CC BY
128
УДК 658.012:66.004.86
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЫХОДА ВЕЩЕСТВ И ОЦЕНКА ПЕРСПЕКТИВНОСТИ СВЧ-ТЕРМОЛИЗА ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ
19 1
С.В. Гунич ', Е.В. Янчуковская 2, Н.И. Днепровская1
000 «Инженерные Технические Системы»,
105064, г. Москва, ул. Машкова, 5/1, technoplusproject@yandex.ru. 2Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова,83, lenyan@istu.edu.
Приведены результаты опытно-технологической работы по разработке и проектированию технологии утилизации твердых бытовых отходов. Представлена схема опытно-полупромышленной установки по утилизации несортированных твердых бытовых отходов. Показаны значения выхода веществ, технико-экономические показатели процесса, производительность, оценка перспективности.
Ил. 1. Библиогр. 6 назв.
Ключевые слова: СВЧ-термолиз; твердые бытовые отходы; мусоропереработка; электромагнитное излучение; пиролиз.
EXPERIMENTAL DETERMINATION OF THE SUBSTANCES YIELD AND PROSPECTS OF MUNICIPAL SOLID WASTE MICROWAVE THERMOLYSIS
S.V. Gunich E.V. Yanchukovskayа 2, N.I. Dneprovskaya2
LLC "Engineering Technical Systems",
5/1, Mashkov St., Moscow, 105064, Russia, technoplusproject@yandex.ru. 2Irkutsk State Technical University,
83, Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia, lenyan@istu.edu.
The article shows the results of research and technological development of solid waste recycling technology. The scheme of pilot plant for disposal of unsorted municipal solid waste is demonstrated. The values of the output materials, technical and economic parameters of the process, productivity and the prospects evaluation are shown.
1 figure. 6 sources.
Keywords: microwave thermolysis; municipal solid waste; waste processing; electromagnetic radiation; pyroly-sis.
Все известные способы переработки твердых бытовых отходов не являются универсальными методами утилизации, решают лишь проблему их ликвидации, рассматривают отходы как бесполезное вещество, загрязняющее окружающую среду. В лучшем случае они используются как сырье для получения энергии (методы сжигания), топлива (методы пиролиза) или для компостирования.
Однако, учитывая возрастающую нагрузку на биосферу и ограниченность природных ресурсов, отходы необходимо рассматривать как комплексное вторичное органо-минеральное сырье, которое следует вовлекать в промышленный и хозяйственный оборот. Это находит отражение в методах комплексного рециклинга отходов - комбинированного способа обращения, включающего их сортировку (сепарацию), ферментацию, пиролиз и позволяющего получить полезную и конкурентоспособную продукцию.
В России имеются определенные сложности
проведения биологических процессов промышленной переработки ТБО из-за климатических и социально-экономических проблем. В последнее время все больше исследований нацелено на создание эффективной химической технологии пиролиза твердых бытовых отходов, позволяющей при оптимальных затратах получать синтез-газ, моторные топлива, теплоносители, электроэнергию, углеродные сорбенты и т.д. В связи с этим особую актуальность приобретает разработка наиболее энергосберегающих и технологичных процессов и аппаратов пиролиза (газификации) отходов, целью которой является комплексный рециклинг вторичного углеводородного сырья.
Решение поставленных выше задач заключается в модернизации существующих технологий пиролиза твердого топлива с применением современных достижений фундаментальной науки и компьютерных программных средств моделирования и расчета (например, программные
приложения «АпэуБ», «СИетСАй» и т.п.) технологических процессов. С целью модернизации процессов пиролиза ТБО все более актуальным становится следующее исследовательское направление - разработка аппаратурного оформления процесса, которое позволит оптимизировать технологию, интенсифицировать теплопередачу, уменьшить гидравлические потери движущихся потоков, использовать меньшее число аппаратов с минимальной металлоемкостью и повышенными конструктивными требованиями, предъявляемыми к высокотемпературным процессам.
Построение технологической схемы любого производственного процесса определяется составом и свойствами исходного сырья, а также задачами производства. Поскольку ТБО представляют собой гетерогенную смесь сложного морфологического состава, не существует универсального метода их переработки, удовлетворяющего современным требованиям экологии, экономики, ресурсосбережения и рынка. Построение промышленной технологии по принципу комбинации различных методов переработки ТБО нивелирует недостатки каждого метода, взятого в отдельности. Именно комплексная переработка ТБО, как системная комбинация сортировки, термообработки, ферментации и других процессов, обеспечивает в совокупности малую отходность производства, его максимальную экологичность и экономичность.
