Отримання відновлюваних видів енергії з харчових відходів і ТПО

2.Сучасні рішення по переробці твердих побутових відходів і продуктів промислового виробництва

 

Недоліком технологій термічного фракціонування є необхідність попередньо класифікувати відходи  за видами сміття , що вимагає впровадження на державному рівні технологій по збору сміття. У цій області вже є позитивні приклади . Наприклад , Австрія . Але для більшості країн такі технології ще необхідно створювати .

 

Тому дуже великий інтерес  представляють технології переробки  сміття ( міських звалищ тощо) з отриманням при цьому корисних продуктів і позитивного економічного ефекту . [1,8 ]

 

Крім серйозного забруднення  повітря , технології утилізації відходів за допомогою спалювання , за твердженням  екологічних організацій , " спалюють не тільки сміття, а й реальні  гроші". Альтернативою цьому методу є переробка сміття , з його подальшим сортуванням на складові. Тут відсутні процеси хімічної та термічної переробки сміття , що істотно підвищує екологічну безпеку. А спресовані відходи реалізуються на ринку перероблених матеріалів.

За оцінками фахівців , більше 60 % міських відходів - це потенційне вторинну сировину , яке можна переробити і з вигодою реалізувати . Ще близько 30% - це органічні відходи , які можна перетворити на компост.

Проблема повного знищення або часткової утилізації твердих  побутових відходів (ТПВ ) - побутового сміття - актуальна , перш за все, з точки зору негативного впливу на навколишнє середовище. Тверді побутові відходи - це багате джерело вторинних ресурсів (у тому числі чорних , кольорових , рідкісних і розсіяних металів) , а також " безкоштовний" енергоносій , так як побутове сміття – поновлювана вуглецевовмісна енергетична сировина для паливної енергетики. Однак для будь-якого міста і населеного пункту проблема видалення або знешкодження твердих побутових відходів завжди є в першу чергу проблемою екологічною . Вельми важливо , щоб процеси утилізації побутових відходів не порушували екологічну безпеку міста , нормальне функціонування міського господарства з точки зору суспільної санітарії та гігієни , а також умови життя населення в цілому. Як відомо , переважна маса ТПВ в світі поки складується на сміттєвих звалищах , стихійних або спеціально організованих у вигляді " сміттєвих полігонів " . Однак це самий неефективний спосіб боротьби з ТПВ , так як сміттєві звалища , які займають величезні території часто родючих земель і характеризуються високою концентрацією вуглець матеріалів (папір , поліетилен , пластик , дерево , гума) , часто горять , забруднюючи навколишнє середовище газами, що відходять . Крім того , сміттєві звалища є джерелом забруднення як поверхневих , так і підземних вод за рахунок дренажу звалищ атмосферними опадами. Зарубіжний досвід показує , що раціональна організація переробки ТПВ дає можливість використовувати до 90 % продуктів утилізації в будівельній індустрії , наприклад як заповнювач бетону.

За даними спеціалізованих  фірм, які здійснюють в даний час  навіть малоперспективні технології прямого  спалювання твердих побутових відходів , реалізація термічних методів при  спалюванні 1000 кг ТПВ дозволить отримати теплову енергію , еквівалентну спалюванню 250 кг мазуту. Однак реальна економія буде ще більше , оскільки не враховують сам факт збереження первинної сировини та витрати на видобуток його , т. е. нафти і отримання з неї мазуту. Крім того , у розвинених країнах існує законодавче обмеження на вміст у 1 м3 викидається в атмосферу димового газу не більше 0,1 х10 - 9 г двоокису азоту і фуранів при спалюванні відходів. Ці обмеження диктують необхідність пошуків технологічних шляхів знезараження ТПВ з найменшим негативним впливом на навколишнє середовище , особливо сміттєвих звалищ. Отже , присутність побутового сміття у відкритих звалищах вкрай негативно впливає на навколишнє середовище і як наслідок - на людину .

