Парфенюк А.С., Антонюк С.И., Топоров А.А.
В Украине имеются огромные запасы черноземов — лучшей в мире почвы, достигающие по некоторым оценкам 40 % мировых. Однако, нынешняя ситуация обращения с землей, потребительское отношение к природе вообще, стихийное загрязнение больших территорий разнообразными промышленными и бытовыми, твердыми и жидкими отходами достигло в нашей стране угрожающих масштабов. В связи с этим необходимо в ближайшем будущем создать специальную технику массовой очистки земельных угодий, полей, лесозащитных полос и посадок, обочин дорог, пляжей, мест отдыха от несанкционированных свалок различного мусора. Это позволит противостоять тенденциям опасного накопления мусора, его стихийного сжигания, самовозгорания, попадания огромных количеств образующихся токсических веществ в атмосферу, реки и водоемы.
Общие объемы ежегодного накопления твердых промышленно-бытовых отходов в Украине превышают суммарные показатели стран. Западной Европы с населением около 400 млн чел. в 3.0-3.5 раза. По законодательству Германии, складирование на свалках твердых отходов, имеющих горючую составляющую более 5 %, будет полностью запрещено с 2005 г.
Особенно трудной проблемой являются твердые бытовые отходы (ТБО), которые представляют собой крайне нестабильную и неконтролируемую смесь бумаги, картона, пищевых остатков, пластмассы, резины, стекла, строительного мусора, металлов, батареек и др. Предварительная сортировка ТБО городским населением и коммунальными службами по видам в Украине практически не проводится. Механическая сортировка ТБО технически сложна и пока не находит широкого применения. Прямая переработка или сжигание огромных количеств отходов технически весьма проблематична, экологически опасна и экономически неэффективна. Поэтому потребуется неотложное решение проблемы ТБО при обеспечении наиболее экономически и экологически эффективного их использования и переработки с получением полезной продукции.
При этом нельзя забывать, что твердые углеродистые промышленно-бытовые отходы, составляющие около половины всех твердых отходов в Украине, — это еще и вторичное сырье, запасы которого очень велики и обладают большим энергохимическим потенциалом, и его важно использовать как можно полнее и с экономической выгодой [6].Опыт, накопленный в мире за последние 30 лет, в реализации высокотехнологической и эффективной переработки бытовых отходов с получением полезной продукции и энергии наилучшим образом представлен в Германии, являющейся одной из передовых стран по разработке и внедрению отходоперерабатывающих технологий. Основные из известных методов можно разделить на две большие группы: механико-биологические и термические [1, 7, 8].
К механико-биологическим методам относятся: компостирование отходов после предварительной сортировки; механизированная сортировка, сушка и уплотнение отходов для экологически безопасного и экономичного их захоронения на специальных полигонах (депонирование); сортировка отходов, производимая в основном населением, и распределение их (стекла, металла, полимеров, бумаги) по предприятиям переработки вторичных материалов [9].
Термические методы включают: сжигание отходов, преимущественно их бумажно-полимерных компонентов, которое производится в установках с колосниковыми решетками или в топках с кипящим слоем (в последнем, менее распространенном случае, требуется более тщательная подготовка сырья, и сжигание происходит при температурах до 900 'С); пиролиз, представляющий высокотемпературное разложение отходов (выше 600 'С) без доступа кислорода во вращающихся трубчатых печах с получением полукокса и горючего газа; газификация отходов, позволяющая преобразовывать их органическую часть в синтез-газ, который применяют для химического синтеза, например, для производства метанола или для получения энергии в газогенераторах; плазмолиз, представляющий собой процесс разложения, как правило, токсичных твердых отходов в дисперсном состоянии при высоких температурах (обычно температура плазмы составляет 5000—6000 'С); комбинированные термические методы, сочетающие полукоксование с последующим сжиганием (метод Siemens) или пиролиз с последующей газификацией (метод Thermoselect).
