какой компонент твердых коммунальных отходов наиболее опасен для утилизации посредством сжигания
Оценка потенциально опасных ингредиентов, влияющих на газовые выбросы при термической переработке ТБО
Для проектирования завода, удовлетворяющего эколош-экономическим требованиям, необходимо обладать достаточно фундаментальными знаниями о потенциально опасных ингредиентах, содержащихся в отходах и образующихся при их сжигании, а также их поведении в процессе сжигания.
Твердые бытовые отходы представляют собой гетерогенную смесь, в которой присутствуют почти все химические элементы в виде различных соединений.
Наиболее распространенными элементами являются углерод, на долю которого приходится около 30% (по массе), и водород (4% по массе), входящие в состав органических соединений; теплотворная способность отходов во многом определяется именно этими элементами. В промышленно развитых европейских регионах теплотворная способность ТБО составляет 1900-2400 ккал/кг, достигая в ряде случаев 3300 ккал/кг; прогнозируется дальнейший рост теплотворной способности отходов, что окажет влияние на конструктивные особенности элементов термического оборудования.
Сжигание ТБО, как правило, является окислительным процессом, и в камере сжигания превалируют окислительные реакции. Главными продуктами сгорания углерода и водорода являются, соответственно, С02 и Н20; при неполном сгорании (условия недожога) образуются нежелательные продукты — монооксид углерода СО, низкомолекулярные органические соединения, полициклические ароматические углеводороды, сажа и др.; аналогичные соединения могут быть продуктами реакций, происходящих в зоне более холодных элементов оборудования (например, на выходе из печи, на стадии газоочистки и т.п.).
При сжигании необходимо учитывать, что в ТБО присутствуют потенциально опасные элементы, характеризующиеся высокой токсичностью, высокой летучестью и повышенным содержанием: различные соединения галогенов (фтора, хлора, брома), азота, серы, тяжелых металлов (меди, цинка, свинца, кадмия, олова, ртути).
В табл. 5.35 приведено сравнительное содержание в ТБО и земной коре ряда опасных элементов.
Из таблицы видно, что содержание в ТБО галогенов, серы и тяжелых цветных металлов на 1-2 порядка выше, чем в земной коре.
В условиях сжигания ТБО галогены преимущественно находятся в форме их соединений с водородом (НС1, НВг, НБ), являющихся наиболее устойчивыми продуктами сгорания.
Сера преимущественно (до 70%) переходит в нелетучие сульфаты, попадающие в шлак, и в летучий диоксид серы 802.
Сравнительное содержание ряда опасных элементов в ТБО и земной коре
Неправильное сжигание отходов и наша атмосфера: старые методы и новые технологии
Классические мусоросжигательные заводы с устаревшим оборудованием уже давно не строят в развитых странах. Сегодня их возводят только в России и Восточной Европе, в то время как жители Финляндии, например, высказывают активные протесты. Метод сжигания отходов без специализированной очистительной техники изжил себя. Ему на смену пришли новые, гораздо более безопасные технологии, которые не наносят вреда ни атмосфере, ни здоровью человека.
Чем опасно сжигание мусора на старом оборудовании
Выбросы от труб мусоросжигательных заводов распространяются на расстояние до 24 км. Более всего подвержены их опасному воздействию жители километровой зоны. Вдыхание воздуха, насыщенного диоксинами, способствует появлению онкологических заболеваний, астмы, серьезных аллергических реакций. Но это далеко не все негативные последствия:
Мусоросжигательные заводы старого образца особую опасность представляют при несоблюдении технологий обработки мусора. После предварительной сортировки в нем не должно быть батареек, содержащих тяжелые металлы, и пластмассовых изделий, которые при сжигании образуют диоксины.
Какие прогрессивные технологии сжигания сегодня используют в мире
Во всем мире используют преимущественно две технологии:
Независимо от выбранной технологии, безопасность сжигания бытовых, промышленных, пищевых отходов во многом зависит от системы очистки выбросов. В Европе, к примеру, используют пяти- и шестиступенчатые системы, в отличие от России, где количество ступеней очистки в лучшем случае достигает трех.
