение. Доцент кафедры РТЭ нашего Университета Вячеслав Александрович ИВАНОВ – признанный специалист в области СВЧ энергетики, автор более 27 изобретений, предложил уникальный метод утилизации разного рода отходов в среде перегретого пара. Этот метод открывает новые перспективы в экологически чистой технологии утилизации отходов.

18.01.2019 596

На площадке экологического форума WASTE 2018, прошедшего в ЛЭТИ, был представлен доклад по этой теме, которым заинтересовались многие участники, а также большой специалист в этой области академик РАН Леонид Абрамович Вайсберг. В настоящее время метод внедряется в промышленной компании ООО ТЭК «Топливно-экологическая компания», занимающейся переработкой бытовых отходов.

Проблема утилизации отходов в России становится все более актуальной. Есть реальная опасность погрузиться в мусорный коллапс. На бесчисленных пустующих военных полигонах ещё с 90-х годов скопились горы опасного мусора. Городские свалки представляют печальное зрелище. Причины две. Во-первых, нет глобальной государственной программы по переработке отходов. Во-вторых, нет эффективных промышленных технологий, хотя есть научные работы в этой области. Проблема в том, что раньше связующим звеном между наукой и промышленностью служили НИИ, а в 90-е их уничтожили. А современные бизнесмены, как правило, опасаются вкладываться в не опробованные на практике разработки ученых.

Однако представители компании ООО ТЭК поступили смело. Они сами пришли в ЛЭТИ к ученому Вячеславу Иванову, специалисту по СВЧ, за новыми технологическими решениями. В результате на основе его разработок создают более эффективную и экономически выгодную промышленную установку. Этот пример плодотворного сотрудничества бизнеса и науки, который поможет находить конкретные технологические решения для решения «мусорной» проблемы.

Дело в том, что используемые ранее технологии прямого сжигания мусора не были экологически эффективными, поскольку приводили к переводу твердых отходов в газообразные. Это только усложняло утилизацию вредных выбросов. Кроме того, состав выходящих газов был непредсказуем, поскольку из воздуха добавлялось множество дополнительных компонент, как то, кислород, азот и его окислы, углекислый газ и т.п. Сегодня применяют более щадящую технологию термического разложения отходов без доступа кислорода – пиролиз. Однако, проблема непредсказуемости состава выходных компонент из-за неоднородности температуры осталась. В разных областях пиролизных реакторов (называемых ретортами) из-за неравномерности температуры идут разные химические реакции, которые сильно «расцвечивают» палитру выходных продуктов пиролиза.

Почему же специалисты «кинулись» к СВЧ? На своих лекциях Вячеслав Александрович шутливо расшифровывает студентам аббревиатуру СВЧ, как «Стремись Вперёд, Человек!» Действительно, нагрев в СВЧ имеет преимущества. Во-первых, обрабатываемый материал становится источником тепла и, получаемое распределение температуры имеет максимум внутри материала. Кроме того, обеспечивается высокая скорость нагрева, благодаря возможности использовать большие плотности мощности. Высокий КПД преобразования СВЧ энергии в тепло мы хорошо знаем из опыта использования «микроволновок» (СВЧ печей). Недостатка два – дороговизна промышленных источников СВЧ энергии, возможное неравномерное распределение температуры в материале, из-за интерференции волн в реакторе. Так что же делать? Вячеслав Александрович Иванов предложил своё решение:

– Ко мне пришли люди из компании ТЭК, где для утилизации ТБО используют пиролизные установки, и сказали, что им бы хотелось ввести в реторту СВЧ-энергию для интенсификации процесса нагрева. Мы их убедили, что это дорого, технически сложно и безрезультатно. Невозможно создать однородную температуру, а значит, проблема непредсказуемости состава выходящих газов останется. Но мы предложили им более дешёвое и эффективное решение. А именно, подать в реторту перегретый высокотемпературный пар (около 1000оС) атмосферного давления и равномерно распределить его, что позволит равномеризировать температурное поле в реторте, а значит повысить качество конечных продуктов пиролиза: углерода, пиролизной жидкости и синтез газа. Главное «ноу хау» – использование СВЧ для получения этого перегретого пара. Мы используем для этого пористые керамические материалы с высоким поглощением в микроволновом диапазоне. Для получения большой СВЧ-мощности использован принцип установки «Катюша», где мощность огневого удара обеспечивается суммой маломощных реактивных снарядов. У нас же двадцать (по 1 кВт каждый) маленьких пароперегревателей SH-1000 подают пар в одну реторту. Таким образом, СВЧ энергия вначале преобразуется в тепловую энергию пара, а далее передается в реторту.

В итоге эксперимент по сжиганию 200-400 кг отходов в реторте объемом два кубических метра, с введенным туда паром от 12 пароперегревателей мощностью по 2 кВт дал отличные результаты. ООО ТЭК уже строит опытный образец промышленной установки.

Вот так ассоциативность мышления помогает создавать новые технологии. Кстати, лекции Вячеслава Александровича изобилуют стихотворными и философскими образами. Это помогает развитию творческого мышления студентов, которые с удовольствием погрузились в новую для них тему и помогают своему преподавателю создавать пароперегреватели – эти самые «снаряды для Катюш».

Данную тематику по утилизации отходов Вячеслав Александрович ведёт, работая по совместительству в фирме ТСК – «Технологические системы и комплексы», которую организовали и бывшие выпускники ЛЭТИ, поверившие в плодотворность идеи. Ряд экспериментов, проведенных совместно, дал отличные результаты и понимание, что пиролиз в среде перегретого пара можно сделать непрерывным, с высоким уровнем рекуперации энергии, причём в небольшом объеме, позволяющим создавать установки на 5-10кВт мощности.

К примеру, с помощью сконструированного лабораторного реактора с пароперегревателем удалось обработать так называемый «электронный лом». В частности, если взять кабель с медными жилами и оболочкой из пластика ПВХ, подержать 15 минут в потоке пара с температурой 450оС – получится карбон (углерод) высокой степени чистоты, легко отделяемый от медных жил, которые не подвергались окислению и были как новые.

Комплексное воздействие СВЧ энергии и энергии перегретого пара позволяет решить актуальную для России проблему: утилизацию железнодорожных шпал. Из-за пропитки креозотом, их относят к отходам 3-го класса опасности, и поэтому их нельзя сжигать. Под руководством Вячеслава Александровича шпала обрабатывалась в СВЧ поле. При этом, креозот вместе с парами воды выдавливался на поверхность, за счёт эффекта бародиффузии. Последующая обработка перегретым паром приводит к разложению креозота и к карбонизации поверхностного слоя шпалы.

На базе этих методик в ЛЭТИ вполне возможно создать целое направление по утилизации опасных отходов.

– Более того, это направление поможет придать импульс улучшению в фундаментальности образования в университете, которого явно не хватает сегодняшним выпускникам. Обладая фундаментальными знаниями в физике, математике, химии и термодинамике выпускнику будет легко ориентироваться, в частности, и в области утилизации отходов. Как и какие химические реакции происходят в реторте, как ими управлять, и какие вещества будут получены на выходе – все это можно научно прогнозировать. Великий Лейбниц говорил: «Природа проста в своих законах, но очень разнообразна в их проявлениях..» Эту «простоту» и надо давать студентам. Университет должен готовить выпускников, способных создавать новые технологии, – убежден Вячеслав Александрович.

И ещё, появилась надежда, что наши бизнесмены будут, наконец, сами приходить в университет и совместно с учёными, создавать новые промышленные технологии. От этого выиграет, и наука, и бизнес, и страна в целом.


Лидия Березнякова