CC BY
128
УДК 662.613.128:628.544
Е.В. Янчуковская, Н.И. Днепровская, C.B. Гунич
НИ Иркутский государственный технический университет, Иркутск, Россия Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия
ПЕРСПЕКТИВЫ ТЕХНОЛОГИИ СВЧ-ТЕРМОЛИЗА
ОРГАНИЧЕСКИХ КОМПОНЕНТОВ ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ
Представлены основные аспекты мировых тенденций в сфере утилизации твердых бытовых отходов. Обоснована актуальность и показаны преимущества пиролитических процессов переработки органических компонентов отходов производства и потребления. Определены перспективы развития пиролитических технологий с применением микроволнового сверхвысокочастотного излучения (технологий СВЧ-термолиза).
The basic aspects of global trends in the utilization of solid waste are shown. The urgency and the advantages of the industrial and consumer organic components wastes pyrolytic processing are substantiated. The prospects of pyrolytic technology development using microwave microwave radiation (microwave technology thermolysis) are determinated.
Решение проблемы утилизации твердых бытовых отходов (ТБО) является актуальной задачей как для мегаполисов, так и для малоурбанизированных территорий. По приближенным подсчетам, согласно действующим годовым нормам накопления в жилом секторе российских городов образуется около 40 млн. тонн ТБО [10]. При этом только 3% от общей массы ТБО подлежат последующей утилизации путем первичной сепарации компонентов, практически не требующих переработки [1]. В высокоурбанизированных территориях центральной части РФ в среднем 92% массы ТБО вывозится на полигоны с последующим захоронением [6]. В связи с этим назрела необходимость рационализации методов обращения с отходами, среди которых наиболее важны следующие аспекты:
1) технология утилизации ТБО должна максимально уменьшить массу отходов, подлежащих захоронению на полигонах, и максимально сократить уже захороненные ТБО, подвергающиеся естественным процессам разложения в окружающей среде;
2) технология утилизации ТБО должна обладать низкой капиталоемкостью и относительно низкими эксплуатационными затратами, малой энергоемкостью;
3) технология утилизации ТБО должна отвечать современным экологическим и технологическим требованиям;
4) технология утилизации ТБО должна приводить к рециклингу (рекуперации) вторичного минерального сырья, либо к получению конечных ценных продуктов, реализация которых позволит окупить вложенные инвестиции и превратить сферу обращения с отходами в вид рентабельной деятельности.
Обзор существующих сведений о состоянии проблемы переработки ТБО показывает:
1) процесс пиролиза твердых бытовых отходов (ТБО) обладает ярко выраженными технологическими преимуществами в сравнении с традиционными методами утилизации (сжигания, захоронения и компостирования ТБО);
2) посредством пиролиза можно значительно сократить массу накапливающихся отходов, поскольку термическому разложению подвергаются многие углеродсодержащие компоненты и органические фракции отходов, составляющие до 85% всей массы ТБО [4], а также резино-технические изделия, древесные отходы, некоторые виды пластмасс, отходы нефтеперерабатывающих и коксохимических производств;
3) технология пиролиза указанных видов вторичного сырья позволяет получить ценные конечные товарные продукты, которыми в зависимости от условий проведения процесса являются:
— при высокотемпературном проведении процесса (свыше 600°С) — синтез-газ (смесь оксида углерода (II) и водорода в различных соотношениях), метан, пропилен-пропановые смеси, оксиды азота; твердый остаток (пи-ролизный кокс);
— при низкотемпературном проведении процесса (ниже 600°С) — жидкие смолы различных по составу и структуре углеводородов, твердый остаток (пиролизный кокс);
4) технология пиролиза позволяет использовать ТБО как перспективное сырье для топливно-энергетического комплекса, органического синтеза, а также получения эффективных адсорбентов на основе твердого остатка (кокса), что существенно увеличивает спрос на конечные целевые продукты переработки отходов и сам процесс утилизации ТБО в целом.
