Читай!
Получение водорода в процессе плазменной переработки отходов

Получение водорода в процессе плазменной переработки отходов

Приведены данные о составе пирогаза Комплекса высокотемпературного плазменного конвертера (ВТПК) и показано, что при использовании отходов различного морфологического состава содержание водорода в пирогазе практически постоянно и составляет 90–100 кг/ч при производительности Комплекса 25000 т в год. Проанализированы основные технико-экономические показатели работы Комплекса ВТПК и Комплекса ВТПК, сопряжённого с блоком алга-технологий1 (ВТПК+БАТ). Предложена технология выделения СО2 и Н2 из пирогаза. Предлагаемая технология позволяет при указанной производительности Комплекса по отходам выделять из пирогаза водород в количестве ~ 80 кг/ч и увеличивать прибыль на 400–500 млн руб./год.

Автор/Авторы:
Доктор технических наук А.В. Артёмов,
кандидат технических наук А.В. Переславцев,
главный специалист С.А. Вощинин,
начальник группы С.С. Тресвятский,
кандидат физико-математических наук С.В. Коробцев
(Национальный исследовательский центр
«Курчатовский институт» — НИЦ КИ).

В предыдущей нашей статье1 при технико-экономическом анализе плазменной переработки отходов были рассмотрены два основных варианта:

  1. Комплекс высокотемпературного плазменного конвертера (ВТПК),

  2. Комплекс ВТПК, сопряжённый с блоком алга-технологий (ВТПК+БАТ).

При плазменной переработке в Комплексе ВТПК (рис. 1) основной товарной продукцией является тепловая и электрическая энергия и базальтоподобный шлак. Из пирогаза извлекается только СО2, который объединяется с потоком СО2, выделенным из выхлопного газа ГТУ (газотурбинная установка), часть объединённого потока направляется обратно в плазменный блок в качестве плазмообразующего газа, а оставшаяся часть либо выбрасывается в атмосферу, либо служит сырьём для химических процессов (например, углекислотного риформинга) или производства “сухого льда”. После выделения из пирогаза диоксида углерода (СО2) получаем синтез-газ, который состоит из смеси достаточно калорийных газовых компонентов, в том числе – метана, водорода и окиси углерода. Этот синтез-газ направляется в газгольдер топливной смеси для питания ГТУ, где смешивается и хранится вместе с природным газом.

При такой организации плазменного пиролиза лишь 4–8% получаемого в ВТПК и ГТУ СО2 рециркулируют обратно в процесс пиролиза в качестве плазмообразующего газа. Кроме того, этот вариант имеет невысокие технико-экономические показатели. При производительности Комплекса ВТПК по отходам 25000 т/год:

  • степень замещения природного газа синтез-газом – 12.3%;

  • при относительно высоких капитальных затратах (4.264 млрд руб.) чистая прибыль составляет около 200 млн руб./год;

  • степень использования СО2 (рецикл СО2) составляет лишь 5%.

Значительно увеличить технико-экономические показатели можно с использованием 2-го варианта – Комплекса ВТПК+БАТ – рис. 2. В этом случае весь выделяемый в АБ1 и АБ2 СО2 направляют в БАТ для производства моторного топлива (биодизеля). Комплекс ВТПК+БАТ производит биодизель, биомассу (которая реализуется в качестве кормов или удобрения в сельскохозяйственном производстве), глицерин и кислород (продукт фотосинтеза).

При аналогичной производительности по отходам (25000 т/год) и площади БАТ 4 га при полном использовании созданного биодизеля в качестве дополнительного топлива ГТУ и полной реализации получаемой биомассы на внешнем рынке, для Комплекса ВТПК+БАТ:

  • суммарная степень замещения природного газа синтез-газом и биодизелем увеличивается до 35%;

  • срок окупаемости Комплекса ВТПК+БАТ сокращается более чем в 2 раза и составляет 6.2 года;

  • при увеличении капитальных затрат ~ 50% (6.030 млрд руб.) чистая прибыль возрастает более чем в 5 раз и составляет ~ 1200 млн руб./год;

  • степень использования СО2 увеличивается в 4 раза и составляет 21%.

При полной реализации биодизеля на внешнем рынке срок окупаемости Комплекса ВТПК+БАТ может быть снижен до 3 лет (чистая прибыль возрастает до 5 млрд руб./год), а увеличение площади БАТ до 15 га позволяет возрасти степени использования СО2 до ~ 70%.

Рассмотренные выше два варианта плазменной переработки отходов не предусматривают извлечение из пирогаза водорода – после выделения СО2 оставшийся газ используется в качестве энергоносителя и направляется в ГТУ для частичной замены природного газа. Однако этот оставшийся газ содержит достаточно большое количество водорода и его выделение, и реализация в качестве товарной продукции может значительно увеличить прибыль от работы Комплекса. Таким образом плазменная переработка отходов, помимо решения основной задачи – переработки отходов и производства такой “побочной” продукции как электрическая и тепловая энергия, минеральное волокно, биодизель и биомасса, позволяет также производить водород – крайне востребованный в настоящее время энергоноситель2. Более того, для производства водорода из этого источника не требуется создания дорогих специальных каталитических установок (например, паровой, кислородный, углекислотный риформинг, пиролиз метана и др.), требуется лишь выделение его из пирогаза с использованием современных доступных технологий. Из хвостовых газов (рис. 1) и/или синтез-газа (рис. 2) водород может быть выделен с помощью короткоцикловой адсорбции (КЦА)3. Настоящая работа посвящена получению (выделению) водорода из газовых продуктов плазменного пиролиза отходов.

Получение водорода в процессе плазменной переработки отходов
Рис. 1. Принципиальная схема газовых потоков при варианте работы Комплекса ВТПК с получением в качестве товарной продукции тепловой и электрической энергии и базальтоподобного шлака. ОПП – отходы производства и потребления; АБ1 – первый абсорбционный блок; АБ2 – второй абсорбционный блок; ГТУ – газотурбинная установка (ГТЭС-6000).

Получение водорода в процессе плазменной переработки отходов
Рис. 2. Принципиальная схема газовых потоков при сопряжении Комплекса ВТПК с БАТ. Обозначения см. в тексте и на рис. 1.

Продолжение читайте в «Энергия: экономика, техника, экология» 6/2021.

1 Артёмов А.В., Переславцев А.В., Вощинин С.А., Тресвятский С.С., Коробцев С.В. “Зелёные” технологии в плазменной переработке отходов // Экология промышленного производства. 2021 (в печати).

2 https://www.newsru.com/finance/22jul2020/hydrogengzprm.html

3 Мельгунов М.С. Короткоцикловая безнагревная адсорбция // Промышленный катализ в лекциях. 2009. № 8.




Другие статьи

Архив статей