Утилизация ТБО и промотходов с получением ВИЭ
Одной из наиболее серьезных экологических проблем, стоящих перед человечеством, является загрязнение окружающей среды бытовыми и промышленными отходами, которые в большинстве случаев обладают такими нежелательными свойствами, как токсичность, канцерогенность, мутагенность, коррозийность, реакционная способность, пожароопасность.
В настоящее время в индустриально развитых странах введены жесткие нормы и условия по размещению и оборудованию полигонов для складирования и захоронения опасных отходов.
В последние годы проблема утилизации отходов различного происхождения стала актуальной в Республике Казахстан, что совпадает и с общемировой оценкой ее важности. Это связано с декларируемой на межгосударственном уровне стратегической тенденцией на всестороннюю «экологизацию» среды обитания, как фактора, компенсирующего ее деградацию вследствие индустриального развития. А также, с возрастанием конкретной опасности для населения от накапливающихся объемов высокотоксичных и инфицированных отходов производства и потребления.
Наиболее распространенным способом переработки опасных органических отходов является их сжигание. Для этих целей широко применяются промышленные тепловые агрегаты, например, асфальтовые или цементные печи, паровые котлы, циркуляционные печи с псевдоожиженным слоем, вращающиеся обжиговые печи. При температуре 1000-1200 °С в таких печах и устройствах дожигание образующихся летучих органических соединений проводят во вторичных камерах с дополнительной подачей топлива и окислителя. В некоторых случаях для повышения температуры в горелках воздух обогащают кислородом.
Проведенные исследования требуют критического отношения к огневому обезвреживанию токсичных отходов с определением возможности вторичных процессов образования чрезвычайно вредных соединений: диоксинов и фуранов. Недостатком огневого обезвреживания является использование дополнительного топлива (обычно природного газа), что значительно увеличивает объемы отходящих газов, а соответственно значительно возрастает нагрузка на систему газоочистки, ее размеры, материалоемкость и стоимость.
Низкие экологические показатели и ограниченное число отходов, состав которых приемлем для использования в существующих печах, приводят к поискам и разработкам новых технологий. Проблема полного уничтожения токсичных отходов актуальна, прежде всего, с точки зрения отрицательного воздействия их на окружающую среду. Из известных способов наименьший вред окружающей среде наносит высокотемпературный (плазменный) метод переработки отходов. Основой данной технологии является термохимическое разложение органической составляющей материала отходов (высокотемпературный пиролиз) до атомарного уровня, а неорганическая составляющая при этом переводится в расплав и остекловывается. Под воздействием плазменного потока, генерируемого плазменной горелкой-плазмотроном, отходы разлагаются. Важное преимущество такого процесса – его практическая универсальность. Проведенные исследования и испытания показали высокую эффективность данной технологии для переработки отходов различного происхождения, в том числе отработавшие автомобильные шины; осадки сточных вод; опасных шлаков; золы и шлаки после сжигания твердого топлива и бытовых отходов; металлической стружки; медицинских и ветеринарных отходов. Таким образом, практически всех отходов, образующихся в различных сферах производства. Высокотемпературная переработка – это единственная гарантия уничтожения, в первую очередь, опаснейших биологических, биохимических, химических продуктов.
Использование плазменного метода прямой переработки токсичных отходов позволяет получать зольный остаток в виде продукта, пригодного для складирования, транспортировки или повторного использования. Кроме того, преимуществом плазменной технологии перед обычными методами сжигания являются как повышенные коэффициенты сокращения объема отходов и снижения объемов образующихся вторичных отходов, так и получение продукта (зольного остатка) в виде плавленого шлакового компаунда, обладающего высокой химической стойкостью к агрессивным воздействиям окружающей среды. Ключевым отличием технологий плазменной газификации от обычных технологий переработки отходов является высокий уровень температур в плазменном реакторе или плазменной печи (3000—8000 К), что обеспечивает практически полный перевод содержащегося в отходах углерода в оксид углерода (СО), и позволяет нейтрализовать любые опасные вещества. Образующийся в результате газификации синтез-газ состоит из водорода (35-45 %) и СО (25-35 %). Кроме того, газ содержит небольшое количество метана, ацетилена и этилена. Теплотворная способность полученного газа составляет 30-35 % и более теплотворной способности природного газа.
