CC BY
23
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
УДК 623.459.454.0004.74
ВЛИЯНИЕ СТЕПЕНИ ИЗВЛЕЧЕНИЯ СОРТИРУЕМЫХ ФРАКЦИЙ НА ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БЫТОВОГО МУСОРА
В.Г.ПЕТРОВ, А.А.ЧЕЧИНА
Институт прикладной механики УрО РАН, Ижевск, Россия
АННОТАЦИЯ. На примере г. Ижевска показано влияние извлечения сортируемых фракций на теплотехнические характеристики твердых бытовых отходов (ТБО). Оценено содержание в ТБО влаги, горючих веществ и золы в разные сезоны года, а также их морфологический состав. Приведены результаты расчетов теплоты сгорания ТБО. В результате сортировки происходит изменение свойств получаемого субстрата ТБО, что может сказаться при их утилизации различными способами.
ВВЕДЕНИЕ
Неизбежным следствием развития современной цивилизации является все возрастающее количество отходов. Лишь небольшая часть их подвергается утилизации и обезвреживанию. Большая часть, попадая в окружающую среду, является источником поступления в эту среду различных токсичных веществ.
Для выбора метода обезвреживания ТБО необходимо тщательно исследовать их морфологический и фракционный состав, плотность. Состав ТБО, а следовательно их свойства, изменяются в течение года. Летние бытовые отходы содержат значительно больше растительных составляющих с большим количеством влаги, в зимних отходах наибольшая доля золы.
Наблюдается определенная закономерность в перспективном изменении этого состава - предвидится значительное увеличение количества бумаги и пластмасс, а следовательно снижение плотности и влажности, увеличение теплоты сгорания отходов.
Основной способ обезвреживания ТБО большинства стран - складирование на полигонах [2, 3]. От российского города с миллионным населением в настоящее время поступает не городские свалки в течение года примерно 260 тыс. тонн ТБО. При сред-
О
ней высоте складирования мусора 10 м и плотности ТБО 0,2 т/м‘ ежегодно требуемая территория под свалки для такого города составит 13,5 га [1].
На свалках (полигонах), по существу, происходит захоронение ценных ресурсов, которые могли бы быть полезно использованы. Проблема истощения ресурсов из-за расточительного использования металлов и других элементов частично может быть решена благодаря усовершенствованию методов повторного использования и циклической переработки. Многие компоненты ТБО возможно переработать в полезные продукты, из отходов может быть выделено следующее вторичное сырье: бумага (картон, газеты), текстиль, стекло, авторезина, лом цветных и черных металлов, пластик, аккумуляторы и бытовые батарейки.
Вторичной переработке (в т.ч. переработке в компост) подвергается незначительное количество ТБО. Так по данным [2] вторичной переработке в США подвергается 13,1% всех ТБО, в ФРГ - около 15% всех ТБО, а в РФ - лишь 1,3% [2,3].
Для эффективного сбора, переработки и удаления ТБО необходимо дальновидное региональное планирование. При составлении муниципальных программ [4,6] по решению проблемы ТБО необходимо использовать комплексный подход [2], который бы учитывал имеющиеся и перспективные возможности в регионе по переработке вторичных ресурсов. На основании этого может быть заложен тот или иной метод решения проблемы переработки ТБО.
Одним из способов решения проблемы ТБО для городов с численностью населения до 1 млн. жителей является создание линии сортировки мусора (ЛСМ). ЛСМ могут применяться самостоятельно, либо в комплексе с другими способами обработки ТБО. В данной статье проведен анализ возможности использования ЛСМ на примере г. Ижевска.
ЗАВИСИМОСТЬ СВОЙСТВ МУСОРА ОТ СОРТИРОВКИ НА ЛСМ
В результате сортировки происходит изменение свойств получаемого субстрата ТБО, что может сказаться при их утилизации различными способами, а также при захоронении на специализированном полигоне.
Для изучения зависимости свойств ТБО от степени сортировки использованы данные исследований, проведенных Академией коммунального хозяйства (АКХ им. К.Д.Памфилова), г. Москва [5]. Результаты этих исследований были взяты в качестве исходных данных и проведена оценка свойств ТБО г. Ижевска при различной степени извлечения отдельных фракций (в % масс), которые могут использоваться в качестве вторичного сырья.
