Проблемы экологии (1'2002) – Общегосударственный научно-технический журнал/Главный редактор Минаев А.А. – Донецк: ДонНТУ, 2002. С 60 – 65.

АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ КОМПЛЕКСНОЙ ТЕРМОЛИЗНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ТВЕРДЫХ УГЛЕРОДИСТЫХ ПРОМЫШЛЕННЫХ И БЫТОВЫХ ОТХОДОВ

Канд. техн. наук Парфенюк А.С., канд. техн. наук Матлак Е.С., канд. техн. наук-Топоров А.А., Антонюк СИ., Стародубцева О.В., Балакин А.А. (ДонНТУ)

     К числу наиболее значимых экологических проблем относится проблема образования и накопления твердых промышленных и бытовых отходов (ТПБО).

     Твердые бытовые отходы (ТБО) - это неоднородные и нестабильные по своему составу смеси отходов из домовладений, магазинов, мелких производств, коммунальных учреждений и т.д., которые скапливаются и вывозятся для обезвреживания или складирования соответствующими организациями.

     По составу ТБО состоят на 30-50% из горючих (органических) материалов и на 20-40% -из негорючего балласта: металла, стекла, керамики. Влажность их изменяется в широких пределах: от 15 до 50%. Теплота сгорания твердых бытовых отходов может достигать в среднем 7 МДж/кг при влажности 25% и содержании горючих компонентов до 50% что ставит их по калорийности впереди горючих сланцев, но после углей Канско-Ачинского бассейна Средний состав бытовых отходов, % /1/:

Органика (крупность > 40мм)                                                 25-30

То же, крупность < 40 мм                                                        30-48

Пластмассы                                                                                 3-5

Металлы                                                                                      3-5

Стекло и керамика                                                                     6-8

Другие минеральные отходы                                                  12-19

     Как показывает опыт, объемы генерирования отходов постоянно растут, в то время как темпы их переработки несопоставимо малы. По данным санитарных служб, с> точное количество ТБО на одного жителя города может достигать 2 кг, а суточное продуцирование влажных юродских отходов, например, городов Донецка и Макеевки, составляет 3,5 1ыс. т: с каждым I о до м эта цифра увеличивается примерно на 5-7%, в основном за счет органической составляющей.

     Твердые промышленные отходы (ТПО) генерируются различными отраслями промышленности и весьма разнообразны  по составу.  Около 50% ТПО содержат,  помимо зольных, 5-40% органических компонентов. К таким отходам относятся различные шламы коксохимических предприятий; отходы хлорорганических производств; производств органических полупродуктов и красителей, полиэтилена, пластических масс, эпоксидных и фенолоформальдегидных смол, синтетических волокон, производства основного органического синтеза: производств фосфора и фосфорных кислот; производств пестицидов; нефтеперерабатывающей и нефтехимической отраслей промышленности; лесохимических производств; химико-фармацевтических предприятий; микробиологической промышленности, угольной, металлургической и машиностроительных отраслей промышленности; радиотехнических, приборостроительных, энергетических и других предприятий; жилищно-коммунального хозяйства; речного и морского флотов и др.

     Особого внимания заслуживают многотоннажные, твердые углеродистые отходы (ТУО) угольной промышленности, основную массу которых составляют отходы углеобогащения, различные шламы, а также породные отвалы и терриконы. Они представляют собой специфический вид отходов, которые не столь токсичны (как многие другие виды промышленных твердых отходов) и имеют высокий энергохимический потенциал. Содержание органических компонентов в названных отходах варьирует от 15 до 50%.

     По данным Министерства экологии и природных ресурсов количество накопленных ТПБО в Украине составляет примерно 25 млрд. тонн, а занимаемая ими площадь более 170 тыс. га. Особенно сложная ситуация с отходами складывается в Донецком регионе, наиболее техногенно-нагруженным не только в Украине, но и в Европе. Только в Донецкой области имеется около 1000 объектов накопления отходов в виде терриконов, отвалов, шламонакопителей и свалок (полигонов, хранилищ). Они занимают до 30 тыс. га (более 1% территории), в них сконцентрированы почти 4 млрд. тонн вещества.

