Технология сжигания твердых бытовых отходов



Переработка и утилизация отходов является одной из самых актуальных и требующих особого внимания проблем не только в нашей стране, но и во всем мире. В основном это касается крупных, а также стремительно развивающихся густонаселенных городов, где накапливается огромное количество твердых бытовых отходов (ТБО). Каждый год в нашей стране скапливается 140 миллионов кубометров ТБО, из которых лишь 3 % подвергаются переработке, что является недопустимым. Остальная часть отходов вывозится на специальные полигоны, предназначенные для захоронения, или же на свалки. Отличительной чертой ТБО является то, что они содержит высокий процент горючей составляющей, содержащейся в таких компонентах как резина, бумага, шлаки, дерево и т. д. В связи с этим люди стали задумываться об использовании отходов в качестве источника энергии. Данная идея является решением двух самых распространенных проблем нашего времени: получение энергии и утилизации отходов. Конечно же, сжигание ТБО имеет не только преимущества, но и существенные негативные последствия, сложности в осуществлении. Принцип работы мусоросжигательных заводов, достоинства и недостатки сжигания ТБО, методики сжигания, известность и распространенность метода в современном мире — именно этим вопросам уделяется особое внимание.

С целью избавления от твердых бытовых отходов существуют несколько широко распространенных способов утилизации ТБО:

1. Захоронение на специальных полигонах;
2. Переработка для получения недорогого сырья;
3. Сжигание.

Каждый способ имеет свои отличительные технологические черты и свой набор достоинств и недостатков в реализации и эксплуатации. Сжигание является первостепенным методом, который будет рассматриваться далее.

Сжигание отходов считается самым простым, известным, технически налаженным и, что самое главное, традиционным способом уничтожения ТБО, который применяется человечеством долгое время. Огромное количество промышленных отходов также подвергается утилизации путем сжигания. В Европейских странах сжигается около 25 % объема образующихся горючих отходов. В России сжигается около 2,3 % бытового мусора.

Для строительства мусоросжигательного завода (МСЗ) требуется существенные капитальные вложения (в 8–10 раз дороже, чем строительство современных ТЭЦ равноценной мощности), в связи с чем необходимо детальное технико-экономическое обоснование схемы сбыта получаемой тепловой энергии для окончательного выбора метода сжигания. Таким образом, наличие гарантированных потребителей электрической или тепловой энергии, наличие шлакоотвала или потребителей шлака в качестве вторичного сырья не далее, чем 10 км от МСЗ, численность обслуживаемого заводом населения не менее 350 тыс. чел. являются самыми оптимальными и достаточными условиями для строительства МСЗ с дальнейшим использованием тепловой и электрической энергии [1].

Одним из способов переработки отходов является популярный и применяемый на практике метод пиролиза. Сущность метода заключается в том, что в камере без доступа воздуха происходит нагрев заранее подготовленного сырья до определенной температуры (300–600^оС). Образующиеся при данном нагреве газы направляются в теплообменник, в котором при пониженной температуре происходит их частичная конденсация в жидкое печное топливо. Некондиционированные летучие газы направляются в специальный дожигатель.

В термохимических реакциях участвуют все составляющие элементы твердого топлива, за счет чего в отходящих газах отсутствуют смолы, углерод, а также тяжелые металлы. Котельная, которая функционирует на твердом топливе, не нуждается в таких установках как дымососы и других устройствах, которые нуждаются в регулярном обслуживании и существенных затратах электроэнергии. Необходимо и достаточно проводить профилактические работы всего лишь один раз в два месяца, причем работы допускается проводить при работающем устройстве. Более того, профилактические работы могут быть выполнены обычным кочегаром. Установка пиролизных печей непосредственно на территории городов может стать решением для ряда проблем в области не только энергетики, но и чистоты соответствующих городов. Методика пиролизного сжигания ТБО хорошо известна (с начала двадцатого века в России) и не таит в себе никаких секретов и тайн. Существует большое количество конструктивных решений данного вопроса. Самые эффективные и экономически целесообразные из данного множества — печи средней и малой мощности. В качестве примера приводится одна из печей для пиролиза, которая представляет собой цельносварную конструкцию из стали. Такая печь состоит из двух камер сгорания: нижней камеры сжигания ТБО и, соответственно, верхней камеры дожига генераторных газов. В камере дожига имеет место высокоэффективный катализатор, основной задачей которого является обеспечение процесса разрушения и обезвреживания отходящих газов сгорания топлива.

