Размещено на http://www.allbest.ru/

Выпускная квалификационная работа магистра

по направлению 280700.68 «Техносферная безопасность»

тема: «Исследование возможности переработки опасных отходов плазменным методом»

Оглавление

• Введение
• Глава 1. Проблемы переработки опасных отходов в РФ и за рубежом
• 1.1 Основные определения
• 1.2 Характеристика отходов
• 1.3 Классификация отходов
• 1.4 Управление отходами
• 2. Основы плазмотермических методов переработки опасных отходов
• 2.1 Обоснование и выбор схемы переработки твердых отходов
• 2.2 Плазменные методы переработки бытовых отходов на мировом рынке
• 2.3 Технологическая схема переработки бытовых отходов
• 2.4 Высокотемпературная переработка отходов
• 2.5 Плазмотермическая переработка бытовых отходов в России
• Глава 3. Современная технология для переработки опасных отходов
• 3.1 Переработка медицинских и биологических отходов плазменным методом. Камерная печь. (Новая разработка Белоруссии)
• 3.2 ФГУП МОС «Радон» Установка «Плутон» (Сергиев Посад)
• Глава 4. Экологические аспекты
• 4.1 Новые технологические схемы переработки отходов
• 4.2 Шахтные печи для термической обработки ТБО Выбросы в атмосферу
• 4.3 Преимущество технологии
• 4.4 Условия в России для внедрения технологии плазменной газификации
• 4.5 Маркетинговые преимущества технологии
• 4.6 Система плазменных горелок
• 4.7 Установка разделения воздух
• 4.8 Охлаждение газа, очистка от пыли и хлороводорода
• 4.9 Удаление примесей и контроль выбросов
• Заключение

Введение

«Согласно оценкам экспертов, около 15 % территории Российской Федерации по экологическим показателям находится в критическом состоянии. И бездействие может привести к необратимым последствиям для окружающей среды. Главными причинами таких проблем называют несовершенство системы природоохранного регулирования, несовершенство системы обращения с отходами в РФ, неэффективность управленческих и контрольных функций государства, слабые стимулы для использования современных чистых и так называемых зеленых технологий.

Распространённое в России удаление отходов на свалки (полигоны) следует рассматривать как вынужденное сиюминутное решение, в принципе противоречащее экологическим требованиям.

Принято Постановление Правительства Московской области от 30.09.2010г о «Строительстве на территории Московской области сети заводов плазменной газификации промышленных и бытовых отходов для производства электроэнергии».

Актуальность проблемы.

Рынок переработки ТБО в России практически неразвит вообще, о чем свидетельствует сложившаяся в стране крайне нерациональная система обращения с ТБО:

• Захоронение на полигонах/ свалках - 90-92% ТБО (36-37 млн. тонн в год), сжигание - не более 1.8% ТБО (~700 тыс. тонн в год), промышленная переработка - 3-4% ТБО (1.2-1.6 млн. тонн в год).

• Отсутствие системы раздельного сбора мусора.

• Высокие затраты на сбор и переработку отходов потребления (инфраструктура, трудоемкость сортировки, значительный расход энергии, примеси).

• Низкая конкурентоспособность и обеспеченность промышленности России сырьевыми ресурсами.

• Свалки мусора считаются наиболее экономичным способом избавления от отходов.

• Наличие нелегальных свалок.

Цели работы

Разработка комплексно - эффективной и экологически чистой технологии для уничтожения накопившихся отходов и накапливаемых вновь. Эти цели реализуются следующим образом:

Усовершенствование системы обращения отходами за счет:

• Утилизации отходов производства и потребления.

• Закрытия и переработки существующих и старых полигонов

• Снижения рисков экологической безопасности

• Максимально эффективного получение из отходов товаров и услуг потребления

Глава 1. Проблемы переработки опасных отходов в РФ и за рубежом

1.1 Основные определения

С каждым годом проблема твердых бытовых отходов становится все более серьезной. В России ежегодно образуется около 130 млн. м³ твердых бытовых отходов. Из этого количества промышленной переработке подвергается не более 3%, остальное вывозится на свалки и полигоны для захоронения. Утилизируемые отходы представляют собой серьезный источник загрязнения, однако при правильной организации управления отходами они могут являться неиссякаемым источником ресурсов.

Также одним из насущных экономических вопросов настоящего времени выступает вопрос вовлечения в хозяйственный оборот твердых бытовых отходов. Данная проблема связана с тем, что значительная часть твердых бытовых отходов является искусственно произведенными материалами, которые не могут быть самостоятельно превращены факторами природной среды в ее естественные компоненты. В то же время твердые бытовые отходы являются неисчерпаемым источником вторичных материальных ресурсов, которые весьма эффективно заменяют природные ресурсы в процессе производства.

Сложность этой проблемы состоит также в том, что разработка и производство новых материалов, а также изменение ассортимента потребляемой продукции опережают развитие технологий их вторичного использования или утилизации. Особенно это проявляется при утилизации твердых бытовых отходов на мусоросжигающих заводах, где из безобидных и нейтральных материалов могут образоваться высокотоксичные соединения.

Следует отметить, что низкий уровень вовлечения в хозяйственный оборот твердых бытовых отходов порожден не только технологическим развитием общества, но и сложившимися стереотипами культуры их обращения в быту, а также относительно поздним осознанием необходимости управления ими и отсутствием квалифицированных специалистов.

Рыночные теории предполагают в перспективе возможность увеличения использования отходов через экономические регуляторы. Однако в настоящее время ввиду несовершенства рыночного механизма сектор обращения отходов не может регулироваться только рыночными методами, безусловным остается присутствие государства в управлении отходами. Тем не менее проблеме управления вовлечением в хозяйственный оборот твердых бытовых отходов уделяется недостаточное внимание. Все вышеизложенное определяет актуальность темы исследования.

