Западные страны начали активно заниматься переработкой ПО и ТБО еще в 60-е годы. В течение 10 лет в США, Японии, Германии, Франции и Швейцарии была создана разветвленная инфраструктура по сбору, сортировке и первичной переработке отходов и построены высокопроизводительные мусоросжигательные заводы.
В России мусоросжигательные заводы появились только десять-пятнадцать лет назад в Москве, Санкт-Петербурге и некоторых других городах. Мусоросжигательные заводы, построенные по западным лицензиям и требующие первичной сортировки ТБО, не приспособлены к российским условиям. В результате отсутствия первичной сортировки отходов заводы по сжиганию мусора работают эпизодически, объем сжигания не превышает 2% от объема ТБО.
Для правильного выбора технологии утилизации определенного вида отходов, необходимо знание основных физико-химических характеристик и экономических показателей существующих технологий обезвреживания отходов.
Технологии термического обезвреживания ПО и ТБО
Фирмы многих стран мира, занимающиеся сжиганием опасных отходов, сталкиваются с проблемой превышения содержания оксидов азота, серы и углерода, а также диоксинов и бензопирена в газовых выбросах мусоросжигательных заводов над предельно допустимыми выбросами. Вредные выбросы появляются, в основном, при загрузке новой порции отходов и резком понижении концентрации кислорода в реакторе или из-за плохого перемешивания горючей массы и, следовательно, низкой теплопередачи. Для борьбы с эффектом резкого понижения концентрации кислорода в реакторе печи оборудуют системами остановки подачи отходов до момента восстановления концентрации кислорода до оптимальной или быстрой инжекции кислорода в зону горения (инсинераторы фирмы Рrех Qir, Ash Groove Cement, USA). Камеры сгорания для отходов имеют либо устройство жидкого впрыскивания, либо предназначены для сжигания только твердых отходов.
В печи утилизации с жидким впрыском отходы, смешанные с воздухом, подаются через струйные форсунки в камеры сгорания. Размер капель, вылетающих из форсунок, не превышает 40 мкм. Уменьшение размера капель увеличивает скорость испарения с их поверхности и перемешивание с воздухом, что повышает эффективность горения. Для обеспечения оптимального распыления жидких отходов их сдвиговая вязкость не должна превышать 0.7 Па-с [6]. Отходы с большей сдвиговой вязкостью подогревают, или смешивают с жидкими отходами, обладающими низкой сдвиговой вязкостью. Разработаны специальные типы струйных и вращающихся форсунок [5]. Простые струйные форсунки используются редко, так как часто засоряются.
Конструкции камеры сгорания современных инсинераторов предусматривают горизонтальную или вертикальную организацию горения с турбулентным закрученным потоком [6,7]. Камеры с закрученными потоками могут утилизировать тепловыделение на уровне 1 Гкал/ч с одного кубического метра камеры сгорания, что в 4 раза больше, чем при горении без закручивания потока. Конструкция камеры сгорания такова, что исключает прямое воздействие пламени на термостойкую облицовку печи. Рабочий температурный диапазон инсинераторов 850-1650°С.
Примером крупной установки (штат Нью-Джерси, США) по сжиганию жидких отходов является инсинератор производительностью 4 м3 отходов в час, сжигание осуществляется при 1000-1200°С, время пребывания в зоне горения - не менее 2,5 секунд. Установка оборудована скрубберным блоком типа Вентури, охладительным скруббером и уловителем аэрозоля [8]. Стоимость утилизации жидких отходов в вышеописанной установке доходит до 65 долл США за одну тонну жидких отходов [3].
В России для сжигания жидких отходов используют турбобарботажные установки "Вихрь" производительностью до 1 т/ч. Температура сжигания 800-1100°С. Установка снабжена системой утилизации тепла и очистки дымовых газов от аэрозоля и тумана из жидких нефтепродуктов и смол. Стоимость сжигания - 30-50 долларов США за одну тонну.
