CC BY
21
УДК 66.04
О.П. КРОТ
Харьковский национальный университет строительства и архитектуры
ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ТЕРМИЧЕСКОГО ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ
МУНИЦИПАЛЬНЫХ ОТХОДОВ
Рассмотрена проблема накопления муниципальных отходов в Украине, проанализированы основные способы обращения с отходами в странах Европейского Союза. Приведены схемы и проанализированы способы термической обработки и обезвреживания муниципальных отходов с учетом минимального воздействия на окружающую среду. Предложены решения по эффективному комплексному управлению утилизацией муниципальных отходов. Оценена перспективность использования установок для сжигания неутилизированных отходов с получением тепловой и/или электрической энергии.
Ключевые слова: твердые бытовые отходы, инсинерация, пиролиз, сжигание.
О.П. КРОТ
Харгавський нащональний ушверситет будiвництва та архгтектури
ОПТИМ1ЗАЦ1Я ПРОЦЕС1В ТЕРМ1ЧНОГО ЗНЕШКОДЖЕННЯ МУНЩИПАЛЬНИХ В1ДХОД1В
Розглянута проблема накопичення мунщипальних вгдходгв в УкраШ, проаналгзовано основнг способи поводження з вгдходами в крашах Свропейського Союзу. Наведено схеми та проаналгзовано способи терм1чно'1 обробки i знешкодження мунщипальних вгдходгв з урахуванням мгтмального впливу на навколишне середовище. Запропоновано рШення щодо ефективного комплексного управлiння утилiзацieю мунщипальних вiдходiв. Оцтена перспективтсть використання установок для спалювання неутилгзованих вiдходiв з отриманням тепловог та / або електричног енергИ.
Ключовi слова: твердi побутовi вiдходи, iнсiнерацiя, пiролiз,спалювання.
O.P. KROT
Kharkiv National University of Civil Engineering and Architecture
OPTIMIZATION OF PROCESS OF THERMAL DESTRUCTION OF MUNICIPAL WASTE
The problem of accumulation of municipal waste in Ukraine was discussed. The main methods of waste management in the European Union were analyzed. Circuits and methods for heat treatment and disposal of municipal waste studied considering the minimal impact on the environment. Proposed solutions for the effective utilization of the integrated management of municipal waste. The author suggested the use of forward-looking incineration of municipal solid waste, to produce a thermal and / or electrical energy.
Keywords: municipal solid waste incineration, pyrolysis, burning.
Постановка проблемы
Муниципальные отходы накапливаются в огромных количествах в Украине, вызывая экологические проблемы. Во-первых, большая часть мусора по всей стране вывозится на полигоны твердых бытовых отходов, которые не отвечают европейским стандартам, не оборудованы должным образом, на них не соблюдаются нормы и правила складирования. Это приводит к загрязнению грунтовых вод, а также к выделению в атмосферу метана и диоксида углерода, которые являются парниковыми газами. Во-вторых, несанкционированные свалки заполонили лесополосы, прибережные зоны и промышленные зоны крупных городов. Эти свалки, кроме привычных загрязнений окружающей среды, могут содержать отравленные ядохимикатами, люминесцентные лампы, отработанные масла. За последние годы по всей стране участились случаи обнаружения свалок с различными категория отходов, в том числе и токсичными отходами. В-третьих, в Украине практически отсутствует система управления переработкой муниципальных отходов. Основные способы утилизации твердых бытовых отходов (ТБО) в основном включают в себя открытое захоронение на полигонах. За 2014 год в Украине только 4,2% муниципальных отходов было переработано и утилизировано, из них 1,7% были сожжены, а 2,5% -переработаны на пунктах заготовки вторичного сырья, в частных случаях компостированы. Полигоны ТБО перегружены в среднем на 18% и не соответствуют нормам. На рис.1 и 2 показана статистика обращения в Украине в 2011-2015 годах с муниципальными отходами, которые образуются в процессе жизни и деятельности человека в жилых и нежилых домах и не используются по месту их накопления. Данные за 2014 и 2015 годы приведены без учета Автономной Республики Крым, г.Севастополя и части
Донецкой и Луганской области [1].