1.2 Характеристика отходов

В общем, отходами называются продукты деятельности человека в быту, на транспорте, в промышленности, не используемые непосредственно в местах своего образования и которые могут быть реально или потенциально использованы как сырье в других отраслях хозяйства или в ходе регенерации.

Отходы потребления -- непригодные для дальнейшего использования по прямому назначению и списанные в установленном порядке машины, инструменты, бытовые изделия.

К твердым бытовым отходам (ТБО) относятся отходы, образующиеся в жилых и общественных зданиях, торговых, зрелищных, спортивных и других предприятиях (включая отходы от текущего ремонта квартир), отходы от отопительных устройств местного отопления, смет, опавшие листья, собираемые с дворовых территорий, и крупногабаритные отходы. Такое определение соответствует зарубежному термину «твердые муниципальные отходы» (Municipal Solid Waste). ТБО классифицируют по источникам образования, по морфологическому составу, по степени опасности, по направлениям переработки и т. д. Юридической основой для классификации ТБО в России служит Федеральный классификационный каталог отходов (ФККО), который классифицирует отходы по происхождению, агрегатному состоянию и опасности

Твердые бытовые отходы (ТБО) у нас в Российской Федерации представляют собой грубую механическую смесь самых разнообразных материалов и гниющих продуктов, отличающихся по физическим, химическим и механическим свойствам и размерам. ТБО, собранные у нас, перед их переработкой необходимо обязательно подвергнуть сепарации по группам, если таковая имеет смысл (для небольших жилых объектов; отдельных лечебных, оздоровительных и других подобных учреждений; поселков и мелких городов сепарация ТБО по группам, по-видимому, экономически нецелесообразна).

1.3 Классификация отходов

По происхождению:

-отходы производства (промышленные отходы)

Промышленные отходы -- твердые отходы, полученные в результате жизнедеятельности производства (не использованные остатки сырья, возникающие в ходе технологических процессов).

Отходы, не используемые в рамках данного производства, но применяемые в других производствах, являются вторичным сырьём.

-строительные отходы

Строительные отходы -- образуются в результате строительно-монтажных работ, работ по ремонту зданий, сооружений дорожной инфраструктуры, а также при их сносе. Состоят из боя кирпича, застывшего раствора в кусковой форме, щебня, древесных отходов, металлического лома, промышленной тары и др. Класс опасности 3-4.

-отходы потребления (коммунально-бытовые)

Отходы потребления образуются в промышленности и в быту.

Твердые бытовые отходы -- образуются в жилом секторе, в предприятиях торговли, административных зданиях, учреждениях, конторах, дошкольных и учебных заведениях, культурно-спортивных учреждениях, железнодорожных и автовокзалах, аэропортах, речных портах. Кроме того к ТБО относятся крупногабаритные отходы, дорожный и дворовый мусор. Состоят из бумаги, пластмассы, мебели, стекла, одежды и вещей, отслуживших свой срок, пищевых отходов. Класс опасности 4-5.

По агрегатному состоянию:

· Твердые

· Жидкие

· Газообразные

По классу опасности для окружающей природной среды:

1й -- чрезвычайно опасные

2й -- высоко опасные

3й -- умеренно опасные

4й -- малоопасные

5й -- практически неопасные

Таблица Классификация отходов

Класс опасности отхода для окружающей природной среды	Степень вредного воздействия опасных отходов на окружающую природную среду	Критерии отнесения опасных отходов к классу опасности для окружающей природной среды
I КЛАСС Чрезвычайно опасные	Очень высокая	Экологическая система необратимо нарушена. Период восстановления отсутствует
II КЛАСС Высокоопасные	Высокая	Экологическая система сильно нарушена. Период восстановления не менее 30 лет после полного устранения источника вредного воздействия
III КЛАСС Умеренно опасные	Средняя	Экологическая система нарушена. Период восстановления не менее 10 лет после снижения вредного воздействия от существующего источника
IV КЛАСС Малоопасные	Низкая	Экологическая система нарушена. Период самовосстановления не менее 3-х лет
V КЛАСС Практически не опасные	Очень низкая	Экологическая система практически не нарушена.

Таблица Классификация медицинских отходов

Категория опасности	Характеристика морфологического состава
	Отходы, не имеющие контакта с биологическими жидкостями пациентов, инфекционными больными, нетоксичные отходы. Пищевые отходы всех подразделений ЛПУ кроме инфекционных (в т.ч. кожно-венерологических фтизиатрических). Мебель, инвентарь, неисправное диагностическое оборудование, не содержащие токсичных элементов. Неинфицированная бумага, смет, строительный мусор и т.д.
	Потенциально инфицированные отходы. Материалы и инструменты, загрязненные выделениями, в т.ч. кровью. Выделения пациентов. Патологоанатомические отходы. Органические, операционные отходы (органы, ткани и т.п.). Все отходы из инфекционных отделений (в т.ч. пищевые). Отходы из микробиологических лабораторий, работающих с микроорганизмами 3-4 групп патогенности. Биологические, отходы вивариев.
	Материалы, контактирующие с больными особо опасными инфекциями. Отходы из лабораторий, работающих с микроорганизмами 1-4 групп патогенности. Отходы фтизиатрических, микологических больниц. Отходы от пациентов с анаэробной инфекцией.
	Просроченные лекарственные средства, отходы от лекарственных и диагностических препаратов, дезсредства, не подлежащие использованию, с истекшим сроком годности. Цитостатики и другие химпрепараты. Ртутьсодержащие предметы, приборы и оборудование.
	Все виды отходов, содержащие радиоактивные компоненты.

Твердые бытовые отходы (ТБО) после сепарации (если таковая целесообразна) следует подразделять на следующие группы.

А. Отходы из природных материалов (ОПМ)

1. Пищевые (гниющие) отходы.

2. Отходы медицинских, лечебных, научно-исследовательских организаций, в том числе хирургии и стоматологии, а также возможно отходы лечебных ветеринарных учреждений.