Технология слоевого сжигания на колосниковой решетке доминирует в странах ЕС. В Швейцарии, Швеции, Австрии, Голландии, Японии на нее приходится около 91 %. Сжигание в кипящем слое практикуют в 6 % случаев. Еще 3 % составляют альтернативные проекты, например пиролиз.
Что такое пиролиз
Один из вариантов утилизации мусора – пиролиз. Технология более перспективна с точки зрения безопасности для экологии, однако пока принадлежит к альтернативным. Сложные органические вещества расщепляются при нагревании в безвоздушном пространстве на простые компоненты.
В зависимости от типа отходов и выбранного температурного режима получают разные продукты распада: топливо в жидком состоянии, синтез-газ, электро- и тепловую энергию, мазут. Все они безопасны для атмосферы и человека, поэтому пригодны для повторного использования.
Утилизация отходов по технологии пиролиза гораздо более безопасна для атмосферы и человека, чем сжигание
Как сжигают мусор в Европе
Сегодня в ряде европейских городов функционируют мусоросжигательные заводы нового образца, о которых России пока остается только мечтать. Они не просто безопасны для экологии, но еще и производят электро- и тепловую энергию.
В центре Вены, по соседству с офисными зданиями, элитной недвижимостью и детским садом, расположен легендарный завод Шпиттелау, где ежегодно утилизируют 250 тыс. т мусора. Из образованной золы здесь производят искусственный песок или керамику, а тепло, которое выделяется при переработке, отапливает более 60 тыс. городских квартир.
Более двух третей завода занимают очистные сооружения, где выхлопной газ проходит многоступенчатую очистку. Наверху здания расположено видовое кафе: завод радушно принимает туристов.
Не опасаются строить мусоросжигательные заводы в городах и французы. К примеру, завод в Исси-ле-Мулино, утилизирующий 2,3 млн т отходов в год, обеспечивает всему городу централизованное отопление и не представляет никакой опасности для экологии.
Самый мощный завод в мире расположен в Швеции, в 70 км от Стокгольма, в городке Уппсала. Он обеспечивает горячей водой и отоплением город и окрестности, а также 40 % объектов шведской столицы. Разумеется, вопрос о загрязнении атмосферы здесь давно решен, как и на остальных шведских мусороперерабатывающих предприятиях, каковых в стране 32.
Создатели самого чистого в мире мусоросжигательного завода в Копенгагене открыли на его крыше горнолыжный курорт. Они настолько убеждены в экологической безопасности окружающей атмосферы, что даже рекомендуют проводить там пикники.
Азиатский подход к сжиганию мусора
Сегодня в черте Токио функционирует 22 суперсовременных мусоросжигательных завода, например Katsushika. Мусор сбрасывают в яму глубиной 30 м, перемешивают специальным ковшом, только потом сжигают. Выхлопной газ очищают от вредных примесей и выпускают через высокую трубу в атмосферу.
Первый мусоросжигательный завод в Токио был построен в 1924 г.
Чего ждать в России
В России современные технологии безопасного сжигания мусора пока не настолько развиты, однако к этому есть предпосылки. В 2019 г. правительство утвердило так называемую мусорную реформу, которая вступит в действие в 2022 г. Одна из ее стратегических задач – полный отказ от полигонов (свалок) к 2030 г. Особое внимание уделено и вопросу сжигания отходов.
В ближайшем будущем в рамках национального проекта «Экология» в России появятся мусоросжигательные заводы, разработанные по швейцарской технологии Hitachi Zosen Inova – дочерней компании Hitachi. Она уже построила около пятисот таких предприятий по всему миру, двести из которых расположены в Европе. Первый появился в 1965 г. в Осаке.
Запланировано возведение двух инновационных мусоросжигательных заводов в Московской области к 2021 г., затем еще двух – там же. Пятый будет построен в Татарстане.