16000 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0
□ 2013
□ 20142
Объемы собранных БПО, тыс.т
Объемы удаленных БПО, тыс.т
в том числе удаленных на специально
Объемы сожженных БПО с целью
Объемы сожженных БПО без получения
Объемы утилизированных
в том числе компостированн ых
□ 2011
10356, 5
7030
4321, 5
154
98 , 5
74 5
0
2012
13878
9362 7
5175 1
149 , 9
78 6
57,4
] 20152
11491, 8
6233
4194,3
254,3
2,1
0,4
□ 2011
2012
20152
БПО, тыс.т
0
4501
9504,4
5178,5
47,6
2,9
9,4
3,7
□ 2013
0748
5893,8
3397,9
49
3,8
3,8
0
□ 20142
4
Рис.1. Обращение с муниципальными отходами в Украине в 2011-2015 годах
350 300 250 200 150 100 50 0
□ 2011 □ 2012 □ 2013
□ 20142
Объемы сожженных БПО с целью
3,4
113,8
3,2 3,5
Объемы сожженных БПО без получения
2,2
0,1 0,1
Объемы утилизированных БПО, кг
1,6
0,2 0,1
Справочно:
средняя численность
45,7
45,5 43
□ 2011 □ 2012
□ 2013
□ 20142
□ 20152
3,3
,7
,3
45,6
5,9
0,05
0,1
42,8
20152
Рис. 2. Обращение с муниципальными отходами в Украине в 2011-2015 годах в кг из расчета на
душу населения
Зачастую при обсуждении реализации и оптимизации управления и обращения с ТБО в странах и регионах по всему миру сталкиваются с такими проблемами как высокая стоимость внедрения предлагаемых технологических и организационных решений. Либо проблемой оказывается то, что переработку сортировкой полностью заменяет сжигание отходов, нанося ущерб здоровью человека и окружающей среде.
Анализ последних исследований и публикаций
Сжигание отходов является наиболее распространенным методом утилизации энергии твердых бытовых (и для некоторых видов промышленных) отходов. Сжигание отходов, включая восстановление тепла, применяется в более чем в 450 энергетических объектах по всей Европе и многих других странах в остальной части мира. Последние данные Евростата [2], представленные на рис. 3 и 4, показывают, что, несмотря на уменьшение количества образующихся отходов, каждый человек в Европейском Союзе (ЕС) в среднем производит 474 кг бытовых отходов. В 2014 году 465 кг (98%) ТБО были обработаны различными способами, среди них: 28% были захоронены, 28% переработаны, 27% сожжены, а 15% компостированы (среднее значение по ЕС).
900 800 700 600 500 400 300 200 100 0
I
1
I
ЕС (28 стран) Нидерл анды Австрия Польша Португа лия Румыни я Словен ия Словак ия Финлян дия Швеция Велико британи я Дания Норвеги я Швейца ри Герман ия
□ 2010 503 571 562 316 516 313 490 319 470 439 509 673 469 708 602
□ 2011 498 568 573 319 490 259 415 311 505 449 491 781 485 689 626
□ 2012 487 549 579 317 453 251 362 306 506 450 477 750 477 694 619
□ 2013 478 526 578 297 440 254 414 304 493 451 482 752 496 702 615
□ 2014 474 527 566 272 453 249 432 321 482 438 482 758 423 730 618
□ 2010 □ 2011 □ 2012
□ 2013
□ 2014
Рис. 3. Количество муниципальных отходов по некоторым странам Европейского Союза
(в кг на душу населения)
Годовое количество отходов делится на среднюю численность населения соответствующего года. Демографические показатели были взяты из базы данных Евростата в январе 2017. Количество образовавшихся муниципальных отходов состоит из собранных отходов от имени муниципальных властей или удаленных с помощью системы управления отходами. Для районов, не охваченных муниципальной схемой сбора, количество образовавшихся отходов также оценивается. Муниципальные отходы состоят в значительной степени из отходов, образовавшихся в домашних хозяйствах, но также могут включать в себя аналогичные отходы с малых предприятий, государственных учреждений, отходов офисов и торговли.
Количество бытовых отходов, направленных на сжигание (как с рекуперацией энергии, так и без неё), представлено на рис. 5. Данные - в килограммах на человека. Отходы сельского хозяйства и промышленности не включены.
