Переработка бытовых и промышленных отходов

Размещено на http://allbest.ru

Введение

Нынешняя ситуация обращения с землёй, стихийное загрязнение больших территорий разнообразными промышленными и бытовыми, твёрдыми и жидкими отходами достигло в нашей стране угрожающих масштабов. В связи с этим необходимо в ближайшем будущем создать специальную технологию массовой очистки городских, сельских территорий, а также земельных угодий, полей, лесозащитных полос и посадок, обочин дорог от несанкционированных свалок различного мусора. Это позволит противостоять тенденциям опасного накопления мусора, его стихийного сжигания, самовозгорания, попадания огромных количеств образующихся токсических веществ в атмосферу, реки и водоёмы.

Наиболее остростоящей проблемой являются твёрдые бытовые отходы (ТБО), которые представляют собой крайне нестабильную неконтролируемую смесь бумаги, картона, пищевых остатков, пластмассы, резины, стекла, строительного мусора, металлов, батареек и другого. Предварительная сортировка ТБО городским населением и коммунальными службами в России практически не проводится. Механическая сортировка ТБО технически сложна и пока не находит широкого применения.

Прямая переработка или сжигание огромных количеств отходов технически весьма проблематична, экологически опасна и экономически неэффективна. Поэтому потребуется неотложное решение проблемы ТБО при обеспечении наиболее экономически и экологически эффективного их использования и переработки с получением полезной продукции.

1. Существующие методы переработки твёрдых бытовых отходов

1.1 Классификация отходов по различным характеристикам

Отходы - это либо потерявшие потребительские свойства продукция, изделия (АКБ - аккумуляторные батареи, офисная техника, масла моторные отработанные и т.д.), либо изделия возникшие в процессе производства чего либо (например, нефтешлам, стружка и т.д.).

Из этого следует, что большинство использованных вещей являются отходами. Также следует обратить внимание, что при этом сами отходы могут стоить денег и соответственно покупаться и продаваться.

По мнению специалистов в области переработки ТБО, часть отходов является так называемым вторичным сырьем, которое можно перерабатывать в полезную продукцию. Вторичным сырьем называют, например, бумагу, пластик. Также на свалках вырабатывается свалочный газ.

Одним из основных способов удаления твердых бытовых отходов (ТБО) во всем мире остается захоронение в приповерхностной геологической среде. В этих условиях отходы подвергаются интенсивному биохимическому разложению, которое сопровождается выделением свалочного газа. Газогенерация свалки зависит от состава и объема мусора и может продолжаться более 100 лет.

Время, в течение которого выделение газа уменьшается в два раза, может достигать 25 лет. При этом свалочный газ представляет собой реальную опасность в связи с риском возгорания или взрыва, а также отрицательным влиянием на здоровье людей.

Существует несколько классификаций по видам отходов (а если более точно, по химическим веществам из которых состоят отходы).

1. Самая распространенная система классификации ТБО - это экологическая или классы опасности отходов (с чрезвычайно опасных - 1 класс до практически не опасных - 5 класс опасности)

Как правило, отходы 4 и 5 классов опасности захораниваются на свалке (полигоне) Рис. 1.1 для твердых бытовых отходов (от жилищ).

Рисунок 1.1. Свалка бытовых отходов

Это инертные и органические отходы. А, например, покрышки, ЛКМ - лакокрасочные материалы, абразивная пыль, офисная техника отработанная требует переработки. Тем не менее, все виды отходов опасны.

- отходы 5 класса опасности - производственный мусор, состоящий из инертных материалов, утилизация которых в настоящее время экономически неоправданна;

- отходы 4 класса опасности - утилизируемые материалы (вторичное сырье);

- отходы 3 класса опасности - средней опасности;

- отходы 2 класса опасности - опасные отходы;

- отходы 1 класса опасности - чрезвычайно опасные.

2. Классификация отходов, принятая в здравоохранении, которая называется - классы медицинских отходов, определяется по следующим классам Класс А: неопасные отходы лечебно-профилактических учреждений; (обычные твердые бытовые отходы, на рис. 1.2 процентное соотношение различных составляющих ТБО на свалках)

Класс Б: опасные отходы лечебно-профилактических учреждений; (содержат опасный биологический материал)

Класс В: чрезвычайно опасные отходы лечебно-профилактических учреждений; (содержат возбудителей опасных инфекций)

Класс Г: отходы лечебно-профилактических учреждений по составу близкие к промышленным;

Класс Д: радиоактивные отходы лечебно-профилактических учреждений.

Рисунок 1.2. Процентное соотношение различных фракций в составе ТБО

3. Также отходы подразделяются на классы опасности грузов классификация ГИБДД, в которой все зависит от пожаро-взрывоопасности и возможных последствий для здоровья человека при аварии. Многие отходы являются пожароопасными и поэтому имеют класс опасности груза. Для того что определить точнее нужно обратиться к документам на провоз грузов, в частности к ГОСТ «Опасные грузы».

1.2 Особенности некоторых видов отходов

1. Шламы. Общее название для практически любой грязи, которая оседает на стенках сосудов, резервуаров, трубопроводах и других поверхностях. Имеет, как правило, кашеобразную форму, либо пастообразное агрегатное состояние.

2. Покрышки отработанные. Имеются в виду практически все виды резинотехнических изделий, которые одеваются на колеса какой-либо техники. При небольших оговорках (без кусков металла, нефтяное загрязнение, довулканизированность и т.д.) также этот вид отхода совпадает с любыми другими видами отходов резины. Собирают и хранят навалом под открытым небом. Используются для изготовления крошки, либо путем пиролиза получают нефтепродукты.

3. Гальванические шламы (ГШ). Широкая группа отходов, возникающих при гальванической обработке изделий из металла, пластика и т.д. Гальванический метод заключается в том, что когда 2 электрода, один электрод изделие, второй затравочный, погружают в кислоту или щелочь. Когда проходит эл. ток, то нужный металл (медь, цинк, хром, олово, серебро и т.д.) оседает тонким слоем на поверхности (например, хромовые детали для автомобилей).

Когда приходит время, то переработке подлежит, и сам этот раствор кислоты или щелочи и та грязь, которую счищают со стенок. Иногда на предприятиях стоят системы отжима этого шлама, и он представляет чуть влажный, крупнозернистый песок. Обычно 2 класса опасности, однако если дополнительно содержит, либо 6 валентный хром, либо цианиды (см. далее), то класс опасности вырастает до 1.

