Переработка твердых бытовых отходов: термическая и биотермическая

Термическая  переработка: процесс, преимущества и недостатки

Метод сжигания (или в общем виде термические методы обезвреживания ТБО) имеет как несомненные достоинства (можно использовать теплоту сгорания ТБО для получения электроэнергии и отопления зданий, надёжное обезвреживание отходов), так и существенные недостатки. Необходима хорошая система очистки топочных газов, так как при сжигании ТБО в атмосферу выделяются хлористый и фтористый водород, сернистый газ, оксиды азота, а также металлы и их соединения (Zn, Cd, Pb, Hg и т. д. в основном в виде аэрозолей) и, что особенно важно, в процессе горения отходов образуются диоксины, дифенилы, присутствие которых в отходящих газах значительно осложняет их очистку из-за малой концентрации этих высокотоксичных соединений.

Разновидностью процесса сжигания является пиролиз – термическое разложение ТБО без доступа воздуха. Применение пиролиза позволяет уменьшить воздействие ТБО на окружающую среду и получать такие полезные продукты, как горючий газ, масло, смолы и твёрдый остаток (пирокарбон).

Широко рекламируется процесс высокотемпературной переработки бытовых и промышленных отходов в барботируемом шлаковом расплаве (рис.1). Основным агрегатом технологической схемы является барботажная печь, конструкция которой разработана в содружестве со специалистами института Стальпроекта (Москва).

Печь проста и имеет небольшие габариты, высокую производительность и высокую эксплуатационную надёжность.

Процесс осуществляется следующим образом. Бытовые отходы подают в загрузочное устройство периодически. Толкатель сбрасывает их в шлаковую ванну, продуваемую воздухом, обогащенным кислородом. В ванне отходы быстро погружаются в интенсивно перешиваемый вспененный расплав. Температура шлака составляет 1400 – 1500 °С. За счёт интенсивной теплопередачи отходы подвергаются скоростному пиролизу и газифицируются. Минеральная их часть растворяется в шлаке, а металлические предметы расплавляются, и жидкий металл опускается на подину. При низкой калорийности отходов для стабилизации теплового режима в качестве дополнительного топлива в печь подают в небольших количествах энергетический уголь. Вместо угля может быть использован природный газ. Для получения шлака заданного состава загружают флюс.

Шлак выпускается из печи через сифон непрерывно или периодически и подаётся на переработку. Химический состав шлака можно регулировать в широких пределах, получая композиции, подходящие для производства различных строительных материалов – каменного литья, щебня, наполнителей для бетонов, минерального волокна, цемента.

Металл через переток поступает в сифон и непрерывно или порциями сливается в ковш и далее передаётся на переработку или непосредственно у печи разливается в чушки, либо гранулируется. Горючие газы – продукты пиролиза и газификации отходов и угля, выделяющиеся из ванны, – дожигают над ванной путём подачи воздуха, обогащенного кислородом, или чистого кислорода.

Печные высокотемпературные (1400 – 1600 °С) газы отсасываются дымососом в паровой котёл для охлаждения и полезного использования их энергии. В котле осуществляется полное дожигание газов. Затем охлаждённые газы направляются в систему очистки. Перед сбросом их в атмосферу производится их очистка от пыли и вредных примесей. Высокие температуры процесса, рациональная схема сжигания, заключающиеся в сочетании окислительно-восстановительного потенциала газовой фазы и температурного режима, обуславливают низкое содержание оксидов азота (NOx) и других примесей в дымовых газах.

Дымовые газы благодаря высокотемпературному сжиганию содержат значительно меньше органических соединений, в частности диоксинов.

Перевод в условиях процесса щелочных и щелочноземельных металлов в парогазовую фазу способствует связыванию хлора, фтора и оксидов серы в безопасные соединения, улавливаемые при газоочистке в виде твёрдых частиц пыли. Замена воздуха кислородом позволяет в 2 – 4 раза снизить объём дымовых газов, облегчить их очистку и уменьшить сброс токсичных веществ в атмосферу. Вместо большого количества зольного остатка (до 25 % при обычном сжигании), содержащего тяжёлые цветные металлы и диоксины, образуется инертный шлак, являющийся сырьём для производства строительных материалов. Пыль, выносимая из печи с дымовыми газами, селективно улавливается на разных ступенях очистки. Количество пыли в 2 – 4 раза меньше, чем при использовании традиционных печей. Крупная пыль (до 60 %) возвращается в печь, мелкая, представляющая собой концентрат тяжёлых цветных металлов (Zn, Pb Cd, Sn и др.), пригодна для дальнейшего использования.

