CC BY
1004
ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. ПРИКЛАДНАЯ ХИМИЯ И БИОТЕХНОЛОГИЯ, 2015, № 2 (13) УДК 504.064.47
АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ ПЕРЕРАБОТКИ ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ
С.В. Гунич1, Е.В. Янчуковская2, Н.И. Днепровская2
АО «Инновационно-технологические системы»,
107140, Россия, г. Москва, ул. Верхняя Красносельская, 9, e.t.systems@mail.ru 2 Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, lenyan@istu.edu.
Представлен анализ современных методов переработки твердых бытовых отходов в мировой и российской практике. Показаны основные направления технологии сортировки ТБО в России, странах Западной Европы, Азии, США и Канады. Рассмотрены способы ликвидации и утилизации ТБО по различным критериям. Выявлены достоинства и недостатки биологической переработки твердых бытовых отходов. Отмечено использование технологий анаэробной ферментации отходов, основанное на выработке метансодержащего газа в бескислородной среде. Выполнена оценка технологий термической переработки отходов. Проанализирован метод сжигания мусора, позволяющий сократить исходную массу в несколько раз и обеспечивающий выработку тепловой и электрической энергии в промышленном масштабе. Показаны особенности реализации процессов пиролиза. Отмечено, что пиролиз твердых бытовых отходов в российской сфере в крупнотоннажном масштабе практически не реализован. Зарубежные технологии обладают высокими эксплуатационными затратами и завышенной стоимостью оборудования. Предложена технология глубокой переработки отходов на основе процесса СВЧ-термолиза со степенью ликвидации исходной массы, равной 90%. Данная технология экологически безопасна, имеет минимальные капиталовложения. Библиогр. 6 назв.
Ключевые слова: твердые бытовые отходы; переработка, сжигание; ферментация; пиролиз; реакторы; синтез-газ; смолы; газоочистка; экологическая безопасность.
ANALYSIS OF MODERN METHODS OF HARD DOMESTIC WASTES PROCESSING S.V. Gunich1, E.V.Yanchukovskaya2, N.I. Dneprovskaya2
Society "Innovative technological systems",
9, Verkhnyaya Krasnoselskaya St., Moscow, 107140, Russia, e.t.systems@mail.ru
2Irkutsk National Research Technical University,
83, Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia, lenyan@istu.edu
The analysis of modern methods of hard domestic wastes processing in world and Russian practice is presented. Basic directions of hard domestic wastes sorting technology in Russia, Western Europe, Asia, USA and Canada are shown. The methods of liquidation and utilization of hard domestic wastes are considered on different criteria. Highs and lows of the biological processing of hard domestic wastes were found out. The use of technologies of anaerobic fermentation of wastes, based on making of methane in an anoxic environment, is marked. The estimation of technologies of the thermal processing of wastes is executed. The method of wastes incineration, allowing shortening initial mass in several times and providing thermal and electric energy production in an industrial scale is analyzed. The features of realization of pyrolysis processes are presented. It is marked that pyrolysis of hard domestic wastes in Russia in large-scale practically is not realized. Foreign technologies possess high operating costs and overpriced cost of equipment. Technology of the deep wastes processing on the basis of microwave thermolysis with the degree of initial mass liquidation equal 90% is offered. This technology is ecologically safe, has minimum capital investments. 6 sources.
Key words: hard domestic wastes; processing; incineration; fermentation; pyrolysis; reactors; synthesis-gas; resins; cleaning of gases; ecological safety.
По сведениям Федеральной службы по надзору в сфере природопользования (Роспри-роднадзор) количество образовавшихся в 2013 году на территории России твердых коммунальных (бытовых) отходов (далее - ТБО) составляло 14,55 млн т [1]. При этом использовали и обезвредили 3,634 млн т, что равняется приблизительно 25% всех ТБО.
Основным способом ликвидации и переработки ТБО в России на сегодняшний день остается их захоронение на полигонах.
За последние 5-7 лет в России на крупных городских полигонах ТБО получили распространение технологии пофракционной сортировки отходов на основе ручных методов отбора с последующим захоронением остатков («хвостов»), не представляющих ценности в виде вторичных материальных ресурсов.
Наибольшей ликвидностью обладают такие фракции ТБО, как стеклобой, макулатура, картон, тара из полиэтилентерефталата, остатки полиэтиленовых материалов, черные и цветные металлы, алюминиевые банки. Практика отечественных предприятий сортировки ТБО показывает, что извлечению подвергается не более 20% массы исходных отходов, остальная масса направляется на захоронение. При этом определяющими критериями экономической эффективности технологий сортировки являются цены на вторичное сырье и транспортные расходы, их доставки до конечного покупателя, причем из-за низкой насыпной плотности большинства вторичных фракций (даже в пакетированном виде), особенно макулатуры, картона, полимерных компонентов, транспортировка вторсырья на значительные расстояния зачастую нецелесообразна, а вблизи полигонов и мест сортировки централизованные покупатели вторсырья отсутствуют.
