Плазменная переработка отходов

 
 
 
 
ǧ. ǩ. ǶȌȗȌȘȒȇȉȝȌȉ, Ǹ. ǧ. ǩȕȠȏȔȏȔ, ǧ. ǩ. ǧȗșȌȓȕȉ 
 
 
 
 
 
 
ǶDzǧǮdzǬǴǴǧȆ ǶǬǷǬǷǧǨǵǹDZǧ ǵǹǼǵǫǵǩ 
 
dzȕȔȕȊȗȇțȏȦ 
 
 
Ƕȕȋ ȕȈȠȌȐ ȗȌȋȇȑȝȏȌȐ ǧ. ǩ. ǶȌȗȌȘȒȇȉȝȌȉȇ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
dzȕȘȑȉȇ    ǩȕȒȕȊȋȇ 
«ǯȔțȗȇ-ǯȔȍȌȔȌȗȏȦ» 
2023 
 
1 

УДК 628.477 
ББК 30.69 
П27 
 
Рецензент: 
кандидат химических наук, старший научный сотрудник химического  
факультета МГУ имени М. В. Ломоносова  
Крутяков Юрий Андреевич 
 
 
 
 
 
Переславцев, А. В. 
П27   
Плазменная переработка отходов : монография / А. В. Переславцев, 
С. А. Вощинин, А. В. Артемов ; под общ. ред. А. В. Переславцева. – 
Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. – 436 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1506-4  
 
Приводится морфологический и элементный состав различных видов отходов, 
приведена классификация отходов по классам опасности. Описаны технологические 
процессы переработки твёрдых отходов: бытовых, промышленных, опасных, в том 
числе радиоактивных. Приведены примеры заводов и установок плазменной переработки отходов. Описаны экологические аспекты установок плазменной переработки 
радиоактивных отходов в сравнении с хранением отходов на площадках хранения. 
Даны примеры экономических показателей и сроков окупаемости различных проектов 
заводов плазменной переработки отходов в зависимости от конфигурации и состава 
перерабатываемых отходов. 
Для специалистов, работающих в области технологии плазменной переработки 
отходов, специалистов, интересующихся разработкой оборудования для плазменной 
переработки отходов, а также физическими и химическими процессами, имеющими 
место при эксплуатации оборудования. 
 
УДК 628.477 
ББК 30.69 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1506-4 
© Переславцев А. В., Вощинин С. А., Артемов А. В., 2023 
 
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 
 
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 
 
2 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................................ 6 
1. ОТХОДЫ ПРОИЗВОДСТВА И ПОТРЕБЛЕНИЯ. КЛАССИФИКАЦИЯ ...... 7 
1.1. Немного истории вопроса ................................................................................. 7 
1.2. Общая характеристика современных отходов производства  
и потребления. Классы опасности ........................................................................... 9 
1.3. Свойства твёрдых бытовых отходов. Физические свойства ....................... 16 
1.4. Свойства твёрдых бытовых отходов. Санитарно-бактериологические  
свойства отходов ..................................................................................................... 19 
1.5. Источники образования отходов .................................................................... 21 
2. ТЕРМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ ................... 25 
2.1. Переработка отходов на основе сжигания. 
.................................................... 25 
2.2. Плазменная технология переработки твердых отходов 
............................... 43 
3. ТЕХНОЛОГИИ ПЛАЗМЕННОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ 
..................... 54 
3.1. Плазменная переработка твёрдых отходов. Российские проекты .............. 54 
3.2. Плазменная переработка опасных отходов ................................................... 61 
3.3. Перспективы реализации метода плазменной переработки твердых  
радиоактивных отходов в России. Комплекс плазменной переработки  
радиоактивных отходов НВАЭС ........................................................................... 90 
4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ УСТАНОВОК  
ПЛАЗМЕННОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ ..................................................... 99 
4.1. Плазмотроны с системами электропитания .................................................. 99 
4.1.1. Электродуговые плазмотроны ................................................................. 99 
4.1.2. Дуговой разряд в канале плазмотрона  ................................................. 113 
4.1.3. Физические процессы на катоде электродугового плазмотрона  
постоянного тока ............................................................................................... 125 
4.1.4. Высокочастотный плазмотрон для переработки отходов 
................... 137 
4.2. Плазменные конвертеры (плазменные печи) .............................................. 149 
4.3. Системы дожигания отходящих газов ......................................................... 171 
4.4. Котлы охладители (котлы-утилизаторы) 
..................................................... 176 
4.5. Системы газоочистки 
..................................................................................... 181 
4.5.1. Состав отходящих газов  ........................................................................ 181 
4.5.2. Обеспыливание отходящих газов  
......................................................... 184 
4.5.3. Очистка отходящих газов от оксидов серы, HCl и HF 
........................ 184 
4.5.3.1. Влажный способ газоочистки (промывка) .................................... 184 
4.5.3.2. Полувлажный способ газоочистки 
................................................  187 
4.5.3.3. Смешанный способ газоочистки .................................................... 188 
4.5.4. Очистка отходящих газов от оксидов азота ......................................... 189 
4.5.4.1. Свойства оксидов азота ................................................................... 189 
4.5.4.2. Образование оксидов азота ............................................................. 190 
4.5.4.3. Некаталитическое восстановление оксидов азота 
........................ 191 
4.5.4.4. Каталитическое восстановление оксидов азота 
............................ 193 
 