Работа печи пиролизного типа происходит следующим образом:

1. Через дверь происходит загрузка топлива (ТБО) в камеру генерации, где происходит горение при температуре 400–600^оС,
2. Газы, выделяющиеся в результате горения, попадают через инжекторное устройство в специальную камеру дожигания, куда через воздухозаборник направляется воздух в регулируемом количестве, а через дымоход и дымоотвод выходит отработанный газ, содержание примесей которого ниже предельно допустимых концентраций в 7 раз.

Через устройство наддува регулируется подача воздуха, причем для каждого вида ТБО подача воздуха различная [2].

Сравнивая метод пиролиза с обыкновенным сжиганием отходов можно выделить его существенные преимущества. Пиролиз позволяет утилизировать различные отходы, которые трудно поддаются утилизации. К ним относятся пластмасса, автопокрышки, отстойные вещества и т. д. Загрязнения окружающей среды при использовании пиролиза сведены к минимуму, поскольку в конечном итоге отсутствуют биологически активные вещества и скопление пиролизных отходов не оказывают пагубного влияния. Пепел, образующийся в результате переработки, обладает высокой плотностью, что является причиной уменьшения объема отходов, подвергающихся подземному размещению. Процесс восстановления тяжелых металлов при рассматриваемом методе также отсутствует. Оборудование, необходимое для реализации пиролиза, имеет сравнительно небольшую мощность. К тому же, простота хранения и транспортировки получаемых в конечном итоге продуктов обусловливают его популярность в сравнении с другими способами, так как требуется небольшие капитальные вложения.

Плазменная технология утилизации ТБО позволяет создать в зоне термического разложения температуру свыше 1300 ºС, что вполне достаточно для безопасной и надежной утилизации отходов, но экономическая составляющая очень высока. Так, на 1 кг отходов приходится 2–3 кВт затрат электроэнергии и это без учета амортизации и стоимости сервисного обслуживания наукоемкой установки. В плане утилизации отходов плазменная технология идеальна, чего нельзя сказать о реализации и эксплуатации. Данная технология существует в единичных разработках [3].

Сжигание ТБО также осуществляется в барабанных вращающихся печах. Несмотря на то, что данный метод сжигания известен своей эффективностью, данная разновидность печей применяется крайне редко для сжигания заранее неподготовленных ТБО. Особое распространение барабанные вращающиеся печи получили в сжигании жидких и пастообразных промышленных отходов, обладающих абразивным действием, а также специфичных отходов, таких как больничные. Установка барабанных печей осуществляется следующим образом: печь ставится с небольшим наклоном в направлении движения отходов. Печь вращается со скоростью от 0,05 до 2 об/мин. Со стороны загрузки подают отходы, воздух и топливо, а шлак и золу выгружают с противоположного конца печи. В первой части печи отходы подсушивают, обычно при температуре 400 °С, после чего происходят их газификация и последующее сжигание при температуре 900–1000 °С.

Барабанные печи в процессе эксплуатации имеют отличительные особенности. Сжигая отходы в данных разновидностях печей существует возможность достижения более высокой температуры горения, хотя на деле такая возможность не является целесообразной, поскольку это влияет на долговечность работы печи в целом. В результате высокотемпературного сжигания усиленно происходит процесс износа и без того тонкой футеровки в печах этого типа. Существует необходимость замены раз в полгода внутренней футеровки печи, что является очень трудоёмкой, сложной и дорогой операцией. Стоимость такой замены составляет примерно 10 % от себестоимости печи. Для увеличения срока службы печи иногда вместо футеровки применяется водяное охлаждение стенки барабана или осуществляется охлаждение футеровки печи. Производительность барабанных печей в среднем составляет до 10 т/час (чаще 1–5 т/час) [4].

