Термическая переработка мусора (ТБО)

Поскольку бытовые отходы содержат достаточно высокий процент органической фракции, для переработки ТБО довольно часто применяют термические методы. Термическая переработка мусора (ТБО) представляет собой совокупность процессов теплового воздействия на отходы, необходимых для уменьшения их объема и массы, обезвреживания, и получения энергоносителей и инертных материалов (с возможностью утилизации).

К термическим способам относится:

§ Сжигание на полигонах

§ Низкотемпературный пиролиз

§ Плазменная переработка мусора

Сжигание мусора на полигонах является самым старым, и в то же время неэффективным способом утилизации мусора. Данный способ помогает существенно сократить объемы отходов, однако он является достаточно вредным с экологической точки зрения, поскольку все вредные вещества, содержащиеся в мусоре, при сжигании попадают в атмосферу. Кроме того, как мы уже говорили ранее, мусор является источником многих полезных веществ, поэтому довольно глупо сжигать то, из его можно получать деньги. Именно по этой причине сжигание является весьма непопулярным способом утилизации ТБО.

При низкотемпературном пиролизе выброс вредных веществ в атмосферу сводится к нолю, поэтому данный способ является довольно перспективным. Кроме того, при низкотемпературном пиролизе образуется и достаточно большое количество теплоты, которую можно использовать для получения тепловой и электрической энергии. Помимо этого, если осуществлять по данной технологии переработку отсортированного мусора, то из него можно получить довольно много полезных веществ. Таким образом, переработка мусора методом низкотемпературного пиролиза является достаточно выгодной с экономической точки зрения.

Высокотемпературный пиролиз ТБО является самым перспективным из всех методов термической переработки мусора, поскольку при данном способе не предъявляется каких-то жестких требований к исходному сырью, а значит, утилизироваться может и несортированный мусор. При данном способе образуется синтез-газ, который может быть использован для получения тепловой энергии и электричества. Также при данном процессе образуется совершенно безопасная вторичная продукция, используемая для изготовления керамической плитки и иных строительных материалов.

Существуют окислительный пиролиз с последующим сжиганием пиролизных газов и сухой пиролиз.

Окислительный пиролиз — это процесс термического разложения отходов при их частичном сжигании или непосредственном контакте с продуктами сгорания топлива и является одной из стадий процесса газификации, обычно проводят при 600-900 °С.

В процессе окислительного пиролиза образуется твердый углеродистый остаток (кокс), в то время как твердый остаток процесса газификации является минеральным продуктом (зола и шлак). Окислительному пиролизу могут быть подвергнуты: вязкие и пастообразные отходы; влажные осадки; пластмассы; шламы с большим содержанием золы; грунт загрязненный мазутом, маслами и другими соединениями; отходы, содержащие соли и металлы, которые плавятся, возгораются при нормальных температурах сжигания; отработанные шины, кабели в измельченном состоянии; автомобильный скрап и т.п.

Окислительный пиролиз отходов осуществляют во вращающихся барабанных реакторах, в шахтных реакторах с вращающимся подом (по типу карусельных печей металлообрабатывающей промышленности), в многоподовых реакторах, в реакторах с псевдоожиженным слоем.

Сухой пиролиз — это процесс термического разложения отходов, твердого и жидкого топлива без доступа кислорода. В результате сухого пиролиза отходов образуются пиролизный газ с высокой теплотой сгорания, жидкие продукты и твердый углеродистый остаток. Количество и качество продуктов сухого пиролиза зависят от состава отходов и температуры процесса. В зависимости от температуры различают три вида сухого пиролиза:

- низкотемпературный пиролиз, или полукоксование (450-550 °С), при котором максимален выход жидких продуктов и твердого остатка (полукокса) и минимален выход пиролизного газа с максимальной теплотой сгорания;

- среднетемпературный пиролиз, или среднетемпературное коксование (до 800 °С), при котором выход газа увеличивается при уменьшении его теплоты сгорания, а выход жидких продуктов и коксового остатка уменьшается;

- высокотемпературный пиролиз, или коксование (900-1050 °С), при котором минимален выход жидких продуктов и твердого остатка и максимален выход пиролизных газов с минимальной теплотой сгорания.

Сухой пиролиз некондиционных каучуков позволяет получать мономеры, которые могут быть вновь использованы в производстве синтетических каучуков. Полукокс содержит некоторое количество летучих веществ и может быть использован в качестве топлива. Пиролизом при температуре 400-500°С из отходов резины (автопокрышек) получают резиновое масло для производства резины, при 593-815 °С получают жидкие углеводороды в качестве топлива и сажу в качестве наполнителя в резиновых изделиях. Пиролиз полимеров проводят при 300-900 °С.