В таблице 1 приведены результаты расчета средних значений морфологического состава ТБО г. Ижевска при различной степени извлечения сортируемых фракций. Приведенная в табл. 1 и далее степень извлечения фракций в 100% не имеет практиче-
Таблица 1. Средний расчетный морфологический состав ТБО г. Ижевска в летний, осенний и зимний периоды (% масс.), в зависимости от степени извлечения сортируемых фракций
Фракция Степень извлечения сортируемых фракций, % от исходного содержания
0 20 40 60 80 100
Бумага лето 20,4 18,1 15,2 11,6 6,7 0
осень 17,6 15,3 12,5 9,2 5,1 0
зима 20,0 17,4 14,3 10,6 6,0 0
Пище- вые отходы лето 35,6 39,6 44,4 50,4 58,4 69,8
осень 41,1 44,5 48,7 53,8 59,8 67,6
зима 44,8 48,9 53,6 59,7 67,0 76,2
Садовые отходы лето 2,9 3,2 3,6 4,1 4,8 5,7
осень 8,1 8,8 9,6 10,6 11,8 13,3
зима 0 0 0 0 0 0
Дерево лето 0,9 1,0 1,1 1,3 1,5 1,8
осень 2,2 2,4 2,6 2,9 3,2 3,6
зима 1,7 1,8 2,0 2,3 2,5 2,9
Черный металло- лом лето 4,3 3,8 3,2 2,4 1,5 0
осень 3,6 3,1 2,6 1,8 1,0 0
зима 3,0 2,6 2,2 1,6 0.9 0
Цветной металло- лом лето 1,6 1,4 1,2 0,8 0,5 0
осень 0,7 0,6 0,5 0,4 0,2 0
зима 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0
Кости живот- ных лето 1,9 2,1 2,4 2,7 3,1 3,7
осень 1,0 1,1 1,2 1,3 1,5 1,6
зима 2,5 2,7 3,0 3,3 3,7 4,3
Резина, кожа лето 1,8 1,6 1,4 1,0 0,7 0
осень 1,4 1,2 0,9 0,7 0,4 0
зима 3,0 2,6 2,2 1,6 0,9 0
Текстиль лето 8,7 7,8 6,5 5,0 2,8 0
осень 7,0 6,1 5,0 3,7 2,0 0
зима 5,5 4,8 3,9 2,9 1,6 0
Стекло лето 6,8 6,0 5,1 3,8 2,3 0
осень 2,8 2,4 2,0 1,4 0,9 0
зима 5,6 4,9 4,1 2,9 1,6 0
Строи- тельный мусор, камни лето 1,4 1,6 1,7 2,0 2,3 2,7
осень 0,8 0,9 0,9 1,0 1,2 1,3
зима 1,6 1,7 1,9 2,1 2,4 2,7
Пласт- масса лето 5,3 4,6 3,9 3,1 1,8 0
осень бд 5,3 4,4 3,1 1,8 0
зима 3,6 3,2 2,6 1,8 1,0 0
Отсев фракций, менее 16 мм лето 8,3 9,2 10,3 11,8 13,6 16,3
осень 7,7 8,3 9,1 10,1 11,2 12,6
зима 8,2 8,9 9,8 10,9 12,2 13,9
ского значения и показывает лишь возможное предельное значение рассматриваемых параметров субстрата ТБО, которое можно получить при сортировке. Очевидно, что степень извлечения отдельных сортируемых фракций при работе ЛСМ будет различной, но для удобства расчета параметров субстрата ТБО в табл. 1 и далее предполагается, что она одинакова.
ВЛИЯНИЕ СОРТИРОВКИ НА ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГБО
Для расчета теплотехнических характеристики и других свойств мусора предполагается, что рабочую массу ТБО составляют следующие компоненты [5]:
Ср+ Нр + Ор + 1^ +АР + 100 (%) (1),
где Ср, Нр, Ор, 5?, А//3- содержание углерода, водорода, кислорода, серы, азота (% масс.) в рабочей массе ТБО; Ар - зольность рабочей массы ТБО (% масс.); ¡V- влажность ТБО (% масс.). Влажность и зольность являются балластом рабочей массы ТБО.
