CC BY
80
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2019. No 3
УДК 628.477 DOI: 10.17213/0321-2653-2019-3-77-81
ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРОДУКТОВ ТЕРМИЧЕСКОЙ УТИЛИЗАЦИИ ТВЕРДЫХ КОММУНАЛЬНЫХ ОТХОДОВ В ТЕХНОЛОГИИ СИЛИКАТНЫХ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ
МАТЕРИАЛОВ
© 2019 г. Е.А. Яценко1, Б.М. Гольцман1, А.А. Чумаков1, В.А. Смолий1, К. Хольшемахер2, А.Г. Булгаков2
1Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М. И. Платова, г. Новочеркасск, Россия, 2Лейпцигский университет прикладных наук - HTWK Leipzig, Лейпциг, Германия
PROSPECTS FOR THE USE OF THERMAL DISPOSAL PRODUCTS FOR SOLID MUNICIPAL WASTE IN THE TECHNOLOGY OF SILICATE HEAT INSULATION MATERIALS
E.A. Yatsenko1, B.M. Goltzman1, A.A. Chumakov1, V.A. Smoliy1, K. Holshemacher2, A. G. Bulgakov2
1Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia, 2Leipzig University of Applied Sciences - HTWK Leipzig, Leipzig, Germany
Яценко Елена Альфредовна - д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой «Общая химия и технология силикатов», ЮжноРоссийский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. E-mail: e_yatsenko@mail.ru
Гольцман Борис Михайлович - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Общая химия и технология силикатов», ЮжноРоссийский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. E-mail: boriuspost@gmail.com
Чумаков Андрей Алексеевич - магистрант, кафедра «Общая химия и технология силикатов», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. E-mail: achumakov1995@mail.ru
Смолий Виктория Александровна - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Общая химия и технология силикатов», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М. И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. E-mail: vikk-toria@yandex.ru
Хольшемахер Клаус - д-р техн. наук, профессор, Лейпциг-ский университет прикладных наук - HTWK Leipzig, Лейпциг, Германия. E-mail: klaus.holschemacher@htwk-leipzig.de
Булгаков Алексей Григорьевич - д-р техн. наук, профессор, Лейпцигский университет прикладных наук - HTWK Leipzig, Лейпциг, Германия. E-mail: a.bulqakow@qmx.de
Yatsenko Elena Alfredovna - Doctor of Technical Sciences, Professor, Head Department «General Chemistry and Technology of Silicates», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. E-mail: e_yatsenko@mail.ru
Goltsman Boris Mikhailovich - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department of «General Chemistry and Technology of Silicates», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. Email: boriuspost@gmail.com
Chumakov Andrey Alekseevich - Master Student, Department of «General Chemistry and Technology of Silicates», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia E-mail: achumakov1995@mail.ru
Smoliy Victoria Alexandrovna - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department of «General Chemistry and Technology of Silicates», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. E-mail: vikk-toria@yandex.ru
Holshemacher Klaus - Doctor of Technical Sciences, Professor, University of Applied Sciences Leipzig - HTWK Leipzig, Leipzig, Germany. E-mail: klaus.holschemacher@htwk-leipzig.de
Bulgakov Alexey Grigorievich - Doctor of Technical Sciences, Professor, University of Applied Sciences Leipzig - HTWK Leipzig, Leipzig, Germany. E-mail: a.bulqakow@qmx.de
Описана глобальная проблема утилизации твердых коммунальных отходов и способы ее решения. Проведен обзор основных методов термического обезвреживания твердых коммунальных отходов. Приведены результаты химического анализа золы и шлака, полученных с применением различных методов обезвреживания. Описаны области их использования в производстве различных силикатных материалов. Представлена технология получения пеностекла с использованием продуктов термического обезвреживания твердых коммунальных отходов.
Ключевые слова: твердые коммунальные отходы; сжигание в «кипящем» слое; сжигание на колосниковых решетках; высокотемпературный пиролиз; силикатные материалы; теплоизоляция.
ISSN0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
TECHNICAL SCIENCE. 2019. No 3
The global problem of utilization of solid municipal waste and methods for solving it are described. A review of the main methods of thermal disposal of solid municipal waste. The results of chemical analysis of ash and slag obtained using various methods of disposal. The areas of their use in the production of various silicate materials are described. A technology for producing foam glass using products of thermal treatment of solid municipal waste is presented.