4. Цианиды. Широкая группа либо самих этих веществ, либо в связи с другими отходами. Страшный яд для человека и природы (например, цианистый калий). Синоним соли синильной (цианистоводородной) кислоты. Используются в фотографии, металлургии, при гальванизации и очистке поверхностей металлических деталей, очистке руды.

5. Нефтешламы (НШ). Широкая группа нефтесодержащих отходов. Как правило, помимо, нефтепродуктов содержит механические примеси (песок, грунт) и воду. Нефтепродукты содержат большое количество тяжелых фракций (битум, асфальтенты, парафины и т.д.).

При повышенном содержании грунта (приблизительно до 70 %) считается, что это уже отходы грунт, песок загрязненный нефтепродуктами. А если воды более 95%, то это уже подтоварная вода. Агрегатное состояние либо жидкое, либо пастообразное.

6. Кислота (серная, соляная, азотная, плавиковая, уксусная, ортофосфорная, фтористоводородная, лимонная и др.). Также к кислотам относят и электролит из автомобильных аккумуляторов (это разбавленная 2 частями дистиллированной воды серная кислота). Практически все в жидком виде. Хранятся либо в пластиковых, либо в стеклянных флягах, бутылях. Почти все (если без других примесей) 2 класса опасности.

7. Щелочи. Аналогично кислотам. Есть в твердом виде. Считаются в целом более опасными для человека, чем кислоты. При соединении с кислотами дают реакцию нейтрализации с выделением тепла.

8. Химикаты отработанные. Очень широкий круг отходов. В него могут попасть и ГШ и кислоты и щелочи. Как правило, лаборатории предприятий используют огромный перечень небольших партий химических веществ, для своей работы. В какой-то момент все это выходит из сроков хранения или портиться по другим причинам. В этом случае они присылают экологам перечень веществ с указанием объемов, и они рассчитывают стоимость их транспортировки и переработки.

Также особенностью отходов является и их стоимость, которая варьируется в зависимости от содержания различных составляющих ТБО. Из общего количества отходов, ежегодно образующихся на предприятиях, города большую часть составляют инертные твердые отходы, и малую часть - промышленные токсичные ТБО.

Производство по переработке ТБО по существу начинается с организации системы сбора и доставки отходов. Правильно организованная сортировка ТБО обеспечивает значительное уменьшение количества образующихся отходов и снижение негативного влияния ТБО на окружающую среду и позволяет извлечь полезные компоненты.

Таблицы 1.1 и 1.2 иллюстрирую состав отходов каждого из секторов: жилого и коммерческого.

Таблица 1.1. Состав отходов жилого сектора

Компоненты	Общее	Содержание, %
		Фракции, мм
		+200	-200+80	-80
Бумага, картон и т.п.	22,0	6,6	11,4	4,0
Пищевые и растительные отходы	35,0	0,0	9,2	25,8
Черные металлы	4,0	1,3	2,5	0,2
Цветные металлы (алюминий)	0,7	0,0	0,7	0,0
Текстиль	5,5	3,3	2,0	0,2
Стекло	7,0	0,0	6,8	0,2
Пластмасса (высокой плотности)	2,0	0,15	1,6	0,25
Полимерная пленка	4,0	1,45	2,5	0,05
Кожа, резина	1,5	0,05	1,45	0,0
Дерево	1,5	1,3	0,2	0,0
Камни, керамика	1,5	0,75	0,55	0,2
Кости	1,0	0,0	0,3	0,7
Прочее (включая отсев -15 мм)	14,3	1,0	5,0	8,3
ИТОГО:	100,0	15,9	44,2	39,9

Примечание: 1. Стекло в составе исходных ТБО на 97% представлено целыми бутылками (все в классе -200+80 мм) 2. Черный металл на 50% представлен консервными банками (белая жесть); почти все банки находятся в классе -200+80 мм.

Таблица 1.2. Ориентировочный состав коммерческих отходов

Номенклатура	Содержание (в %)
Пищевые отходы	4,5
Текстиль	2,2
Дерево	1,7
Макулатура	58
Пластмасса	4,6
Резина	1,7
Стекло	7
Черные металлы	0,7
Цветные металлы	19

Модернизация санитарной очистки города на стадии сбора и транспортировки ТБО связано с организацией несмешивающихся потоков муниципальных отходов в жилом и нежилом секторе города с целью вовлечения отходов нежилого сектора в масштабную, технологически безопасную сортировку для получения ценных продуктов. Эффективность сепарации, характеризуемой извлечением на сортировочной установке ценных компонентов и себестоимостью получаемой продукции, существенно зависит от качества вовлекаемого в сортировку сырья. Селективный покомпонентный сбор у населения отходов потребления (макулатура, текстиль, пластмассы, стеклотара, металлы и др.) практикуется во многих странах, что предотвращает попадание в ТБО ряда ценных компонентов, перерабатываемых или используемых повторно. Кроме того, осуществляется селективный сбор опасных отходов - отработанных аккумуляторов и батареек, люминесцентных ламп, попадающих в составе ТБО на свалки и мусоросжигательные заводы и представляющих угрозу здоровью населения. В нашей стране селективный сбор ТБО у населения в настоящее время практически отсутствует, и его масштабная организация проблематична (неподготовленность населения, сложные бытовые условия, отсутствие технического обеспечения для раздельного сбора и переработки и пр.)

В то же время сортировка и переработка вторсырья являются актуальной задачей. Раздельный сбор отходов с различным содержанием ценных компонентов, определяющим выход готовой продукции, существенно оптимизирует технологию на уровне сортировки. Необходимое условие самоокупаемости сортировочных установок - направление на сортировку отходов, достаточно обогащенных ценными компонентами: по расчетам, доходы от реализации вторичного сырья превышают расходы на сортировку при выходе полезной продукции более 12 % (от исходного). При выходе полезной продукции около 30 % (от исходного) и производительности установки не менее 35 тыс. т/год срок окупаемости составит 2 года (2010 Русдем-ЭЭ.). На долю отходов нежилого сектора города приходится 30 - 40 % от общего количества образующихся в городе ТБО. В то же время эффективность сортировки таких отходов почти на порядок выше, чем отходов жилого сектора. Из всех видов переработки, сортировка ТБО подходящего состава на специальных объектах является самоокупаемым производством (даже без учета тарифа на оплату услуг). В таблице 1.3 приведен расчет рыночной стоимости каждого из отобранных полезных компонентов ТБО, представляющих субпродукты, готовые к продаже уже после стадии отбора.