Состав сухой массы ТБО может быть рассчитан по формуле:
С°+ + Ос + № + Ас = 100 (%) (2),
где С0, Нс, Ос\ 5е, 14е- содержание углерода, водорода, кислорода, серы, азота (% масс.)
■уу
в сухой массе ТБО; А - зольность сухой массы ТБО (% масс.).
Следующие составляющие являются компонентами горючей массы ТБО:
Сг+ Нг + О1 +5Г + = 100 (%) (3),
где С1, Н', Ог, 5Г, - содержание углерода, водорода, кислорода, серы, азота (% масс.)
в горючей массе ТБО.
Зная морфологический состав ТБО и содержание отдельных элементов в них, можно определить содержание компонентов всей массы рассматриваемых отходов. В дальнейшем, отношение того или иного элемента к общей массе ТБО будет помечаться индексом «общ», отношение элемента к отдельной фракции ТБО - индексом «/'».
Удельная низшая теплота сгорания ТБО на рабочую массу определяется из разницы теплоты, выделяющейся при сгорании горючих компонентов ТБО и теплоты необходимой для испарения воды, образующейся при сгорании топлива и влаги, содержащейся в ТБО. Удельная низшая теплота сгорания может быть рассчитана из формулы Менделеева [7]:
Q!>l = 4.18 [81 С'})бщ + 300 Н^дщ . 26 (Оро6щ - 5^ ) - - 6 (9 Н'о5щ +1Уобщ)], кДж/кг (4),
где Сдбщ, Нцбщ, Од6щ, 3'о6щ - общее содержание углерода, водорода, кислорода, и серы в ТБО на рабочую массу (в % масс.). 1У06Щ - общая влажность ТБО.
Общее содержание различных химических элементов на рабочую массу ТБО определяется по формулам:
с’*, = 0.01 £с/*( ; я-,,,=т^нгх,
/ /
01, = 0,01 ]ГО/Ч . 51, = ОА^Х, (5)
I /
^5, = 0,01
/
где Х-, - содержание отдельных фракций в ТБО (в % масс); С/’, Н , О'. , З1- , И? - содержание химических элементов в каждой из рассматриваемых фракций на рабочую массу ТБО.
Содержание элементов в различных фракциях ТБО определяется по формулам:
г100-^-< Ш-Щ-А1
100 ’ ' 100 ’
пР-лгЛОО-Щ-*. Г(100-Щ-Л?
°.-°Л 100 ); 5,-5,(--------—-------); (6)
= .юо-^-^
100
где с/\я/\о,гАгХ - содержание химических элементов на горючую массу отдельных фракций ТБО, ¡У,- - влажность отдельных фракций ТБО; А’’ - зольность отдельных фракций ТБО на рабочую массу. В табл. 2 приведены значения
С/ , Н\ , 0{ , 5*/', N. для различных фракций ТБО по данным [5].
Общая влажность и зольность на рабочую массу ТБО определяется по формулам:
Кт=°’°&х, (7)
/
Л1, = 0>012>/Ч (8)
/
Общая зольность на сухую массу ТБО определяется по формуле:
= Ар (___________) 1с,\
сбщ ”“люо-жл,/ (9)
Кроме (2%, рассчитывалась также удельная низшая теплота сгорания на сухую
массу ТБО (О.1" ) с учетом содержания элементов в сухом веществе и отсутствия влажности в ТБО [7]:
0~н =4.18 [ 81 С(о6щ + 246 Н С0бщ - -26 (0Со6щ - )|, кДж/кг (10)
Г г г г г*
Таблица 2. Содержание элементов С,- ,//, ,5, ,И1- (% масс.) в горючей массе
ТБО [5]
Наименование Содержание элементов, % масс
фракции Сг Нг О1 5Г Мг
Бумага 46,2 6,2 47,1 0,2 0,3
Пищевые отходы 53,6 7,7 34,1 0,6 4,0
Садовые отходы 51,0 6,1 42,6 0,1 0,2
Дерево 51,0 6,1 42,6 0,1 0,2
Резина, кожа 77,9 6,0 15,1 0,7 0,3
Текстиль 56,1 6,8 32,2 0,1 4,8
Пластмасса 67,7 9,3 21,5 0,4 1,1
Отсев фракций, менее 16 мм 46,4 6,3 47,0 0,3 0
В габл. 3 приведены значения содержания элементов в ТБО - С%6щ, Н£6щ,
О общ ’ ^общ ’ ^общ ; удельные низшие теплоты сгорания на рабочую и сухую массу ТБО;
влажность, зольность в ТБО г.Ижевска в зависимости от степени извлечения сортируемых фракций из ТБО для различных времен года. На рис.1 приведены зависимости
низшей теплоты сгорания на рабочую () и сухую () массу ТБО от степени извлечения сортируемых фракций из мусора. На рис.2 приведены зависимости влажности и зольности от степени извлечения сортируемых фракций из ТБО.
