CC BY
387
Ларионов А.И.,
аспирант,
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ "Государственный университет - Учебно-научнопроизводственный комплекс".
Larionov A.I.
АНАЛИЗ И ОЦЕНКА КОНКУРИРУЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ, ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ И УТИЛИЗАЦИИ ОТХОДОВ ПРОИЗВОДСТВА И ПОТРЕБЛЕНИЯ
Аннотация. В статье автором даны сравнительный анализ и оценка технологий для термической обработки, обезвреживания и утилизации отходов производства и потребления.
ANALYSIS AND EVALUATION OF COMPETING TECHNOLOGIES FOR THERMAL TREATMENT, DISPOSAL AND RECYCLING OF PRODUCTION AND CONSUMPTION
SUMMARY. In the article the author gives a comparative analysis and evaluation of technologies for heat treatment, disposal and recycling of waste production and consumption.
Ключевые слова: отходы, переработка отходов, обезвреживание, утилизация, ТБО, слоевое сжигание, кипящий слой, шлаковый расплав, электро-шлаковый расплав, пиролиз-сжигание, газификация.
Keywords: waste, recycling, disposal, recycling, solid waste, layered combustion, fluidized bed, the slag melt, electroslag melt, pyrolysis, combustion and gasification.
В настоящее время в мировой практике реализовано более десятка технологий переработки твердых бытовых и промышленных отходов (ТБПО).
Наиболее отработанным и распространенным методом обезвреживания ТБО является их сжигание.
С середины 70-х годов ХХ века (в разгар мирового энергетического кризиса) на твердые бытовые отходы стали смотреть как на дополнительный сырьевой источник энергии - тепло отходящих газов, образующихся при сжигании мусора, можно утилизировать: пять тонн мусора равны тонне условного топлива. Это привело к интенсивному развитию технологий по термическому обезвреживанию бытовых отходов на мусоросжигающих установках и заводах. Эти технологии интенсивно развиваются до настоящего времени. В настоящее время создано нескольких типов установок по термическому обезвреживанию ТБО, отличающихся условиями и режимами сжигания, технологиями сепарации и подготовки мусора к сжиганию, очистки отходящих газов,
а также переработки твердых отходов сжигания. Анализ этих технологий показал, что они обладают рядом недостатков, основным из которых является неудовлетворительная экологическая чистота. Она связывается в последние годы главным образом с отходами, содержащими хлорорганические вещества и выделяющими другие высокотоксичные органические соединения (фураны, диоксины и т.п.) [4].
В зависимости от температуры процесса все методы термической переработки ТБО можно разделить на две большие группы: процессы переработки при температурах ниже температуры плавления шлака и процессы переработки при температурах выше температуры плавления шлака. В термических процессах, осуществляемых при температурах ниже температуры плавления шлака, используются следующие типы печей: решетчатые, вращающиеся барабанные и печи кипящего слоя.
В проводимом сравнительном анализе будут рассматриваться следующие технологии термической переработки ТБО: слоевое сжигание; кипящий слой; шлаковый расплав; электрошлаковый расплав; пиролиз-сжигание ("Siemens"); газификация.
В мировой практике наиболее отработана технология слоевого сжигания, требующая наименьшей подготовки отходов к процессу и весьма перспективная для термообработки обогащенной (горючей) фракции ТБО. Ведущие позиции на рынке занимают печи германской фирмы "Штайнмюллер", заслуживают внимания переталкивающие решетки фирмы "Нойль" (Германия), "Мартин" (Германия) и "Фостер Уилер" (США).
Можно достаточно четко сформулировать преимущества и недостатки мусоросжи гания:
Преимущества:
• уменьшение объема отходов в 10 раз;
• снижение риска загрязнения почвы и воды отходами;
• возможность рекуперации образующегося тепла.
Недостатки:
• опасность загрязнения атмосферы;
• уничтожение ценных компонентов;
• высокий выход золы и шлаков (около 30% по массе);
• низкая эффективность восстановления черных металлов из шлаков;
• сложность стабилизации процесса сжигания.
