Моделирование процессов сжигания органических отходов в плазме воздуха

Проведен термодинамический и кинетический анализ процессов сжигания токсичных полимерных отходов (например, использованных медицинских шприцев и др.) в среде плазмы воздуха, получаемой с помощью воздушного плазмотрона. В высокотемпературной плазменной среде токсичные и опасные бактериологические соединения нейтрализуются за счет распада и окисления. Однако при реализации данных процессов возникают вредные вторичные вещества в виде оксидов углерода и азота, а также цианидов, выброс которых в атмосферу нежелателен.

Весь технологический процесс сжигания (модель процесса) можно разделить на четыре стадии (см. рис. 1), в которых минимизацию выбросов вредных вторичных веществ, возможно, проводить независимо, взяв в качестве начальных условий вещества, образовавшиеся на предыдущей стадии.

На первой стадии, в силу высоких температур в разрядной зоне плазмотрона, образуется заметное количество моноксида азота (NO), который транспортируется вместе с плазмой по каналу, длина и организация теплообмена которого определяются условиями оптимизации на стадии 2. Наиболее сложные процессы проходят в реакторе сжигания, где происходит взаимодействие плазмы с полимерными изделиями, как правило упакованными в сгораемые контейнеры. Полимеры нагреваются, разлагаются и сгорают. Для количественного моделирования процессов взаимодействия полимеров с плазменной струей необходимо знать закономерности распада полимеров и состав продуктов распада, которые используется в качестве исходных веществ при моделировании.

Термическое разложение органических соединений - сложный процесс. Широко используемые полимеры (полиэтилен, полипропилен, полистирол и др.), в основном, распадаются по закону случая, в результате чего образуются осколки полимерных молекул любого промежуточного размера. Таким образом, практически невозможно в каждом случае предсказать даже качественный состав продуктов пиролиза полимера.

В связи с такой ситуацией численные эксперименты были проведены с исходными веществами, в качестве которых выступали различные углеводороды.

На рис. 2 приведены зависимости содержания оксида азота в высокотемпера-турной смеси воздуха, поступившего из плазмотрона, с различными количествами углеводородов. Видна общая закономерность: добавление любых углеводородов приводит к снижению содержания NO в смеси. Основную роль здесь играет углерод. На рис. 2 по оси абсцисс отложены отношения чисела молей углерода к числу молей

кислорода в смеси. Видно, что при [C] ³ [O] содержание в смеси NO практически равно нулю независимо от типа углеводородной добавки. При этом сильно возрастает содержание в смеси СО. При больших избытках углерода кроме того появляется значительное количество цианидов (CN, HCN, C3HN, C5HN, C7HN, C9HN), суммарные содержания которых приведены на рис. 2 при добавках различных углеводородов (CH4, C6H6, C).

Таким образом, для устранения выброса в атмосферу оксида азота, образовавшегося на первой стадии (в плазмотроне), необходимо процесс сгорания полимеров проводить с избытком углерода. Образующийся при этом СО для исключения его выброса в атмосферу должен дожигаться на стадии 4 при температурах не превышающих 2000- 2500 К. Избыток углерода на стадии 3 должен быть небольшим для исключения значительно выхода цианидов, которые при дожигании на стадии 4 будут образовывать снова оксид азота.