     Вклад различных отраслей промышленности в накопление ТГТО в Донецкой области /1/:

Доля в общем балансе, %

Угледобыча                                                                        29,6

Черная металлургия                                                          27.6

Коксовое производство                                                      9,1

Обогащение углей                                                              8,1

Производство электроэнергии                                           7,5

Коммунальные услуги                                                        4,0

Строительные материалы                                                   3,3

Машиностроение                                                                3,2

Химическая и нефтехимическая отрасли                         1,5

Транспорт                                                                            1,4

Производство огнеупорных материалов и

флюсов                                                                                 1,2

Цветная металлургия                                                          1,2

Гражданское строительство                                               0,9

Различные отрасли легкой промышленности                  0,8

Пищевая промышленность                                                0,4

Сельское хозяйство                                                             0,1

     Значительный вклад в накопление отходов вносит угольная промышленность Украины, на ежегодно направляет в отвалы примерно 140 млн. тонн отходов, из них почти половина -отходы обогащения.

     Присутствие органических составляющих в отходах, появление продуктов их изменений (окисления, гниения, сжигания и др.), синтез токсинов наличие крайне вредной микрофауны, грызунов, насекомых наносят огромный ущерб окружающей природной среде.

     Решение обозначенной проблемы отходов должно осуществляться на основании закона Украины «Об отходах», а также согласно «Государственной программы обращения с отходами производства и потребления до 2005 г» и включать вопросы оптимального образования, смещения, утилизации и переработки отходов, а также управления ими.

     Применяемые в настоящее время на практике способы решения проблемы ТБО делятся на две основные группы:

• пассивные      (включают      компактирование,      капсулирование,      захоронение, складирование на полигонах);
• активные (основаны на термических и других воздействиях на ТУО. приводящих к структурно-химическим превращениям последних).

     Пассивные методы решения проблемы ТБО являются простыми в техническом ;полнении, а потому в настоящее время более распространены. К сожалению, они не решают вопросов во-первых, утилизации и сокращения объемов отходов, а во-вторых, защиты окружающей природной среды.

     Применение активных методов решения проблемы ТБО сокращает объемы последних и имеет ряд преимуществ (в том числе экологической безопасности) по сравнению с пассивными методами. Активные методы являются более сложными по техническому исполнению и развиваются в двух направлениях:

• пламенного сжигания (для получения теплоты, преобразуемой далее в зависимости от целей использования в энергию нагретой воды, пара и в электрическую энергию).
• переработки   отходов   (с   помощью   методов   пиролиза,   термолиза,   метанового брожения, катализа, газификации, гидрогенизации и т.д.)

     Мировой опыт свидетельствует, что до начала 80-х годов из активных методов доминирующим являлось сжигание. Проблема ТБО в развитых странах частично решалась строительством мусоросжигательных заводов. Однако в 90-е годы в Западной Европе и США наметилась тенденция к приостановлению строительства подобных заводов, так как зачастую они оказывается нерентабельными, имеют низкую эффективность утилизации отходов и. несмотря на применение нескольких ступеней очистки выбросов в атмосферу, являются серьезным источников загрязнения воздушной среды супертоксичными веществами.

     В настоящее время в промышленно развитых странах Запада работают лишь небольшие малотоннажные мусоросжигательные заводы, ориентированные на сжигание отдельных видов отходов, которые заранее классифицированы населением.

     В связи с изложенным основное внимание в Украине следует уделять разработке и применению активных беспламенных методов переработки и утилизации отходов. Такая переработка предполагает предварительное частичное извлечение из общей массы отходов органических и неорганических компонентов, представляющих коммерческую ценность для заинтересованных промышленных предприятий, с последующим использованием оставшейся массы в качестве топлива для получения энергии.

     Такая комплексная переработка и утилизация отходов с помощью активных методов требует формирования специальной индустрии, и она должна быть превращена в прибыльный бизнес, поставленный на конкурентную основу, с соблюдением всех современных требований экологической безопасности.

     Один из вариантов реализации современного подхода к решению проблемы комплексной переработки твердых органических (углеродистых) отходов предложен ДонНТУ (кафедра "Машины и аппараты химического производства") /3/: предусматривается переработка твердых углеродистых промышленно бытовых отходов путем термолиза.

     Термолиз - термическое разложение (деструкция) и синтез органического сырья без доступа кислорода с получением полезных парогазовых, жидких и твердых углеродистых продуктов (полукокса, кокса, водорода, метана, ароматических и других соединений). Он осуществляется в специальных наклонных термолизных печах (НТП). Твердые продукты термолиза представляют собой топливо, которое направляется в энергоблок, где сжигаются с получением электроэнергии. Благодаря нагретости такого топлива затраты на электроэнергию снижаются на 20 %.

     Термолизный газ и жидкие углеводороды используются далее в химическом производстве (химическом крыле заводов) для получения полезных продуктов.

     Процесс термолиза является более экологически безопасным, по сравнению со сжиганием отходов. Это объясняется тем, что во-первых, при термолизе единицы массы органического вещества выделяется в 5-6 раз меньше газа, чем при пламенном сжигании; во-вторых, благодаря герметичности печей удается обеспечивать высокую степень улавливания, обезвреживания и химической переработки продуктов термолиза; и, наконец в-третьих, резко снижается и даже прекращается образование диоксинов. Как известно, при пламенном сжигании помимо обычных загрязняющих веществ (типа SO_x , NO_x и др.) образуются чрезвычайно опасные супертоксиканты-диоксины. Попытки снижения выбросов последних путем наращивания числа ступеней газоочистки (в том числе применение угольных фильтров) недостаточно неэффективны из-за чрезвычайной стойкости диоксинов и их способности к новом синтезу.

     С помощью термолиза можно перерабатывать вещества, трудно поддающиеся переработке - такие, как автопокрышки, лом пластмасс, отработанные вещества. Поскольку после термолиза практически не остается биологически активных веществ, то захоронение твердого зольного остатка не наносит существенного ущерба окружающей среде. К тому же при термолизе образуется пепел с высокой плотностью, что резко уменьшает объем отходов, подвергающихся захоронению (ввиду термического разложения и последующего сжигания твердого термолизного топлива эффект снижения объема отходов больше, чем при прямом сжигании). Отходы превращаются в легко транспортируемые и аккумулируемые источники сырья и энергии. Так, в соответствии с потребностями можно получать масла или жидкие топлива, которые легко транспортируются и хранятся, газ, который можно непосредственно подавать по газопроводам потребителю, и низкосортное твердое углеродистое топливо для промышленных энергоустановок.

     Для условий Донбасса, где сконцентрировано огромное количество твердых породных отходов и отходов углеобогащения, содержащих до 50 % органического вещества, необходимо искать возможности крупномасштабной реализации процесса термолиза. Сложившаяся экономическая ситуация в стране подсказывает, что такие возможности имеются на существующих коксохимических предприятиях с их большим перерабатывающим потенциалом и развитой инфраструктурой. Целесообразность такого подхода обусловлена еще и тем, что в настоящее время, в связи со снижением потребности кокса, они загружены на 25-40 % своей мощности, а некоторые коксовые батареи выведены из эксплуатации на холодную консервацию. Только в Донецкой области насчитывается семь крупных предприятий ОАО «Авдеевский коксохимический завод», ОАО «Донецккокс», ОАО «Маркохим», ОАО «Енакиевский коксохимический завод»,ОАО «Ясиновский коксохимический завод». ОАО «Макеевский коксохимический завод», АОЗТ «Коксан».  Всего же в    Украине    подобных предприятий пятнадцать. Именно на таких заводах реально сооружение и квалифицированная эксплуатация мощных термолизных печей, обеспечивающих совместную переработку промышленных и бытовых отходов, смесь которых в определенных пропорциях заготавливается заранее.

