АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ

Со стремительным ростом потребления все более актуальной становится проблема обращения с накапливающимися отходами. На городских свалках даже среднего города ежегодно скапливаются сотни тысяч тонн бытовых отходов. Разлагаясь, они отравляют воздух, почву, подземные воды и превращаются, таким образом, в серьезную опасность для окружающей среды и человека.

Свалки ТБО содержат много ценных компонентов, которые могут и должны быть использованы для дальнейшей переработки.

Особо остро стоит проблема ликвидации старых свалок, которые являются «бомбой» замедленного действия,источником загрязнения окружающей среды, сточных вод, одним словом, целого спектра экологических опасностей.

В результате процессов самовозгорания, которым подвержены свалки, образуется множество токсикантов, таких как соляная кислота, сложные летучие соединения, и т.д.

Существующие в настоящее время в Украине способы решения проблемы твердых отходов в основном сводятся к пассивным методам, таким как компостирование, захоронение или складирование на полигонах.

Одним из наиболее эффективных способов переработки твердых углеродосодержащих отходов может быть применен термолиз, позволяющий не только обезвредить отходы, но и получать энергетическое топливо и сырье для химической промышленности и производства строительных материалов.

Переработка отходов сталкивается по существу с отсутствием должного финансового и технического обеспечения. Последняя проблема включается в необходимости разработки специального оборудования, поскольку применение стандартного оборудования малоэффективно, вследствие нестабильности физико-механических, химических и тепло¬технических свойств отходов.

При разработке аппаратного обеспечения активных методов переработки ТПБО для конкретных условий, исследователи сталкиваются с рядом проблем: главная из которых - это нестабильность и зачастую отсутствие знания свойств отходов, что не позволяет эффективно применить имеющееся оборудование.

В связи с этим при разработке новых технологий переработки ТБО необходимы знания их свойств. Эффективным направлением в решении проблемы ТБО для условий Донбасса является термолизная переработка смесей углеродсодержащих промбытотходов в камерных печах с получением твердого топлива и полезных химических продуктов (смолы, бензола, серы, топливного газа) [2]. Техническая сложность термолизной переработки любых бытотходов связана с изменчивостью их свойств, поэтому важным является процесс подготовки сырья.

В ранее выполненных работах [3] показано, что подготовка сырьевой массы включает стадию создания из разных по свойствам исходных промбытотходов однородных многокомпонентных, гетерогенных смесей с необходимыми свойствами. Эта стадия называется компаундирование. Наряду с ней предлагается осуществлять бароформинг. Сущность бароформинга отходов заключается в превращении неоднородной вязкосыпучей дисперсной массы в кусковой продукт за счет многостадийного механического воздействия давлением. Ряд исследований показали [3], что такая подготовка улучшит качество исходного сырья. Но бароформинг может привести к удорожанию технологии переработки. Поэтому задача подготовки сырья должна быть решена с минимальными затратами при создании техники, при низких энергетических и материальных затратах.

Для обоснования параметров процесса бароформинга и его конструктивного оформления необходимо знание основных физико-механических, физико-химических и энергетических свойств отходов, которые перерабатываются. С этой целью в работе проведены некоторые физико-механические испытания смесей ТБО и брикетов на их основе, обоснованы и предложены рациональные технологические параметры процесса, и дан расчет оборудования для осуществления бароформинга.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

Цель работы - выбрать технологию и оборудование для полигона твердых бытовых отходов в условиях Авдеевского коксохимического завода.

Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи:

-Проведение анализа масштабов образования и накопления ТБО.

-Рассмотрение известных технологий их переработки.

-исследование физико-механических свойств ТБО старых свалок, определения параметров процесса обработки механическим давлением:

-определение насыпной плотности и влажности;

-определение морфологического и гранулометрического состава;

-сдвиговые испытания;

-компрессионные испытания;

-прочностные испытания полученных брикетов;

-изучение влияния технологических параметров бароформинга на плотность и прочность получаемых брикетов;

-построение модели плотности,

-построение модели прочности;

-Исследование модели:

- определение рациональных давления прессования, влажности и крупности отходов.