шлакоситалл отход вторсырье утилизация

Таблица 1.3 Отобранные полезные компоненты отходов (для завода по переработке ТБО производительностью 50 тыс. т/год)

Номенклатура	Выход, т/год	Стоимость 1т*, руб.	Итоговая стоимость, тыс. руб.
Картон	2700	2200	5940
Бумага	400	2500	1000
Текстиль	120	980	117,6
Лом черных металлов	550	2700	1485
Лом цветных металлов	200	26500	5300
Стекло	850	1400	1190
ПЭТФ	380	1900	722
Полиэтиленовая пленка	245	5400	1323
ИТОГО:	5445 (11%)		17077,60

*Цены 2005 г. (Москва и МО)

2. Термические методы переработки и утилизации ТБО

Термические методы переработки и утилизации ТБО разделяют на три способа: слоевое сжигание неподготовленных отходов в мусоросжигательных установках; слоевое и камерное сжигание специально подготовленных отходов в виде гранулированного топлива (освобожденного от балластных составляющих и имеющего постоянный фракционный состав) в топках энергетических котлов или цементных печах;

пиролиз отходов, прошедших предварительную подготовку или без нее. Все термические методы переработки и утилизации тбо помимо их обезвреживания направлены на получение энергии, а также твердого, жидкого или газообразного топлива при их пиролизе.

2.1 Сжигание предварительно не подготовленных отходов

Метод слоевого сжигания неподготовленных отходов в мусоросжигательных установках наиболее распространен и изучен. В этом случае помимо выполнения санитарно-гигиенических мероприятий можно получить тепловую или электрическую энергию, сократить до минимума расстояние между местом сбора отходов и мусоросжигательным заводом (МСЗ), значительно экономить земельные площади.

Однако при сжигании отходов выделяются твердые и газообразные отравляющие вещества, поэтому все современные МСЗ должны быть оборудованы высокоэффективными газоочистными устройствами, стоимость которых достигает 50 % общих капиталовложений на строительство МСЗ.

В России построено восемь МСЗ (три в Москве, по одному во Владимире, Владивостоке, Сочи, Мурманске, Пятигорске) и три -- на Украине (Харькове, Киеве, Севастополе).

На МСЗ сжигают доставляемый на него мусор без какой бы то ни было предварительной подготовки или обработки.

При поступлении на завод мусоровозы взвешивают на платформенных автоматических весах. Затем по эстакаде мусоровозы поступают для разгрузки в приемное помещение, оборудованное в виде холла с воротами. Несколько пунктов разгрузки предусматривают гравитационную выгрузку одновременно нескольких мусоровозов в бункер-накопитель. Мусор из бункера-накопителя частями забирает мостовой кран, оборудованный грейферным ковшом типа «Полип» вместимостью 5 м3 с гидроэлектрической системой управления. В приемном отделении под держивается некоторое разряжение воздуха за счет забора из него дутьевого воздуха для поддержания процесса горения ТБО в котлоагрегатах, что предотвращает выброс неприятных запахов и пыли за пределы отделения. Мусор из приемного бункера подают в загрузочный желоб питателя печи колоагрегата до определенной высоты. Емкость желоба образует буферный резерв питания печи. Образуемая таким образом колонна мусора обеспечивает герметичность между камерой горения и загрузочным бункером. Нижняя часть желоба защищена водяной рубашкой от перегрева в случае подъема пламени. Питатель распределяет мусор по колосниковой решетке, на которой сжигают мусор. Она является основным элементом печи.

Имеется несколько видов колосниковых решеток. Наибольшее применение получило топочное устройство, оборудованное обратно переталкивающей колосниковой решеткой системы «МАРТИН» (Германия), шириной 3 м и наклоненной под углом 26° к горизонтальной плоскости. По ширине решетка имеет одну или несколько секций, каждая из которых состоит из 13 рядов чередующихся подвижных и неподвижных колосников.

Каждый второй колосник приводится в возвратно-поступательное движение общим устройством управления. Амплитуда возвратно-поступательного движения в направлении решетки снизу вверх составляет около 400 мм, а число циклов может плавно изменяться от 0 до 60 в 1 ч.

Перемещение колосников решетки существенно влияет на процесс сжигания слоя мусора, который при каждом цикле медленно перемешивается и раскладывается по поверхности. Часть горящей массы перемещается ко входу решетки, давая запал для вновь поступающей массы мусора. Таким образом, уже в начале решетки образуется интенсивное пламя, при котором все стадии сжигания -- сушка, возгорание и сжигание -- происходят одновременно.

Благодаря наличию сильного пламени в начале решетки газы, выделяющиеся на стадии сушки, смешиваются с очень горячими газами горения и сжигания.

Мусор, сжигаемый на решетке, постепенно перемещается вниз, постоянно перемешиваясь. Сжигание мусора завершается приблизительно на 2/3 длины решетки, а на оставшейся части мусор, превратившийся в шлак, постепенно охлаждается под действием подаваемого в топку воздуха.

В горящем слое на решетке системы «МАРТИН» не образуется «кратеров», что обеспечивает почти полное сгорание отходов.

Конструкция колосниковой решетки позволяет сжигать отходы с различной теплотой сгорания (3,5... 10,5 МДж/кг) и большим (до 50 %) содержанием золы при высокой [более 400 кг/(м2 * ч)] удельной производительности. Площадь колосниковой решетки каждого агрегата 20 м2. номинальная производительность 8,33 т/ч при теплоте сгорания ТБО 6.3 МДж/кг. Гарантийный срок работы колосниковой решетки около 30 тыс. ч. Температура в топочном пространстве регулируется автоматически и состовляет выгорание твёрдых и газообразных горючих составляющих отходов.

Для обеспечения требуемого качества сжигания, т. е. для получения хорошо перегоревшего шлака, необходимо удалять его одновременно. Шлак составляет около 25 % по массе (4...5 т/ч) от общего количества сжигаемых отходов.

