Термические методы переработки ТБО

Государственная  экологическая  политика  РФ  в  области  технологий  переработки  отходов  состоит  в  том,  чтобы  не  допустить  превращения  России  в  полигон  по  переработке  отходов  из  других  стран.  Большинство  проектов  новых  технологий,  разрабатываемых  за  рубежом,  предлагаются  для  внедрения  в  РФ  при  условии  переработки  отходов,  поставляемых  из  этих  стран.  Чтобы  не  допустить  проникновения  в  Россию  грязных  технологий,  существует  механизм  экологической  экспертизытехники  и  технологий.  Такой  экологической  экспертизой  был  отклонен  проект  строительства  на  Дальнем  Востокемусороперерабатывающих  заводов,  так  как  предполагалось,  что  на  этих  заводах  (75%  мощности)  будет  перерабатываться  мусор  из  Калифорнии.

2.2.  Пиролиз отходов

Пиролизом  называется  процесс  термического  разложения  органической  части  отходов  при  отсутствии или  недостатке  кислорода.  Термин  «пиролиз»  произошел  от  греч.  pyr  –  огонь  и  lysis  -  разложение,  распад.  Процесс  сопровождается деструкцией  органических  соединений  и  вторичными  процессами,  например,  полимеризации,  изомеризации,  конденсации.

Пиролиз  проводится  в  специальных  реакторах,  представляющих  собой  вертикальную  шахтную  печь.  На  начальном  этапе  при  повышении  температуры  протекают  эндотермические  процессы.  При  нагреве  до  150^оС  удаляется  влага,  а  170  –  270^оС  образуются  газы  (СО  и  СО₂)  и  небольшие  количества  метилового  спирта  и  уксусной  кислоты.  При  270  –  280^оС  начинаются экзотермические  превращения.  Выход  неконденсирующихся  газов,  таких  как  СО  и  СО₂  уменьшается  и  одновременно  увеличивается  выход  других  газообразных  и  парообразных  веществ  (СН₄,  С₂Н₆,  Н₂),  а  также  метилового  спирта  и  уксусной  кислоты.  На  скорость  процесса  влияют  размер,  влажность  перерабатываемых  отходов  и  температура.  Существует  две  разновидности  метода:  окислительный  с  последующим  сжиганием  пиролизных  газов  и  сухой  пиролиз.

Окислительный  пиролиз  проводится  при  температуре  600  –  900^оС.  Процесс  термического  разложения  отходов  происходит  при  их  частичном  сжигании  или  непосредственном  контакте  с  продуктами  сгорания  топлива.  Газообразные  продукты  разложения  отходов  смешиваются  с  продуктами  сгорания  топлива  или  части  отходов,  поэтому  на  выходе  из  реактора  они  имеют  низкую  теплоту  сгорания,  но  повышенную  температуру.  Затем  смесь  газов  сжигают  в  обычных  топочных  устройствах.  В  процессе  окислительного  пиролиза  образуется  твердый  углеродистый  остаток  (кокс),  который  можно  использовать  в  качестве  топлива.

Метод  окислительного  пиролиза  с  последующим  сжиганием  пиролизных  газов  универсален  в  отношении  фракционного  состава  и  фазового  состояния  отходов,  их  влажности  и  зольности.  Обычно  окислительный  пиролиз  проводят  при  температуре 600 –  900^оС.

К  преимуществам  метода  пиролиза  по  сравнению  с  обычным  сжиганием  относятся:

-  количество  отходящих  газов,  выделяющихся  при  пиролизе  и  подвергаемых  очистке,  намного  меньше,  чем  при  прямом  сжигании  отходов;

-  дымовые  газы  меньше  загрязнены  летучей  золой  и  сажей,  чем  при  прямом  сжигании  отходов,  что  позволяет  упростить  схему  очистки;

-  тяжелые  металлы,  содержащиеся  в  отходах,  фиксируются  в  коксовом  остатке;

-  твердые  и  пастообразные  отходы  можно  перерабатывать  без  предварительной  подготовки,  сортировки,  сушки;

-  оборудование  имеет  небольшую  мощность;

-  процесс  требует  меньших  капитальных  вложений;

-  таким  способом  можно  ликвидировать  не компостируемую  часть  ТБО  и  многие промышленные  отходы,  «неудобные»  для  сжигания  (отходы  пластмассы,  резины,  кожи,  отработанные  автомобильные  покрышки,  кабели,  вязкие,  пастообразные  отходы,  отработанные  масла,  влажные  осадки,  шламы,  землю,  загрязненную  мазутом,  маслами  и  др.).

Сухой  пиролиз  производится  без  доступа  кислорода.  В  процессе  пиролиза  образуются  следующие  продукты:

-  пиролизный  газ  с  высокой  теплотой  сгорания,  важнейшими  компонентами  которого  являются  водород,  оксид  углерода  и  метан);

-  жидкие  продукты  (деготь,  нерастворимые  масла,  органические  соединения);

-  твердый  углеродистый  остаток  (пирокарбон).