3 

4.5.4.5. Низкотемпературная каталитическая очистка  
на активированном угле ............................................................................... 195 
4.5.4.6. Анализ технологий очистки от оксидов азота .............................. 196 
4.5.5. Очистка отходящих газов от тяжёлых металлов ................................. 196 
4.5.6. Анализ оборудования систем газоочистки 
........................................... 197 
4.5.7. Очистка газов плазмохимической переработки отходов  
от диоксида углерода ........................................................................................ 199 
4.5.7.1. Абсорбционная очистка водой ....................................................... 199 
4.5.7.2. Поглощение растворами этаноламинов 
......................................... 201 
4.5.7.3. Абсорбционная очистка холодным метанолом ............................ 203 
5. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПЛАЗМЕННОЙ ПЕРЕРАБОТКИ  
ОТХОДОВ 
.............................................................................................................. 207 
6. ЭКОНОМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПЛАЗМЕННОЙ ПЕРЕРАБОТКИ  
ТВЁРДЫХ ОТХОДОВ 
.......................................................................................... 220 
6.1. Технико-экономические показатели работы высокотемпературного  
плазменного конвертера для утилизации отходов производства  
и потребления ........................................................................................................ 220 
6.2. Плазменная переработка нефтесодержащих отходов ................................ 233 
6.3. Плазменная переработка стеклосодержащих отходов ............................... 242 
6.4. Плазменная переработка иловых отходов ................................................... 244 
6.5. Плазменная переработка отходов байкальского целлюлозно- 
бумажного комбината ........................................................................................... 251 
6.6. Плазменная переработка медицинских отходов 
......................................... 255 
7. ПЕРСПЕКТИВЫ ПЛАЗМЕННОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ ................ 262 
7.1. Использование продуктов плазменной переработки отходов 
................... 262 
7.1.1. Базальтоподобный шлак 
......................................................................... 262 
7.1.2. Водород .................................................................................................... 272 
7.1.3. Получение синтетического моторного топлива................................... 283 
7.2. Производство микроводорослей и продуктов их переработки ................. 297 
7.2.1. Производство биодизеля, биомассы и глицеринов в плазменном  
комплексе, совмещённом с алгаблоком 
.......................................................... 301 
7.2.2. Возможные пути переработки глицерина ............................................ 315 
7.2.2.1. Получение триацетина этерификацией глицерина уксусной  
кислотой ......................................................................................................... 315 
7.2.2.2. Получение пропиленгликоля из глицерина .................................. 326 
7.2.2.3. Получение других продуктов из глицерина 
.................................. 332 
7.2.3. Агро-Промышленно-Коммунальный Кластер (АПКК) и основные  
этапы предпроектного анализа ........................................................................ 333 
7.3. Генерация электроэнергии ............................................................................ 336 
7.3.1. Газотурбинные установки (ГТУ) 
........................................................... 338 
7.3.2. Паротурбинные установки ..................................................................... 343 
7.3.3. Машины на основе циклов Ренкина (ORC/SRC) 
................................. 345 
7.3.4. Газопоршневые электростанции (ГПЭС) ............................................. 348 
8. ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ПРОЕКТЫ ЗАВОДОВ И УСТАНОВОК  
ПЛАЗМЕННОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ ................................................... 363 
4 