Keywords: municipal solid waste; fluidized bed burning; grate burning; high temperature pyrolysis; silicate materials; thermal insulation.
Глобальной экологической проблемой в наше время является переработка хранящихся на полигонах твердых коммунальных отходов (ТКО). Основная сложность данной проблемы обуславливается отсутствием достаточных научных знаний о качественном и количественном составе и структуре золошлаковых отходов, получаемых при термическом обезвреживании ТКО. Состав и свойства золошлаковых отходов зависят не только от состава исходного сырья и разработанных технологий термического обезвреживания ТКО. Их недостаточная изученность связана также с предвзятым отношением социума ряда стран к ТКО и к проблемам их переработки.
По данным доклада всемирной организации «Greenpeace» «Сжигание отходов и здоровье человека» [1] ежегодно на каждого жителя планеты приходится образование около 400 кг ТКО. Из государственного доклада «О состоянии и охране окружающей среды в Российской Федерации» от 29.12.2018 г. [2] в 2017 г. известно, что объем вывезенных ТКО на объекты захоронения составил 239 млн м3 (50,9 тыс. т) или 87 % от общего объема вывоза ТКО. Накопление данного типа отходов на городских свалках приводит к глобальным экологическим проблемам: отравление почвы, грунтовых вод и воздуха, размножение опасных видов бактерий, грызунов, появление неприятного запаха. Помимо этого, на свалках периодически происходят самовозгорания, приводящие к выбросу ядовитых веществ (метана и различных диоксидов).
Согласно докладу «О состоянии и охране окружающей среды в Российской Федерации» от 29.12.2018 г. [2] на обезвреживание, в том числе на мусоросжигательные предприятия, в 2017 г. вывезено только 6,0 млн м3 (0,9 млн т) или 2,2 % от общего объема вывоза ТКО. Так, по данным немецкого национального справочного издания 2017 г. «Waste-to-Energy Options in Municipal Solid Waste Management. A Guide for Decisión Makers in Developing and Emerging Countries» (Варианты утилизации в управлении твердыми бытовыми отходами. Руководство для лиц, принимающих решения в области развития и развивающиеся страны) [3] в 2017 г. на территории Герма-
нии успешно работало 68 мусоросжигательных заводов, переработавших более 20 млн т ТКО.
На данный момент широкое применение получили такие способы переработки ТКО, как псевдоожиженное сжигание, слоевое сжигание (на колосниковых решетках) и высокотемпературный пиролиз. Далее рассмотрим каждый из них.
Псевдоожиженное сжигание подразумевает собой преобразование слоя измельченного материала в кипящий слой («псевдо-жидкость») под действием восходящего потока газа, которого будет достаточно для поддержания твердых частиц во взвешенном состоянии. Весь процесс происходит в специальных печах, обустроенных паровыми и водогрейными котлами. При использовании дешевого топлива для сжигания ТКО полученная энергия идет для выработки электроэнергии либо отопления.
Для сжигания ТКО в кипящем слое необходимо производить дополнительное измельчение отходов, в связи с этим была разработана технология двойного внутреннего вращающегося кипящего слоя. При работе данного устройства отраженный от стенок песок собирается в средней части, а затем оседает вниз и распространяется по всему объему. Если песок движется сбоку, то отходы подаются от него. Эта технология представлена немецкой фирмой «Lurgi» в Италии в г. Макома (производительность 72 т/сут), в г. Мадриде (660 т/сут), в Берлине (200 т/сут), во Франции г. Жуан (240 т/сут). В этих городах данные установки уже работают, а в Москве (990 т/сут) и Марселе (560 т/сут) они еще находятся в стадии строительства.
Главным недостатком данного типа сжигания является выделение токсинов и шлаков в процессе горения отходов [4, 5].
Слоевое сжигание (на колосниковых решетках) является самым перспективным на данный момент. Колосниковые решетки устанавливаются в топке, предоставляющей собой камеру сгорания. Решетки состоят из подвижных и неподвижных колосников, обеспечивающих перемешивание и перемещение отходов.