Для этого колосниковую решетку оснащают барабаном удаления шлака с регулируемой скоростью вращения, что позволяет и сглаживать толщину слоя мусора и шлака на решетке, а также удалять шлак в бункер шлакового экстрактора.

Горячий шлак падает в бункер, а затем в бак с водой, в котором охлаждается до 80...90 °С. Из бака шлак удаляется толкателем, который проталкивает его в желоб, установленный с обратным уклоном. Конструкция желоба позволяет, с одной стороны, уплотнять удаляемый материал без риска закупорки рабочего сечения желоба, а с другой -- стекать избыточной влаге. Таким образом, потери воды на гашение сводятся к минимуму, т. е. на испарение и на поглощение ее шлаком.

Далее охлажденный шлак по системе ленточных транспортеров проходит через виброполотно, с которого из шлака удаляют металлические частицы, для чего над ленточным транспортером устанавливают магнитный сепаратор, оборудованный мощным электромагнитом. Куски металла удаляют в специальные емкости, а освобожденный от металла шлак поступает по ленте в шлаковый отсек бункера-накопителя. Зола из-под воздушного короба и из бункеров котла удаляется вместе со шлаком.

Для обеспечения процесса горения отходов подают воздух, нагнетаемый вентилятором первичного дутья через короб, установленный под решеткой и состоящий из нескольких отсеков или зон. Каждая зона подачи воздуха под решетку обеспечивает впуск определенного количества воздуха под решетку и в слой мусора для обеспечения горения; сбор и удаление мелких частиц, просеивающихся под решетку.

В нижней части в подрешеточной зоне установлены воронки асимметричной формы, которые предназначены для сбора и удаления просева.

Дополнительно воздух подается вентилятором вторичного дутья под высоким давлением через сопла, расположенные на передней и задней стенках камеры горения, для завершения окисления и полного сжигания газов в нижней части камеры сжигания.

Рассмотренная технология слоевого сжигания отходов направлена на санитарно-гигиеническое (огневое) обезвреживание ТБО с получением тепловой энергии, которую утилизируют через котел, установленный над колосниковой решеткой.

Возможно различное использование энергии: городское отопление; пар для промышленных установок; выработка электроэнергии для собственных нужд или для сбыта в единую систему, а также их сочетание, например городское отопление плюс производство электроэнергии.

Выбору технологии обезвреживания и переработки ТБО методом сжигания предшествует детальное технико-экономическое обоснование схемы сбыта получаемой тепловой энергии, так как строительство МСЗ требует больших капиталовложений. Следует отметить, что строительство современных ТЭЦ (котельных) равноценной мощности (по производимой энергии) в 8... 10 раз дешевле.

Оптимальная схема сбыта вырабатываемой энергии -- на нужды централизованного теплоснабжения. В этом случае пар, вырабатываемый МСЗ, можно использовать для подогрева сетевой воды в специальном дополнительном подогревателе, установленном после основных подогревателей. В теплое время года пар от МСЗ частично вытесняет пар теплофикационных отборов, а в холодное время года, когда нагрузка районов превышает мощность теплофикационных отборов, восполняет часть пиковой нагрузки. Возможно также параллельное (по воде) включение тепловых магистралей ТЭЦ и МСЗ, когда подогреватели компонуют на МСЗ. В этом случае температурные графики ТЭЦ и завода совпадают. По другим схемам подогреватель МСЗ включен последовательно с основными и пиковыми подогревателями ТЭЦ, что применимо в условиях, когда МСЗ расположен вблизи транзитной магистрали ТЭЦ. Наиболее простая схема включения тепловых сетей МСЗ -- установка подогревателя последовательно на обратной линии теплосети ТЭЦ.

Во всех рассмотренных схемах потребители отопления присоединены по наиболее распространенной зависимой схеме. При независимом присоединении отопительной нагрузки или наличии контрольно-распределительного пункта параллельная работа источников теплоснабжения, в том числе МСЗ, упрощается. Еще одно условие повышения степени использования получаемого при мусоросжигании тепла (в тех случаях, когда вблизи нет сетей ТЭЦ) -- комбинированная выработка тепловой и электрической энергии. Такая схема внедряется на МСЗ № 2 в Москве после его реконструкции. Однако при таком решении утилизации тепловой энергии необходимо считаться с дополнительными капитальными затратами и эксплуатационными расходами на машинный зал, электрические сети, распределительные устройства и т. д. Кроме того, при этом котлы МСЗ должны обеспечивать пар с высокотемпературными параметрами, что может привести к интенсивной коррозии основного оборудования.

Одним из решений этой проблемы является создание турбогенераторов, работающих на низкотемпературном паре, тем более что подобные агрегаты необходимы и для других нетрадиционных источников энергии (геотермальной, солнечной и т. п.).

МСЗ проектируют и строят как обособленные предприятия, оснащенные всем необходимым оборудованием (химводоподготов- кой, деаэрационной установкой, необходимыми подогревателями, питательными насосами и т. п.). На МСЗ предусматривают также склады, служебно-бытовые помещения и т. д.

Для снижения капитальных затрат рационально совмещать на одной площадке мусоросжигательную и промышленно-отопительную котельные. Поэтому целесообразно проектировать комбинированные котельные, имеющие как котлоагрегаты, сжигающие энергетическое топливо, так и котлоагрегаты, в топках которых сжигают ТБО.

Таким образом, ТБО можно рассматривать как нетрадиционные виды топлива.

Санитарно-гигиенические требования к чистоте атмосферного воздуха постоянно повышаются. Вместе с тем, как подтверждает зарубежная практика, установки по сжиганию ТБО могут служить источником загрязнения воздушной среды взвешенными частицами золы и недожога, а также вредными газообразными примесями. Поэтому при проектировании их особое внимание уделяют совершенствованию средств по снижению выбросов вредных примесей. Физико-химические свойства отходящих газов при сжигании ТБО зависят от морфологического и фракционного составов, теплоты сгорания отходов и т. д.

Эти показатели существенно меняются в зависимости от климатических условий района и сезона года. Влажность ТБО колеблется в пределах 52...58 % в зависимости от сезона года, а содержание влаги вдымовых газах меняется в пределах 95...119 г/м3.