Анализ этих технологий не дает уверенности в том, что они могут быть эффективно реализованы в ближайшие годы в сложившихся в Украине условиях по многим причинам, среди которых можно выделить следующие: относительно малая производительность таких отходоперерабатывающих предприятий, несопоставимая с нарастанием объемов твердых углеродистых промышленно-бытовых отходов и тем более с уже накопленными их залежами; необходимость огромных материальных и финансовых ресурсов на сооружение десятков таких предприятий, обеспечивающих необходимые масштабы переработки; отсутствие подготовленных кадров для освоения и эксплуатации предприятий с новыми для Украины технологиями; высокая стоимость и сложность систем очистки дымовых газов с учетом высоких современных требований техногенной безопасности; проблематичность получения экономической прибыли из-за высокой стоимости переработки (так, в Германии затраты покрываются высокой платой населения — 50-200 евро за 1 т отходов; отсутствие действующей системы раздельного сбора и удаления ТБО и, как следствие, дополнительные материально-технические затраты на предварительную подготовку сырья.
Принципиальный вывод в результате такого анализа заключается в том, что проверенные и эффективные на Западе технологии мусоропереработки и мусоросжигания не могут в наших условиях быстро и эффективно разрешить столь масштабную и запущенную проблему. Следует искать альтернативные и максимально эффективные возможности переработки отходов, которые наилучшим образом будут учитывать сложившуюся в Украине ситуацию.
По мнению авторов, проблема твердых углеродистых отходов может быть эффективно решена на базе весьма развитой в Украине коксохимической промышленности. Почти половина населения Украины и более 2/З запасов и источников углеродистых отходов находятся на территории, где сконцентрировано около полутора десятков коксохимических предприятий. Эти предприятия, особенно в условиях постепенного сокращения производства кокса, могут стать хорошей базой для развития новой мусороперерабатывающей промышленности на основе коксохимической отрасли. Основные принципы такого подхода к проблеме твердых углеродистых отходов в Украине изложены в [10-13]. Наиболее важные из них сводятся к следующему:
— основа предлагаемой технологии — термолиз органической части отходов, протекающий в герметичных камерных наклонных термолизных печах. При нагреве исходного сырья происходит его термическая деструкция с образованием твердого термолизного топлива и смеси летучих веществ. Процесс отличается гибкостью и управляемостью за счет возможности совместного использования нескольких управляющих факторов;
— технология обеспечивает комплексный характер переработки широкого спектра смесей углеродистых промышленных и бытовых отходов. Твердые и жидкие компоненты отходов в различных пропорциях в зависимости от их свойств и химического состава смешивают на стадии подготовки сырья для получения исходных компаунд-смесей требуемого качества;
— на стадии проектирования промышленного комплекса предполагается более высокий уровень требований к безопасности технологических агрегатов в сравнении с известными в коксохимической промышленности. Улавливание и химическая переработка всех летучих продуктов термолиза во многом обеспечивает экологические преимущества технологии;
— использование отходов в качестве дешевого органического сырья с получением полезной продукции при условии вовлечения инфраструктуры и кадров коксохимзаводов наряду с решением экологических проблем делают технологию экономически выгодной и создающей социальный эффект.
Технология имеет такую последовательность основных операций: сортировка исходного сырья с извлечением крупных включений, металлов, стекла, керамики и частично полимеров; измельчение, дозирование и смешение компонентов с получением композиций требуемого состава и свойств; загрузка смеси в термолизный агрегат, ее прессование и продвижение в обогреваемую часть агрегата; термолиз смеси с получением твердого термолизного топлива и летучих химических продуктов, которые перерабатываются методами, аналогичными для коксохимических предприятий; сжигание твердого термолизного топлива в топках с кипящим слоем с утилизацией тепла дымовых газов в котлах и получением электроэнергии; подача золошлаковых остатков сжигания топлива в производство строительных материалов.
Загрузка смеси, ее прессование, термолиз и сжигание полученного твердого термолизного топлива происходят в едином термолизном агрегате, показанном на рисунке. Процесс термолиза протекает в замкнутом пространстве герметичной камеры наклонной термолизной печи (НТП) с двухсторонним обогревом [14]. Печи компонуются в батареи, аналогичные традиционным коксовым батареям с хорошими теплотехническими характеристиками и возможностью использования проверенных в коксовом производстве и энергетике эффективных и надежных элементов и узлов конструкций и систем.