Объединяющим процессом в схеме комплексной переработки ТБО является сортировка (в том числе на основе селективного сбора), изменяющая качественный и количественный состав ТБО. При этом повышается не только доля повторного использования ряда компонентов ТБО, но и во многом решаются вопросы удаления опасных бытовых отходов и балластных компонентов.
Традиционные методы создания высоких температур в пиролизных реакторах часто не являются выгодными в технологическом и экономическом плане, поэтому актуален вопрос о привлечении дополнительных источников энергии.
Одним из таких источников является электромагнитное излучение СВЧ-диапазона. Электромагнитные волны в сочетании с традиционными методами высокотемпературного нагрева приводят молекулы вещества в более возбужденное состояние. За счёт объемного нагрева можно добиться интенсивного нарастания температуры и равномерного распределения её в различных компонентах среды, в том числе и с низкой теплопроводностью.
Использование СВЧ-энергии в технологическом процессе позволяет осуществить его механизацию и автоматизацию, концентрировать большие мощности в малых объемах вещества,
осуществить избирательный нагрев и регулировать температурные режимы, что позволяет значительно интенсифицировать процесс.
В результате взаимодействия СВЧ-энергии с веществом происходит усиление температурного поля, влияющего на параметры проведения процесса пиролиза, повышение выхода жидких продуктов, снижение времени технологического процесса и повышение экономических показателей [1].
Целью разработки технологии утилизации ТБО с использованием излучения СВЧ-диа-пазона является поиск оптимального технического решения их переработки, аппаратурного оформления и технико-экономическое обоснование производственного процесса.
Решить эти задачи можно методом математического моделирования физико-химических явлений, протекающих в реакторе.
Специалистами ООО «Инженерные Технические Системы» (г. Москва) при участии кафедры химической технологии Иркутского государственного технического университета создана критериальная математическая модель, которая была использована в разработке полупромышленной установки.
На основе проведенных исследований разработана принципиальная технологическая схема и аппаратурное оформление процесса переработки ТБО. Технология отвечает всем современным мировым требованиям экологической безопасности. Стадия газоочистки дымовых газов позволяет обезвреживать продукты горения, как от хлорорганических высокотоксичных загрязняющих веществ, так и от оксидов азота, серы, углерода. Все побочные продукты и отходы производства представляют собой товарный продукт [2,3].
Схема опытно-полупромышленной установки по утилизации несортированных твердых бытовых отходов (ТБО) представлена на рисунке [4,5].
Основой установки для исследования является печь карбонизации, которая состоит из СВЧ-генератора, соединенного волноводом через радиопроницаемую мембрану с камерой термодеструкции, которая обогревается газообразным топливом (сжиженным пропан-бутаном). Разовая загрузка ТБО в камеру карбонизации составляет 20-25 кг (крупность 1...10 мм, влажность 10-40% масс.). Оптимальное время процесса получения товарного продукта (карбони-зат, или углеродное вещество) составляет 1012 ч (с учетом «холодного» пуска печи и разогрева). В связи с расхождением теоретических расчетов и практических результатов процесса, относящегося к разряду инновационных, номинальная производительность пилотной установки может достигать 50 кг/сутки.
Рисунок. Принципиальная технологическая схема экспериментальной установки: Б1-8 - баллоны газовые; В1-3 - газодувки центробежные; Н1-4 - насосы центробежные; Е1-4 - емкостные бункеры расходные; Д - дробилка; Пс - пневмосепаратор; ФР - фильтр рукавный;Пг - парогенератор; Т1-4 - теплообменники кожухотрубчатые;К1-3 - колонны ректификационные; А - адсобер;ТКР - реактор термокаталитический; Тр - труба отвода дымовых газов;АВ - выпарной вакуум-кристаллизатор; КБ - конденсатор барометрический; НФ - нутч-фильтр.
Потоки: 1 - ТБО фракции 1...400 мм; 2 - ТБО фракции 1...5 мм; 3 - воздух; 4 - легкая фракция ТБО (менее 1100 кг/м3); 5 - газообразное топливо (пропан-бутан); 6 - дымовые газы; 7 - газы термодеструкции; 8 -несконденсированные газы; 9 - водно-смоляная эмульсия; 10 - кубовый остаток; 11 - темное печное топливо; 12 - вода промывная; 13 - реагент; 14 - дымовые газы очищенные; 15 - сульфат аммония растворенный; 16 - дымовые газы осушенные; 17 - сульфат аммония упаренный; 18 - реагент не прореагировавший; 19 - паровоздушная смесь.
