Профессор Анатолий Аньшаков об энергии из отходов

АрхивИнтерактив

Управляемый термоядерный синтез - это смелая, но, увы, далекая мечта. Пока ученые-плазмисты пытаются сделать плазму "послушной", их коллеги нашли ей совсем другое применение.

Проблема хранения, переработки и утилизации промышленного и бытового мусора с годами становится все актуальнее. Хранить отходы дорого и невыгодно, а их переработка – объективная необходимость. Оказывается, сжигать отходы можно не просто безопасно для окружающей среды, но и с огромной пользой, получая вместо мусора электрическую энергию. Помогут в этом непростом деле генераторы термической плазмы, они же плазмотроны.

Заведующий лабораторией электротехнологий Института теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, доктор технических наук, профессор Анатолий Аньшаков рассказывает о том, почему сжигать любой, даже самый вредный бытовой и промышленный "мусор" лучше всего в плазменных печах, и главное – о том, как из отходов можно получить электроэнергию?

– Что такое генератор термической плазмы? В чем специфика плазмотронов, созданных в вашем институте?

– В Институте теплофизики со дня его основания занимаются исследованием и применением газоразрядной низкотемпературной плазмы. Плазма при повышенном давлении, когда температура электронов, ионов и тяжелых частиц одинакова, называется термической плазмой. Генераторы термической плазмы – это генераторы плазменных струй или плазменных потоков. Это газ, нагретый до 5-10 тысяч градусов с помощью электрической дуги.

Подобными генераторами плазмы занимаются многие, но каждая разработка имеет свою специфику. В Исследовательском центре им. М. В. Келдыша занимаются коаксиальными плазмотронами, в Санкт-Петербургском политехническом университете – высокочастотной плазмой, в Институте электрофизики РАН – плазмогенераторами переменного тока, а новосибирская школа под руководством академика М. Ф. Жукова с самого начала занималась генераторами электродуговой плазмы с газовихревой стабилизацией дуги в разрядной камере.

Простота конструкции таких устройств обеспечила разработку широкого ряда генераторов плазмы от десятков до нескольких тысяч киловатт. Эти плазмотроны работают с разнообразными газами: азот, аргон, водород, гелий, воздух, водяной пар, природный газ и их всевозможные смеси. При этом ресурс работы электродов составляет сотни часов, что уже сегодня вполне удовлетворяет требования многих электротехнологий. Выбор той или иной газовой среды зависит от технологического применения плазмотрона.

– Какие именно техногенные отходы можно перерабатывать с помощью плазмотронов?

– К техногенным относится любой вид отходов, созданный в результате деятельности человека. Это бытовые, все муниципальные, медицинские, биологические отходы, сточные воды. Они могут быть промышленными или бытовыми, сюда же относится мусор различных предприятий.

– А вы с какими работаете?

– Мы проводили исследования с различными отходами: бытовые, биологические, например, иловые осадки и рисовая шелуха. Как правило, перерабатываются отходы, которые содержат в своей основе углерод, то есть углеродсодержащие материалы, вся органика. Это позволяет нам получать синтетический газ, состоящий из монооксида углерода и водорода, то есть горючий газ. При пламенной переработке отходов мы получаем 90-95 объемных процента газа, состоящего именно из синтетического горючего газа и в меньшей степени из балластного (азот и углекислый газ).

Синтетический газ – это ценное сырье для энергетики, с помощью которого можно получать тепло для теплоснабжения населенных пунктов, электроэнергию. При этом можно использовать те же паровые турбины, которые используются на тепловых станциях. Большое содержание синтез-газа в дымовых газах позволяет использовать его для получения, например, синтетического жидкого топлива, высокооктанового бензина. Синтез-газ – это ценный продукт, сродни природному, который Д. И. Менделеев советовал не сжигать в топках, а использовать его в химии.

l

– В чем преимущества метода, предложенного вашим институтом? Сейчас плазмотроны используются только для розжига котлов. Чем это лучше традиционного метода розжига?

– Преимущество плазменного метода по сравнению, например, с огневыми высокотемпературными методами заключается в том, что уровень температур выше 1300 градусов Цельсия позволяет разложить все сложные вещества на простейшие. И последующая быстрая закалка химических реакций не позволяет обратному соединению этих продуктов, то есть исключает появление вредных выбросов типа диоксинов или фуранов, потому что синтетический газ – это восстановительная среда для других газов, и они не позволяют образоваться вредным выбросам. Если, например, мы работаем с хлором, в частности, это возможно при переработке различных пластиков, то при закалке образуется хлористый водород, но при этом он нейтрализуется в щелочном растворе в процессе очистки газа.