Для обезвреживания твердых промышленных и бытовых отходов используют вращающиеся печи, позволяющие организовать перемешивание отходов. Вращающаяся печь представляет собой цилиндрическую конструкцию, стенки которой облицованы термостойким материалом. Они монтируются горизонтально с небольшим уклоном. Обычно отношение длины к диаметру составляет от 2:1 до 10:1, а скорость вращения 1-5 об./мин, температура горения 850-1650°С, время пребывания молекул загрязнений - от нескольких секунд до нескольких часов в зависимости от вида химических отходов. Негорючие отходы (зола, металлом) перемещаются вдоль наклонной печи и после охлаждения водой выводятся в специальные контейнеры. Фирмой «Waste Utilization Technologies» (г. Ливерпуль, штат Огайо, США) и «THREE М» (г. Сант-Пол, штат Миннесота, США) построены вращающиеся печи с длиной реактора 11 метров. Сжигаемый материал подается в бочках емкостью 150 м3.
Вращающаяся печь имеет дополнительную камеру сгорания, в которой поддерживается температура 820-890°С и дожигается несгоревшая часть углеводородов. Воздушный поток, проходящий через обе камеры сгорания, создается вентилятором, который устанавливается за влажной скрубберной установкой очистки продуктов сгорания.
Система очистки продуктов сгорания состоит из пяти основных устройств: камеры предварительного охлаждения газов методом впрыска воды, скруббера типа Вентури, системы отделения мелких капель воды, вытяжного вентилятора и трубы рассеивания высотой 60 м. Внутренние поверхности вышеперечисленных устройств покрываются коррозионно-стойкими материалами, так как в отходящих газах содержится хлорид водорода [9]. Примером установки, уровень выбросов которой удовлетворяет современным европейским стандартам, является мусоросжигатель фирмы «DURON» (Франция) производительностью 20 тыс. тонн/год. Низкий уровень вредных газовых выбросов достигнут дополнительным введением каталитического блока дожига бензопиренов и диоксинов. Однако и при этом концентрация диоксинов превышает норматив, установленный в Европе несколько лет назад.
Сжигание в псевдоожиженном слое - это относительно новая технология обезвреживания активного ила и подобных ему отходов [3,6,10]. Основными операциями переработки отходов являются: удаление крупных частиц из отходов, обезвоживание до 50% влажности, измельчение отходов, сушка, сжигание, очистка отходящих газов.
Камера сгорания представляет собой колонну с футеровкой, заполненную горячим песком или глиноземом с температурой 760-810°С (пирофлюидная технология). Ил вводится в печь потоком воздуха и при высыхании сгорает, передавая большую часть тепла песчаной насадке.
Для обезвреживания осадков биологических очистных сооружений немецкая фирма "DORR-OLIVER GmbH" (г. Висбаден) производит и продает установки по сжиганию в псевдоожиженном слое. Установки этой фирмы позволяют обезвреживать также отработанные масла и органические растворители. В Санкт-Петербурге для обезвреживания активного ила очистных сооружений Водоканала Санкт-Петербурга в 1997 г по лицензии фирмы "DORR-OLIVER GmbH" построена и пущена в эксплуатацию установка с псевдоожиженным слоем. Концентрация не сожженных органических веществ в золе не превышает 2%, производительность установки - 10-50 т/сутки. Стоимость сжигания одной тонны ила - 50 долл. США.
Установки с псевдоожиженным слоем требуют в 2-3 раза более высоких капитальных вложений, чем вращающиеся печи. Поэтому в Европе они постепенно вытесняются газификационными печами.
Газификационная технология обезвреживания отходов была заимствована из металлургической промышленности, в которой для получения горючих газов из бурого высокозольного угля широко использовали газификацию в камерных, циклонных или надслоевых реакторах. Отличительная особенность газификации от сжигания состоит в том, что в реакторе газовая фаза имеет восстановительные свойства. Поэтому образование оксидов азота и серы термодинамически невыгодно, и вредных газовых выбросов у газификаторов значительно меньше, чем у печей сжигания.
