Veszélyes hulladékok szuperkritikus vizes oxidációs energiahatékony megsemmisítése
1. Bevezetés
A szerkezeti anyagok terén végzett fejlesztések eredményei általános gépipari felhasználás céljára is elérhetővé tették a magas korrózió-, hő-, és nyomásálló anyagokat (pl. INCONEL alloy 740H [1]). Ezen anyagok alkalmazásával lehetővé vált az ultraszuperkritikus-víz (USCW) ipari hasznosítása is. Az USCW alkalmazásával hatékony technológiák születtek a nemhagyományos olajipar számára; például a nehézolajok szállítás előtti, földfelszíni könnyebb olajjá történő átalakítására, valamint a környezetvédelem számára is, elsősorban a veszélyes hulladékok energiahatékony megsemmisítése céljából. A veszélyes hulladékok többsége jelentős szervesanyag tartalommal rendelkezik pl. halogénezett oldószerek, nem válogatott vegyes műanyag hulladékok, hulladék olajok, különféle szennyvíz iszapok stb. A jelen tanulmány olyan berendezést és eljárást ismertet, amely a veszélyes hulladékok (VH) megsemmisítése során azok szervesanyag tartalmát hasznos és könnyen felhasználható energiává alakítja át. Az 1. ábrán ismertetett technológia fedezi többek között magának a hulladék-feldolgozásnak az energia-szükségletét is.
A hulladék-megsemmisítési technológia alapját a szuperkritikus-vizes oxidáció képezi.A szuperkritikusvíz (SCW) kiváló szerves oldószer, és megfelelő oxigén tartalom esetén hatékony oxidálószer is.
Jelenleg is léteznek az iparban ilyen, folyamatosan üzemű technológiák, pl. Chematur SCWO [2], Aqua Critox [3], Duke University SCWO [4], General Atomics SCWO [5], Athos Veolia SCWO [6]. Ezen cégek és kutatócsoportok technológiái működőképes műszaki megoldások, de főbb hiányosságaik az alábbiak:
A szerves hulladékok hatékony feldolgozásának kétféle módszere ismert: a feldolgozandó anyagok USCW elgázosítása és azok USCW oxidációja. Jelen eljárásunk és berendezésünk célja, hogy az USCWO-ra kifejlesztett és ismertetett technológiák felsorolt hiányosságainak nagy részét kiküszöbölje, illetve javulást érjünk a hiányosságok terén. Ezt főként a csőreaktor konstrukciójának változtatásával értük el.
2. A TECHNOLÓGIA ÉS ANNAK ISMERTETÉSE
Az általunk kifejlesztésre került új típusú szuperkritikus-vizes oxidációs hulladékmegsemmisítő technológiának a részleteit az alábbiakban ismertetjük.
2.1. Technológiai leírás
Az 1. ábra az SCW oxidációs technológia elvi felépítését mutatja be nagyobb teljesítményű veszélyes-hulladék megsemmisítése esetén.
1. ábra. Veszélyes hulladékok energiahatékony SCW oxidációs megsemmisítése
A hulladékok oxidációja során, a felszabaduló hőenergiát a csőreaktor reaktorcsövétől hidraulikusan független, de azzal szoros termikus kapcsolatban lévő gőzfejlesztő csőkígyó túlhevített gőzzé alakítja. A gőz a csőreaktorból kikerülve, annak hasznosítása a technológia részét képező gőzturbinás kiserőműben történik. Nagyobb kapacitású oxidációs üzemek esetén jelentős hulladék-SCW eleggyel kell számolni. A rendszerben uralkodó, a csőreaktor szuperkritikus üzemének előállításához szükséges nyomás (240–390 bar) energiáját ez a változat célszerűen egy tárcsás turbinával légköri nyomásra történő expandálás útján hasznosítja. A megsemmisítendő VH „hordozó anyagát” – az ultraszuperkritikus-vizet – egy speciális konténer-kazán állítja elő. Az USCW kazán szabályozható módon változtatható paraméterekkel rendelkezik 600–700°C hőmérséklet- és 240–500 bar nyomástartományokban. A kazán csőkötege három különálló, egyenként kollektorokkal összefogott csőkígyóból áll, egymás fölött elhelyezve, kiváló hőátadást és jó termikus hatásfokot biztosítva. A SCW oxidációs technológia meghatározó berendezése a szuperkritikus üzemű csőreaktor, amelynek felépítését az 2. ábra mutatja.
