Исследование твердых бытовых отходов, образующихся в городе Стерлитамак для возможности их использования в печах цементного производства

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследование твердых бытовых отходов, образующихся в городе Стерлитамак для возможности их использования в печах цементного производства

Проведен анализ по существующим методам переработки твердых бытовых отходов и объемам его образования в Республике Башкортостан. Представлены результаты лабораторных исследований проб твердых бытовых отходов, образующихся в городе Стерлитамак, по определению его морфологического, элементного состава, а так же теплотворной способности. Рассмотрена возможность использования твердых бытовых отходов в печах цементного производства в качестве альтернативного источника энергии.

Сложившаяся в нашей стране ситуация в области образования, использования, обезвреживания, хранения и захоронения бытовых отходов приводит к опасному загрязнению окружающей среды, нерациональному использованию природных ресурсов, значительному экономическому ущербу. В настоящее время накопилось и продолжает накапливаться огромное количество отходов жизнедеятельности человека. Эти отходы, а их насчитывается миллиарды тонн, отравляют воздух, землю и воды. В развитых странах стремятся решать экологические проблемы в комплексе, как путем усовершенствования производственных технологий, сбора и переработки вторичных ресурсов, так и путем разработки новых технологий утилизации отходов [1].

Твердые бытовые отходы (ТБО), являющиеся отходами сферы потребления и образующиеся в результате бытовой деятельности населения, включают в себя пищевые отходы, стекло, бумагу, металл, пластиковую упаковку, тряпье, отходы от ремонта квартир и тому подобное [2].

В Республике Башкортостан в 2013 году по данным госстатотчетности 2-тп (отходы) образовалось 805 видов отходов в количестве 47/82 млн. т. из них отходов ТБО 1/77 млн. т.

Существующая в Республике Башкортостан система обращения с ТБО основана преимущественно на захоронении их на свалках или полигонах твердых бытовых отходов. На территории Республики Башкортостан действуют 2578 свалок твердых бытовых отходов, занимающих общую площадь более 2000 гектаров земли, не соответствующие требованиям природоохранного законодательства. В частности отсутствуют документы о земельном отводе, основные природоохранные сооружения, в том числе противофильтрационные экраны, система сбора и утилизации фильтрата, неорганизован мониторинг окружающей среды. В целях обеспечения безопасного размещения отходов в республике введено в эксплуатацию 42 полигона ТБО, из них 36 построены на средства из республиканского бюджета.

Хотя приоритетным направлением в области обращения с отходами считается переход от захоронения к их использованию в качестве вторичного сырья, средний уровень использования отходов на протяжении ряда лет составляет около 3% от общего годового объема. В хозяйственный оборот вовлекаются только высоколиквидные и рентабельные отходы, главным образом лом и отходы черных и цветных металлов, полимерные материалы, высокосортные марки макулатуры, чистые текстильные, древесные отходы. Изучение опыта сортировки мусора непосредственно на полигоне и на сортировочных станциях вблизи полигонов (Нефтекамск, Стерлитамак, Октябрьский, Туймазы) показало возможность извлечения до 70% ценных компонентов и существенного снижения нагрузки на полигон.

Утилизация твердых бытовых отходов становится серьезной проблемой не только для мегаполисов, но и для сравнительно небольших населенных пунктов. С каждым годом их объем, не считая отходов предприятий, только растет. К примеру, лишь один Стерлитамак ежегодно производит более 100 тысяч тонн отходов. Решение проблемы переработки отходов, с учетом переполненности первой очереди полигона ТБО, приобретает за последние годы первостепенное значение [3].

В данной работе рассматривается возможность использования отходов ТБО в печах цементного производства ООО «Строительные материалы», которые входят в состав мирового холдинга Heidelbergcement. В качестве исходного материала использованы отходы ТБО, прошедшие сортировку на мусоросортировочном комплексе ООО «Вториндустрия».

Экспериментальная часть

Исследование твердых бытовых отходов. Отбор проводился в период с мая по октябрь по ГОСТ Р 54227-2010 «Топливо твердое из бытовых отходов. Методы отбора проб». Используемый метод отбора проб должен быть репрезентативным. Отбор предпочтительно осуществлялся из движущего потока материала. Нами был произведен отбор вручную на перепаде потока [4].