Существует три вида выбросов из мусоросжигательных установок: газы, выходящие из дымовой трубы; сточные воды; летучая зола и шлак.

Наиболее вредными выбросами мусоросжигательных установок считают отходящие газы и летучую золу. Поскольку основной вредной составляющей дымовых газов являются содержащиеся в них взвешенные частицы и отравляющие вещества, то их концентрацию и принимают в качестве главного показателя санитарно-гигие- нического аспекта работы таких сооружений. В большинстве стран, широко применяющих сжигание как метод обезвреживания бытовых отходов, действуют или разрабатываются законопроекты, ограничивающие выброс сжигательными установками в атмосферу вредных веществ.

Наиболее жесткие нормы, ограничивающие выброс твердых газообразных веществ, введены в Германии -- концентрация золы в дымовых газах сжигательных установок не должна превышать 100 мг/м3 (при С02 - 7 %).

Зола, образующаяся при сжигании ТБО, состоит в основном из двух компонентов: минералов и несгоревших частиц органических соединений.

Содержание недожога в процентах определяется конструктивными особенностями топочного устройства, а также технологическими условиями процесса горения. Обычно оно не превышает 2 %, а при неблагоприятных условиях может достигнуть 15 %.

Концентрация золы в дымовых газах мусоросжигательных установок составляет примерно >2...5 г/м3 сухого газа. При увеличении содержания бумаги в отходах, подвергающихся сжиганию, наблюдается более высокая концентрация золы в отходящих газах. Содержание в отходах различных твердых компонентов приводит к резкому снижению концентрации золы (до 0,5 г/м3).

От дисперсного состава золы зависит не только работа газоочистного оборудования, но и выбор средств очистки дымовых газов. Размер частиц золы уноса влияет на скорость осаждения, площадь удельной поверхности, их смачиваемость и т.д.

Распределение взвешенных частиц золы уноса в зависимости от размера частиц следующее, %: менее 5мкм -- 9...22; 5...10 мкм -- 10...16; 10...20 мкм -- 13...15; 20...30 мкм - 6...14; более 30 мкм -- 31...54. Значительные колебания процентного содержания частиц в каждой фракции объясняются непостоянством состава ТБО.

При выборе газоочистных устройств следует учитывать, что труднее всего улавливаются частицы размером менее 5 мкм, масса которых может достигать 22. ..25 % общей массы твердых примесей, содержащихся в очищаемых газах.

Выбор газоочистных устройств зависит от объема очищаемых газов, их запыленности, желаемой степени очистки (КПД улавливания), физических параметров газового потока (скорости, температуры, влажности, агрессивности), физико-химических свойств взвешенных частиц (дисперсности, слипаемости, абразивности и т. д.).

Выбирают и оценивают работу газоочистительного оборудования в первую очередь по степени очистки уходящих газов и только во вторую -- по ее стоимости.

Существует много разнообразного газоочистительного оборудования.

К группе сухих гравитационных и инерционных золоуловителей относят: пылеосадочные камеры, жалюзийные золоуловители, циклоны, групповые мультициклоны, центробежный золоуловитель, а к группе мокрых золоуловителей -- газопромыватели, в которых очищаемый газ пропускают через завесу разбрызгиваемой воды; мокрые аппараты ударно-инерционного типа, работающие по принципу инерционного осаждения частиц во время преодоления газом препятствия, смоченного жидкостью, или при резком изменении направления движения газового потока над поверхностью жидкости.

Пористые золоуловители, в частности тканевые и наполненные пористыми материалами, не получили широкого распространения, так как при относительно высокой температуре уходящих газов и высокой влажности поры быстро забиваются твердыми частицами, что приводит к большим трудовым затратам по их очистке либо к частой замене их.

К группе электростатических фильтров относят большое число аппаратов, отличающихся друг от друга только конструкцией коро- нирующих и осадительных электродов и потенциалом напряжения электрического поля, числом камер осаждения частиц, от которых зависят КПД улавливания и сепарации наиболее трудноосаждающихся частиц размером менее 5 мкм.

На крупных современных установках по сжиганию ТБО для улавливания твердых частиц, содержащихся в дымовых газах, применяют электростатические фильтраты, что позволяет улавливать (до 99,8 %) частицы практически любых размеров.

При выборе оборудования для полной очистки дымовых газов необходимо Читывать все газообразные загрязнители.

В связи с постоянным увеличением в составе отходов доли синтетических материалов в будущем вероятно резкое превышение ПДК вредных газообразных веществ в дымовых газах мусоросжигательных установок (хлористого и фтористого водорода, полициклических ароматических углеводородов).

Загрязняющие вещества воздуха образуются в результате неполного сгорания части отходов и из новых продуктов в процессе их горения. Продукты неполного сгорания включают оксиды углерода, амины, органические кислоты, полициклические ароматические соединения и т. д.

Частные выбросы могут содержать тяжелые металлы, которые при сжигании не разрушаются, и на их структуру не влияет неполное сгорание горючих веществ.

Конечными продуктами сгорания в большинстве случаев являются диоксид углерода и водяные пары.

Другие продукты образуются в меньших количествах. Хлористый водород и небольшое количество хлора образуются в мусоросжигательных установках в процессе хлорирования углеводородов, фтористый водород -- из органических фторидов, бромистый водород -- из органических бромидов, оксиды серы, главным образом диоксид серы, -- из имеющейся в отходах и дополнительном топливе серы, пятиокись фосфора--из фосфорорганических соединений, оксид азота -- при горении на воздухе из соединений азота, находящихся в материалах отходов.

Эти выбросы часто подразделяют на две категории: первая включает оксиды азота, соединения и оксиды серы; вторая -- тяжелые металлы, соединения хлора: полихлордибензодиоксины и поли- хлордибензофураны, пары кислот.

Загрязняющие вещества, относящиеся ко второй категории, наиболее токсичны и опасны даже в малых количествах по сравнению с загрязнителями, относящимися к первой категории.

Тяжелые металлы присутствуют во многих компонентах отходов. Они не влияют на процесс горения и адсорбируются на шлаке или выделяются в виде примесей на летучей золе или выхлопных газах.

Типичные металлы включают свинец, кадмий, мышьяк, ртуть, никель, ванадий и цинк. Количество выбросов зависит от содержания металлов, конструкции мусоросжигательной печи и технологических условий.