По технологии сжигания ТБПО на колосниковых решетках при температуре 600-900оС остается 25-30% вторичных твердых отходов, зараженных высокотоксичными веществами и требующих, в свою очередь, обезвреживания или специального захоронения. Кроме того, при сжигании отходов при указанной температуре и медленном нагреве идет интенсивное образование диоксинов и ПАУ как в процессе сжигания отходов, так и в процессе охлаждения газов, где главную функцию синтеза и их транспортировки выполняют аэрозоли сажи. В результате этого происходит загрязнение окружающей среды на расстоянии до 30 км и, как правило, (из зарубежной практики) заводы по переработке ТБПО закрываются (Нидерланды, Голландия, Польша и т.д.) или переводятся на дорогостоящую систему очистки газов с помощью угольных фильтров и специальных катализаторов окисления окислов азота, ПАУ и диоксинов.
Ведущие фирмы в области сжигания в кипящем слое: "Лурги" (Германия), "Эбара" (Япония), "Фостер Уилер" (США). Технология сжигания ТБО в кипящем слое получила наибольшее распространение в Японии. В этой стране идет постоянная оптимизация технологического процесса сжигания ТБО в кипящем слое, о чем свидетельствует множество работ японских ученых. Технология японской фирмы "Эбара" реализована на нескольких десятках японских заводов, в европейских странах эта технология распространена под названием "Rowitee", аналогичная система известна под названием "Pyroflow" (фирмы "Альстрем Машинери" (Германия) и "Сюиз Перлен" (Швейцария)).
Печи кипящего слоя, по сравнению с решетчатыми, обеспечивают наилучший режим теплопередачи и перемешивания обрабатываемого материала. Они обладают более простой конструкцией ввиду отсутствия в них движущихся частей [2]. Использование метода кипящего слоя привлекает компактностью контактных аппаратов и легкостью их автоматизации. Кипящий слой отличается от неподвижного слоя скоростью процесса, устойчивостью работы слоя во времени, возможностью замены и регенерации катализатора, способами подвода и отвода тепла в зону катализа.
Недостатком топок с кипящим слоем являются [2]:
• вынос углерода до 20-30% всего углерода топлива (поэтому эти топки рекомендуют применять при возможности дожигания уноса 0-1 мм, в рабочем пространстве котла);
• зашлаковывание межсоплового пространства и самих сопл воздухораспределительных колосниковых решеток при недостаточном динамическом напоре воздуха;
• абразивный износ теплопередающих поверхностей, особенно высокий у погруженных в кипящий слой.
При обычном сжигании мусора в газовом тракте снова образуются токсичные соединения (диоксины, полиароматические углеводороды (ПАУ) и т.д.), где главную функцию синтеза и транспортировки выполняют аэрозоли сажи [3].
Именно поэтому вокруг даже самых лучших сжигателей, полностью удовлетворяющих требованиям НЕС, создается отравленная загрязненная зона. Она очень ярко выражена в радиусе до 1,5 км вокруг трубы сжигателя, а при его многолетней работе эта зона охватывает до 30 км. В ближайшей зоне выпадают наиболее крупные аэрозольные частицы, а более мелкие распространяются на десятки километров.
Опыт переработки ТБПО термическими методами и многочисленные публикации позволяют сделать следующие выводы [1]:
• медленный нагрев ТБПО и осуществление процесса сжигания на уровне 600-900оС при недостатке кислорода благоприятствуют интенсивному образованию сажистых аэрозолей и органических соединений;
• температуры порядка 1400оС, хорошая окислительная среда и высокая степень пиролиза обеспечивают высокую скорость горения продуктов пиролиза, что исключает образование сажистых частиц и, следовательно, диоксинов и ПАУ.
На смену традиционным процессам термической деструкции постепенно приходят методы высокотемпературного обезвреживания ТБО. Это связано с тем, что для снижения количества отходящих газов и образующихся шлаков необходимо обеспечить температуру процесса выше температуры
плавления шлаков (около 1300оС), что требует, как правило, либо использования кислорода, либо подвода дополнительной энергии.
