Объект исследования, разработки или проектирования: Технология получения энергетического газа и нейтрального неорганического материала плазменной газификацией углеродсодержащих отходов, включая полиэтилентерефталат (ПЭТ)
Цель работы: Целью проекта является разработка и исследование технологии получения энергетического газа и нейтрального неорганического материала плазменной газификацией углеродсодержащих отходов, включая полиэтилентерефталат (ПЭT).
Методы исследования: 1) Методы численных исследований, проводимых с использованием компьютерной программы TERRA. Эти методы позволяют определить оптимальные параметры процесса плазменной утилизации УСО, включая температуру, концентрации продуктов пиролиза и газификации, удельные энергозатраты и электрическую мощность плазмотрона. 2) Метод экспериментальных исследований, который включает в себя проведение газового анализа, определение концентрации остаточного углерода в конденсированных продуктах пиролиза и газификации. 3) Использование систем измерения температуры, расходов реагентов и продуктов переработки УСО для обеспечения материального и теплового балансов процесса плазменной утилизации УСО. 4) Применение цифрового пирометра, газоанализатора и анемометра для измерения температуры и расхода горячих отходящих продуктов плазменной утилизации УСО.
Полученные результаты и новизна: Проблема утилизации и переработки УСО, включая токсичные, остается актуальной. Основной метод утилизации - сжигание с последующим захоронением золы, но этот метод имеет серьезные недостатки из-за образования токсичных химических соединений, таких как диоксины, фураны и бенз(а)пирен. Плазменная переработка - более перспективная технология, позволяющая успешно обрабатывать медико-биологические отходы и топливную биомассу. Это также увеличивает выход биогаза из сельскохозяйственных отходов, что можно использовать для производства электроэнергии и тепла. Казахстан сталкивается с проблемой утилизации большого объема ТБО, и увеличение доли переработки отходов является важной целью в рамках Концепции "Зеленой экономики". Утилизация ТБО может быть увеличена путем применения плазменной утилизации, которая не требует предварительной сортировки и помогает предотвратить образование токсичных соединений.
Основные конструктивные и технико экономические показатели: Комплекс численных и экспериментальных исследований тепломассообмена и термохимических превращений при разработке технологии плазменной утилизации УСО внесет существенный вклад в развитие методов повышения эффективности утилизации токсичных отходов. Предусмотренные в проекте работы относятся к прикладным междисциплинарным исследованиям, в результате выполнения которых будут разработана и исследована технология плазменной утилизации УСО и создан плазмохимический реактор для ее осуществления. Будут исследованы режимные параметры и получены оптимальные характеристики применения предлагаемой технологии плазменной утилизации УСО. Проект является междисциплинарным с точки зрения обеспечения непосредственной связи между различными научными областями (теплоэнергетика, экология, физика, химия, математика, инжиниринг). В проекте участвуют специалисты по плазменно-энергетическим технологиям, теплообмену, химической термодинамики, математическому моделированию и инжинирингу. Выполнение проекта будет способствовать снижению экологической нагрузки на окружающую среду и повышению санитарно-эпидемиологической безопасности населения, флоры и фауны. Проект имеет направленный социальный эффект благодаря созданию и использованию эффективной технологии плазменной утилизации УСО, повышению экологических показателей территорий и созданию новых высокотехнологичных рабочих мест. Использование опытного плазменного реактора с электродуговым плазмотроном позволит активизировать исследования по повышению эффективности утилизации токсичных отходов, предоставит возможность повышения квалификации кадров и подготовки магистров и докторов PhD в области математического моделирования и экспериментальных исследований термохимических превращений углеродсодержащих отходов, теплофизики, плазмохимии, теплоэнергетики и экологии.
Эффективность:
1) Повышение эффективности процесса плазменной утилизации УСО: Методы численных исследований с использованием программы TERRA позволяют определить оптимальные параметры, такие как температура, концентрации продуктов пиролиза и газификации, удельные энергозатраты и электрическая мощность плазмотрона. Это способствует более эффективному процессу утилизации токсичных отходов.
2) Повышение точности и надежности данных: Метод экспериментальных исследований, включая газовый анализ и определение концентрации остаточного углерода, обеспечивает точные данные о продуктах пиролиза и газификации. Это повышает надежность результатов исследования.
3) Обеспечение баланса процесса: Использование систем измерения температуры, расходов реагентов и продуктов переработки УСО гарантирует соблюдение материального и теплового балансов, что важно для эффективности и безопасности процесса.
4) Увеличение контроля над процессом: Применение цифрового пирометра, газоанализатора и анемометра позволяет более точно измерять параметры процесса, что улучшает контроль над ним и способствует повышению эффективности утилизации УСО.
Область применения: Область применения проекта заключается в разработке более эффективного способа утилизации токсичных углеродсодержащих отходов, включая полиэтилентерефталат (ПЭТ) и другие токсичные отходы. Это может быть полезно для снижения экологической нагрузки и повышения безопасности населения.
Задачи:
1) Анализ существующих методов утилизации УСО. Обоснование выбора технологии плазменной утилизации УСО;
2) Определение исходных данных для термодинамического анализа плазменного пиролиза и газификации УСО;
3) Термодинамический анализ плазменной утилизации УСО для различных плазмообразующих газов с использованием программы термодинамических расчетов TERRA;
4) Разработка технического решения по осуществлению технологии плазменной утилизации УСО;
5) Разработка, проектирование, изготовление и испытания электродугового плазмотрона постоянного тока мощностью до 100 кВт для использования в составе плазмохимического реактора.
6) Разработка и изготовление опытного плазмохимического реактора производительностью до 50 кг/ч.
7) Модернизация плазменного стенда для экспериментального исследования процессов утилизации УСО.
8) Выполнение экспериментальных исследований процессов переработки УСО в плазменном реакторе.
9) Сопоставление полученных экспериментальных и расчетных данных и разработка технологических рекомендаций по реализации технологии плазменной утилизации УСО.
Ожидаемые результаты: Будет выполнен анализ существующих методов утилизации углерод содержащих отходов (УСО). Будет выполнено обоснование выбора технологии плазменной утилизации УСО. Будут определены исходные данные для термодинамического анализа плазменного пиролиза и газификации УСО. Будет опубликована статья в рецензируемом научном издании, рекомендованном КОКСНВО, или патент, включенный в базу данных Derwent Innovations Index (Web of Science, Clarivate Analytics). Будет разработан, спроектирован, изготовлен и испытан электродуговой плазмотрон постоянного тока мощностью до 100 кВт для использования в составе плазменного реактора. Будет разработан, и изготовлен опытный плазменный реактор производительностью до 50 кг/ч. Будет выполнена модернизация плазменного стенда для экспериментального исследования процессов утилизации УСО. Будут получены результаты экспериментальных исследований процессов переработки УСО в плазменном реакторе. Будут сопоставлены полученные экспериментальные и расчетные данные и разработаны технологические рекомендации по реализации технологии плазменной утилизации УСО.
Руководитель организации — Акназаров Сестагер Хусаинович ( Доктор химических наук ) Руководитель работы — Устименко Александр Бориславович к.ф.-м.н., д.т.н. Период реализации: 2023 - 2025