Даже при небольших концентрациях определенные тяжелые металлы могут наносить вред здоровью людей из-за высокой токсичности.

Полихлорированные дибензодиоксиды (ПХДД) и дибензофура- ны (ПХДФ) были открыты недавно как составляющие компоненты выбросов мусоросжигательных установок. Диоксиды -- один из

наиболее токсичных соединений. Фураны -- это группа элементов, родственных диоксинам, которые обладают подобными токсичными свойствами.

Впервые были обнаружены выбросы диоксинов на установке сжигания твердых отходов в г. Хамптоне, штат Вирджиния (США), что поставило под сомнение безопасность мусоросжигательных установок. ПХДД и ПХДФ образуются и распадаются в зоне горящего слоя на решетке или над горящим слоем в так называемой радиационной части котла.

Для защиты окружающего воздуха от загрязнений дымовые газы очищают. Особенно высокие требования предъявляют к очистке газов на МСЗ, расположенных среди жилой застройки.

При проектировании газоочистных установок необходимо знать физико-химические свойства летучей золы, состав дымовых газов, удельное электрическое сопротивление пыли и другие параметры.

В процессе исследования выброса МСЗ установлено, что концентрация летучей золы в дымовых газах МСЗ зависит от способа сжигания, типа колосниковой решетки, формы топочного устройства и других факторов.

На практике запыленность дымовых газов составляет 2... 15 г/нм3, но при проектировании золоулавлива- ющих аппаратов берут средние значения 5... 10 г/нм3.

На существующих МСЗ в качестве золоочистительных устройств применяют четырехпольные электростатические и тканевые фильтры, обеспечивающие достаточно высокую (до 99 % и более) степень очистки дымовых газов от пыли, но не решают проблему очистки от диоксинов, фуранов и тяжелых металлов.

Электростатические фильтры позволяют максимально автоматизировать процесс пылеулавливания и тем самым сократить расходы на обслуживающий персонал.

Как отмечено выше, дымовые газы, образующиеся при сжигании ТБО, содержат в себе следующие вредные вещества: пыль (летучая зола), тяжелые металлы, окислы серы (S02), окислы азота (Nox), окислы углерода (СО), хлористый водород (НС1), фтористый водород (HF), диоксины и фураны.

В соответствии с рабочим проектом реконструкции и расширения Московского спецзавода № 2 очистка дымовых газов после мусоросжигательного котла предполагается по двухступенчатой схеме: абсорбере (реакторе) и рукавном фильтре.

Принцип очистки дымовых газов в абсорбере основан на нейтрализации кислых газов (S02, НС1, HF) известковым молоком, распыляемым турбиной, и адсорбции тяжелых металлов на высушиваемых продуктах нейтрализации.

Реактор состоит из подводящего дымовые газы трубопровода, системы распределительных решеток; диффузора, оборудованного направляющими пластинами для создания вращательного движения дымовым газом, форсункой и турбиной, предназначенными для распыления известкового молока; трубопровода, отводящего дымовые газы из реактора к рукавному фильтру, системы шнеково- го золоудаления.

Из реактора дымовые газы поступают в импульсно-струйный рукавный фильтр, в котором улавливают летучую золу, пыль и продукты газоочистки, образующиеся в реакторе при контакте дымовых газов с известковым молоком. Пыль слоями оседает на войлочном рукавном фильтре, выполненном из тефлоновых волокон, очищая тем самым дымовые газы. Зола и пыль из-под бункеров фильтра удаляются системой шнековых и цепных транспортеров.

Во избежание налипания вредных отложений на рабочие поверхности необходимо предусматривать обогрев бункеров сбора продуктов газоочистки реакторов и рукавных фильтров, помещений шнековых и цепных конвейеров для поддержания в них температуры выше точки росы.

С целью отделения из дымовых газов диоксинов, фуранов и тяжелых металлов предусмотрена установка для подачи активированного угля в трубопровод, соединяющий мусоросжигательный котел с реактором, в котором абсорбируются на частицах активированного угля, а затем улавливаются в рукавных фильтрах.

Кроме того, предусмотрена система нейтрализации, основанная на методе высокотемпературной некатолитической очистки дымовых газов от окислов азота продуктами термического разложения карбамида (метод разработан в Государственной академии нефти и газа им. И. М. Губкина), обеспечивающего снижение их концентрации с 200 до 50 мг/нм3.

Очищенные дымовые газы удаляются в атмосферу через индивидуальные стволы общей дымовой трубы высотой 90 м.При сжигании на МСЗ ТБО без предварительной их сортировки образуется шлака на 20 % и золы на 3 % больше по сравнению с сжиганием предварительно отсортированных отходов.

Разработана технология получения из образующихся шлаков строительных материалов (шлакоблоков), которая позволяет утилизировать их до 80 %, а оставшиеся 20 % использовать в качестве инертного материала, направляемого на полигоны захоронения ТБО для санитарной послойной изоляции отходов.

Золу, получаемую при очистке дымовых газов, обрабатывают и дезактивируют по процессу «SEALOSAFE», который предусматривает нейтрализацию золы кислотой и отверждение ее цементом с пуццолановым реактивом, после чего золу отправляют на полигоны захоронения промышленных отходов.

Для работы МСЗ необходимо снабжение их тепловой и электрической энергией, а также дополнительным энергетическим топливом, что должно быть предусмотрено еще на стадии проектирования и строительства.

При этом максимальная мощность источников энергии определяется по максимальной потребности завода во время будущей эксплуатации с учетом последующего расширения.

Для сбора сточных вод необходимо подсоединение завода к сетям водостока и канализации. Существуют различные способы чистки канализации.

Потребность МСЗ в воде (с использованием котлоагрегатов) определяется потерями конденсата с паром (1...7 %) в зависимости от паропроизводительности котлов. Потери сетевой воды принимают 1...2 % расхода тепловых сетей в сутки.

Расход воды на хозяйственные нужды принимают около 0,2 м3 на 1 т сжигаемых отходов; на охлаждение шлака -- 0,3...2 м3 на 1 т сжигаемых отходов в зависимости от конструкции шлакоудалителя. При эксплуатации МСЗ должна быть предусмотрена система оборотного водоснабжения.