Мусор будет утилизироваться с помощью атмосферного сжигания при очень высоких температурах (1260 °С). Затем его обработают в камере дожига при 850 °С. Выделившийся газ очистят через трехступенчатый фильтр. Летучая зола будет нейтрализована посредством цементирования, пар переработают в электроэнергию, из шлаков отберут полезные фракции и отправят на строительство дорог. По заверениям представителей Hitachi, такие заводы не оказывают негативного воздействия на атмосферу и людей, которые проживают даже напротив них.
К 2021 г. в России планируют построить два мусоросжигательных завода нового образца по технологии Hitachi Zosen Inova
Как видите, сжигание сжиганию рознь. Многим странам уже удалось создать безопасные мусоросжигательные предприятия, которые они не побоялись разместить даже в крупных городах. России еще только предстоит пройти этот путь. Но уже сейчас очевидно: никогда нельзя бездумно сжигать ни опасные медицинские отходы, ни с виду безопасный бытовой мусор.
Сжигание мусора теперь означает его утилизацию. Что не так с новым законом о ТБО?
Госдума 18 декабря в третьем и окончательном чтении приняла законопроект, который приравнивает сжигание мусора к утилизации. По сути, новая норма делает сжигание мусора стандартной процедурой, тогда как до сих пор этот метод применялся только в крайних случаях. В Минприроды считают, что законопроект позволит увеличить объем отсортированного и вторично переработанного мусора, а экологи уверены, что поправки усугубят проблемы с загрязнением воздуха и позволят государству построить больше мусороперерабатывающих заводов. «Хайтек» рассказывает, почему сжигание мусора нельзя считать переработкой и как новый закон повлияет на обращение с твердыми бытовыми отходами в России.
Читайте «Хайтек» в
Что именно изменил закон?
В действующем Законе об отходах сжигание мусора и утилизация четко разделены. Сжигание предполагает обезвреживание отходов: то есть уменьшение их массы, изменение состава, физических и химических свойств для уменьшения негативного влияния на здоровье человека и окружающую среду. Под утилизацией понимается переработка твердых бытовых отходов (ТБО) с их последующим использованием.
Сжигание считалось крайней мерой обращения с отходами и применялось только в случае, если иные методы по каким-то причинам применить нельзя. Новый закон, принятый Госдумой в трех чтениях, уравнивает понятия сжигания и утилизации.
Глава Минприроды Дмитрий Кобылкин заявил, что главная задача поправок — сортировка, «вычленение из мусора полезных фракций» и лишь в последнюю очередь — сжигание. Однако, как отмечает Гринпис, из несортированных отходов можно извлечь только 15% вторичного сырья — оставшиеся 85% по новому закону могут быть отправлены на сжигание.
По данным Минприроды, ежегодно в России образуется более 70 млн т твердых коммунальных отходов, из них утилизируется только 7%. Более 90% отходов размещается на полигонах либо отправляется на несанкционированные свалки — сейчас таких по всей стране около 22 тыс.
Нацпроект «Экология», который является следствием майского указа президента Владимира Путина, содержит цель по утилизации 36% ТБО к 2024 году. Это значит, что через пять лет в России должно перерабатываться около 25,2 млн т отходов.
Планируется, что в ближайшее время в России будет построено до 30 мусоросжигательных заводов — если их суммарная мощность составит от 500 до 700 тыс. т мусора в год, то через пять лет удастся сжигать около 21 млн т мусора, — а это почти целевая цифра нацпроекта. Таким образом, принятый Госдумой законопроект позволит достичь необходимых показателей показателей за счет сжигания мусора, а не за счет его переработки и повторного использования. Подробнее о мусорной реформе и строительстве мусоросжигающих заводов «Хайтек» писал в большом материале.
Разве сжигать мусор хуже, чем перерабатывать?