     Технология переработки отходов с использованием термолизных печей (НТП)  включает последовательно следующие основные операции:

• сортировка исходного сырья с извлечением крупных включений металлов, стекла и керамики;
• измельчение, дозирование и смешивание компонентов;
• загрузка смеси ТУО в агрегат и ее прессование;
• термолиз смеси ТУО с получением    твердого термолизного топлива и летучих химических продуктов;
• сжигание углеродистого остатка с утилизацией тепла;
• утилизация зольного остатка в производстве строительных материалов.

      Изложенное   указывает   в   целом   на   технологические   возможности   использования рассматриваемого метода.  Успешная  промышленная  реализация  комплексной  переработки твердых углеродистых отходов на основе термолиза и создание соответствующей индустрии требует   дополнительной   проработки   сопутствующих   важных   научных   и   практических вопросов. Приведем лишь некоторые из них, касающиеся экологической безопасности водной среды.

1. На полигонах, хранилищах, свалках, где накапливается первичное сырье, особенно бытовые отходы, из-за выпадения атмосферных осадков образуются токсичные сточные воды. Эти воды инфильтруют в почву, смешиваются с подземными водами, загрязняют их, попадают в ручьи, речки. Поэтому необходимо исследование санитарного состояния полигонов и выработка рекомендаций по их обустройству, разработке санитарных норм, а также применения технологий (возможно физико-химического характера) для предотвращения негативного воздействия токсичных сточных вод на гидрографическую сеть региона.
2. Для обеспечения бесперебойной работы термолизных печей, соблюдения технологического регламента в пределах завода должен храниться постоянно возобновляемый запас сырья (отходов) В связи с этим возникает вопрос, аналогичный по характеру первому, но привязанный к условиям промплощадки предприятия и учитывающий воздействие временных факторов на токсичность стоков.
3.  Как показано выше, влажность хранимых отходов достигает 40-60 %. В случае загрузки таких влажных отходов в печь будут иметь место высокие энергозатраты, что экономически нецелесообразно. Предотвращение этого явления в техпроцессе частично  обеспечивается при механическом прессовании отходов перед загрузкой в печь с потерей избыточной влажности сырья до 20 %. Образующийся при  этом фильтрат является токсичным и требует очистки перед сбросом в канализацию или использованием в оборотном цикле. По всей вероятности, должно планироваться использование  специальных  накопителей  фильтрата  и   применение  специальных технологий его очистки.
4. При    охлаждении и конденсации парогазовой смеси (прямого термолизного газа) образуется   капельная   жидкость.   В   процессе   конденсирования   она   захватывает различные загрязняющие вещества. Образуется токсичная сточная  вода,  которая требует после накопления в специальных резервуарах особо тщательной обработки с использованием физико-химических и биологических методов очистки.

     Следует также отметить в заключение, что создание индустрии комплексной переработки углеродистых ТПБО на основе термолиза требует формирования организационно-экологического механизма развития такой индустрии. Перечень первоочередных мероприятий при этом может включать /4/:

• отработку механизма предоставления возможности оставлять часть средств от платежей за размещение отходов на финансирование мер по утилизации и уменьшению их объемов в соответствии с обоснованными инвестиционными проектами и программами;
• формирование перечней ТБО, по которым должен устанавливаться специальный режим стимулирования их сбора, заготовки и использования;
• содействие созданию новых заготовительных пунктов, которые занимаются сбором и заготовкой вторичных ресурсов предприятий всех форм собственности;
• проведение маркетинговых исследований для выявления и определения ресурсов ценности ТПБО с целью их эффективного использования;
• разработку порядка предоставления информации субъектам предпринимательской деятельности о технологической возможности утилизации ТПБО.

     Решение изложенных выше вопросов является необходимым условием для успешной реализации комплексной переработки промышленно бытовых отходов по новой термолизной технологии.