Это делает возможным его использование для работы газовых турбин и газо-поршневых электроагрегатов, для генерирования электроэнергии на низкокалорийных газовых потоках.
Увеличивающиеся объемы накапливаемых медико-биологических отходов представляют серьезную опасность для человека и окружающей среды. Как правило, состав таких видов отходов весьма разнообразен и не поддается точной идентификации. Для утилизации таких отходов необходимо использовать специальные технологии. Исследования, проводимые в ряде индустриально-развитых стран, направлены на разработку инновационных технологий и оборудования, и, в первую очередь, медико-биологических отходов. В плазменных системах используется электроэнергия и формируется электрическая дуга с температурой около 6000 К, генерирующая плазму любых плазмообразующих газов. Медико-биологические отходы в этих установках нагреваются до 1300-1700 °C и более, в результате чего уничтожаются потенциально патогенные образования (микробы, вирусы, штаммы, прионы), а неорганическая составляющая отходов преобразовывается в плавленный шлак, металлические слитки. Образующиеся газы инертны и не токсичны.
Предполагается использование образовавшегося при плазменной газификации синтез-газа, для получения электроэнергии в комбинированном газопаровом цикле. Часть полученной электроэнергии (не более 9 %) служит для питания электродуговых плазмотронов. Остальная электроэнергия, а также образующиеся в ходе утилизации соляная кислота, сода, металл и остеклованный шлак реализуются как товарный продукт на рынке. При этом из 1 тонны ТБО производится более 1 МВт/час электроэнергии. Образующийся при плазменной переработке ТБО шлак не содержит токсичных соединений, что позволяет использовать его в строительстве. Объем шлака по отношению к объему переработанных отходов составляет 1/20-1/25, в то время как при переработке на существующих мусоросжигательных заводах такое отношение равно приблизительно 1/5. Таким образом, при плазменной газификации ТБО не образуется экологически вредных выбросов и отходов, подлежащих захоронению. Процесс не требует предварительной сортировки мусора и допускает переработку влажных отходов. Преимуществами плазменного процесса перед традиционным сжиганием отходов являются: отсутствие необходимости в тщательной сортировке отходов; возможность получения конечного продукта необходимого качества в одной установке без промежуточных стадий; существенное сокращение (в 2-5 раз) объема отходящих газов в результате применения плазменных источников нагрева вместо топливных устройств.
Представленный выше обзор и техническое обоснование реализации технологий переработки отходов плазменными методами показывает, что сжигание отходов является одной из наиболее распространенных и эффективных технологий, позволяющих значительно сократить объемы отходов. На сжигание направляются выделенные в результате сортировки горючие (органические) и не горючие компоненты отходов. Однако, недостатком сжигания отходов обычными низкотемпературными способами является образование пылящего и непригодного для вторичного использования продукта – золы, которая концентрирует в себе токсичные элементы. Использование для нагрева печей и камер дожигания дымовых газов устройств сжигания углеводородных жидких или газовых топлив с избытком воздуха приводят к образованию больших объемов дымовых газов, нуждающихся в очистке от токсичных химических веществ перед выбросом в атмосферу.
Проведённые элементы расчётного анализа позволяют разработать ряд технических решений для преодоления недостатков работы котла и усиления его возможных преимуществ. На основании расчётных данных целесообразно осуществить следующие меры по совершенствованию конструкции.
При использовании плазменных технологий необходимость обеспечения интенсивного тепло- и массообмена и термохимических превращений требует подготовки сырья в зависимости от его качественного состояния. Из анализа расчетных данных можно определить минимальную мощность плазмотрона, необходимую для газификации отходов в плазмотермической печи для заданного типа и состава отходов; конкретных геометрических размеров печи, включая координаты места установки плазмотрона.