Метод превращения бытовых отходов в энергию — так называемую биоэнергию — десятилетиями применялся в странах Европы, Восточной Азии и США как решение проблемы мусора, который в противном случае мог бы попасть на свалку. Мусор сжигается как топливо при высоких температурах, а получаемое в результате тепло может использоваться для обогрева зданий без использования ископаемого топлива или подаваться в турбину в виде пара для выработки электричества.
На первый взгляд, сжигание отходов выглядит как решение проблемы с мусором и хорошим способом предотвращения мусорного кризиса, который может возникнуть при переполнении свалок. Однако в действительности переработка намного выгоднее и наносит меньше вреда экологии, чем его сжигание.
Практика сжигания вредна по нескольким причинам. С одной стороны, она не стимулирует граждан заботиться о том, что и в какой форме они потребляют. Это очень опасно в мире, где более 7 млрд человек живут за счет ограниченных ресурсов.
Когда мусор сжигается, он не попадает на свалки — поэтому люли не видят, какое количество отходов они производят. Кроме того, заводам требуется много мусора, чтобы постоянно поддерживать высокую температуру горения и получать прибыль от производства энергии. Это, в свою очередь, создает постоянно растущий рынок мусора.
По оценке ученых, комбинация переработки и компостирования мусора позволяет сэкономить в 3-4 раза больше энергии, чем можно произвести при ее сжигании. К тому же, рециркуляция позволяет сэкономить огромное количество углекислого газа, который выбрасывается в атмосферу при сжигании мусора.
Сжигание ведет к выбросу вредных для здоровья веществ и приводит к загрязнению воздуха. «В мировой практике не существует МСЗ с нулевым выбросом токсичных веществ. Многие из этих веществ токсичны, не разлагаются и способны к накоплению в живых организмах. Эти свойства делают их наиболее опасными для окружающей среды. Некоторые из них вызывают онкологические заболевания и разрушают гормональную систему человека. Другие вещества, такие как диоксид серы (SO2) и диоксид азота (NO2), вместе с мелкодисперсными частицами (их еще называют PM10 и PM2,5) вызывают респираторные заболевания», — рассказали «Хайтеку» в российском отделении Гринписа.
К загрязнителям, которые выбрасываются в атмосферу при сжигании мусора, относятся диоксины, полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), полихлорированные бифенилы (ПХБ), нафталины, хлорбензолы, ароматические углеводороды, летучие органические соединения, тяжелые металлы, в том числе ртуть, кадмий, свинец.
«Население находится под воздействием вредного влияния МСЗ, вдыхая воздух, содержащий выбросы от сжигания мусора, и потребляя продукты питания, полученные с загрязненных территорий. Кроме того, отсутствие эффективной системы сбора и утилизации опасных отходов (батарейки, градусники, ртутные лампы) делает мусоросжигание еще более опасным для окружающей среды и здоровья населения», — добавляют в Гринписе.
Что будет дальше?
Сейчас в России строится пять пилотных мусоросжигательных заводов — четыре из них расположены в Подмосковье, один в Казани. Строительством занимается дочерняя компания Ростеха «РТ-Инвест», а совокупная мощность предприятий должна составить 2,8 млн т твердых бытовых отходов в год. Их сжигание, согласно заявлению компании, позволит получить 280 МВт электроэнергии.
Завод в Казани с установленной электрической мощностью в 55 МВт сможет ежегодно сжигать до 550 тыс. т мусора. Суммарная стоимость проекта с пятью заводами оценивается в 150 млрд рублей. Кроме того, рассматривается возможность строительства еще двух мусоросжигательных заводов по 25 млрд рублей каждый на Ставрополье и в Сочи.
Проблема с сортировкой отходов — одна из главных проблем законопроекта. Если в ЕС сортируется до 80% всего мусора, то в России этот показатель по разным оценкам составляет от 5 до 10%. При этом доля ценного сырья в отходах составляет минимум 40%. «В России нет нормального раздельного сбора, в печь полетят батарейки и ртутные градусники, значит, выбросы будут еще хуже», — считают в Гринписе.