Современные методы термической переработки твёрдых бытовых отходов

Институтом «Гинцветмет» совместно с другими российскими организациями разработана технология термической переработки ТБО в барботируемом расплаве шлака. Основным её достоинством является решение актуальной общемировой диоксиновой проблемы: уже на выходе из барботажного агрегата практически отсутствуют высокотоксичные соединения (диоксины, фураны, полиароматические углеводороды). Вместе с тем сейчас имеется ряд отечественных и зарубежных методов термической переработки ТБО, находящихся на разных стадиях освоения. В таблице приведены основные показатели термических методов переработки ТБО, наиболее известных экологам и специалистам по утилизации таких отходов. Эти методы или уже получили промышленное распространение или прошли крупномасштабную апробацию. Суть используемых процессов:

• процесс КР – сжигание ТБО в печи с колосниковыми решетками (КР) или котлоагрегате на колосниковых решётках разных конструкций;
• процесс КС – сжигание отходов в кипящем слое (КС) инертного материала (обычно песок определённой крупности);
• процесс «Пироксэл» – электрометаллургический, включающий сушку, пиролиз (сжигание) отходов, обработку минерального остатка сжигания в шлаковом расплаве, а также пылегазоочистку дымовых газов;
• процесс в агрегате типа печи Ванюкова (ПВ) – плавка в барботируемом расплаве;
• процесс, разработанный в Институте химической физики РАН - сжигание – газификация отходов в плотном слое кускового материала без его принудительного перемешивания и перемещения;
• процесс «Thermoselect» – комбинированный, включающий стадии уплотнения отходов, пиролиз и высокотемпературную газификацию (с получением синтез-газа, инертных и некоторых минеральных продуктов и металлов);
• процесс «Siemens» - пиролиз – сжигание пирогаза и отсепарированного углеродистого остатка с использованием необогащённого кислородом дутья.

Сжигание ТБО в печах-котлоагрегатах (процесс КР) ввиду сравнительно низких температур (600 – 900 °С) практически не решает диоксиновой проблемы.  Кроме того, при этом образуются вторичные (твёрдые несгоревшие) шлаки и пыли, которые требуют отдельной переработки или направляются на захоронение с последующими негативными последствиями для окружающей среды. Эти недостатки в определённой мере присущи и процессу КС. Здесь добавляется необходимость подготовки сырья к переработке с целью соблюдения гранулометрического состава.

К недостаткам процесса, разработанного Институтом химической физики РАН, относятся:

• необходимость сортировки и дробления отходов до определённых размеров; добавка и последующая сепарация теплоносителя заданного гранулометрического состава;
• потребность в разработке дорогостоящей системы очистки дымовых газов – синтез-газа, представляющего собой смесь моноокиси углерода и водорода.

Процесс плавки ТБО в барботируемом расплаве (в печи ПВ) следует отметить (помимо диоксиновой безопасности) ещё два преимущества: сравнительно высокую удельную производительность и низкий пылевынос. Эти показатели обусловлены барботажным эффектом (интенсивной продувкой газами ванны расплава и брызго-насыщенностью рабочего пространства печи над ванной). Немаловажный положительный фактор – наличие промышленного опыта их эксплуатации на предприятиях цветной металлургии в России и Казахстане. В целом можно констатировать, что последняя отечественная разработка превосходит по основным показателям другие отечественные и зарубежные технологии переработки ТБО и является определённым научно-техническим прорывом в решении мировой экологической проблемы.

В настоящее время одним из авторов под руководством руководителя дипломного проекта разрабатывается проект полигона ТБО для ст. Архонской РСО-Алания, где остро стоит вопрос о неудовлетворительном обращении с твердыми бытовыми отходами. При разработке указанного проекта будут учтены изложенные пути решения обращения с ТБО и в первую очередь предварительная сортировка этих отходов и извлечение полимерных и иных отходов для дальнейшей переработки.

