У статті автором дано порівняльний аналіз і оцінка тих-нологій для термічної обробки, знешкодження і утилізації відходів виробництва і споживання.

Анотація наукової статті з хімічних технологій, автор наукової роботи - Ларіонов А. І.


Область наук:
  • хімічні технології
  • Рік видавництва: 2011
    Журнал: Світ сучасної науки

    Наукова стаття на тему 'Аналіз і оцінка конкуруючих технологій для термічної обробки, знешкодження та утилізації відходів виробництва і споживання'

    Текст наукової роботи на тему «Аналіз і оцінка конкуруючих технологій для термічної обробки, знешкодження та утилізації відходів виробництва і споживання»

    ?Ларіонов А. І.,

    аспірант,

    ДЕРЖАВНА освітня установа вищої професійної освіти "Державний університет - Навчально-научнопроізводственний комплекс".

    Larionov A.I.

    АНАЛІЗ І ОЦІНКА конкуруючих технологій ДЛЯ ТЕРМІЧНОЇ ОБРОБКИ, знешкодження І УТИЛІЗАЦІЇ ВІДХОДІВ ВИРОБНИЦТВА І СПОЖИВАННЯ

    Анотація. У статті автором дано порівняльний аналіз і оцінка технологій для термічної обробки, знешкодження та утилізації відходів виробництва і споживання.

    ANALYSIS AND EVALUATION OF COMPETING TECHNOLOGIES FOR THERMAL TREATMENT, DISPOSAL AND RECYCLING OF PRODUCTION AND CONSUMPTION

    SUMMARY. In the article the author gives a comparative analysis and evaluation of technologies for heat treatment, disposal and recycling of waste production and consumption.

    Ключові слова: відходи, переробка відходів, знешкодження, утилізація, ТПВ, шарове спалювання, киплячий шар, шлаковий розплав, електро-шлаковий розплав, піроліз-спалювання, газифікація.

    Keywords: waste, recycling, disposal, recycling, solid waste, layered combustion, fluidized bed, the slag melt, electroslag melt, pyrolysis, combustion and gasification.

    В даний час у світовій практиці реалізовано більше десятка технологій переробки твердих побутових і промислових відходів (ТБПО).

    Найбільш відпрацьованим і поширеним методом знешкодження ТПВ є їх спалювання.

    З середини 70-х років ХХ століття (в розпал світової енергетичної кризи) на тверді побутові відходи стали дивитися як на додатковий сировинне джерело енергії - тепло відхідних газів, що утворюються при спалюванні сміття, можна утилізувати: п'ять тонн сміття рівні тонні умовного палива. Це призвело до інтенсивного розвитку технологій з термічного знешкодження побутових відходів на сміттєспалювальних установках і заводах. Ці технології інтенсивно розвиваються до теперішнього часу. В даний час створено декількох типів установок з термічного знешкодження ТПВ, що відрізняються умовами і режимами спалювання, технологіями сепарації і підготовки сміття до спалювання, очищення газів, що відходять,

    а також переробки твердих відходів спалювання. Аналіз цих технологій показав, що вони мають ряд недоліків, основним з яких є незадовільна екологічна чистота. Вона зв'язується в останні роки головним чином з відходами, що містять хлорорганічні речовини і виділяють інші високотоксичні органічні сполуки (фурани, діоксини і т.п.) [4].

    Залежно від температури процесу все методи термічної переробки ТПВ можна розділити на дві великі групи: процеси переробки при температурах нижче температури плавлення шлаку і процеси переробки при температурах вище температури плавлення шлаку. У термічних процесах, здійснюваних при температурах нижче температури плавлення шлаку, використовуються наступні типи печей: гратчасті, що обертаються барабанні і печі киплячого шару.

    У проведеному порівняльному аналізі розглядатимуться наступні технології термічної переробки ТПВ: шарове спалювання; киплячий шар; шлаковий розплав; електрошлаковий розплав; піроліз-спалювання ( "Siemens"); газифікація.

    У світовій практиці найбільш відпрацьована технологія шарового спалювання, що вимагає найменшої підготовки відходів до процесу і вельми перспективна для термообробки збагаченої (горючою) фракції ТПВ. Провідні позиції на ринку займають печі німецької фірми "Штайнмюллер", заслуговують на увагу ПЕРЕШТОВХУЮЧОЮ решітки фірми "Нойлен" (Німеччина), "Мартін" (Німеччина) і "Фостер Уілер" (США).