В  зависимости  от  температурного  режима  процесса  различают  три  вида  сухого  пиролиза:

-  низкотемпературный  (450  –  550^оС),  при  котором  выход  жидких  продуктов  и  твердого  остатка  максимален,  а  выход  пиролизного  газа  с  максимальной  теплотой  сгорания  минимален;

-  среднетемпературный  (до  800^оС),  при  котором  выход  газа  увеличивается  с  уменьшением  его  теплоты  сгорания,  а  выход  жидких  продуктов  и  коксового  остатка  снижается;

-  высокотемпературный  (900  –  1050^оС),  при  котором  максимален  выход  пиролизного  газа  (с  небольшой  теплотой  сгорания).

С  увеличением  температуры  процесса  выход  газообразных  продуктов  увеличивается  и  соответственно  уменьшается  количество  смол,  масел  и  твердых  остатков.  При  высокотемпературном  пиролизе  получается  высококачественный  горючий  газ  с  теплотой  сгорания  12  –  15  МДж/м³,  используемый  в  качестве  топлива  для  получения  пара,  горячей  воды,  электроэнергии.  Его  преимущество  перед  природным  газом  в  том,  что  он  не  содержит  соединений  серы  и  окислов  азота,  а  температура  горения  при  прочих  равных  условиях  одинакова.  Жидкая  фракция  (пиролизная  смола)  также  является  высококачественным  топливом.

Пирокарбон  можно  использовать  в  следующих  целях:

-  после  пиролиза  осадков  сточных  вод  –  в  качестве  сорбента  на  станциях  водоподготовки  и  очистки  сточных  вод  от  ионов  тяжелых  металлов,  фенола,  нефтепродуктов;

-  после  пиролиза  автомобильных  покрышек  получается  технический  углерод  (газовая  сажа),  используемая  в  производстве  резинотехнических  изделий  в  качестве  наполнителя,  в  производстве  типографских  красок,  в  лакокрасочной  промышленности.

Пиролиз  –  одно  из  самых  перспективных  направлений  переработки  ТБО  с  точки  зрения  как  экологической  безопасности,  так  и  получения  полезных  товарных продуктов.  Заводы  с  пиролизными  установками  различаются  по  температурному  режиму  обработки  отходов,  методам  предварительной  подготовки,  получаемым  продуктам.  Но  все  они  позволяют  утилизировать значительную  часть  отходов  и  в  большей  степени  отвечают  требованиям  к  охране  окружающей  среды  по  сравнению  с  мусоросжиганием.  Кроме  того,  в  них  возможно  добавление  20%  осадка  сточных  вод  с  влажностью  80%  без  ущерба  для  процесса  пиролиза.

2.3. Газификация

Газификация  –  процесс,  близкий  пиролизу.  Газификацией  называется  термохимический  высокотемпературный  процесс  взаимодействия  органической  массы  отходов  с  газифицирующими  агентами  –  воздухом,  кислородом,  водяным  паром,  диоксидом  углерода  или  их  смесями.  В  результате  переработки  получается  горючий  газ,  смола  и  шлак.  Процесс  пиролиза  отходов  получил  большее  распространение,  чем  газификация.

Трудности на пути рециклизации

Сортировка. Мы привыкли выбрасывать все отходы в один контейнер и ликвидировать их как единое целое. Чтобы рециклизировать эту массу мусора, ее следует сортировать либо дома, либо уже после сбора.

Отсутствие стандартов. Сортировка затруднена отсутствием стандартов. Так в состав сходных или даже одних и тех же продуктов могут быть различные типы пластмасс или бумаги.

Переработка. Должны существовать фирмы, заинтересованные в получении собранных материалов и переработки их в пользующиеся спросом товары. В противном случае все это опять же попадает на свалку.

Маркетинг. Необходим промышленный или потребительский рынок для покупки продукции, изготовленной из вторичного сырья. В противном случае перерабатывающая фирма обанкротится, а переработанный утиль вновь станет мусором.

Противоречия между государственным и частным секторами. Обычно сбор мусора производится местными властями, которые неохотно вникают (да, вероятно, и не должны вникать) в проблемы дальнейшей переработки отходов и реализации вторсырья. Производственные фирмы в свою очередь предпочитают иметь дело с чистым, однородным сырьем, а мусор к таковому не относится. Поэтому, за редкими исключениями, они не хотят заниматься отходами. Такое отсутствие сотрудничества часто служит тормозом на пути рециклизации.

Скрытые расходы. Поскольку ликвидация мусора оплачивается государством, люди часто не представляют себе ее реальную стоимость.

 

Однако препятствия не могут служить оправданием для бездействия. Наоборот, их следует использовать как стимул для творчества. Приведем некоторые основные пути поиска решений.