Потребность в электрической энергии для МСЗ составляет 20...45 кВт * ч на 1 т отходов при средней потребности 35 кВт * ч на 1 т (по отходам) и зависит от установленной мощности МСЗ, применяемых вспомогательных устройств (например, для дробления крупногабаритных отходов, обработки подлежащего использованию шлака и т. д.).

Для растопки МСЗ используют газ или жидкое топливо, которые необходимы также для поддержания достаточной для горения температуры, если теплота сгорания отходов ниже 5040 кДж/кг.

В отдельных случаях энергетическое топливо используют для регулирования требуемой производительности пара котлов.

Площадь территории, отводимой под МСЗ, определяют из расчета 20...50 м2 при работе в три смены и производительности 1 т/сут (меньшие значения принимают для установок производительностью более 500 т/сут, большие -- 100...500 и менее 100 т/сут).

Оптимальные условия строительства заводов по сжиганию ТБО с утилизацией тепловой энергии: наличие гарантированных потребителей электрической или тепловой энергии в комплексе с подстраховывающей ТЭЦ или котельной, наличие шлакоотвала или потребителя шлака в качестве вторичного сырья не далее 10 км от завода и численности обслуживаемого населения не менее 350 тыс. чел.

В мире работают более 1000 мусоросжигательных заводов. Преимущества этого метода: сокращение до 10 раз объема отходов, стерилизация материала (Т ,= 1000°С), возможная рекуперация получаемого тепла.

Недостатки: вредные выбросы в атмосферу, уничтожение ценных компонентов, плохое качество выделяемого из шлака обгоревшего металлолома, достаточно высокий (30 % по массе) выход шлака, сложность и дороговизна импортного оборудования и дефицит запчастей, убыточность (высокие эксплуатационные затраты).

Главный недостаток МСЗ -- это выделение в атмосферу вредных и токсичных веществ.

Особую опасность представляет диоксин, образующийся при сгорании пластмасс и химикатов, содержащихся в ТБО. Диоксин столь вреден, что ПДК того яда для взрослого человека не должна превышать одной миллиардной доли миллиграмма на 1 кг, что приблизительно равно массе бактерии.

Для младенцев поступление этого яда с молоком матери или пищей вообще недопустимо.

Процесс аналитического определения диоксина в отходящих газах достаточно трудоемок и очень дорогой. Диоксины весьма стойки: период их полураспада -- 25 лет.

Кроме того, в золе и шлаках МСЗ обнаружены высокие концентрации токсичных металлов и даже радиоактивных элементов.

Источником этих загрязнений являются батарейки, аккумуляторы, люминесцентные лампы, краски и другие материалы, присутствующие в мусоре.

Содержащиеся вдымовых газах тяжелые металлы (свинец, цинк, кадмий, ртуть) находятся в водорастворимой форме и представляют экологическую опасность, так как смываются дождем в землю и проникают в грунтовые воды, с которыми поступают затем в зоны водозабора питьевой воды.

Все применяемые способы очистки отходящих газов отличаются высокой стоимостью, конструктивной сложностью, требуют применения материалов, стойких к коррозии.

Однако отсутствуют системы, улавливающие диоксин, ртуть. Поэтому в мировой практике наметилась тенденция отказа от сжигания ТБО. Так, закрыты заводы в Финляндии, Японии, США. Против таких заводов выступает общественность ФРГ.

Из 12 заводов, построенных в б. СССР, только один -- Владимирский -- работает на отечественном оборудовании, остальные -- куплены за валюту за рубежом и большинство из них физически и морально устарели.

Все эти заводы работают за счет большой дотации и постепенно прекращают свою деятельность. МСЗ, построенный в г. Ростове-на-Дону, демонтируют по требованию общественности.

В итоге сжигание неподготовленных отходов наносит определенный вред здоровью человека и природной среде, несмотря на постоянное совершенствование. Поэтому в последнее время предлагают новый метод сжигания отходов -- в ванне расплава при температуре около 1500 °С.

2.2 Классификация методов термической переработки ТБО

Термические процессы, осуществляемые при температурах менее 1300°С, применяют наиболее часто.

Наиболее распространенные в практике процессы - слоевое сжигание при температуре 900-1000°С и сжигание в кипящем слое при температуре 850-950°С - требуют принудительного перемешивания и перемещения материала.

Весьма перспективный процесс сжигания-газификации отходов в плотном слое реализуется без принудительного перемешивания и перемещения материала.

Таблица 3.1

Классификация методов термической переработки ТБО

№п/п	Группа (температура процесса)	Подгруппа (принципиальный характер процесса)	Вид (применяемая технология)
1.1	Слоевое сжигание с принудительным перемешиванием и перемещением материала	Термические процессы при температурах ниже температуры плавления	а) на переталкивающих решетках б) на валковых решетках в) во вращающихся барабанных печах
1.2		Сжигание шлака в кипящем слое	а) в стационарном кипящем слое б) в вихревом кипящем слое в) в циркулирующем кипящем слое
1. 3		Сжигание- газификация в плотном слое кускового материала без принудительного перемешивания и перемещения материала	а) паро-воздушная газификация (процесс Института проблем химической физики РАН в Черноголовке)
2. 1	Термические процессы при температурах выше температуры плавления	Сжигание в слое шлакового расплава	а) с использованием обогащенного кислородом дутья (процесс Ванюкова) б) с использованием в качестве дутья природного газа (фьюминг-процесс) в) с использованием электрошпакового расплава
2.2		Сжигание шлака в плотном слое кускового материала и шлаковом расплаве без принудительного перемешивания и перемещения материала	а) доменный процесс (с использованием подогретого до 1000°С воздуха)
2.3		Комбинированные процессы	а) пиролиз-сжигание пирогаза и отсепарированного углеродистого остатка с использованием необогащенного дутья (процесс «Siemens») б) пиролиз-газификация (получение синтез-газа при совместной термообработке пирогаза, отсепарированного от металлов углеродистого остатка и минеральных компонентов) с использованием обогащенного кислородом дутья (процесс «Noell») в) пиролиз-газификация (получение синтез-газа при совместной термообработке пирогаза, углеродистого остатка и минеральной фракции) с использованием обогащенного кислородом дутья (процесс «Thermoselect»)

3. Материалы из шлаковых расплавов

К основным направлениям переработки металлургических шлаков наряду с производством вяжущих, заполнителей и бетонов на их основе относится получение материалов из шлаковых расплавов -- шлаковой ваты, литых материалов, стекла и шлакоситаллов.