3. Полимерные отходы из природных материалов, в том числе отходы древесины, картона, целлюлозно-бумажные, оберточные материалы.

Б. Производственные отходы.

1. Металлические отходы.

2. Отходы отработанных химических источников тока (ОХИТ).

3. Бой стекла и стеклопосуды.

4. Отходы полимерных материалов синтетической химии, в том числе резина и резино-технические изделия и все оберточные материалы и полимерная тара из продуктов синтетической химии.

5. Радиоактивные отходы.

Существуют рассчитанные на год нормы накопления бытовых отходов на одного человека, на одно место в гостинице, на квадратный метр торговой площади магазина и т. д. В крупных городах на нормы накопления мусора, как правило, влияют уровень развития легкой и пищевой промышленности, индустрии упаковочных материалов, климатическая зона и, конечно же, менталитет и благосостояние населения. В промышленных городах центральной части России норма отходов на душу населения оценивается сейчас в 225-250 килограммов в год. Для сравнения: в развитых европейских странах, таких как Бельгия, Великобритания, Германия, Дания, Италия, Нидерланды, Швеция, Швейцария, Япония, этот показатель уже в 1995-1996 годах достиг 340-440 килограммов, в Австрии и Финляндии - свыше 620, а в США превысил 720 килограммов на одного человека в год.

Постоянные компоненты бытовых отходов, обычно попадающие в дворовые контейнеры, - бумага, картон, пищевые остатки, текстиль, древесина, листва, черный и цветной металл, кости, стекло, кожа, резина, камни, керамика, полимерные материалы. Зачастую туда же выбрасываются крупногабаритные отходы: строительный мусор, отслужившая свой век мебель, бытовая техника и другие. Многие отходы токсичны. Только одна «пальчиковая» батарейка заражает солями тяжелых металлов и химикатами 20 кубометров мусора, а с разбитыми термометрами и ртутьсодержащими приборами на свалки ежегодно попадает большое количество ртути, во Франции эта цифра подсчитана - 5 тонн.

Последние 20-25 лет при более или менее постоянном составе всех прочих компонентов в общей массе отходов растет доля полимерных материалов. В промышленно развитых странах, таких, как Япония и государства Европейского Союза, она наибольшая - 10-15%, в Москве - всего 6%, но рост налицо: в 1960 году доля полимеров в бытовых отходах столицы составляла 0,7%. Это, очевидно, связано со все большим применением полимерной упаковки, которая в 1960-х годах была большой редкостью.

1.4 Управление отходами

Управление отходами в России на федеральном уровне составляет основу организационно-правового механизма деятельности по обращению с отходами. Однако в зависимости от уровня управленческой иерархии (субъект РФ, муниципальное образование, конкретное предприятие) этот механизм приобретает свои особенности.

В соответствии со ст. 6 Федерального закона «Об отходах производства и потребления» от 24 июня 1998 г. № 89-ФЗ к полномочиям субъектов РФ в области обращения с отходами относятся:

· проведение мероприятий по предупреждению и ликвидации чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера, возникающих при осуществлении обращения с отходами;

· разработка и реализация региональных программ в области обращения с отходами, участие в разработке и выполнении федеральных целевых программ в данной области;

· участие в проведении государственной политики в области обращения с отходами на территории соответствующего субъекта РФ;

· принятие в соответствии с законодательством России собственных законов и иных нормативных правовых актов субъектами РФ, контроль за их исполнением;

· осуществление государственного контроля за деятельностью в области обращения с отходами на объектах хозяйственной и иной деятельности, за исключением федеральных объектов;

· участие в организации обеспечения населения информацией в области обращения с отходами.

Таким образом, в каждом субъекте РФ разрабатываются, принимаются и реализуются региональные программы по управлению отходами на территории данного субъекта РФ. Считается, что в настоящее время существуют два основных пути решения проблемы обезвреживания отходов на региональном уровне: переработка на мусоросжигательных и мусороперерабатывающих заводах и захоронение на оборудованных полигонах с последующей рекультивацией их территорий.

Первый способ в большинстве субъектов РФ сейчас мало приемлем вследствие высокой стоимости, как правило, импортных заводов, недостаточной разработанности отечественной технологии переработки отходов, также невозможности обеспечения экологических требований российского законодательства при эксплуатации таких заводов. При этом, к сожалению, на сегодняшний день продолжается «интервенция» иностранных технологий по термической переработке ТБО. Например, подарок одной из американских фирм администрации г. Череповца - две установки по сжиганию ТБО, не прошедшие государственной экологической экспертизы.

Считается, что сейчас самое главное в данном вопросе не техническое решение, а создание организационной системы взаимодействия свалок и окружающих (вмещающих их) территорий. Эта система должна создать, во-первых, условия, делающие экономически выгодным применение новейших технологий утилизации мусора и других отходов, и, во-вторых, закрепить эти условия соответствующими правовыми механизмами хотя бы на региональном уровне.

Поэтому в настоящее время задача региональных органов государственной власти и местного самоуправления - формировать на своих территориях целостную систему управления отходами, которая должна опираться на федеральные нормативные правовые акты, учитывать региональную специфику экологических проблем, обоснованно применять экономические механизмы, использовать современные технологии управления.

Управление отходами должно включать в себя организацию их сбора, удаления (транспортирования), переработки и захоронения, а также реализацию мероприятий по уменьшению количества отходов, направляемых на переработку и захоронение.

Минимизация количества отходов, направляемых на объекты их переработки и захоронения, решается в мировой практике на основе включения в схему управления операций сортировки ТБО и других отходов, выделения ресурсов, пригодных для дальнейшего использования.

