Современные решения по переработке бытовых отходов

Введение. Сегодня, используя сложившиеся технологии, человечество имеет разнообразнейшую структуру всевозможных отходов бытового и промышленного происхождения. Эти отходы, постепенно накапливаясь, превратились в настоящее бедствие. Правительства развитых стран начинают все большее внимания уделять вопросам охраны окружающей среды и поощряют создание соответствующих технологий. Развиваются системы очистки территорий от мусора и технологии его сжигания.

Однако есть достаточно много причин считать, что технологии сжигания мусора являются тупиковыми. Уже в настоящее время затраты на сжигание 1 кг мусора составляют 65 центов. Если не перейти на другие технологии ликвидации отходов, то затраты будут расти. При этом следует иметь в виду, что необходимы такие новые технологии, которые со временем могли бы обеспечить, с одной стороны, потребительские запросы населения, а с другой стороны, сохранность окружающей среды.

В настоящее время такие технологии уже появились. Появилась принципиальная возможность не только существенно снизить затраты на ликвидацию отходов, но и получить при этом экономический эффект.

Способ утилизации бытовых отходов пиролизом известен достаточно недавно. Он может стать дешевым и не отравляющим окружающую среду приемом обеззараживания отходов. Технология пиролиза заключается в необратимом химическом изменении мусора под действием температуры без доступа кислорода. По степени температурного воздействия на вещество мусора пиролиз как процесс условно разделяется на низкотемпературный (до 900°С) и высокотемпературный (свыше 900°С).

Низкотемпературный пиролиз - это процесс, при котором размельченный материал мусора подвергается термическому разложению. При этом процесс пиролиза бытовых отходов имеет несколько вариантов:

• пиролиз органической части отходов под действием температуры в отсутствии воздуха;
• пиролиз в присутствии воздуха, обеспечивающего неполное сгорание отходов при температуре 760°С;
• пиролиз с использованием кислорода вместо воздуха для получения более высокой теплоты сгорания газа;
• пиролиз без разделения отходов на органическую и неорганическую фракции при температуре 850°С и др.

Повышение температуры приводит к увеличению выхода газа и уменьшению выхода жидких и твердых продуктов. Преимущество пиролиза по сравнению с непосредственным сжиганием отходов заключается прежде всего в его эффективности с точки зрения предотвращения загрязнения окружающей среды. С помощью пиролиза можно перерабатывать составляющие отходов, неподдающиеся утилизации, такие как автопокрышки, пластмассы, отработанные масла, отстойные вещества.

После пиролиза не остается биологически активных веществ, поэтому подземное складирование пиролизных отходов не наносит вреда природной среде. Образующийся пепел имеет высокую плотность, что резко уменьшает объем отходов, подвергающихся подземному складированию. При пиролизе не происходит восстановления (выплавки) тяжелых металлов. К преимуществам пиролиза относятся и легкость хранения, и транспортировки получаемых продуктов, а также то, что оборудование имеет небольшую мощность. В целом процесс требует меньших капитальных вложений.

Установки или заводы по переработке твердых бытовых отходов способом пиролиза функционируют в Дании, США, ФРГ, Японии и других странах. Активизация научных исследований и практических разработок в этой области началась в 70-х годах ХХ столетия, в период "нефтяного бума". С этого времени получение из пластмассовых, резиновых и прочих горючих отходов энергии и тепла путем пиролиза стало рассматриваться как один из источников выработки энергетических ресурсов. Особенно большое значение придают этому процессу в Японии.

Высокотемпературный пиролиз. Этот способ утилизации ТБО, по существу, есть не что иное, как газификация мусора. Технологическая схема этого способа предполагает получение из биологической составляющей (биомассы) отходов вторичного синтез-газа с целью использования его для получения пара, горячей воды, электроэнергии. Составной частью процесса высокотемпературного пиролиза являются твердые продукты в виде шлака, т. е. непиролизуемые остатки. Технологическая цепь этого способа утилизации состоит из четырех последовательных этапов:

• отбор из мусора крупногабаритных предметов, цветных и черных металлов с помощью электромагнита и путем индукционного сепарирования;
• переработка подготовленных отходов в газофикаторе для получения синтез-газа и побочных химических соединений - хлора, азота, фтора, а также шкала при расплавлении металлов, стекла, керамики;
• очистка синтез-газа с целью улучшения его экологических свойств и энергоемкости, охлаждение и поступление его в скруббер для очистки щелочным раствором от загрязняющих веществ: соединений хлора, фтора, серы, цианидов;
• сжигание очищенного синтез-газа экологичным методом для получения пара, горячей воды или электроэнергии.

Известна комбинированная технология переработки шлаковых и зольных отвалов ТЭЦ с добавлением части ТБО.