500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0
и
ЕС (28 стран)
Нидерл анды
Австрия
ш
Португа лия
Румыни я
Словен ия
Словак ия
I
Финлян дия
Швеция Велико британи я Дания Норвеги я Швейца ри Герман ия
224 66 365 236 351 223
233 80 437 271 344 229
235 89 427 268 347 214
228 102 412 285 344 214
217 128 412 224 339 215
[V
□ 2010 □ 2011 □ 2012
□ 2013
□ 2014
281
196
100
4
34
04
□ 2010
20
280
200
103
2
6
35
26
2011
269
201
88
4
5
31
71
□ 2012
23
256
201
20
104
5
2
32
209
□ 2013
27
251
206
41
94
7
35
241
2014
Рис. 4. Сжигание муниципальных отходов, в том числе с рекуперацией энергии по некоторым странам Европейского Союза (в кг на душу населения)
В некоторых наиболее экологически безопасных европейских странах, таких как Дания, Швейцария, Швеция, Нидерланды, Норвегия, Финляндия и Германия, почти половина (или даже больше) коммунальных отходов сжигается [3]. Значительное количество энергии, полученное от этих отходов, обеспечивает теплом системы центрального отопления и/или паром для выработки
электроэнергии, выступая в качестве локально доступного топлива и заменяя ископаемые виды топлива, которые в большинстве случаев в Европе импортируются.
800 700 600 500 400 + 300 -200 -100 -I-0
ш
ш
И
□ Количество муниципальных отходов, кг на душу населения
□ Сжигание муниципальных отходов, в том числе с рекуперацией энергии
//SS///////SSSSS
^ ^
Рис. 5. Образование и сжигание муниципальных отходов
Формулирование цели исследования
Основная цель статьи - на основе анализа статистических результатов и промышленных исследований разработать предложения по экологически безопасному методу энергетической утилизации муниципальных отходов для решения проблемы перегруженности полигонов ТБО Украины с учетом мирового опыта.
Изложение основного материала исследования
Термическое обезвреживание или термическая обработка включает сжигание (употребляется также термин "инсинерация", от incinerate - сжигать, испепелять), а также плазменные методы, термолиз и пиролиз. Установки для сжигания муниципальных отходов, пиролизные установки, газификация и плазменные технологии используют высокотемпературные процессы (диапазон температур от 600 0С до 5000 0С), которые в результате химических и физических преобразований приводят к разрушению и разложению как органических, так и неорганических фракций, входящих в состав отходов.
При использовании установок для сжигания муниципальных отходов их необходимо комплектовать системами газоочистки для гарантии экологически безопасного уничтожения отходов. Это связано с опасностью загрязнения окружающей среды диоксинами и тяжелыми металлами. Как правило, установки имеют первую камеру сгорания, работающую при температуре от 800 до 1000°C, и вторую камеру сгорания, работающую при контролируемой минимальной температуре 850°C, со временем выдержки газообразных продуктов сжигания 2 секунды. При обследовании мусоросжигательных печей было показано, что диоксины образуются в процессе сжигания, и их образование происходит в зоне охлаждения [4]. Большая часть образовавшихся диоксинов адсорбируется на частицах летучей золы. Практически полностью удаляют диоксины в отходящих газах мусоросжигательных установок угольные фильтры и каталитические дожигатели.
При внедрении технологии сжигания муниципальных отходов должны выполняться следующие рекомендации:
- использование новых, современных методов при проектировании и эксплуатации установок для сжигания отходов (например, предварительный подогрев; расчет производительности для исключения перегрузки; сжигание при температуре не ниже 800°C и т.д.);
- использование сортировки отходов, чтобы максимально сократить образование и выделение токсичных веществ в процессе сжигания отходов;
- постоянный контроль и обучение операторов осуществляющих управление установками во избежание недостатков, которые могут привести к ухудшению работы установок для сжигания отходов.
В передовых системах сжигания, дополнительное топливо используется только при запуске и отключении системы, а также в качестве контрольного пламени второй камеры сгорания. При нормальной работе, тепловой эквивалент отходов, помещенных в мусоросжигательную установку, должен быть достаточным для поддержания горения без добавления дополнительного топлива. Сжигание является предметом споров во многих регионах в связи с эмиссиями, являющимися результатом процесса горения. Это, тем не менее, относится лишь к системам с недостаточней или
отсутствующей очисткой топочного газа. Современные мусоросжигательные установки работают без проблем даже в густонаселённых районах.
Модель сжигания отходов во вращающейся печи (рис. 6) описана в работе [5]. Были проведены исследования возможности технических изменений на существующих заводах с целью оптимизации процесса горения и изменения размеров вращающейся печи (длины и диаметра) в зависимости от характеристики подаваемых отходов. Наряду с кинетическими параметрами сжигания конкретного потока отходов были приняты во внимание тепловой и массовый балансы.