Еще одним существенным плюсом плазменного метода является его экологическая чистота. Также важно отметить то, что высокий уровень температур позволяет перерабатывать любое вещество в твердом, жидком и газообразном состоянии. А что касается твердых бытовых отходов, то при нашем методе не требуется их сортировка: не надо отбирать пластик, картон, пищевые продукты и так далее. Все виды отходов сжигаются в одной реакционной камере, например, в плазменно-шахтной печи. Проведенные нами эксперименты показали, что удельные энергозатраты на переработку одной тонны бытовых отходов составляют до 500 киловатт-часов. Это достаточно большая цифра, но это не так уж и много, если вспомнить о вопросе экологии, а также о том, что бытовые отходы – это возобновляемое энергетическое сырье. Из него можно получать электроэнергию.

– Вот это особенно интересно.

– Сжигая в топке котла синтез-газ, который образуется в больших количествах (с одного килограмма – кубометр газа), мы получаем электроэнергию. Но если мы затратили 1 киловатт электроэнергии, то получаем до полутора киловатт вторичной электроэнергии. Так что переработка отходов плазменным методом – экономически выгодный процесс. Поскольку электрическая энергия сегодня – это самый дорогой вид энергии на Земле, то желательно использовать его наиболее эффективно и бережно. Поэтому сейчас, при переработке отходов, есть несколько другой подход к этой проблеме. Например, можно сжигать мусор в мусоросжигательных печах, сжигать твердые бытовые отходы, а образующуюся золу, которая содержит вредные вещества (инфекции, бактерии, диоксины) – перерабатывать в плазменных печах для получения остеклованного шлака. Такой шлак хорош тем, что он нейтрален по отношению к почве, к воде, к окружающей среде. Из него можно строить дороги, одноэтажные дома.

– Что нужно для промышленного внедрения этой технологии?

– Для промышленного внедрения этой технологии, как и всяких новых, нужно финансирование. К сожалению, Россия не такая богатая страна, чтобы использовать плазменную технику для переработки и утилизации техногенных, в частности, бытовых отходов. Сегодня наиболее перспективным применением плазменной технологии является уничтожение особо токсичных веществ, например, медицинских отходов, которые являются переносчиками различных инфекций, туберкулеза, ВИЧ и прочих бактерий. Такие отходы могут уничтожаться в небольших плазменных печах, рассчитанных на переработку 100-200 кг в час. Для сравнения: если речь идет о бытовых отходах крупномасштабного производства, то нужна производительность установки около 5 тонн в час. А здесь, всего какие-то 100-200 кг в час, этого вполне достаточно для любого большого больничного комплекса. Можно свозить отходы и со всего города в одно место, чтобы не строить такие печи при каждой крупной больнице или исследовательском центре. Потом, сегодня много полихлорбифинилов, отравляющих веществ, которые также желательно перерабатывать в таких плазменных печах.

Из более простых областей применения разработанных в нашем институте плазмотронов можно назвать плазменный розжиг пылеугольных потоков, который сегодня активно применяется в энергетике, и это еще раз демонстрирует широкие возможности плазменной техники. Что такое плазменный розжиг пылеугольного потока? Это замена мазута на плазму. Мазут с каждым годом дорожает все сильнее, а на плазменный розжиг уходит 0,1–0,3 % от собственных затрат электроэнергии. Получается, что удельные затраты энергии совсем небольшие, несравнимо меньшие, чем при переработке бытовых отходов.

Сегодня говорить о таком крупномасштабном проекте, как переработка отходов, рано, потому что этот вопрос связан с расходами городской казны. Если говорить о Новосибирске, то у нас есть и другие потребности, надо строить метро, третий мост через Обь, и выделять большие деньги на переработку отходов городское руководство не готово. Наши эксперименты и расчеты проектных организаций показывают, что создание мощного производства, которое перерабатывало бы, например, 5 тонн в час (в году 8000 часов, следовательно, можно переработать 40 000 тонн) будет стоить около 10-12 миллионов долларов. Пока город не может найти такие деньги. Что такое 40 000 тонн? Конечно, цифра большая. Но один район нашего города производит именно столько "мусора" в год, а таких районов у нас десять, значит, и заводов потребуется столько же.