На рис. 1 в качестве примера приведена конструктивная схема реактора для сухого пиролиза твердых отходов. Реактор представляет собой вертикальную кирпичную шахту 1, внутри которой помещена металлическая реторта 2. Предварительно измельченные отходы загружают в реторту, обогреваемую снаружи дымовыми газами. Газовые горелки 3 для отопления реактора расположены в нижней его части; выход дымовых газов предусмотрен в верхней части. Отходы движутся сверху вниз под действием силы тяжести; скорость их движения регулируется скоростью удаления твердого остатка из узла гашения 4. Процесс пиролиза непрерывен.

Летучие вещества, образующиеся в процессе термического разложения отходов, движутся в реторте прямотоком с отходами. Поэтому вещества, выделившиеся в верхней части реторты, в нижней высокотемпературной части подвергаются вторичному пиролизу. При высоких температурах в нижней части реторты (до 1000°С) возможно получение практически бессмольного газа. Поддерживая нагрев отходов на уровне 500-550°С можно получить максимальный выход первичной смолы. Пиролизный газ из реактора обычно направляют на очистку от пыли, летучих солей и смолы. Часть очищенного пиролизного газа (до 40-50 %) возвращают в реактор для отопления. Твердый остаток гасят водой и выводят из реактора через гидравлический затвор, что исключает подсос воздуха к пиролизному газу на выходе из реактора.

Объединяя пиролизные реторты в батареи, можно создать установки большой агрегатной производительности по перерабатываемым отходам.

Сжигание ТБО является окислительным процессом. Главными продуктами сгорания являются С0₂ и Н2О. При неполном сгорании образуются нежелательные продукты: угарный газ, низкомолекулярные органические вещества, ароматические углеводороды и сажа.

В условиях сжигания ТБО галогены находятся в форме соединения с водородом (НСl, HBr, HF). Сера S превращается в нелетучие сульфаты (70%) и летучий S0₂. Тяжелые металлы (железо, хром, никель) в основном переходят в шлак. Выше 200°С свинец и кадмий образуют хлориды и уходят с дымовыми газами. Ртуть остается в газовом соединении и при более низких температурах.

Для сжигания твердых отходов используют печи и топки различных конструкций. Процесс сжигания может осуществляться в плотном и кипящем слое и во взвешенном состоянии.

Твердые отходы (бумага, ветошь, древесные и другие отходы, пропитанные органическими веществами) сжигают в двухкамерных печах с перевальной стенкой; в первой камере осуществляется сжигание твердых отходов в слое на неподвижной колосниковой решетке, во второй — дожигание газообразных горючих компонентов. Печь футерована шамотным кирпичом и заключена в металлический каркас. Отходы загружают в печь через бункер, расположенный над печкой. Печи оборудованы горелками для сжигания дополнительного топлива. Агрегатная нагрузка печи — до 100 кг/ч.

Типичная схема сжигания отходов приведена на рисунке 2. Измельченный отход через воронку 1 подают во вращающуюся печь 2. Пуск печи производят с помощью запальной горелки 3. Продукты сжигания из установленной с уклоном (2-5°) печи поступают в сборник шлама 4 и эвакуируются в склад 5. Газы поступают в камеру дожигания 6, где дожигаются при 800 °С в пламени горелки 7. Продукты горения транспортируют через рекуператор 8 дымососом 9 в выхлопную трубу 10 и выбрасываются в атмосферу. Образующуюся золу после анализа можно применять в строительстве.

Важными преимуществами современных методов термической переработки являются:

§ эффективное обезвреживание отходов (полное уничтожение патогенной микрофлоры).

§ снижение объема отходов до 10 раз.

§ использование энергетического потенциала органических отходов.

Из всего многообразия, которым могут похвастаться методы переработки ТБО, наиболее распространено сжигание. Основными преимуществами сжигания являются:

§ высокий уровень апробированности технологий

§ серийно выпускаемое оборудование.

§ продолжительный гарантийный срок эксплуатации

§ высокий уровень автоматизации.

Основной тенденция развития мусоросжигания является переход от прямого сжигания отходов к оптимизированному сжиганию полученной из ТБО топливной фракции и плавный переход от сжигания как процесса ликвидации мусору к сжиганию как процессу, который обеспечивает дополнительное получение электрической и тепловой энергии. И наиболее перспективно сегодня применение плазменных технологий, благодаря которым обеспечивается температура выше, чем температуры плавления шлака, что дает возможность получить на выходе безвредный остеклованный продукт и полезную энергию.