дх
Рис. 6. Пример вращающейся камеры сгорания печи [5]
Пиролиз. Альтернативой обычным методам термической переработки твердых отходов являются технологии, предусматривающие предварительное разложение органической составляющей отходов в безкислородной атмосфере (пиролиз), после чего образовавшаяся концентрированная парогазовая смесь направляется в камеру дожигания, где в режиме управляемого дожига газообразных продуктов происходит перевод токсичных веществ в менее опасные или полностью безопасные. К достоинствам использования пиролизных процессов можно отнести:
- управляемость процесса сжигания при высокой температуре концентрированной неразбавленной парогазовой смеси (теплота сгорания 6680-10450 кДж/м3), что позволяет обеспечить высокую (1200-13000С) температуру по всему объему продуктов сгорания;
- выделяющийся при пиролизе хлорсодержащих материалов активный хлор уже в камере термического разложения реагирует с обязательным продуктом пиролиза любой органики - водородом, образуя стойкое соединение HCl, которое далее легко нейтрализуется на стадии доочистки. Тем самым предотвращается образование диоксинов и фуранов.
В работе [6] представлена пиролизная установка, которая используется для сжигания отходов, в том числе медицинских (рис. 7).
Exhaust gases
Ash removal
Рис. 7. Применение пиролизного процесса сжигания отходов в Кракове
Последовательность технологического пиролизного процесса переработки отходов представляет: измельчение поставляемых ТБО; смешивание измельченных ТБО с твердым не горючим
материалом и доломитом или известняком; подача под давлением в нижнюю часть реактора (нагрев проводят до формирования в реакторе зоны горения и газификации (температура 700 °С - 1400 °С); прохождение ТБО через зоны - сушки, пиролиза, горения, газификации и охлаждения; непрерывная выгрузка твердого остатка, для обеспечения положения зоны горения на определенной высоте от дна реактора.
В этой зоне кислород взаимодействует с углеродом твердого топлива в виде кокса или полукокса при температуре около 700°С - 1400°С. Свободный кислород газифицирующего агента полностью расходуется и горячие газообразные продукты горения, включая диоксид углерода и пары воды, поступают в следующий слой твердого топлива, в котором диоксид углерода и водяной пар вступают в химическую реакцию с углеродом топлива, образуя горючие газы. Тепловая энергия раскаленных в зоне горения газов частично расходуется в этих реакциях. Температура газового потока снижается по мере того, как газ протекает сквозь твердое топливо и передает последнему свое тепло. В зоне пиролиза нагретое в отсутствии кислорода топливо поддается пиролизу. В результате пиролиза получается кокс, смолы пиролиза и горючие газы.
Горючие газы протекают через слой непереработанных ТБО зоны пиролиза и свежезагруженные ТБО зоны сушки, в результате образуется продукт-газ в виде аэрозоля, включающие окись и двуокись углерода, водород, азот и другие газы, пары и мелкие капли конденсированных углеродов. Проведение процесса переработки в режиме, когда газифицирующий агент и образующийся при газификации аэрозоль, фильтруется через твердые продукты переработки и свежезагруженные ТБО. Это обеспечивает эффективное снижение температуры, как выводимых из реактора остатков твердых продуктов переработки, так и аэрозоля. Кроме того, в зоне сушки производится подогрев и подсыхание свежевведенного ТБО.
Недостатки пиролиза. Высокая стоимость конструкции и относительно высокая стоимость эксплуатации и обслуживания; ограниченный размер частиц, а значит - необходимость использования измельчителя; потребление электричества, топлива и химикатов для очистки топочного газа; необходимость установки системы очистки отходящих газов.
Плазменная технология. В плазменных системах используется электрический ток, который ионизирует инертный газ (например, аргон), и формирует электрическую дугу с температурой около 60000С.
К преимуществам плазменной технологи можно отнести: обработанные отходы выходят в виде металла или шлака; максимальное снижение веса и объема (по сравнению с другими процессами); возможность восстановления металлов; выходной продукт - полностью инертный стекловидный шлак.
Однако плазменная технология не нашила широкого применения из-за высокой стоимости эксплуатации (высокое потребление электричества), необходимости предворительного измельчения отходов и высокого содержания тяжелых металлов в дымовых газах больше, чем при сжигании.
Переработка опасных отходов в цементных печах. Полученные результаты [6] свидетельствуют о том, что тип сжигаемого топлива не влияет на выброс органических микрозагрязнителей, а эмиссия металлов и хлоридов из цементной печи не увеличиваются при сжигании опасных отходов. Эти исследования показывают, что выбросы частиц (полициклических ароматических углеводородов и других органических углеводородов) в большей степени зависит от условий эксплуатации, чем от вида сжигаемых отходов.