-Исследование влияния связующего на прочность брикетов

- Рекомендации по выбору техники бароформинга, определение ее основных силовых и геометрических параметров.

ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ ИССЛЕДОВАНИЙ И РАЗРАБОТОК

Среди методов ликвидации отходов в настоящее время первое место принадлежит полигонам твердых бытовых отходов, на которые вывозят порядка 90-95 % отходов (сжигание составляет не выше 10 %). При этом сложилось устойчивое мнение: будь-то бы, если ТБО складируются, то тем самым они обезвреживаются. Это далеко от истины. Полигоны — мины замедленного действия, которые будут действовать десятки лет, нанося огромный экологический и социальный ущерб природной среде и, тем самым, населению.

По результатам работ различных авторов, исследовавших все аспекты размещения ТБО на полигонах, отмечается не только сильное поверхностное загрязнение почв на больших территориях, но и подземных вод и грунтов до глубин более 20 м. При этом установлено, что воды фильтратов являются также источником загрязнения поверхностных вод. Воды эти токсичны для живых организмов.

Помимо этого на природную среду оказывает влияние выделение биогаза -метана, кислорода, углекислого газа, содержание которых может составлять десятки процентов. Эти величины превышают санитарные нормы и могут вызвать удушье человека. Биохимическое разложение и химическое окисление материала свалки может сопровождаться образованием очагов выделения тепла с повышением температур до 75 0С. т е возможно самовозгорание отходов. Гниение материала ТБО сопровождается распространением запаха на расстояние более 1 км.

Вторым направлением утилизации ТБО является переработка в органическое удобрение (компост). Из известных методов переработки (с продувкой воздуха в штабелях, в сетчатых камерах, на жалюзийных полках, в вертикальных башнях) наиболее эффективным и гигиеничным на сегодняшний день является метод биопереработки во вращающихся цилиндрических барабанах (диаметром до 4 метров и длиной до 30-60 метров). Процесс происходит в полной изоляции от человека.

Трудность осуществления данного метода состоит в необходимости сложной сортировки и предварительной переработки ТБО. т. к. в Украине отсутствует система целевого сбора отсортированного и незагрязненного вторичного сырья у населения, что влечет за собой необходимость строительства дополнительного завода по сортировке мусора для разделения и сбора вторичного сырья: пленка, бумага, черные и цветные металлы, стекло.

Как показывает практика промышленно развитых стран, одним из наиболее распространенных вариантов ликвидации ТБО является их термическое обезвреживание (сжигание) в специальных котельных установках с получением тепловой и электрической энергии для городских коммунальных нужд. 1 - приемное отделение; 2 - приемный бункер для отходов; 3 - котлоагрегат; 4 -ввод аддитивов; 5 - абсорбер; 6 - рукавный фильтр; 7 - бункер шлака; 8 - бункер золы; 9 - система подавления окислов азота.

Зарубежный опыт

Запатентованные решения в области переработки отходов оказывают направления технического прогресса и раскрывают особенности техники и технологии.

Разработки США. Технология переработки ТБО с извлечением стекла, черных и цветных металлов и использовании органической части в качестве топлива (рис.2). На схеме пунктиром обозначены возможные варианты технологии. Исходный материал дробят. Для предупреждения переизмельчения материала и излишнего смятия консервных банок дробление осуществляют в цепной дробилке. Разделение материалов на компоненты достигают методами магнитной сепарации, аэросепарации и грохочения. Для обеспечения полноты извлечения железа магнитные сепараторы устанавливают в нескольких точкax технологической схемы.

Аэpoceпapaтoры устанавливают в трех точках технологической схемы. Легкая фракция всех аэросепараторов состоит из бумаги, пленочной пластмассы и текстиля и перерабатывается в продукт, пригодный для использования в качестве топлива при сжигании или другой термической обработке. К этим отходам могут быть добавлены органические отходы, получающиеся при выделении в водной среде. Теплота сгорания при этом несколько снижается.

Вариантом технологии является разделение бумаги и пластмассы последующего вторичного использования. Бумажно-пластмассовая смесь дробится до размера -70 мм, для получения материала с острыми краями, что обеспечивает более эффективное отделение бумаги от пластмассы в электрическом сепараторе в поле коронного разряда. Данная схема обеспечивает высокую степень разделения ТБО, но сложна по аппаратурному обеспечению.