Считается, что сегодня принципиально возможны три взаимодополняющих друг друга направления сепарации отходов:

· селективный покомпонентный сбор бытовых отходов у населения в местах образования с последующей «доводкой до кондиции» компонентов на специальных сортировочных установках (пунктах);

· селективный пофракционный сбор в местах образования так называемых коммерческих отходов, образующихся в нежилом секторе населенных пунктов (отходы рынков, магазинов, учреждений, школ и других организаций непроизводственного сектора), с последующим извлечением из них ценных компонентов на специальных объектах;

· сортировка промышленных отходов в заводских условиях с возможностью их дальнейшей комплексной переработки.

Селективный сбор у населения отходов потребления (макулатура, текстиль, пластмассы, стеклотара и пр.) практикуется во многих странах. Такой подход позволяет предотвратить попадание в ТБО ряда ценных компонентов, перерабатываемых или используемых повторно, а также опасных компонентов. Раздельный сбор вторичного сырья позволяет добиться значительного сокращения объемов ТБО, что существенно снижает загрузку полигонов по захоронению отходов, уменьшает число стихийных свалок, оздоровляет экологическую обстановку. Дальнейшая переработка собираемого таким образом сырья является экологичным, энерго- и ресурсосберегающим производством, ведет к экономии ценнейшего, а подчас стратегически важного сырья.

При этом возможны такие варианты организации селективного сбора ТБО в местах их образования, как чисто селективный (покомпонентный) сбор отходов в различные контейнеры и так называемый коллективно-селективный сбор ряда компонентов в один контейнер.

Одним из важнейших мероприятий в области с обращения с отходами, в том числе ТБО, является вариант раздельного сбора вторичного сырья с помощью организации стационарных и передвижных пунктов приема.

В российских условиях в ближайшее время сложно организовать повсеместный селективный сбор отходов потребления у населения. Это объясняется неподготовленностью наших граждан к раздельному накоплению ТБО или ручной их сортировке перед утилизацией в соответствующие контейнеры, отсутствием соответствующих условий и технического обеспечения (например, специализированных контейнеров), наличием в жилых домах «интегрирующих» мусоропроводов и др. Поэтому сейчас более предпочтителен не покомпонентный, а пофракционный сбор «коммерческих» бытовых отходов с направлением обогащенных фракций на специальные государственные или муниципальные комплексы по сортировке и переработке таких отходов, создание которых не требует очень больших капиталовложений.

В то же время остается актуальным создание (точнее, восстановление существовавших в советское время) пунктов приема вторсырья от населения, а также организация в порядке эксперимента в отдельных регионах (прежде всего в крупнейших мегаполисах - Москве и Санкт- Петербурге) контейнерного сбора отдельных компонентов от населения. В итоге одновременно будут обеспечиваться получение ценной, пользующейся спросом, продукции и сокращение количества отходов, направляемых на захоронение или сжигание.

Наладить раздельный сбор мусора населением - еще не все. Надо создать сеть специальных предприятий по утилизации отходов. Необходимы предприятия для переработки разных видов отходов: дерева, полиэтилена, алюминиевых банок, отслуживших кино- и фотоматериалов и даже изъятых из оборота отслуживших информационных компьютерных носителей, которых становится все больше. Необходима комплексная городская программа по сбору вторсырья, которая свяжет воедино работу всех звеньев, всех организаций - административных, воспитательных, финансовых, производственных. Будут перерабатывающие мощности - востребуется и раздельный сбор отходов населением.

Сортировке на специальных объектах после фракционного сбора должны подвергаться исключительно отходы нежилого сектора (торговых и других предприятий непроизводственной сферы, административных учреждений, учебных заведений и т. п.), характеризующиеся повышенным содержанием незагрязненной макулатуры, металлов, пластмассы и низким содержанием пищевых остатков (см. таблицу).

Чтобы решить имеющиеся проблемы, внедряется принципиально новый подход, который основан не только на задачах охраны окружающей среды, но и на поиске механизма получения прибыли от крупномасштабной механизированной переработки отходов. Для этого создается специализированная отрасль обращения с отходами, в которой основным звеном являются муниципальные заводы по переработке отходов. Однако в настоящее время такие заводы не имеют экономической самостоятельности из-за несовершенной тарифной политики и неэффективной системы управления. Тем не менее, постепенно осуществляется переход к инновационному типу управления, базирующемуся на нововведениях, обеспечивающих прогрессивное развитие отрасли.

Рисунок 1.1 Основные компоненты управления отходами.

2. Основы плазмотермических методов переработки опасных отходов

2.1 Обоснование и выбор схемы переработки твердых отходов

Москва -- современный, быстро растущий и развивающийся мегаполис, но, как и во многих городах не только России, но и мира, проблема уничтожения отходов является приоритетной. Система обращения с отходами лечебно - профилактических учреждений (ЛПУ) в городе требует незамедлительного пересмотра. Несмотря на то, что медицинские отходы составляют лишь 2 % от общей массы твердых бытовых отходов (ТБО), опасность данного вида отходов не вызывает сомнений, а если процентное соотношение перевести в реальные цифры -- до 30 тысяч тонн эпидемиологически опасных отходов в год -- с тенденцией к интенсивному росту, то данная проблема должна искать незамедлительно решения. Увеличивающиеся объемы опасных отходов представляют серьезную опасность населению и окружающей среде.

Как было отмечено на V Международной конференции «Проблемы обращения с отходами лечебно-профилактических учреждений» [7], несмотря на проводимую ЛПУ города работу по сбору, хранению, транспортированию и уничтожению медицинских отходов в соответствии с имеющимися нормативными требованиями, положение дел остается неудовлетворительным. Опасность существующей системы заключается в дальнейшем загрязнении окружающей среды и как следствие несет реальную угрозу здоровью нынешнего и будущего поколений. Ситуация осложняется отсутствием специализированного оборудования по обеззараживанию отходов классов «Б» и «В» в местах образования, отсутствием специализированного транспорта и единой, систематизированной схемы вывоза отходов, а также отсутствием специализированных полигонов захоронения опасных медицинских отходов. На практике вывоз и захоронение отходов ЛПУ нередко осуществляется в общем потоке с ТБО.