В связи с этим технологии сортировки ТБО в России экономически оправдываются только в единой технологической связке с операционной деятельностью полигонов, которые осуществляют захоронение отходов на возмездной основе по тарифам, взымаемым с источников образования отходов (населения, организаций и предприятий) и покрывающим экономически обоснованные затраты (убытки) на содержание полигона и сортировочной линии.
В то же время основной тенденцией в сфере переработки отходов в странах Западной Европы, США, Канады и некоторых стран Азии является автоматизированная пофракци-онная сортировка ТБО с применением механизированных способов разделения общего потока на отдельные компоненты, обеспечивающая глубокую степень переработки исходных отходов. Получаемые остатки (главным образом
пищевые отходы, древесно-растительные остатки, биомасса и т.д.) подвергаются сушке, гранулированию и реализуются в качестве вторичного топливного материала (твердого топлива для цементных печей), именуемого RDF.
По декларациям поставщиков указанных сортировочных линий степень утилизации исходной массы составляет от 60% и более. Но следует принимать во внимание, что технологии автоматизированной сортировки ТБО ориентируются, прежде всего, на максимальный возврат (рециклинг) вторсырья в хозяйственный оборот. Эти положения соответствуют современным требованиям к природопользованию в мире, учитывая практику раздельного сбора ТБО в странах Европы.
По ряду причин, специфичных для сферы обращения с ТБО в России (сравнительно дешевое первичное природное сырье и доступные топливно-энергетические ресурсы, монополизированная централизованная система тепло- и электроснабжения городов, высокие логистические издержки на перевозку вторсырья, добытого из полигонов), а также из-за отличающихся свойств отходов (высокая влажность, слеживаемость, загрязненность отдельных фракций посторонними включениями), технологии автоматической сортировки могут не обеспечить заявленную степень утилизации ТБО в РФ и, следовательно, оказываются экономически нецелесообразными.
Принимая во внимание, что ТБО представляют собой сложную гетерогенную органо-минеральную смесь, состоящую, в том числе, из биоразлагаемых компонентов, во второй половине XX века реализуются технологии аэробного и анаэробного сбраживания (ферментации) органических компонентов ТБО.
Процесс биологической переработки отходов обладает рядом преимуществ, среди которых автотермичность, низкое собственное энергопотребление, относительная экологическая безопасность и отсутствие токсичных выбросов в атмосферу по сравнению с технологиями сжигания. Среди недостатков процессов биопереработки ТБО следует выделить низкую степень утилизации исходной массы отходов (30-40%), нестабильность состава и выхода энергетического биогаза (смесь метана, сероводорода, аммиака, углекислого газа и ряда других летучих органических соединений), медленную скорость реакций разложения отходов и, как следствие, высокие удельные капиталовложения на 1 т перерабатываемых ТБО.
В частности, практика аэробной ферментации во вращающемся барабане в г. Санкт-Петербурге [6] показала низкую экономическую эффективность процесса биологической пере-
работки ТБО ввиду высокой себестоимости процесса утилизации, обусловленной сильной загрязненностью получаемого компоста тяжелыми металлами и неперерабатываемыми фракциями отходов, низким (в том числе сезонным) спросом получаемого компоста на рынке.
Имеются технологии анаэробной ферментации отходов, основанные на процессах выработки метансодержащего биогаза в бескислородной среде. Все это - естественные процессы сбраживания органических веществ (биомассы), происходящие на полигонах ТБО, с выработкой тепловой и электрической энергии из получаемого метансодержащего биогаза. Однако, ввиду низкой степени конверсии исходных отходов в полезные продукты, ввиду медленной скорости разложения отходов и низкой степени утилизации (20-30%), необходимы значительные капиталовложения в строительство ферментеров значительных объемов. В связи с этим технологии биопереработки отходов на сегодняшний день не получили широкого развития в российской практике. Тем не менее, существуют определенные технологические заделы и проведено определенное количество научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в этом направлении. В частности, технологический регламент по анаэробной ферментации и добыче свалочного газа в процессе дегазации полигонов ТБО был разработан Академией коммунального хозяйства им. Памфилова еще в 1990 году, что свидетельствует о высокой проработке данной проблемы. На сегодняшний день процессы биопереработки ТБО в промышленном масштабе в российской практике практически не реализованы.