8.1. Заводы плазменной переработки отходов производительностью  
25–300 тыс. тонн отходов год .............................................................................. 363 
8.2. Мобильные и сборно-модульные установки плазменной переработки  
отходов ................................................................................................................... 381 
8.2.1. Математическое моделирование установок 
......................................... 382 
8.2.2. Сборно-модульная установка плазменной переработки отходов  
производительностью 6250 т/год 
..................................................................... 385 
8.2.3. Мобильная установка производительностью 1300 т/год 
.................... 393 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ..................................................................................................... 400 
ПРИЛОЖЕНИЕ I 
................................................................................................... 401 
ПРИЛОЖЕНИЕ II. Плазменная переработка отходов в вопросах  
и ответах ................................................................................................................. 403 
A. Легенды и мифы о плазменной технологии .............................................. 403 
B. Три основных проблемы при эксплуатации оборудования  
для термической переработки, обезвреживания,  
уничтожения отходов 
........................................................................................ 406 
C. Вопросы по эксплуатации Комплексов, часто задаваемые  
в процессе проектирования, и ответы на них 
................................................. 417 
 
 
 
 
5 

ВВЕДЕНИЕ 
Монография посвящена проблеме плазменной утилизации твердых отходов. 
Монография базируется на работах, выполненных авторами, работающими в 
«Курчатовском институте». Статьи были написаны в период 2006–2022 годов.  
Монография состоит из девяти разделов.  
Первый раздел: «Отходы производства и потребления – классификация».  
В разделе приводится морфологический и элементный состав различных 
видов отходов, приведена классификация отходов по классам опасности. 
Второй раздел посвящён термическим технологиям переработки отходов: 
технологиям сжигания и плазменным технологиям. 
Третий раздел «Технологии плазменной переработки отходов». 
В Разделе описаны технологические процессы переработки твёрдых отходов: бытовых, промышленных, опасных, в том числе радиоактивных. Приведены 
примеры заводов и установок плазменной переработки отходов: экспериментальной установки плазменной переработки отходов в Израиле, Комплекс плазменной переработки радиоактивных отходов Нововоронежской АЭС. 
Четвёртый раздел «Технологическое оборудование установок плазменной 
переработки отходов». В разделе приведены такие технологические системы и 
устройства, как: плазмотроны с системами электропитания; плазменные конвертеры (печи); системы дожигания; котлы охладители; системы газоочистки. 
Пятый раздел «Экологические аспекты плазменной переработки отходов». 
Раздел посвящен экологии установок плазменной переработки твёрдых отходов в сравнении с установками сжигания. Приведены экологические аспекты 
установок плазменной переработки радиоактивных отходов в сравнении с хранением отходов на площадках хранения. 
Шестой раздел «Экономические аспекты плазменной переработки отходов». 
Раздел посвящён экономике плазменной переработки отходов. Приведены 
примеры экономических показателей и сроков окупаемости различных проектов 
заводов плазменной переработки отходов в зависимости от конфигурации и состава перерабатываемых отходов. 
Седьмой раздел «Перспективы плазменной переработки отходов». 
Раздел посвящён задачам максимального использования продуктов плазменной переработки отходов в технологических цепочках заводов плазменной 
переработки отходов и получения полезных продукции для реализации на рынке. Это получение синтетического моторного топлива, метанола, водорода и др. 
Генерация электроэнергии. Использование низко потенциального тепла. Производство микроводорослей и продуктов их переработки. 
Восьмой раздел «Перспективные проекты заводов и установок плазменной 
переработки отходов». 
В разделе приведены примеры проектов перспективных заводов плазменной 
переработки отходов производительностью 25–300 тыс. тонн отходов год. Приведены примеры мобильных и сборно-модульные установок (минизаводов) 
плазменной переработки отходов. 
Девятый и последний раздел – заключение.  
Дополнительный раздел – приложение – плазменная переработка отходов в 
вопросах и ответах. 
6 

