Методы технологии и концепции утилизации углеродосодержащих промышленных и твердых бытовых отходов

Методы  технологии и концепции  утилизации углеродосодержащих промышленных и твердых  бытовых отходов

В.М. Бельков 

Всероссийский научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта (ВНИИЖТ)

    Разработана концепция, рассмотрены методы и  технологии утилизации углеродсодержащих отходов, приведены технико-экономические показатели технологий утилизации отходов и выбраны наиболее перспективные из них

    На  начало 1999 года на предприятиях различных  отраслей промышленности накопилось около 1500 млн. тонн токсичных отходов производства и потребления [1]. Ежегодно на предприятиях Российской Федерации образуется около 90 млн. тонн токсичных промышленных отходов (ПО), из которых 87 млн. тонн относятся к III и IV классам опасности. Количество отходов потребления, или твердых бытовых отходов (ТБО), ежегодно возрастает в России на 30 млн. тонн [2].

    В 1999 году предприятиями использовано в собственном производстве около 40 млн. тонн (40%) и полностью обезврежено 9 млн. тонн (10%) от общего количества образовавшихся за год отходов. Остальные отходы переданы на полигоны для захоронения.

    Последние годы нефтешламы - отходы II класса опасности - не принимаются на захоронение  из-за переполнения полигонов промышленных отходов. Нефтеперерабатывающие заводы, нефтебазы, локомотивные и вагонные депо железнодорожной отрасли вынуждены накапливать нефтешламы в специальных бетонированных хранилищах. Строительство новых хранилищ и накопление нефтешлама в старых носило стихийный характер, поэтому оценить накопленное количество таких отходов не представляется возможным, их может быть и десятки, и сотни миллионов тонн.

    В европейских государствах 40% отходов  превращают биологической обработкой в органические удобрения, 10% сжигают  на мусоросжигательных заводах, 40% отходов  захоранивают в третьих странах, а оставшиеся 10%, в основном, активный ил, сбрасывают в моря [3].

    Большинство ПО и ТБО содержат органические соединения, которые можно извлекать для  повторного использования, сжигать  с получением дешевой тепловой и  электрической энергией или обезвреживать с помощью штаммов микроорганизмов. Например, с помощью промышленных процессов регенерации отработанных смазок и масел можно очищать только некоторые из них, использующиеся при невысоких температурах. При рабочих температурах более 100°С в смазках и маслах образуются относительно летучие смолистые вещества - канцерогены, очистка от которых сложна и крайне дорога. Поэтому во всех странах мира отработанные смазки и масла в основном сжигают как топливо.

    Для эффективного обезвреживания отходов  необходимы технологии, наносящие минимальный экологический ущерб окружающей природной среде, имеющие низкие капитальные затраты и позволяющие получать прибыль. Разнообразие отходов по химическому составу не позволяет создать универсальную технологию утилизации твердых и жидких ПО и ТБО.

    В настоящей статье приведены основные источники углеродсодержащих отходов, их калорийность и методы утилизации, физико-химические параметры и технико-экономические  показатели основных известных к  настоящему времени технологий обезвреживания, выработаны критерии оценки и выбора метода и технологии обезвреживания углеродсодержащих отходов, предложены наиболее перспективные из них.

1 Источники углеродсодержащих  отходов.

    Основные  источники углеродсодержащих отходов  в России, их примерная норма образования в год, состав и калорийность приведены в Таблице 1.

    Объем загрязненного нефтепродуктами  грунта, образующегося за год, составляет 510 млн. тонн. Норма образования ТБО - 130 млн. тонн. Объем осадков биологических  очистных сооружений составляет 0,8 млн. тонн/год. Нормы образования нефтешламов - 3 млн. тонн. Хранение и утилизация вышеперечисленных отходов является наиболее острой проблемой для России. Объемы остальных отходов незначительны.

    Для выработки концепции обезвреживания углеродсодержащих отходов оценим тепловой эффект сжигания отходов при температуре 1100°С с учетом влажности и фазовых переходов. При обезвреживании углеродсодержащих отходов сжиганием важной физико-химической характеристикой является теплотворная способность сырья. Рассчитаем наименьшую концентрацию нефтепродуктов в отходах, при которой тепловой эффект реакции - нулевой (неотрицательный) для различных содержаний механических примесей и влажности. Минимальные концентрации или содержания углеводородов в отходах сведены в Таблицу 2.

    В среднем, как следует из Таблицы 2, для получения положительного теплового эффекта реакции горения  отходов содержание углеводородов  должно быть выше 10%. КПД печей сжигания не превышает 70-75%, поэтому, содержание углеводородов в отходах не должно быть меньше 14%. Таким образом, если отходы содержат более 14% нефтепродуктов, то их рациональнее сжигать, получая при этом тепловую или электрическую энергию, если менее 14% - то для обезвреживания таких отходов лучше использовать микробиологический метод.

    Таблица 1 Источники углеродсодержащих отходов

    Таблица 2 Эксплуатационные параметры многокамерных печей

    Таблица 3. Минимальное содержание углеводородов  в отходах при нулевой энтальпии  реакции их горения

    В пункте 9 Таблицы 2 приведен также тепловой эффект реакции горения и состав нефтешламов, образующихся на железнодорожных предприятиях, нефтеперерабатывающих заводах и нефтебазах.

2. Методы утилизации  углеродсодержащих  отходов

    В мировой практике для утилизации и обезвреживания ПО и ТБО используют термические, химические, биологические  и физико-химические методы

    К термическим методам обезвреживания отходов относятся сжигание, газификация  и пиролиз.

    Сжигание - наиболее отработанный и используемый способ. Этот метод осуществляется в печах различных конструкций  при температурах не менее 1200°С. В  результате сгорания органической части отходов образуются диоксид углерода, пары воды, оксиды азота и серы, аэрозоль, оксид углерода, бензопирен и диоксины. Зола, имеющая в своем составе неподвижную форму тяжелых металлов, накапливается в нижней части печи и периодически вывозится на полигоны для захоронения или используется в производстве цемента.