После сжигания образуется токсичная зола, которую необходимо захоранивать. Именно поэтому мусоросжигание не способно решить проблему свалок, отмечают экологи.
Например, три существующие в Москве МСЗ могут сжигать только 17% столичного мусора. При этом они образуют до трети золошлаковых отходов от общей массы сжигаемого. Пока этот процесс никак законодательно не отрегулирован.
Конечно, в Гринписе могут преувеличивать, когда говорят, что мусоросжигающие заводы будут утилизировать опасные отходы. В большинстве случаев попадание градусников и батареек в общие пухто с ТБО — это следствие поведения населения и отсутствия культуры обращения с отходами. И, по сути, чистота воздуха, экологическая обстановка и здоровье населения зависят от каждого из нас в отдельности.
Диоксиновая проблема и современные методы термической переработки твердых коммунальных отходов
Для образования диоксинов необходимо сочетание трех условий: наличие органического углерода, наличие хлорорганических соединений и температура выше 450°С. Такие процессы, как сжигание осадков сточных вод, муниципальных и других промышленных и бытовых отходов (например, изделия из ПВХ, целлюлозно-бумажная продукция и пластические массы) сопровождаются образованием экологически опасных количеств диоксинов.
При нагревании хлор- и бромсодержащих органических веществ диоксины образуются в интервале температур 500-1200°С, причем максимум их образования приходится на 600-800°С.
Из общего количества хлора, который имеется в ТКО, около 50% содержится в пластмассе, до 25% в целлюлозно-бумажной продукции, а остальное в резине и других материалах.
Снижение образования и разрушение диоксинов.
Основным мероприятием для подавления выделения диоксинов является уменьшение выбросов органического углерода, то есть обеспечение полного его выгорания, а также контроль уровня СО как основного показателя полноты сжигания и остаточной концентрации диоксинов.
Диоксины обладают высокой термостойкостью. Эффективное разложение этих веществ происходит только при температурах выше 1250°С и выдержке более 2 с. Их терморазложение при меньших температурах является обратимым процессом. При охлаждении дымовых газов до 200-450°С они синтезируются вновь.
Для исключения образования диоксинов в зонах максимальных температур газовые смеси должны находиться при температурах выше 1250°С не менее 2 с. В целях предотвращения образования вторичных диоксинов в зоне охлаждения отходящих газов установок по сжиганию время пребывания в интервале температур 200-450°С должно быть не более 1 с.
Из опыта мусоросжигания известно, что эмиссия диоксинов из дымовой трубы существенно связана с выбросами частиц пыли и углерода. На многих мусоросжигательных заводах газоочистка основана на практически полном поглощении диокинов из дымовых газов при пропускании их через фильтры с активированным углем или тканевыми фильтрами, способными эффективно выделять золу из газа.
Реальные возможности снижения диоксиновой опасности технологии термической переработки органических отходов:
1.Уменьшение в исходном сырье доз Cl- и Br-содержащих материалов, способствующих образованию диоксинов.
2. Минимизация образования доли золы дымовых газов и уменьшение золоуноса.
3. Обеспечение при сжигании ТКО наиболее полного их сгорания и применение дожигания отходящих газов.
4. Управление температурным режимом процесса переработки исходного сырья с нагревом образующихся продуктов, содержащих диоксины, выше 1250°С с выдержкой более 2 с.
5. Предотвращение повторного синтеза диокинов путем холодной «закалки» дымовых газов или летучих продуктов термической переработки.
6. Удаление и улавливание летучих соединений в замкнутом цикле химической очистки и переработки.
Современные методы термической переработки ТКО.
