Использование твердых бытовых отходов для производства топлива с целью получения энергии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Белорусский национальный технический университет

Санкт-Петербургский национальный минерально-сырьевой

Горный университета

Использование твердых бытовых отходов для производства топлива с целью получения энергии

Карпунин Иван Иванович

доктор технических наук, профессор,

Карпунин Александр Витальевич,

инженер кафедры общей и физической химии

В странах ЕС предусмотрены следующие принципы обращения с твердыми бытовыми отходами: 1) предотвращение и сведение их к минимуму; 2) селективный сбор с сортировкой их в пунктах сбора, а также вторичное использование (утилизация) полезных составляющих ТБО (твердых бытовых отходов). Кроме того, термолиз и сжигание не утилизируемых веществ, а также безопасное захоронение негорючих не утилизируемых фракций.

Возрастание интереса к биологической массе связано с переработкой твёрдых бытовых отходов, так как при переработке утилизируемых веществ ТБО важная роль отводится производству топлива, которое можно использовать для производства энергии. В состав ТБО входят бумага и картон, которые представляют сырье пригодное для производства биологического топлива, которое так необходимо для энергетики.

В настоящее время имеются необходимые предпосылки при использовании ТБО для производства топлива. Во-первых, экологические проблемы, связанные с использованием ископаемого топлива, во-вторых, наличие в России и Республике Беларусь достаточного ресурса лесной и сельскохозяйственной биологической массы, которая имеет особое значение для производства энергии, в-третьих, создание отрасли, позволяющей перерабатывать различные отходы растительного сырья, (а также содержащихся в ТБО) позволит снизить проблему энергетической зависимости.

В связи с повышением стоимости энергетического сырья (нефти, газа и др.) имеются предпосылки и идеи для создания и внедрения альтернативных источников энергии, которые основаны на использовании продуктов ТБО и отходов пищевой и производства продукции сельского хозяйства.

При использовании биологической массы ТБО биогаз можно рассматривать в качестве дополнительного источника для обеспечения проблемы снабжения газом областных и межрегиональных центров, а в будущем - для укрупненных мегаполисов. Это также будет способствовать значительному улучшению экологической обстановки с уменьшением ТБО. При этом появятся возможности уменьшения стоимости электроэнергии и газа.

Статья посвящена исследованию влияния времени нахождения исходного сырья (макулатуры) в свалке в условиях складирования, содержащегося в ТБО, на выход биогаза в зависимости от содержания в нем целлюлозы, лигнина и гемицеллюлоз.

Нашими исследованиями [1] установлено влияние количественного содержания компонентов в макулатуре на её качественные показатели, используемой для изготовления упаковки.

В отношении лигнина следует отметить, что, по сравнению с целлюлозой и гемицеллюлозами, он устойчив к разложению [1-3]. Это способствует меньшему разрушению макулатуры и несколько снижает выход биогаза при его получении.

Гемицеллюлозы макулатуры также влияют на выход биогаза, но влияние их количества изучено недостаточно. Однако, по сравнению с целлюлозой, они легко гидролизуются кислотами. В литературе не имеется также данных о влиянии содержащихся в целлюлозе макулатуры гемицеллюлоз на её качественные показатели и выход биогаза.

Цель проведенных исследований - изучение влияния количества лигнина и гемицеллюлоз, содержащихся в целлюлозе макулатуры, а также химического состава гемицеллюлоз на физико-механические показатели макулатуры и выход биогаза.

В исследуемых образцах макулатуры, находящихся в искусственно созданных условиях увлажнения (22-24⁰С при постоянной влажности 45-50% в течение 0; 30, 180 и 400 суток) определяли количество содержания лигнина и гемицеллюлоз [7], степень полимеризации целлюлозы [4], содержащейся в макулатуре, а также выход биогаза. Полученные результаты представлены в табл. 1.

Количественное содержание глюкозы, маннозы, ксилозы, арабинозы, галактозы в гемицеллюлозах определяли согласно методике, изложенной в [14, 15, 17].Полученные результаты представлены в табл. 2.

Количество карбонильных и карбоксильных групп определяли в образцах согласно [7, 8]. Результаты проведенных исследований представлены в табл. 3.

Определение физико-механических показателей проводили согласно ГОСТ 13525-1-79. Полученные результаты представлены в табл. 4.

Для характеристики целлюлозы и гемицеллюлоз определяли их молекулярную массу согласно [9]. Результаты проведенных исследований представлены в табл. 5.

Таблица 1

Изменение количества лигнина, целлюлозы, гемицеллюлоз степени полимеризации целлюлозы в макулатуре при нахождении её в условиях складирования

Таблица 2

Количество глюкозы, маннозы, ксилозы, арабинозы и галактозы в гемицеллюлозах, выделяемых из макулатуры

Таблица 3

Количество карбонильных и карбоксильных групп в целлюлозе макулатуры при нахождении её в созданных условиях складирования

Таблица 4

Изменение физико-механических показателей макулатуры в зависимости от времени нахождения её на свалке в складе

Таблица 5

Молекулярная масса целлюлозы и гемицеллюлоз

Из полученных результатов, представленных в табл. 1, следует, что со временем, при нахождении макулатуры в одинаковых условиях, в ней уменьшается количество целлюлозы и гемицеллюлоз, что характерно для свалки. В то же время (с учётом уменьшения количества указанных углеводов) в макулатуре возрастает содержание лигнина. Это свидетельствует о том, что при большем нахождении макулатуры в созданных условиях уменьшается количество полимеров углеводной части, что приводит к её ослаблению, снижению физико-механических показателей и повышению выхода биогаза. Проведенные испытания макулатуры на физико-механические показатели показывают (табл. 4), что разрывная длина, число двойных перегибов и сопротивление продавливанию уменьшаются, что объясняется разрушением углеводов - целлюлозы и гемицеллюлоз по мере её нахождения в свалке. Так, например, разрывная длина макулатуры при нахождении её в свалке 400 суток уменьшилась на 20%, сопротивление продавливанию - на 42%, раздиранию - на 40%, число двойных перегибов - 54%. При этом в результате действия микроорганизмов возрастает уменьшение содержания углеводной части в макулатуре за счет деструкции ее углеводов и повышается выход биогаза. Приведенные результаты указывают на возможность использования полученного из макулатуры биогаза в качестве топлива.

