Оценка потенциально опасных ингредиентов, влияющих на газовые выбросы при термической переработке ТБО

Для проектирования завода, удовлетворяющего эколош-экономическим требованиям, необходимо обладать достаточно фундаментальными знания­ми о потенциально опасных ингредиентах, содержащихся в отходах и об­разующихся при их сжигании, а также их поведении в процессе сжигания.

Твердые бытовые отходы представляют собой гетерогенную смесь, в кото­рой присутствуют почти все химические элементы в виде различных соединений.

Наиболее распространенными элементами являются углерод, на до­лю которого приходится около 30% (по массе), и водород (4% по массе), входящие в состав органических соединений; теплотворная способ­ность отходов во многом определяется именно этими элементами. В промышленно развитых европейских регионах теплотворная способ­ность ТБО составляет 1900-2400 ккал/кг, достигая в ряде случаев 3300 ккал/кг; прогнозируется дальнейший рост теплотворной способности отходов, что окажет влияние на конструктивные особенности элемен­тов термического оборудования.

Сжигание ТБО, как правило, является окислительным процессом, и в камере сжигания превалируют окислительные реакции. Главными продуктами сгорания углерода и водорода являются, соответственно, С0₂ и Н₂0; при неполном сгорании (условия недожога) образуются не­желательные продукты — монооксид углерода СО, низкомолекулярные органические соединения, полициклические ароматические углеводо­роды, сажа и др.; аналогичные соединения могут быть продуктами ре­акций, происходящих в зоне более холодных элементов оборудования (например, на выходе из печи, на стадии газоочистки и т.п.).

При сжигании необходимо учитывать, что в ТБО присутствуют по­тенциально опасные элементы, характеризующиеся высокой токсично­стью, высокой летучестью и повышенным содержанием: различные со­единения галогенов (фтора, хлора, брома), азота, серы, тяжелых метал­лов (меди, цинка, свинца, кадмия, олова, ртути).

В табл. 5.35 приведено сравнительное содержание в ТБО и земной коре ряда опасных элементов.

Из таблицы видно, что содержание в ТБО галогенов, серы и тяже­лых цветных металлов на 1-2 порядка выше, чем в земной коре.

В условиях сжигания ТБО галогены преимущественно находятся в форме их соединений с водородом (НС1, НВг, НБ), являющихся наибо­лее устойчивыми продуктами сгорания.

Сера преимущественно (до 70%) переходит в нелетучие сульфаты, попадающие в шлак, и в летучий диоксид серы 80₂.

Все летучие продукты реакций попадают в дымовые газы. В неочищен­ных дымовых газах примерные концентрации выбросов составляют (мг/м³): НС1 - 300 - 1000, НВг - 100-500, НБ - 2-10, 80, - 100-500.

Сухие ТБО содержат около 1% азота (по массе). Основной продукт окисления азота - монооксид азота N0, его обычная концентрация в неочищенном газе - 200-400 мг/м³.

Таблица 5.35

Сравнительное содержание ряда опасных элементов в ТБО и земной коре

Некоторые содержащиеся в ТБО тяжелые металлы (железо, хром, никель) не образуют летучих продуктов при сжигании и в основном пе­реходят в шлак.

Из тяжелых металлов свинец и кадмий образуют хлориды, унося­щиеся с дымовыми газами. При охлаждении дымовых газов до 200°С они конденсируются и улавливаются вместе с золой на стадии газо­очистки. В то же время один из наиболее токсичных металлов -ртуть и ее соединения остаются главным образом в газовой фазе и при более низких температурах.

За последнее десятилетие содержание в ТБО тяжелых металлов резко по­высилось за счет отработанных сухих гальванических элементов, аккумуля­торов, ламп накаливания, люминесцентных ламп, синтетических материалов (красители, стабилизаторы), металлических покрытий кожи и др. По данным практики Германии, в 1 т ТБО в среднем содержится 300 г сухих батарей, и в ТБО города с населением 0,5 млн. человек накапливается ежегодно около 50 т лома сухих батарей. Содержание ртути в этом ломе колеблется в преде­лах 1-25%, в ломе никель-кадмиевых аккумуляторов содержится около 15% кадмия. Общее содержание кадмия в ТБО Германии составляет 10-15 мг/кг (основные источники кадмия - синтетические материалы и батарейки).

При сжигании ТБО 90% кадмия попадает в дымовые газы и осаж­дается в основном на мелких (менее 2 мкм) частицах летучей золы. По­этому при газоочистке задача во многом сводится к максимально полно­му улавливанию летучей золы, которая характеризуется высоким содер­жанием не только кадмия, но и свинца и других металлов.

По данным практики, концентрация металлов в отходящих газах при сжигании исходных ТБО в 10-100 раз превосходит концентрацию металлов в отходящих газах энергетических установок, работающих на каменном угле, т.е. тяжелые металлы являются специфическими выбро­сами мусоросжигательных заводов.

В процессе сжигания ТБО, особенно в условиях недожога, образуют­ся весьма токсичные соединения — полихлордибензодиоксины и поли- хлордибензофураны, структурные формулы которых приведены ниже:

Существует два принципиальных механизма образования диокси­нов и фуранов:

из углерода в процессе его окисления при избытке кислорода в присутствии соединений хлора (и брома) и соединений меди как ката­лизаторов (в реакции практически участвуют углеродсодержащие час­тицы летучей золы, хлориды, источником которых могут быть хлорсо­держащие пластмассы типа ПВХ, бромсодержащие составы, присут­ствующие в электронном ломе в качестве антивоспламенителей, и со­единения меди);

из соединений, которые уже имеют похожую структуру, например, хлорбензолов и хлорфенолов (содержание, например, гексахлорбензола в ТБО невелико — 0,0005 г/т, но иногда достигает 014 г/т).

Можно отметить два основных пути образования диоксинов и фуранов при термической переработке ТБО:

• первичное образование в процессе сжигания ТБО при температуре 300-600°С;
• вторичное образование на стадии охлаждения дымовых газов;
• содержащих HCI, соединения меди (и железа) и углеродсодержащие ча­стицы при температуре 250-450°С (реакция гетерогенного оксихлори- рования частиц углерода).

Температура начала распада диоксинов - 700°С, нижний темпера­турный предел образования диоксинов - 250-350°С.

Для того, чтобы обеспечить на стадии газоочистки снижение содер­жания диоксинов и фуранов до требуемых норм (0,1 нг/м³), при сжига­нии должны быть реализованы так называемые первичные меропри­ятия, в частности, «правило двух секунд» - геометрия печи должна обеспечить продолжительность пребывания газов не менее 2 сек. в зо­не печи с температурой не менее 850°С (при концентрации кислорода не менее 6%).

Стремление к достижению при сжигании максимально высоких температур и созданию каких-либо дополнительных зон дожигания не решает полностью проблему снижения концентрации диоксинов в от­ходящих газах, так как не учитывает способности диоксинов к новому синтезу при понижении температуры. В то же время с увеличением температуры увеличивается выход летучих металлов и их содержание в летучей золе (особенно с увеличением содержания в сжигаемых отхо­дах хлорорганических веществ).

Теоретически возможны два способа подавления образования диоксинов:

• связывание образующегося при сжигании ТБО HCI с помощью соды, извести, гидроксида калия;
• перевод в неактивную форму ионов меди и железа, например, связывание меди в комплексы с помощью аминов.