Существует другой вид - термические методы переработки отходов, которые в современных условиях являются более развитыми методами ликвидации ТБО.
Твердые бытовые отходы на 70-80% состоят из горючих, биоразлагаемых компонентов, таких как пищевые и растительные остатки, биомасса, древесина, макулатура, картон, пластмасса и полимерные вещества. Благодаря содержанию этих компонентов твердые бытовые отходы рассматриваются как низкосортное твердое топливо с теплотворной способностью 5-6 МДж/кг. В связи с энергетическим кризисом 70-х годов ХХ века в некоторых развитых странах Европы, а также в США и Японии быстрое развитие получили технологии сжигания ТБО в слоевых топках и топках с кипящим слоем. Однако, ввиду содержания в ТБО таких элементов, как хлор, фтор, бром, ртуть, кадмий, никель, свинец, мышьяк, технологии сжигания сопряжены со значительными эксплуатационны-
ми и капитальными затратами на очистку отходящих дымовых газов (продуктов горения ТБО) и сточных вод от загрязняющих токсичных веществ, образующихся в результате физико-химических процессов окисления компонентов ТБО и выделяющихся в атмосферу.
Тем не менее, технологии сжигания позволяют сократить исходную массу ТБО в 3-4 раза и обеспечивают выработку тепловой и электрической энергии в промышленном масштабе, поэтому, несмотря на высокие затраты переработки, в некоторых энергодефицитных странах с высокой стоимостью природных топлив технологии сжигания мусора являются эффективным способом ликвидации отходов.
Учитывая распространенную в западных странах практику раздельного сбора ТБО, технологии сжигания отдельных органических фракций твердых бытовых отходов в виде сухих гранулированных пеллет (RDF) являются более экономически эффективным и экологически безопасным методом ликвидации отходов по сравнению с традиционными методами сжигания несортированных неподготовленных ТБО.
По ряду экономических причин технологии сжигания ТБО, относящиеся к классу термических методов переработки отходов, являются более приемлемыми и для российской практики утилизации мусора в сравнении с другими методами (сортировка, биопереработка), прежде всего благодаря высокой степени конверсии исходной массы в полезную продукцию, высокой степени утилизации отходов.
Вместе с тем завышенные затраты на ликвидацию отходов такими способами делают сжигание ТБО экономически эффективным методом только для крупных городов - миллион-ников (Москва, Санкт-Петербург, Нижний Новгород, Самара и т.д.), тогда как для относительно небольших городских поселений, полигонов мощностью менее 500 000 тонн ТБО в год технологии сжигания экономически нецелесообразны.
Возможна переработка ТБО и другими термическими технологиями, применяемыми для переработки минерального сырья (угля, нефти), например, методами газификации и пиролиза. При газификации органические соединения, содержащиеся в отходах, подвергаются частичному окислению при высокой температуре (от 700 °С) с разложением углеродсо-держащих элементов на твердый остаток, обогащенный содержанием углерода, и летучие вещества - окись углерода СО и водород Н2 (синтез-газ), которые направляются на обогрев реакторов газификации, а избытки - на выработку тепловой и электрической энергии. Одна-
ко, по сравнению с технологиями сжигания для процесса газификации необходим повышенный объем реакционной зоны, что приводит к увеличению капиталовложений. Кроме того, процесс газификации также является экологически опасным вследствие окисления токсичных соединений, содержащихся в отходах, что требует применения дорогостоящих процессов очистки и осушки синтез-газа, очистки продуктов горения и сточных вод.
Отдельно следует рассмотреть процессы пиролиза, получившие большое распространение в отраслях химической, нефтеперерабатывающей и коксохимической промышленностях и представляющие большой интерес с точки зрения глубины переработки исходного сырья, производства твердых, жидких и газообразных веществ в крупнотоннажном масштабе [2].
Пиролизом (или термолизом) называется процесс физико-химического разложения органических соединений на составные части, протекающий при высоких температурах (от 400 °С до 1000 °С) в бескислородной среде. По аналогии с процессом газификации при физико-химическом разложении образуются пиролиз-ные смолы, твердый остаток с повышенным содержанием углерода и неконденсируемые летучие газообразные вещества (синтез-газ, смесь СО, Н2, метана, сероводорода, аммиака, хлороводорода). В зависимости от температуры процесса и состава подвергаемых пиролизу отходов будет различное соотношение выхода и количественного состава пиролизных смол, углеродного остатка и синтез-газа.