Этот метод высокотемпературного пиролиза переработки отходов основан на комбинации процессов в цепи: сушка-пиролиз-сжигание электрошлаковая обработка. В качестве основного агрегата предполагается использовать рудно-термическую электропечь в герметичном варианте, в которой будут расплавляться подаваемые шлак и зола, выжигаться из них углеродные остатки, а металлические включения осаживаться. Электропечь должна иметь раздельный выпуск металла, который в дальнейшем перерабатывается, и шлака, из которого предполагается изготовлять строительные блоки или гранулировать с последующим использованием в строительной индустрии. Параллельно в электропечь будут подаваться ТБО, где они газифицируются под действием высокой температуры расплавленного шлака. Количество воздуха, подаваемого в расплавленный шлак, должно быть достаточным для окисления углеродного сырья и ТБО.

Разработана экологически чистая технология высокотемпературной (плазменной) переработки ТБО. Технологическая схема этого производства не предъявляет жестких требований к влажности исходного сырья - бытовых отходов в процессе предварительной подготовки, морфологическому и химическому составам и агрегатному состоянию.

Конструкция аппаратуры и технологическое обеспечение позволяет получить вторичную энергию в виде горячей воды или перегретого водяного пара с подачей их потребителю, а также вторичной продукции в виде керамической плитки или гранулированного шлака и металла. По существу, это и есть вариант комплексной переработки ТБО, их полной экологически чистой утилизации с получением полезных продуктов и тепловой энергии из "бросового" сырья - бытового мусора.

Высокотемпературный пиролиз является одним из самых перспективных направлений переработки твердых бытовых отходов с точки зрения как экологической безопасности, так и получения вторичных полезных продуктов синтез-газа, шлака, металлов и других материалов, которые могут найти широкое применение в народном хозяйстве. Высокотемпературная газификация дает возможность экономически выгодно, экологически чисто и технически относительно просто перерабатывать твердые бытовые отходы без их предварительной подготовки, т. е. сортировки, сушки и т. д.

Традиционные свалки непереработанных муниципальных отходов не только портят ландшафт, но и представляют потенциальную угрозу здоровью людей. Загрязнение происходит не только в непосредственной близости от свалок, в случае заражения грунтовых вод загрязненной может оказаться огромная территория.

Описание технологии. Метод термической переработки горючих отходов основан на использовании нового физического явления — фильтрационного горения в сверхадиабатических режимах, при которых температура в зоне реакции существенно превышает адиабатическую температуру горения. Целенаправленное использование сверхадиабатических режимов для проведения процессов газификации открывает широкие возможности для утилизации разного рода горючих отходов с высокой энергетической эффективностью, экологической чистотой и относительно невысокими затратами. Предлагаемые технологии термической переработки основаны на двухстадийной схеме. На первой стадии перерабатываемый материал подвергается паровоздушной газификации в сверхадиабатическом режиме горения.

Получаемый при этом энергетический продукт-газ, содержащий водород Н2, окись углерода СО и в ряде случаев углеводороды или другие органические соединения, сжигается на второй стадии в запатентованном экологичном свободнопоршневом силовом агрегате с увеличенным КПД и получением тепловой и электрической энергии. Газификацию осуществляют в реакторе-газификаторе шахтного типа при реализации сверхадиабатического режима горения в «плотном» слое.

Свободнопоршневые двигатели применяют в различных отраслях промышленности, на транспорте и в энергетике. Основные преимущества свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания в сравнении с традиционным, кривошипно-шатунным механизмом, в том, что рабочий цикл в таком двигателе очень короткий, сравнительно низкая температура выхлопных газов, и др. А за счёт небольшого количества подвижных частей КПД генератора при степени сжатия 30:1 стремится к 50% — это близко к КПД электрохимического генератора. А при увеличении степени сжатия (кстати, регулируемой) эффективность может быть ещё выше. К тому же установка оптимизируется для работы от водорода до дизельного топлива.

Интерес к свободнопоршневым двигателям (СПД) в качестве технологических установок для различных отраслей народного хозяйства вызван их проверенными временем и практикой преимуществами:

• организация и условия протекания рабочего процесса в СПД обеспечивают высокие КПД и динамические показатели при отсутствии дымления (образования сажи);
• многотопливность, возможность применения низкосортных, синтетических и альтернативных топлив;
• динамическая уравновешенность, отсутствие вибраций и фундамента;
• простота, надежность и технологичность конструкции;
• низкие затраты при эксплуатации и ремонте;
• высокие пусковые качества при низких температурах;
• благоприятная тяговая характеристика;
• возможность отключения одного или нескольких СПД без остановки остальных;
• возможность повышения давления наддува и максимального давления сгорания;
• удобство компоновки в пространстве, модульный принцип компоновки.