Биотермическая переработка ТБО: Аэробная ферментация

Из биотермических методов в практике наибольшее распространение получила аэробная ферментация, которую часто называют компостированием (по названию конечного продукта ферментации - компоста, используемого в сельском хозяйстве).

Ферментация - это биохимический процесс разложения органической части отходов микроорганизмами. В биохимических реакциях взаимодействуют органический материал, кислород и бактерии (сапрофитные аэробные микроорганизмы, присутствующие в ТБО в достаточных количествах), а выделяются диоксид углерода, вода и тепло (материал саморазогревается до 60-70°С). Процесс сопровождается синтезом гумуса. Размножение микроорганизмов-деструкторов отходов возможно при определенном соотношении углерода и азота.

Наилучший контакт между органическим веществом и микроорганизмами обеспечивается при перемешивании материала, в результате саморазогрева которого в процессе ферментации происходит уничтожение большинства болезнетворных микроорганизмов, яиц гельминтов, личинок мух.

По результатам исследований английских специалистов, на начальной стадии ферментации происходит минерализация смеси, о чем свидетельствует уменьшение общего содержания углерода органического вещества и гуминовых кислот. Образующаяся биомасса обладает высокой степенью полимеризации и характеризуется значительной (по сравнению с почвой) концентрацией азота. В процессе ферментации уменьшается содержание в биомассе фенольных групп и увеличивается содержание групп НООС и С=0.

В итоге законченного процесса ферментации масса биоразлагаемого материала уменьшается вдвое и получается твердый стабилизированный продукт.

Компостирование после утилизации ТБО в мировой практике развивалось как альтернатива сжиганию. Экологической задачей компостирования можно считать возвращение части отходов в круговорот природы.

Наиболее интенсивно компостирование ТБО развивалось с конца 60-х до начала 80-х годов преимущественно в странах Западной Европы (Италия, Франция, Нидерланды). В Германии пик строительства заводов пришелся на вторую половину 80-х годов (в 1985 г. в компост перерабатывали 3% ТБО, в 1988 г. - около 5%). Интерес к компостированию вновь повысился в середине 90-х годов на основе вовлечения в переработку не ТБО, а селективно собранных пищевых и растительных отходов, а также отходов садово-паркового комплекса (термическая переработка этих отходов затруднена из-за большой влажности, а захоронение связано с неконтролируемым образованием фильтрата и биогаза). В европейской практике к 2000 г. с применением аэробной ферментации ежегодно перерабатывали около 4,5 млн. т отходов более чем на 100 заводах (из них в 1992-95 гг. построено 60 заводов).

В странах СНГ прямое компостирование исходных ТБО применяют на девяти заводах: в Санкт-Петербурге (первый завод в бывшем СССР, построен в 1971 г.; в конце 1994 г. в Санкт-Петербурге введен в строй второй завод), Нижнем Новгороде, Минске и Могилеве, Ташкенте, Алма-Ате, Тбилиси и Баку (все заводы запроектированы институтом «Гипрокоммунстрой», Могилевский - институтом «Белкоммунпроект»), В 1998 г. вошел в строй завод в Тольятти, на котором реализована предварительная, но малоэффективная сортировка ТБО.

Следует отметить, что из-за гетерогенного состава отходов прямое компостирование ТБО нецелесообразно, поскольку получаемый компост загрязняется стеклом и тяжелыми металлами (последние, как отмечено, содержатся в опасных бытовых отходах - отработанных гальванических элементах, люминесцентных лампах).

На первых механизированных промышленных установках ТБО наиболее часто компостировали в штабелях, периодически подвергая материал ворошению.

В настоящее время в промышленности наиболее распространены три метода аэробной ферментации:

• ферментация (компостирование) в биобарабанах;
• туннельное компостирование (ферментация);
• ферментация (компостирование) в бассейне выдержки.

В СНГ с 1971 г. практикуется исключительно компостирование в биобарабанах (в режиме загрузки-разгрузки материала частота вращения биобарабана составляет 1,5 мин1, остальное время 0,2 мин1). В России (завод в г. Тольятти) на базе цементных печей выпускаются биобарабаны двух типоразмеров - длиной 36 и 60 м; диаметр биобарабанов - 4 м.