Обнаружено, что при комбинации традиционного метода разложения отходов в закрытой камере при температуре 500-900 оС без доступа воздуха и активации электромагнитным полем частотой 2,45 ГГц общая скорость деструкции сокращается на 40%, материальные затраты на топливо (при обогреве сжиженными углеводородными газами) сокращаются до 70% (расход
пропан-бутана в баллонах емкостью 50 л и давлением 1,6 МПа составил 1,25-1,5 л/час). Суммарное потребление электроэнергии составляет 0,75 кВтчас/кг ТБО.
Целью исследований является измерение массы исходных веществ и массы продуктов реакции гравиметрическим способом. Практический выход основных продуктов реакции утили-
зации от первоначальной массы отходов при влажности 40% (масс.) составляет: 3040% (масс.) - углеродное вещество, являющееся полупродуктом для производства активированного угля, литейного кокса и пигментов-красителей; 40-50% (масс.) - горючие газообразные углеводороды и их окисленные формы, являющиеся топливным продуктом; 10-30% (масс.) - жидкие углеводороды в составе смолы и конденсата, являющиеся аналогом темного печного топлива.
Проведена опытно-конструкторская работа по созданию пилотной установки, проводится её промышленная апробация в технологиях мусо-ропереработки (г. Тамбов).
Установка для проведения СВЧ-термолиза может быть использована для переработки любых углеводородных веществ пиролитическим методом [6].
Выход веществ при этом составляет:
1) углеродное вещество - минимум 30% от исходной массы. Стоимость на рынке данного продукта - от 2000 до 7000 руб. за тонну.
2) светлое печное топливо - минимум 10% от исходной массы (стоимость от 6000 до 16000 руб. за тонну);
3) углеводородные газы (метан, пропан, бу-
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Коновалов Н.П. Технология деструкции бурых углей методом нагрева энергией сверхвысоких частот: монография. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2000. 87 с.
2. Разработка технологии СВЧ-термолиза твердых бытовых отходов/ Н.И. Днепровская [и др.] // Переработка углеводородного сырья: сб. научн. тр. Иркутск, 2012. С. 9-12.
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., Днепровская Н.И. Экспериментальное определение материального баланса технологии СВЧ-термолиза твердых бытовых отходов // Перспективы развития технологии перера-
тан, ацетилен) - минимум 20% от исходной массы (утилизируются в процессе работы реактора как вторичное топливо).
Удалось также выделить побочные продукты утилизации: балластную фракцию (компоненты строительных материалов), не более 5% от исходной массы отходов (стоимость на рынке от 200 руб. за тонну). Выход побочного продукта газоочистки дымовых газов - сульфата аммония (технического карбамида) - 1% от исходной массы. Стоимость карбамида от 15000 руб. за тонну.
Экономические показатели (затраты) реактора на 100 000 тонн отходов в год: электроэнергия - 800 кВт/ч; вода - 2 м3/ч; топливный газ -35 м3/час.
Конечные значения рентабельности зависят от того, какой состав отходов планируется перерабатывать. От классического среднего состава ТБО можно достичь рентабельности всей технологии в течение 2, 3 лет. Кроме того, изготовление промышленного образца реактора обеспечивает его последующую продажу как интеллектуальной собственности. При капитальных затратах в 13 млн руб. договорная цена его реализации третьим лицам составляет 20 млн руб. Чистая прибыль от внедрения одного реактора составляет около 7 млн руб.
ботки углеводородных, растительных и минеральных ресурсов: материалы III Всеросс. науч.-практ. конф. с международным участием. Иркутск, 2013. С. 150-152.
5. Янчуковская Е.В., Гунич С.В., Днепровская Н.И. Применение реактора СВЧ-термолиза для переработки твердых бытовых отходов // Перспективы развития технологии переработки углеводородных, растительных и минеральных ресурсов: материалы III Всеросс. науч.-практ. конф. с международным участием. Иркутск, 2013. С. 177-179.
6. Янчуковская Е.В., Днепровская Н.И., Гунич С.В. Перспективы технологии СВЧ-термолиза органических компонентов твердых бытовых отходов // Успехи в химии и химической технологии: сб. научн.тр. Москва, 2012. С. 114-118.
Поступило в редакцию 20 мая 2013 г