Часть полезной мощности, вырабатываемой в двигателе, преобразуется в гидронасосе в энергию давления рабочей жидкости, которая может использоваться затем для привода системы газораспределения, а также другого рабочего оборудования. Часть полезной мощности может использоваться в компрессоре для создания запасов сжатого воздуха, а также в линейном электрогенераторе для выработки электроэнергии. Сжатый воздух затем используется, например, для запуска силового агрегата. Воздушный компрессор может быть трансформирован в насос, используемый для перекачки про-дукт-газа.

Данный силовой агрегат имеет все преимущества четырехтактного двигателя с кривошипно-шатунным механизмом (КШМ) и свободен от присущих ему недостатков: наличие КШМ и связанные с ним потери энергии, а также все преимущества сво-боднопоршневого: малые габариты и вес, простота конструкции, а следовательно, низкие затраты на производство, ремонт и обслуживание, повышение мощности двигателя за счет возможности изменения степени сжатия в зависимости от изменения объема камеры сгорания при различных циклах; свобода от недостатков, свойственных сво-боднопоршневым двухтактным силовым агрегатам: обычно несовершенные системы питания и газораспределения.

Наиболее целесообразно и эффективно применение агрегата на втором этапе утилизации и экологически чистой переработки горючих отходов, при использовании процесса пиролиза, для преобразования энергии продукт-газа, полученного на первой стадии процесса переработки: газификации в сверхадиабатическом режиме - в тепловую, электрическую или иную энергию.

Технологии, использующие процесс газификации. Газификации низкосортных углей и угольных отходов с получением энергетического газа. Переработка изношенных шин и резинотехнических изделий с получением металлокорда, порошка окиси цинка, нефтеподобногопиролизного масла и горючего газа.

Переработка древесных отходов и отходов целлюлозно-бумажной промышленности (в т.ч. лигнина) с получением энергетического газа и пиролизных смол.

Утилизация нефтеотходов и нефтешламов.

Сжигание твердых бытовых отходов.

Сжигание ила биологической очистки канализационных стоков.

Преимущества по сравнению с методами прямого сжигания. Процесс термической переработки горючих отходов с получением тепловой и электрической энергии перед прямым сжиганием имеет следующие преимущества:

• процесс газификации имеет высокий энергетический КПД (до 95%), позволяющий перерабатывать материалы с малым содержанием горючих составляющих (с зольностью до 90%) или с высокой влажностью (до 60%);
• низкие линейные скорости газового потока в реакторе и его фильтрация через слой исходного перерабатываемого материала обеспечивают крайне низкий вынос пылевых частиц с продукт-газом, что дает возможность значительно сократить капитальные затраты на газоочистное и энергетическое оборудование;
• в некоторых случаях, когда необходимо проводить очистку газовых выбросов от соединений серы, хлора или фтора, пыли, паров ртути, очищать продукт-газ оказывается проще, чем дымовые газы, благодаря низкой температуре, меньшему объему и более высокой концентрации загрязнителей; кроме того, сера присутствует в продукт-газе в восстановленных формах (H₂S, COS), которые много проще поглотить, чем SO_2;
• при газификации происходит частичное разложение азотсодержащих органических соединений в бескислородной среде, что дает меньшее количество окислов азота в дымовых газах;
• сжигание газа в свободнопоршневых двигателях - наиболее чистый способ сжигания из всех известных; за счет высокой полноты сгорания дымовые газы содержат чрезвычайно мало окиси углерода и остаточных углеводородов;
• сжигание в две стадии позволяет резко уменьшить образование диоксинов (по-лихлорированныхдибензодиоксинов и дибензофуранов), поскольку даже при наличии хлора подавляется появление в дымовых газах ароматических соединений (предшественников диоксинов) и обеспечивается низкое содержание пылевых частиц (катализаторов образования диоксинов в дымовых газах);
• зола, выгружаемая из реактора, имеет низкую температуру и практически не содержит недогоревшего углерода;
• при утилизации некоторых видов отходов имеется возможность извлечения из продукт-газа товарных материалов для последующей переработки (например, нефти и др)
• предлагаемая схема переработки легче вписывается в имеющуюся промышленную инфраструктуру, например, продукт-газ может подаваться в имеющуюся топку для замены части кондиционного топлива;
• обезвреживание ряда промышленных отходов, в том числе лакокрасочных отходов, отходов полимеров, отработанных фильтров, промасленных опилок и ветоши, отходов химического производства;
• экологически чистое сжигание больничных отходов непосредственно в больницах;
• сжигание биомассы для получения энергии.

Конструкция аппаратуры и технологическое обеспечение позволяет получить вторичную энергию в виде горячей воды или перегретого водяного пара с подачей их потребителю, а также вторичной продукции в виде керамической плитки или гранулированного шлака и металла. По существу, это и есть вариант комплексной переработки ТБО, их полной экологически чистой утилизации с получением полезных продуктов и тепловой энергии из "бросового" сырья - бытового мусора.