Процессы пиролиза и газификации проводятся главным образом в закрытых герметичных стальных сосудах различной геометрической формы, рассчитываемой исходя из физико-химических свойств, температуры и времени разложения исходного сырья. Наибольшее распространение получили стационарные вертикальные или горизонтальные емкости круглого или прямоугольного сечения с наружным внешним обогревом, проводимым путем сжигания природного топлива (мазут, природный газ, пропан-бутановая смесь, реже уголь или пыле-угольное топливо), вращающиеся цилиндрические барабаны, трубчатые реакторы с обогреваемыми змеевиками различной конфигурации и т.д.
Аналогично технологиям сжигания отходов, процессы пиролиза также требуют необходимой очистки отходящих продуктов горения, образующихся в процессе обогрева реакторного оборудования. Несмотря на то, что отходы в процессе пиролиза непосредственно не являются топливом, подвергающимся горению (окислению), выделяемый в процессе пиролиз-
ный синтез-газ после необходимых подготовительных процессов (фракционирование, осушка, очистка от примесей) направляется в качестве вторичного топлива на обогрев реакторного оборудования, в результате чего определенное количество вредных и токсичных компонентов, содержащихся в синтез-газе, окисляется, сгорает и выделяется в атмосферу с дымовыми газами, что в конечном итоге обусловливает применение газоочистки, аналогичной процессам сжигания отходов. Однако, количество образующихся дымовых газов при пиролизе отходов существенно меньше, чем при сжигании ТБО (до 3-5 раз), поэтому эксплуатационные затраты на газоочистку при пиролизе отходов будут сравнительно меньше.
Также отличительной особенностью пиролиза отходов является наличие вспомогательных процессов фракционирования и очистки синтез-газа от пиролизных смол, процессов перегонки и стабилизации смол для доведения до показателей качества, допускающих их реализацию в качестве товарного продукта (главным образом, вторичного топливного материала). Эти процессы также увеличивают общие эксплуатационные затраты на переработку исходных отходов, но при определенном температурном режиме возможна минимизация выхода смол в зависимости от состава исходных отходов.
Следует заметить, что в современных условиях пиролиз ТБО в российской сфере мусо-ропереработки практически не реализован в крупнотоннажном масштабе. Встречаются отдельные технологические решения по пироли-тической переработке определенных видов отходов, например, пиролиз резино-технических изделий и изношенных автомобильных покрышек в цилиндрических ретортах, пиролиз древесины с получением древесного угля в емкостных камерах, пиролиз узких нефтяных фракций на мини-НПЗ в трубчатых реакторах с получением непредельных углеводородных газов. Вышеперечисленные технические решения отличаются сравнительно низкой производительностью, немасштабируемы для переработки крупнотоннажных ТБО и обладают рядом недостатков в части экологической и промышленной безопасности процесса. Например, пиролиз изношенных автомобильных покрышек, осуществляемый в цилиндрических ретортах периодического действия, требует высоких энергозатрат на разогрев и охлаждение оборудования, при разгрузке и выгрузке продуктов пиролиза происходит загрязнение атмосферы вредными выбросами (такими как сажа, смолы синтетических нефтепродуктов, бензапирены, кислые газы и т.д.).
Зарубежные технологии пиролиза ТБО отличаются более высокой степенью технической проработки предлагаемых решений, апробацией в промышленном масштабе переработки ТБО, но в то же время обладают высокими эксплуатационными затратами и завышенной стоимостью оборудования, что приводит к неконкурентоспособности предлагаемых решений в российской практике переработки (захоронения) отходов.
Тем не менее, в разработке процессов пиролиза за последнее время создан значительный научно-технический задел, приобретен определенный экспериментальный опыт, который следует обобщить и проанализировать с целью создания более совершенного, более модернизированного процесса ликвидации ТБО, направленного на улучшение технико-экономических и экологических характеристик методов пиролиза как основного технологического процесса переработки отходов [3].
Главным показателем процесса пиролиза, обусловливающим его подробное исследование в качестве основного технологического метода термической утилизации ТБО, является сравнительно высокая степень конверсии исходной массы отходов (80% и более), более низкая экологическая опасность и более низкие капитальные вложения, так как пиролизные процессы не требуют значительных объемов реакционных зон, длятся в среднем от 4 до 30 ч (в то время как цикл биопереработки может осуществляться до 120 дней).