В настоящее время в мировой практике апробирован ряд методов высокотемпературной переработки ТБО.
Сжигание в слое шлакового расплава осуществляется при снижении в составе дутьевого воздуха инертных компонентов. В начале 90-х годов в России для высокотемпературного обезвреживания ТБО были предложены металлургические печи Ванюкова. Сжигание в них осуществляют в слое находящегося в ванне печи шлакового расплава. Главным достоинством метода является полное разложение вредных соединений. Это происходит благодаря высоким температурам, при которых протекает процесс, порядка 2200-2500°С. Вместе с тем, способ имеет ряд сдерживающих факторов:
1. малый срок службы агрегатов;
2. процесс переработки происходит нестабильно, что усиливается, кроме того, выбросами газов, образующимися при разложении;
3. низкая экономическая целесообразность (процесс становится рентабельным при производительности 300 и более тысяч тонн в год), т.е. сжигание в шлаковом расплаве требует весьма значительных капитальных затрат.
Технология переработки отходов в печи Ванюкова при всей сложности системы газоочистки малоэффективна в смысле осаждения аэрозолей, а, следовательно, и образования диоксинов, т.е. не гарантирует необходимую экологическую обработку. Плавильная печь капиталоемкая и сложна в эксплуатации.
Сжигание с использованием электрошлакового расплава является электротермическим методом, который наиболее целесообразно применять для обезвреживания шлаков, образующихся при низкотемпературном сжигании ТБО. Технологический процесс осуществляют при помощи электроплавильной печи. Температура жидкой шлаковой ванны составляет 1400-1500оС. Так называемый метод "Пироксэл", имеющий сравнительно небольшой размер установки, низкие энергозатраты и разделение всего технологического цикла на отдельные стадии (блоки) позволяет:
1. перерабатывать в любой комбинации бытовые, промышленные отходы классов 3,4,5 - бумагу, картон, полимеры, отходы штукатурки, пластик, краску, ветошь, стекло, дробленные автопокрышки, гальваношламы, отходы лечебно-профилактических учреждений;
2. минимизировать транспортные потоки при перевозке отходов;
3. размещать установки в действующих промзонах, чем исключается социальная напряженность в регионе;
4. уничтожать отходы, транспортировка которых опасна, в местах их образования;
5. исключить наличие токсичных и супертоксичных отходов переработки.
Основным недостатком данного метода является большой расход электроэнергии и относительно высоким расходом графитовых электродов.
Комбинированные методы обезвреживания ТБО связаны с осуществлением различных сочетаний процессов пиролиза, сжигания и газификации ТБО.
Технологический процесс фирмы "Siemens KWU", функционирующий по схеме "пиролиз-сжигание", представляет собой совместное сжигание при небольшом избытке воздуха угольной пыли и пиролитического газа при температуре 1300оС с образованием расплава шлака (выход шлака 12-13%); утилизацию тепла дымовых газов в котле-утилизаторе и выработку электроэнергии в турбогенераторе.
Технологическая схема метода, разработанного фирмой "Noell", во многом аналогична схеме, рассмотренной выше.
По технологии, разработанной фирмой "Thermoselect", в качестве газифицирующего агента используют кислород. Газификация с образованием оксида углерода происходит в нижней части реактора при контакте углеродистого остатка с кислородом. Температура при этом повышается до 2000оС, и образовавшийся расплав поступает в шлаковую ванну.
Сравнительная оценка вышерассмотренных методов представлена в "Концепции управления твердыми бытовыми отходами", опубликованной в 2000 году ГУ "Научно-исследовательский центр по проблемам управления ресурсосбережением и отходами" (по данным отчета фирм "GKW Consult" и "East Consult" "Исследование потенциала энергосбережения и общего воздействия на окружающую среду в г. Москва современных методов переработки твердых бытовых отходов" - проект ТАСИС/1991/ERU 0020, финальный отчет, март 1996 г.). Кроме данных из названного отчета, приведена оценка (по той же методике) российской технологии газификации твердых топлив в сферхадиабатическом режиме нагрева [1 ].