Основная проблематика термического разложения отходов заключается в следующем. Как в России, так и за рубежом для решения проблемы утилизации ТБО разработано множество различных технологий пиролиза отходов и аппаратов для их проведения. В России имеющийся опыт пиролиза отходов базируется на принципах и технологиях, используемых в термической переработке твердого древесного и угольного топлива (низкотемпературный пиролиз в шахтных реакторах, в трубчатых печах, высокотемпературный пиролиз в ретортах, слоевых реакторах, реакторах с плазмотронами) [8]. При этом зачастую не обладают надежностью или отсутствуют полностью методики проектного расчета и конструирования аппаратов, моделирования и оптимизации процессов пиролиза применительно к утилизации ТБО. Также отсутствуют методы оценки технологической и эколого-экономической надежности предлагаемых технологий, что заметно снижает инвестиционную привлекательность сферы утилизации ТБО в целом. Вызвано это рядом причин:
— практика показывает [2], что проведение процесса пиролиза в стационарном режиме осложняется ввиду нестабильного многокомпонентного состава ТБО по качественным, морфологическим, гранулометрическим и физико-химическим свойствам;
— по результатам научных изысканий [2, 5, 10], основные зависимости, характеризующие кинетику, теплопередачу и гидродинамику процесса пиролиза ТБО, являются нелинейными функциями «-порядков (более трех),
в связи с чем затруднительно прогнозирование таких показателей, как выход конечных продуктов и их компонентный состав;
— результаты опытно-промышленных апробаций показывают [10], что зарубежные технологии пиролиза, разработанные в странах Западной Европы, Южной Азии и США, не достигают в России проектных (расчетных) технико-экономических показателей из-за проблем, связанных со спецификой обращения с ТБО в стране и, главным образом, из-за отсутствия раздельного сбора отходов;
— внедрение технологий пиролиза с получением таких целевых продуктов, как синтез-газ, пиролизный кокс, мазут, в РФ нерентабельно в виду их низкой конкурентоспособности и качества по сравнению с аналогичными продуктами, полученными из первичного сырья; либо технологии пиролиза ТБО требуют большой ресурсоэнергоемкости и значительных инвестиций, что препятствует их внедрению в практику переработки отходов [4].
Решение обозначенных проблем заключается в модернизации существующих технологий пиролиза с применением современных достижений фундаментальной науки и компьютерных программных средств моделирования и расчета (например, программные приложения «Ansys», «ChemCAD» и т.п.) технологических процессов. С целью модернизации процессов пиролиза ТБО все более актуальными становятся следующие исследовательские направления:
— определение взаимосвязи и проверка адекватности существующих моделей процесса (температура, давление, скорость нагрева, способ нагрева и подвод дополнительной энергии из вне, степень измельчения сырья, расход сырья и псевдоожиженность слоя, вид и физико-химические свойства катализатора) с целью модернизации технологии получения синтез-газа, который является ценным сырьем для органического синтеза топливных углеводородов по реакции Фишера-Тропша;
— изучение синергетических (либо антагонистических) эффектов, возникающих при совместном пиролизе углеродсодержащих компонентов ТБО и отходов производства (угольной, нефтеперерабатывающей, гидролизной промышленности);
— упрощенное моделирование процесса пиролиза, учитывающее влияние входных параметров на результат и друг на друга (для случая пиролиза многокомпонентной смеси), позволяющее с достаточной степенью точности провести технологические расчеты и спрогнозировать технико-экономические показатели при реализации технологии;
— 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.
В мировой литературе практически отсутствуют данные о проведении совместного пиролиза многокомпонентной смеси ТБО с отходами лесоперерабатывающего, нефтехимического, гидролизного производства. Однако, имеются некоторые заделы в исследованиях кинетики [6, 9] и катализа пиро-
лиза ТБО [9], и в этих работах показано значительное преимущество каталитического способа получения синтез-газа в сравнении с традиционными.
Новизна в настоящих исследованиях выражается, главным образом, в разработке метода энергосбережения и интенсификации пиролиза ТБО. Так как традиционные методы создания высоких температур (электронагрев, нагрев газомазутными горелками) в пиролизных реакторах зачастую не являются выгодными в технологическом и экономическом плане, актуален вопрос о привлечении дополнительных источников энергии. В последнее время ведутся исследования и промышленные разработки процессов пиролиза посредством воздействия плазменного расплава [11] (плазмотронные реакторы). Также имеются незначительные заделы в исследованиях, посвещен-ных пиролизу резино-технических изделий с помощью воздействия волн различной частоты диапазона 500-5000 МГц [6, 7, 11], при этом отмечен положительный эффект воздействия такого рода на выход синтез-газа, обогащенного водородом, и на энергосбережение всего процесса в целом.