Однако, применение какого-либо одного технологического способа переработки отходов полностью не решает проблему утилизации и глубокой ликвидации ТБО. Обеспечение наиболее полной ликвидации исходной массы ТБО возможно только в сочетании с подготовительными процессами сортировки (сепарации) фракций отходов, подлежащих и не подлежащих переработке, со вспомогательными процессами очистки отходящих дымовых газов и сточных вод, с процессами доводки и очистки получаемых промпродуктов пиролиза, а также с применением специализированных машин и механизмов, необходимых для обслуживания нестандартного пиролизного оборудования. Поэтому необходима разработка технологического комплекса переработки ТБО на основе наиболее оптимального по экологическим и экономическим показателям процесса пиролиза с полным циклом переделов промежуточных продуктов.
Предлагаемая нами технология глубокой переработки отходов на основе процесса СВЧ-термолиза [4,5] соответствует следующим критериям:
- степень ликвидации исходной массы отходов - не менее 90%;
- экологическая безопасность процесса ликвидации ТБО, выбросов вредных веществ в атмосферу и сбросов сточных вод;
- минимальные капиталовложения с учетом существующих тарифов на утилизацию (захоронение) отходов на городских полигонах.
1. Государственный доклад О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2013 году: http://www. ecogos doklad.ru/.
2. Гунич С.В., Янчуковская Е.В. Перспективы развития пиролитической технологии переработки органических компонентов твердых бытовых отходов в моторное топливо // Вестник ИрГТУ. 2011. № 2. С.128-132.
3. Гунич С.В., Янчуковская Е.В. Технология микроволновой карбонизации органических компонентов твердых бытовых отходов // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2011. № 1. С.134-136.
4. Гунич С.В., Янчуковская Е.В., Днепров-
ЖИЙ СПИСОК
ская Н.И. Экспериментальное определение выхода веществ и оценка перспективности СВЧ-термолиза твердых бытовых отходов // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2013. № 1 (4). С.112-115.
5. Гунич С.В., Дьячкова С.Г., Янчуковская Е.В., Днепровская Н.И. Состав углеродного остатка при утилизации несортированных твердых бытовых отходов методом СВЧ-термолиза // Химическая технология. 2014. № 9. С. 572-575.
6. Шубов Л.Я., Ставровский М.Е., Шехирев Д.В. Технологии отходов (Технологические процессы в сервисе). М.: ГОУВПО МГУС, 2006. 411 с.
REFERENCES
1. Government report On the state and protection of the environment in the Russian Federation in 2013. Available at: http://www. ecogosdoklad.ru/. (In Russ.)
2. Gunich S.V., Yanchukovskaya E.V.
Perspektivy razvitiya piroliticheskoi tekhnologii pererabotki organicheskikh komponentov tverdykh bytovykh otkhodov v motornoe toplivo [Development prospects of the pyrolytic recycling technology for organic components of domestic solid waste
into motor fuel]. Vestnik Irkutskogo gosu-darstvennogo tekhnicheskogo universiteta - The Bulletin of Irkutsk State Technical University, 2011, no. 2, pp. 128-132.
3. Gunich S.V., Yanchukovskaya E.V. Tekhnologiya mikrovolnovoi karbonizatsii orga-nicheskikh komponentov tverdykh bytovykh otkhodov [Mikrowave carbonization of organic components of municipal solid wastes]. Izvestiya Vuzov. Prikladnaya Khimiya i Biotekhnologiya -Proceedings of Higher School. Applied Chemistry and Biotechnology, 2011, no. 1, pp. 134-136.
4. Gunich S.V., Yanchukovskaya E.V., Dneprovskaya N.I. Eksperimrntarnoe opredelenie vykhoda veshchestv I otsenka perspektivnosti SVCh-termoliza tverdykh bytovykh otkhodov [Experimental determination of the substances yield and Prospects of municipal solid waste microwave
thermolysis]. Izvestiya Vuzov. Prikladnaya Khimiya I Biotekhnologiya - Proceedings of Higher School. Applied Chemistry and Biotechnology, 2013, no. 1(4), pp. 112-115.
5. Gunich S.V., D'yachkova S.G., Yanchukovskaya E.V., Dneprovskaya N.I. Sostav uglerodnogo ostatka pri utilizatsii nesortirovannykh tverdyih bytovykh otkhodov metodom SVCh-termoliza [Composition of carbon residue in the disposal of unsorted municipal solid waste by microwave thermolysis]. Khimicheskaya tekhnologiya - Chemical technology, 2014, no. 9, pp. 572-575.
6. Shubov L.Ya., Stavrovskii M.E., Shekhirev D.V. Tekhnologiya otkhodov (Tekhnologicheskie protsessy v servise) [Waste technology (Processes in service)]. Moscow, GOUVPO MGUS Publ., 2006, 411 p.
Поступила в редакцию 16 апреля 2015 г.