Пробу твердых бытовых отходов, доставленную в лабораторию, взвешивают для определения общей массы. Пробу разбирают щипцами в предварительно подготовленные емкости по составу (бумага, текстиль, стекло, пластмасса, пищевые отходы, камни, кости, резина, кожа, древесина, металлический лом цветной и черный, уличный смет и прочие, не поддающиеся классификации).

Морфологический состав отхода определяют путем взвешивания отдельных составляющих компонентов и определяют их процентное соотношение к общей массе отхода взятого на анализ.

Морфологический состав отходов ТБО, представлен в табл. 1.

бытовой цементный энергия

Таблица. 1. Морфологический состав исследуемых проб ТБО, %

Морфологический состав исследуемых проб ТБО сильно колеблется по процентному содержанию компонентов. Такие компоненты как кожа, резина, текстиль, металл встречаются в единичных пробах. Также необходимо отметить, что компонент «прочее», к которому относится отходы не поддающиеся классификации и имеющие непостоянную ТС, в исследуемых пробах колеблется в интервалах от 27.3 до 52.5%.

Таким образом, можно сделать вывод, что процентное соотношение морфологического состава ТБО зависит от погодных условий и сезонов года.

Элементный состав ТБО, определяют исходя из его морфологического состава по следующим формулам:

где Cр₁, Cр₂, Cр₃… Cр_n - содержание углерода в каждом компоненте ТБО, % (аналогично и по другим элементам); I₁, I₂, I₃… I_n - доли соответствующих компонентов в общей массе ТБО, сумма которых равна единице; р - указатель рабочей массы ТБО; n - порядковый номер компонента (n = 1…13) [5].

Результаты и их обсуждение

Результаты расчета элементного состава ТБО, выполненные в соответствии с методикой, описанной в экспериментальной части, представлены в табл. 2.

Табл. 2. Элементный состав проб ТБО, %

Далее во всех исследуемых пробах была определенна влажность и зольность.

Влажность (W_p) определяется по ГОСТ Р 54231-2010 «Топливо твердое из бытовых отходов. Определение содержания влаги высушиванием» [6].

Сущность метода заключается в высушивании образца твердого топлива из бытовых отходов на воздухе при температуре 105 °С до постоянной массы и вычислении массовой доли влаги в процентах, исходя из потери массы образца, и включает процедуру корректировки эффекта изменения массы холодного и горячего лотка.

Массовая доля общей влаги должна быть рассчитана на рабочее состояние топлива по формуле:

где m1 - масса пустого лотка, г; т2 - масса лотка с образцом до высушивания, г;

m3 - масса лотка с образцом после высушивания, г; т4 - масса сравнительного лотка до высушивания (взвешенного при комнатной температуре), г;

т5 - масса сравнительного лотка после высушивания (взвешенного горячим), г; m6 - масса влаги, собранной с упаковки, г.

Зольность (А) определяется по ГОСТ Р 54224-2010 «Топливо твердое из бытовых отходов. Определение зольности» [7].

Образец нагревается до температуры 550±10 °С при соблюдении определенных условий: времени, массы пробы и технических характеристик оборудования. Зольность определяется расчетным путем по массе остатка, образовавшегося после сгорания. Зольность на сухое состояние Ad, %, рассчитывается по формуле:

где m1 - масса пустого тигля, г; т2 - масса тигля с пробой, г; m3 - масса тигля

с зольным остатком, г; Wa - массовая доля влаги в аналитической пробе, %.

Результаты представлены в табл. 3.

Таблица. 3. Влажность и зольность исследуемых проб ТБО, %

Наблюдение позволило установить границы разброса значений влажности и зольности в целом для ТБО, рассматривая их как нетрадиционный энергоноситель

Ш неорганика, АС - 9.1-17.1%

Ш физическая вода, W_p - 4.2-45.1%.

Представленные данные свидетельствуют о крайне неоднородном составе нетрадиционного топлива. Организовать рациональный процесс сжигания такого топлива технически крайне сложно. Для того чтобы, использовать ТБО как нетрадиционный энергоноситель необходимо стабилизировать показатели влажности и зольности. Для этого проводят механическое сепарирование ТБО с удалением максимального количества неорганики и подсушки оставшейся массы до требуемого уровня. В результате обогащения ТБО всегда возможно получить продукт с заранее заданными стабильными показателями влажности и зольности. Для исследования возможности использования ТБО как альтернативное топливо, необходимо определить теплотворную способность отхода. Теплотворная способность ТБО определялась по формуле Менделеева [5]:

Qн = 81С + 246Н - 26 (О-S)

Результаты расчета ТС сведены в табл. 4.