В Берлине в 1997 г. пущен завод по обезвреживанию осадков производительностью 400 тыс. тонн активного ила в год. После газификатора синтез-газ направляется в каталитический блок синтеза метанола. Производительность каталитического блока 120 тыс. тонн метанола в год [12].
Фирма «MOLTEN METAL TECHNOLOGIES» разработала процесс каталитической газификации отходов, использующий каталитические свойства расплавленного металла для разрыва химических связей в сложных органических молекулах. Получаемый синтез-газ используется для синтеза уксусной кислоты, температура процесса - 1650°С. Производительность установки - 22 тыс. тонн отходов в год. Каталитический реактор представляет собой герметичную емкость с огнеупорной футеровкой, вмещающую до трех тонн жидкого металла, оборудован индукционным нагревом и бункером для отходов. Установка имеет газоочистку и адсорбционный фильтр. Капитальные затраты не превышают 15-25 млн. долл США, что на 20-50% меньше, чем для установок сжигания [13].
Интересен способ обезвреживания отходов с использованием доменной технологии [14]. В доменном процессе активно образуется оксид углерода, за счет которого атмосфера домны имеет восстановительные свойства, препятствующие образованию оксидов азота и серы. Слой шлака позволяет обезвреживать любые химические отходы, вплоть до боевых отравляющих веществ, в любом агрегатном состоянии, строительный мусор, негодные железобетонные конструкции и ТБО.
Доменная мини-печь оборудуется газоочисткой, системами выпуска жидкого металла и шлака, участком изготовления из шлака гравия и облицовочной плитки. Горючий газ, образующийся в доменном процессе, может возвращаться в технологический процесс или использоваться для получения электроэнергии. Капитальные затраты на строительство установки производительностью 60 тыс. тонн в год составляют 20 млн. долл. США.
Процесс плавки железных руд в слое шлакового расплава РОМЕЛТ, разработанный учеными МГИСиС, был использован для обезвреживания отходов черной и цветной металлургии [15,16]. Процессы, протекающие в шлаковом расплаве печи РОМЕЛТ, те же, что и в доменном производстве [14]. Отличие состоит в том, что газовая фаза печи РОМЕЛТ имеет окислительные свойства, а домны - восстановительные. Поэтому доменный процесс экологически более безопасный.
Процесс РОМЕЛТ был применен для обезвреживания ТБО. При финансировании фирмой «SAMSUNG HEA INDUSTRIES» (Южная Корея) была построена установка производительностью 1 т ТБО/ч. На этой установке была опробована переработка отходов стеклянного боя, золы от сжигания угля, "горелой" (литейной) земли. В качестве топлива использовались измельченные изношенные шины. Общие капитальные вложения на строительство комплекса РОМЕЛТ для утилизации ТБО составляют 300 долл. на тонну годовой мощности.
В 1994 г. на заводе "Электростальтяжмаш" (г. Электросталь Московской области) была пущена в эксплуатацию установка экологически безопасного обезвреживания остатков закалочных масел. Технология и конструкция установки была разработана в Институте химической физики (г. Черноголовка Московской области). Реактор шахтного типа с наружным диаметром 2 м внутри выложен тремя рядами шамотного кирпича, внутренний диаметр ~ 1,5 м, его высота - 13 метров. Свободный объем реактора заполняется некондиционным (битым) шамотным кирпичом инертным материалом для создания режима адиабатического горения. В процессе газификации, протекающей в узкой зоне в средней по высоте части реактора, инертный материал в смеси с отходами перемещается в нижнюю часть реактора, где после отсева золы и шлака вновь возвращается в верхнюю часть реактора, и через специальный люк загружается вместе с отходами.
В 1998 году такая же установка, но для утилизации ТБО, введена в эксплуатацию в Финляндии в городе Лаппсенранта. Синтез-газ, получаемый от установки, подается в один из котлов ТЭЦ. Зола после газификации ТБО вывозится на захоронение. Рабочая температура в зоне газификации - 1000-1100°С, температура на наружной стенке реактора не более 50°С, КПД использования тепла - 70% Управление температурой в зоне газификации осуществляется подачей пара, а на случай перерыва в подаче пара установка оборудована аварийной автоматической системой продувки азотом для предотвращения расплавления инертного материала. Установка не имеет вредных газовых выбросов, и поэтому газоочистное оборудование не требуется. Производительность установки - 2-4 тонны ТБО в час. Капитальные затраты без газоочистного оборудования - 2,5 млн. долл. США.