    Можна досить чітко сформулювати переваги та недоліки мусоросжі ганія:

    переваги:

    • зменшення обсягу відходів в 10 разів;

    • зниження ризику забруднення ґрунту і води відходами;

    • можливість рекуперації утворюється тепла.

    недоліки:

    • небезпека забруднення атмосфери;

    • знищення цінних компонентів;

    • високий вихід золи і шлаків (близько 30% по масі);

    • низька ефективність відновлення чорних металів з шлаків;

    • складність стабілізації процесу спалювання.

    За технологією спалювання ТБПО на колосникових решітках при температурі 600-900оС залишається 25-30% вторинних твердих відходів, заражених високотоксичними речовинами і вимагають, в свою чергу, знешкодження або спеціального поховання. Крім того, при спалюванні відходів при вказаній температурі і повільному нагріванні йде інтенсивне утворення діоксинів та ПАУ як в процесі спалювання відходів, так і в процесі охолодження газів, де головну функцію синтезу і їх транспортування виконують аерозолі сажі. В результаті цього відбувається забруднення навколишнього середовища на відстані до 30 км і, як правило, (із зарубіжної практики) заводи з переробки ТБПО закриваються (Нідерланди, Голландія, Польща і т.д.) або переводяться на дорогу систему очищення газів за допомогою вугільних фільтрів і спеціальних каталізаторів окислення оксидів азоту, ПАУ і діоксинів.

    Провідні фірми в області спалювання в киплячому шарі: "Лурги" (Німеччина), "Ебара" (Японія), "Фостер Уілер" (США). Технологія спалювання ТПВ в киплячому шарі набула найбільшого поширення в Японії. У цій країні йде постійна оптимізація технологічного процесу спалювання ТПВ в киплячому шарі, про що свідчить безліч робіт японських вчених. Технологія японської фірми "Ебара" реалізована на декількох десятках японських заводів, в європейських країнах ця технологія поширена під назвою "Rowitee", аналогічна система відома під назвою "Pyroflow" (фірми "Альстрем Машинері" (Німеччина) і "Сюиза Перл" (Швейцарія) ).

    Печі киплячого шару, в порівнянні з гратчастими, забезпечують найкращий режим теплопередачі і перемішування оброблюваного матеріалу. Вони мають більш просту конструкцію через відсутність в них рухомих частин [2]. Використання методу киплячого шару привертає компактністю контактних апаратів і легкістю їх автоматизації. Киплячий шар відрізняється від нерухомого шару швидкістю процесу, стійкістю роботи шару в часі, можливістю заміни і регенерації каталізатора, способами підведення і відведення тепла в зону каталізу.

    Недоліком топок з киплячим шаром є [2]:

    • винесення вуглецю до 20-30% всього вуглецю палива (тому ці топки рекомендують застосовувати при можливості допалювання виносу 0-1 мм, в робочому просторі котла);

    • зашлаковиваніе межсоплового простору і самих сопел повітророзподільних колосникових решіток при недостатньому динамічному натиску повітря;

    • абразивний знос теплопередающих поверхонь, особливо високий у занурених в киплячий шар.

    При звичайному спалюванні сміття в газовому тракті знову утворюються токсичні сполуки (діоксини, полиароматические вуглеводні (ПАВ) і т.д.), де головну функцію синтезу і транспортування виконують аерозолі сажі [3].

    Саме тому навколо навіть найкращих спалювачів, повністю задовольняють вимогам НІС, створюється отруєна забруднена зона. Вона дуже яскраво виражена в радіусі до 1,5 км навколо труби сжигателя, а при його багаторічній роботі ця зона охоплює до 30 км. У найближчій зоні випадають найбільш великі аерозольні частинки, а більш дрібні поширюються на десятки кілометрів.

    Досвід переробки ТБПО термічними методами і численні публікації дозволяють зробити наступні висновки [1]:

    • повільне нагрівання ТБПО і здійснення процесу спалювання на рівні 600-900оС при нестачі кисню сприяють інтенсивному утворенню сажістих аерозолів і органічних сполук;

    • температури порядку 1400оС, хороша окислювальна середовище та високий ступінь піролізу забезпечують високу швидкість горіння продуктів піролізу, що виключає утворення сажістих частинок і, отже, діоксинів і ПАУ.