В Москве с каждым годом растет число потенциальных источников отходов здравоохранения (ЛПУ, учреждения скорой помощи, учреждения судебной мед. экспертизы, НИИ медицинского профиля, санитарно-профилактические учреждения, станции переливания крови, микробиологические, биохимические и физические лаборатории, аптеки, медицинские училища и др.). Современный уровень медицины помогает справиться с неизлечимыми ранее болезнями. Однако новые эпидемии могут прийти, откуда не ждут ? из мусорного бака. Недостаточная утилизация отходов ЛПУ может спровоцировать распространение чумы и СПИДа.

Из множества различных методов обработки отходов здравоохранения только термические гарантируют полную дезинфекцию и уничтожение. К таким методам относятся непрямое, двухступенчатое сжигание в бескислородной атмосфере -- пиролиз. Основными средствами реализации на российском рынке выступают установки «ЭЧУТО», «Турмалин», «Мюллер» и плазмотермические установки. Обеззараживание химическими или физическими методами с помощью таких средств как химический утилизатор «Sterimed-junior», термохимические утилизаторы «Newster», СВЧ-установки УОМО-01/150, стерилизаторы «Steriflash» и «ЭКОС» Т-300, технологии автоклавирования «Sterival» и т.д. может и должно применяться, но только в качестве звена в цепочке обращения с медицинскими отходами.

Термическая обработка отходов - одна из наиболее распространенных и эффективных технологий, позволяющих значительно сокращать объем отходов. Недостатком традиционной термической обработки (огневого обезвреживания) отходов является образование пылящего и непригодного для вторичного использования продукта - золы, которая концентрирует в себе токсичные элементы. Различные методы дальнейшего кондиционирования зольного остатка требуют создания дополнительных промышленных устройств, транспортирования зольного остатка на переработку, внесения дополнительных материалов и в конечном итоге существенного увеличения энергетических затрат. Использование для нагрева печей и камер дожигания дымовых газов устройств сжигания углеводородных жидких или газовых топлив с избытком воздуха приводит к образованию больших объемов дымовых газов, нуждающихся в очистке от токсичных химических веществ и летучей золы перед выбросом в атмосферу, эффективность сжигания органических компонентов отходов обеспечивается также за счет двух-, трехкратного избытка воздуха, подаваемого в камеру дожигания.

В связи с этим в последние годы в мировой практике обращения с ТБО наметилась устойчивая тенденция перехода от технологий огневого обезвреживания, не обеспечивающих надежной экологической безопасности для населения и окружающей среды, к технологиям высокотемпературной плазмотермической переработки отходов. Эти технологии гарантируют существенное сокращение выбросов в атмосферу диоксинов и фуранов (наиболее токсичных переработки отходов) до экологически и санитарно-гигиенически безопасных уровней, а также радикальное решение проблемы избавления от золошлаковых отходов, образующихся при традиционных способах огневого обезвреживания ТБО.

Современные плазменные методы прямой переработки токсичных отходов позволяют получать зольный остаток в виде продукта, пригодного для складирования, транспортирования или повторного использования. Кроме того, преимуществом плазменной технологии перед обычными методами сжигания являются как повышенные коэффициенты сокращения объема отходов и снижения объемов образующихся твердых остатков, так и получение продукта (зольного остатка) в виде плавленого шлакового компаунда, обладающего высокой химической стойкостью к агрессивным воздействиям окружающей среды.

Многолетние научные исследования и опытные работы по моделированию и испытанию плазменных процессов позволили создать технологию и оборудование, позволяющие проводить глубокую термическую переработку токсичных отходов различного происхождения. Отходы содержат, как горючие, так и негорючие (до 40-50 % масс.) компоненты, что позволяет получать из последних плавленый шлак - чрезвычайно устойчивый к агрессивным воздействиям и механически прочный конечный продукт - с возможностью фиксации в шлаковом компаунде не менее 90 % токсичных компонентов.

Это делает разработанную технологию привлекательной не только в экологическом отношении, но и в экономическом аспекте. Плавленый шлак, близкий по своим свойствам к стеклу или керамике, практически является предельно достижимым по своим свойствам (плотности, химической стойкости) состоянием неорганического остатка переработки любых смешанных отходов.

Анализ морфологии поступающих на переработку и захоронение токсичных отходов показал, что количество отходов, пригодных для переработки в шахтных плазменных печах, в десятки раз выше, чем пригодных для сжигания в топливных печах. Разработанные варианты плазменных технологий позволяют эффективно перерабатывать практически все опасные промышленные, медицинские и бытовые отходы.

В условиях густонаселенного города, где на счету каждый квадратный метр земли, очень сложно выделить площади даже под маломасштабные пиролизные установки, у которых санитарно-защитная зона 30 м., хотя основной и порой непреодолимой преградой встает недостаточное финансирование. Однако в Москве должно существовать предприятие по централизованному уничтожению опасных отходов, и в этом случае пиролизные установки должны уступить место более производительным (до 4000 т. в сутки) плазменным установкам.

2.2 Плазменные методы переработки бытовых отходов на мировом рынке

опасный отход переработка плазменный

Анализ работ по применению плазменных методов в технологии переработки отходов, выполненных ведущими мировыми фирмами, дает возможность судить о перспективности этого направления. В настоящее время в мире более 30 компаний специализируются на разработке плазменных технологий и оборудования для переработки и уничтожения токсичных отходов различного происхождения. А количество организаций, использующих разработки плазменных технологий и оборудования для переработки отходов различного происхождения в США, Германии, во Франции, в России, Белоруссии, Чехии, Италии, Израиле, Бразилии, Канаде, Китае, на Тайване, в Индии, Австралии и ряде других стран, примерно на порядок больше исходя из технологических и коммерческих соображений, фирмы по-разному представляют и рекламируют результаты своих работ.

