Сверхкритическое водное окисление - перспективная и экологически чистая технология для эффективной переработки широкого спектра органических отходов, таких как сточные воды, активный ил, фильтрат полигонов ТБО, активные фармацевтические субстанции (АФС).
Основные задачи, стоящие перед инженерами сегодня: коррозия и солевые отложения в установках СКВО. Для защиты оборудования от коррозии и работы в автоматическом режиме, представлен ряд современных технологий, таких как обессоливание в режиме "он-лайн", рекуперация тепла и повторное использование окислителя (кислорода), конструкция реактора TWM.
Рассмотрим технические особенности строительства полномасштабных систем сверхкритического водного окисления и их промышленного внедрения.
Сверхкритическое водное окисление - экологически безопасная очистка сточных вод от органических веществ (снижение ХПК).
Сверхкритическое состояние воды
Сверхкритическая вода (СКВ) - это вода, температура и давление которой превышают ее критическую точку (374,15 °C, 22,1 МПа). Физические свойства СКВ, такие как плотность, вязкость, диэлектрическая проницаемость, водородные связи и ионное произведение, кардинально отличаются от свойств обычной воды и пара. Плотность СКВ составляет примерно 1/3 от нормы, диэлектрическая проницаемость снижается с 87,7 при 0°C до 2-30 у СКВ, а ионное произведение уменьшается в 10³ - 10⁹ раз по сравнению с обычной водой.
Благодаря своим уникальным свойствам СКВ применяется для переработки органических отходов и осадков сточных вод. Плотность жидкости при нормальных условиях находится между плотностью водяного пара и плотностью жидкости, и она обладает высокой скоростью диффузии, подобной газовой, наряду с высокой скоростью столкновения с жидкостью.
Кроме того, изменяется поведение воды как растворителя - она ведет себя гораздо меньше как полярный растворитель. Растворимость сверхкритической воды меняется на противоположную. Хлорированные углеводороды становятся растворимыми в воде, что позволяет проводить однофазную реакцию разложения органических соединений с растворенным окислителем.
Свойства сверхкритической воды (СКВ)
- Главная причина эффективности СКВО - кардинальное изменение свойств воды за критической точкой.
- Низкая диэлектрическая проницаемость. Вода теряет полярность и начинает вести себя как органический растворитель, прекрасно растворяя кислород и органические соединения.
- Образование гомогенной фазы. Исчезает граница раздела фаз между окислителем (O₂) и органическим веществом. Это ускоряет реакцию, так как устраняется лимитирующая стадия массопереноса.
- Высокий коэффициент диффузии и низкая вязкость. Способствуют быстрому протеканию реакций.
Преимущества технологии сверхкритического водного окисления
- Полное обезвреживание. Органика окисляется до простых безвредных соединений (CO₂, H₂O, N₂).
- Отсутствие вредных выбросов. Низкая температура реакции предотвращает образование диоксинов и оксидов азота (NOx).
- Энергоэффективность. Процесс может быть автотермическим (не требовать внешней энергии) при концентрации органики ~3-4%.
- Универсальность. Технология применима для очистки сточных вод сложного состава с высокими ХПК и БПК от органических загрязнителей.
Основные технологические проблемы
- Коррозия. Экстремальные условия (высокая температура, высокое давление, кислород - окислитель) разрушают реактор СКВО.
Солевые отложения. Неорганические соли (присутствующие в отходах) практически нерастворимы в СКВ и выпадают в осадок, вызывая зарастание трубопроводов и реактора.
Новые конструкции реакторов СКВО позволяют лучше контролировать осаждение солей из сточных вод. Прогнозирование солевого осаждения довольно сложно и требует сочетания экспериментов и цифрового моделирования процесса сверхкритического окисления воды. Для контроля осаждения солей в системе SCWO необходим комплексный подход к проектированию технологического оборудоания.
Решение проблем осаждения солей из растворов и разработка коррозионно-стойких конструкционных материалов для реакторов, позволит достичь крупномасштабного промышленного внедрения данной технологии.
Очистка сточных вод от органических веществ
Сверхкритическое водное окисление - эффективная технология окисления органических загрязнений в сточных водах. В реакторах СКВО органические отходы (осадки сточных вод) могут быть полностью окислены до простых минеральных веществ: CO₂, N₂, H₂O. СКВО отлично подходит для обезвреживания органических соединений в сточной воде с высоким ХПК и БПК.