Из табл. 2 следует, что в зависимости от времени нахождения макулатуры в свалке уменьшается количество глюкозы, маннозы, ксилозы, арабинозы и галактозы, что свидетельствует об уменьшении содержания целлюлозы и гемицеллюлоз: маннана, ксилана, арабана и галактана. Изменение количества маннозы, ксилозы, арабинозы и галактозы в целлюлозе свидетельствует о снижении их доли при уменьшении содержания целлюлозы с нахождением макулатуры в свалке на складе. При этом снижается общее количество углеводов.

Результаты, представленные в табл. 3, показывают, что при нахождении макулатуры в созданных условиях, характерных для свалки, происходит окисление и деструкция углеводов макулатуры с образованием карбоксильных и карбонильных групп, что подтверждает результаты, представленные в табл. 3 и 4. Окисление целлюлозы приводит к уменьшению её степени полимеризации и количества в ней углеводов (табл. 1), что приводит к снижению физико-механических показателей макулатуры (табл. 4.).

Из полученных результатов, представленных в табл. 1, следует, что при нахождении макулатуры в созданных условиях складирования происходит снижение степени полимеризации целлюлозы, содержащейся в макулатуре, количества целлюлозы в макулатуре, уменьшение количества гемицеллюлоз, что приводит к возрастанию количества лигнина (за счёт уменьшения доли углеводов в макулатуре). Это приводит к ухудшению физико-механических показателей макулатуры (разрывной, длины, сопротивления продавливанию, числа двойных перегибов, сопротивления раздиранию). В отношении изменения содержания лигнина в макулатуре (в условиях свалки при складировании) следует отметить, что его содержание в ней также влияет на изменение физико-механических показателей. Из литературных источников [5, 6] известно, что содержание лигнина в целлюлозе влияет на качественные показатели целевого продукта. Применительно к условиям нахождения макулатуры в условиях свалки снижение содержания степени полимеризации целлюлозы, целлюлозы в макулатуре и гемицеллюлоз в целлюлозе превалирует над возрастанием содержания лигнина в макулатуре. В итоге это приводит к снижению физико-механических показателей макулатуры в созданных условиях ее складирования. Проведенные исследования (табл. 5) по определению молекулярной массы целлюлозы и гемицеллюлоз показывают, что при нахождении макулатуры в свалке на складе в указанных выше условиях снижается их молекулярная масса.

Таким образом, полученные результаты показывают, что при нахождении макулатуры в свалке при условиях складирования происходят процессы деструкции и окисления углеводов, приводящие к уменьшению её физико-механических показателей. При этом следует заметить, что погодные условия влияют на качество макулатуры. С возрастанием температуры и влажности физико-механические показатели макулатуры будут ухудшаться больше, но при этом происходить разложение органического вещества с выделением большего количества биогаза. При нахождении макулатуры в свалке с уменьшением содержания целлюлозы и гемицеллюлоз происходит снижение их молекулярной массы и возрастание выхода биогаза. Возрастание выхода биогаза объясняется протеканием реакций разложения макулатуры содержащихся в ней органических веществ: лигнина, целлюлозы и гемицеллюлоз. При этом по сравнению с лигнином большему разложению подвергается углеводы, содержащиеся в макулатуре.

отходы вторичный макулатура биогаз

Литература

1. Карпунин И.И, Кузьмич В.В., Балабанова Т.Ф., Червинский В.Л. Влияние содержания лигнина, гемицеллюлоз и целлюлозы в макулатуре на качественные показатели в зависимости от времени нахождения её на складах. // Весцi Aкадэмii навук Беларусi. Сер. хiм. навук. №4.- 2010.

2. Шарков В.И. и др. Химия гемицеллюлоз. М.: Лесн. пром.1972-440 с.

3. Никитин Н.И. Химия древесины и целлюлозы. М.-Л.АН СССР.1962- 710 с.

4. Болотникова Л.С., Данилов С.Н., Самсонова Т.И. Метод определения вязкости и степени полимеризации целлюлозы // Журн. прикл. химии.- т.39,№1.-1966.-С.176-180.

5. Непенин Ю.Н. Производство сульфатной целлюлозы. Технология целлюлозы. М.: Лесн. пром. т. 2.-1990- 599 с,

6. Непенин Н.Н., Непенин Ю.Н. Очистка, сушка и отбелка целлюлозы. Прочие способы производства целлюлозы. М.: Экология. Т. 3.-1994-592 с.

7. Оболенская А.В., Ельницкая З.П., Леонович А.А. Лабораторные работы по химии древесины и целлюлозы. М.: Лесн. пром. -1991.- 320 с.

8. Закис Г.Ф., Можейко Д.Н., Телышева Г.М. Методы определения функциональных групп лигнина. Рига.- 1975.- 174 с.

9. Рафиков С.Р., Павлова С.А. Твёрдохлебова. Методы определения молекулярных весов и полидисперсности высокомолекулярных соединений. М.: Изд.АН СССР. 1983.- 335 с.

Размещено на Allbest.ru