Так, известная американская фирма West- inghouse (USA) приводит параметры своих плазменных установок (для переработки отходов), которые имеют производительность в диапазоне от 24 до 220 т в день. Она производит и поставляет на мировой рынок стационарные и мобильные плазменные комплексы для переработки и уничтожения различных отходов.

Одной из крупнейших европейских компаний является Europlasma Group (Франция), поставляющая на рынок ЕС и стран Юго-Восточной Азии плазменные установки производительностью от 5 до 70 т в день.

Компания Tetronics Ltd (Великобритания) - мировой лидер в области разработки, изготовления и поставки электродуговых генераторов постоянного тока (DC) для широкого спектра приложений, включая рекуперацию ТБО, переработку опасных отходов, восстановление металлов и других производственных процессов. Компания организует работу с клиентами с помощью полного обеспечения производственного цикла утилизации отходов, образующихся на предприятиях, начиная с испытаний материалов на испытательном центре Tetronics Ltd и заканчивая разработкой и поставкой на предприятия заказчика установки с полной коммерческой комплектацией. Компания также осуществляет последующую техническую поддержку и сервисное обслуживание. В течение последних десятилетий ее технологии широко используются более чем в 80 производствах (для обширных и разнообразных наборов приложений). Вероятно, в это количество входят не только плазменные комплексы, но и отдельно плазменные нагревательные устройства - плазмотроны, которые входят в состав разработанных технологических установок.

Достаточно широко на мировом рынке представлены разработки фирмы Prometron Technics Corporation (Япония), которая ранее сотрудничала с российскими и белорусскими организациями по разработке плазменной шахтной печи для переработки медицинских отходов. Проект плазменной шахтной печи разработан в Белоруссии, комплектация частично осуществлена российским и белорусским оборудованием остальное подобрано в Японии Плазменная шахтная печь смонтирована в муниципальном госпитале г. Токио. Сейчас эта компания стабильно работает на рынке производства плазменного оборудования (не только для переработки медицин ких отходов) совместно с фирмами США и Канады.

К современным разработкам относится и оборудование фирмы E.S.1 (Израиль) - мобильные плазменные установки, которые успешно работают не только в Израиле, но и в странах - членах ЕС.

Следует отметить, что некоторые фирмы указывают не только мощность и производительность своего плазменного оборудования, но и его стоимость. Так, например, стоимость установки мощностью 100 кВт составляет примерно 1 млн долл., стоимость установки мощностью 1 000 кВт - примерно 10 млн долл. Таким образом, стоимость 1 кВт мощности установки составляет примерно 1 тыс. долл. Это дает возможность судить и об экономической эффективности плазменных методов.

Однако основным сдерживающим фактором для более широкого применения и использования плазменных технологий, по мнению как сторонников, так и оппонентов, являются их стоимость и недостаточно большой ресурс работы генераторов низкотемпературной плазмы - плазмотронов.

В тематическом обзоре «Переработка отходов в термической плазме» указывается, что по определению экономика переработки и уничтожения отходов должна иметь отрицательное значение, то есть быть затратной. Но несмотря на это, плазменная технология, которая добавляет значение стоимости энергозатрат вследствие увеличения температуры процесса, в конечном итоге снижает стоимость утилизации отходов. Это происходит за счет снижения капитальных затрат, уменьшения технологических стадий процесса и материалоемкости оборудования. Кроме того, конечная стоимость переработки и уничтожения отходов различного происхождения, конечно, связана с законодательством, действующим в каждой конкретной стране, и является более высокой для опасных отходов, чем для других видов отходов.

Сравнение плазменных технологий с другими технологиями переработки и уничтожения отходов показывает, что в большинстве случаев их основными преимуществами являются снижение количества отходящих газов, уменьшение габаритных размеров и сокращение инвестиционных затрат. Кроме того, следует отметить более высокую мобильность плазменных установок, быстрый запуск (остановка) и выход на технологический режим.

Очевидно, что технология плазменной обработки отходов более выгодна там, где надо перерабатывать токсичные отходы, стоимость хранения которых высока и экологически опасна, или там, где имеют место жесткие стандарты на выбросы, что делает низкотемпературное сжигание отходов дорогим. Как правило, это относится к опасным отходам, в частности к радиоактивным отходам среднего и низкого уровня активности, к медицинским и биологическим отходам, содержащим радионуклиды и токсичные компоненты, и пр.

Стоимость процесса рассматривается как функция ежедневной производительности, основанной на показателе 30 тыс. т отходов в год, то есть 100 т в день. Если производство работает 24 ч в сутки, а комплекс обслуживается четырьмя сменами операторов, где каждая смена состоит из 3 чел. Показано, что технология уничтожения отходов является экономически целесообразной даже без учета возможности утилизации тепловой энергии отходящих газов.

Зависимость удельной стоимости (долл. США на тонну отходов) от удельной производительности (тонна в день) показана на диаграмме, представленной на рисунке 1.2. Очевидно, что (для всех составляющих стоимости) итоговая цена переработки и уничтожения отходов с помощью плазменных методов снижается при увеличении производительности комплекса.

Рис. 1.2 Зависимость удельной стоимости переработки отходов от суточной производительности производства : 1 - общие затраты; 2 - стоимость электроэнергии; 3 - стоимость обслуживания; 4 - накладные расходы; 5 - амортизационные расходы; 6 - техническое обслуживание и ремонт

И это снижение весьма существенно, в 5-6 раз. Также в обзоре [1] указывается на универсальность технологии: с помощью применения плазмы достигается высокая степень обезвреживания отходов, образующихся в различных секторах экономики, включая галогеносодержащие органические соединения, медицинские отходы, слаборадиоактивные отходы, бытовые отходы и пр., на которые установлены жесткие нормы ПДК в воздухе, воде, почве. При этом следует учитывать, что переработка таких отходов осуществляется в любом их виде (твердые, пастообразные, жидкие, газообразные, органические и неорганические). Разработанные и предлагаемые для реализации ведущими мировыми фирмами (Westinghouse Plasma Corporation, Tetronics Ltd, Phoenix Solutions Co., RETECH, Inc., Integrated Environmental Technologies, Pyrogenesis Corp.) технологии удовлетворяют всем экологическим требованиям.