Таблица 3. Свойства ТБО г. Ижевска для летнего, осеннего и зимнего периодов, в зависимости от степени извлечения сортируемых фракций. Расчет сделан по среднему составу ТБО (см. табл.1)
Свойства ТБО Степень извлечения сортируемых фракций, % от исходного содержания
0 20 40 60 80 100
Содержание углерода, С1,, % масс лето 20,4 20,1 19,2 18,6 17,4 15,8
осень 16,8 16,3 15,5 14,4 13,2 11,6
зима 17,7 17,1 16,2 15,2 13,9 12;з
Содержание водорода Н1„% масс лето 2,7 2,7 2,6 2,5 2,4 2,2
осень 2,1 2,1 2,0 1,9 1,8 1,6
зима 2,5 2,2 2,1 2,0 1,9 1,7
Содержание кислорода 01,.% масс лето 14,4 14,2 13,6 13,3 12,5 11,4
осень 11,4 11,0 10,6 10,1 9,4 8,6
зима 12,4 12,0 11,4 10,7 9,9 8,8
Содержание серы ■?1, , % масс лето 0,1 0,1 0,2 0,2 0,2 0,2
осень 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1
зима 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1
Содержание азота к„. % масс лето 0,8 0,9 0,9 0,9 0,9 0,9
осень 0,9 0,9 0,8 0,8 0,7 0,6
зима 0,7 0,7 0,7 0,7 0,7 0,7
Влажность, №общ, %• лето 40,1 42,6 45,7 48,4 52,6 59,2
осень 53,6 56,5 58,8 61,7 65,1 69,5
зима 50,4 52,8 55,5 58,9 62,9 68,1
Зольность, Л1,,% масс. лето 21,5 19,4 17,8 16,1 14,0 10,3
осень 15,1 13,1 12,2 11,0 9,7 8,0
зима 16,2 15,1 14,0 12,4 10,6 8,3
Зольность, масс. лето 35,3 34,2 34,0 31,3 29,7 26,9
осень 31,9 30,2 29,8 28,8 28,1 26,5
зима 32,8 32,1 31,6 30,2 28,7 26,0
Удельная теплота его- рания, 0% 5 кДж/кг раб. массы лето 7273,6 7024,8 6671,3 6345,7 5799,8 5059,1
осень 5404,7 5291,4 4883,5 4388,0 3796,0 3033,8
зима 5832,0 5519,3 5116,3 4643,1 4059,6 3341,1
Удельная теплота его- рания, 0?н э кДж/кг. сух. массы лето 14085,4 14132,0 14494,2 14680,6 15051,8 16343,3
осень 15079,1 15421,8 15484,6 15593,9 15602,1 15703,6
зима 14346,5 14535,0 14625,4 14933,9 15242,4 15821,4
Из сделанных расчетов свойств ТБО в зависимости от степени извлечения сортируемых фракций, которые могут использоваться в качестве вторичного сырья видно, что содержание органического вещества и общая влажность ТБО в зависимости от степени извлечения фракций возрастают. При сортировке удельная теплота сгорания ТБО на рабочую массу снижается, за счет увеличения общей влажности, при этом удельная теплота сгорания на сухую массу ТБО несколько возрастает.