Таблица. 4. Результаты расчета ТС по формуле Менделеева

Так же был произведен расчет теплотворной способности на основе проведенных расчетов влажности и зольности по формуле:

Q_нт = 4360 [1- (W_p/100 + A^с /100)]

Результаты расчета сведены в табл. 5.

Таблица. 5. Результаты расчета ТС проб по влажности и зольности

Проведенные расчеты теплотворной способности, которые включали в себя теоретические и экспериментальные исходные данные, показали высокую сходимость результатов расчета.

Так же было произведено измерение теплотворной способности проб №3, 4 калориметрическим методом. Для этого пробы подготавливались по ГОСТ 147-74 «Топливо твердое. Метод определения высшей теплоты сгорания и вычисление низшей теплоты сгорания».

Метод основан на полном сжигании массы испытуемого топлива в калориметрической бомбе в изотермическом и адиабатическом режимах [8].

Таблица. 6. Результаты определения теплотворной способности калориметрическим методом

Проведенные исследования по определению теплотворная способность ТБО, показали, что она сильно зависит от морфологического состава, влажности и зольности отхода, в частности низкая теплотворная способность пробы №5 объясняется высоким содержанием пищевых отходов в составе исследуемой пробы, а высокая теплотворная способность пробы №6, объясняется высоким содержанием компонентов «прочее», а также бумаги.

Проведенные исследования теплотворная способность по калориметрической бомбе, также свидетельствуют о крайне неоднородном составе ТБО.

бытовой цементный энергия

Выводы

1. В Республики Башкортостан существует проблема накопления ТБО, только в городе Стерлитамак ежегодно образуется около 100 тысячи тонн. Существующие методы их переработки имеют ряд недостатков, которые не позволяют исключить процесс накопления данных видов отходов. На сегодняшний день цементная промышленность является одним из современных методов переработки отходов производства и потребления, которые используется в качестве альтернативного источника энергии.

2. Проведенные исследования морфологического состава ТБО показали, что он крайне неоднороден и зависит от погодных условий и сезонов года. В исследуемых пробах ТБО влажность варьировалась от 4.2 до 45.1%, при зольности от 9.1 до 17.1%. Исследования свидетельствуют о крайне неоднородном составе нетрадиционного топлива. Организовать рациональный процесс сжигания его очень сложно. Необходимо данное топливо подготавливать с целью стабилизации показателей влажности и зольности (аналогично получению RDF топлива).

3. Проведенные исследования по изучению теплотворной способности ТБО показали, что она сильно зависит от морфологического состава, влажности и зольности отхода и колеблется в широком диапазоне от 7.35 до 10.5 МДж/кг. Для дальнейшей работы по использованию ТБО, как альтернативного топлива в печах цементного производство необходимо: разработать технологию приведения альтернативного топлива в форму удобную для подачи в печь обжига производства цемента и провести опытно-промышленные испытания по исследованию влияния альтернативного топлива на окружающую среду и качество клинкера.

Литература

1.Оценка возможности использования альтернативного топлива в цементной промышленности. Брязгина Е.Ю., Насыров Р.Р. Малоотходные, ресурсосберегающие химические технологии и экологическая безопасность: Сборник материалов Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. Стерлитамак: Типография «Фобос». 2013. C.149-150.

2."Утилизация отходов производства и потребления на территории Республики Башкортостан" Брязгина Е.Ю., Латыпова З.А., Хазимова Л.Р. Химические реактивы, реагенты и процессы малотонажной химии. Конференция "Реактив-2014". 2014. С.206-207.

3.Государственный доклад о состоянии природных ресурсов и окружающей среды РБ в 2013 г. Министерство природопользования и экологии РБ. Уфа. 2014.

4.ГОСТ Р 54227-2010. Топливо твердое из бытовых отходов. Методы отбора проб. Москва: ФГУП «ВНИЦСМВ». 2012. 32с.

5.Систер В.Г., Мирный А.Н., Скворцов Л.С., Абрамов Н.Ф., Никогосов Х.Н. Твердые бытовые отходы (сбор, транспорт и обезвреживание). Справочник. М.: АКХ им. К.Д. Панфилова. 2001.

6.ГОСТ Р 54231-2010. Топливо твердое из бытовых отходов определение содержания влаги высушиванием. Москва: ФГУП «ВНИЦСМВ». 2010. 6с.

Размещено на Allbest.ru