Колосниковые решетки бывают с прямой подачей, имеющие угол наклона 6 - 12,5° и тол-
ISSN 0321-2653 ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. СЕВЕРО-КАВКАЗСКИМ РЕГИОН._ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ. 2019. № 3
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2019. No 3
кающие материал в сторону выгрузки шлака, и с обратной подачей, имеющие угол наклона 21 - 25° и перемещающие материал в сторону, противоположную выгрузке шлака и отходов, при этом часть горящего слоя ТКО возвращается в начало и интенсифицирует процесс горения отходов.
Температура при сжигании отходов составляет 850 - 1000 °С. В конце колосниковой решетки шлак через шахту, охлаждаемую водой, попадает в гидрошлакоуловитель, оборудованный толкатель-ным устройством. Для сбора просыпи между колосниками устанавливают под колосниковой решеткой по всей длине скребковое устройство.
При утилизации тепла отходящих газов возможно получение электрической и тепловой энергии. Вырабатываемая мощность напрямую зависит от производительности печи по твердому топливу и калорийного потенциала отходов. Оптимальной считается теплотворная способность отходов в 11,8 МДж/кг, приводящая к максимальной вырабатываемой тепловой мощности, соответствующей максимальной производительности по количеству сжигаемых отходов.
Исследованиями выявлено, что пребывание дымовых газов в течение 2 с при 850 °С предотвращает образование диоксинов (полихло-ридных дибензоидоксида и дибензофурана), так как сложные хлорсодержащие и углеводородные соединения, являющиеся их основой, в этих условиях разлагаются на нейтральные вещества [6].
Высокотемпературный пиролиз является альтернативой сжиганию. Его использование позволяет резко снизить объем газовых выбросов и токсичных компонентов, также появляется возможность утилизации потенциальных энергетических и материальных ресурсов путем получения топлива и вторичных продуктов. Пиролизу обычно подвергают бытовые отходы и отходы, содержащие органические вещества.
Процесс пиролиза ТКО состоит из:
- пиролиза ТКО в печи с внешним обогревом;
- дожига пиролизных газов;
- утилизации тепла отходящих газов в котле-утилизаторе с получением пара;
- очистки дымовых газов от пыли и химических примесей в пенном абсорбере;
- сушки абсорбционных растворов в распылительной сушилке;
- охлаждения пирокарбона в барабане -холодильнике;
- сепарации черного и цветного металла из пирокарбона;
- сепарации камней из пирокарбона;
- измельчения пирокарбона в конусной инерционной дробилке;
- фасовки пирокарбона в мешки и складирования.
Пиролиз отходов по методу Destrugas, разработанному датской фирмой PollutionControl, тоже осуществляется в вертикальном шахтном аппарате, но при этом применяется наружный обогрев реакторе [7]. Максимальная температура в реакционной зоне достигает 1050 °С, и поскольку парогазовая смесь движется в прямотоке с твердым материалом, продукты первичного разложения подвергаются глубокому пиролизу.
К достоинствам данного способа можно отнести следующие: образование в ходе пиролиза горючих газов позволяет сократить расход топлива на сжигание отходов приблизительно в 3 раза; выделяющийся при пиролизе активных хлор в камере термического разложения вступает в реакцию с водородом, образуя HCl, которое нейтрализуется на стадии доочистки, предотвращая образование диоксинов и фуранов.
Ниже приведены химические составы золы и шлака при колосниковом сжигании (табл. 1) и при пиролизе (табл. 2) [8, 9]. В таблицах не указаны оксиды, содержащиеся в количестве менее 0,1 % (по массе): &2O3, MnO, NiO, CuO, SrO, PbO и т.д.
Зола после сжигания на колосниковых решетках пригодна для использования в производстве пеностекла, так как преобладает общее количество соединений кальция, а шлак рекомендуется для теплоизоляционного кирпича из-за малого содержания соединений хлора [8].