Из сделанного анализа свойств ТБО в зависимости от степени извлечения отдельных фракций, которые могут рассматриваться в качестве вторичного сырья, можно сделать вывод, что при сортировке I БО ценность использования мусора в качестве топлива снижается. Удельная низшая теплота сгорания ТБО на рабочую массу после сортировки в зависимости от времени года меньше низшей теплоты сгорания каменного угля в 6-10 раз. Одновременно увеличивается ценность использования их в качестве материала для получения компостов за счет увеличения содержания органического вещества и общей влажности отходов, ускоряющей процессы ферментации ТБО. За счет увеличения доли влажных фракций при сортировке, также увеличивается общая плот-
(2и , кДж/кг
8000 -|
7000 -6000 -5000 -4000 -3000 -2000 -1000 -0 -
0 20 40 60 80 100
Степень извлечения сорт, фракций, % от исх. сод.
0°„, кДж/кг
17000 16500 16000 15500 15000 14500 14000 13500 13000 12500
0 20 40 60 80 100
Степень извлечения сорт, фракций, % от исх. сод.
Рис.1. Зависимость удельной низшей теплоты сгорания на рабочую (<9,Г ) и сухую ) массу ТБО от степени извлечения сортируемых фракций
Лето
Осень
Зима
№общ, %.
Степень извлечения сорт, фракций, % от исх. сод.
АЦ* , % масс.
20
40
60
80
100
Степень извлечения сорт, фракций, % от исх. сод.
Рис.2. Приведены зависимости влажности и зольности от степени извлечения сортируемых фракций из ТБО
ность ТБО, что может снизить удельную площадь компостных площадок или полигонов ТБО для размещения 1 м3 отходов.
При уменьшении значений теплоты сгорания ТБО снижается риск самовозгорания ТБО на полигонах захоронения. Возгорание полигонов, свалок ТБО является причиной загрязнения атмосферы и других объектов окружающей среды ПХДД/Ф , ПХБ и
другими токсичными веществами [8,9]. Из табл.З и рис.1 видно, что значение Q'H в летний период, когда наибольшая вероятность возгораний полигонов ТБО, после сортировки снижается на 20-30% и приближается к значениям QI для несортированных ТБО в осенне-зимний период.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Пурим В.Р. Бытовые отходы. Теория горения, обезвреживания, топливо для энергетики. - М.: Энергоатомиздат, 2002. - 112 с.
2. Черп О.М., Винниченко В.Н. Проблема твердых бытовых отходов: комплексный подход. - М.: Эколайн, 1996.- 48 с.
3. Рихванова М. // Волна, 2000,- № 2.- С.26-35.
4. Комплексная промышленная переработка бытовых и промышленных отходов в
г.Ижевске. Муниципальная целевая программа. - Ижевск: Администрация
г.Ижевска, 1998.- 22 с.
5. Абрамов Н.Ф., Мирный А.Н. //Отчет по НИР,- М.: Академия коммунального хозяй-
ства им. К.Д.Памфилова, 1990.- 30 с.
6. Короткин Е.М. // Тез.докл. конф. «Экологическая безопасность Урала», Екатеринбург, 2002,- Екатеринбург: «Урал-Принт», 2002.- С. 231-232.
7. Матвеева И.И. Энергетическое топливо. Характеристика и контроль качест-ва./Справочник химика-энергетика.- М.: Энергия, 1972.-Т.З,- 216 с.
8. Юфит С.С. Мусоросжигатели - не решение проблемы удаления мусора // Волна, 2000.- № 2.- С.41-42.
9. Юфит С.С. Ядовитый смог над планетой,- М.: «Джеймс», 2000,- 40 с.
SUMMARY. Influence of extraction of sorted fractions on thermotechnical characteristics of municipal solid waste (MSW) is shown by the example of Izhevsk. Moisture, combustible and ash content in municipal solid waste in different seasons of the year, and also their morphological structure are estimated. Calculations of combustion heat of municipal solid are given. As a result of sorting properties of the received substratum of municipal solid waste change, that can affect the recycling by various ways.