сжигание ТКО в печи с колосниковыми решетками (КР) или котлоагрегате на колосниковых решётках разных конструкций;
сжигание отходов в кипящем слое (КС) инертного материала (обычно песок определённой крупности);
сжигание в барботируемом расплаве;
сжигание-газификация отходов в плотном слое кускового материала без его принудительного перемешивания и перемещения;
высокотемпературное сжигание в плазме;
Сжигание ТКО в печах с колосниковыми решетками (процесс КР) ввиду сравнительно низких температур (600 – 900°С) практически не решает диоксиновой проблемы. Кроме того, при этом образуются вторичные (твёрдые несгоревшие) шлаки и пыли, которые требуют отдельной переработки или направляются на захоронение с последующими негативными последствиями для окружающей среды. Эти недостатки в определённой мере присущи и процессу КС, протекающему при несколько более высоких температурах. Здесь добавляется необходимость подготовки сырья к переработке с целью соблюдения гранулометрического состава.
Для разрушения диоксинов после печей КР и КС используются дополнительные дожигатели, работающие на жидком или газовом топливе. Согласно Нормативам Европейского Союза (НЕС) геометрия горячей зоны дожигателя должна обеспечить пребываете газов в зоне с температурой не ниже 850°С в течение не менее 2 секунд (правило 2 секунд) при концентрации кислорода не менее 6%.
Реально снижают содержание диоксинов в отходящих газах только угольные фильтры, на которых диоксины необратимо связываются, а также специальные каталитические дожигатели. Именно в силу трудностей их улавливания очистные сооружения современных заводов стоят очень дорого.
Основным достоинством технологии термической переработки ТКО в барботируемом расплаве шлака, протекающем при температуре 1400-1600°С, является решение диоксиновой проблемы: уже на выходе из барботажного агрегата практически отсутствуют высокотоксичные соединения (диоксины, фураны, полиароматические углеводороды). К недостаткам процесса относятся необходимость сортировки и дробления отходов до определённых размеров и потребность в дорогостоящей системе очистки выходящего из печи синтез-газа, представляющего собой смесь окиси углерода и водорода.
Сжигание-газификация отходов в плотном слое кускового материала в шахтной печи (аналог доменной печи) совмещает процессы пиролиза и газификации. Температура газов в нижней части печи достигает 1600-1800°С и по мере движения вверх через стой материала снижается до 150-200°С. Соответственно материал по мере опускания нагревается и подвергается сначала сушке, затем пиролизу и в нижней части сгорает с образованием расплава металлов и шлака. В зоне высокотемпературного пиролиза имеются условия для синтеза диоксинов, хотя и в меньших количествах по сравнению с горением на колосниковых решетках и в кипящем слое.
Плазменная или плазмохимическая технология является высокотемпературной разновидностью технологии пиролиза (газификации). По этой технологии в реакционной камере осуществляется пиролизный процесс с образованием при высоких температурах (от 1300 до 2000°С) пиролизного газа, который дожигается в реакторе либо в специальной камере дожигания. Применение данной технологии для утилизации ТКО ограничивается требованиями специальной подготовки загружаемых отходов, высоким энергопотреблением, малой надежностью и трудностями очистки продуктов сгорания от тяжелых металлов.
В результате процессов сжигания в барботируемом расплаве, сжигания-газификации отходов в плотном слое кускового материала и высокотемпературного сжигания в плазме образуются горючие газы ( в основном окись углерода и водород), требующие дополнительного устройства их сжигания, а также узла улавливания летучей золы.
При проведении низкотемпературного пиролиза при температуре до 450-500°С полностью исключаются условия синтеза диоксинов.
На ПВХ приходится только 50% диоксинов, образующихся при термической утилизации ТКО.
Диоксины образуются в интервале температур 500-1200°С, причем максимум их образования приходится на 600-800°С.
Геометрия горячей зоны камеры дожига должна обеспечить пребывание газов в зоне с температурой не ниже 850°С в течение не менее 2 секунд при концентрации кислорода не менее 6%.
Полное разложение диоксинов происходит только при температурах выше 1250°С и выдержке более 2 с. Их терморазложение при меньших температурах является обратимым процессом. При 200-450°С они синтезируются вновь.
Вероятность образования диоксинов при пиролизе ТКО ниже, чем при сжигании, ввиду отсутствия кислорода. Пиролиз при температуре до 450-500°С полностью исключает условия синтеза диоксинов.