Таблица 1 / Table 1
Химический состав золы и шлака при колосниковом сжигании / The chemical composition of ash and slag during grate burning
Химический состав, % (по массе)
Проба ТТТТТТ 0 s MgO AI2O3 0 M O £ Ol 0 M NaCl KCl CaCl2 О сn a C СаСОз О £ О н Ol 0 s Рч ZnO
а к <N К" <N <N <N ^ c- VO iW OS <N K" IT" m <N c- VO cd"' c-
о го ОО a\ vo a\ 0 in m ON m m a\ <N <N <N
<N <N 0 О О 0 0 vo ^r m <N О 0 0
ä <N ОО irT <N vo 00" <N IT" o" o" ^r c- <N OO, o" o" t-, <N c-
н ОО vo m 1Г1 0 O in <N <N ON a\ m ON <N
<N <N in m m О О О <N 0 О 0 0
ISSN0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
Таблица 2 / Table 2
Химический состав золы при высокотемпературном пиролизе / The chemical composition of the ash during high-temperature pyrolysis
Химический состав, % (по массе)
Ю о £ тттттт О S Na MgO Ol о < О iS О £ CaO O Ti Cl О s F О £ oí О S О
а H С5 7, 2, VO m 9, OO ,2 <4 4, <N 7, m, iW <N
о З а\ <N -—i vo in <N vo OO OO OO m OO
2, m ,2 m m <4 2, 2, 4,
Производство пеностекла с использованием золы проходит следующим образом. Золу после термической обработки ТКО необходимо очистить от нежелательных примесей, содержащихся в ней. Далее зола измельчается в щековой дробилке в течение 2 - 3 ч до прохождения через сито № 008 и получения тонкодисперсного порошка.
Рассчитанная сырьевая смесь тщательно перемешивается с полученным тонкодисперсным порошком до однородной массы. Затем равномерно добавляется 20 - 25 % воды для получения однородной консистенции и формуются образцы. После высушивания в течение 24 ч при 100 - 110 °С их отправляют в печь, разогретую до температуры 1080 - 1100 °С и выдерживают в ней 5 минут. Такая температура выбрана потому, что испытания на спекание при более низких температурах (1050 °С) привели к слабым и плохо сцепленным агрегатам. При температурах выше 1100 °С и времени больше 5 минут происходило расплавление частиц, что приводило к разрушению пористой структуры. После обжига образцы подвергались закалке на воздухе [10].
Таким образом, термическое обезвреживание ТКО положительно сказывается на экологической ситуации за счет уменьшения объемов полигонов ТКО. Широкое применение получили такие способы обезвреживания, как псевдоожи-женное сжигание, слоевое сжигание (на колосниковых решетках) и высокотемпературный пиролиз. В процессе сжигания получаются зо-лошлаковые отходы, состоящие, в основном, из АЬ0з(0,9-6,1 %), 8102(35,0-48,1 %), СаО(21,6-22,8%),
TECHNICAL SCIENCE. 2019. No 3
Fe2Ü3(2,8-3,7 %), а также потерь при прокаливании (12,8 - 18,2 %). Данные отходы актуально применять для ряда строительных и теплоизоляционных силикатных материалов, в частности, керамического кирпича и пеностекла.
Литература
1. Allsopp M., Costner P., Johnston P. Incineration and human health. State of Knowledge of the Impacts of Waste Incinerators on Human Health., Greenpeace Research Laboratories, University of Exeter, UK, 2000. http://www.greenpeace.org/ norway/Global/norway/p2/other/report/2001/incineration-and-human-health.pdf (дата обращения: 02.09.2019)
2. Government report on the state and protection of the environment in the Russian Federation in 2017. http://www.ecogosdoklad.ru/ (дата обращения 04.09.2019)
3. Mutz D., Hengevoss D., Hugi Ch. Thomas Gross from the University of Applied Sciences and Arts Northwestern Switzerland (FHNW). Waste-to-Energy Options in Municipal Solid Waste Management A Guide for Decision Makers in Developing and Emerging Countries https: // www.giz.de /en /downloads/ GIZ_WasteToEnergy_Guidelines_2017.pdf (дата обращения: 04.09.2019)
4. Сметанин В.И. Защита окружающей среды от отходов производства и потребления. М.: Колос, 2000. 232 с.
5. Ветошкин А.Г. Защита литосферы от отходов: учеб. пособие. Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2005. 109 с.