1. ОТХОДЫ ПРОИЗВОДСТВА И ПОТРЕБЛЕНИЯ.  
КЛАССИФИКАЦИЯ 
 
1.1. Немного истории вопроса 
 
Размещение отходов сначала на свалках, а затем на полигонах имеет многовековую историю. Свалки еще с доисторических времен являлись непременными спутниками населенных мест. Отходы не удалялись за пределы городов, а 
выбрасывались рядом с жильем. В результате улицы многих средневековых европейских городов (Париж, Берлин, Лондон) вплоть до XVI–XVII вв. были покрыты толстым слоем отходов. Слой отходов на немощеных улицах был так 
велик, что передвигаться по ним можно было только в деревянных башмаках на 
толстой подошве или на ходулях [1]. 
Вместе с тем история знает немало примеров использования в древних цивилизованных странах методов удаления и обезвреживания отходов, надежных 
в санитарном отношении. Так, в Палестине практиковались почвенные методы 
обезвреживания отходов. В Афинах жители были обязаны вывозить уличные 
отбросы и фекалии за пределы крепостных стен на расстояние не менее двух 
километров. 
Еще в 3000–1000 гг. до н. э., во времена Минойской цивилизации, в городе 
Кносе, столице Крита, бытовые отходы сбрасывались в глубокие ямы послойно: засыпались землей через определенные промежутки времени. 
Во время правления римских императоров Домициана и Веспасиана для 
обеспечения надлежащего санитарного состояния городов были приняты законы о порядке удаления отходов за их пределы. 
В средние века этот положительный опыт был предан забвению, и только в 
XIV в. в европейских городах вновь начали внедрять элементы санитарной 
очистки городов. Так, в Лондоне и в Берлине была организована вывозка нечистот за пределы городов. 
Узаконенные свалки появились сначала в Англии (XIV в.), затем во Франции (XV в.) и в Германии (XVII в.). На специально отведенные для свалок 
участки территории вблизи населенных мест при слабом контроле, а зачастую и 
без всякого контроля за уровнем загрязнений и эстетическим состоянием 
участка, сбрасывались отходы. Большинство свалок были открытого типа: без 
засыпки отходов землей, а часть их специально поджигалась для уменьшения 
объемов отходов на свалке. 
В России, в 1699 г., Петр I издал указ «О соблюдении чистоты в Москве и 
о наказании за выбрасывание сору и всякого помету на улицы и переулки». Документ гласил: «На Москве по большим улицам и по переулкам, чтобы помету 
и мертвечины нигде, ни против чьего двора не было, а было б везде чисто». 
Вплоть до конца XIX в. большинство свалок не контролировалось. Они являлись источниками загрязнения атмосферного воздуха, почвы, подземных вод, 
постоянно горели, издавали зловоние, были местом размножения грызунов и 
мух. 
7 

Приблизительно до середины ХȱХ в. большая часть человечества не только 
не знала о проблемах отходов, но даже слова такого не употребляла. 
Словарь В. Даля слово «мусор» истолковывает как «остатки, сор от каменной кладки и печной работы; битый камень, кирпич, глина, известь, иногда с 
золою и угольем, окалиной, черепками; сор, мелкие остатки каменного, древесного уголья». 
Такой мусор проблемы не создавал: в те времена пищевые остатки почти 
полностью поедал скот, а оставшиеся сбрасывали в дальний угол двора или же 
вывозили за окраины, где они успешно разлагались под дождем и поглощались 
землей. Тем не менее жителям больших промышленных городов эпохи ранней 
индустриализации, где почти не существовало собственных дворов, зато набирало обороты перепроизводство легкодоступных товаров, уже в конце ХȱХ в. 
отходы стали создавать неудобства. Однако нехватка ресурсов побуждала 
предпринимателей прошлого утилизировать почти все пригодное к переработке 
вторичное сырье. 
Первичным звеном тогдашней утилизационной системы был развитый институт старьевщиков, нашим современникам известный разве что из книжек. За 
небольшую плату они собирали у населения бумагу, стекло, жестяную и деревянную тару, тряпье, оставляя мусорщикам лишь ненужный хлам. Последнего 
же становилось все больше, что требовало масштабных мер по устранению 
проблемы. 
Позже, когда тысячи людей стали переселяться в города с тем, чтобы получить работу, возник мусорный кризис. Отходы вывозили за городские ворота 
и просто складировали в сельской местности. В результате роста городов свободные площади в их окрестностях уменьшались, а неприятные запахи стали 
невыносимыми. 
Поэтому в 1874 г. в английском Нотингеме был построен первый в мире 
мусоросжигательный завод. Со временем такие заводы появились в США, Германии и других развитых странах и стали своеобразными символами новой 
эпохи. 
В XIX в. неудовлетворительная практика сбора, удаления и обезвреживания отходов стала вызывать возмущение населения, так как она приводила к созданию антисанитарных условий в городах. Началась активная разработка законодательных актов, регулирующих эти вопросы. Уже к концу XIX в. была создана законодательная база и разработаны основные методы обезвреживания 
отходов. Это обеспечило возможность перехода к новым, более эффективным 
методам их обезвреживания. 
Первая ручная сортировка твердых бытовых отходов (ТБО) в США (в 
Нью-Йорке) была организована в 1898 г. Она обслуживала район, где проживали более чем 116 000 жителей. При этом из отходов утилизировалось до 37 % 
вторичных материалов. В то же время были организованы ручные сортировки 
ТБО в Берлине, Шарлоттенбурге, Гамбурге и Мюнхене. На них использовались 
барабанные грохоты и ленточные конвейеры, что позволяло перерабатывать до 
300 т ТБО в сутки. 
8 