В даний час існує ряд  способів зберігання і переробки твердих побутових відходів , а саме: попередня сортування , санітарна земляна засипка , спалювання , біотермічні компостування , низькотемпературний піроліз , високотемпературний піроліз . [3,10]

 

2.1.Попереднє  сортування

 

Цей технологічний процес передбачає поділ твердих побутових відходів на фракції на сміттєпереробних заводах вручну або за допомогою автоматизованих конвеєрів . Сюди входить процес зменшення розмірів сміттєвих компонентів шляхом їх подрібнення і просіювання , а також витяг більш-менш великих металевих предметів , наприклад консервних банок. Відбір їх як найбільш цінної вторинної сировини передує подальшої утилізації ТПВ (наприклад , спалюванню ) . Оскільки сортування ТПВ - одна із складових частин утилізації сміття , то є спеціальні заводи для вирішення цього завдання , т. е. виділення зі сміття фракцій різних речовин : металів , пластмас , скла , кісток , паперу та інших матеріалів з метою подальшої їх роздільній переробки. [9]

 

2.2.Санітарна  земляна засипка

 

Такий технологічний підхід до знешкодження твердих побутових відходів пов'язаний з отриманням біогазу та подальшим використанням його в якості палива. З цією метою побутове сміття засипають за певною технологією шаром грунту товщиною 0,6-0,8 м в ущільненому вигляді. Біогазові полігони забезпечені вентиляційними трубами , газодувками і ємностями для збору біогазу. Наявність в товщах сміття на звалищах пористості і органічних компонентів створить передумови для активного розвитку мікробіологічних процесів . Товщу звалища умовно можна розділити на декілька зон ( аеробне , перехідну та анаеробну ) , що розрізняються характером мікробіологічних процесів . У самому верхньому шарі , аеробному ( до 1-1,5 м) , побутове сміття завдяки мікробному окисленню поступово мінералізуєтся до двоокису вуглецю , води , нітратів , сульфатів і ряду інших простих сполук. У перехідній зоні відбувається відновлення нітратів і нітритів до газоподібного азоту та його оксидів , т. е. процес денітрифікації . Найбільший обсяг займає нижня анаеробна зона , в якій інтенсивні мікробіологічні процеси протікають при малому (нижче 2% ) вмісті кисню. У цих умовах утворюються самі різні гази і летючі органічні речовини. Однак центральним процесом цієї зони є утворення метану. Постійно підтримувати тут температура (30-40 ° С ) стає оптимальною для розвитку метаноутворюючих бактерій. Таким чином , звалища є найбільш крупні системи з виробництва біогазу з усіх сучасних . Можна припустити , що і в перспективі роль сміттєвих звалищ помітно не зменшиться , тому вилучення біогазу з них з метою його корисного використання залишатиметься актуальним. Проте можливо і суттєве скорочення сміттєвих звалищ за рахунок максимально можливого вторинного використання побутових відходів шляхом селективного збору складових його компонентів - макулатури , скла , металів і т. д.

   Цей технологічний метод знешкодження ТПВ пов'язаний з отриманням біологічного газу та подальшим його використанням як палива. Для цього побутові відходи закопуються на полігоні за спеціальною технологією півтораметровим -метровим шаром грунту в ущільненому вигляді. Такі сміттєві полігони забезпечені газодувками , вентиляційними трубами і ємностями для збору газу. Передумовою для розвитку в надрах сміття мікробіологічних процесів створюється за рахунок наявності в товщах відходах пористості і органічних процесів . [10, 12 ]

Товща сміття умовно поділяється  на три зони , які різняться за характером мікробіологічних процесів:

- Аеробна

- Перехідна

- Анаеробна

 

У першому , самому верхньому  шарі (1-1,5 м) завдяки мікробному окисленню побутове сміття поступово минерализуется до нітратів , двоокису вуглецю , води , сульфатів та інших простих сполук.

У другій , перехідній зоні відбувається процес денітрифікації , тобто нітрати  і нітрити відновлюються до газоподібного азоту та його оксидів .

Нижня , анаеробна зона займає найбільший обсяг . Інтенсивні мікробіологічні  процеси в ній відбуваються при  дуже малому вмісті кисню (менше 2 %). Найрізноманітніші  леткі органічні речовини і гази утворюються тут , а головне , утворюється метан.

Надалі , в ідеалі , кількість звалищ і сміттєвих  полігонів за рахунок вторинної  переробки відходів має зменшиться. Однак через безперервне зростання  населення Землі кількість сміття так само зростає . Тому вилучення  з них метану та інших біогазів може залишатися актуальним.

