Суперкритическая водяная окислительная технология: разрушение опасных отходов и перспективы применения.

Введение

Сверхкритическое окисление воды (SCWO) – это процесс, протекающий в воде при температурах и давлениях, превышающих термодинамическую критическую точку смеси. В этих условиях вода становится флюидом с уникальными свойствами, которые могут быть эффективно использованы для разрушения стойких и опасных отходов, таких как полихлорированные бифенилы (ПХБ) или пер- и полифторалкильные вещества (ПФАС). Сверхкритическая вода имеет плотность, промежуточную между плотностью водяного пара и жидкости при стандартных условиях, и демонстрирует высокие диффузионные характеристики, свойственные газам, наряду с высокими скоростями столкновений, характерными для жидкостей. Кроме того, поведение воды как растворителя изменяется (по сравнению с подкритической жидкой водой) – она проявляет значительно меньшие свойства полярного растворителя. В результате, поведение растворимости «инвертируется», так что кислород и органические вещества, такие как хлорированные углеводороды, становятся растворимыми в воде, обеспечивая однофазную реакцию водных отходов с растворенным окислителем. Инвертированная растворимость также приводит к выпадению солей в осадок, что позволяет обрабатывать их с использованием традиционных методов для твердых отходов. Эффективные реакции окисления протекают при относительно низких температурах (400–650 °C) с уменьшенным образованием NOx. SCWO можно отнести к «зеленой химии» или к технологиям с минимальным воздействием на окружающую среду. Повышенные давления и температуры, необходимые для SCWO, обычно используются в промышленных процессах, таких как нефтепереработка и химический синтез. Уникальным направлением (в основном представляющим академический интерес) в области окисления сверхкритической воды (SCW) является создание высокотемпературных пламен внутри среды SCW. Пионерские работы по высокому давлению сверхкритических водяных пламен были проведены профессором Э.Ю. Франком в Германском университете Карлсруэ в конце 80-х годов. Эти работы были в основном направлены на прогнозирование условий, которые могли бы привести к спонтанному возникновению нежелательных пламен в процессе безпламенного SCWO-окисления. Такие пламена могли бы вызвать нестабильность системы и ее компонентов. ETH Zurich продолжила изучение гидротермальных пламен в реакторах непрерывного действия. Растущая потребность в методах обработки и уничтожения отходов побудила японскую группу из корпорации Ebara исследовать SCW-пламена как инструмент для защиты окружающей среды. Исследования гидротермальных пламен также начались в Исследовательском центре NASA Гленна в Кливленде, штат Огайо.

Supercritical water oxidation (SCWO) is a process that occurs in water at temperatures and pressures above a mixture's thermodynamic critical point. Under these conditions water becomes a fluid with unique properties that can be used to advantage in the destruction of recalcitrant and hazardous wastes such as polychlorinated biphenyls (PCB) or per and polyfluoroalkyl substances (PFAS). Supercritical water has a density between that of water vapor and liquid at standard conditions, and exhibits high gas like diffusion rates along with high liquid like collision rates. In addition, the behavior of water as a solvent is altered (in comparison to that of subcritical liquid water) it behaves much less like a polar solvent. As a result, the solubility behavior is "reversed" so that oxygen, and organics such as chlorinated hydrocarbons become soluble in the water, allowing single phase reaction of aqueous waste with a dissolved oxidizer. The reversed solubility also causes salts to precipitate out of solution, meaning they can be treated using conventional methods for solid waste residuals. Efficient oxidation reactions occur at low temperature (400 650 °C) with reduced NOx production. SCWO can be classified as green chemistry or as a clean technology. The elevated pressures and temperatures required for SCWO are routinely encountered in industrial applications such as petroleum refining and chemical synthesis. A unique addition (mostly of academic interest) to the world of supercritical water (SCW) oxidation is generating high pressure flames inside the SCW medium. The pioneer works on high pressure supercritical water flames were carried out by professor EU Franck at the German University of Karlsruhe in the late 80s. The works were mainly aimed at anticipating conditions which would cause spontaneous generation of non desirable flames in the flameless SCW oxidation process. These flames would cause instabilities to the system and its components. ETH Zurich pursued the investigation of hydrothermal flames in continuously operated reactors. The rising needs for waste treatment and destruction methods motivated a Japanese Group in the Ebara Corporation to explore SCW flames as an environmental tool. Research on hydrothermal flames has also begun at NASA Glenn Research Center in Cleveland, Ohio.