Партнерство правительства и бизнеса. В настоящее время растут и множатся фирмы, которые намерены обеспечивать весь цикл рециклизации отходов, а именно их сбор, переработку и производство товаров из полученных материалов. С ними местные власти заключают контракты, в основе которых лежит обязательство фирмы собирать и рециклизировать некоторый минимальный процент отходов, чтобы они не попадали на свалку. Местная администрация в свою очередь предоставляет таким фирмам определенные льготы типа «эксклюзивного» права на сбор отходов и продажу некоторых произведенных из них материалов на территории находящейся под ее юрисдикцией. Кроме того, местные власти могут выступить в роли оптового покупателя некой доли бумаги, компоста или пластмасс из вторичного сырья.

Сортировка. Отходы можно сортировать либо непосредственно на месте получения, либо после сбора на особых установках. В первом случае необходимы совместные усилия жителей, однако это способ недорогой, поскольку труд «добровольный». Технически все выглядит так: в определенном месте устанавливаются мусорные контейнеры «кодового» цвета, каждый из которых предназначен для определенного вида отходов – пластмассы, металлов, стекла, бумаги, растительного мусора и т.д. Обычный мусоровоз буксирует за собой трейлер с разноцветными баками, и рабочие загружают в них мусор в соответствии с цветом. Несортированные отходы поступают, как обычно, в мусоровоз.

Другой вариант – это сортировка отходов на специальных установках. Оборудование ее весьма дорогостоящее, расходы на эксплуатацию и технический уход также высоки, но выручка от продажи получаемой продукции почти полностью их возмещает. У нас такого нет.

Еще один способ сортировки отходов – вручную на конвейере.

В странах третьего мира многие бедняки зарабатывают на жизнь тем, что копаются в помойках и перепродают «мусор». Однако это свидетельствует лишь об их вопиющей нищете и не может быть рекомендовано, как шаг на пути к рециклизации.

Вторичная переработка и доходы. Существует множество способов вторичной переработки различных типов мусора, причем постоянно предлагаются новые. Наиболее широко применяемые технологии таковы:

• макулатуру снова измельчают в бумажную массу (пульпу, из которой изготавливают различную бумажную продукцию: ее можно также перемалывать и продавать как целлюлозную изоляцию, измельчать и компостировать;
• стекло дробят, плавят и делаю из него новую тару или дробят и используют вместо гравия или песка при производстве бетона и асфальта; такой завод в Тирасполе есть, но транспортные расходы очень дорогие, невыгодные;
• пластмассу переплавляют и изготавливают из нее «синтетическую древесину», устойчивую к биодеградации и обладающую громадным потенциалом, как материал для различных ограждений, настилов, столбов, перил и других сооружений под открытым небом.

Компостирование. Один из способов переработки отходов, популярность которого быстро растет, - компостирование. Он заключается в естественном биологическом разложении (перегнивание) органического вещества в присутствии воздуха. Конечный продукт – гумусородобное вещество, которое можно использовать как органическое удобрение. Этот же способ применяется и для обработки канализационного ила. Поскольку бытовые отряды обычно на 60-80% (и более, если включают садовый мусор) состоит из органики (бумага, пищевые отбросы), их также можно компостировать. Стекло, металл и пластмассу можно отделять, а затем при желании рециклизируют. Кроме того, можно смешивать канализационный ил с бытовыми отходами и компостировать их синергически. Бумага способствует обезвоживанию канализационного ила и лучшей аэрации смеси, а ил ускоряет процесс разложения. Компост в качестве удобрения находит широкое применение при рекультивации земель, а также в сельском, садовом и парковом хозяйстве.

Отходы как источник энергии

Содержание в отходах органического вещества позволяет использовать их как топливо, хотя и низкокалорийного. Сжигание отходов для получения энергии – нечто между идеальной рециклизацией и простым захоронением. Загрязнение атмосферы в этом случае можно контролировать с помощью оборудования. При сжигании отходов во многом облегчают трудности, связанные с сортировкой, переработкой и продажей вторичной продукции.

Самые ценные материалы, содержащиеся в отходах, - железо и алюминий – можно при необходимости извлекать из золы. Прочие негорючие остатки требуют захоронения, но так как они составляют лишь 10-20% от исходного объема мусора, могильник будет функционировать в 5-10 раз дольше, чем без предварительного сжигания. Еще важнее то, что зола не подвержена ни разложению, ни усадке, и ее можно использовать в качестве наполнителя при строительстве дорог, насыпей и т.д. Иными словами, проблем с ней почти не возникает.

Превращение твердых бытовых отходов в электроэнергию. Электростанция мощностью 60МВт в Балтиморе (Мэриленд) сжигает в день 2000т несортированных отходов, обеспечивая электроэнергией около 60 000 домов. Загрязнители воздуха улавливаются электрофильтрами.

 

Выводы

1. В результате литературного анализа выявлено, что содержание энергетических фракций (картон, бумага, дерево, текстиль, полимерные отходы) составляют более 80% от общего объема ТБО.

2. Проведен анализ термических методов переработки ТБО, в результате которого пиролиз выбран, как наилучший.

 

Литература

1. Шубов Л.Я., Ставровский М.Е., Олейник А.В. Технология твердых бытовых отходов: Учебник / Под ред. проф. Л.Я. Шубова. М.: ИНФРА-М, 2011. 400 с.