Основная стадия процесса переработки- термолиз смесей промышленно-бытовых отходов, который протекает при слоевом нагреве спрессованного сырья до оптимальных температур. Возможности управления процессом значительно шире, чем при традиционном коксовании, так как управляющими факторами, кроме температурного режима, являются давление уплотнения, состав перерабатываемых смесей промышленно
- бытовых отходов, объемная плотность сырья и величинаразовой порции загрузки, скорость продвижения спрессованной массы, гидравлический режим в камере и температура летучих продуктов термолиза. Фактор состава сырья во многом способствует гибкости и универсальности технологии благодаря созданию компаунд-смесей промышленно-бытовых отходов с заданными свойствами из разнородных твердых и жидких исходных составляющих. Данный процесс аналогичен известному в коксохимии шихтованию с целью получения качественного кокса, но имеет некоторые технологические отличия. В целом широкий набор управляющих факторов обеспечивает данному процессу такие возможности, каких не имеет ни один из известных процессов и агрегатов для термической переработки твердых отходов [15-17].
В данном процессе сжигается только твердый углеродистый остаток термолиза исходного сырья — твердое термолизное топливо (ТТТ), содержащее в основном золу и углерод, а выделяющиеся летучие вещества поступают на улавливание и химическую переработку. Свойства полученного ТТТ аналогичны полукоксу коксу из низкосортных, высокозольных углей [15]. Это топливо отличается высокой пористостью, преобладанием мелких классов крупности и содержит незначительное остаточное количество летучих веществ. Сжигание в кипящем слое такого облагороженного и бездымного топлива в нагретом до 900-950 'С состоянии создает хорошие условия для устойчивого ведения процесса горения при минимальном (по сравнению с другими процессами сжигания твердых промышленно-бытовых отходов) образовании оксидов азота и оксидов серы. Теплофизические свойства ТТТ определяются составом исходного сырья и режимом термолиза,: однако диапазон, в котором эти свойства изменяются, позволяет считать его вполне пригодным энергетическим топливом [15]. При необходимости ТТТ может быть использовано и для бытовых целей.
Сжигание ТТТ в низкотемпературном кипящем слое представляется наиболее эффективным для такого низкокалорийного, пористого и сравнительно низкоплотного топлива, чем сжигание на колосниковой решетке, прежде всего из-за более высокой интенсивности такого процесса. В золошлаковых отходах при стабильном процессе сжигания ТТТ оказываются связанными тяжелые металлы, а образующиеся дымовые газы значительно менее токсичны и их объем значительно меньше, чем при прямом сжигании эквивалентных количеств твердых бытовых и промышленных отходов.
Эвакуация парогазовых летучих продуктов в процессе теомолиза осуществляется на горячую сторону, то есть через слои нагретого сырья к греющим стенкам НТП. При этом происходит дополнительное разложение смолистых веществ и содержащихся в летучих углеводородов с отложением пироуглерода, образующегося при температурах выше 500 — 650 'С, на поверхности слоя ТТТ. Поскольку нагреваемое сырье находится в спрессованном состоянии, оно одновременно является фильтрующим слоем, сводящим к минимуму унос даже самых мельчайших пылевидных фракций летучими продуктами термолиза в условиях скоростного нагрева. В результате этого термолизный газ содержит значительно меньшее количество пылевидных фракций по сравнению с газом от прямого сжигания отходов. Это благоприятно сказывается на работе газоотводящей и улавливающей аппаратуры.
Прямые газовые выбросы из камер термолиза в атмосферу при загрузке и выгрузке агрегата полностью исключены. В процессе работы загрузка агрегатов осуществляется порциями сырой рабочей смеси из герметичного бункера в герметичные камеры прессования. Спрессованные порции постоянно находятся в камере прессования и создают дополнительный гидравлический затвор, предотвращающий движение газов термолиза из камеры агрегата в бункер и к прессующе-проталкивающему устройству.
Большая разнородность и нестабильность исходного сырья, поступающего на переработку, требует оперативного анализа всего комплекса его основных характеристик и прогнозирования качества получаемых химических продуктов и твердого термолизного топлива. Для этих целей предназначена система управления, включающая в себя комплекс приборов и методик экспресс-анализа сырья и прогнозирования оптимальных параметров ведения процесса, компьютерный центр с программным обеспечением и выдачей необходимых рекомендаций.
Важнейшие отличия предлагаемой технологии от всех известных заключаются в следующем.
1. Процесс термолиза осуществляется в батареях, состоящих из нескольких (более 72) термолизных печей. Такая компоновка на 30—40 % снижает удельные капитальные затраты и повышает термический КПД установок [14, 15].