– А в мире эта технология используется?

– Очень мало. Известный мне завод по переработке бытовых отходов в Канаде находится в "наладочной" стадии, то есть долго и надежно еще не работает. В Южной Корее есть опытно-промышленная плазменная установка по переработке бытовых и техногенных отходов до 1000 кг в час. Экспериментальные исследования данного направления проводились также во Франции. Американцы обещают создать до 2015 года крупнейший завод по переработке таких отходов (150 тысяч тонн в год). Но пока отлаженного производства тоже нет. Я думаю, в ближайшее время этим будет заниматься Китай. Поскольку там большое народонаселение, стесненное по площадям, они должны быстрее всех приступить к строительству таких заводов. Тем более, наш институт ведет исследования в этой области совместно с одной китайской фирмой и политехническим университетом. Мы помогаем им создать и освоить в этом направлении плазменные технологии.

С одной стороны, внедрение плазменных технологий требует финансирования, с другой – уровень плазменной техники, законодательные акты пока еще не способствуют тому, чтобы это дело было четко отлажено в промышленном масштабе. В идеале, под эту задачу нужно построить новый тип предприятия, такой, чтобы его сотрудники были сильно мотивированы к работе. Предприятие, которое организует эту переработку, должно быть заинтересовано в том, чтобы решать экологическую и энергетическую проблемы. И оно, несомненно, должно иметь свои дивиденды. То, что такое предприятие решало бы глобальную экологическую проблему, вопрос защиты окружающей среды, должно быть лишним поводом для его поощрения. А если его приравнять к обычному производству, например, машиностроительному, нефтегазовому или сельскохозяйственному, быстрой отдачи мы не получим. Потому что работать с отходами по старинке никто не хочет. Попытки создать у нас в Новосибирске мусороперерабатывающий завод на основе сортировки отходов по составу (металл, пластик и прочее), показывает, что любителей работать на таком производстве просто нет.

– А если представить, что есть все условия для создания такого предприятия, вы готовы к этому с научно-технической точки зрения?

– Для плазменной технологии по утилизации бытовых и техногенных отходов не нужна сортировка материала. Необходимо извлекать черные и цветные металлы и отправлять их на вторичную переработку, и все. Для этого есть специальные автоматизированные установки. Достаточно поставить эти устройства. Картон, пластик, все, что имеет органические составляющие, дает нам качественный синтез-газ. Сегодня плазменная технология готова к этому. Наш институт, Институт теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича СО РАН, ОАО "Сибэлектротерм", НГТУ занимаются этими вопросами достаточно долго, чтобы можно было начать воплощать их в жизнь. В первую очередь это будет утилизация малых порций отходов типа медицинских, в масштабах, скажем, тонна в час. Такую плазменную печь мы можем создать и запустить хоть завтра.

– Пытался ли кто-то купить вашу технологию?

– Зарубежные инвесторы говорят просто: покажите, что это работает, и где. А мы в ответ предлагаем оплатить создание демонстрационной установки. Институт – это академическая организация, у нас нет менеджеров, мы не ведем никакие мониторинги. Этим должен заниматься профильный специалист, но только не научный сотрудник, который должен получать новые знания, предлагать новые конструктивные решения и технические подходы. Много лет идет разговор и с мэрией города, и с крупными предприятиями, которым мы предлагаем создать маленькую установочку "под ключ" на 300 киловатт, которая перерабатывала бы 100 кг в час, но пока нет никаких результатов.

Мы постоянно отвечаем на письма из Израиля, Турции, Польши и говорим, что надо столько-то денег для создания производства. Конечно, мы действительно известные специалисты в этой области, наши публикации имеют свой вес в мировой литературе, и, по идее, нам должны доверять. Но это, видимо, решают не ученые, а представители власти или бизнеса. Предположим, мы сделаем установку и будем снабжать Академгородок теплом. Инвесторов беспокоит только одно – через сколько лет окупятся вложения, сделанные в это предприятие? В данном случае речь идет о "длинных" деньгах, это наукоемкое производство, которое требует времени. Для того чтобы сделать хороший цветной телевизор, японцам потребовалось 70 лет. Да, мы готовы принимать участие в создании такого завода, но нужно понимать, что каждый день будут возникать новые проблемы и задачи, потому что любая технология должна быть отлажена опытом, оптимизироваться и совершенствоваться годами.