.jpg)
2. ábra. A szuperkritikus üzemű csőreaktor felépítése (bal: főnézetben, jobb: keresztmetszetben)
A csőreaktor-berendezés két termikusan csatolt, de hidraulikusan független csőkígyót tartalmaz. Egy lehetséges kialakítás szerint, egymásba építve, cső-a-csőben hőcserélőnek megfelelően. A reaktorcsövek korróziónak, nyomásnak és hőnek jól ellenálló NiCr ötvözetből (INCONEL alloy 740H) készülnek. A hőhasznosítást végző termikusan csatolt csövek P91 kazánacélból készülnek.
A csőreaktor összetett funkciójú berendezés. Egyrészt biztosítja a VH – SCW – oxidálószer elegynek a reakció-paraméterek által megkövetelt nyomás és hőmérséklet melletti, szükséges időtartamú tartózkodását, a megsemmisítendő VH teljes oxidációját. Másrészt biztosítja az exoterm reakció mellett felszabaduló hőenergia folyamatos elvezetését, ezzel biztosítva a rendszer hőstabilitását. Továbbá tartalmaz egy teljesítmény-ultrahang generátort annak rezgőfejeivel együtt, amelyek feladata a csőreaktor reakciócsövei belső felületeinek tisztán tartása.
2.2. Működési leírás
Az USCW kazán a tápvizet a tápvízszivattyútól kapja, amelynek nyomását és teljesítményét a VH által megkövetelt csőreaktori technológiai paraméterek és a VH/SCW arány határozzák meg. Az adagoló egység vízsugár-szivattyú elvén működő eszköz, amely hatékonyan oldja meg az SCW és az előkészített, homogenizált VH, az oxidálószer, valamint a szabályozó tüzelőanyag egyenletes keveredését, majd az így keletkezett elegynek a csőreaktor reaktorcsövébe történő adagolását. A reaktorcsőbe juttatott elegy, a megsemmisítendő VH-ra jellemző reakció-idő (jellemzően 0,5-3,5 min) alatt, áthalad a reaktor-csőkígyón, mialatt megtörténik a VH oxidációja. Közben az oxidációt kísérő hőfejlődés hőenergiája folyamatosan átadódik a reaktor-csőkígyóval közvetlen termikus kapcsolatban álló gőzfejlesztő csőkígyónak. Mindezzel párhuzamosan a külső csőkígyó bordázott felülete felmelegíti, előfűti az USCW kazán csőreaktoron áthaladó égéslevegőjét. Ez a megoldás a kazán gázfogyasztását mintegy 70%-kal lecsökkenti.
A gőzfejlesztő csőkígyó által fejlesztett túlhevített gőz a gőzturbina gőzkondenzátorába kerül majd a kondenzvizet a tápvíz-szivattyú hőcserélőn keresztül ismét a gőzfejlesztő csőkígyóba juttatja. Ott a hőcserélő által előmelegített tápvízből ismét túlhevített gőz keletkezik. A folyamat így ismétlődik tovább, ciklikusan, villamos energiát termelve. Hőcserélőn keresztül a tápvíz hasznosítja a csőreaktor reaktor-csőkígyójából kilépő elegy (szuperkritikus fluidum) hőenergia tartalmának jelentős részét. A reaktor-csőkígyóból kilépő fluidum hőenergiáját elegy-turbina és villamos generátor gépcsoport hasznosítja, a reaktor-csőkígyóban uralkodó nyomás légköri nyomásra történő expandálásával. A nyomás redukálása szükséges a kazánvíz minőséget előállító víztisztító üzeme szempontjából.