Основные исследования

Основные исследования по сверхкритическому окислению воды были проведены в 1990-х годах в Исследовательском центре сгорания (CRF) Национальной лаборатории Сандии в Ливерморе, Калифорния. Изначально предложенная как технология уничтожения опасных отходов в ответ на Киотский протокол, она включала изучение различных потоков отходов Стивеном Ф. Райсом и Расом Ханушем, а гидротермальные (сверхкритические водные) пламена исследовались Ричардом Р. Стипером и Джейсоном Д. Эйкеном. Среди изученных потоков отходов были военные красители и пиротехника, метанол и изопропиловый спирт. В качестве окислителя использовалась перекись водорода, и Эрику Кройсету было поручено провести детальные измерения разложения перекиси водорода в сверхкритических условиях воды. В середине 1992 года Томас Г. МакГиннес, PE, во время работы в Национальной лаборатории Лос-Аламоса от имени Summit Research Corporation, изобрел то, что сейчас известно как "транспирирующий стенный реактор SCWO" (TWR). В начале 1995 года МакГиннес получил первый патент США на TWR. TWR был разработан для решения проблем, связанных с отложением солей/твердых веществ, коррозией и тепловыми ограничениями, возникающими в других конструкциях реакторов SCWO (например, трубчатых и емкостных реакторах) того времени. Верхняя часть вертикального реактора включает в себя проницаемую облицовку, через которую проникает чистая жидкость, чтобы предотвратить накопление солей и других твердых веществ на ее внутренней поверхности. Облицовка также изолирует внешний сосуд, выдерживающий давление, от высоких температур в реакционной зоне. Облицовка может быть изготовлена из различных материалов, устойчивых к коррозии и высоким температурам реакции. Нижняя часть TWR включает в себя "охладитель-гаситель" для охлаждения продуктов реакции и нейтрализации компонентов, которые могут образовывать кислоты при переходе к субкритическим температурам. Экхард Динюс и Йоханнес Абелен продемонстрировали концептуальную работоспособность и преимущества TWR для различных видов сырья в Forschungszentrum Karlsruhe (FZK) путем прямого сравнения TWR с соседним трубчатым реактором. Основные инженерные проблемы были связаны с отложением солей и химической коррозией в этих сверхкритических водных реакторах. Энтони Ляжунес возглавлял команду, занимавшуюся изучением этих проблем. Для их решения Ляжунес спроектировал реактор с транспирирующей стенкой, который создавал перепад давления через стенки внутреннего цилиндра, заполненного порами, для непрерывной промывки внутренних стенок реактора пресной водой. Расс Хануш отвечал за строительство и эксплуатацию реактора сверхкритических жидкостей (SFR), использовавшегося для этих исследований. Среди особенностей его конструкции были сплав Inconel 625, необходимый для работы при таких экстремальных температурах и давлениях, а также конструкция оптических ячеек высокого давления и высокой температуры, используемых для фотометрического доступа к реакционным потокам, включавшая 24-каратные золотые уплотнения и сапфировые окна.

Basic research on supercritical water oxidation was undertaken in the 1990s at Sandia National Laboratory's Combustion Research Facility (CRF), in Livermore, CA. Originally proposed as a hazardous waste destruction technology in response to the Kyoto protocol, multiple waste streams were studied by Steven F. Rice and Russ Hanush, and hydrothermal (supercritical water) flames were investigated by Richard R. Steeper and Jason D. Aiken. Among the waste streams studied were military dyes and pyrotechnics, methanol, and isopropyl alcohol. Hydrogen peroxide was used as an oxidizing agent, and Eric Croiset was tasked with detailed measurements of the decomposition of hydrogen peroxide at supercritical water conditions. In mid 1992, Thomas G. McGuinness, PE invented what is now known as the "transpiring wall SCWO reactor" (TWR) while seconded to Los Alamos National Laboratory on behalf of Summit Research Corporation. McGuinness subsequently received the first US patent for a TWR in early 1995. The TWR was designed to mitigate problems of salt/solids deposition, corrosion and thermal limitations occurring in other SCWO reactor designs (eg. tubular & vat type reactors) at the time. The upper part of the vertical reactor incorporates a permeable liner through which a clean fluid permeates to help prevent salts and other solids from accumulating at the inner surface of the liner. The liner also insulates the outer pressure containment vessel from high temperatures within the reaction zone. The liner can be manufactured from a variety of materials resistant to corrosion and high reaction temperatures. The bottom end of the TWR incorporates a "quench cooler" for cooling the reaction byproducts while neutralizing any components that might form acids during transition to subcritical temperature. Proof of concept and performance advantages of the TWR for a variety of feedstocks was demonstrated by Eckhard Dinjus and Johannes Abeln at Forschungszentrum Karlsruhe (FZK), via direct comparison between a TWR and an adjacent tubular reactor. Major engineering challenges were associated with the deposition of salts and chemical corrosion in these supercritical water reactors. Anthony Lajeunesse led the team investigating these issues. To address these issues Lajeunesse designed a transpiring wall reactor which introduced a pressure differential through the walls of an inner sleeve filled with pores to continuously rinse the inner walls of the reactor with fresh water. Russ Hanush was charged with the construction and operation of the supercritical fluids reactor (SFR) used for these studies. Among its design intricacies were the Inconel 625 alloy necessary for operation at such extreme temperatures and pressures, and the design of the high pressure, high temperature optical cells used for photometric access to the reacting flows which incorporated 24 carat gold pressure seals and sapphire windows.

Коммерческие применения

Несколько компаний в Соединенных Штатах в настоящее время работают над коммерциализацией сверхкритических реакторов для уничтожения опасных отходов. Широкое коммерческое применение технологии SCWO требует конструкции реактора, способной противостоять образованию отложений и коррозии в сверхкритических условиях. В Японии существует ряд коммерческих применений SCWO, в том числе один агрегат для обработки галогенированных отходов, построенный компанией Organo. В Корее два агрегата коммерческого масштаба были построены компанией Hanwha. В Европе шведская компания Chematur Engineering AB коммерциализировала технологию SCWO для обработки отработанных химических катализаторов с целью извлечения драгоценных металлов, процесс AquaCat. Агрегат был построен для Johnson Matthey в Великобритании. Это единственный коммерческий агрегат SCWO в Европе, и с производительностью 3000 л/ч он является крупнейшим агрегатом SCWO в мире. Технология Super Critical Fluids компании Chematur была приобретена компанией SCFI Group (Корк, Ирландия), которая активно коммерциализирует процесс Aqua Critox SCWO для обработки осадка, например, осадка от удаления краски и осадка сточных вод. Было проведено множество длительных испытаний этих применений, и благодаря высокой эффективности уничтожения – 99,9% и выше – твердый остаток после процесса SCWO хорошо подходит для переработки: в случае осадка от удаления краски – в качестве наполнителя для бумаги, а в случае осадка сточных вод – в качестве фосфора и коагулянта. SCFI Group эксплуатирует демонстрационную установку Aqua Critox мощностью 250 л/ч в Корке, Ирландия. Turbosystems Engineering (Калифорния, США) активно коммерциализирует свой запатентованный сверхкритический реактор SCWO с транспирирующей стенкой ("TWR") с акцентом на применение в области возобновляемой энергетики. 374Water Inc. – компания, предлагающая коммерческие системы SCWO, которые преобразуют органические отходы в чистую воду, энергию и минералы. Она была выделена после более чем семи лет исследований и разработок, финансируемых Фондом Билла и Мелинды Гейтс, в лаборатории профессора Дешусса в Университете Дьюка. Основатели 374Water, профессор Марк Дешусс и Кобе Нагар, владеют патентом на реактор для переработки отходов, относящимся к SCWO. 374Water активно коммерциализирует свои системы AirSCWO для обработки биосолидов и осадка сточных вод, органических химических отходов и отходов, содержащих ПФОК (PFAS), включая неиспользованные пленкообразующие пены (AFFF), промывочные жидкости или отработанные смолы и адсорбенты. Первая коммерческая продажа была объявлена в феврале 2022 года. Aquarden Technologies (Skaevinge, Дания) предоставляет модульные установки SCWO для уничтожения опасных загрязняющих веществ, таких как ПФОК, пестициды и другие проблемные углеводороды в промышленных потоках отходов. Aquarden также осуществляет рекультивацию опасных энергетических отходов и химических боевых веществ с использованием SCWO, где полномасштабная система SCWO работает уже несколько лет во Франции для нужд оборонной промышленности.

Several companies in the United States are now working to commercialize supercritical reactors to destroy hazardous wastes. Widespread commercial application of SCWO technology requires a reactor design capable of resisting fouling and corrosion under supercritical conditions. In Japan a number of commercial SCWO applications exist, among them one unit for treatment of halogenated waste built by Organo. In Korea two commercial size units have been built by Hanwha. In Europe, Chematur Engineering AB of Sweden commercialized the SCWO technology for treatment of spent chemical catalysts to recover the precious metal, the AquaCat process. The unit has been built for Johnson Matthey in the UK. It is the only commercial SCWO unit in Europe and with its capacity of 3000l/h it is the largest SCWO unit in the world. Chematur's Super Critical Fluids technology was acquired by SCFI Group (Cork, Ireland) who are actively commercializing the Aqua Critox SCWO process for treatment of sludge, e. g. de inking sludge and sewage sludge. Many long duration trials on these applications have been made and thanks to the high destruction efficiency of 99.9%+ the solid residue after the SCWO process is well suited for recycling – in the case of de inking sludge as paper filler and in the case of sewage sludge as phosphorus and coagulant. SCFI Group operate a 250l/h Aqua Critox demonstration plant in Cork, Ireland. Turbosystems Engineering (California, USA) is actively commercializing their patented transpiring wall SCWO reactor ("TWR") with a focus on renewable energy applications. 374Water Inc. is a company offering commercial SCWO systems that convert organic wastes to clean water, energy and minerals. It is spun out after more than seven years of research and development funded by the Bill & Melinda Gates Foundation to Prof. Deshusses laboratory based at Duke University. The founders of 374Water, Prof. Marc Deshusses and Kobe Nagar, possess the waste processing reactor patent relevant to SCWO. 374Water is actively commercializing its AirSCWO systems for the treatment of biosolids and wastewater sludges, organic chemical wastes, and PFAS wastes including unspent Aqueous Film Forming Foams (AFFFs), rinsates or spent resins and adsorption media. The first commercial sale was announced in February 2022. Aquarden Technologies (Skaevinge, Denmark) provides modular SCWO plants for the destruction of hazardous pollutants such as PFAS, pesticides, and other problematic hydrocarbons in industrial wastestreams. Aquarden is also providing remediation of hazardous energetic wastes and chemical warfare agents with SCWO, where a full scale SCWO system has been operating for some years in France for the Defense Industry.