6. Мубаракшина Ф.Д., Гусева А.А. Современные проблемы в технологии переработки мусора в России и за рубежом // Изв. КГСАУ, 2011. №4 (18). С. 91 - 99.
7. Hartmann S., Koval L., Skrobánková H., Matysek D., Winter F., Purgar A. Possibilities of municipal solid waste incinerator fly ash utilization // Waste Management and Research. Vol. 33, Issue 8, 25 August 2015, P. 740 - 747.
8. Taurino R., Karamanova E., Barbieri L., Atanasova-Vladimirova S., Andreola F., Karamanov A. New fired bricks based on municipal solid waste incinerator bottom ash // Waste Management and Research. Vol. 35, Issue 10, 1 October 2017, P. 1055 - 1063
9. Ko M.-S., Chen Y.-L., Wei P.-S. Recycling of municipal solid waste incinerator fly ash by using hydrocyclone separation // Waste Management. Volume 33, Issue 3, March 2013, P. 615 - 620.
10. Giro-Paloma J., Mañosa J., Maldonado-Alameda A., Quina M.J., Chimenos J.M. Rapid sintering of weathered municipal solid waste incinerator bottom ash and rice husk for lightweight aggregate manufacturing and product properties // Journal of Cleaner Production, Vol. 232, 20 September 2019, P. 713 - 721.
References
1. Allsopp M., Costner P., Johnston P. Incineration and human health. State of Knowledge of the Impacts of Waste Incinerators on Human Health., Greenpeace Research Laboratories, University of Exeter, UK, 2000. Available at:http://www.greenpeace.org/ norway/Global/norway/p2/other/report/2001/incineration-and-human-health.pdf (accessed 02.09.2019)
2. Government report on the state and protection of the environment in the Russian Federation in 2017. Available at:http://www.ecogosdoklad.ru/ (accessed 04.09.2019)
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2019. No 3
3. Mutz D., Hengevoss D., Hugi Ch., Thomas Gross from the University of Applied Sciences and Arts Northwestern Switzerland (FHNW). Waste-to-Energy Options in Municipal Solid Waste Management A Guide for Decision Makers in Developing and Emerging Countries. Available at: https: // www.giz.de /en /downloads/ GIZ_WasteToEnergy_Guidelines_2017.pdf (accessed 04.09.2019)
4. Smetanin V.I. Zashchita okruzhayushchei sredy ot otkhodov proizvodstva i potrebleniya [Environmental protection from production and consumption wastes]. Moscow: Kolos, 2000, 232 p.
5. Vetoshkin A.G. Zashchita litosfery ot otkhodov. Uchebnoe posobie [Protection of the lithosphere from waste. Tutorial. Penza: Publ. Penz. gos. un-ta, 2005, 109 p.
6. Mubarakshina F.D., Guseva A.A. Sovremennye problemy v tekhnologii pererabotki musora i za rubezhom [Current problems in the technology of garbage processing and abroad]. Izvestiya KGSAU, 2011, no. 4(18), pp. 91 - 99. (In Russ.)
7. Hartmann S., Koval L., Skrobánková H., Matysek D., Winter F., Purgar A. Possibilities of municipal solid waste incinerator fly ash utilization // Waste Management and Research. Volume 33, Issue 8, 25 August 2015, P. 740 - 747.
8. Taurino R., Karamanova E., Barbieri L., Atanasova-Vladimirova S., Andreola F., Karamanov A. New fired bricks based on municipal solid waste incinerator bottom ash // Waste Management and Research. Vol. 35, Issue 10, 1 October 2017, P. 1055 - 1063.
9. Ko M.-S., Chen Y.-L., Wei P.-S. Recycling of municipal solid waste incinerator fly ash by using hydrocyclone separation // Waste Management. Vol. 33, Issue 3, March 2013, P. 615 - 620.
10. Giro-Paloma J., Mañosa J., Maldonado-Alameda A., Quina M. J., Chimenos J. M. Rapid sintering of weathered municipal solid waste incinerator bottom ash and rice husk for lightweight aggregate manufacturing and product properties // Journal of Cleaner Production, Vol. 232, 20 September 2019, P. 713 - 721.
Поступила в редакцию /Received 09 сентября 2019 г. /September 09, 2019