Эти строительные материалы объединяют общность сырьевой базы, включающей шлаки черной и цветной металлургии, стекловидная или стеклокристаллическая структура, возможность изготовления их непосредственно из шлаковых расплавов.

Шлаковая вата -- это разновидность минеральной ваты, занимающей ведущее место среди теплоизоляционных материалов как по объему выпуска, так и по строительно-техническим свойствам.

Примерно 80% минеральной ваты производится из доменных шлаков. Производительность печей для получения минерального расплава из металлургических шлаков на 24% выше, чем на природном сырье, а себестоимость значительно ниже.

Для получения минеральной ваты наряду с доменными шлаками применяются также ваграночные, мартеновские и шлаки цветной металлургии.

Химический состав шихты подбирается в соответствии с условиями достижения оптимальной величины вязкости расплава.

Рекомендуется такой состав шихты, при котором вязкость расплава не превышала бы 0,5 Пас при 1500 °С и 1,5 Пас при 1400 °С. При такой вязкости обеспечиваются достаточная текучесть и необходимые условия получения кондиционного минерального волокна.

Вместе с тем при чрезмерно низкой вязкости затрудняется вытягивание длинных волокон.

Условия раздува расплава, диаметр и длина волокон зависят также от скорости нарастания вязкости при снижении температуры и отношения вязкости к силам свободной энергии поверхности расплава, т. е. от поверхностного натяжения.

Основным критерием качества шлаков, как сырья для производства минеральной ваты, является значение модуля кислотности Мк -- величины, обратной модулю основности. Минеральная вата марки 100 по средней плотности имеет Мк> 1,4, а марки 75 -- Мк > 1,5.

Требуемое соотношение кислотных и основных оксидов в шихте обеспечивается применением кислых шлаков. Кислые шлаки более устойчивы против распада, недопустимого в минеральной вате. Повышение содержания кремнезема расширяет температурный интервал вязкости, т. е. разность температур, в пределах которых возможно волокнообразование. Модуль кислотности шлаков корректируется введением в шихту кислых или основных добавок.

В качестве кислых добавок обычно применяют бой глиняного или силикатного кирпича, золу теплоэлектростанций, различные кремнеземистые горные породы, а основными являются доломиты и известняки.

Для шлаков, содержащих повышенное количество оксидов железа и марганца, дополнительной качественной характеристикой является коэффициент насыщения, представляющий собой отношение суммы процентного содержания Si02 + A1203 к суммарному процентному содержанию прочих оксидов. Этот коэффициент при плавке шихты в вагранках составляет 1,5--2.

Технологический процесс производства шлаковой ваты ( 2.13), как и других разновидностей минеральной ваты, состоит из двух основных стадий: получения расплава и переработки его в волокно. Из шлаковой ваты с помощью органических и неорганических вяжущих или без них изготавливают разнообразные теплоизоляционные изделия и материалы.

Для получения шлаковых расплавов применяют печи шахтного типа (вагранки) и ванные печи. При использовании вагранок в верхнюю их часть периодически загружается газопроницаемая шихта. Оптимальная величина кусков шлака и кокса составляет 50--70 мм. Шихта опускаясь вниз, расплавляется. Продукты горения топлива поднимаются вверх и передают тепло расплавляемому материалу.

Наиболее выгодным шлаковым сырьем является литой шлаковый щебень. Использование его вместо несортированных шлаков повышает производительность вагранок на 30%.

В последние годы для плавления шлаков применяют ванные печи, тепловой КПД которых составляет 35--45%, в то время как у вагранок он 16--25%.

Наиболее эффективным способом производства ваты является ее получение непосредственно из первичных шлаковых расплавов доменных печей. Расплавленный шлак подогревается в ванных печах до требуемой температуры; здесь же корректируется его состав. Производство минеральной ваты из огненно-жидких шлаков на 30--50% экономичнее, чем из холодных при плавке в вагранках. Затраты условного топлива на получение 1 т продукции из жидких шлаков в 4-- 7 раз ниже, чем при плавлении шихты из горных пород.

Шлаковый расплав превращают в минеральное волокно, воздействуя на него потоком пара, воздуха или газа (дутьевой способ) или центробежной силой (центробежный способ). Дутьевой способ получения шлаковой ваты заменяется на центробежный и комбинированный способы, позволяющие получить длинноволокнистую вату с плотностью до 100 кг/м3 и минимальным содержанием неволокнистых включений.

Вату в зависимости от назначения изготавливают трех типов: для производства плит повышенной жесткости из гидромассы, плит горячего прессования, полусухого прессования марки 200 и других изделий на синтетическом связующем -- А; плит марок 50, 75, 125, 175, цилиндров, полуцилиндров на синтетической связующем, матов, шнуров и волокна -- Б; плит на битумном вяжущем -- В.

Технические показатели ваты указаны в табл. 2.13. Содержание органических веществ в вате должно быть не более 2%. Допустима изоляция поверхностей с температурой не более 700 °С.

На основе минеральной ваты изготавливают изделия различной формы с использованием в качестве связующих синтетических полимеров, битумов, эмульсий и паст. Основными видами изделий являются мягкие, полужесткие и жесткие плиты, цилиндры, полуцилиндры.

3.1 Шлаковое литье

Огненно-жидкие шлаки металлургической промышленности представляют собой ценное сырье для получения различных литых шлаковых материалов и изделий (мелкоштучных, крупноразмерных фасонных изделий и труб и др.). Технология их производства проста и в общем виде может быть представлена в следующей последовательности: металлургическая печь, загрузочный ковш, миксер (с подогревом) для шлакового расплава, литейные формы, печь для кристаллизации и отжига изделий, место для их сортировки, склад готовой продукции. В производстве литых материалов и изделий используются кислые доменные или другие любые шлаки, не склонные к силикатному распаду.

Качество литых шлаковых изделий зависит от многих факторов: вида и химического состава шлака, температуры расплава, скорости заливки его в формы, длительности охлаждения, режима отжига и др. Отклонения от оптимального режима технологии изготовления изделий приводят к возникновению в них трещин. Литые шлаковые изделия обладают высокой прочностью.

...