Для опасных отходов, подаваемых в печь, необходимо руководствоваться такими правилами: для подачи отходов, содержащих органические компоненты, которые могут улетучиваться, предусмотреть зону кальцинирования; обеспечить работу печи таким образом, чтобы газ находился при температуре 850 °С в течение 2 секунд; повышение температуры до 1100 °С, если присутствуют опасные отходы с содержанием галогенизированных органических веществ; подачу отходов нужно проводить непрерывно и постоянно. К недостаткам использования цементной печи можно отнести сложность запуска после остановки, необходимость переоборудования системы газоочистки.
Учитывая отдаленность существующих цементных заводов от крупных городов, перспективным можно считать строительство в жилой зоне или вблизи неё малых мусоросжигательных предприятий с вращающимися печами и многоступенчатой очисткой выбросов [8].
Во всех перечисленных методах и процессах сжигания отходов существуют свои особенности, преимущества и недостатки. Мусороперерабатывающий завод должен работать на двух видах топлива, первое из которых — природное, второе — твердые бытовые и горючие промышленные отходы. Калорийность городского мусора составляет примерно треть калорийности угля, поэтому при переработке твердых бытовых отходов эффективно использовать термический метод. Строительство мусоросжигающего завода позволило бы (помимо уменьшения вредного воздействия бытовых и промышленных отходов на состояние окружающей среды города): рекультивировать десятки гектаров земли, занимаемых свалкой; обеспечить выработку теплоносителя и электрической энергии для жителей окрестных территорий; производить из мусора гранулированный шлак, шлакоблоки, лом цветных и черных металлов.
Выводы
1. Управление твердыми отходами - многомерный вопрос. Эффективная система основана не только на технологических решениях, но и на экологических, социально -культурных, правовых и экономических аспектах.
2. Обращение с отходами включает в себя большое количество различных процессов с различными областями интересов. Все эти процессы играют определенную роль в формировании системы города, но часто рассматриваются только как ответственность местных властей.
3. Основой управления должно стать оперативное получение достоверных данных и создание соответствующих информационных каналов как внутри, так и между муниципалитетами. Разработка комплексных стратегий управления отходами должна быть основана на множестве факторов, среди которых и способность потребителей услуг оплачивать эти услуги.
4. Наиболее перспективным техническим решением утилизации ТБО для Украины следует признать сжигание, сопровождающееся системами рекуперации тепла, использования твердых продуктов сгорания и очистки отходящих газов.
Список использованной литературы
1. Документи Державно! Служби Статистики Укра!ни [Электронный ресурс] / Державна служба статистики Украши. - Режим доступа: \ http://ukrstat. gov.ua./ - 10.12.2016 г. - Загл. с экрана.
2. Municipal waste generation and treatment, by type of treatment method [Электронный ресурс] / Eurostat. - Режим доступа: \ http://ec.europa.eu/eurostat/tgm/table.do?tab=table&init=1&language= en&pcode= tsdpc240&plugin=1 - 10.12.2016 г. - Загл. с экрана.
3. David C Wilson, Ljiljana Rodic, Anne Scheinberg, Costas A Velisl and Graham Alabaster. Comparative analysis of solid waste management in 20 cities[Text] / David C Wilson, Ljiljana Rodic, Anne Scheinberg, Costas A// Waste Management & Research. - 2012. - № 30(3), 7. - Р. 237 - 254.
4. Robinson H.D., Knox K., Formby R. and Bone, B.D. Science Report Testing of residues from incineration of municipal solid wast [Text] / Robinson H.D., Knox K., Formby R. and Bone, B.D. // Environment Agency. — 2004, 125р.
5. _Lombardi F., Lategano E., Cordiner S., Torretta V. Waste incineration in rotary kilns: a new simulation combustion tool to support design and technical change [Text] / Lombardi F., Lategano E., Cordiner S., Torretta V.// Waste Management & Research. - 2013. - № 31, 7. - Р. 739 - 750.
6. Gielar A., Helios-Rybicka E. Enviromental impact of a hospital waste incineration plant in Krakow (Poland) [Text] / Gielar, A., Helios-Rybicka, E. // Waste Management & Research. - 2013. - № 31(7) . - Р. 722 - 728.
7. Benestad C. Incineration of hazardous waste in cement kilns // Waste Management & Research . -1989. - № 7 . -Р. 351 - 361.
8. Крот О.П., Конев В.В., Ровенський O.I. Експериментальш дослщження методiв зменшення викидiв вщ процеав термiчного знешкодження побутових вiдходiв // Збiрник наукових праць Укра!нського державного ушверситету залiзничного транспорту. - Х.: «УкрДУЗТ», 2016. -№166 - С. 78-86.