    На зміну традиційним процесам термічної деструкції поступово приходять методи високотемпературного знешкодження ТПВ. Це пов'язано з тим, що для зниження кількості газів, що відходять і утворюються шлаків необхідно забезпечити температуру процесу вища за температуру

    плавлення шлаків (близько 1300оС), що вимагає, як правило, або використання кисню, або підведення додаткової енергії.

    В даний час у світовій практиці апробовано ряд методів високотемпературної переробки ТПВ.

    Спалювання в шарі шлакового розплаву здійснюється при зниженні в складі дутьевого повітря інертних компонентів. На початку 90-х років в Росії для високотемпературного знешкодження ТПВ були запропоновані металургійні печі Ванюкова. Спалювання в них здійснюють в шарі знаходиться в ванні печі шлакового розплаву. Головним достоїнством методу є повне розкладання шкідливих сполук. Це відбувається завдяки високим температурам, при яких протікає процес, порядку 2200-2500 ° С. Разом з тим, спосіб має ряд стримуючих факторів:

    1. малий термін служби агрегатів;

    2. процес переробки відбувається нестабільно, що посилюється, крім того, викидами газів, що утворюються при розкладанні;

    3. низька економічна доцільність (процес стає рентабельним при продуктивності 300 і більше тисяч тонн на рік), тобто спалювання в жужільному розплаві вимагає досить значних капітальних витрат.

    Технологія переробки відходів в печі Ванюкова при всій складності системи газоочистки малоефективна в сенсі осадження аерозолів, а, отже, і утворення діоксинів, тобто не гарантує необхідну екологічну обробку. Плавильна піч капіталомістка і складна в експлуатації.

    Спалювання з використанням електрошлакового розплаву є електротермічним методом, який найбільш доцільно застосовувати для знешкодження шлаків, що утворюються при низькотемпературному спалюванні ТПВ. Технологічний процес здійснюють за допомогою електроплавильної печі. Температура рідкої шлакової ванни становить 1400-1500оС. Так званий метод "Піроксел", що має порівняно невеликий розмір установки, низькі енерговитрати і поділ всього технологічного циклу на окремі стадії (блоки) дозволяє:

    1. переробляти в будь-якій комбінації побутові, промислові відходи класів 3,4,5 - папір, картон, полімери, відходи штукатурки, пластик, фарбу, ганчір'я, скло, подрібнені автопокришки, гальваношлами, відходи лікувально-профілактичних установ;

    2. мінімізувати транспортні потоки при перевезенні відходів;

    3. розміщувати установки в діючих промзонах, ніж виключається соціальна напруженість в регіоні;

    4. знищувати відходи, транспортування яких небезпечна, в місцях їх утворення;

    5. виключити наявність токсичних і супертоксічних відходів переробки.

    Основним недоліком даного методу є велика витрата електроенергії і відносно високим витратою графітових електродів.

    Комбіновані методи знешкодження ТПВ пов'язані із здійсненням різних сполучень процесів піролізу, спалювання та газифікації ТПВ.

    Технологічний процес фірми "Siemens KWU", що функціонує за схемою "піроліз-спалювання", являє собою спільне спалювання при невеликому надлишку повітря вугільного пилу і пиролитического газу при температурі 1300оС з утворенням розплаву шлаку (вихід шлаку 12-13%); утилізацію тепла димових газів в котлі-утилізатори і вироблення електроенергії в турбогенераторі.

    Технологічна схема методу, розробленого фірмою "Noell", багато в чому аналогічна схемі, розглянутої вище.

    За технологією, розробленою фірмою "Thermoselect", як газифицирующего агента використовують кисень. Газифікація з утворенням оксиду вуглецю відбувається в нижній частині реактора при контакті вуглецевого залишку з киснем. Температура при цьому підвищується до 2000оС, і утворився розплав надходить в шлакову ванну.

    Порівняльна оцінка вишерассмотренних методів представлена ​​в "Концепції управління твердими побутовими відходами", опублікованій 2000 року ДУ "Науково-дослідний центр з проблем управління ресурсозбереженням і відходами" (за даними звіту фірм "GKW Consult" і "East Consult" "Дослідження потенціалу енергозбереження та загального впливу на навколишнє середовище в м Москва сучасних методів переробки твердих побутових відходів "- проект ТАСІС / 1991 / ERU 0020, фінальний звіт, березень 1996 г.). Крім даних з названого звіту, наведена оцінка (за тією ж методикою) російською технологією газифікації твердих палив в сферхадіабатіческом режимі нагріву [1].