При концентрации органических веществ в сточных водах 3-4%, процесс реакции не требует дополнительных затрат энергии. По сравнению со сжиганием отходов, СКВО рентабельно и не образует вторичных загрязнителей, таких как диоксины.
Технология сверхкритического окисления воды внедряется с целью переработки промышленных сточных вод и утилизации осадка городских очистных сооружений. Установка СКВО позволяет перерабатывать пестициды, диоксины, фенолы и формальдегид, ПФАС, активные фармацевтические субстанции (АФС).
Эффективность сверхкритического водного окисления
Выводы
Разработка инженерами комплекса методов защиты от коррозии (подбор сплавов, защитных покрытий, режимов эксплуатации оборудования, ингибиторов коррозии) способен существенно снизить скорость разрушения оборудования.
Выпадение солей, вызывающее зарастание трубопроводов и теплообменников, а также ускоряющее коррозию, остаётся вторым ключевым барьером на пути коммерциализации СКВО. Предварительное удаление солей, on-line обессоливание сточных вод и новые конструкции реакторов демонстрируют высокую эффективность предотвращения и контроля отложений и коррозии.
В будущем акцент сместится от «точечной» защиты к глобальному системному проектированию, объединяющему выбор материалов, гидродинамику, теплопередачу и автоматику.
Постоянное появление более совершенных технологий и аппаратурно-конструкторских решений, направленных на преодоление коррозии и засоления оборудования. Повышение рентабельности и уровня автоматизации промышленных СКВО установок обеспечит очистку сточных вод от органических веществ (в том числе ПФАС), переработку активного ила, утилизацию фильтрата полигонов ТБО и других органических отходов надёжно и безопасно.
Состояние дел в России
- ВНИИАР (Димитровград) – опытный стенд 20–25 кг/ч, Ti-Ni сплавы, 500–600 °C, 24 МПа; переработка отходов МСУ, ионообменные смолы. Техзадание на промышленную установку СКВО 200 кг/ч существует, но начало строительства многократно переносилось (Минэнерго / «Росатом» не включили в ФЦП-2030).
- Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС» (лаб. сверхкритических сред) – 5 кг/ч «сквозная» установка, акцент на коррозионных тестах Ni-, Co-, Fe-сплавов и специальных сплавов на основе кобальта (GH188), патент RU 2747261 C1 (реактор для SCWO с пирометрическим контролем).
- Волгоградский государственный технический университет – разработка безфильтрового реактора со «сферическим» перетоком и предварительным паровым подогревом (RU 2712383); лабораторная секция 0,8–1 кг/ч работает >500 ч без разборки – рекорд для российских камер из жаропрочной стали 08Х18Н10Т.
- МЭИ / ПИЯФ РАН (СПб) – математическое моделирование тепло-массообмена SCWO-сред, расчёт давления подачи солей в субкритической воде; экспериментально – прозрачные сапфировые микрокапсулы до 300 бар.
ФЦП «Развитие атомного энергоприборостроения» содержит пункт «Создание полигонного комплекса очистки ОЯТ с SCWO», первое финансирование запланировано на 2025 г., но сумма первого транша скромная (480 M₽) и охватывает только проект АР-А005 по реактору на литейном сплаве ЭП718-ВД; коммерческая серия отложена до 2035 года.
На бумаге и в лабораторных досье в России уже есть всё базисное IP по SCWO: режимы, коррозионные карты, модульные реакторы <30 кг/ч, патентный пул≈70 свидетельств. Однако отсутствуют:
- массово-производимые материалы для сверхкритической среды;
- насосы сверхвысокого давления;
- прямые госзаказы «от потребителя».
Россия в данной нише пока не перешла за порог ≥100 кг/ч, где начинается реальная экономика утилизации отходов I–II класса опасности или осадка сточных вод городских очистных сооружений.
------------------------
Проведем Вам предпроектное обследование очистных сооружений, составим техническое задания, выполним НИОКР с проведением пилотных испытаний на мембранной и вакуум-выпарной установках. Изготовим нестандартное оборудование для очистки промышленных сточных вод сложного состава на основе наилучших доступных технологий НДТ.
Читайте также на моем Дзен канале по данной теме: