Сжигание, как способ утилизации твердых бытовых отходов

- слоевое сжигание исходных (неподготовленных) отходов  в мусоросжигательных котлоагрегатах (МСК);

- слоевое или камерное сжигание специально подготовленных отходов (освобожденных от балластных фракций) в энергетических котлах совместно с природным топливом или в цементных печах;

- пиролиз отходов, прошедших предварительную подготовку или без нее.

Несмотря на разнородность состава твердых бытовых отходов, их можно рассматривать как низкосортное топливо (тонна отходов дает при сжигании 1.000—1.200 ккал тепла). Термическая переработка ТБО не только их обезвреживает, но и позволяет получать тепловую и электрическую энергию, а также извлекать имеющийся в них черный металлолом. При сжигании отходов процесс можно полностью автоматизировать, следовательно, и резко сократить обслуживающий персонал, сведя его обязанности до чисто управленческих функций. Это особенно важно, если учесть, что персоналу приходится иметь дело с таким антисанитарным материалом, как ТБО.

 

Сжигание - это широко распространенный способ уничтожения твердых бытовых отходов, который широко применяется с конца XIX в.

 

Для повышения экологической безопасности необходимым условием при сжигании мусора является соблюдение ряда принципов. К основным из них относятся температура сжигания, которая зависит от вида сжигаемых веществ; продолжительность высокотемпературного сжигания, зависящая также от вида сжигаемых отходов; создание турбулентных воздушных потоков для полноты сжигания отходов.

 

                              3.1.Слоевое сжигание ТБО в котлоагрегатах.

 

При данном способе обезвреживания сжигаются все поступающие на завод отходы без какой-либо предварительной подготовки или обработки. Метод слоевого сжигания исходных отходов наиболее распространен и изучен. Однако при сжигании выделяется большое количество загрязняющих веществ, поэтому все современные мусоросжигательные заводы оборудованы высокоэффективными устройствами для улавливания твердых и газообразных загрязняющих веществ, стоимость их достигает 30% кап. затрат на строительство МСЗ.

Первая мусоросжигательная установка общей производительностью 9 т/ч введена в эксплуатацию в Москве в 1972 году. Она предназначалась для сжигания остатков после компостирования на мусороперерабатывающем заводе. Мусоросжигательный цех находился в одном здании с остальными цехами завода, который в связи с несовершенством технологического процесса и получаемого компоста, а также из-за отсутствия потребителя на этот продукт в 1985 году был закрыт.

Первый отечественный мусоросжигательный завод был построен в Москве (спецзавод №2). Режим работы завода — круглосуточный, без выходных дней. Тепло, получаемое от сжигания отходов, используется в городской системе теплоснабжения.

В 1973 году предприятие «ЧКД—Дукла» (ЧСФР) приобрело у фирмы «Дойче — Бабкок» (ФРГ) лицензию на изготовление МСК с валковой колосниковой решеткой. По внешнеторговым связям котлы, выпускаемые этим предприятием, приобретены для ряда городов нашей страны.

В 1984 году введен в эксплуатацию в Москве самый крупный отечественный мусоросжигательный спец. завод № 3. Производительность каждого из четырех его агрегатов составляет 12,5т сжигаемых отходов в час. Отличительная особенность агрегата — дожигательный барабан, установленный за каскадом наклоннопереталкивающих колосниковых решеток.

Опыт эксплуатации отечественных заводов позволил выявить ряд недостатков, влияющих на надежность работы основного технологического оборудования и на состояние окружающей среды.

Для устранения обнаруженных недостатков необходимо:

-обеспечить раздельный  сбор золы и шлака;

-предусмотреть установку  резервных транспортеров для  удаления золошлаковых отходов;

-повысить степень извлечения  лома черных металлов из шлака;

-обеспечить очистку извлеченного  металлолома от золошлаковых  загрязнений;

-предусмотреть дополнительное  оборудование для пакетирования  извлеченного лома черных металлов;

-разработать, изготовить  и установить технологическую  линию по подготовке шлака  для вторичного использования;

-установить дробилку  для крупногабаритных отходов.

 

Основными преимуществами сжигания являются:

- высокий уровень апробированности  технологий

- серийно выпускаемое  оборудование.

- продолжительный гарантийный  срок эксплуатации

- высокий уровень автоматизации.

Основной тенденция развития мусоросжигания является переход от прямого сжигания отходов к оптимизированному сжиганию полученной из ТБО топливной фракции и плавный переход от сжигания как процесса ликвидации мусору к сжиганию как процессу, который обеспечивает дополнительное получение электрической и тепловой энергии. И наиболее перспективно сегодня применение плазменных технологий, благодаря которым обеспечивается температура выше, чем температуры плавления шлака, что дает возможность получить на выходе безвредный остеклованный продукт и полезную энергию.

 

Мусоросжигание обеспечивает минимальное содержание в шлаке и золе разложимых веществ, однако оно является источником выбросов в атмосферу. Мусоросжигательными заводами (МСЗ) выбрасываются в газообразном виде хлористый и фтористый водород, сернистый газ, диоксин, а также твердые частицы различных металлов: свинца, цинка, железа, марганца, сурьмы, кобальта, меди, никеля, серебра, кадмия, хрома, олова, ртути и др.

Установлено, что содержание кадмия, свинца, цинка и олова в копоти и пыли, выделяющихся при сжигании твердых горючих отходов изменяется пропорционально содержанию в мусоре пластмассовых отходов. Выбросы ртути обусловлены присутствием в отходах термометров, сухих гальванических элементов и люминесцентных ламп. Наибольшее количество кадмия содержится в синтетических материалах, а также в стекле, коже, резине. Исследованиями США выявлено, что при прямом сжигании твердых бытовых отходов большая часть сурьмы, кобальта, ртути, никеля и некоторых других металлов поступает в отходящие газы из негорючих компонентов, т. е. удаление негорючей фракции из бытовых отходов понижает концентрацию в атмосфере этих металлов. Источниками загрязнения атмосферы кадмием, хромом, свинцом, марганцем, оловом, цинком являются в равной степени как горючая, так и негорючая фракции твердых бытовых отходов. Существенное уменьшение загрязнения атмосферного воздуха кадмием и медью возможно за счет отделения из горючей фракции полимерных материалов.

Таким образом, можно констатировать, что главным направлением в сокращении выделения вредных веществ в окружающую среду является сортировка или раздельный сбор бытовых отходов.

В последнее время все более распространяется метод совместного сжигания твердых бытовых отходов и шламов сточных вод. Этим достигается отсутствие неприятного запаха, использование тепла от сжигания отходов для сушки осадков сточных вод.

При сжигании твердых бытовых отходов на мусоросжигательных заводах образуются различные виды остатков, из которых наиболее важным является шлак, составляющий 20-30% от общей массы отходов. Зольный остаток собирается в паровых котлах. Для очистки дымовых газов в сухой или полусухой скруббер обычно впрыскиваются такие реагенты, как NaHC0³ или Са(ОН)². Летучая зола собирается отдельно на электростатическом фильтре или вместе с продуктами реакции и излишками реагента на тканевом фильтре. Может также применяться дополнительная мокрая очистка дымовых газов. Контролируемый остаток ( air pollution control residue — ARC residue) представляет собой остаток, получаемый после очистки дымовых газов и содержащий также продукты реакции и некоторое количество использованного реагента, не вступившего в реакцию. Оба типа зольных отходов содержат соединения тяжелых металлов, из которых основными являются медь, свинец и цинк. Концентрация свинца и цинка в летучей золе и в контролируемом сухом остатке обычно бывает выше, чем в шлаке. 
На практике отходы от сжигания мусора обычно применяют в строительстве или вывозят для захоронения. Преимущество их использования в качестве вторичных ресурсов заключается в уменьшении площадей захоранивания на полигоне, а также в том, что получаемый в результате материал может заменить природное сырье (песок, гравий и т. п. ). Введение запрета на поверхностное захоронение отходов или повышение налогов для его осуществления может стимулировать вторичное использование таких остатков.

 

                                      3.2.Биотермическое компостирование.

 

Этот способ утилизации твердых бытовых отходов основан на естественных, но ускоренных реакциях трансформации мусора при доступе кислорода в виде горячего воздуха при температуре порядка 60°С. Биомасса ТБО в результате данных реакций в биотермической установке (барабане) превращается в компост. Однако для реализации этой технологической схемы исходный мусор должен быть очищен от крупногабаритных предметов, а также металлов, стекла, керамики, пластмассы, резины. Полученная фракция мусора загружается в биотермические барабаны, где выдерживается в течение 2 суток с целью получения товарного продукта. После этого компостируемый мусор вновь очищается от черных и цветных металлов, доизмельчается и затем складируется для дальнейшего использования в качестве компоста в сельском хозяйстве или биотоплива в топливной энергетике.

 Биотермическое компостирование обычно проводится на заводах по механической переработке бытовых отходов и является составной частью технологической цепи этих заводов.

Однако современные технологии компостирования не дают возможности освободиться от солей тяжелых металлов, поэтому компост из ТБО фактически малопригоден для использования в сельском хозяйстве. Кроме того, большинство таких заводов убыточны. Поэтому предпринимаются разработки концепций получения синтетического газообразного и жидкого топлива для автотранспорта из продуктов компостирования, выделенных на мусороперерабатывающих заводах. Например, предполагается реализовать получаемый компост в качестве полуфабриката для дальнейшей его переработки в газ.

Способ утилизации бытовых отходов пиролизом известен достаточно мало, особенно в нашей стране из-за своей дороговизны. Он может стать дешевым и не отравляющим окружающую среду приемом обеззараживания отходов. Технология пиролиза заключается в необратимом химическом изменении мусора под действием температуры без доступа кислорода. По степени температурного воздействия на вещество мусора пиролиз как процесс условно разделяется на низкотемпературный (до 900°С) и высокотемпературный пиролиз (свыше 900° С).

 

                                         3.3.Низкотемпературный пиролиз.

 

Это процесс, при котором размельченный материал мусора подвергается термическому разложению. При этом процесс пиролиза бытовых отходов имеет несколько вариантов:

•   пиролиз органической части отходов под действием температуры в отсутствии воздуха;
• пиролиз в присутствии воздуха, обеспечивающего неполное сгорание отходов при температуре 760°С;
• пиролиз с использованием кислорода вместо воздуха для получения более высокой теплоты сгорания газа;
• пиролиз без разделения отходов на органическую и неорганическую фракции при температуре 850°С и др.

Повышение температуры приводит к увеличению выхода газа и уменьшению выхода жидких и твердых продуктов.

 

Преимущество пиролиза.

По сравнению с непосредственным сжиганием отходов заключается прежде всего в его эффективности с точки зрения предотвращения загрязнения окружающей среды. С помощью пиролиза можно перерабатывать составляющие отходов, трудно поддающиеся утилизации, такие, как автопокрышки, пластмасса, отработанные масла, отстойные вещества. После пиролиза не остается биологически активных веществ, поэтому подземное складирование пиролизных отходов не наносит вреда природной среде. Образующийся пепел имеет высокую плотность, что резко уменьшает объем отходов, подвергающийся подземному складированию. При пиролизе не происходит восстановления (выплавки) тяжелых металлов. К преимуществам пиролиза относятся и легкость хранения и транспортировки получаемых продуктов, а также то, что оборудование имеет небольшую мощность. В целом процесс требует меньших капитальных вложений.

Установки или заводы по переработке твердых бытовых отходов способом пиролиза функционируют в Дании, США, ФРГ, Японии и других странах.