2. Переработке подвергаются смеси, в состав которых входят ТБО, промышленные отходы угледобычи и углеобогащения, коксохимического производства, другие жидкие органические отходы, что позволяет получать требуемый усредненный состав и, следовательно, нужное качество исходной смеси [16].
3. Новая технология обеспечивает существенное уменьшение объема вредных газовых выбросов в атмосферу при сжигании твердого термолизного топлива благодаря удалению летучих продуктов термолиза на химпереработку. Кроме того, происходит снижение токсичности дымовых газов, упрощение схемы их очистки, что значительно улучшает экологичность процесса. Особенности процесса таковы, что образование веществ группы диоксинов является минимальным по сравнению с подобными процессами термической переработки промышленных и бытовых отходов, реализация новых технических решений обеспечивает полное разрушение этих супертоксикантов. Важным техническим достоинством данной альтернативной технологии является возможность переработки старых свалок ТБО с рекультивацией освободившихся площадей.
Из анализ новой технологии следует, что требования техногенной безопасности, предъявляемые к технологическому комплексу, вполне могут быть достигнуты благодаря технологическим особенностям этой технологии, конструкционным и компоновочным решениям основных узлов агрегатов, которые предусматривают, их полную герметичность, замкнутые контуры по продуктам термолиза, удобство контроля состояния уплотнений подвижных рабочих элементов при сравнительно малых тепловых потерях. Это делает данную альтернативную технологию переработки твердых углеродистых промышленно-бытовых отходов, имеющую, очевидные преимущества экономического и социального характера, наиболее перспективной для Украины, прежде всего для Донецкого и Приднепровского регионов.
Список литературы
1. Економіка природокористування i охорони довкілля // Зб. наук. праць міжнар.наук.-практ. конф. по управлінню відходами "Техноресурс - 2000". — Київ: РВПС Укр. НАН України, 2000.— 200 с.
2. Програма використання відходів виробництва i споживання в Донецькій області на період до 2005 року: Рішення Донецької обласної Ради від 24.03.2000 № 23/12 — 275.
3. Державна Програма використання відходів виробництва i споживання на період до 2005 року: Постанова Кабінету Міністрів України № 668 від 28 червия 1997 р.
4. Земля тревоги нашої. За матеріалами національної доповіді про стан навколишнього природного середовища в Донецькій області у 1999 році / Під ред. С.Куруленко. — Донецьк : Новий мир, 2000. — 124 с.
5. Земля тревоги нашої. За матеріалами національної доповіді про стан навколишнього природного середовища в Донецькій області у 2000 році / Під ред. С.Куруленко. — Донецьк : Новий мир. 2001. — 136 с.
6. Парфенюк А.С., Мельниченко А.Г., Топоров А.А. Оценка ресурсов для крупномасштабной переработки твердых углеродистых отходов в Донецком регионе // Кокс и химия. — 1998. — №6. — С. 39-41.
7. Vehlow J. Thermische Behandlungsverfahren fuer Hausmuell im Vergleich. — Огы: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH, Institut fuer Technische Chemic, Bereich ТЬегш1зсЬе . Abfallbehandlung, 1998. — 37 $.
8. Richers U., Vehlow J., Seifert Н. Programm zur Untersuchung . thermischer Behandlungsanlagen fuer Siedlungsabfall. Evaluation Program for Municipal Solid Waste incineration Plants. — Wissens chaftliche Berichte, РЕКА-6298 (Mai 1999). Forschungszentrum Karlsruhe, ITC, 1999.
9. Das Duale System auf der ЕХРО 2000. — Koeln; Hannover: Press Information, 2000. — 32 S.
10. Парфенюк А.С. Крупномасштабная комплексная переработка твердых углеродистых промышленных и бытовых отходов // Кокс и химия. — 2001; — № 5. —С. 41-44.
11. Парфенюк А.С, Антонюк С.И., Топоров А.А. Альтернативна // Проблеми природокористування, сталого розвитку та техногенної безпеки: Матеріали Міжнар. наук.-практ. конф., Дніпропетровськ, 2001. — С. 238-240.
12. Парфенюк А.С., Веретельник С.П.; Кутняшенко И.В. Проблема создания промышленных агрегатов для твердых углеродистых отходов. Возможности ее решения // Кокс и химия. — 1999. — № 3. - С. 40- 44.