Процесс пиролиза нефтеотходов и иловых осадков активно исследовался, начиная с 1985 г., в России во Всероссийском научно-исследовательском институте железнодорожного транспорта (ВНИИЖТ), а в Германии - в Тюрингенском университете и научном секторе фирмы ALFA LAVAL (Франция). По технологии OFS, разработанной в Тюбингенском университете, осадки вначале высушиваются при температуре 100-120°С, а затем подвергаются пиролизу при температуре 450°С. В результате образуется масляная фракция, близкая по составу к дизельному топливу Процесс экологически безопасный и рентабельный. Отходящие газы установок содержат в сотни раз меньше оксидов азота и серы, аэрозоля и легких углеводородов по сравнению с отходящими газами печей сжигания.
В Германии, Австралии и Канаде уже несколько лет успешно работают установки пиролиза (процесс OFS), перерабатывающие до 1 тонны сухого илового осадка в сутки в низкосортное топливо. Срок окупаемости установки - 4-7 лет. Если построить установку на производительность 6 тонн сухого илового осадка в сутки, то срок окупаемости уменьшается до 1-2 лет, по мнению авторов, в технологии OFS
Установка пиролизного обезвреживания нефтеотходов ВНИИЖТ оборудована гидросепаратором для сортировки нефтеотходов (мусор, загрязненный нефтепродуктами, ветошь, нефтешлам моечных машин, отработанные масла и смазки и так далее). Производительность пиролизной установки 50 кг/ч по исходному сырью. Температура в первой секции реактора при приготовлении углеродного адсорбента 900°С. Выход нефтяного конденсата от исходного количества нефтешлама - 20%, выход пиролизного газа - 10%, выход адсорбента - 50%. Стоимость основного оборудования установки 50 тыс. долл. США. Срок окупаемости - 1,5-2 года.
В 1998 году фирма ALFA LAVAL начала продавать пиролизную печь для регенерации загрязненных нефтью грунтов, аналогичную по технологии и близкую по конструкции установке ВНИИЖТ. Производительность по исходному сырью - 2,5 т/ч. Стоимость установки - 2,65 млн. долл. США, стоимость обезвреживания одной тонны загрязненного грунта ~ 50-70 долл.
На основе пиролиза фирма "MAN GUTENJHFNUNGAHUTТЕ AG" (г Оберхаухаузен, Германия) разработала ряд установок для обезвреживания загрязненных нефтепродуктами грунтов. Загрязненный грунт после сушки и измельчения с помощью загрузочного шнека подается в реактор, где при температуре 600-750°С образуется нефтяной газ и происходит коксование грунта. Остаток после пиролиза в зависимости от содержания кокса либо отправляется на захоронение, либо возвращается на прежнее место.
Многокамерные печи наиболее часто используются для сжигания отходов благодаря их простоте, надежности и легкости изменения режимов горения. Печь представляет собой стальную конструкцию, защищенную внутри термостойким материалом. Твердые отходы или частично обезвоженный ил подаются сверху, зола разгружается снизу. Рабочая температура в первой камере многокамерных печей составляет обычно 800-900°С, последовательно возрастая до 1100°С в третьей камере. При достижении температуры 1050-1100°С в первой камере печь автоматически переключается на режим охлаждения. Многокамерные печи оборудуются зональными горелками с автоматическим поддержанием рабочей температуры и форсунками с автоматической регулировкой подачи жидких ПО. Таким образом, многокамерные печи позволяют обезвреживать ТБО, твердые и жидкие ПО. Влажность не должна превышать 60%. В Таблице 3 приведены эксплуатационные параметры многокамерных печей различных фирм.
Рассмотренные выше технологии позволяют не только обезвреживать отходы, но и утилизировать образующееся тепло.