Для выбора оптимального метода термической обработки ТБО имеющиеся технологии сравнивались по следующим критериям:
экономическим (уровень капитальных и эксплуатационных затрат);
• технологическим (уровень развития и апробации технологий, надежность оборудования, степень автоматизации процесса, эксплуатационные характеристики, требования безопасности, необходимость подготовки отходов и использования дополнительного сырья-топлива, других компонентов, производство товарной продукции);
• экологическим (количество и токсичность отходов и газовых выбросов, возможность их обезвреживания и утилизации).
Кроме того, учитывалась возможность изготовления оборудования в России, а также квалификауионные требования к обслуживающему персоналу, обусловленные особенностями той или иной технологии.
В результате проведенной оценки установлено, что наиболее предпочтительными из существующих методов являются слоевое сжигание на колосниковых решетках, сжигание в кипящем слое и отечественная технология газификации. Методы слоевого сжигания на колосниковых решетках и сжигания в кипящем слое имеют преимущество перед другими методами обработки ТБО по группе общих критериев: высокий уровень апробированности технологий, серийно выпускаемое оборудование, высокий гарантийный срок эксплуатации (не менее 15 лет), относительно низкие затраты. Вместе с тем, эти технологии уступают высокотемпературным технологиям обработки ТБО (прежде всего отечественной технологии газификации и процессу "Siemens") по энергетическим и экологическим критериям. Отечественная технология газификации выглядит предпочтительнее других методов термической обработки ТБО по стоимости оборудования, экологическим критериям, но уступа-
ет по одному из самых важных критериев - уровню промышленного развития технологии.
Как отмечено, из новых термических процессов, апробированных в укрупненном масштабе, весьма перспективны процессы, связанные с газификацией отходов, так как сжигание газа является наиболее экологически чистым способом сжигания, не требующим сложной очистки отходящих газов. В настоящее время технология газификации заложена в проекты нескольких строящихся заводов в Германии и одного завода в Финляндии (по российской технологии). Ведущими в области создания и отработки технологии газификации являются фирмы "Термоселект" (Италия), "Лурги" и "Нойль" (Германия), а также Институт химической физики РАН в Черноголовке.
По предварительной оценке, отечественная технология паро-воздушной газификации по эффективности, экономическим и эксплуатационным характеристикам превосходит зарубежные аналоги:
1. не требует подвода кислорода;
2. не требовательна к режиму пуск-остановка (технология не связана
с получением шлакового расплава в реакторе газификации);
3. имеет более высокий энергетический КПД.
Как технология газификации, так и технологии сжигания в кипящем слое, могут быть реализованы только при комплексной переработке ТБО, так как предъявляют определенные требования к составу, крупности и теплотворной способности сырья.
ЛИТЕРАТУРА
1. Шубов, Л.Я., Голубин, А.К., Девяткин, В.В. [и др.] Концепция управления твердыми бытовыми отходами [Текст] / Л.Я. Шубов, А.К. Голубин, В.В. Девяткин, С.В. Погадаев. - М., 2000. - 375 с.
2. Шемякин, В.Н., Карапетов, А.Э. Внедрение технологий сжигания в кипящем слое как один из путей решения внедрения местных низкосортных топлив в энергетику страны [Текст] / В.Н.Шемякин, А.Э. Карапетов // Новости теплоснабжения. - 2002. № 1.
3. Павлович, Л.Б., Долгополов, В.П., Попов, А.А. [и др.] Рецикл техногенных отходов в коксохимическом производстве [Текст] / Л.Б. Павлович, В.П. Долгополов, А.А. Попов, А.В. Калинина // Сталь. - 2004. - № 5.
4. Охрана окружающей среды и обращение с опасными отходами [Текст] : курс лекций / Л.А. Акимова, И.Б. Бутковская, И.Б. Веренкова [и др.]. -М.: Альтаир, 2010. - 250 с.