В послевоенное время (после 1945 г.) в странах Запада ситуация стала катастрофической. В начале 60-х один рядовой американец ежедневно выбрасывал около 1 кг бытовых отходов, что в масштабах США составляло около  
100 млн т ТБО в год. В конце 60-х – начале 70-х гг. под влиянием экологического движения законодатели США признали перепроизводство мусора национальной проблемой. Сегодня на одного жителя Соединенных Штатов ежедневно приходится около 2 кг мусора, то есть более 700 кг в год. Это рекордная величина, но и в других развитых странах показатели немалые – в Бельгии, Великобритании, Германии, Японии на одного человека ежегодно приходится  
340–440 кг бытовых отходов, в Австрии и Финляндии – свыше 600 кг. По подсчетам экспертов, в США количество бытовых отходов на душу населения 
возрастает на 10 % каждые 10 лет, аналогичная ситуация и в других развитых 
странах. 
В XX в. неорганизованные неконтролируемые свалки сменили полигоны, 
основанные на принципе, известном со времен древнейших цивилизаций, – послойной земляной засыпке отходов. Особенно большое распространение они 
получили в 1960-е г. в США, а также в Великобритании и Франции. 
В СССР первые усовершенствованные свалки появились в начале 1960-х гг. 
(Ростов-на-Дону), однако они не обеспечивали необходимую степень защиты 
окружающей среды от загрязнения. Они отличались от обычных свалок только 
организацией приема ТБО, их разравниванием, уплотнением и послойной засыпкой землей. Вопросы защиты подземных вод от загрязнения фильтратом не решались. 
Анализ тенденций, существующих в области развития методов переработки и обезвреживания ТБО в мировой и отечественной практике, позволяет сделать вывод, что в развитых странах обычные свалки постепенно были ликвидированы к концу 1980-х гг. и на первое место вышли полигоны ТБО. 
 
1.2. Общая характеристика современных отходов  
производства и потребления.  
Классы опасности 
 
Сегодня под отходами производства и потребления в самом общем виде 
понимаются остатки сырья, материалов, полуфабрикатов, иных изделий или 
продуктов, образовавшиеся в процессе производства и потребления, а кроме 
того – также и продукция, которая утратила свои технологические, эксплуатационные и потребительские свойства [2]. 
По существу, эта масса отходов делится на две большие группы: отходы 
промышленного производства и отходы потребления.  
При этом, независимо от групповой принадлежности эта вся масса отходов, мусора и хлама делится на пять классов опасности: 
I класс – чрезвычайно опасные, 
II класс – опасные, 
III класс – умеренно опасные, 
9 

IV класс – малоопасные, 
V класс – безопасный мусор.   
Укрупнённо, анализируя эти классы опасности, они подразделяются на два 
семейства, которые представляются как: 
− вредные отходы, или отходы четырёх классов: чрезвычайно опасные, 
опасные и умеренно опасные должны подвергаться нейтрализации, консервации и надёжному захоронению, если они не могут быть безопасно переработаны и превращены либо в сырьё для дальнейшего использования, либо в остаточные отходы для надёжного и безопасного захоронения.  
 
 
 
Рис. 1-1. Классы опасности отходов 
 
− малоопасный и безопасный мусор, это – отходы четвёртого и пятого 
класса, которые могут быть подвержены сортировке для вторичного использования, а неиспользуемые – считаются отбросами.  
Вред для экологии определяется в первую очередь по источнику происхождения отходов, мусора и хлама, которые условно можно определить как: 
1–3 класс опасности отходов – промышленность; 
3–4 класс – строительство, и лечебно-профилактические учреждения; 
5 класс – отходы коммунально-бытового хозяйства. 
 
V класс – безопасный мусор 
В эту категорию относят пищевые остатки, бумагу, керамику, золу, снег, 
необработанную древесину, текстиль из натурального волокна, отходы сортировки сельскохозяйственных культур и прочий продукты органического происхождения, которые не требуют специальных условий обращения. При нахождении в открытой среде отходы 5 класса опасности не представляют угрозы для 
природы и человека, быстро разлагаются естественным путем. 
10