Az előkészített homogenizált VH-t hőcserélők melegítik elő. A szerves anyagot tartalmazó VH mintegy 180–300°C-ra melegíthető elő, annak szerves-anyaga típusától függően. Szeparátorok tisztítják meg a csőreaktorból kilépő fluidumot annak inert-anyag tartalmától. A víztisztító kazánvíz minőségű vizet állít elő a hőcserélők által lehűtött-, és a szeparátorok által megtisztított fluidumból. A tápszivattyú az így nyert tápvizet, tisztított friss-vízzel kiegészítve, az USCW kazán nagynyomású tápszivattyújához juttatja, és a VH megsemmisítés ciklikusan így ismétlődik.
Az ismertetett technológia és eljárás termikus hatásfoka 60–70% között van, a megsemmisítendő VH típusának, anyagának, és a berendezés teljesítményének függvényében.
3. Összefoglalás és Értékelés
A nagyteljesítményű ultrahang-generátor és segédeszközeinek megfelelő alkalmazásával kiküszöbölhető a szuperkritikusvíz és a megsemmisítendő VH elegyében lévő oldatlan sók csőreaktorban való kiülepedését, a csőreaktor reaktor csöveinek lerakódását. Az ultrahang az elegyben gázbuborékokat kelt, amik elvégzik a reaktorcsövek tisztán tartását, valamint biztosítják az elegy folyamatos, finom keveredését és így az oxidálószer tökéletes eloszlását. Így megrövidítve az oxidációhoz szükséges reakcióidőt, következésképpen a csőreaktor méretét is.
Az USCW kazán égéslevegőjének a csőreaktor külső bordás csöve által 400–500°C-ra történő előmelegítése lehetővé teszi az energiahatékony VH megsemmisítési üzemet. A vízsugár-szivattyú elven működő adagoló egység, csökkenti a szivattyúnyomás-igényt és javítja az adagoló egységbe juttatott anyagok elkeveredését. A megfelelően kiválasztott, szuperkritikus üzemben működő elegy-turbina jelentős villamosenergia megtakarítást eredményezhet, javítva az energiahatékonyságot. A szabályozó tüzelőanyag automatikusan vezérelt adagolása lehetővé teszi különféle szerves és szervetlen VH megsemmisítését, biztosítva, hogy a csőrektor termikus paraméterei szűk határok között mozogjanak. Így megkönnyítve a keletkező oxidációs hőenergia hasznosíthatóságát, egyben javítva a gőzturbinás kiserőmű-, valamint az egész technológia hatásfokát. A csőreaktor konstrukciója lehetővé teszi az oxidációs folyamat kapcsán keletkező hőenergia egyszerű és hatékony elvezetését és annak gőzturbinás kiserőmű által történő hasznosítását.
A csőreaktor konstrukciója lehetővé teszi nagy kapacitású VH feldolgozó üzemek létesítését, amelyek egyben megújuló energiát termelő villamos erőművek is.
IRODALMI HIVATKOZÁSOK
[1] J. J. deBarbadillo, „14 - INCONEL alloy 740H”, in Materials for Ultra-Supercritical and Advanced Ultra-Supercritical Power Plants, A. Di Gianfrancesco, Szerk. Woodhead Publishing, 2017, o. 469–510.
[2] A. Gidner és L. Stenmark, „Supercritical water oxidation of sewage sludge: state of the art”, köt. 430, 0 2001.
[3] D. Patterson, L. Stenmark, F. Hogan, és A. Water, „Pilot-scale supercritical water oxidation of sewage sludge”, 0 2021.
[4] „Neighborhood-Scale Sewage Treatment Using Supercritical Water Oxidation | Sanitation Solutions”. https://sanitation.pratt.duke.edu/community-treatment/about-community-treatment-project (elérés febr. 19, 2021).
[5] „industrial Supercritical Water Oxidation (iSCWO) | General Atomics”. https://www.ga.com/hazardous-waste-destruction (elérés febr. 19, 2021).
[6] K. Hii, S. Baroutian, R. Parthasarathy, D. Gapes, és N. Eshtiaghi, „A review of wet air oxidation and Thermal Hydrolysis technologies in sludge treatment”, Bioresour. Technol., köt. 155C, o. 289–299, 0 2013, doi: 10.1016/j.biortech.2013.12.066.