Утилизация токсичных ТБО требует особого внимания при выборе способа сжигания данного вида отходов. К токсичным бытовым отходам относятся использованные шприцы инфекционных отделений больниц, перевязочные материалы и так далее. Для этой задачи необходимы высокотемпературные печи. Высокотемпературные печи представляют собой малые плазменные (электродуговые) печи. Их способность поддерживать температуру в несколько тысяч градусов позволяет обезвредить инфицированные отходы в плазме. В качестве плазмообразующего газа чаще всего используется водяной пар. Благодаря энергии электрической дуги при температуре 4000 °С отходы распадаются на мелкие составляющие: атомы, радикалы, положительные ионы, электроны. Когда плазма остывает, начинают происходить реакции с образованием простых нетоксичных газов — СО2, Н2О. Степень разложения составляет около 99,9 %. Одна из самых лучших печей данной серии имеет производительность 15 тонн/год.

Сжигание ТБО является одним из самых распространенных и эффективных методов утилизации отходов. Преимуществами данного метода являются:

1) Возможность возвращения для повторного использования образующегося тепла. Теплота сгорания ТБО является полезным явлением, которое необходимо использовать с толком. Теплотворная способность ТБО может достигать 7500–8400 кДж/кг. Такой результат соответствует показателям бурого угля и других низкосортных видов топлива. Рассматривая ТБО в данном контексте, их можно представить как нетрадиционный вид топлива. Вырабатываемая тепловая энергия за счет сжигания ТБО используется на нужды централизованного теплоснабжения или для электрификации населенных пунктов.

2) Надежное осуществление обезвреживания отходов.

3) Снижение риска загрязнения отходами не только почв, но и грунтовых вод.

4) Сокращение объема отходов более чем в 10 раз, массы — в 3 раза. В результате сжигания ТБО количество отходов на порядок уменьшается. Данный метод позволяет существенно уменьшить количество хранимого на полигонах мусора, и также существенно увеличить уровень энергоресурсов.

Само собой, сжигание ТБО нельзя назвать идеальным методом утилизации отходов. Рассматриваемый метод имеет низкий уровень экологичности, что в свою очередь оказывает пагубное влияние на окружающую среду. К недостаткам метода сжигания относятся:

1) Опасность загрязнения атмосферы вредными выбросами. Дымовые газы, образующиеся при сжигании ТБО, содержат в своем составе такие вредные вещества как оксиды серы и азота, оксид углерода, хлористый и фтористый водород, летучую золу, тяжелые металлы. При неполном окислении пищевых отходов, жиров, масел образуются существенное количество вредных веществ (органические кислоты, канцерогенные вещества, озон и др.) в незначительных количествах.

При сжигании бытового мусора, содержащего синтетические полимерные материалы, образуются диоксины и фураны, и это является самой существенной проблемой при сжигании ТБО. Диоксины являются самыми токсичными из синтезированных человеком веществ.

МСЗ, наряду с химическими предприятиями, являются главными поставщиками диоксинов в окружающую среду. Особенно эта проблема актуальная для несортированного мусора, когда в камеру сгорания вместе с влажными пищевыми отходами подаются также пакеты, резина, пластик, лакокрасочные материалы, древесные материалы, пропитанные синтетическими смолами и тд.

2) Высокий процент выхода золы и шлаков при сжигании мусора. При сжигании ТБО зола и шлак образуются в количестве 28–44 % от сухой массы отходов. Если сжигание производится без заранее произведенной сортировки, то золы образуется на 3 % больше, а шлака — на 20 % больше по сравнению со сжиганием предварительно отсортированных отходов. В целом шлака образуется около 1 т на каждые 3–4 т сжигаемого мусора;

3) Уничтожение ценных компонентов отходов;

4) Сложность и дороговизна импортного оборудования, ограниченное число запчастей;

5) Рост убытков при эксплуатации МСЗ из-за высоких эксплуатационных затрат.