При этом основная научная гипотеза в исследованиях заключается в следующих положениях.
1. Отдельные компоненты и фракции ТБО, подвергаемые пиролизу в чистом (сепарированном) виде, характеризуются модельными уравнениями и зависимостями, ранее представленными в литературе [10]. Различные вариации модельных уравнений, описывающих указанные процессы, могут стать критериями подобия пиролиза, на основе интеграции которых выводится модель пиролиза многокомпонентной смеси, упрощающая сложные математические описания с достаточной точностью.
2. В мировой литературе остается малоизученным влияние электромагнитного сверхвысокочастотного поля на различные термические процессы [11]. Особенность процесса пиролиза может заключаться в том, что волновое воздействие в сочетании с традиционными методами высокотемпературного нагрева переводит молекулы разлагаемого вещества в более возбужденное состояние. В результате происходит усиление (синергетический эффект) влияния температурного поля на отдельные параметры проведения пиролиза и повышение выхода ценных продуктов.
3. Использование волнового воздействия в сочетании с естественным или синтетическим катализатором ускоряет процесс химического превращения газообразных продуктов пиролиза в жидкие углеводороды ряда С6 - С1о-
4. Математическое описание волнового воздействия на теплопередачу и кинетику пиролиза в дополнение к модели, составленной на основе интегрирования критериев подобия, позволит создать методику расчета и анализа эффективности пиролиза многокомпонентной органической фракции ТБО.
Библиографические ссылки
1. Бергер Л.-М. Пиролитическая переработка полимерных отходов: диссертация на соискание уч. степени канд. техн. наук. - М.: МХТИ им. Д.И. Менделеева, 1989. - 170 с.
2. Борисов А. Ю., Брусникина С. А., Степанова Т. А. Уничтожение твердых бытовых отходов методом окислительного пиролиза. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика // 7 Международная научно-
техническая конференция студентов и аспирантов: Тезисы докладов. - Том 3. - М.: Изд-во МЭИ. 2001, с. 24-25.
3. Галлеев Э.Р. Математическое моделирование аппаратов технологической схемы при переменных параметрах сырья / Э.Р. Галеев, В.В. Елизаров, В.И. Елизаров // Химия и химическая технология. - 2007. - т. 50, № 10. - с. 98-104.
4. Гнеденко В. Г., Горячев И. В. Производство водорода при плазменной переработке твердых бытовых отходов // Тяжелое машиностроение. -2007. - №7. - с. 16-19.
5. Гонопольский А.М. Оценка экологической безопасности мусоросжигательных заводов при увеличении их производительности / А.М. Гонопольский, М.М. Дыган // Безопасность в техносфере. - 2009. - № 3. - с. 23-26.
6. Гунич С.В. Перспективы развития пиролитической технологии переработки органических компонентов твердых бытовых отходов в моторное топливо / С.В. Гунич, Е.В. Янчуковская // Вестник Иркутского государственного технического университета. - 2011. - № 2. - с. 124—128.
7. Гунич С.В. Технология микроволновой карбонизации органических компонентов твердых бытовых отходов / С.В. Гунич, Е.В. Янчуковская // Известия ВУЗов. Прикладная химия и биотехнология.-2011. - № 1.-с. 137-139.
8. Лукашов В.П. Плазмотермическая переработка твердых отходов / В.П. Лукашов, С.П. Ващенко, Г.И. Багрянцев, Х.С. Пак // Экология и промышленность России. - 2005. - № 11. - с. 4-9.
9. Макунин А.В. Переработка твердых отходов методом газификации / А.В. Макунин, К.Н. Агафонов // Экология и промышленность России. -2004. - №3. - с.34-37.
10. Шубов Л.Я. Проблема муниципальных отходов и рациональные пути ее решения // Экология и промышленность России. - 2005. - с. 34-39.
11. Яцун А.В. Газообразные продукты пиролиза автомобильных покрышек под действием сверхвысоких частот / А.В. Яцун, П.Н. Коновалов, Н.П. Коновалов // Химия твердого топлива. - 2008. - № 3. - с. 70-75.