 

2.3.Спалювання

 

Це широко поширений  спосіб знищення твердих побутових  відходів , який широко застосовується з кінця XIX в . Складність безпосередній  утилізації ТПВ обумовлена ​​, з  одного боку , їх виключної багатокомпонентністю , з іншого - підвищеними санітарними вимогами до процесу їх переробки. У зв'язку з цим спалювання досі залишається найбільш поширеним способом первинної обробки побутових відходів. Спалювання побутового сміття , крім зниження обсягу і маси , дозволяє отримувати додаткові енергетичні ресурси,які можуть бути використані для централізованого опалення та виробництва електроенергії. До числа недоліків цього способу належить виділення в атмосферу шкідливих речовин , а також знищення цінних органічних і інших компонентів, які у складі побутового сміття. [16] Спалювання можна розділити на два види: безпосереднє спалювання , при якому виходить тільки тепло і енергія , і піроліз , при якому утворюється рідке й газоподібне паливо. В даний час рівень спалювання побутових відходів в окремих країнах різний . Так , із загальних обсягів побутового сміття частка спалювання коливається в таких країнах , як Австрія , Італія , Франція , Німеччина , від 20 до 40 %; Бельгія , Швеція - 48-50 % , Японія - 70 % , Данія, Швейцарія 80 % , Англія і США - 10%. У Росії спалюванню піддаються поки лише близько 2 % побутового сміття , а в Москві - близько 10 %. Для підвищення екологічної безпеки необхідною умовою при спалюванні сміття є дотримання низки принципів. До основних з них відносяться температура спалювання , яка залежить від виду спалюваних речовин ; тривалість високотемпературного спалювання , що залежить також від виду спалюваних відходів; створення турбулентних повітряних потоків для повноти спалювання відходів. Різниця відходів за джерелами утворення та фізико -хімічними властивостями зумовлює різноманіття технічних засобів та обладнання для спалювання. В останні роки ведуться дослідження з удосконалення процесів спалювання , що пов'язано із зміною складу побутових відходів , посиленням екологічних норм . До модернізованим способам спалювання відходів можна віднести заміну повітря, що подається до місця спалювання відходів для прискорення процесу , на кисень . Це дозволяє знизити обсяг горючих відходів , змінити їх склад , отримати склоподібний шлак і повністю виключити фільтраційну пил , що підлягає підземному складування . Сюди ж відноситься і спосіб спалювання сміття у псевдозрідженому шарі. При цьому досягається висока повнота згоряння при мінімумі шкідливих речовин. За зарубіжними даними , спалювання сміття доцільно застосовувати у містах з населенням не менше 15 тис. жителів при продуктивності печі близько 100 т / добу. З кожної тонни відходів можна виробити близько 300-400 кВт - год електроенергії. В даний час паливо з побутових відходів отримують в подрібненому стані , у вигляді гранул і брикетів. Перевага віддається гранульованому паливу , так як спалювання подрібненого палива супроводжується великою пиловиносу , а використання брикетів створює труднощі при завантаженні в піч і підтримці стійкого горіння. Крім того , при спалюванні гранульованого палива набагато вище ККД котла. Сміттєспалювання забезпечує мінімальний вміст у шлаку і золі розкладаються речовин , проте воно є джерелом викидів в атмосферу. Сміттєспалювальний завод ( МСЗ ) викидаються в газоподібному вигляді хлористий і фтористий водень , сірчистий газ , а також тверді частинки різних металів : свинцю , цинку , заліза , марганцю , сурми , кобальту , міді , нікелю , срібла , кадмію , хрому , олова , ртуті та ін Встановлено , що вміст кадмію , свинцю , цинку та олова в кіптяви і пилу , що виділяються при спалюванні твердих горючих відходів , змінюється пропорційно вмісту в смітті пластмасових відходів. [11, 15 ] Викиди ртуті обумовлені присутністю у відходах термометрів , сухих гальванічних елементів і люмінесцентних ламп. Найбільша кількість кадмію міститься в синтетичних матеріалах , а також у склі , шкірі , гумі. Дослідженнями США виявлено , що при прямому спалюванні твердих побутових відходів більша частина сурми , кобальту , ртуті , нікелю та деяких інших металів надходить у відходять гази з негорючих компонентів , т. е. видалення негорючої фракції з побутових відходів знижує концентрацію в атмосфері цих металів . Джерелами забруднення атмосфери кадмієм , хромом , свинцем , марганцем , оловом , цинком є однаковою мірою як горюча , так і негорюча фракції твердих побутових відходів. Суттєве зменшення забруднення атмосферного повітря кадмієм і міддю можливо за рахунок відділення з горючою фракції полімерних матеріалів.

Таким чином , можна констатувати , що головним напрямком у скороченні виділення шкідливих речовин в навколишнє середовище є сортування або роздільний збір побутових відходів. Останнім часом все більше поширюється метод спільного спалювання твердих побутових відходів та шламів стічних вод. Цим досягається відсутність неприємного запаху , використання тепла від спалювання відходів для сушіння осадів стічних вод. Треба відзначити , що технологія ТПВ розвивалася в період , коли не були ще посилені норми викиду газової складової . Однак зараз вартість газоочистки на сміттєспалювальних заводах різко зросла. Всі сміттєспалювальні підприємства є збитковими . У цьому зв'язку розробляються такі способи переробки побутових відходів , які дозволили б утилізувати і повторно використовувати цінні компоненти, що містяться в них. [10,15 ]

   Одним з ефективних способів знищення ТПВ є використання шахтної печі на основі доменної печі.