    Для вибору оптимального методу термічної обробки ТПВ наявні технології порівнювалися за наступними критеріями:

    економічним (рівень капітальних і експлуатаційних витрат);

    • технологічним (рівень розвитку та апробації технологій, надійність обладнання, ступінь автоматизації процесу, експлуатаційні характеристики, вимоги безпеки, необхідність підготовки відходів і використання додаткової сировини-палива, інших компонентів, виробництво товарної продукції);

    • екологічним (кількість і токсичність відходів і газових викидів, можливість їх знешкодження та утилізації).

    Крім того, враховувалася можливість виготовлення обладнання в Росії, а також кваліфікауіонние вимоги до обслуговуючого персоналу, зумовлені особливостями тієї чи іншої технології.

    В результаті проведеної оцінки встановлено, що найбільш переважними з існуючих методів є шарове спалювання на колосникових решітках, спалювання в киплячому шарі і вітчизняна технологія газифікації. Методи шарового спалювання на колосникових решітках і спалювання в киплячому шарі мають перевагу перед іншими методами обробки ТПВ по групі загальних критеріїв: високий рівень апробованості технологій, серійно випускається устаткування, високий гарантійний термін експлуатації (не менше 15 років), відносно низькі витрати. Разом з тим, ці технології поступаються високотемпературним технологіям обробки ТПВ (перш за все вітчизняної технології газифікації та процесу "Siemens") з енергетичних і екологічним критеріям. Вітчизняна технологія газифікації виглядає переважніше інших методів термічної обробки ТПВ за вартістю обладнання, екологічним критеріям, але уступу-

    ет по одному з найважливіших критеріїв - рівнем промислового розвитку технології.

    Як зазначено, з нових термічних процесів, апробованих в укрупненому масштабі, дуже перспективні процеси, пов'язані з газифікацією відходів, так як спалювання газу є найбільш екологічно чистим способом спалювання, що не вимагає складної очищення газів, що відходять. В даний час технологія газифікації закладена в проекти кількох споруджуваних заводів в Німеччині і одного заводу в Фінляндії (за російською технологією). Провідними в області створення і відпрацювання технології газифікації є фірми "Термоселект" (Італія), "Лурги" і "Нойлен" (Німеччина), а також Інститут хімічної фізики РАН в Черноголовке.

    За попередньою оцінкою, вітчизняна технологія паро-повітряної газифікації по ефективності, економічним і експлуатаційними характеристиками перевершує закордонні аналоги:

    1. не вимагає підведення кисню;

    2. не вимоглива до режиму пуск-зупинка (технологія не пов'язана

    з отриманням шлакового розплаву в реакторі газифікації);

    3. має більш високий енергетичний ККД.

    Як технологія газифікації, так і технології спалювання в киплячому шарі, можуть бути реалізовані тільки при комплексній переробці ТПВ, так як висувають певні вимоги до складу, крупності і теплотворної здатності сировини.

    ЛІТЕРАТУРА

    1. Шубова, Л.Я., Голубина, А.К., Девяткин, В.В. [И др.] Концепція управління твердими побутовими відходами [Текст] / Л.Я. Шубова, А.К. Голубина, В.В. Девяткин, С.В. Поворожити. - М., 2000. - 375 с.

    2. Шемякін, В.Н., Карапетов, А.Е. Впровадження технологій спалювання в киплячому шарі як один із шляхів вирішення впровадження місцевих низькосортних палив в енергетику країни [Текст] / В.Н.Шемякін, А.Е. Карапетов // Новини теплопостачання. - 2002. № 1.

    3. Павлович, Л.Б., Долгополов, В.П., Попов, А.А. [И др.] Рецикл техногенних відходів в коксохімічному виробництві [Текст] / Л.Б. Павлович, В.П. Долгополов, А.А. Попов, А.В. Калініна // Сталь. - 2004. - № 5.

    4. Охорона навколишнього середовища та поводження з небезпечними відходами [Текст]: курс лекцій / Л.А. Акімова, І.Б. Батьківська, І.Б. Веренкова [и др.]. -М .: Альтаїр, 2010. - 250 с.


    Ключові слова: ВІДХОДИ / переробка відходів / ЗНЕШКОДЖЕННЯ / утілі-зація / ТПВ / шарове спалювання / киплячий шар / шлаковий розплав / електро-шлаковий розплав / піроліз-спалювання / газифікація

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити