Санитарные, экономические, экологические аспекты термического обезвреживания твердых отходов

В мире существуют предприятия по термическому обезвреживанию ТПО и ТБО. Однако ни одно из этих предприятий не является безотходным и экономически рентабельным. Эти установки выделяют в окружающую среду вредные вещества, а получаемые на них отходы необходимо складировать на свалках и полигонах. Выход отходов составляет 35-40% от объема перерабо­танных твердых отходов. Действующие и проектируемые установки по сжиганию ТБО и ТПО при температурах выше 1000°С обладают следующими недостатками:

- отсутствуют системы регулирования и контроля процесса горения органических компонентов твердых отходов в высокотемпературной зоне печей;

- отсутствует система ингибирования - образования в процессе горения отходов особо опасных соединений - диоксины, фураны.

При высоких температурах (более 1000°С) опасные вещества разлагаются до более простых молекул, а при последующем охлаждении дымового газа вновь образуются особо опасные вещества. Чтобы снизить токсичность дымового газа, необходимо из него полностью удалить атомы кислорода, хлора и фтора. Для этого в печь добавляют уголь и известняк. Уголь связывает кислород шихты в монооксид и диоксид углерода, а известняк связывает атомы галогенов, содержащихся в твердых отходах.

Наиболее эффективно процесс сжигания твердых отходов протекает в печах доменного типа. Технология позволяет перерабатывать твердые промышленные и бытовые отходы без предварительного их разделения по фракциям. Основным материальным отходом технологии являются дымовые газы, а оставшиеся после сжигания отходы перерабатываются в облицовочные плиты, чугун, сталь.

Система очистки дымовых газов включает следующие основные стадии:

- электрофильтр;

- каталитическая нейтрализация;

- абсорбция кислотных компонентов;

- адсорбция диоксинов и фуранов на активированном угле;

- тонкая очистка газа от пыли в рукавных фильтрах.

Ориентировочная стоимость установки по переработке ТБО, ТПО

производительностью 60000 т/год 45 млн. долл. США, необходимая площадь 1,5 га. Основная продукция установки (в год) - 50 млн. кВт-час электроэнергии,,; 10000 т металлических изделий, 25000 т шлаковых изделий. Срок окупаемости установки - 3 года. Проект установки разработан специалистами научно- исследовательского центра «Экология и промышленная энерготехнология»] объединенного института высоких температур РАН и АОЗТ «Резоцинт». До отработки этой технологии в промышленных условиях нельзя сделать* окончательные выводы по экономической целесообразности и экологической безопасности предложенного проекта технологии уничтожения ТБО и ТПО.

Ниже приведены сведения по проблемам, которые выявлены в процессе промышленной эксплуатации установок термического обезвреживания твердых отходов.

Перед сжиганием твердые отходы должны взвешиваться и частично сортироваться. В мусор, особенно в больших городах, попадает много алюминия и, если его не отделять, то при попадании в зону горения значительных количеств алюминия может произойти тепловой взрыв.

Бункер для хранения резервного запаса мусора представляет собой объект повышенной опасности, поскольку при этом помимо нарушения санитарно- гигиенических условий труда образуется пожаро-взрывоопасный метан. Для обеспечения санитарно-экологической безопасности требуется полная зачистка бункера не реже, чем один раз в неделю, либо организовать мощную принудительную вентиляцию мусора, чтобы предотвратить образование взрывоопасной концентрации метана. После вентиляции мусора воздух необходимо направить в печь сжигания, а не выбрасывать в атмосферу.

Согласно нормативам Европейского Союза (НЕС) время пребывания гаЗов в высокотемпературной зоне печи сжигания не должно бьггь менее двух секунд (правило двух секунд) при температуре не ниже 850°С и концентрация кислорода не менее 6% объемн. Эти требования достаточно жесткие, особенно затруднительно добиться высокой концентрации кислорода в зоне горения. Правило двух секунд предполагает, что при концентрации кислорода 11% в зоне горения концентрация диоксинов в отходящих газах уменьшается до такой концентрации, при которой возможна очистка отходящих газов от диоксинов до требуемой НЕС концентрации 0,1 мг/м³, при этом подразумевается, что степень очистки от диоксинов будет не менее «шести девяток», то есть 99,9999%.

Во многих схемах МСЗ вводят дополнительные зоны с высокой температурой, зоны «дожита» для снижения выхода диоксинов.

Вопрос о целесообразности установки дополнительной зоны «дожита» довольно широко обсуждался в научно-технической литературе. Подавляющая часть исследований свидетельствует о неэффективности этого способа уменьшения концентрации диоксинов. При обследовании мусоросжигающих печей было показано, что диоксины образуются как в процессе сжигания, так и охлаждения отработанных газов, а повышенные температуры в зоне «дожита» не приводят к разрушению диоксинов. Кроме этого, высокотемпературные зоны приводят к увеличению летучести тяжелых металлов и как следствие повышенная эмиссия опасных металлов в атмосферу. Показано, что выбросы наиболее опасных компонентов продуктов неполного сгорания, в том числе диоксина из печей сжигания различных конструкций, не снижаются даже при повышении температуры в зоне горения от 700 до 1500°С, при увеличении времени пребывания газов в зоне горения от 2 до 6 с и увеличении концентрации кислорода от 2 до 15%.

На основании анализа опубликованных материалов по исследованию работы мусоросжигающих печей можно сделать вывод, что зона высокотемпературного «дожита» не позволяет снизить концентрации опасных соединений и тяжёлых металлов.

Распространено представление о том, что резкое охлаждение дымовых газов, т.е. «закалка», должна привести к снижению выхода диоксинов. Истинная «закалка» подразумевает снижение температуры газового ядра на несколько сотен градусов за доли секунды, чтобы ингибировать положение термодинамического равновесия при высокой температуре. Однако, это технически сложно осуществить в реальных условиях МСЗ. При «закалке» дымовые газы МСЗ с температурой выше 850°С поступают в камеру впрыска воды, либо в котел-утилизатор, где охлаждаются до температуры 300-320°С. Экспериментальным путем определено, что наиболее благоприятные температуры для образования диоксинов - это интервал 300-400°С. Это именно тот диапазон температур, до которых охлаждаются дымовые газы. По данным исследования Агентства охраны окружающей среды (ЕРА, США) установлено, что нижняя граница образования диоксинов находится в пределах температур 250-350 °С. Становится очевидным, что котел-утилизатор является идеальным реактором для образования вторичных диоксинов.

Ниже приведены стадии очистки дымовых газов, принятых на современных МСЗ (на примере МСЗ в г. Алкмаар, Нидерланды):

- электрофильтр - очистка от летучей золы;

- впрыск очищенной воды - «закалка»;

- электрофильтр - тонкая очистка от летучей золы;

- абсорбер дЛя поглощения кислых компонентов (первая стадия) (*);

- щелочная абсорбция кислых компонентов (вторая стадия) (**);

- очистка сточных вод после стадий (*, **) - нейтрализация, флокуляция, - - осаждение - очищенная вода поступает на впрыск - «закалку»;

- теплообменник для нагрева дымового газа;

- реактор с дополнительным вводом активированного угля для связы­вания диоксинов;

- рукавные фильтры для тонкой очистки газа от пыли;

- нагрев дымовых газов;

- каталитическое восстановление оксидов азота аммиаком, совмещенное с - каталитической нейтрализацией диоксинов.