Для використання доменної печі для утилізації ТПВ  необхідно внести деякі зміни  в її конструкцію. У доменній печі роблять повітряні фурми (3-5 шт.), що подають в піч гаряче повітря не на звичайному рівні (трохи вище ванни рідких продуктів плавки в печі), а на рівні рідкої металевої ванни. Решта фурми такої печі залишаються на тому ж місці.

Також зміна  конструкції печі дає можливість значно підвищити температуру рідких продуктів в печі 200-300 ° С, дозволяє вводити в шихту вугілля (замість коксу) і перетворює звичайну доменну піч у високотемпературну шахтну піч (ВШП).

   У США фірмою «Андко-Торрекс» в м.протягом 6 років експлуатувалася піч на основі доменної печі.

Продуктивність  печі була 2,8 т. ТПВ на годину (24000 т / рік). Її екологічні показники відповідали  вимогам санітарних норм усіх країн, згодом аналогічні (але більш високою  продуктивністю) сміттєспалювальні установки (ПСУ) були побудовані і в інших країнах, проте великі коливання кількості негорючих компонентів перероблюваних відходів та відсутність належного контролю за роботою печей призвели до передчасного виходу їх з ладу. [13,14 ]

Аналіз результатів роботи цих печей показав, що для їх нормальної роботи при надмірно великих коливаннях вмісту горючих компонентів потрібно додавати в шихту 50-100 кг вугілля (можна з низькосортного) на тонну перероблюваних відходів. Тим більше що це вугілля витрачався б не на спалювання відходів (в них в середньому і так буває достатньо горючих компонентів), а для газифікації шихти, що саме по собі економічно вигідно.

Крім того необхідно  було вводити в шихту невелику кількість вапняку. Це зробило б  шлаки більш легкоплавкими і менш в'язкими, що також сприяло б стабілізації роботи печей при хороших екологічних і економічних показниках.

Розроблена  для металургії високотемпературна шахтна піч дає можливість організовувати безвідходну переробку побутових  відходів без попереднього сортування і пакетування в товарну продукцію з високою екологічною та економічною ефективністю. Крім того можна переробляти і відходи, знищення яких в даний час вимагає великих витрат.

 

4. .Високотемпературний піроліз

 

Обсяг спалювання відходів зростає в усьому світі. Загальна продуктивність заводів по спалюванню відходів зросла з 160 до 200 мільйонів метричних тонн за рік в останньому десятилітті і очікується, що збільшиться до 240 млн. тонн на рік за наступні п'ять років. Це відповідає приблизно 20% від утворених у світі щорічно муніципальних відходів або 8-10% від всіх утворених безпечних відходів (промислових і муніципальних).

Збільшується  дефіцит земель для полігонного  захоронення буде вимагати, щоб нові заводи будувалися в усіх столичних  регіонах світу. Області з високою щільністю населення не в змозі мати справу з постійно збільшується, обсягом відходів і все більше воліють використовувати промислове спалювання відходів. Досвід переробки відходів розвинених країн показує, що будь-які дії з відходами (від повторного використання до поховання) так чи інакше завдають шкоди навколишньому середовищу.

Головне завдання при проектуванні об'єктів переробки  відходів-мінімізувати цю шкоду при  існуючих в конкретному місці ресурсних

обмеженнях. Великі зусилля в європейських країнах  були направлені на повторне використання вторинної сировини, що міститься  у відходах. Однак навіть при високому рівні селективного збору або  первинної сортування залишається 80-85% неутілізіруемие залишку (залишкові відходи), обробка якого може йти трьома шляхами:

складування на полігоні (найгірший варіант з  точки зору впливу на навколишнє середовище, що вимагає земельних ресурсів та супроводжується виділенням забруднюючої землю фільтрату і великого обсягу парникових газів); [20 ]

пряме захоронення  на полігонах практично заборонено в європейських країнах; механіко-біологічна переробка на спеціалізованих підприємствах  з подальшими похованням істотно  меншого обсягу на полігонах або  термічною переробкою;

переробка на спеціалізованих підприємствах в електроенергію і тепло (технологія «відходи -в-енергію »або« waste-to-energy ») У всіх розвинених європейських країнах (за винятком Греції та Ірландії, де поки використовується тільки полігонне поховання) застосовуються різні комбінації з цих трьох підходів.