В России, так же как и в ранее упомянутых странах, применение низкотемпературной плазмы рассматривается как одно из перспективных направлений в области утилизации опасных отходов.

2.3 Технологическая схема переработки бытовых отходов

Получение газообразного топлива из углей, а также из твердых веществ, включающих как органическую, так и неорганическую составляющую (в том числе из промышленных, радиоактивных и бытовых отходов) - в настоящее время актуальная задача. Получаемые горючие газы (пирогаз) могут быть использованы в энергетических (для газовых турбин и котельных установок) и в технологических (производство целевых продуктов) целях.

Одним из возможных путей газификации твердых органических веществ является использование шахтных реакторов. При этом в некоторых случаях представляет интерес жидкое шлакоудаление, позволяющее использовать получаемый экологически чистый шлак для производства строительных материалов.

Такой процесс требует газообразного окислителя, в качестве которого могут выступать кислород, воздух и водяной пар. Причем для получения высококалорийного газа количество воздуха должно быть минимальным ввиду значительной концентрации в нем азота. Для обеспечения жидкого шлакоудаления и поддержания температурного уровня процесса, целесообразно иметь повышенную температуру в окислительном дутье.

Рис. 1.3 Установка термического обезвреживания (пиролиз -- газификация): 1, 5 -- гидроцилиндры; 2 -- загрузчик; 3 -- плазмотрон; 4 -- задвижка; 6 -- бункер; 7 -- питатель; 8 -- взрывной клапан; 9 -- подвод сжатого воздуха для охлаждения (Z)_y = 20); 10 -- запорные устройства; 11 -- выпускной лоток; К --контрольные точки

В этой связи возможным вариантом такого процесса является использование электродугового плазмотрона для нагрева воздуха. Это позволяет, с одной стороны, обеспечить необходимую энергию для плавления неорганической части сырья, а с другой -- поддерживать требуемый температурный уровень процесса при не очень больших расходах воздуха. Наиболее перспективно использовать этот процесс для газификации остекловывания бытовых и промышленных отходов. В этом случае использование плазмотрона позволяет поддерживать жидкое шлакоудаление при наличии практически любых органических включений (и получать экологически чистый шлак, пригодный для изготовления стройматериалов). Кроме того, при наличии в отходах хлора восстановительная среда, образующаяся в процессе газификации, предотвращает образование диоксинов. Преимуществом этого процесса является также существенно меньшее количество подлежащих очистке газов (по сравнению с процессом сжигания отходов). При этом теплотворная способность получаемых горючих газов позволяет во многих случаях получать такое количество энергии, которое не только компенсирует затраты энергии в плазмотроне, но может отпускаться внешним потребителям (особенно при использовании современных газотурбинных установок с высоким КПД).

2.4 Высокотемпературная переработка отходов

· Плазменные источники энергии

В последние годы в зарубежной и отечественной технической литературе появилось огромное количество публикаций в основном рекламного характера по использованию плазменных источников энергии в установках высокотемпературной переработки различных органических отходов. Рассмотрим основные варианты использования плазменных источников энергии в технологиях высокотемпературной переработки и обезвреживания твердых бытовых, промышленных и медицинских отходов.

В практике высокотемпературной переработки органических отходов нашли широкое применение три метода:

1) сжигание, заключающееся в огневой окислительной обработке отходов продуктами сгорания дополнительного топлива. При этом токсичные органические компоненты подвергаются полному окислению с образованием СО2, Н2О, N2, а минеральные составляющие извлекаются в виде твердых продуктов или расплава;

2) пиролиз - процесс термического разложения органических отходов без доступа окислителя, в результате которого образуются твердый углеподобный остаток и пиролизный газ, содержащий высококипящие смолообразные вещества. Теплота сгорания газа около 13-21 МДж/м³. При низких температурах пиролиза (около 400?600 °С) образуется больше жидких смолообразных продуктов, а при высоких (около 700?900 °С) - больше газообразных продуктов;

3) газификация - процесс термической обработки органических отходов окислителем (воздухом, кислородом, водяным паром, углекислым

газом или их смесью) с расходом ниже стехиометрического, с получением генераторного газа (синтез-газа) и твердого или расплавленного минерального продукта.

Рассмотрим основные варианты использования плазменных источников энергии в технологиях высокотемпературной переработки и обезвреживания твердых бытовых, промышленных и медицинских отходов:

· Плазменная ликвидация супертоксикантов

Жидкие и диспергированные (пылевидные) твердые отходы, содержащие стойкие органические загрязнители, могут подвергаться обезвреживанию непосредственно в плазменной дуге [1]. При температурах выше 4 000°С за счет энергии электрической дуги в плазмотроне молекулы кислорода и отходов расщепляются на атомы, радикалы, электроны и положительные ионы. При остывании в плазме протекают реакции с образованием простых соединений СО₂, Н₂О, HCl, HF, P₄O₁₀ и др. Степень разложения полихлорированных дибензодиоксинов и фуранов (ПХДД и ПХДФ), полихлорбифенилов (ПХБ), хлор-, фтор-, сера-, фосфорсодержащих пестицидов достигала 99,9999 %. Испытания, включающие деструкцию смесей CCl₄ с метилэтилкетоном и водой и деструкцию трансформаторного масла, содержащего 13-18 % ПХБ и столько же трихлорбензола, показали, что эффективность уничтожения хлорсодержащих компонентов превышала 99,9995 % [1].

При обезвреживании хлорсодержащих отходов в результате разрушения химических связей между атомами исходных соединений в плазме образуется большое количество ионов хлора, которые при медленном остывании отходящих газов (отсутствии их эффективной закалки) взаимодействуют с ионами углерода, кислорода и водорода, вновь образуя вторичные супертоксиканты, в том числе диоксины и фураны.