Технологическая схема обогащения ТБО с выделением органической части для ее дальнейшей переработки (США). По этой схеме (рис.3) исходные отходы перед сортировкой подвергают дроблению и грохочению. В процессе сортировки отходов с помощью первого аэросепаратора выделяют пластмассу, с помощью второго аэросепаратора - бумагу, магнитным сепаратором отделяют черные металлы, в вертикальном аэросепараторе выделяют стекло. Оставшийся материал (класс<25 мм) представляет собой органические отходы и может использоваться для получения компоста или корма, или дальнейшей переработки одним из методов термического разложения.

По данной технологии извлеченную пластмассу используют как топливо для сушки отсортированной бумаги. Рациональнее было бы использовать пластмассу в качестве вторичного ресурса, а сушку бумаги производить отводимым теплом от переработки органической массы отходов.

Технологическая схема обогащения ТБО с выделением компонентов, представляющих ценность как топливо (США) показана на рис.3.

ТБО подают по питающему конвейеру 14, снабженному защитным кожухом 13, и разгружают в дробилку 12 (площадь отверстий решетки 20-25 см2) I стадии дробления. Измельченный материал поступает на вибрационный конвейер 15 и далее по ленточным конвейерам 11 и 16 через секторный питатель в бункер, питающий вертикальный зигзагоообразный сепаратор 10. Тяжелая фракция удаляется ленточным конвейером 17 в сборник. Частицы легкой фракции уносятся воздушным (V=5-10 м/с) в дробилку 19 II стадии дробления. Над дробилкой установлен разделительный бункер 8, из которого легкая фракция уносится по трубопроводу 9, а тяжелая падает на решетку 21 под молотковый ротор. Наличие данного разделения предотвращает уплотнение и сводообразование мелких частиц над входом в дробилку.

В случае быстрого заполнения дробилки материалом создается сопротивление прохождению воздуха через решетку 21, и поток воздуха устремляется по трубопроводу 9, что обеспечивает поддержание эффективной сепарации в аппарате 10. Материал, выходящий из дробилки 19 через кожух 20, по трубопроводу 22 направляется в циклон 6, откуда с помощью секторного питателя разгружается в накопитель 23.

Воздушный поток, очищенный от основной массы измельченных материалов, всасывается в воздуходувку 2 через трубопровод 4, соединенный с колпачком 5 циклона 6, и переносится в пылеулавливатель 1. Скорость воздуха в аэросепараторе 10 подобрана таким образом, чтобы 30% материалов падало на конвейер 17, a 70% материалов поступало в дробилку. Такое соотношение разделения материалов достигается регулированием заслонок 3 и 18.

Данная схема отличается отсутствием магнитной и электродинамической сепарации и применима для грубого выделения из ТБО отходов, которые возможно использовать в качестве топлива.

Обогащение ТБО с утилизацией некоторых компонентов, Технология запатентована в США фирмой "Нэйшенел Рисайклин" (Рис. 4) и отличается тем, что для повышения теплоты сгорания в обогащенные отходы добавляют угольную пыль. Эта технология направлена на получение топливных брикетов для сжигания. Однако, как было сказано выше, сжигание отходов не рационально, убыточно и приводит к загрязнению атмосферы. Кроме того, используется угольная пыль, являющаяся первичным ресурсом и находящая более эффективное применение. Недостатком данной технологии также является отсутствие автоматического выделения из TБО цветного металла.

Разработки ФРГ. Фирмой "Краусс Маффай" запатентована технология (рис. 5), по которой дробленные ТБО подвергают магнитной сепарации, доизмельчают и разделяют на тяжелую и легкую фракцию в аэросепараторе. Из легкой фракции (бумага, текстиль) после грохочения выделяют листовую бумагу и направляют на рециркуляцию. Тяжелую фракцию, содержащею картон, тяжелые куски пластмассы и пачки бумаги, после разрыхления подвергают повторной аэросепарации в вертикальном сепараторе. Легкую фракцию (картон) осаждают в циклоне. Картон после грохочения направляют на рециркуляцию.

Экспериментальный завод по переработке ТБО, построенный по программе Стардаст-80" (Япония). По технологической схеме завода (Рис.6) ТБО предварительно сортируют при помощи специального классификатора на две фракции. Первая фракция в основном включает пищевые отходы, стекло, песок. Из этой фракции выделяют стекло, а органический остаток направляют в установку высокоскоростной ферментации метана, обеспечивающую получение 900 мэ/сут газа (при производительности завода 30 т/сут) с теплотой сгорания 24.2 МДж/м3. Вторая группа проходит магнитную сепарацию, дробится и подается на пиролизную установку, где получают горючие газы (2200 м3/сут), теплота сгорания которых составляет 22,1 МДж/м3.

Завод по переработке ТБО фирмы "Оксидентл Петролиум Kорпорейшн" (США). На данном заводе производственной мощностью 200 т/сут пиролизу подвергают органическую часть ТБО, а из неорганической части извлекают стекло флотацией и черный металлолом магнитной сепарацией (рис. 7). Дробление исходных ТБО осуществляется в дробильном агрегате типа "Эйдал", представляющем собой массивный вертикальный ротор диаметром 6 м, вращающийся с частотой 370мин-1, внутри тяжелого барабана. Ротор имеет 60 зубчатых колец. После аэросепарации легкую фракцию подвергают до 5% влажности для снижения тепловой нагрузки в реакторе и упрощения операции разделения воды и масла. После сушки легкую фракцию доизмельчают в вертикальном дезинтеграторе.

Технология получения гранулированного топлива фирмы "Нью Ист Сэссекс Каунти Каунсл" (Великобритания). В технологической схеме получения топлива из твердых бытовых и промышленных отходов на линии производительностью 15 т/ч предусмотрены дробление отходов до крупности 100-125 мм, магнитная сепарация, грохочение для отсева стеклобоя в барабанном грохоте, аэросепарация для выделения легкой фракции (макулатура, полимерная пленка). Легкую фракцию подвергают дроблению до крупности - 12мм и изготовляют из нее топливо в виде гранул. Выход гранулированного топлива с теплотой сгорания 17 МДж/кг достигает 28%. Топливные брикеты сжигают в котельных как добавка к углю, Мелкие фракции золы используют в строительной промышленности.

Рассмотренные технологические схемы отражают возможные способы переработки ТБО и обладают рядом достоинств, но все же не могут быть использованы для проектирования мусороперерабатывающего предприятия в нашем регионе по причине малой производительности, сильного загрязнения окружающей среды и утилизации только сортированного жителями мусора. Однако, в результате данного обзора можно определить ряд положений, которые необходимо учитывать при построении технологической схемы.

При построении технологической схемы предварительной подготовки отходов за основу необходимо принимать следующие положения:

-для извлечения из потока ТБО цветных и черных металлов необходимо предварительное разделение потока на легкую и тяжелую фракции, т.к. металлолом легко запутывается в легких компонентах ТБО, и его невозможно выделить в самостоятельный продукт;

-крупные куски металлолома (более 300 мм) необходимо извлекать из потока ТБО в первую очередь, что улучшает эффективность аэросепарации для разделения ТБО на две фракции (уменьшение объема материала, ударной нагрузки на аппараты);

-после удаления из ТБО легкой фракции сначала необходимо извлекать черные металлы, т.к. их присутствие в потоке затрудняет применение электродинамической сепарации;

-нецелесообразно дробить исходные ТБО, т.к. это может привести к затруднению их дальнейшей подготовки (дробления, сепарации) из-за сминания легких фракций с другими отходами;

-высокая влажность отходов затрудняет их эффективную переработку (влажность ТБО - 40-70%, влажность шламов - 20-40%); обезвоживание ТБО нецелесообразно проводить в специальных сушильных агрегатах из-за высокой стоимости данного процесса и необходимости очистки отводимого воздуха; удаление жидкой фазы возможно совмещать с аэросепарацией, грохочением (при колебаниях материала на сите; подача нагретого воздуха или газа противотоком в барабанном грохоте и др.), уплотнением отходов;

-наличие упругих компонентов в ТБО (полимерных материалов и т.п.) негативно влияет на уплотнение отходов перед загрузкой в термолизную печь: уменьшается плотность уплотнения массы, увеличивается необходимое давление прессования;

Для увеличения уплотняемости смесей отходов необходимо извлекать полимерную фракцию вместе с бумагой, до дробления, и подвергать ее термодеформированию (рис 8). Возможно разделение полимерной пленки в аэросепараторе вертикальном или горизонтальном) для выделения их в самостоятельные продукты. Однако сильная загрязненность выделенных из отходов пленки и бумаги не позволяет использовать их как-вторичный ресурс для получения качественных материалов.

Насыщенность и быстрый рост рынка потребления полимерной пленки и бумаги, вызывают необходимость утилизации образующихся отходов. Для нашего региона более рационально не выделение из ТБО низкокачественного полимерного материала или бумаги, не имеющих спроса на рынке, а их переработка вместе с основной массой отходов.

ВЫВОДЫ

1. Проанализированы масштабы образования и накопления твердых бытовых отходов и существующие зарубежные и отечественные технологии их переработки и утилизации;

2. Дана характеристика полигона и исследуемых отходов;

3. Описана методика проведения комплексных испытаний отходов старых свалок;

4. Изучен процесс уплотнения смесей твердых бытовых отходов;

5. Проведены прочностные и сдвиговые испытания брикетов;

6. Исследовано влияние технологических параметров бароформинга на физико-механические свойства ТБО;

7. Обоснован выбор оборудования для осуществления процесса бароформинга.

ПЕРЕЧЕНЬ ИСТОЧНИКОВ

1. 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.

2. Парфенюк А. С, Веретельник С. П., Кутняшенко И. В., Топоров А. А., Мельниченко А. Г. Проблема создания промышленных агрегатов для утилизации твердых углеродистых отходов. Возможности ее решения // Кокс и химия. 1999. -№3. С.40-44.

3. Антонюк С. I. Обгрунтування технології i техніки компаундування твердих вуглецевих виход1в для екологично чистої термічної переробки у камерних печах. Автореферат дисертації. - Національний технічний університет України „Київський політехнічний інститут". Київ. 2004. С. 19.

4. Шубов ЛЯ,, Ройзман В JL, Дуденков СВ. Обогащение твердых бытовых отходов. - М.: Недра, 1987. - 238 с.

5. Porteous A. Refuse derived fuels - their produktion., properties and futere procpects. - International Environmental and Safety, №1, c 7-9, 11.

6. Porteous A. Fuel from refuse, - Endeavour, 1982, 6, №3 с 114-118.

7. Schult-Sclirepping K.H. Cadiumemissionen aus Mullverbreimungsaiilagen-I Metall, (W -Berlin), I981, 35, №4, c.351-352.

8. Scliloemann E. Application of Ferrites to Environmetal Problems Recovery of Nonferrouss Metals from Waste Using Barium - Ferrite Magnets/ I FERRITES; Proceedings of the International Conference, September - Oktober 1980, Japan. - Dordrecht, 1982, c.867-873.

9. В. А. Ульянов, А. С. Парфенюк."Определение физико-механических характеристик твердых отходов для обеспечения надежности процесса их переработки".Предлагается процесс комплексного механического воздействия на сырье — бароформинг. Описываются основные режимные моменты и параметры данного метода подготовки.

10. Е.И.Селютина, А.С.Парфенюк.Определение физико-механических характеристик ТБО применительно к разработке перерабатывающей техники// Охорона навколишнього середовища та раціональне використання природних ресурсів/ Збірка доповідей VI Міжнародної наукової конференції аспірантів і студентів. Т. -Донецьк: ДонНТУ, ДонНУ, 2007.-235с.

11. Парфенюк А.С., Антонюк С.И., Топоров А.А. Альтернативное решение проблемы твердых отходов в Украине //Экотехнологии и ресурсосбережение. - 2002. - №4. - С. 36-4. Новые идеи в воросах обращения с отходами в Украине.