Активизация научных исследований и практических разработок в этой области началась в 70-х годах ХХ столетия, в период "нефтяного бума". С этого времени получение из пластмассовых, резиновых и прочих горючих отходов энергии и тепла путем пиролиза стало рассматриваться как один из источников выработки энергетических ресурсов. Особенно большое значение придают этому процессу в Японии.

 

                                     3.4.Высокотемпературный пиролиз.

 

Этот способ утилизации ТБО, по существу, есть не что иное, как газификация мусора. Технологическая схема этого способа предполагает получение из биологической составляющей (биомассы) отходов вторичного синтез-газа с целью использования его для получения пара, горячей воды, электроэнергии. Составной частью процесса высокотемпературного пиролиза являются твердые продукты в виде шлака, т. е. непиролизуемые остатки. Технологическая цепь этого способа утилизации состоит из четырех последовательных этапов:

1. Отбор из мусора крупногабаритных предметов, цветных и черных металлов с помощью электромагнита и путем индукционного сепарирования;

2. Переработка подготовленных отходов в газофикаторе  для получения синтез-газа и побочных химических соединений — хлора, азота, фтора, а также шлака при расплавлении металлов, стекла, керамики;

3. Очистка синтез-газа с целью повышения его экологических свойств и энергоемкости, охлаждение и поступление его в скруббер для очистки щелочным раствором от загрязняющих веществ соединений хлора, фтора, серы, цианидов;

4. Сжигание очищенного синтез-газа в котлах-утилизаторах для получения пара, горячей воды или электроэнергии.

 

    

 

 

  4.Использование отходов. Полезное использование шлаков мусоросжигания.

Минеральная часть бытовых отходов составляет от 10 до 35 % сухой массы ТБО и потенциально может использоваться с большой пользой в строительстве. Однако в настоящее время утилизация твердого остатка, образующегося после сжигания ТБО, является затратной статьей и не приносит прибыль большинству мусоросжигательных заводов. Проблема кроется в несовершенстве применяемых технологий мусоросжигания.  
Наибольшее распространение в европейских странах получила технология слоевого сжигания смешанных ТБО в котлоагрегатах с подвижными колосниковыми решетками. Данный технологический процесс хорошо отлажен и высокоавтоматизирован. Строительством подобных заводов занимается множество фирм.

Тепло, выделяющееся при горении, утилизируется с получением энергетического пара. Остаток от сжигания (зола) представляет собой материал, состоящий частично из проплавленной зольной части ТБО с углеродистыми включениями недогоревшей органики. Выход золы в зависимости от состава утилизируемых отходов достигает 30 % от массы исходных ТБО, однако в среднем составляет около 20 %. Данный продукт (зола) является токсичным (III класс опасности), поэтому сфера его полезного применения весьма ограничена.  
Зола ввиду своей химической нестабильности ограниченно применима в качестве заполнителя при строительстве дорог и малоответственных железобетонных изделий (бордюрный камень), то есть там, где обеспечивается ее стабилизация путем добавки в твердеющие смеси. К тому же, согласно последним исследованиям, добавка к цементным смесям золы от мусоросжигания ухудшает прочность цемента, хотя и приводит к стабилизации содержащихся в ней металлов. Во многих случаях зола захоранивается как токсичные отходы на специально оборудованных площадках.  
Для обеспечения экологической безопасности и возможности широкого использования золы в строительстве требуется ее специальная переработка. Основная технология обезвреживания золы - ее переплавка с использованием различных схем подвода тепла (электрическая дуга, плазма и т. д.). Такой подход к проблеме видится не оправданным как по технологическим (многостадийность процесса утилизации ТБО), так и по экономическим причинам (дополнительные капитальные и энергетические затраты). В данном случае перспективными являются высокотемпературные технологии утилизации ТБО, позволяющие получать плавленый, свободный от органики и стойкий к внешним воздействиям шлак непосредственно в мусоросжигательном агрегате.