Сотрудниками Института металлургии Уральского отделения РАН в 2007 г. разработан способ утилизации жидких отходов, содержащих ПХБ, заключающийся в предварительном их испарении и подаче непосредственно в струю плазмообразующего газа [2].

Ввод отходов осуществляется совместно с нейтрализующим агентом - негашеной известью, измельченной до крупности менее 74 мкм. Связывание хлора в CaCl₂ предотвращает синтез вторичных органических супертоксикантов.

Рис. 1.4 Технологическая схема установки плазменной переработки пестицидов

ФГУП «Инженерный центр имени М. В. Келдыша» (бывший НИИ тепловых процессов) разработал технологию и реактор (рисунке 2.3.1) для плазменной переработки пестицидов.

Отличительная особенность этой технологии - нейтрализация кислотных газов в системе мокрой очистки за ступенью закалки отходящих газов.

Высокие затраты энергии и сложность аппаратурного оформления реакторов ограничивают возможности широкого применения способа окислительного обезвреживания отходов непосредственно в плазменной струе. Более перспективным является применение способа с впрыском жидких отходов в плазменную струю для переработки отходов в восстановительной среде в целях получения ценных товарных продуктов.

В России был разработан и доведен до стадии опытно-промышленных испытаний пиролиз жидких хлорорганических отходов в низкотемпературной восстановительной плазме, позволяющий получать ацетилен, этилен, хлористый водород и продукты на их основе [3].

Принципиальная схема плазмохимической установки для переработки хлорорганических отходов в органические продукты приведена на рис. 2.3.3.

Рис. 1.5 Принципиальная схема плазмохимической установки хлорорганических отходов

Технологический процесс состоит из следующих стадий:

• пиролиза отходов;

• очистки газов пиролиза от гомологов ацетилена и углеводородов С₃С₄

• синтеза хлорорганических продуктов.

Пиролиз отходов осуществляется в плазмоагрегате, состоящем из плазмотрона 2, плазмохимического реактора 3, закалочного устройства 4. Питание плазмотрона осуществляется от системы электропитания 1.

Плазмоагрегат работает следующим образом: плазмообразующий газ нагревается в плазмотроне до среднемассовой температуры порядка 3 200  -

4 700°С, затем в виде низкотемпературной плазмы поступает в плазмохимический реактор, куда форсунками впрыскиваются хлорорганические отходы. Полученный газ подвергают скоростной закалке в закалочном устройстве, а затем охлаждают, очищают от сажи, осуществляют селективную очистку от гомологов ацетилена и углеводородов С₃, С₄. Очищенный газ направляют на синтез хлорорганических продуктов.

Производительность установки по отходам - 750 кг/ч, энергозатраты на переработку отходов - не более 2 кВт-ч/кг. Процесс является замкнутым, безотходным, рентабельным и применятся в химической и нефтехимической промышленности.

Рис. 1.6 Установка высокотемпературного обезвреживания опасных отходов

· Воздействие на слой токсичных отходов ударной плазменной струи

В 1990-х гг. фирма MGC Moser - Glaser (Швейцария) разработала и внедрила в г. Мюттенце установку высокотемпературного обезвреживания опасных отходов мощностью 1 т/ч (рис. 3). Технология получила название «Плазмокс»[4]. Центральным элементом установки является центрифуга с установленной в ней плазменной горелкой. Отходы в бочках подаются питателем в медленно вращающуюся водоохлаждаемую центрифугу, где распределяются на поду печи. Плазменная горелка постоянного тока мощностью 1,2 МВт нагревает плазменной горелкой. Отходы в бочках попадаются питателем в медленно вращающуюся водоохлаждаемую центрифугу, где распределяются на поду печи.

Рис. 1.7 Плазменная печь фирмы EUROPLASMA для переработки токсичной золы МСЗ

Плазменная горелка постоянного тока мощностью 1,2 МВт нагревает материал и разрушает токсичные органические вещества. На поду образуется расплав минеральных компонентов с температурой около 1 600 °С. Термическая деструкция органических компонентов осуществляется главной плазменной горелкой. Образующиеся газы через пережим, в котором устроена еще одна горячая зона, с помощью второй плазменной горелки мощностью 0,3 МВт поступают в окислительную камеру, где находятся в течение 2 с при 1 200 °С.

Технология и установка плазмохимического уничтожения ПХБ-содер- жащих конденсаторов предложена американской фирмой Retech Systems LLC. Плазменно-дуговая центробежная установка (Plasma Arc Centrifugal Treatment System, РАСТ-8; цифра 8 соответствует диаметру центрифуги в футах; (1 фут = 0,3048 м) разрабатывалась фирмой с 1985 г. [5].

ПХБ-содержащие конденсаторы измельчаются в специальном устройстве и шнековым питателем подаются в первичную камеру переработки. В реакционную зону первичной камеры подаются кислород (воздух) и отходы, на которые воздействует поток плазмы из электродугового плазмотрона. При высокой температуре в первичной камере переработки (температура в реакционной зоне - до 1 300 °C) происходит деструкция ПХБ (пиролиз и сжигание) и плавление неорганических компонентов отходов. В результате образуются газообразные отходы, направляемые на дальнейшую переработку, и шлак.

При вращении центрифуги происходит равномерный прогрев и перемешивание отходов и шлакового расплава, благодаря чему достигается высокая степень деструкции ПХБ и других токсичных компонентов отходов. В установке РАСТ-8 используется оригинальная система формирования факела плазмы с использованием водоохлаждаемых электродов.

Газообразные отходы поступают во вторичную камеру переработки. Все газы, выходящие из первичной камеры, должны выдерживаться в этой камере при температуре не ниже 980°С не менее 2 с при концентрации кислорода не менее 6 %.

...