Все указанные недостатки не позволяют широко использовать метод сжигания для уничтожения ТБО. Метод сжигания на заводах по устаревшей технологии, без совершенных систем очистки (которые из-за высокой стоимости не внедряются), наносит существенный вред не только здоровью человека, но и всем компонентам экосистем, чего допускать нельзя. Многие МСЗ по требованию общественности прекращают свою деятельность. Все они убыточны, гораздо экологически опаснее зарубежных, физически и морально устарели. Разумеется, с развитием современных технологий недостатки метода сжигания ТБО можно существенно минимизировать, но затраты, соответственно, будут увеличиваться. В связи с этим будет уменьшаться популярность данного метода.

Фактическая стоимость сжигания ТБО в разных случаях может существенно различаться. Объекты сжигания твердых бытовых отходов бывают разных размеров и могут иметь различное оборудование: от низкотехнологичных установок для массового сжигания до более новых технологий, таких как газификация, плазменная дуга и пиролиз. Учитывая диапазон технологий, затраты могут сильно различаться. Такие переменные как требуемой предварительной сортировки, технологии испытаний на выбросы и мониторинг, управление золой и процесс сжигания (технология) также влияют на стоимость проекта [7].

Очевидно, что метод сжигания ТБО является одним из самых эффективных и целесообразных методов в области утилизации отходов, требующий развития не только в нашей стране, но и во всем мире. Конечно же, найдутся люди, которые считают сжигание твердых бытовых отходов не самым безопасным и целесообразным методом из большого количества вариантов, существующих на данный момент. Не стоит отрицать, что в результате реализации такого способа утилизации ТБО на окружающую среду оказывается значительный вред, что отражается и на здоровье человека в частности. Но и наука, как и промышленность, развивается усиленными темпами с каждым днем. Поскольку мы планируем будущее, в котором энергосбережение и защита окружающей среды имеют решающее значение, то стоит иметь ввиду, что современные технологии предлагают всевозможные пути решения проблем, возникающих на стадиях планирования, реализации и эксплуатации. Но, как часто это бывает, некоторые решения требуют немалых денежных затрат. Кто-то видит в этом минус, а кто-то воспринимает как важный и необходимый шаг, направленный на частичное устранение экологических проблем. Сегодня хранение ТБО на полигонах считается устаревшим и особенно опасным для окружающей среды. К тому же, количество ТБО на полигонах со временем только увеличивается, что недопустимо. Поэтому сжигание ТБО является приоритетным направлением в области ликвидации отходов, в результате которого еще и вырабатывается полезная энергию, которая окупится в ближайшем будущем. Данный фактор на сегодняшний день можно считать определяющим.

Литература:

1. Гринин А. С., Новиков В. Н. Промышленные и бытовые отходы: Хранение, утилизация, переработка. — М.: ФАИР-ПРЕСС, 2002. — 336 с.
2. Терёшин С. А. Надежность утилизации твердых бытовых отходов в печах пиролизного типа // Совершенствование методов гидравлических расчетов водопропускных и очистных сооружений.- 2009.- № 1- 95–104 с.
3. Смагин А. Утилизация ТБО высокотемпературным пиролизом [Электронный ресурс] / Смагин А., Гусева В. // URL: http://newchemistry.ru/letter.php?n_id=6610 (дата обращения 15.12.2017).
4. Сжигание в барабанных вращающихся печах [Электронный ресурс] // URL: http://studopedia.org/2–77419.html (дата обращения 15.12.2017).
5. Горбачева Л. А. Зарубежный опыт мусоросжигания. // Энергия: экономика, технология, экология. — 2009. -№ 7. и — 49–54 с.